葉輪結(jié)構(gòu)對離心壓縮機(jī)性能的影響

張震宇 郭榮祥

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

1 離心壓縮機(jī)葉輪概述

葉輪是離心壓縮機(jī)對介質(zhì)進(jìn)行做功的部件，介質(zhì)在高速旋轉(zhuǎn)的葉輪帶動下獲得較高的速度，并在離心力的作用下通過擴(kuò)壓器、彎道以及回流器等部位進(jìn)入下一級葉輪中，最終氣體進(jìn)入蝸室后又出來，從而完成了介質(zhì)的整個增壓過程。

2 離心壓縮機(jī)葉輪的分類

2.1 按照結(jié)構(gòu)形式分類

按照葉輪的結(jié)構(gòu)形式可以分為開式葉輪、半開式葉輪以及閉式葉輪。其中開式葉無輪蓋和輪盤，因此結(jié)構(gòu)最簡單。由于介質(zhì)體通過開式葉輪時(shí)的流動損失較大，因此開式葉輪幾乎不被用在離心壓縮機(jī)中。半開式葉輪在開式葉輪的基礎(chǔ)上增加了輪盤，其具有高強(qiáng)度的特點(diǎn)。半開式葉輪與開式葉輪相比效率有所提升，但仍低于閉式葉輪。閉式葉輪由輪蓋、葉片以及輪盤共同組成。介質(zhì)在通過葉輪時(shí)完全被限制在葉輪內(nèi)部流道中，使閉式葉輪具有介質(zhì)泄漏量小、流動損失小以及效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在離心壓縮機(jī)中得到了極為廣泛的應(yīng)用。

2.2 按照葉輪葉片形式分類

葉片通常由等厚度的薄金屬板制成的二元葉片，這種葉輪通常稱為二元葉輪。二元葉輪中葉片的加工工藝較為簡單且具有制造成本低的優(yōu)點(diǎn)。

三元扭曲葉片的葉輪簡稱為三元葉輪。三元扭曲葉片所形成的流道更適合介質(zhì)在葉輪中流動，因此具有較高的效率。三元葉輪中葉片的制造工藝相對復(fù)雜，但隨著加工技術(shù)不斷進(jìn)步，三元葉輪被越來越廣泛地應(yīng)用于離心壓縮機(jī)中。

2.3 按照葉輪葉片出口角度分類

根據(jù)葉輪葉片出口角度的不同可以將葉輪分為前彎型葉輪、徑向型葉輪和后彎型葉輪。其中前彎型葉輪中葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，葉片出口角度大于90°；徑向型葉輪中葉片出口角度等于90°；后彎型葉輪中葉片的彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相反，葉片出口角度小于90°。

由于前彎型葉輪中的葉片彎曲方向與葉輪的旋轉(zhuǎn)方向相同，介質(zhì)在葉輪流道中的流動距離相對較短，因此其穩(wěn)定工作范圍相對較窄且工作效率較低，因此被大量應(yīng)用于通風(fēng)機(jī)中。但是使用前彎型葉輪能夠使介質(zhì)獲得更高的流動速度，從而使其在葉輪出口處獲得較大的靜壓。

介質(zhì)在后彎型葉輪中流動時(shí)與離心力作用下的運(yùn)動方向相同，可以顯著減小介質(zhì)與葉片之間的沖擊，具有效率高、能量損失小、流動噪聲低以及穩(wěn)定工作范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，因此被多用于離心壓縮機(jī)中。與前彎型葉輪不同，后彎型葉輪無法使介質(zhì)以較高的速度流出葉輪，因此介質(zhì)所獲得的動壓較低。三種形式葉輪的性能特點(diǎn)比較見表1。

表1 三種形式葉輪的性能特點(diǎn)

3 葉輪結(jié)構(gòu)對離心壓縮機(jī)性能的影響

為總結(jié)葉輪結(jié)構(gòu)變化對機(jī)壓比以及多變效率影響的一般規(guī)律，分別調(diào)整葉輪的葉片數(shù)量、葉片厚度以及葉片出口安裝角等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，并建立具有不同結(jié)構(gòu)的葉輪模型，在進(jìn)口條件如溫度、壓力以及分子量等分析條件保持不變的前提下，分別計(jì)算不同進(jìn)口質(zhì)量流量下葉輪的壓比和多變效率，從而得出該結(jié)構(gòu)下葉輪壓比和多變效率隨質(zhì)量流量變化的性能曲線。為便于比較，基礎(chǔ)葉輪模型的直徑為800mm、葉輪葉片出口寬度為40mm，葉片數(shù)量為15片、葉片厚度為12mm，葉輪出口角為77.5°，轉(zhuǎn)速為4800r/min。

