CN104613006A - 一种翼型材组合式透平离心式叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种翼型材组合式透平离心式叶轮，属于透平机械叶轮加工领域。本发明是采用航空气动力标准翼型的结构型材和在标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材，以结构型材为叶片坯料制作成离心叶轮叶片；采用等截面或非等截面的翼型结构叶片，根据计算流型和使用场合（介质）的不同，确定叶片的空间扭曲结构，可以根据情况对叶片的前缘和后缘进行修饰；利用切割、冲压、成型铣切的方法使得叶片和前盘、后盘空间曲面相吻合，将叶片、前盘、后盘连接为一体成为叶轮,该方法满足离心式叶轮的大批量、规模化、模块化生产，通用性强，尤其应用于离心风机、离心水泵行业具有良好的推广价值。

Description

一种翼型材组合式透平离心式叶轮

技术领域

本发明涉及风机技术领域,具体地说是一种翼型材组合式透平离心式叶轮。

背景技术

透平机械的性能很大程度上取决于透平式叶轮叶片的结构和形状，现有的离心式机翼型叶轮技术往往采用精密铣削、手工整形的方法进行加工成型，加工难度大，制作成本高，很难形成规模化生产。小型离心式叶轮尽管采用了注塑成型，但模具成本居高不下，制作周期长，远远不能满足市场日益竞争的动态需求。机号略大的离心式叶轮采用注塑成型往往设备吨位受限，而且叶片为机翼型时，模具复杂，模具抽芯困难。现有的离心式风机大多采用单板叶片形式，这种结构的叶轮效率低、噪声高；有些叶轮尽管采用了单板空间扭曲叶片结构，降低了噪声，但仍然没有达到提高效率目的，为了获得高效离心叶轮，通常采用精密铸造、注塑、压铸等方法来实现，这样使得风机的制造成本高，模具制作周期长，不同机号之间通用性差；离心式叶轮多采用单板叶片，尽管简化了制作工艺，但同时也普遍造成运行效率低、工况范围窄、噪声高的后果。尽管有些叶轮采用了机翼型叶片，但多限于手工拼凑焊接，翼型精度差，制作成本高，而且不适合大批量、规模化生产。

发明内容

本发明的目的是提供一种翼型材组合式透平离心式叶轮。

本发明的技术任务是针对上述现有技术的不足，提供一种透平机械通用离心式机翼型叶轮制作方法，通过对翼型结构型材进行加工得到翼型叶片，将叶片、前盘、后盘加工为一体，形成叶轮。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：一种翼型材组合式透平离心式叶轮，其结构包括前盘、后盘和翼型叶片，翼型叶片设置在前盘与后盘之间，其中前盘中间开孔，开孔的边缘加工有垂直翻边，盘面呈喇叭状，后盘中间设置有凸台，凸台与前盘的中间开孔相对，凸台的中间设置有轴套，轴套的外圆设置有凸环，凸环通过铆钉与后盘中间锚固在一起，后盘的边缘设置有环状平面，环状平面与轴套中心线相垂直，翼型叶片的两侧边分别与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，对叶片、前盘、后盘采用铆接、焊接、螺栓连接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将其加工为一体，形成叶轮。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，采用以下工艺中的一种或两种以上的工艺组合：氧化、喷漆、烤漆、喷塑，对叶轮表面进行防腐处理。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状斜面上开有通孔，翼型叶片与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合的两侧边分别开有螺纹孔，翼型叶片与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合的两侧边通过螺栓与前盘和后盘固定在一起，或采用铆接、焊接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将翼型叶片固定在前盘和后盘中间组成叶轮。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，采用航空气动力标准翼型型材和标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材，通过对结构型材进行拉伸方向切割作为叶片毛坯，对叶片的前缘和后缘进行修饰，利用切割、冲压或成型铣切的方法使得叶片两侧边与前盘、后盘之间的空间曲面相吻合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，叶片后缘部分加工有锯齿状湍流器以降低风机噪声。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，在叶片的后缘进行穿孔处理，用以减小叶道内气流分离，拓宽叶轮高效区，提高叶轮效率。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，叶片与前盘面和后盘面的接触面边缘采用切割、成型铣切或磨弧成型，生成与前后盘面相符合的空间曲面。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，翼型结构型材根据叶轮使用场合不同和计算流型不同，翼型结构型材可采用全空心、全实心、中空的结构形式，翼型叶片型材采用中空结构时，中空部分为减轻孔，减轻孔形状为D型梁、工字梁、长圆孔、圆孔、三角形组合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，翼型型材结构型材为分体结构时，结合处采用卯榫结构或者采用关节接头进行联接。

