高马赫数离心压缩机模型级的制作方法

1.本发明涉及离心压缩机机械设备技术领域，特别涉及一种高马赫数离心压缩机模型级。


背景技术：

2.压缩机广泛应用于国民经济中的各个部门，压缩机产品的高效性能以及良好的稳定性是相关企业选购产品所看重的重要指标。其中，离心压缩机作为压缩机的一种，广泛用于各种工艺流程中，能使气体获得较高压强，处理量大，处理效率高，常常用来输送空气、工艺气体或者混合气体等，并提高气体压力。
3.现有的高马赫数(设计马赫数mu1.05)离心压缩机机组广泛应用于单级悬臂鼓风机和空分压缩机主空压机，但是长久以来，叶轮与扩压器之间的动静干涉现象明显，并且一直存在振动以及噪声大的问题，进而导致机组性能下降明显，对经济效益和社会效益产生了不利影响。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种高马赫数离心压缩机模型级，解决了现有技术中高马赫数离心压缩机叶轮与扩压器之间的动静干涉现象明显，存在振动以及噪声大的问题。
5.本发明提供了一种高马赫数离心压缩机模型级，包括：
6.蜗壳装置，所述蜗壳装置包括变截面蜗壳，所述变截面蜗壳内开设有依次相连通的蜗室、气流通道和叶轮空间；
7.叶轮，所述叶轮设在所述叶轮空间内，所述叶轮套设在主轴上且绕所述主轴旋转，所述叶轮为半开式三元叶轮；
8.无叶扩压器，所述无叶扩压器设在所述气流通道内，所述无叶扩压器入口端与所述叶轮空间连通，所述无叶扩压器出口端与所述蜗室连通，所述无叶扩压器入口端宽度大于所述无叶扩压器出口端宽度。
9.可选的，所述高马赫数离心压缩机模型级还包括进气管，所述进气管出口端与所述叶轮空间连通，所述进气管入口端宽度大于所述进气管出口端宽度。
10.可选的，所述变截面蜗壳内设置有支架、第一隔板和第二隔板；所述支架与所述变截面蜗壳盖侧内壁固定连接，且沿所述主轴轴向靠近所述气流通道设置；所述第一隔板与所述支架螺纹连接；所述第二隔板与所述变截面蜗壳盘侧内壁螺纹连接；所述第一隔板与所述第二隔板之间形成所述气流通道。
11.可选的，所述第二隔板与所述主轴轴线垂直设置；所述第一隔板靠近所述第二隔板一侧倾斜设置，且沿所述主轴径向逐渐向所述第二隔板靠近，使得所述气流通道出口端宽度相较于所述气流通道入口端宽度减小22％。
12.可选的，所述变截面蜗壳内还设置有型环，所述型环设置在所述支架靠近所述叶
轮空间一侧且与所述支架螺纹连接，所述型环与所述变截面蜗壳盘侧内壁之间形成所述叶轮空间，且所述型环与所述叶轮盖侧之间形成环形间隙。
13.可选的，所述叶轮包括轮毂，所述轮毂套设在所述主轴上，在所述轮毂上沿所述轮毂周向均布设置有多个主叶片，相邻两个主叶片之间设置有分流叶片，所述主叶片与所述分流叶片数量相等，且所述主叶片与所述分流叶片均为三元空间扭曲叶片。
14.可选的，所述主叶片包括压力面和吸力面，，所述分流叶片沿所述叶轮旋转方向向所述主叶片的压力面偏移，且偏置角度为10
°
。
15.可选的，所述主叶片和所述分流叶片均为前掠型叶片，且所述主叶片和所述分流叶片的叶片尾缘掠角均为40
°
。
16.可选的，所述变截面蜗壳的型线为基于等环量法设计的对数螺旋线。
17.可选的，所述蜗壳装置还包括出风筒，所述出风筒与所述变截面蜗壳的最大截面光滑连接，所述出风筒与所述变截面蜗壳连接处形成蜗舌，所述出风筒的型线与所述出风筒内主流气体流动方向一致。
18.本发明提供的高马赫数离心压缩机模型级，采用变截面蜗壳，并且变截面蜗壳截面面积沿周向越接近出口端越大，使得减少其流动损失的同时，提高其效率；采用具有较高的强度与刚度的半开式三元叶轮进一步提高叶轮效率，减小流动损失，；同时在收缩结构的气体流道内设置无叶扩压器代替有叶扩压器，不仅拓宽流量范围，并且结构简单便于制造；综合而言，能够提高现有离心压缩机机组的气动性能，避免了叶轮与扩压器动静干涉现象导致的机组振动，提高机组的可靠性，且具有较为广泛的使用范围。
19.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
20.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
21.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
22.图1为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级结构剖视图；
23.图2为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级内部结构示意图；