3.1 葉片數(shù)量對離心壓縮機(jī)性能的影響

分別建立葉片數(shù)量為13片、14片、15片、16片以及17片的葉輪模型，并計(jì)算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等6種條件下葉輪的壓力和多變效率，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片數(shù)量時(shí)的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線，如圖1所示。

由圖1中的流量-壓比曲線可以看出，同一種葉輪在入口流量增后壓比逐步下降。以葉片數(shù)量為15片的基礎(chǔ)葉輪為例，入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后，其壓比由1.211降低至1.148，共下降了5.2%。同時(shí)，在同一流量下，隨著葉輪中葉片數(shù)量的增加壓比也有所增大，以入口流量為3.6kg/s為例，當(dāng)葉輪葉片數(shù)量由13片增加至17片后，壓比由1.181增加至1.219，共增加了約3.2%。

由圖1中的流量-多變效率曲線可以看出，隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加，葉輪的多變效率也開始逐步提高。當(dāng)達(dá)到效率最高點(diǎn)后，隨著入口流量的繼續(xù)增加，葉輪的多變效率迅速下降。這是由于閉式葉輪中葉片扭曲程度較高且葉片間的流道相對狹小，當(dāng)流量持續(xù)增加時(shí)容易在流道內(nèi)形成嚴(yán)重的阻塞現(xiàn)象，從而導(dǎo)致葉輪的多變效率有所降低。

圖1 不同葉片數(shù)量葉輪性能曲線

在5種葉片數(shù)量的葉輪中，葉片數(shù)量為13片和17片時(shí)葉輪的多變效率較低。這是由于當(dāng)葉片數(shù)量為13片時(shí)，葉片之間形成的流道擴(kuò)張角較大，邊界層厚度較厚，導(dǎo)致分離損失和流動損失增加。當(dāng)葉片數(shù)量為17片時(shí)，葉片之間的流道較窄，介質(zhì)的流動損失增加，并極易在葉輪進(jìn)口處形成阻塞現(xiàn)象。因此當(dāng)葉輪中葉片數(shù)量過多或過少時(shí)均會導(dǎo)致葉輪多變效率的降低。當(dāng)葉片數(shù)量為14片、15片和16片時(shí)，介質(zhì)在葉輪中的流動速度分布均勻，各類損失相對較低。通過上述計(jì)算和分析可以總結(jié)出如下兩點(diǎn)規(guī)律：首先是當(dāng)入口流量相同時(shí)，通過增加葉輪中葉片數(shù)量可以起到增加壓比的作用；其次是葉輪中葉片數(shù)量過多或過少時(shí)均會導(dǎo)致多變效率的降低。

3.2 葉片厚度對離心壓縮機(jī)性能的影響

分別建立葉片厚度為10mm，11mm，12mm，13mm，15mm時(shí)的葉輪模型，并計(jì)算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等六種條件下葉輪的壓力和多變效率，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片厚度時(shí)的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線，見圖2。

由圖2中的流量-壓比曲線可以看出，同一種葉片厚度的葉輪在入口流量增后壓比逐步變小。以葉片厚度為12mm的基礎(chǔ)葉輪為例，入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后，其壓比由1.212降低至1.146，共下降了5.45%。同時(shí)，在同一流量下，隨著葉輪中葉片厚度的增加壓比也會變小，以入口流量為3.6kg/s為例，當(dāng)葉輪中葉片厚度由10mm增加至14mm后，壓比由1.211降低至1.189，共降低了約1.82%。

