一种透平式通用横流机械的制作方法

本发明公开一种强制流体在轴截面内流动的透平机械结构方案，主体结构包括叶轮、壳体与隔层板，属于通用流体机械领域。

背景技术：

1、中国专利申请2023108603167公开了一种横流式透平机械，用边缘多叶的双面叶轮替代既有贯流风机的长桶状叶轮，用层间隙作为关键流道，用入口导叶（碰撞）回收动能，用出口导叶引导射流，目的是提高横流泵或风机的能效。样机试制表明该结构的确可以使得流体贯穿轴截面流动，尤其在3000rpm以下表现良好，说明其使用开放空间作为横向流道来补偿负压的设计可行，具有启发性。

2、不过该叶轮在4000rpm以上依然表现出噪音加重和气缚现象，特别是在叶轮尺寸小于40mm的实例中更加明显。该叶轮使用的是小叶片，长度短叶高也矮，可在实际中观测到径向的纵向射流，由此产生很多问题。低转速时，叶片掀起的纵向漩涡螺距大于叶片长度，在入口区可以被导叶阻挡实现紊流增压，向心的补偿流量和出口的射流会成为势流，势流强逆流弱，“吐息”强度较弱，叶轮可良好工作，符合2023108603167中预设工况。然高速工况下则不一样，叶轮内纵向漩涡不仅对流强度加大，而且螺距开始小于叶片长度，再加上为保证压力采用密集叶片，不仅一圈螺旋涡体会碰触多个叶片，而且还会存在多圈螺旋涡体的可能，碰撞过多，内泄露回流加强，紊流碎片化，噪音加大，吸入和排出阻力全部陡增，内循环增强，大量能量浪费在碰撞和摩擦。样机测试表明，该叶轮存在结构性缺陷，高速性能平庸甚至劣化。

技术实现思路

1、本发明公开一种强制流体在轴截面内横向流动的透平机械结构方案，主体结构包括叶轮、壳体与隔层板，叶轮采用边缘多叶的透平式叶轮，封装在出入口都在轴截面内的腔体中，入口腔室高度不小于出口腔室高度，叶轮可以单层使用或者同轴叠层使用，叶轮或其同轴叠层结构中出现层间隙时必须添加隔层板。隔层板位于出口腔，处于每个层间隙正中间，平行于轴截面，不能与叶轮碰触，隔层板需适配出口腔形，相对叶片长度较为宽阔，内边缘深入叶轮。

2、本发明的思路是叶轮出口侧离心排出流量强制入口侧的空隙必须成为补流通道，必要条件有二：出口侧叶片与边界层形成可滑动的封闭管道，促成入口侧的补流成为向心的定向层流。

3、利用的原理是叶轮轴两边边界层条件不同，涡体控制就策略不同。叶轮轴两边边界层调制分化的手段是控制叶片的轴向间隙，所谓轴向间隙是指叶片长边缘端面向开放空间在轴向不被遮挡的距离。叶轮轴一侧的叶片面向开放空间，轴向通透，另一侧的则需要是轴向分割的，可由添加隔层板或降低层高实现，这样叶轮轴两侧叶片轴向间隙就会有倍数差距，所允许的涡体半径就有倍数差距。

4、隔层板从理论上限制了出口腔叶片的轴向间距，工作过程是这样的：靠着隔层板或逼仄腔体，扩大了出口侧边界层面积并加大了边界层厚度，迟滞了涡体边际速度，抑制了涡体增大，保持出口射流的高压力。排出流量必需得到补充，所以选择了边缘多叶的叶轮，有中心空间和叶片间隙和层间隙作为开放空间，为向心补流提供顺畅通道。补流是必然具有初速度的，其内压力较低，根据伯努利原理，能拔起叶片表面新产生的涡体，缩短做功时间，所以入口侧叶片上的涡体不仅半径小，而且能量累积少，对于补流破坏有限，而且叶片又是分散的，紊流只会发生在叶片表面，离心紊流弱小且分散，被向心层流完全包围和消弭，所以“逆流”难以成势，有效流道将贯穿轴截面，将强制流体在轴截面内横向流动。实验证明，这个理论完全正确，本发明方案在高速工况下入口丝滑通畅，只有在很低速的工况下才能观察到“吐息”。

5、入口腔的叶片的轴向间距则可以通过分层错位来扩大，这实际只能通过叶轮构型实现。所谓的分层错位，是指任意临近的两层叶片轴向投影需要交替排列和完全错开，即要求任意临近两层叶片的叶间张角相等但两层叶片的方位角恰好相差此半个张角。叶片的分层错位，除了是为了直接扩大入口腔内叶片的轴向间距，拉大到出口腔的数倍以上，还能避免入口腔内相近的两层叶片间产生激涡共振加强湍流，这能保证补流大部分都是层流，降低了损耗。叶片分层错位可以是多个叶轮同轴叠层形成，也可以是本身是双层叶轮两面错位形成的。实测叶片分层错位对于多层叶轮叠层效果是最好的，对于单层独立使用的叶轮作用不明显，只能用降低出口腔层高弥补。采用多层叶片结构的目的是降低每个叶片高度，叶片可以变得狭长，既可以扩大与出口腔边界层面作用面积，又可以保证入口腔侧“逆流”与向心补流充分作用，“吐息”强度可以做到难以察觉，十分有益。

