《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》是珠海格力電器股份有限公司於2012年2月21日申請的專利，該專利的公布號為CN103256248A，申請公布日為2013年8月21日，發明人是張治平、鐘瑞興、謝蓉、蔣楠、蔣彩雲、傅鵬、閆秀兵。該發明涉及流體機械領域。
《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》其中所述葉輪包括：輪轂和葉片，葉片的表面為葉片曲面，葉片上的控制線組合形成葉片曲面的形狀，在葉片曲面上，至少一部分表面區域上的控制線為曲線。該發明的葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機中，通過葉輪三維設計，將葉輪葉片控制線形式從直線形改為曲線形，使離心葉輪葉片中部呈現一定的彎曲度，進而減小或消除了葉輪進口的衝擊及分離損失，改善了葉輪內部流體流動結構，進一步地提高了葉輪效率、拓寬了高效區範圍並降低了喘振流量。
2020年11月，《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》獲得第六屆廣東專利獎銀獎。
（概述圖為《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機
- 申請人：珠海格力電器股份有限公司
- 申請日：2012年2月21日
- 申請號：2012100399578
- 公布號：CN103256248A
- 公布日：2013年8月21日
- 發明人：張治平、鐘瑞興、謝蓉、蔣楠、蔣彩雲、傅鵬、閆秀兵
- 地址：廣東省珠海市前山金雞西路六號
- 分類號：F04D29/28(2006.01)I、F04D29/30(2006.01)I
- 代理機構：北京康信智慧財產權代理有限責任公司
- 代理人：吳貴明、余剛
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
葉輪作為離心壓縮機中最核心的運動件，起著對氣體做功，使氣體獲得能量的作用，從而達到壓縮氣體的目的，因此，葉輪設計的好壞對離心壓縮機性能起著決定性作用。由於，葉輪性能的優劣主要體現在其氣動性能上，因而，葉輪內部流道的設計尤為關鍵。
其中，葉輪的氣動性能主要體現在以下兩方面：
一、葉輪將軸功率傳遞到流體的有效功率，即，葉輪效率。葉輪內能量損失由多方面因素組成，其中最關鍵也最難以解決的是如何設計葉輪流道，從而避免氣流衝擊損失、分離損失、二次流損失、尾跡損失等損失的產生；
二、葉輪穩定工作範圍。離心壓縮機具有喘振的特性，當調節流量降低到一定程度，壓縮機就會發生喘振，這對於離心壓縮機是極為不利的，必須避免正常運行過程中喘振現象的發生。因此要通過葉輪流道氣動設計儘可能拓寬葉輪穩定工作範圍，降低喘振流量。
2012年前使用的離心壓縮機葉輪均為直紋面葉輪，如圖1所示，直紋面葉輪的特點是具有周向和軸向的扭曲，葉片曲面僅由分別與輪轂和輪蓋相交的輪轂側流線12和輪蓋側流線13確定。葉片控制線11均為直線段，葉片曲面由無數條直線段組合得到。
由於流體在實際流動過程中其流線必定是三維的，直紋面葉輪葉片控制線11由於採用直線型線通常在葉片進口等位置存在流動分離，產生分離損失，使得葉輪效率無法得到進一步提升。
發明內容
專利目的
該發明旨在提供一種葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機，以解決2012年2月之前技術中的葉輪在葉片進口等位置存在流動分離，產生分離損失，使得葉輪效率無法得到進一步提升的技術問題。
技術方案
