本申请涉及离心压缩机领域，更具体地涉及一种离心压缩机用叶轮以及包括该叶轮的离心压缩机。
背景技术：
离心压缩机由于具有体积小，重量轻且效率高的优点，因而被广泛应用于内燃机涡轮增压器、航空涡轮发动机、微型燃气轮机、燃料电池发动机、闭式循环涡轮动力、工业压缩机等动力装置和流体输送装置中。
进一步地，应用于动力装置中的离心压缩机一般采用半开式叶轮。在这种半开式叶轮中，叶片顶部与机匣之间存在间隙。叶片两侧的压力差将驱使叶轮流道内的部分流体通过上述间隙形成泄漏流，并且在叶片前缘处产生泄漏涡流。在叶片前缘处产生的泄漏涡流向下游发展过程中与上述泄漏流掺混，使得叶轮流道内的二次流增强，导致离心压缩机流动损失增大且气动效率降低。
在对风力机、螺旋桨和低速轴流风机等轴流式叶轮机械的研究中，提出了叶尖小翼(又称叶尖小翼)技术降低叶片顶部泄漏流动损失，提高叶轮气动效率。但由于叶尖小翼会显著增大叶片的结构应力，并不适用于转速较高离心压缩机的叶轮。为了在离心压缩机中应用叶尖小翼技术提高气动效率，需要解决叶尖小翼导致叶片的结构应力显著增大的问题。
技术实现要素：
基于上述现有技术的缺陷而做出了本申请。本申请的一个目的在于提供一种离心压缩机用叶轮，其利用叶尖小翼能够抑制甚至消除高速离心叶轮前缘叶尖泄漏涡的产生，降低叶尖泄漏损失，同时还能够显著减轻采用叶尖小翼增大叶片的结构应力的问题。本申请的另一个目的在于提供一种包括上述离心压缩机用叶轮的离心压缩机。
为了实现上述目的，本申请采用如下的技术方案。
本申请提供了一种如下的离心压缩机用叶轮，所述叶轮包括主叶片和轮毂，多个所述主叶片固定于所述轮毂，且沿着所述轮毂的周向分布，相邻的两个所述主叶片在所述周向上间隔开，每个所述主叶片包括：
主叶片主体，所述主叶片主体具有叶尖缘和叶前缘；以及
主叶尖小翼，所述主叶尖小翼从所述叶前缘起设置在所述叶尖缘上，并且位于从所述叶前缘起长度为所述主叶片的叶片长度的30％以上且40％以下的区域，所述主叶尖小翼朝向所述主叶片主体的压力面侧和吸力面侧延展。
在一个可选的方案中，每个所述主叶片主体还具有叶后缘，所述主叶尖小翼的周向宽度从所述叶前缘侧朝向所述叶后缘侧逐渐减小。
在另一个可选的方案中，所述叶轮还包括分流叶片，所述分流叶片固定于所述轮毂，多个所述主叶片和多个所述分流叶片在所述周向上交替分布。
在另一个可选的方案中，所述分流叶片包括分流叶片主体和分流叶尖小翼，所述分流叶尖小翼从所述分流叶片主体的叶前缘起设置在所述分流叶片主体的叶尖缘上。
在另一个可选的方案中，所述分流叶尖小翼与所述主叶尖小翼在相同的径向位置处终止。
在另一个可选的方案中，设所述主叶尖小翼在所述叶前缘处朝向所述压力面侧延展的宽度为bp，且所述主叶尖小翼在所述叶前缘处朝向所述吸力面侧延展的宽度为bs，则bp＝bs。
在另一个可选的方案中，设所述叶轮的进口叶尖半径为rint，且所有叶片的数量为zb，则
在另一个可选的方案中，设所述主叶尖小翼的长度为l1且所述主叶片的叶片长度为l，则0.3×l≤l1≤0.4×l。
在另一个可选的方案中，所述主叶片主体与所述主叶尖小翼形成为一体，所述主叶片主体与所述主叶尖小翼的连接部位形成为曲面过渡区域，设所述曲面过渡区域的高度为h且所述主叶片的叶高为h，则1/10×h≤h≤1/8×h。
本申请还提供了一种如下的离心压缩机，所述离心压缩机包括以上技术方案中任意一项技术方案所述的压缩机用叶轮。