本发明的有益效果是：本发明的一种翼型材组合式透平离心式叶轮，是利用航空气动力标准翼型结构型材和在标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材，通过流体计算选取合理翼型的结构型材，对叶片毛坯的的前缘、后缘、后缘尾部进行修饰处理，并对叶片与前盘、后盘的空间交界面进行合理加工，对叶片、前盘、后盘进行装配，获得符合要求的高效机翼型离心式叶轮的方法。使用翼型叶片制成的离心式机翼型叶轮可以更好的符合流体力学的工程计算，使得批量化、个性化、模块化的设计更容易实现。

附图说明

图1是叶轮的主视结构示意图；

图2是图1的A-A向断面结构示意图；

图3是前盘的断面结构示意图；

图4是加工有锯齿状湍流器的翼型叶片结构示意图；

图5是翼型叶片后缘穿孔的结构示意图；

图6为实现本发明的航空气动力标准翼型的非对称翼型示意图；

图7为实现本发明的航空气动力标准翼型的对称翼型示意图；

图8为实现本发明的航空气动力标准翼型对称翼型的基础上以中弧线为基准衍生翼型示意图；

图9为主体翼型前缘向前延伸进行翼型叠加生成复合翼型示意图；

图10为主体翼型后缘向后延伸进行翼型叠加生成复合翼型示意图；

图11为主体翼型后缘向后延伸进行弯板翼型叠加生成复合翼型示意图；

图12为主体翼型前缘向前延伸、后缘向后延伸进行翼型叠加生成复合翼型示意图；

图13为主体翼型前缘向前延伸进行翼型叠加、后缘向后延伸进行弯板翼型叠加生成复合翼型示意图；

图14为主体翼型的吸力面上进行翼型叠加生成复合翼型示意图；

附图15为翼型组合中结构的关节结构型材截面示意图；

附图16为翼型组合中结构的卯榫结构型材截面示意图；

附图标记说明：凸环1、轴套2、盘面3、翼型叶片4、后盘5、凸台6、开孔7、垂直翻边8、通孔9、锯齿状湍流器10、穿孔11。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的叶轮作以下详细地说明。

一种翼型材组合式透平离心式叶轮，其结构包括前盘3、后盘5和翼型叶片4，翼型叶片4设置在前盘3与后盘5之间，其中，前盘中间开孔7，开孔7的边缘加工有垂直翻边8，盘面3呈喇叭状，后盘5中间设置有凸台6，凸台6与前盘3的中间开孔相对，凸台6的中间设置有轴套2，轴套2的外圆设置有凸环1，凸环1通过铆钉与后盘5中间锚固在一起，后盘5的边缘设置有环状平面，环状平面与轴套2中心线相垂直，翼型叶片4的两侧边分别与后盘5边缘的环状平面和前盘3的喇叭状开孔7相吻合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，对翼型叶片4、前盘3、后盘5采用铆接、焊接、螺栓连接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将其加工为一体，形成叶轮。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，采用以下工艺中的一种或两种以上的工艺组合：氧化、喷漆、烤漆、喷塑，对叶轮表面进行防腐处理。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，后盘5边缘的环状平面和前盘3的喇叭状开孔斜面上开有通孔9，翼型叶片4与后盘5边缘的环状平面和前盘3的喇叭状开孔斜面相吻合的两侧边分别开有螺纹孔，翼型叶片4与后盘5边缘的环状平面和前盘3的喇叭状开孔斜面相吻合的两侧边通过螺栓与前盘3和后盘5固定在一起，或采用铆接、焊接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将翼型叶片固定在前盘3和后盘5中间组成叶轮。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，采用航空气动力标准翼型型材和标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材，通过对结构型材进行拉伸方向切割作为叶片毛坯，对叶片的前缘和后缘进行修饰，利用切割、冲压或成型铣切的方法使得叶片两侧边与前盘、后盘之间的空间曲面相吻合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，翼型叶片4后缘部分加工有锯齿状湍流器10以降低风机噪声。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，在叶片的后缘进行穿孔11处理，用以减小叶道内气流分离，拓宽叶轮高效区，提高叶轮效率。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，叶片与前盘面和后盘面的接触面边缘采用切割、成型铣切或磨弧成型，生成与前后盘面相符合的空间曲面。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，翼型结构型材根据叶轮使用场合不同和计算流型不同，翼型结构型材可采用全空心、全实心、中空的结构形式，翼型叶片型材采用中空结构时，中空部分为减轻孔，减轻孔形状为D型梁、工字梁、长圆孔、圆孔、三角形组合。

