离心式压气机的工作轮的制作方法

专利名称：离心式压气机的工作轮的制作方法技术领域：本发明涉及涡轮空气压缩机领域，更确切地说，是关于离心式压气机的工作轮。本发明可以最成功地用于工业企业、道路工程、采矿工业的压缩空气管路，以及气体沿气体导管的运输、熔化炉的供气装置、制氨装置、制造聚乙烯和离析气体的装置。在压气机的工作过程中，气体的压缩和移动是借助于安装在工作轮上的叶片来保证的，而且压气机的效率在很大程度上取决于叶片工作面的形状，在各种不同的工作轮结构中，叶片是用各种不同的方法制成的。我们已经知道一种离心式压气机的工作轮(1981年“机器制造”(列宁格勒)15页Β·φ·里斯“离心式压气机”)，它包括支承圆盘和安装在上面的叶片。叶片的进口边排列在圆柱形或圆锥形表面上，该表面的轴与工作轮的轮相重合。叶片的出口边安装于圆柱形表面上，此表面的轴与工作轮的轮也相重合。平行于轮轴的直线成形线的位移形成叶片的工作面，成形线形成某个与轮轴不对称的圆柱形表面。在这种情况下，叶片的整个表面都排列在工作轮的径向部分。在所述的工作轮上，叶片的出口角可以实现小于90°。在这种情况下，在有效系数最大值时的工作效率比喘振点对应的效率高得多。生产量在足够大的范围内变化而又不使有效系数降低很多，这就可以保证在固定式压气机上使用上述工作轮的可能性。但是，上述形状的工作轮在轮轴部分由于没有叶片，在气流由轴向转向径向时，产生急剧的方向变化。这造成气体以一个冲角进入排列在轮的径向部分的叶片进口边，冲角沿着进口边气流线而变化。特别是轮宽与轮的外径的比值偏离某一最佳值(约为0.05)时，这样会大大降低有效系数。此外，在轮轴部分没有叶片，会明显降低工作轮的强度。我们还知道另一种离心式压气机的工作轮(SU、A、NO 691606)，它也包括支承圆盘和安装在上面的叶片。叶片的进口边排列在垂直于轮轴的平面，而出口边排列在圆柱形表面，圆柱形表面的轴与轮轴相重合。叶片工作面的成形线是直线，它通过垂直于轮轴的平面，因此，它不与轮轴相交。该成形线即沿着轮轴又绕轮轴成螺旋形移动，形成工作面，而且由成形线至轮轴间的距离是变化的，以保持成形线与轮半径间倾角的正弦与Sinr·Xn成比例，该半径通过成形线与叶片外边缘的交点，其中r-常量，X-成形线位移值与工作轮沿其轴的长度之比，n-指数。在所述工作轮上叶片的出口角应该等于90°，因为，出口角只有达到这个值才能保证它沿着叶片出口边全长内保持恒定的条件，为此必须使成形线在叶片的出口边保持沿半径的方向。但是装用这种叶片的压气机在工作中，只有生产量在一个很小的范围内变化时，有效系数才能达到足够大的值，因为叶片出口角等于90°时，有效系数的最大值与喘振点相吻合。在生产量变化范围很大的固定式压气机中不允许使用上述工作轮，因为生产量变化幅度大会导致有效系数的急剧降低。除此而外，上述表达式Sinr·Xn中的“n”值不能够小于2，不然的话，形成的表面不能保证满足气流进入叶片进口边的条件。但是，当“n”值等于或大于2时，叶片的工作面将具有在叶片全长范围内表面曲率变化显著的特点。这将使在环绕工作表面的气流中，断流区出现的概率增大，导致有效系数的降低。同时，在轮轴部分，叶片进口边的排列可以保证减小沿叶片进口边冲击角的变化，以及提高工作轮的强度。可以借助直线成形线沿着和环绕轴的螺旋形移动得到沿叶片进口边工作表面曲率很平缓的变化和比较稳定的冲击角，同时，使成形线任何时间都通过轮轴。此外，在这种情况下，还可以保证工作轮有较高的强度，因为叶片进口边沿径向排列，而不与半径形成夹角，就象NO691606著作证书提供的工作轮一样。但是，在采用通过轮轴的直线型成形线的情况下，叶片的出口角总是等于90°。本发明的目的是要提出制造装有一种新型叶片的离心式压气机工作轮。