6、与中国专利申请2023108603167相比，本发明方案从理论上解决了高速性能不佳问题，而且效率可以随着速度同步上升，直至最佳能效，另外在结构上也更为简单，不再需要入口导叶。与传统的桶状叶轮贯流风机相比，本发明方案效率提升，转速和风压都有很大提高，几何结构也解了除限制，从小微结构到巨型尺寸都可以，有款直径28mm的样机在20000rpm时出口风速达到了12m/s，多个样机的估算效率也都在60%以上。本发明的贯流风扇结构可以达到现有轴流风扇和离心风扇相同能效，可以达到轴流风扇相同流量下风压更大，噪音更小，可以达到离心风扇相同风压下流量更大，接口更灵活方便，密封要求降低。相比其他既有风机，本发明方案是依赖气动结构强制工作的，突出优点是流场稳定性非常高，有两点可以证明：一是即使叶轮直径小于20mm也可以高效工作，气动结构不受破坏；二，可以直接用指示液观测流体实际工作状态，气相和液相流体在各种速度下流场变化没有突变，且单层和多层叠加效率和工作状态相同，非常便于新机开发设计。

技术特征：

1.一种强制流体在轴截面内横向流动的透平式通用机械方案，主要结构包括叶轮、壳体与隔层板，所述叶轮为边缘多叶的叶轮，由叶片、叶盘、中心轴或轮毂组成，叶片径向均匀分布在叶轮最外圈1/3半径圆圈区域内，叶片靠叶盘与中心轴或轮毂固接，叶轮包括开式轮和半开式轮，可以单层独立使用或者同轴叠层使用；所述壳体为封装叶轮或叶轮组的腔体，出入口都在轴截面内，位列叶轮轴两侧，且这两侧的腔室高度可以不同，入口腔室高度必须大于等于出口腔室高度；所述隔层板位于出口腔，处于叶轮或其同轴叠层结构中出现的层间隙正中间，平行于轴截面，不能与叶轮碰触；所述隔层板需适配出口腔形，相对叶片长度较为宽阔，有两端固定在出口腔壁上，有内缘边抵近叶盘的外边沿或深入到叶片叶根所在的柱面，有外缘边伸展至叶轮外圆扩大一个叶片长度的圆或者更远。

2.根据权利要求1，所述叶轮更优的特征在于叶盘大小和叶片与其固接的拓扑结构，合理构型有三种：简单开式轮，有较小的叶盘，叶片叶根的中部固接在叶盘的外缘边上；半开式错叶轮，有较大的叶盘，叶盘两面各固定有一层叶片，叶片叶尖的顶点恰好落在叶盘外边沿的圆上，两面叶片的轴向投影是相间错位的；开式错叶轮，有较小的叶盘，叶盘两面各固定有一层叶片，叶片叶根的一端固接在叶盘的外缘边上，两面叶片的轴向投影是相间错位的。

3.根据权利要求1和2，所述的叶轮同轴叠层结构更优的技术特征在于对齐方式，有益施例分为简单开式轮错位叠层使用和错叶轮轴向对齐使用；所谓简单开式轮的错位叠层是指，在简单开式轮同轴堆叠的叶轮组中，任意相邻两层的所有叶片都要求轴向投影是相间错位的；所谓错叶轮轴向对齐使用，是指，每个同轴堆叠的错叶轮方位角完全一样，即要求同一轴截面内，堆叠的所有层错叶轮的结构完全一样。

技术总结本发明公开一种透平式通用横流机械方案，其原理是，使用边缘多叶的叶轮，利用其叶片在出口侧与隔层板或腔壁形成封闭流道，强迫其入口侧的开放空间成为补流通道，主要结构包括叶轮、壳体与隔层板。叶轮可单独使用或者同轴叠层使用，叶轮及同轴其叠层结构结构叶片要求是分层错位的，所以根据叶盘大小和其与叶片的拓扑结构叶轮可分为开式简单轮、半开式错叶轮和开式错叶轮，叶轮的同轴叠层构型分为简单开式轮错位叠层使用和错叶轮轴向对齐使用。本发明方案的横流机械能适用高速、大流量工况，不局限叶轮尺寸大小，轴向可叠层拓展，效率预期在60%以上，可用于贯流风扇、横流泵、压缩机及空潜设备的推进动力。技术研发人员：吴官举受保护的技术使用者：吴官举技术研发日：技术公布日：2024/7/11