專利名稱：一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪及壓氣機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于流體機械領域的葉輪機械氣動、結(jié)構(gòu)設計，涉及一種葉片式葉輪機械裝置，尤其涉及一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪及其壓氣機。
背景技術：
微型燃氣輪機是小型熱力發(fā)動機，其單機功率范圍為25 500kW，它的基本原理與常規(guī)燃氣輪機相同，基本技術特征是采用徑流式葉輪機械(離心式壓氣機和向心式透平)以及回熱循環(huán)?，F(xiàn)代微型燃氣輪機作為分布式供能系統(tǒng)的主要動力機，與其它動力設備相比具有許多的優(yōu)勢?，F(xiàn)代先進的微型燃機具有結(jié)構(gòu)簡單、可以單臺使用或者多臺集成、適合多種燃料、熱效率高、低排放、低噪音、低振動、低維修率、自動化程度高等一系列先進技術特征，是提供清潔、安全、可靠和高質(zhì)量能源供應的最佳方式。在確保微型燃氣輪機穩(wěn)定有效工作的基礎上，提高燃氣輪機的效率成為燃氣輪機 研究關注的重點。在燃氣輪機幾大部件中，壓氣機的效率相對較低，也是影響整機效率的一個關鍵因素。壓氣機部件通常存在間隙泄漏損失，二次流損失等，由于壓氣機內(nèi)部流動相對比較復雜，如何提高壓氣機的效率是設計者面臨的一大難題。目前，微型燃氣輪機的工作轉(zhuǎn)速相對較高，使得壓氣機葉片承受著氣動沖擊的同時受到離心力引起的強度問題，葉片根部與輪盤交接處該問題尤其突出。壓氣機中存在的二次流損失通常由馬蹄渦、通道渦等引起的。由于主流場與近壁面邊界層處，存在一定的沿徑向的壓力梯度，在該壓力梯度的作用下一部分氣流沿徑向朝壁面流動，形成馬蹄渦，造成二次流損失，馬蹄渦通常在葉片與壁面的交接處產(chǎn)生。由于壓氣機中壓力面的壓力大于吸力面的壓力，造成了沿周向的壓力梯度。氣流沿通道運動時產(chǎn)生一定的離心力，當氣流流速比較大時，該離心力可以平衡壓力梯度，而在近壁面處由于邊界層的影響，氣流速度相對較低，產(chǎn)生的離心力無法平衡壓力梯度，因而引起氣流的沿周向的橫向流動，即形成了通道渦，造成了二次流損失。綜上可見，減少二次流損失，提高流通效率，提高葉片強度是壓氣機氣動及結(jié)構(gòu)設計主要考慮的問題。本發(fā)明提出了一個對葉片前緣與壁面連接處合理設計的葉輪，在葉片前緣設置一個尖角。該尖角的存在提高了在葉片與壁面交接處的氣流速度，葉片與壁面交接處的氣流速度的提高抑制了沿葉片表面壓力梯度的形成，而該壓力梯度即是造成馬蹄渦和通道渦的主要原因。因而，該發(fā)明可以降低葉型前緣的馬蹄渦的強度和尺寸，同時可以降低通道渦的強度，提高通流效率，減少二次流損失，從而使得由于通道渦造成的總壓損失可以相應的減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為針對國內(nèi)微型燃氣輪機徑流式機械設計經(jīng)驗缺乏，為提高葉輪通流效率，減少氣動損失，增加葉片強度，有效延長使用壽命提供一種葉輪設計方案。本發(fā)明設計了一種帶尖角前緣的葉輪，在所述壓氣機葉片前緣設置一種尖角結(jié)構(gòu)。由于該尖角結(jié)構(gòu)的存在，一方面提高了葉片與壁面交接處的氣流速度，減小了馬蹄渦的強度和尺寸，同時可以降低通道渦的強度，從而使得由于通道渦造成的總壓損失可以相應的減?。涣硪环矫嫒~片前緣與壁面的交接處也是強度設計的薄弱區(qū)域，該結(jié)構(gòu)的存在加強了葉片前緣與壁面交接處的強度，應力集中現(xiàn)象得以改善。為了達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術解決方案一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪,包括多個大、小葉片和輪盤,所述大葉片和小葉片相互間隔布置，其特征在于， 在所述大葉片和/或小葉片的前緣與輪盤的交接處延伸出一尖角，所述尖角包括壓力面和吸力面，所述尖角的壓力面和吸力面均呈弓形所述尖角的壓力面起始于所述尖角與輪盤的交接處延伸一段距離到葉片的壓力面處相交，所述尖角的吸力面起始于所述尖角與輪盤的交接處延伸一段距離到葉片的吸力面處相交；所述尖角的長度大于其高度，其高度為葉片的葉高的5% 10%。