所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，翼型型材结构型材为分体结构时，结合处采用卯榫结构或者采用关节接头进行联接。

翼型叶片组合式透平离心式叶轮制作方法如下：

1、利用翼型结构型材（航空气动力标准翼型型材或标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材），在其成型挤压或成型拉拔方向上进行切割，形成叶片毛坯；

2、根据情况对叶片的前缘部分进行修饰：沿叶展方向上对前缘进行直线斜切，或进行弧线斜切，并对斜切部位进行磨圆处理。也可以在简化工艺的情况下不对前缘修饰，尤其在采用标准翼型型材时；

3、根据情况对叶片的后缘部分进行修饰：叶展方向上对后缘进行直线斜切，或进行弧线斜切，并对斜切部位进行磨尖修型处理。也可以在简化工艺的情况下不对后缘修饰，尤其在采用标准翼型型材时；

4、对叶片后缘部分采取增加湍流器的方法，降低风机噪声；

5、根据计算流型及降低噪声、提高效率等要求时对叶片采用空间扭曲结构；

6、在特定情况下，可以对叶片的靠近后缘部分三分之一到十分之一的范围进行穿孔处理，以便减小叶道内气流分离，拓宽叶轮高效区，提高叶轮效率。而且在含尘量较高的介质中，减少叶片吸力面的积灰，保证叶轮运转周期加长，提高叶轮的使用寿命；

7、叶片与后盘面的接触面加工：采用切割、成型铣切，生成与后盘面相符合的空间曲面；

1）后盘与叶片接触的回转面为平面时，叶片与后盘接触面的加工简化为平面切割，在普通锯床或切割机上即可完成；

2）后盘与叶片接触的回转面为锥面时，叶片与后盘接触面的加工简化为锥面切割，在精密锯床切割机或线锯机上完成。锯条位置落在后盘锥面的一条素线上，叶片在叶轮的假想位置上，叶片绕叶轮的假想轴线旋转，即可加完成所需锥面；

3）后盘与叶片接触的回转面为曲面时，叶片与后盘接触面的加工需要采用圆周切屑，可将若干待加工叶片按照实际安装位置排布一周，叶片绕轴线旋转，刀具在曲面的一条母线上切屑加工完成。也可以采用成型刀具完成该曲面的加工；

8、叶片与前盘面的接触面加工：采用切割、成型铣切或磨弧成型，生成与前盘面相符合的空间曲面，其中：

1）前盘与叶片接触的回转面为平面时，即前盘为平盘结构，叶片与前盘接触面的加工简化为平面切割，在普通锯床或切割机上即可完成；

2）前盘与叶片接触的回转面为锥面时，即前盘为锥形结构，叶片与前盘接触面的加工简化为锥面切割，在精密锯床切割机或线锯机上完成。锯条位置落在前盘锥面的一条母线上，叶片在叶轮的假想位置上，叶片绕叶轮的假想轴线旋转，即可加完成所需锥面；

3）前盘与叶片接触的回转面为曲面时，叶片与前盘接触面的加工需要采用圆周切屑，可将若干待加工叶片按照实际安装位置排布一周，叶片绕轴线旋转，刀具在曲面的一条母线上切屑加工完成。也可以采用成型刀具完成该曲面的加工；

9、翼型结构型材根据叶轮使用场合不同和计算流型不同，翼型结构型材可采用全空心、全实心、中空的结构形式。翼型叶片型材采用中空结构时，中空部分为减轻孔，减轻孔形状为D型梁、工字梁、长圆孔、圆孔、三角形组合；

10、翼型型材结构型材也可作为分体结构，结合处采用卯榫结构或者采用关节接头进行联接；

11、对叶片、前盘、后盘采用铆接、焊接、螺栓连接、塞焊、热熔、超声焊接等方法中的一种将其加工为一体，形成叶轮；

12、对叶轮进行防腐处理，采用以下工艺中的一种或两种以上的组合：氧化、喷漆、烤漆、喷塑。

参照说明书附图和具体实施例对本发明基于翼型结构型材生成透平离心式叶轮的方法作如下说明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：离心式翼型叶片型材的制作

本发明的离心式翼型叶片型材制作为以下两大类：

1、航空气动力标准翼型结构型材

文献“利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法”公开了航空气动力标准标准翼型结构型材截面结构，包括非对称翼型（如附图6）、对称翼型（如附图7），另外在这里也包括在对称翼型基础上衍生而来的由中弧线为基准生成的翼型（如附图8），中弧线可以是单圆弧或者多圆弧的组合，也可以是椭圆曲线的一部分，也可以是其它函数曲线上的一部分及其组合；