24.图3为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级中叶轮主视图；
25.图4为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级中叶轮侧视图；
26.图5为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级中气流通道结构示意图；
27.图6为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级中蜗壳装置的结构图；
28.图7为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级测试实验中相对效率对比图；
29.图8为本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级测试实验中相对压比对比图。
30.图中：
31.1、变截面蜗壳；2、无叶扩压器；3、进气管；4、支架；5、第一隔板；6、第二隔板；7、主
轴；8、型环；9、轮毂；10、主叶片；11、分流叶片；12、出风筒；13、蜗舌；
32.b、无叶扩压器入口宽度。
具体实施方式
33.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
36.本发明提供了一种高马赫数离心压缩机模型级，参见附图1和附图2，包括蜗壳装置、叶轮和无叶扩压器2，蜗壳装置包括变截面蜗壳1，变截面蜗壳1内开设有依次相连通的蜗室、气流通道和叶轮空间，叶轮设在叶轮空间内，叶轮套设在主轴7上且绕主轴7旋转，叶轮为半开式三元叶轮，无叶扩压器2设在气流通道内，无叶扩压器2入口端与叶轮空间连通，无叶扩压器2出口端与蜗室连通，无叶扩压器2入口端宽度大于无叶扩压器2出口端宽度。
37.本发明提供的高马赫数离心压缩机模型级，采用变截面蜗壳1，并且变截面蜗壳1截面面积沿周向越接近出口端越大，使得减少其流动损失的同时，提高其效率；采用具有较高的强度与刚度的半开式三元叶轮进一步提高叶轮效率，减小流动损失；同时在收缩结构的气体流道内设置无叶扩压器2代替有叶扩压器，不仅拓宽流量范围，并且结构简单便于制造；综合而言，能够提高现有离心压缩机机组的气动性能，避免了叶轮与扩压器动静干涉现象导致的机组振动，提高机组的可靠性，且具有较为广泛的使用范围。
38.具体地，在上述实施例中，高马赫数离心压缩机模型级还包括进气管3，进气管3出口端与叶轮空间连通，进气管3入口端宽度大于进气管3出口端宽度。在本实施方式中，离心压缩机的进气管3用于将外界空气导向叶轮，通常分为轴向进气管和径向进气管，本技术的进气方式为轴向进气，且进气管3为收缩式，能够增加流速，减小压力，确保气流能够更加均匀的进入叶轮的流道。
39.具体地，在上述实施例中，参见附图1和附图5，变截面蜗壳1内设置有支架4、第一隔板5和第二隔板6；支架4与变截面蜗壳1盖侧内壁固定连接，且沿主轴7轴向靠近气流通道设置；第一隔板5与支架4螺纹连接；第二隔板6与变截面蜗壳1盘侧内壁螺纹连接；第一隔板5与第二隔板6之间形成气流通道。在本实施方式中，无叶扩压器2由位于盖侧的第一隔板5和位于盘侧的第二隔板6围合而成，无叶扩压器2本质为一环形通道，气流在无叶扩压器2中
近似沿对数螺旋线的轨迹运动，气流流动轨迹在任意直径处与切向的夹角基本不变，其流量范围宽，结构简单且制造方便。经实验论证，采用无叶扩压器2模型级不仅保证了机组性能的小幅度提升，气流经过无叶扩压器2流出后均匀性提高，而且非定常数值结果显示离心压缩机模型级由于流体气动力影响的耦合噪声下降明显，增强稳定性的同时也降低了材料成本以及加工成本。
40.进一步的，第二隔板6与主轴7轴线垂直设置；第一隔板5靠近第二隔板6一侧倾斜设置，且沿主轴7径向逐渐向第二隔板6靠近，使得气流通道出口端宽度相较于气流通道入口端宽度减小22％。在本实施方式中，由于通常大流量系数压缩机叶轮出口宽度较大，使得扩压器流道内扩压度过大，逆压梯度过大，导致叶轮出口的不均匀流场造成扩压器入口流动的紊乱，容易在盖侧出现较大范围漩涡，本技术将第一隔板5设置为收缩型结构，使得气流通道同样为收缩型结构，具体根据叶轮出口涡系的发展确定扩压器流道收缩尺度，即使得第一隔板5收缩宽度为22％无叶扩压器2入口宽度b，气流通道采用收缩结构后极大地提高了模型级的气动效率和无叶扩压器2出口各参数的均匀性，使得无叶扩压器2的流动损失降低，进而提高了模型级的性能。