優(yōu)選地，當只有小葉片的前緣設置尖角時，所述大葉片的前緣可以為普通倒圓。或，當只有大葉片的前緣設置尖角時，所述小葉片的前緣可以為普通倒圓。優(yōu)選地，所述尖角的壓力面和吸力面在輪盤面上的投影面均呈不完整的橢圓形，即壓力面和吸力面在輪盤面上的投影面都是橢圓形的一部分。進一步地，所述尖角的壓力面和吸力面之間的分界面設置在葉片發(fā)生滯止處，SP所述分界面過葉片的滯止線。進一步地，所述尖角的吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的長軸比壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的長軸長，所述尖角的吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的短軸比壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的短軸長。進一步地，所述尖角的壓力面和吸力面在尖角的前緣處光滑過渡連接。進一步地，所述尖角的壓力面和吸力面，在二者之間的分界面處光滑過渡連接。進一步地，所述尖角的壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形和吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形，兩個橢圓形的橢圓中心點是不重合的。優(yōu)選地，所述應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪為軸流式或徑流式葉輪。本發(fā)明還要求保護一種壓氣機，其包括上述應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪。本發(fā)明的優(yōu)點(I)本發(fā)明所述的葉片前緣尖角設計結(jié)構(gòu)簡單，設計方便，適合工程應用。(2)本發(fā)明抑制二次流效果顯著、對葉片根部應力狀況改善明顯。通過在葉輪中應用帶尖角前緣的葉片，一方面降低了馬蹄渦、通道渦的尺寸和強度，減少了二次流，提高了葉輪的通流效率；另一方面減小了葉片根部的應力集中，提高了葉片根部的強度，提高了葉片的有效工作壽命。


圖I離心壓氣機子午截面示意圖；圖2離心壓氣機等軸測視圖及帶尖角前緣葉片的結(jié)構(gòu)細節(jié)圖；圖3尖角處細節(jié)放大圖。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例，對本發(fā)明進一步詳細說明。本發(fā)明提供了一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪及壓氣機，所述離心壓氣機轉(zhuǎn)子的子午截面示意圖，如圖I所示。所述壓氣機由主要由葉片I、葉輪2組成。所述壓氣機在工作時與機匣3形成一定葉頂間隙。所述壓氣機葉片I分為大葉片101和小葉片102，大葉片101和小葉片102相互間隔布置，在所述的小葉片102的葉片前緣與輪盤的交接處延伸出一尖角7。所述小葉片102被滯止線42分為壓力面11和吸力面12。所述尖角7被分界面76分為尖角壓力面72和尖角吸力面74。在實際應用中，可以采用尖角7在小葉片102的前緣沿縱向延展，同樣在小葉片102的前緣沿高度方向延展。分界面76通常設計在葉片發(fā)生滯止處，即分界面通常過小葉片的滯止線42。尖角7的壓力面72是弓形的，起始于尖角7的外邊處延伸一段距離到小葉片102的壓力面11處相交。尖角7的吸力面74也是弓形的，起始于尖角7的外邊處延伸·一段距離到小葉片10的吸力面12處相交。尖角7的長度要大于它的高度，尖角7的高度可以在葉高的5% 10%取值。圖3所示，尖角7的壓力面72和吸力面74在輪盤面上的投影實質(zhì)上都是不完整的橢圓形，都是橢圓形的一部分。吸力面74投影的橢圓中心點(Css)，短軸長度(Sss)，長軸長度(Lss)。壓力面72投影的橢圓中心點(Cps)，短軸長度(Sps)，長軸長度(Lps)。尖角的吸力面74和壓力面72的主軸線在分界面76上。吸力面74的長軸比壓力面72的長軸要長(Lss > Lps)。吸力面74的投影面的短軸比壓力面72的投影面的短軸長(Sss >Sps)。橢圓形的壓力面72和吸力面74在尖角7的外邊處，即前緣處，光滑過渡連接。在實際操作過程中，分別以Css和Cps做中點作橢圓弧，在兩橢圓交接處采用相同的曲率，以保證他們的相切即可。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