2、基于航空气动力标准翼型生成的复合翼型结构型材

① 前缘叠加复合翼型，如附图9

② 后缘叠加复合翼型，如附图10

③ 后缘叠加弯板复合翼型，如附图11

④ 前缘、后缘叠加复合翼型，如附图12

⑤ 前缘叠加翼型、后缘叠加弯板复合翼型，如附图13

⑥ 吸力面叠加复合翼型，如附图14。

实施例2：选择翼型结构型材的类型，并确定截面形式

（1）根据工程计算流型确定采用翼型的翼型型线；

（2）翼型截面尺寸不大，或者考虑叶片耐磨、强度、刚度等条件时可以选用翼型实心结构；

（3）翼型截面尺寸较大时，在满足叶片强度、刚度等条件下，可以选用不同形式的空心截面结构；

（4）翼型截面尺寸较大时，也可组合式的叶片截面结构：可以是关节结构，如附图15；也可以是卯榫结构，如附图16。

实施例3：叶片型材材质

根据叶轮叶片适用的介质（场合）不同，选用不同的材质。叶片材质可以是金属材料、非金属材料、复合材料；

通过挤压、挤出、拉拔的方法制作翼型叶片型材。

实施例4：用叶片型材制作叶片

1）根据工程计算流型选取叶片型材，并按叶片所需长度截取作为叶片毛料；

2）根据叶片叶形铣切叶片的前缘、后缘薄翼，并作修型处理；

3）必要时对叶片后缘部分采取增加湍流器的方法，降低风机噪声。如附图12；

4）为了拓宽高效区，或防止叶轮积灰时对叶片的靠近后缘部分三分之一到十分之一的范围进行穿孔处理，以便减小叶道内气流分离，提高叶轮效率。如附图13；

5）调整叶片的相对扭角，使之满足工程计算。如附图14；

6）叶片与后盘面的接触面加工：采用切割、成型铣切，生成与后盘面相符合的空间曲面，其中：

a) 后盘与叶片接触的回转面为平面时，叶片与后盘接触面的加工简化为平面切割，在普通锯床或切割机上即可完成；

b) 后盘与叶片接触的回转面为锥面时，叶片与后盘接触面的加工简化为锥面切割，在精密锯床切割机或线锯机上完成。锯条位置落在后盘锥面的一条母线上，叶片在叶轮的假想位置上，叶片绕叶轮的假想轴线旋转，即可加完成所需锥面；

c) 后盘与叶片接触的回转面为曲面时，叶片与后盘接触面的加工需要采用圆周切屑，可将若干待加工叶片按照实际安装位置排布一周，叶片绕轴线旋转，刀具在曲面的一条母线上切屑加工完成。也可以采用成型刀具铣切完成该曲面的加工；

7）叶片与前盘面的接触面加工：采用切割、成型铣切或磨弧成型，生成与前盘面相符合的空间曲面，其中：

a)  前盘与叶片接触的回转面为平面时，即前盘为平盘结构，叶片与前盘接触面的加工简化为平面切割，在普通锯床或切割机上即可完成；

b) 前盘与叶片接触的回转面为锥面时，即前盘为锥形结构，叶片与前盘接触面的加工简化为锥面切割，在精密锯床切割机或线锯机上完成。锯条位置落在前盘锥面的一条母线上，叶片在叶轮的假想位置上，叶片绕叶轮的假想轴线旋转，即可加完成所需锥面；

c)  前盘与叶片接触的回转面为曲面时，叶片与前盘接触面的加工需要采用圆周切屑，可将若干待加工叶片按照实际安装位置排布一周，叶片绕轴线旋转，刀具在曲面的一条母线上切屑加工完成。也可以采用成型刀具铣切完成该曲面的加工。

 实施例5：叶轮成型

叶片与前盘、后盘之间的连接，可以根据不同形式、不同材质的透平叶轮连接方式可以不同，可以采用连接方式：铆接、焊接、铆焊、螺栓连接、粘接其中的一种。如果叶轮为开式叶轮即无前盘结构，其中：

a)  叶轮可以采用铆接组装成型，在叶片是非扭曲的情况下，叶片采用带中心孔的截面结构，中心孔可以采用两个或两个以上，叶轮前盘、后盘也留有相应连接孔，铆钉通过前盘、叶片、后盘的装配孔，将叶轮各部件连接在一起，铆钉端部铆接部位可以再油压机、冲床、旋铆设备中的一种设备即可完成；

