一种离心压缩机模型级

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域，具体而言涉及一种离心压缩机模型级。

背景技术

离心压缩机的模型级直接决定离心压缩机性能的优劣，是离心压缩机研发和设计的核心。高性能模型级的研发是实现高性能离心压缩机组的基础，是实现工业装置用离心压缩机组节能增产减少碳排放的必要手段。

但是，目前，现有的大流量系数的离心压缩机模型级相对较少，且相对效率较低，轮毂比小、跨距大，导致离心压缩机的性能偏低且运行稳定性差。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

本发明实施例提供了一种离心压缩机模型级，包括叶轮、无叶扩压器、弯道和回流器；

所述叶轮包括轮盘、自由曲面叶片及轮盖，且所述叶轮位于模型级的入口位置；所述叶轮的出口与所述无叶扩压器的入口连通，所述无叶扩压器的出口与所述弯道的入口连通，所述弯道的出口与所述回流器的入口连通，所述回流器位于模型级出口；

所述模型级适用的机器马赫数M

可选地，所述自由曲面叶片是由多组不同的叶高叶型，按照相应的叶片前缘规律积叠得到的，所述叶片前缘为Bezier曲线。

可选地，所述叶高叶型的数量为四组，沿由轮盘侧向轮盖侧的方向依次为第一叶高叶型、第二叶高叶型、第三叶高叶型和第四叶高叶型；

所述第一叶高叶型位于所述轮盘侧；所述第二叶高叶型与所述轮盘侧之间的距离，占所述轮盘侧与轮盖侧之间距离的33％；所述第三叶高叶型与所述轮盘侧之间的距离，占所述轮盘侧与轮盖侧之间距离的66％；所述第四叶高叶型位于轮盖侧。

可选地，每个所述叶高叶型是从相应的中弧线向两侧增加相同的厚度而得到的，所述中弧线为Bezier曲线，所述叶高叶型的前缘部分为圆角结构，所述叶高叶型的中部及尾缘为Bezier曲线。

可选地，所述叶轮的轮盘侧的尾缘及轮盖侧的尾缘为非等直径结构，所述轮盖侧的尾缘直径大于所述轮盘侧的尾缘直径。

可选地，所述叶轮的轮盘侧的子午流道以及轮盖侧的子午流道均包括顺次连接的第一直线段、曲线段及第二直线段；所述第一直线段在与所述曲线段的连接处，与所述曲线段相切；所述第二直线段在与所述曲线段的连接处，与所述曲线段相切；所述曲线段为Bezier曲线段；

所述无叶扩压器的轮盖侧子午型线为与所述叶轮的旋转轴线相垂直的直线；所述无叶扩压器的轮盘侧子午型线为与所述轮盖侧子午型线呈2.6°的直线，且所述无叶扩压器的通道沿所述无叶扩压器的入口至出口的方向，呈减缩结构；

所述弯道的轮盖侧子午型线包括顺次连接的第一圆弧段、第三直线段及第二圆弧段；所述第三直线段在与所述第一圆弧段的连接处，与所述第一圆弧段相切；所述第三直线段在与所述第二圆弧段的连接处，与所述第二圆弧段相切；所述弯道的轮盘侧子午型线为半圆弧结构；

所述回流器的轮盖侧子午型线为第四直线段及与所述第四直线段连接的第三圆弧段；所述第四直线段与所述叶轮的旋转轴线的垂线呈2°夹角，且向靠近所述叶轮的方向倾斜；所述第四直线段在与所述第三圆弧段的连接处，与所述第三圆弧段相切；

所述回流器的轮盘侧子午型线为第五直线段及与所述第五直线段连接的第四圆弧段；所述第五直线段与所述叶轮的旋转轴线的垂线呈9°夹角，且向靠近所述叶轮的方向倾斜；所述第五直线段在与所述第四圆弧段的连接处，与所述第四圆弧段相切。

