專(zhuān)利名稱：離心式壓氣機(jī)的工作輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及渦輪空氣壓縮機(jī)領(lǐng)域，更確切地說(shuō)，是關(guān)于離心式壓氣機(jī)的工作輪。本發(fā)明可以最成功地用于工業(yè)企業(yè)、道路工程、采礦工業(yè)的壓縮空氣管路，以及氣體沿氣體導(dǎo)管的運(yùn)輸、熔化爐的供氣裝置、制氨裝置、制造聚乙烯和離析氣體的裝置。
在壓氣機(jī)的工作過(guò)程中，氣體的壓縮和移動(dòng)是借助于安裝在工作輪上的葉片來(lái)保證的，而且壓氣機(jī)的效率在很大程度上取決于葉片工作面的形狀，在各種不同的工作輪結(jié)構(gòu)中，葉片是用各種不同的方法制成的。
我們已經(jīng)知道一種離心式壓氣機(jī)的工作輪(1981年“機(jī)器制造”(列寧格勒)15頁(yè)Β·φ·里斯“離心式壓氣機(jī)”)，它包括支承圓盤(pán)和安裝在上面的葉片。葉片的進(jìn)口邊排列在圓柱形或圓錐形表面上，該表面的軸與工作輪的輪相重合。葉片的出口邊安裝于圓柱形表面上，此表面的軸與工作輪的輪也相重合。平行于輪軸的直線成形線的位移形成葉片的工作面，成形線形成某個(gè)與輪軸不對(duì)稱的圓柱形表面。
在這種情況下，葉片的整個(gè)表面都排列在工作輪的徑向部分。
在所述的工作輪上，葉片的出口角可以實(shí)現(xiàn)小于90°。在這種情況下，在有效系數(shù)最大值時(shí)的工作效率比喘振點(diǎn)對(duì)應(yīng)的效率高得多。生產(chǎn)量在足夠大的范圍內(nèi)變化而又不使有效系數(shù)降低很多，這就可以保證在固定式壓氣機(jī)上使用上述工作輪的可能性。
但是，上述形狀的工作輪在輪軸部分由于沒(méi)有葉片，在氣流由軸向轉(zhuǎn)向徑向時(shí)，產(chǎn)生急劇的方向變化。這造成氣體以一個(gè)沖角進(jìn)入排列在輪的徑向部分的葉片進(jìn)口邊，沖角沿著進(jìn)口邊氣流線而變化。特別是輪寬與輪的外徑的比值偏離某一最佳值(約為0.05)時(shí)，這樣會(huì)大大降低有效系數(shù)。
此外，在輪軸部分沒(méi)有葉片，會(huì)明顯降低工作輪的強(qiáng)度。
我們還知道另一種離心式壓氣機(jī)的工作輪(SU、A、NO 691606)，它也包括支承圓盤(pán)和安裝在上面的葉片。葉片的進(jìn)口邊排列在垂直于輪軸的平面，而出口邊排列在圓柱形表面，圓柱形表面的軸與輪軸相重合。葉片工作面的成形線是直線，它通過(guò)垂直于輪軸的平面，因此，它不與輪軸相交。該成形線即沿著輪軸又繞輪軸成螺旋形移動(dòng)，形成工作面，而且由成形線至輪軸間的距離是變化的，以保持成形線與輪半徑間傾角的正弦與Sinr·Xn成比例，該半徑通過(guò)成形線與葉片外邊緣的交點(diǎn)，其中r-常量，X-成形線位移值與工作輪沿其軸的長(zhǎng)度之比，n-指數(shù)。
在所述工作輪上葉片的出口角應(yīng)該等于90°，因?yàn)?，出口角只有達(dá)到這個(gè)值才能保證它沿著葉片出口邊全長(zhǎng)內(nèi)保持恒定的條件，為此必須使成形線在葉片的出口邊保持沿半徑的方向。但是裝用這種葉片的壓氣機(jī)在工作中，只有生產(chǎn)量在一個(gè)很小的范圍內(nèi)變化時(shí)，有效系數(shù)才能達(dá)到足夠大的值，因?yàn)槿~片出口角等于90°時(shí)，有效系數(shù)的最大值與喘振點(diǎn)相吻合。在生產(chǎn)量變化范圍很大的固定式壓氣機(jī)中不允許使用上述工作輪，因?yàn)樯a(chǎn)量變化幅度大會(huì)導(dǎo)致有效系數(shù)的急劇降低。