b) 叶轮也可以采用拉铆组装成型，在叶片是非扭曲的情况下，叶片采用带中心孔的截面结构，中心孔可以采用两个或两个以上，叶轮前盘、后盘也留有相应连接孔，拉铆钉通过后盘与叶片拉铆连接为一体；再将连为一体的后盘和叶片的组合体与前盘找正位置，采用拉铆钉将前盘与叶片铆接为一体完成叶轮组装；

c) 叶轮可以采用螺栓组装成型，在叶片是非扭曲的情况下，叶片采用带中心孔的截面结构，中心孔可以采用两个或两个以上，叶轮前盘、后盘也留有相应连接孔，螺栓通过前盘、叶片、后盘的装配孔，将叶轮各部件连接在一起，完成叶轮组装；

d)  叶轮可以采用自攻螺钉组装成型，在叶片是非扭曲的情况下，叶片采用带中心孔的截面结构，中心孔可以采用两个或两个以上，叶轮前盘、后盘也留有相应连接孔，自攻螺钉通过后盘与叶片拉铆连接为一体；再将连为一体的后盘和叶片的组合体与前盘找正位置，采用自攻螺钉将前盘与叶片铆接为一体完成叶轮组装；

e) 叶轮可以采用焊接、热熔、塞焊装配成型，尤其当叶片为空间扭曲叶片时，或者叶轮采用复合材料、非金属制作时可以采用焊接、热熔成型加工完成；也可以采用塞焊完成，在叶轮的前盘、后盘与叶片的连接部位开孔，采用塞焊焊接将叶轮组合为一体；

f)  叶轮可以采用粘接装配成型，尤其当叶片为空间扭曲叶片时，或者叶轮采用复合材料、非金属制作时可以采用高性能粘结剂在后盘、叶片、前盘的交界面上粘结组装成型。

实施例6：叶轮表面防腐处理

对叶轮进行防腐处理，采用以下工艺中的一种或两种以上的组合：氧化、喷漆、烤漆、喷塑。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种翼型材组合式透平离心式叶轮，其特征在于，结构包括前盘、后盘和翼型叶片，翼型叶片设置在前盘与后盘之间，其中前盘中间开孔，开孔的边缘加工有垂直翻边，盘面呈喇叭状，后盘中间设置有凸台，凸台与前盘的中间开孔相对，凸台的中间设置有轴套，轴套的外圆设置有凸环，凸环通过铆钉与后盘中间锚固在一起，后盘的边缘设置有环状平面，环状平面与轴套中心线相垂直，翼型叶片的两侧边分别与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合。

2.根据权利要求1所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，对叶片、前盘、后盘采用铆接、焊接、螺栓连接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将其加工为一体，形成叶轮。

3.根据权利要求1所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，采用以下工艺中的一种或两种以上的工艺组合：氧化、喷漆、烤漆、喷塑，对叶轮表面进行防腐处理。

4.根据权利要求1所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状斜面上开有通孔，翼型叶片与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合的两侧边分别开有螺纹孔，翼型叶片与后盘边缘的环状平面和前盘的喇叭状开孔相吻合的两侧边通过螺栓与前盘和后盘固定在一起，或采用铆接、焊接、塞焊、热熔、超声焊接方法中的一种将翼型叶片固定在前盘和后盘中间组成叶轮。

5.根据权利要求1所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，采用航空气动力标准翼型型材和标准翼型基础上生成的复合翼型的结构型材，通过对结构型材进行拉伸方向切割作为叶片毛坯，对叶片的前缘和后缘进行修饰，利用切割、冲压或成型铣切的方法使得叶片两侧边与前盘、后盘之间的空间曲面相吻合。

6.根据权利要求3所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，叶片后缘部分加工有锯齿状湍流器以降低风机噪声。

7.根据权利要求3所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，在叶片的后缘进行穿孔处理，用以减小叶道内气流分离，拓宽叶轮高效区，提高叶轮效率。

8.根据权利要求3所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，叶片与前盘面和后盘面的接触面边缘采用切割、成型铣切或磨弧成型，生成与前后盘面相符合的空间曲面。

9.根据权利要求3所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，翼型结构型材根据叶轮使用场合不同和计算流型不同，翼型结构型材可采用全空心、全实心、中空的结构形式，翼型叶片型材采用中空结构时，中空部分为减轻孔，减轻孔形状为D型梁、工字梁、长圆孔、圆孔、三角形组合。

10.根据权利要求7所述的翼型叶片组合式透平离心式叶轮，其特征在于，翼型型材结构型材为分体结构时，结合处采用卯榫结构或者采用关节接头进行联接。