權利要求
1.一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪,包括多個大、小葉片和輪盤,所述大葉片和小葉片相互間隔布置，其特征在于， 在所述大葉片和/或小葉片的前緣與輪盤的交接處延伸出一尖角，所述尖角包括壓力面和吸力面，所述尖角的壓力面和吸力面均呈弓形 所述尖角的壓力面起始于所述尖角與輪盤的交接處延伸一段距離到葉片的壓力面處相交，所述尖角的吸力面起始于所述尖角與輪盤的交接處延伸一段距離到葉片的吸力面處相交； 所述尖角的長度大于其高度，其高度為葉片的葉高的59TlO%。
2.根據(jù)權利要求I所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，當只有小葉片的前緣設置尖角時，所述大葉片的前緣可以為普通倒圓。
3.根據(jù)權利要求I所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，當只有大葉片的前緣設置尖角時，所述小葉片的前緣可以為普通倒圓。
4.根據(jù)權利要求I至3任一項所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的壓力面和吸力面在輪盤面上的投影面均呈不完整的橢圓形，即壓力面和吸力面在輪盤面上的投影面都是橢圓形的一部分。
5.根據(jù)權利要求I至3任一項所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的壓力面和吸力面之間的分界面設置在葉片發(fā)生滯止處，即所述分界面過葉片的滯止線。
6.根據(jù)權利要求4所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的長軸比壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的長軸長，所述尖角的吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的短軸比壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形的短軸長。
7.根據(jù)權利要求4所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的壓力面和吸力面在尖角的前緣處光滑過渡連接。
8.根據(jù)權利要求4所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的壓力面和吸力面，在二者之間的分界面處光滑過渡連接。
9.根據(jù)權利要求4所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪，其特征在于，所述尖角的壓力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形和吸力面在輪盤面上的投影面其所在的橢圓形，兩個橢圓形的橢圓中心點是不重合的。
10.一種壓氣機，其特征在于，包括權利要求I至9任一項所述的應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用帶尖角前緣的大小葉片葉輪及壓氣機，包括大、小葉片，葉片的前緣為尖角結(jié)構(gòu)，具體的葉輪形式可以是軸流式、徑流式。葉片可以包括大葉片、小葉片，可以將大葉片的前緣設計為尖角；也可以將小葉片設計為尖角；也可以將大葉片和小葉片的前緣均設計為尖角。在葉片的前緣設置尖角可以減少馬蹄渦、通道渦的尺寸和強度，減少二次流損失，減少總壓損失，提高通流效率，同時減小了葉片前緣處的應力集中。
文檔編號F04D29/30GK102889237SQ201210193389
公開日2013年1月23日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權日2012年6月12日
發(fā)明者郭寶亭, 陶海亮, 陳巍 申請人:中國科學院工程熱物理研究所