由此，本申请提供了一种新型的离心压缩机用叶轮及包括该叶轮的离心压缩机。该叶轮包括轮毂和叶片，多个叶片固定于轮毂且沿着轮毂的周向分布，相邻的两个叶片在周向上间隔开。每个叶片包括叶片主体和叶尖小翼。叶尖小翼设置在叶片主体的前缘叶尖附近区域的叶尖缘上。叶尖小翼朝向叶片主体的压力面侧和吸力面侧延展。
根据本申请的带叶尖小翼的新型的离心压缩机用叶轮的叶尖小翼仅覆盖叶片主体的前缘叶尖附近区域(可以包括轴向段和部分过渡段)。这是因为根据对叶尖泄漏流的流场分析可知，叶尖泄漏损失主要是由叶前缘的叶尖处生成的沿主流方向流动的泄漏涡与下游叶尖处生成的沿周向流动的泄漏流产生，故抑制叶前缘处泄漏涡或下游泄漏流其中之一即可减小泄漏损失；而且由于离心压缩机用叶轮的径向段具有较高的线速度，在径向段增加叶尖小翼会对叶轮结构强度产生显著的不利影响。由此本申请采用上述方案，一方面，能够利用叶尖小翼抑制甚至消除速离心叶轮前缘叶尖泄漏涡的产生，从而削弱叶片前缘的泄漏涡引起的掺混流动损失，提高离心压缩机的气动性能。另一方面，由于叶尖小翼仅设置在叶片的前缘叶尖附近区域，即设置在叶片主体顶部的前缘附近的低线速度区域，因此显著减轻了叶尖小翼对叶片结构应力的不利影响。
附图说明
图1a是示出了根据本申请的第一实施例的离心压缩机用叶轮的立体示意图，该叶轮仅包括主叶片。
图1b是示出了图1a中的离心压缩机用叶轮的区域s的局部结构的放大示意图。
图1c是示出了图1a中的离心压缩机用叶轮的轴向投影视图(二维子午面视图)。
图1d是示出了图1a中的离心压缩机用叶轮的主叶片的俯视示意图，该视图的观察方向为图1c中的轴向投影图中的a方向。
图1e是示出了图1a中的离心压缩机用叶轮的叶片的截面图，该视图为沿着图1c中的轴向投影图的b-b向截取的截面图。
图2是示出了根据本申请的第二实施例的离心压缩机用叶轮的立体是示意图，该叶轮包括主叶片和分流叶片。
图3a是用于说明本申请的离心压缩机用叶轮和现有技术的离心压缩机用叶轮的等熵效率随着质量流量变化的曲线图。
图3b是用于说明本申请的离心压缩机用叶轮和现有技术的离心压缩机用叶轮的总压比随着质量流量变化的曲线图。
附图标记说明
1主叶片11主叶片主体111叶尖缘112叶底缘113叶前缘114叶后缘115压力面116吸力面12主叶尖小翼
2轮毂
3分流叶片31分流叶片主体311叶尖缘32分流叶尖小翼。
具体实施方式
下面参照附图描述本申请的示例性实施例。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。
根据本申请的离心压缩机用叶轮的轮毂整体呈圆盘形状。在本申请中，如无特殊说明，“轴向”、“径向”和“周向”分别是指离心压缩机用叶轮的轮毂的轴向、径向和周向。
以下结合附图说明根据本申请的第一实施例的离心压缩机用叶轮的具体构造。
(根据本申请的第一实施例的离心压缩机用叶轮)
如图1a所示，根据本申请的第一实施例的离心压缩机用叶轮包括固定在一起的多个主叶片1和轮毂2。
在本实施例中，如图1a所示，所有的主叶片1与轮毂2固定在一起。多个主叶片1沿着轮毂2的周向均匀分布，相邻的两个主叶片1在周向上间隔开。所有的主叶片1的形状和尺寸均相同。每个主叶片1包括形成为一体的主叶片主体11和主叶尖小翼12。