这种叶片在保证工作轮足够高的强度和沿叶片进口边冲击角最小的条件下，在叶片工作面曲率平缓变化时，通过得到小于90°的叶片出口角而提高工作轮的有效系数。为此本发明提出了一种包括支承圆盘和在其上安装叶片的离心式压气机的工作轮，其叶片进口边排列在垂直于轮轴的平面上，而出口边排列在圆柱形表面上，圆柱形表面的轴与轮轴相重合，而且，每个叶片的工作面是由成形线沿着和环绕轮轴成螺旋形位移而形成的。按照本发明，在这个工作轮上，成形线的始端通过轮轴，至少它的一部分应该是双纽线的交汇点，而如果双纽线截段仅仅是成形线的一部分，那么，成形线的其它部分是直线截段，直线截段的一端与双纽线截段在它的上述交汇点共轭，而另一端是成形线的始端。采用通过轮轴的上述成形线可以保证叶片在它的轴部有高强度。这是因为，如果成形线是由两部分组成的，而构成叶片轴部的直线截段的方向是接近径向的。与双纽线的交汇点相衔接的双纽线截段同样接近通过径向的直线。如果成形线的全部都是双纽线，同样可以保证叶片轴部的强度。同时，成形线具有向双纽线曲线段可以得到小于90°的叶片出口角，从而在生产量变化范围较大的情况下，提高有效系数。因此，可以保证叶片工作面曲率的平缓变化，减小在环绕表面气流中产生断流区的概率，从而有助于得到高效率。由于成形线与轮轴相交，可以使叶片进口边的冲角接近于零，这样，有助于得到高的有效系数。在上述成形线呈螺旋形位移时，围绕轮轴的转角要与一个数值双曲正切值成比例地变化，而这个值是与成形线沿轮轴的平移值成比例的。成形线位移的上述特性有助于建立叶片气流环流的最理想条件，从而提高有效系数。在从叶片进口边到叶片表面点的螺旋形位移时，适当的转角φ，应该在10°～45°范围内，叶片表面点指的是由进口边到轮轴方向的最远的点。4角的上述范围是试验确定的。在φ角小于10°和大于45°时不能保证进口处气流进入叶片栅的最低的相对速度，从而造成有效系数的降低。看了采用离心式压气机工作轮的下列详细叙述后，可以更清楚地了解这个发明。其中图1.离心式压气机工作轮的子午线断面图(一半);图2.从进口边的方向描绘带有可拆式复盖圆盘的工作轮的形状;图3.位移时形成叶片工作面的成形线形式图;图4.叶片表面轴测投影图。离心式压气机工作轮包括支承圆盘1(图1，2)和复盖圆盘2。圆盘1，2的内表面1a和2a之间安装工作叶片3。叶片边3的进口边4排列在工作轮进口面垂直于轮轴的平面上，轮轴与坐标系统的Z轴重合。叶片3的出口边5(图1，4)排列在圆柱形表面上。圆柱形表面的轴与工作轮的Z轴重合，它的直径等于工作轮的外径D2。叶片3的工作面是成形线ABC沿着和环绕轮的Z轴呈螺旋形位移形成的，成形线ABC通过轮的Z轴并处在垂直于该轴的平面上，即图3中直角坐标系x-y表示的平面。成形线ABC的AB段是直线截段，它和双纽线BC截段在B点共轭，B点是双纽线的交汇点。所谓“共轭”是指AB截段在B点的倾角等于双纽线在该点切线的倾角。双纽线截段BC的另一端点C处于双纽线与以A为圆心，D2为直径的圆周的交点上。A点是成形线的始端并处于轮的Z轴上，Z轴通过A点并与图面垂直。双纽线的其余部分在图3中用虚线表示。大家知道，在极坐标系统中，双纽线是用下式表达的ρ＝a·2COS2X]]>……(1)其中ρ-双纽线的失径a-BF的长度，BF是双纽线的焦点到它的交汇点B的距离X-双纽线的矢径的极角“a”值根据叶片出口角β2和工作轮的外径D2的大小选择。直径D2愈大，B2角愈小，那么“a”值愈大。双纽线中点C符合于α角不小于 。图3中，双纽线用x1-y1直角坐标系统表示，该坐标系统的原点与B点重合。全部成形线都是双纽线截段的方案也是可能的。在这种情况下，没有AB截段，B点处于轮轴上并与A点重合。大家知道，双纽线的特点是从交汇点开始的一段非常接近于直线。叶片工作面的形成可用图2和图4说明，图中虚线标明成形线ABC在它螺旋形位移中的三种位置A1、B1、C1、A2B2C2、A3B3C3，图2中A1、A2、A3点与A点相重合。