根據《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》的一個方面，提供了一種葉輪，包括：輪轂；葉片，表面為葉片曲面，葉片上的控制線組合形成葉片曲面的形狀，其中，在葉片曲面上，至少一部分表面區域上的控制線為曲線。
進一步地，還包括輪蓋，葉片位於輪轂一側的端線形成葉片的輪轂側流線，葉片位於輪蓋一側的端線形成葉片的輪蓋側流線，輪轂側流線與輪蓋側流線之間具有一條或多條中間流線，控制線由輪轂側流線、輪蓋側流線以及中間流線通過最小二乘法擬合確定。
進一步地，葉片呈由壓力面向吸力面凹陷的凹形。進一步地，控制線包括進口控制線和出口控制線，進口控制線的曲率大於出口控制線的曲率。進一步地，葉片曲面的曲率自進口控制線至出口控制線依次降低。進一步地，進口控制線的曲率為出口控制線的兩倍。
進一步地，葉片曲面的曲率自進口控制線至出口控制線先升高再降低。進一步地，控制線上具有至少一個直線段，直線段構成葉片曲面上的常規區域，常規區域與葉片曲面上的相鄰區域之間圓滑過渡。進一步地，控制線具有兩個直線段和位於兩個直線段之間的一個曲線段。
進一步地，曲線段呈圓弧形或拋物線形。進一步地，每個控制線均呈拋物線形。根據該發明的另一方面，提供了一種離心壓縮機，具有葉輪，其中，葉輪為上述的葉輪。
改善效果
《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》通過葉輪三維設計，將葉輪葉片控制線的形式從直線形改為曲線形，使離心葉輪葉片的中部呈現一定的彎曲度，進而減小或消除了葉輪進口的衝擊及分離損失，改善了葉輪內部流體流動結構，進一步地提高了葉輪效率、拓寬了高效區範圍並降低了喘振流量。
附圖說明
圖1a示出了2012年2月之前技術中的葉輪葉片的主視圖；
圖1b示出了2012年2月之前技術中的葉輪葉片的俯視圖；
圖2示出了《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》的葉輪的立體結構示意圖；
圖3示出了該發明的葉輪結構的側視圖；
圖4示出了該發明的葉輪葉片的結構示意圖。
權利要求
1.一種葉輪，包括：輪轂（22）；葉片（21），表面為葉片曲面，所述葉片（21）上的控制線（211）組合形成所述葉片曲面的形狀，其特徵在於，在所述葉片曲面上，至少一部分表面區域上的所述控制線（211）為曲線。
2.根據權利要求1所述的葉輪，其特徵在於，還包括輪蓋（23），所述葉片（21）位於所述輪轂（22）一側的端線形成所述葉片（21）的輪轂側流線（212），所述葉片（21）位於所述輪蓋（23）一側的端線形成所述葉片（21）的輪蓋側流線（213），所述輪轂側流線（212）與所述輪蓋側流線（213）之間具有一條或多條中間流線（214），所述控制線（211）由所述輪轂側流線（212）、所述輪蓋側流線（213）以及所述中間流線（214）通過最小二乘法擬合確定。
3.根據權利要求1所述的葉輪，其特徵在於，所述葉片（21）呈由壓力面向吸力面凹陷的凹形。
4.根據權利要求3所述的葉輪，其特徵在於，所述控制線（211）包括進口控制線（21a）和出口控制線（21b），所述進口控制線（21a）的曲率大於所述出口控制線（21b）的曲率。
5.根據權利要求4所述的葉輪，其特徵在於，所述葉片曲面的曲率自所述進口控制線（21a）至所述出口控制線（21b）依次降低。
6.根據權利要求4所述的葉輪，其特徵在於，所述進口控制線（21a）的曲率為所述出口控制線（21b）的兩倍。
7.根據權利要求4所述的葉輪，其特徵在於，所述葉片曲面的曲率自所述進口控制線（21a）至所述出口控制線（21b）先升高再降低。
8.根據權利要求3所述的葉輪，其特徵在於，所述控制線（211）上具有至少一個直線段，所述直線段構成所述葉片曲面上的常規區域，所述常規區域與所述葉片曲面上的相鄰區域之間圓滑過渡。