除此而外，上述表達(dá)式Sinr·Xn中的“n”值不能夠小于2，不然的話，形成的表面不能保證滿足氣流進(jìn)入葉片進(jìn)口邊的條件。但是，當(dāng)“n”值等于或大于2時(shí)，葉片的工作面將具有在葉片全長(zhǎng)范圍內(nèi)表面曲率變化顯著的特點(diǎn)。這將使在環(huán)繞工作表面的氣流中，斷流區(qū)出現(xiàn)的概率增大，導(dǎo)致有效系數(shù)的降低。
同時(shí)，在輪軸部分，葉片進(jìn)口邊的排列可以保證減小沿葉片進(jìn)口邊沖擊角的變化，以及提高工作輪的強(qiáng)度。
可以借助直線成形線沿著和環(huán)繞軸的螺旋形移動(dòng)得到沿葉片進(jìn)口邊工作表面曲率很平緩的變化和比較穩(wěn)定的沖擊角，同時(shí)，使成形線任何時(shí)間都通過(guò)輪軸。此外，在這種情況下，還可以保證工作輪有較高的強(qiáng)度，因?yàn)槿~片進(jìn)口邊沿徑向排列，而不與半徑形成夾角，就象NO691606著作證書(shū)提供的工作輪一樣。
但是，在采用通過(guò)輪軸的直線型成形線的情況下，葉片的出口角總是等于90°。
本發(fā)明的目的是要提出制造裝有一種新型葉片的離心式壓氣機(jī)工作輪。這種葉片在保證工作輪足夠高的強(qiáng)度和沿葉片進(jìn)口邊沖擊角最小的條件下，在葉片工作面曲率平緩變化時(shí)，通過(guò)得到小于90°的葉片出口角而提高工作輪的有效系數(shù)。
為此本發(fā)明提出了一種包括支承圓盤(pán)和在其上安裝葉片的離心式壓氣機(jī)的工作輪，其葉片進(jìn)口邊排列在垂直于輪軸的平面上，而出口邊排列在圓柱形表面上，圓柱形表面的軸與輪軸相重合，而且，每個(gè)葉片的工作面是由成形線沿著和環(huán)繞輪軸成螺旋形位移而形成的。按照本發(fā)明，在這個(gè)工作輪上，成形線的始端通過(guò)輪軸，至少它的一部分應(yīng)該是雙紐線的交匯點(diǎn)，而如果雙紐線截段僅僅是成形線的一部分，那么，成形線的其它部分是直線截段，直線截段的一端與雙紐線截段在它的上述交匯點(diǎn)共軛，而另一端是成形線的始端。
采用通過(guò)輪軸的上述成形線可以保證葉片在它的軸部有高強(qiáng)度。這是因?yàn)椋绻尚尉€是由兩部分組成的，而構(gòu)成葉片軸部的直線截段的方向是接近徑向的。與雙紐線的交匯點(diǎn)相銜接的雙紐線截段同樣接近通過(guò)徑向的直線。如果成形線的全部都是雙紐線，同樣可以保證葉片軸部的強(qiáng)度。同時(shí)，成形線具有向雙紐線曲線段可以得到小于90°的葉片出口角，從而在生產(chǎn)量變化范圍較大的情況下，提高有效系數(shù)。因此，可以保證葉片工作面曲率的平緩變化，減小在環(huán)繞表面氣流中產(chǎn)生斷流區(qū)的概率，從而有助于得到高效率。
由于成形線與輪軸相交，可以使葉片進(jìn)口邊的沖角接近于零，這樣，有助于得到高的有效系數(shù)。
在上述成形線呈螺旋形位移時(shí)，圍繞輪軸的轉(zhuǎn)角要與一個(gè)數(shù)值雙曲正切值成比例地變化，而這個(gè)值是與成形線沿輪軸的平移值成比例的。