可选地，所述叶轮的出口相对宽度b

所述叶轮的进口相对直径比D

所述叶轮的叶片轮盖侧相对长度Ls/D

所述叶轮的叶片轮盘侧相对长度L

所述无叶扩压器的进口相对高度D

所述无叶扩压器的进口相对宽度b

所述无叶扩压器的出口相对高度D

所述无叶扩压器的出口相对宽度b

所述自由曲面叶片相对于第一方向倾斜设置，所述第一方向为与所述叶轮的轮盘相垂直的方向。

可选地，所述回流器的进口相对高度D

所述回流器的进口相对宽度b

所述回流器的出口相对高度D

所述回流器的进口相对宽度b

所述回流器的叶片数为21，所述回流器的叶片为二元翼型叶片，所述回流器的叶片进口安装角为29.9°，所述回流器的叶片出口安装角为79.1°；

所述叶轮为闭式三元叶轮，自由曲面叶片的数量为15。

可选地，所述机器马赫数M

其中，u

所述流量系数φ公式为：

其中，Q

所述多变效率η

其中，κ为绝热指数；P

所述能头系数ψ计算公式为：

其中，W为所述模型级的总能量头；u

根据本发明实施例所提供的离心压缩机模型级，具有大流量系数、高效率、大轮毂比、窄跨距及较宽运行范围的优点，从而能够有效提升离心压缩机的气动性能和运行稳定性。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明实施例的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为根据本发明的一个可选实施例的离心压缩机模型级的子午结构图；

图2为根据本发明的一个可选实施例的叶轮的立体图；

图3为根据本发明的一个可选实施例的回流器的叶型示意图；

图4为根据本发明的一个可选实施例的叶轮与无叶扩压器的子午几何控制示意图；

图5为根据本发明的一个可选实施例的自由曲面叶片的倾斜角几何示意图；

图6为根据本发明的一个可选实施例的自由曲面叶片的各叶高叶型中弧线的几何控制示意图；

图7为根据本发明的一个可选实施例的自由曲面叶片的叶片厚度截面几何控制的示意图；

图8为根据本发明的一个可选实施例的离心压缩机模型级的性能曲线图。

附图标记：

1-叶轮，11-自由曲面叶片，111-第一直线段，112-曲线段，113-直线段，114-叶片前缘，115-叶片尾缘，12-轮盘，13-轮盖，2-无叶扩压器，3-弯道，4-回流器。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或至少三个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或至少三个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。

如图1及图2所示，本发明实施例提供了一种离心压缩机模型级，包括叶轮1、无叶扩压器2、弯道3和回流器4；叶轮1包括轮盘12、自由曲面叶片11及轮盖13，且叶轮1位于模型级的入口位置；叶轮1的出口与无叶扩压器2的入口连通，无叶扩压器2的出口与弯道3的入口连通，弯道3的出口与回流器4的入口连通，回流器4位于模型级出口；模型级适用的机器马赫数Mu＝0.75～0.9，在M

如图8所示，根据本发明实施例所提供的离心压缩机模型级，具有大流量系数、高效率、大轮毂比、窄跨距及较宽运行范围的优点，从而能够有效提升离心压缩机的气动性能和运行稳定性。

具体地，自由曲面叶片11是由多组不同的叶高叶型，按照相应的叶片前缘114规律积叠得到的，叶片前缘114为Bezier曲线。

其中，图4的R-Z坐标系中，R为叶轮1的径向方向，Z为叶轮1的轴向方向。叶高叶型为沿轮盘侧至轮盖侧，在Z轴方向上不同高度的叶型。叶高叶型及叶片前缘114可由工作人员根据实际需求单独进行设计。

图4中的L

在具体应用中，叶高叶型的数量为四组，沿由轮盘侧向轮盖侧的方向依次为第一叶高叶型、第二叶高叶型、第三叶高叶型和第四叶高叶型；第一叶高叶型位于轮盘侧；第二叶高叶型与轮盘侧之间的距离，占轮盘侧与轮盖侧之间距离的33％，即图4中的虚线A；第三叶高叶型与轮盘侧之间的距离，占轮盘侧与轮盖侧之间距离的66％，即图4中的虚线B；第四叶高叶型位于轮盖侧。