位置A1B1C1(图4)与叶片3的进口边4的形成相合，进口4的边缘分别为支承圆盘1和复盖圆盘2的内表面1a和2a。成形线沿着和环绕轮轴由进口边4向出口边5即在Z轴指示的方向上(图1，4)继续移动时，叶片的工作面以支承圆盘1和复盖圆盘2的内表面1a和2a为界的一段成形线就形成了。在这种情况下，距Z轴最远的成形线的终端(图3中的C点和图2、4中的点C1、C2、C3)处在直径为D2的上面提到的圆柱形面上。当落入距轮轴最远处成形线的上述终端时，复盖圆盘2(图1)的内表面2a的边缘开始构成叶片(图3)出口边5。出口边是移动的成形线与半径为D2的圆柱形表面的交点形成的一条线，圆柱形表面的轴与工作轮的Z轴重合。在垂直于工作轮的Z轴的平面上，通过叶片出口边的下述两直线间的夹角是叶片出口角β2，一条直线是叶片表面的切线，另一条直线是上述的直径为D2的圆柱形面的切线。因为成形线总是处于垂直于工作轮Z轴的平面上，所以在出口边的全长范围内，β2角都是一样大。正如上面所指出的，在双纽线的始端具有接近直线段的一段，这可以保证在工作轮的轴部获得叶片的高强度，这一段叶片是径向的刚性平面肋条。(因为成形线通过轮轴)又如上面所指出的，双纽线截段是成形线的一部分，它的终端有较大的曲率。这使得到小于90°的出口角β2成为可能，从提高有效系数的观点看这是很重要的，这一点在下面还要叙及。同样必须指出，双纽线与直线截段在交汇点的共轭保证了成形线的平滑度。这说明，双纽线在交汇点的曲率就象直线截段一样，等于零。为了获得叶片表面气流环流的最有利条件，要使成形线沿着和环绕轮轴适当地产生螺旋形位移，以使成形线在螺旋形位移时，环绕Z轴的成形线的转角与一个数值的双曲正切成比例地变化，这个数值的大小与成形线沿轮轴平衡量成比例，即φ＝A.th「BZ」……(2)其中.φ-成形线环绕轮轴的转角Z-成形线环绕轮轴的平移值A和B-系数，取决于工作轮几何尺寸、叶片入口角、出口边相对于下述平面的倾角(图4)γ的相互关系，这个平面经过出口边离叶片入口边距离最远的点并垂直于轮轴。最好在成形线从叶片进口边4到出口边5与支承圆盘1的内表面1a距Z轴最远的边缘的交点螺旋形移动时，成形线的转角φ(图2)在10°～45°范围内。φ角的上述范围是试验确定的，它应使气流进入叶片栅时的相对速度最小。气流最小的相对速度可以降湍Σ亮Φ乃鸷模蚨梢蕴岣哂行凳５宝战切∮ 0°时，由于工作轮入口的面积大大减小而使绝对速度提高，气流的相对速度将比最小值有很大的增加。在φ角大于45°时，气流的相对速度同样会由于圆周速度的很大提高而急剧增大。当φ角在上述范围以外时，所有这些都会导致有效系数的急剧降低。根据本发明，离心式压气机的工作轮按如下方式工作。气体进入叶片3的进口边4时，产生叶片与气流的相互作用，工作轮传动装置的机械能传给气体，并把它转换为气体运动的动能，部分转化为气体压力的势能。当气流进入工作轮叶片栅时，气流环绕叶片的进口边流过。当采用上面提供的结构的工作轮时，可以得到工作轮入口的冲角i，在叶片进口边的全部高度内，它都接近于零，即可以保证气流无振荡地流入工作轮的叶片栅，从而提高压气机的有效系数。大家知道，冲角i＝β-β1，其中，β-气体进入叶片栅时相对速度失量与该点叶片圆周速度失量之间的夹角。β角根据圆周速度值确定，这个速度决定于由轮轴到叶片进口边上该点间的距离。由速度三角形得到，tgβ与由轮轴到叶片进口边上该点间的距离成反比。夹角β1所指的是在叶片进口边上该点的圆周速度矢量与在这一点上叶片表面的切线间的夹角，该切线垂直于轮径。可以证明，如果在叶片工作面形成的过程中成形线总是通过轮轴，并处于轮轴的垂直位置，那么tgβ1同样与从轮轴到叶片进口边上该点的距离成反比例变化。