成形線位移的上述特性有助于建立葉片氣流環(huán)流的最理想條件，從而提高有效系數(shù)。
在從葉片進(jìn)口邊到葉片表面點(diǎn)的螺旋形位移時(shí)，適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)角φ，應(yīng)該在10°～45°范圍內(nèi)，葉片表面點(diǎn)指的是由進(jìn)口邊到輪軸方向的最遠(yuǎn)的點(diǎn)。4角的上述范圍是試驗(yàn)確定的。在φ角小于10°和大于45°時(shí)不能保證進(jìn)口處氣流進(jìn)入葉片柵的最低的相對(duì)速度，從而造成有效系數(shù)的降低。
看了采用離心式壓氣機(jī)工作輪的下列詳細(xì)敘述后，可以更清楚地了解這個(gè)發(fā)明。其中

圖1.離心式壓氣機(jī)工作輪的子午線斷面圖(一半);
圖2.從進(jìn)口邊的方向描繪帶有可拆式復(fù)蓋圓盤(pán)的工作輪的形狀;
圖3.位移時(shí)形成葉片工作面的成形線形式圖;
圖4.葉片表面軸測(cè)投影圖。
離心式壓氣機(jī)工作輪包括支承圓盤(pán)1(圖1，2)和復(fù)蓋圓盤(pán)2。圓盤(pán)1，2的內(nèi)表面1a和2a之間安裝工作葉片3。葉片邊3的進(jìn)口邊4排列在工作輪進(jìn)口面垂直于輪軸的平面上，輪軸與坐標(biāo)系統(tǒng)的Z軸重合。
葉片3的出口邊5(圖1，4)排列在圓柱形表面上。圓柱形表面的軸與工作輪的Z軸重合，它的直徑等于工作輪的外徑D2。
葉片3的工作面是成形線ABC沿著和環(huán)繞輪的Z軸呈螺旋形位移形成的，成形線ABC通過(guò)輪的Z軸并處在垂直于該軸的平面上，即圖3中直角坐標(biāo)系x-y表示的平面。
成形線ABC的AB段是直線截段，它和雙紐線BC截段在B點(diǎn)共軛，B點(diǎn)是雙紐線的交匯點(diǎn)。所謂“共軛”是指AB截段在B點(diǎn)的傾角等于雙紐線在該點(diǎn)切線的傾角。雙紐線截段BC的另一端點(diǎn)C處于雙紐線與以A為圓心，D2為直徑的圓周的交點(diǎn)上。A點(diǎn)是成形線的始端并處于輪的Z軸上，Z軸通過(guò)A點(diǎn)并與圖面垂直。雙紐線的其余部分在圖3中用虛線表示。大家知道，在極坐標(biāo)系統(tǒng)中，雙紐線是用下式表達(dá)的ρ＝a·2COS2X]]>……(1)其中ρ-雙紐線的失徑a-BF的長(zhǎng)度，BF是雙紐線的焦點(diǎn)到它的交匯點(diǎn)B的距離X-雙紐線的矢徑的極角“a”值根據(jù)葉片出口角β2和工作輪的外徑D2的大小選擇。直徑D2愈大，B2角愈小，那么“a”值愈大。雙紐線中點(diǎn)C符合于α角不小于
。圖3中，雙紐線用x1-y1直角坐標(biāo)系統(tǒng)表示，該坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)與B點(diǎn)重合。
全部成形線都是雙紐線截段的方案也是可能的。在這種情況下，沒(méi)有AB截段，B點(diǎn)處于輪軸上并與A點(diǎn)重合。
大家知道，雙紐線的特點(diǎn)是從交匯點(diǎn)開(kāi)始的一段非常接近于直線。
葉片工作面的形成可用圖2和圖4說(shuō)明，圖中虛線標(biāo)明成形線ABC在它螺旋形位移中的三種位置A1、B1、C1、A2B2C2、A3B3C3，圖2中A1、A2、A3點(diǎn)與A點(diǎn)相重合。