在本实施例中，采用四组叶高叶型进行积叠所得到的叶片，既能使得叶轮1内部的气流载荷分布更加均匀，又能降低叶片设计的繁复度。

进一步地，如图6及图7所示，每个叶高叶型是从相应的中弧线向两侧增加相同的厚度而得到的，中弧线为Bezier曲线，叶高叶型的前缘部分为圆角结构，中部及尾缘为Bezier曲线。

其中，图7中的S

图8中的S

进一步地，叶轮1的轮盘侧的尾缘115及轮盖侧的尾缘115为非等直径结构，轮盖侧的尾缘115直径大于轮盘侧的尾缘115直径。

进一步地，如图4所示，叶轮1的轮盘侧的子午流道以及轮盖侧的子午流道均包括顺次连接的第一直线段111、曲线段112及第二直线段113；第一直线段111在与曲线段112的连接处，与曲线段112相切；第二直线段113在与曲线段112的连接处，与曲线段112相切；曲线段112为Bezier曲线段112，从而能够实现第一直线段111、曲线段112以及第二直线段113的平滑过渡，并且能够减少设计变量，提高设计及优化效率。

其中，M

M

T

无叶扩压器2的轮盖侧子午型线为与叶轮1的旋转轴线相垂直的直线；无叶扩压器2的轮盘侧子午型线为与轮盖侧子午型线呈2.6°的直线，且无叶扩压器2的通道沿无叶扩压器2的入口至出口的方向，呈减缩结构。

弯道3的轮盖侧子午型线包括顺次连接的第一圆弧段、第三直线段及第二圆弧段；第三直线段在与第一圆弧段的连接处，与第一圆弧段相切；第三直线段在与第二圆弧段的连接处，与第二圆弧段相切，从而能够使第一圆弧段、第三直线段以及第二圆弧段之间平滑过渡，并且能够减少设计变量，提高设计及优化效率。

弯道3的轮盘侧子午型线为半圆弧结构。

回流器4的轮盖侧子午型线为第四直线段及与第四直线段连接的第三圆弧段；第四直线段与叶轮1的旋转轴线的垂线呈2°夹角，且向靠近叶轮1的方向倾斜；第四直线段在与第三圆弧段的连接处，与第三圆弧段相切，从而能够使第四直线段以及第三圆弧段之间平滑过渡，并且能够减少设计变量，提高设计效率。

回流器4的轮盘侧子午型线为第五直线段及与第五直线段连接的第四圆弧段；第五直线段与叶轮1的旋转轴线的垂线呈9°夹角，且向靠近叶轮1的方向倾斜；第五直线段在与第四圆弧段的连接处，与第四圆弧段相切，从而能够使第五直线段以及第四圆弧段之间平滑过渡，并且能够减少设计变量，提高设计效率。

进一步地，叶轮1的出口相对宽度b

叶轮1的进口相对直径比D

叶轮1的叶片轮盖侧相对长度Ls/D

叶轮1的叶片轮盘侧相对长度L

无叶扩压器2的进口相对高度D

无叶扩压器2的进口相对宽度b

无叶扩压器2的出口相对高度D

无叶扩压器2的出口相对宽度b

如图5所示，自由曲面叶片11相对于第一方向倾斜设置，第一方向为与叶轮1的轮盘115相垂直的方向。

进一步地，回流器4的进口相对高度D

回流器4的进口相对宽度b

回流器4的出口相对高度D

回流器4的进口相对宽度b

如图3所示，回流器4的叶片数为21，回流器4的叶片为二元翼型叶片，回流器4的叶片进口安装角为29.9°，回流器4的叶片出口安装角为79.1°；

叶轮1为闭式三元叶轮1，自由曲面叶片11的数量为15。

进一步地，机器马赫数M

其中，u

流量系数φ公式为：

其中，Q

在一些实施例中，u

在一些实施例中，Q

多变效率η

其中，κ为绝热指数；P

在一些实施例中，κ＝1.4；P

能头系数ψ计算公式为：

其中，W为模型级的总能量头；u

在一些实施例中，W＝55592.5Jkg

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。