在形成线形成进口边附近叶片表面的过程中，通过选择成形线的放置速度可以保证β和β1角相等，从而使叶片进口边全长上的冲角都等于零。气流沿叶片栅通过时，在叶片3的工作面上形成平稳的环流。正如上面所指出的，这是以形成绕曲率平缓的变化为条件的，成形线或者是双纽线截段，或者是双纽线与直线截段平滑的连接。气流沿着叶片表面的切线方向从叶片栅流出。由于叶片出口角β2小于90°，压气机的工作效率将从实质上符合于有效系数的最大值，并极大地提高相应于喘振点的生产率。这使得在生产量变化范围很广的情况下有可能在固定式离心压气机上采用上述工作轮。对于气流沿叶片表面通过的最良好条件，将保证在成形线转角变化的情况下符合于上述表达式(2)。这个表达式表达的双曲正切是一个函数，在起始段按接近直线的规律变化，即在这一段成形线围绕轮轴的旋转速度是一个常量，这可以使在轮轴部分环绕叶片流过的气流压力梯度均匀增长。在如试验所指出的，气体在轴向移动时，压力梯度的均匀增长可以使通过叶片表面的气体断流概率缩减到最小，从而提高有效系数。下一段，双曲正切函数偏离直线关系，然后逐渐接近常量。这可以适应接近叶片出口边时成形线围绕轮轴旋转的最低速度。由于这个原因，在工作轮的径向部分的叶片表面将与支承圆盘1a的内表面以接近90°的夹角相交，从而减小了气体与叶片的摩擦力，提高有效系数。因此，成形线按上述规律位移时，可以创造气体沿叶片表面流动的最良好条件，还可以大大提高有效系数。上面提供的工作轮可以用大家已经知道的精密铸造的方法制造，或者冲压出叶片随后将叶片镶焊或钎焊在支承圆盘和复盖圆盘上。可能的话，也可用电侵蚀的方法制造上面建议的工作轮。权利要求1.包括支承圆盘(1)和安装在上面的叶片(3)的离心式压气机的工作轮，叶片进口边(4)排列在垂直于轮轴的平面上，叶片出口边(5)排列在轴线与轮轴(Z)重合的圆柱形表面上，并且每个叶片工作面是成形线(ABC)沿着并环绕轮轴(Z)成螺旋形位移所形成，该工作轮的特征在于，成形线(ABC)的始端通过轮轴(Z)，它的最低限度一部分是双纽线截段(BC)，其轮轴(Z)方的端点(B)是双纽线的交汇点(B)，如果双纽线的截段(BC)仅仅是成形线的一部分的话，成形线(ABC)的另一部分是直线截段(AB)其一端(B)在上述双纽线的交汇点(B)与双纽线截段(BC)共轭，而且线截段(AB)的另一端(A)是成形线的始点点。2.按照权利要求1的工作轮，其特征在于，成形线(ABC)产生螺旋形位移时，它环绕轮轴(Z)的转角与一个数的双曲正切按比例变化，这个数的大小与成形线(ABC)沿轮轴(Z)的平移值成比例。3.按照权利要求1或2的工作轮，其特征在于，成形线(ABC)螺旋形位移时，从叶片(3)的进口边(4)至叶片(3)表面上，在轮轴(Z)的方向距进口边(4)最远的点，成形线(ABC)的转角都在10°～45°的范围内。全文摘要离心式压气机工作轮的叶片进口边位于工作轮进口边的平面上，该平面与轮轴(Z)垂直。叶片的出口边位于工作轮出口的直径为D2圆柱形表面上。叶片的工作表面是曲线(ABC)沿着和环绕轮轴螺旋形位移所形成。曲线通过轮轴并处于与轮轴垂直的平面上。该曲线至少有一部分是双纽线截段(BC)，在有双纽线截段(BC)的情况下，另一部分是直线截段(AB)，其一端(B)在双纽线的交汇点(B)与双纽线截段(BC)共轭，而直线截段(AB)的另一端(A)是曲线的始端。文档编号F04D29/28GK1035166SQ8810069公开日1989年8月30日 申请日期1988年2月8日 优先权日1988年2月8日发明者简纳迪·弗多罗维奇·维利卡诺夫, 克哈纳费·艾布拉吉莫维奇·穆拉托夫, 瓦兰丁·阿莱克希维奇·里亚伯夫, 基尔·伯里索维奇·萨拉特斯夫, 瓦兰丁·简纳迪维奇·索洛维夫 申请人:费·依·列宁生产联合企业-“涅复斯基工厂”