位置A1B1C1(圖4)與葉片3的進(jìn)口邊4的形成相合，進(jìn)口4的邊緣分別為支承圓盤(pán)1和復(fù)蓋圓盤(pán)2的內(nèi)表面1a和2a。
成形線沿著和環(huán)繞輪軸由進(jìn)口邊4向出口邊5即在Z軸指示的方向上(圖1，4)繼續(xù)移動(dòng)時(shí)，葉片的工作面以支承圓盤(pán)1和復(fù)蓋圓盤(pán)2的內(nèi)表面1a和2a為界的一段成形線就形成了。在這種情況下，距Z軸最遠(yuǎn)的成形線的終端(圖3中的C點(diǎn)和圖2、4中的點(diǎn)C1、C2、C3)處在直徑為D2的上面提到的圓柱形面上。
當(dāng)落入距輪軸最遠(yuǎn)處成形線的上述終端時(shí)，復(fù)蓋圓盤(pán)2(圖1)的內(nèi)表面2a的邊緣開(kāi)始構(gòu)成葉片(圖3)出口邊5。出口邊是移動(dòng)的成形線與半徑為D2的圓柱形表面的交點(diǎn)形成的一條線，圓柱形表面的軸與工作輪的Z軸重合。在垂直于工作輪的Z軸的平面上，通過(guò)葉片出口邊的下述兩直線間的夾角是葉片出口角β2，一條直線是葉片表面的切線，另一條直線是上述的直徑為D2的圓柱形面的切線。因?yàn)槌尚尉€總是處于垂直于工作輪Z軸的平面上，所以在出口邊的全長(zhǎng)范圍內(nèi)，β2角都是一樣大。
正如上面所指出的，在雙紐線的始端具有接近直線段的一段，這可以保證在工作輪的軸部獲得葉片的高強(qiáng)度，這一段葉片是徑向的剛性平面肋條。(因?yàn)槌尚尉€通過(guò)輪軸)
又如上面所指出的，雙紐線截段是成形線的一部分，它的終端有較大的曲率。這使得到小于90°的出口角β2成為可能，從提高有效系數(shù)的觀點(diǎn)看這是很重要的，這一點(diǎn)在下面還要敘及。
同樣必須指出，雙紐線與直線截段在交匯點(diǎn)的共軛保證了成形線的平滑度。這說(shuō)明，雙紐線在交匯點(diǎn)的曲率就象直線截段一樣，等于零。
為了獲得葉片表面氣流環(huán)流的最有利條件，要使成形線沿著和環(huán)繞輪軸適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生螺旋形位移，以使成形線在螺旋形位移時(shí)，環(huán)繞Z軸的成形線的轉(zhuǎn)角與一個(gè)數(shù)值的雙曲正切成比例地變化，這個(gè)數(shù)值的大小與成形線沿輪軸平衡量成比例，即φ＝A.th「BZ」……(2)其中.φ-成形線環(huán)繞輪軸的轉(zhuǎn)角Z-成形線環(huán)繞輪軸的平移值A(chǔ)和B-系數(shù)，取決于工作輪幾何尺寸、葉片入口角、出口邊相對(duì)于下述平面的傾角(圖4)γ的相互關(guān)系，這個(gè)平面經(jīng)過(guò)出口邊離葉片入口邊距離最遠(yuǎn)的點(diǎn)并垂直于輪軸。
最好在成形線從葉片進(jìn)口邊4到出口邊5與支承圓盤(pán)1的內(nèi)表面1a距Z軸最遠(yuǎn)的邊緣的交點(diǎn)螺旋形移動(dòng)時(shí)，成形線的轉(zhuǎn)角φ(圖2)在10°～45°范圍內(nèi)。φ角的上述范圍是試驗(yàn)確定的，它應(yīng)使氣流進(jìn)入葉片柵時(shí)的相對(duì)速度最小。氣流最小的相對(duì)速度可以降湍Σ亮Φ乃鷙模蚨梢蘊(yùn)岣哂行凳?。祵殤?zhàn)切∮ 0°時(shí)，由于工作輪入口的面積大大減小而使絕對(duì)速度提高，氣流的相對(duì)速度將比最小值有很大的增加。在φ角大于45°時(shí)，氣流的相對(duì)速度同樣會(huì)由于圓周速度的很大提高而急劇增大。當(dāng)φ角在上述范圍以外時(shí)，所有這些都會(huì)導(dǎo)致有效系數(shù)的急劇降低。