圖2 不同葉片厚度葉輪性能曲線

由圖2中的流量-多變效率曲線可以看出，隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加，5個葉輪的多變效率也開始逐步增大。當(dāng)達(dá)到效率最高點(diǎn)后，隨著入口流量的繼續(xù)增加，葉輪的多變效率迅速下降。這是由于當(dāng)葉片厚度增加后，葉輪中流道的擴(kuò)張角的角度減小，擴(kuò)張損失也對應(yīng)下降，從而導(dǎo)致葉輪的多變效率有所提升。隨著葉輪中葉片厚度的繼續(xù)增加，葉輪中的流道截面積不斷變窄，導(dǎo)致速度梯度和力的梯度也有所降低，容易導(dǎo)致二次流現(xiàn)象，從而導(dǎo)致流動損失增加。

通過上述計(jì)算和分析可以總結(jié)出如下幾點(diǎn)規(guī)律：首先是當(dāng)入口流量相同時(shí)，增加葉輪中葉片厚度會導(dǎo)致葉輪的壓比變小；其次是葉輪中葉片厚度過薄或過厚時(shí)均會導(dǎo)致多變效率的降低；最后是減小葉片厚度時(shí)葉輪的壓比變化相對較小，但對葉輪的多變效率影響較大，增加葉片厚度后會降低葉輪的壓比，但是由于葉片厚度增加而導(dǎo)致的葉輪多變效率的增加幅度大于葉輪壓比減小的幅度。

由于離心壓縮機(jī)中葉輪的周速較高，因此對葉輪自身強(qiáng)度方面也具有較高的要求。適當(dāng)增加葉輪中葉片的厚度還可以起到提升葉輪自身強(qiáng)度的作用。因此，在葉輪滿足離心壓縮機(jī)壓比的前提下可以適當(dāng)增加葉輪中葉片的厚度，這樣不僅可以有效提升葉輪強(qiáng)度，保障離心壓縮機(jī)的安全，還可以使離心壓縮機(jī)的多變效率得到大幅提升。

3.3 葉輪出口角對離心壓縮機(jī)性能的影響

葉輪出口安裝角的變化同樣會對離心壓縮機(jī)的性能產(chǎn)生重要影響，這是由于葉輪中葉片的彎曲程度不同，從而改變?nèi)~輪中介質(zhì)的流動情況，為分析與總結(jié)葉輪出口安裝角對葉輪壓比與多變效率的影響，分別建立葉輪出口安裝角度為67.5°、72.5°、77.5°、82.5°、87.5°時(shí)的葉輪模型，并計(jì)算進(jìn)口質(zhì)量流量在1.6kg/s、2.6kg/s、3.6kg/s、4.6kg/s、5.6kg/s以及6.6kg/s等六種條件下葉輪的壓力和多變效率，將數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后繪制出葉輪在不同葉片出口角時(shí)的壓比-流量性能曲線和多變效率-流量性能曲線，如圖3所示。

圖3 不同葉片出口角葉輪性能曲線

由圖3中的流量-壓比曲線可以看出，同一種葉輪在入口流量增后壓比逐步下降。以葉輪出口角度為77.5°的基礎(chǔ)葉輪為例，入口流量由1.6kg/s增加至6.6kg/s后，其壓比由1.212降低至1.148，共下降了5.28%。同時(shí)，在同一流量下，隨著葉輪出口安裝角度的增加，葉輪的壓比也有所提升，以入口流量為3.6kg/s為例，當(dāng)葉輪葉片數(shù)量由13片增加至17片后，壓比有由1.19增加至1.208，共增加了約1.51%。

由圖2中的流量-多變效率曲線可以看出，隨著入口流量由1.6kg/s開始逐步增加，葉輪的多變效率也開始逐步提升。當(dāng)達(dá)到效率最高點(diǎn)后，隨著入口流量的繼續(xù)增加，葉輪的多變效率迅速下降。

通過上述計(jì)算和分析可以總結(jié)出如下兩點(diǎn)規(guī)律：首先是當(dāng)入口流量相同時(shí)，通過增加葉輪出口安裝角的角度可以提升葉輪的壓比；其次是葉輪出口安裝角應(yīng)與運(yùn)行工況的流量相匹配。

4 結(jié)語

綜上所述，對離心壓縮機(jī)葉輪進(jìn)行模擬分析，分別總結(jié)了葉片數(shù)量、葉片厚度以及葉片出口角等葉輪結(jié)構(gòu)對壓比與多變效率的影響。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的運(yùn)行工況，不斷對葉輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化，確保離心壓縮機(jī)處于最佳運(yùn)行點(diǎn)，從而提升離心壓縮機(jī)的性能。