41.具体地，在上述实施例中，变截面蜗壳1内还设置有型环8，型环8设置在支架4靠近叶轮空间一侧且与支架4螺纹连接，型环8与变截面蜗壳1盘侧内壁之间形成叶轮空间，且型环8与所述叶轮盖侧之间形成环形间隙。在本实施方式中，为了保证叶轮在运行时不会与其他结构发生碰撞，叶轮盖侧与型环8之间需要设置一定的间隙，且间隙为环形间隙，当间隙越小时，模型级的运转效率越高。
42.具体地，在上述实施例中，参见附图3和附图4，叶轮包括轮毂9，轮毂9套设在主轴7上，在轮毂9上沿轮毂9周向均布设置有多个主叶片10，相邻两个主叶片10之间设置有分流叶片11，主叶片10与分流叶片11数量相等，且主叶片10与分流叶片11均为三元空间扭曲叶片。在本实施方式中，离心压缩机叶轮的常用结构包括开式叶轮、半开式叶轮、闭式叶轮和尾形叶轮，本技术采用半开式叶轮，其性能位于开式叶轮与闭式叶轮之间，叶轮效率较高，流动损失较小，结构相对简单，制造方便，且强度和刚度均较高，按照叶片长短区分，本技术设置有数量相等的主叶片10和分流叶片11，因此叶轮为长短叶片叶轮，采用分流叶片11可以降低叶片进口附近马赫数，改善叶轮内部的流动情况，将主叶片10与分流叶片11均设置为三元空间扭曲叶片能够改善了气体的流动性能，使得叶轮效率得到提高，在具体实施例中，主叶片10和分流叶片11的数量均可设置为六片。
43.进一步的，主叶片10包括压力面和吸力面，分流叶片11沿叶轮旋转方向向主叶片10的压力面偏移，且偏置角度为10
°
。在本实施方式中，主叶片10的两面分别为压力面和吸力面，其中吸力面是指流体由于压力减少而冲击主叶片10的曲面，而压力面是指当压力增大，叶轮施压于液体的曲面，在本技术中，将分流叶片11向主叶片10的压力面偏移设置，且设置偏置角度为10
°
后，能够进一步拓宽在小流量情况下的工况范围，提升模型级的适用性。
44.进一步的，主叶片10和分流叶片11均为前掠型叶片，且主叶片10和分流叶片11的叶片尾缘掠角均为40
°
。在本实施方式中，叶片的两端分别为叶片前缘和叶片后缘，流体从叶片前缘流入叶片通道后从叶片尾缘流出，在本技术中，主叶片10和分流叶片11均选用前掠型叶片，增加对空气的做功能力，进而增加空气动能，有利于保证小流量工况下流场性能
的稳定，并给定合适主叶片10和分流叶片11的设计参数，具体为将主叶片10和分流叶片11均采用后加载的载荷分布形式、调节主叶片10和分流叶片11的厚度以及将主叶片10和分流叶片11的叶片尾缘掠角设置为40
°
以满足叶轮应力大小，使得本技术提供的长短叶轮最终满足性能和强度要求。
45.具体地，在上述实施例中，变截面蜗壳1的型线为基于等环量法设计的对数螺旋线。在本实施方式中，变截面蜗壳1的结构基于等环量法进行设计，又称等速度矩法，其型线为对数螺旋线，等环量法建立在气体自由流动，其动量矩保持不变的理论基础上，可得出流体质点在变截面蜗壳1中的运动轨迹，即为一对数螺旋线，对每一个给定的位置角都可得到一个叶轮外径，再将计算得到的各个点连接起来即可得到变截面蜗壳1的外型线，螺旋线终了截面即称之为蜗壳的最大张开度，本技术进一步对螺旋的小截面设计进行了修正，即增加0
°‑
60
°
螺旋截面面积，变截面蜗壳1的螺旋变化使得气流扩压过程更加平缓。
46.具体地，在上述实施例中，参见附图6，蜗壳装置还包括出风筒12，出风筒12与变截面蜗壳1的最大截面光滑连接，出风筒12与变截面蜗壳1连接处形成蜗舌13，出风筒12的型线与出风筒12内主流气体流动方向一致。在本实施方式中，蜗舌13的尺寸根据气流角以及变截面蜗壳1最小截面尺寸来确定，合适的蜗舌13尺寸能够减小气流在蜗舌13附近的冲击损失，通过将出风筒12与变截面蜗壳1最大截面处光滑连接，确保其起始型线与出口主流气体的流动方向保持一致，能够进一步减小冲击损失，使得变截面蜗壳1的结构更加合理，在提升离心压缩机的性能同时节省了装配空间。
47.利用本技术实施例提供的高马赫数离心压缩机模型级，在模型级各个零部件完成设计后，对高马赫数离心压缩机模型级进行试验测量结合数值模拟的方法验证其使用效果，实验结果参见附图7和附图8，采用设计优化后的高马赫数离心压缩机模型级，使得离心压缩机机组性能，即多变效率和压比有了一定提升，同时大流量区域性能提升明显，并且减小了运行时所产生的噪音。综上，高马赫数离心压缩机模型级在性能提升以及噪声控制方面均体现出了优势，使得经济效益和社会效益进一步得到提升。
48.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。