根據(jù)本發(fā)明，離心式壓氣機(jī)的工作輪按如下方式工作。
氣體進(jìn)入葉片3的進(jìn)口邊4時(shí)，產(chǎn)生葉片與氣流的相互作用，工作輪傳動(dòng)裝置的機(jī)械能傳給氣體，并把它轉(zhuǎn)換為氣體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，部分轉(zhuǎn)化為氣體壓力的勢(shì)能。
當(dāng)氣流進(jìn)入工作輪葉片柵時(shí)，氣流環(huán)繞葉片的進(jìn)口邊流過(guò)。當(dāng)采用上面提供的結(jié)構(gòu)的工作輪時(shí)，可以得到工作輪入口的沖角i，在葉片進(jìn)口邊的全部高度內(nèi)，它都接近于零，即可以保證氣流無(wú)振蕩地流入工作輪的葉片柵，從而提高壓氣機(jī)的有效系數(shù)。
大家知道，沖角i＝β-β1，其中，β-氣體進(jìn)入葉片柵時(shí)相對(duì)速度失量與該點(diǎn)葉片圓周速度失量之間的夾角。β角根據(jù)圓周速度值確定，這個(gè)速度決定于由輪軸到葉片進(jìn)口邊上該點(diǎn)間的距離。由速度三角形得到，tgβ與由輪軸到葉片進(jìn)口邊上該點(diǎn)間的距離成反比。夾角β1所指的是在葉片進(jìn)口邊上該點(diǎn)的圓周速度矢量與在這一點(diǎn)上葉片表面的切線間的夾角，該切線垂直于輪徑?？梢宰C明，如果在葉片工作面形成的過(guò)程中成形線總是通過(guò)輪軸，并處于輪軸的垂直位置，那么tgβ1同樣與從輪軸到葉片進(jìn)口邊上該點(diǎn)的距離成反比例變化。在形成線形成進(jìn)口邊附近葉片表面的過(guò)程中，通過(guò)選擇成形線的放置速度可以保證β和β1角相等，從而使葉片進(jìn)口邊全長(zhǎng)上的沖角都等于零。
氣流沿葉片柵通過(guò)時(shí)，在葉片3的工作面上形成平穩(wěn)的環(huán)流。正如上面所指出的，這是以形成繞曲率平緩的變化為條件的，成形線或者是雙紐線截段，或者是雙紐線與直線截段平滑的連接。氣流沿著葉片表面的切線方向從葉片柵流出。由于葉片出口角β2小于90°，壓氣機(jī)的工作效率將從實(shí)質(zhì)上符合于有效系數(shù)的最大值，并極大地提高相應(yīng)于喘振點(diǎn)的生產(chǎn)率。這使得在生產(chǎn)量變化范圍很廣的情況下有可能在固定式離心壓氣機(jī)上采用上述工作輪。
對(duì)于氣流沿葉片表面通過(guò)的最良好條件，將保證在成形線轉(zhuǎn)角變化的情況下符合于上述表達(dá)式(2)。這個(gè)表達(dá)式表達(dá)的雙曲正切是一個(gè)函數(shù)，在起始段按接近直線的規(guī)律變化，即在這一段成形線圍繞輪軸的旋轉(zhuǎn)速度是一個(gè)常量，這可以使在輪軸部分環(huán)繞葉片流過(guò)的氣流壓力梯度均勻增長(zhǎng)。在如試驗(yàn)所指出的，氣體在軸向移動(dòng)時(shí)，壓力梯度的均勻增長(zhǎng)可以使通過(guò)葉片表面的氣體斷流概率縮減到最小，從而提高有效系數(shù)。