9.根據權利要求8所述的葉輪，其特徵在於，所述控制線（211）具有兩個所述直線段和位於兩個所述直線段之間的一個曲線段。
10.根據權利要求9所述的葉輪，其特徵在於，所述曲線段呈圓弧形或拋物線形。
11.根據權利要求3所述的葉輪，其特徵在於，每個所述控制線（211）均呈拋物線形。
12.一種離心壓縮機，具有葉輪，其特徵在於，所述葉輪為權利要求1-11中任一項所述的葉輪。
實施方式
如圖2和圖3所示，《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》提供的葉輪，包括：葉片21以及與葉片21的一側相連的輪轂22，其中，葉片21的表面為葉片曲面，葉片曲面上具有控制線211（如圖4所示），控制線211組合形成葉片曲面，其中，控制線211為曲線。優選地，該發明還包括靠近葉片21的另一側的輪蓋23。
該發明在使用時，由輪轂22的結構來完成從轉軸向葉輪傳遞力矩的功能，葉輪在該力矩作用下，與轉軸同步高速旋轉，對流經其中流道的氣流做功，實現對氣流的壓縮功能。
該發明的葉輪通過三維設計，將葉輪葉片21的控制線211的形式從直線形改為曲線形，使離心葉輪葉片21中部呈現一定的彎曲度，進而減小或消除了葉輪進口的衝擊及分離損失，改善了葉輪內部流體流動結構，進一步地提高了葉輪效率、拓寬了高效區範圍並降低了喘振流量。
為了使得該發明中的葉片21形狀更加規則，進一步地改善葉輪內部流體流動結構，提高葉輪效率，如圖4所示，該發明中的葉輪葉片21為三維扭曲葉片，其中，葉片曲面包括與輪轂22相交的輪轂側流線212、靠近輪蓋23一端的輪蓋側流線213，以及位於輪轂側流線212與輪蓋側流線213之間的一條中間流線214（根據實際葉片曲面形狀可採用更多的中間流線的條數），控制線211由輪轂側流線212、輪蓋側流線213以及中間流線214通過最小二乘法擬合確定。
該發明中的葉輪其葉片21與2012年2月之前技術中的直紋面葉輪葉片相比增加了在葉輪葉片21中間的中間流線214。控制線211呈現曲線形，控制線211可由與各流線的交點通過最小二乘法（或其他曲線擬合方法）擬合得到，葉片曲面即可由控制線211組合得到。
作為一種優選方案，該發明的葉輪中，葉片21呈由壓力面向吸力面凹陷的凹形，例如，由無數條呈圓弧形或拋物線形的控制線211組成的凹形的葉片曲面。
作為一種優選方案，該發明的葉輪中，葉片曲面包括進口控制線21a以及出口控制線21b，其中，進口控制線21a為葉片曲面上靠近葉輪進口端的葉片端部的控制線，出口控制線21b為葉片曲面上靠近葉輪出口端的葉片端部的控制線。進口控制線21a的曲率大於出口控制線21b的曲率。優選地，葉片曲面的曲率自進口控制線21a至出口控制線21b依次降低或先升高再降低。更優選地，進口控制線21a的曲率為出口控制線21b的兩倍。
在該發明的某一實施例中，葉片21整體呈由壓力面向吸力面凹陷的凹形，如圖3所示，以第一直線段A連線葉片21進口控制線21a的兩端點，然後以第二直線段B連線該第一直線段A的中點與葉輪軸心O，以第三直線段C通過葉輪軸心O作葉片21進口控制線21a的切線，並以所得第二直線段B位置為準，測得第二直線段B和第三直線段C的夾角α約為4°，即葉片21進口控制線21a向葉片21吸力面方向凹進4°，在葉片21出口控制線21b處同樣畫線處理，葉片21出口控制線21b向葉片21吸力面凹進約2°。
作為一種優選方案，控制線211上具有兩個直線段和位於兩個直線段之間的一個曲線段，無數個直線段構成葉片曲面上的兩個常規區域，每個常規區域與葉片曲面上的相鄰區域之間圓滑過渡。優選地，曲線段呈圓弧形或拋物線形。根據該發明的另一方面，提供的離心壓縮機，具有葉輪，其中，葉輪為上述的葉輪。
榮譽表彰
2020年11月，《葉輪及包括該葉輪的離心壓縮機》獲得第六屆廣東專利獎銀獎。