下一段，雙曲正切函數(shù)偏離直線關(guān)系，然后逐漸接近常量。這可以適應(yīng)接近葉片出口邊時(shí)成形線圍繞輪軸旋轉(zhuǎn)的最低速度。由于這個(gè)原因，在工作輪的徑向部分的葉片表面將與支承圓盤(pán)1a的內(nèi)表面以接近90°的夾角相交，從而減小了氣體與葉片的摩擦力，提高有效系數(shù)。因此，成形線按上述規(guī)律位移時(shí)，可以創(chuàng)造氣體沿葉片表面流動(dòng)的最良好條件，還可以大大提高有效系數(shù)。
上面提供的工作輪可以用大家已經(jīng)知道的精密鑄造的方法制造，或者沖壓出葉片隨后將葉片鑲焊或釬焊在支承圓盤(pán)和復(fù)蓋圓盤(pán)上?？赡艿脑?，也可用電侵蝕的方法制造上面建議的工作輪。
權(quán)利要求
1.包括支承圓盤(pán)(1)和安裝在上面的葉片(3)的離心式壓氣機(jī)的工作輪，葉片進(jìn)口邊(4)排列在垂直于輪軸的平面上，葉片出口邊(5)排列在軸線與輪軸(Z)重合的圓柱形表面上，并且每個(gè)葉片工作面是成形線(ABC)沿著并環(huán)繞輪軸(Z)成螺旋形位移所形成，該工作輪的特征在于，成形線(ABC)的始端通過(guò)輪軸(Z)，它的最低限度一部分是雙紐線截段(BC)，其輪軸(Z)方的端點(diǎn)(B)是雙紐線的交匯點(diǎn)(B)，如果雙紐線的截段(BC)僅僅是成形線的一部分的話，成形線(ABC)的另一部分是直線截段(AB)其一端(B)在上述雙紐線的交匯點(diǎn)(B)與雙紐線截段(BC)共軛，而且線截段(AB)的另一端(A)是成形線的始點(diǎn)點(diǎn)。
2.按照權(quán)利要求1的工作輪，其特征在于，成形線(ABC)產(chǎn)生螺旋形位移時(shí)，它環(huán)繞輪軸(Z)的轉(zhuǎn)角與一個(gè)數(shù)的雙曲正切按比例變化，這個(gè)數(shù)的大小與成形線(ABC)沿輪軸(Z)的平移值成比例。
3.按照權(quán)利要求1或2的工作輪，其特征在于，成形線(ABC)螺旋形位移時(shí)，從葉片(3)的進(jìn)口邊(4)至葉片(3)表面上，在輪軸(Z)的方向距進(jìn)口邊(4)最遠(yuǎn)的點(diǎn)，成形線(ABC)的轉(zhuǎn)角都在10°～45°的范圍內(nèi)。
全文摘要
離心式壓氣機(jī)工作輪的葉片進(jìn)口邊位于工作輪進(jìn)口邊的平面上，該平面與輪軸(Z)垂直。葉片的出口邊位于工作輪出口的直徑為D2圓柱形表面上。葉片的工作表面是曲線(ABC)沿著和環(huán)繞輪軸螺旋形位移所形成。曲線通過(guò)輪軸并處于與輪軸垂直的平面上。該曲線至少有一部分是雙紐線截段(BC)，在有雙紐線截段(BC)的情況下，另一部分是直線截段(AB)，其一端(B)在雙紐線的交匯點(diǎn)(B)與雙紐線截段(BC)共軛，而直線截段(AB)的另一端(A)是曲線的始端。
文檔編號(hào)F04D29/28GK1035166SQ8810069
公開(kāi)日1989年8月30日 申請(qǐng)日期1988年2月8日 優(yōu)先權(quán)日1988年2月8日
發(fā)明者簡(jiǎn)納迪·弗多羅維奇·維利卡諾夫, 克哈納費(fèi)·艾布拉吉莫維奇·穆拉托夫, 瓦蘭丁·阿萊克希維奇·里亞伯夫, 基爾·伯里索維奇·薩拉特斯夫, 瓦蘭丁·簡(jiǎn)納迪維奇·索洛維夫 申請(qǐng)人:費(fèi)·依·列寧生產(chǎn)聯(lián)合企業(yè)-“涅復(fù)斯基工廠”