具体地，如图1a所示，每个主叶片主体11形成为扭转形状，且具有叶尖缘111、叶底缘112、叶前缘113和叶后缘114。叶底缘112为主叶片主体11与轮毂2相连的边缘，叶尖缘111为主叶片主体11的远离轮毂2且与叶底缘112背向的边缘。叶前缘113和叶后缘114均与叶尖缘111和叶底缘112相连。叶前缘113位于叶轮通道供流体流入的进口处，叶后缘114位于叶轮通道供流体流出的出口处。也就是说，在叶轮通道内流体的流动方向上，叶前缘113位于叶后缘114的上游处。进一步地，每个主叶片主体11的在周向上的两侧面分别为压力面115和吸力面116，压力面115为主叶片主体11对流体施加压力的那个面，吸力面116为流体冲击主叶片主体11的那个面。
进一步地，如图1a至图1c所示，主叶尖小翼12(又称叶尖小翼)从叶前缘113起设置在主叶片主体11的前缘叶尖附近区域的叶尖缘111上(也可以说设置在叶片主体11的包括轴向段和部分过渡段的区域，其中过渡段是主叶片主体11的位于轴向段和经向段之间的部分)。在叶轮转动的过程中，主叶片主体11的叶顶前缘部分区域的线速度小于主叶片主体11的其它部分的线速度。对于每个主叶片1，前缘叶尖附近区域指主叶片1的从叶前缘113起长度为主叶片1的叶片长度的30％以上且40％以下的区域。
为了使得主叶尖小翼12能够发挥更好的改善叶尖泄漏导致的高速离心压缩机性能下降的效果。主叶尖小翼12朝向主叶片1的压力面115侧和吸力面116侧延展一定的宽度。如图1d所示，在设主叶尖小翼12在叶前缘113处朝向压力面115侧延展的宽度为bp，且主叶尖小翼12在叶前缘113处朝向吸力面116侧延展的宽度为bs，则bp＝bs。经过试验证明，设叶轮的进口叶尖半径为rint，且主叶片1的数量为zb，则
另外，为了降低主叶尖小翼12对主叶片1的结构应力产生的不利影响，主叶尖小翼12的宽度从叶前缘113侧朝向叶后缘114侧逐渐减小。更具体地，如图1d所示，从主叶片主体11的叶前缘113起至主叶尖小翼12延伸结束的位置为止，叶尖小翼的在压力面115侧的宽度和在吸力面116侧的宽度均线性减小，并最终汇聚至叶尖缘111。为了降低主叶尖小翼12对主叶片1的结构应力产生的不利影响，如图1d所示，设主叶尖小翼12的长度为l1且主叶片1的叶片长度为l，则0.3×l≤l1≤0.4×l。
另外，如图1e所示，主叶尖小翼12与主叶片主体11形成为一体，主叶尖小翼12与主叶片主体11的连接部位形成为曲面过渡区域(可以视为圆角)。在如图1e所示的截面图中，曲面过渡区域的高度h为主叶片1的截面中的叶高h的1/10×h≤h≤1/8×h。
通过采用上述技术方案，能够利用叶尖小翼改善高速离心压缩机由于叶轮叶尖与机匣之间存在间隙发生的叶尖泄漏导致的高速离心压缩机性能下降的问题，同时还能够极大减轻采用叶尖小翼对叶片结构应力产生的不利影响。
以下说明根据本申请的第二实施例的离心压缩机用叶轮的具体构造。
(根据本申请的第二实施例的离心压缩机用叶轮)
根据本申请的第二实施例的离心压缩机用叶轮的基本结构与根据本申请的第一实施例的离心压缩机用叶轮的基本结构大致相同，以下主要说明两者之间的不同之处。
如图2所示，根据本申请的第二实施例的离心压缩机用叶轮不仅包括主叶片1和轮毂2，而且还包括分流叶片3。多个分流叶片3固定于轮毂2。多个分流叶片3与多个主叶片1在周向上交替地均匀分布，也就是说每个分流叶片3都位于相邻的主叶片1之间。分流叶片3的前缘叶尖附近区域的长度小于主叶片1的前缘叶尖附近区域的长度，使得分流叶片3的叶片长度小于主叶片1的叶片长度。每个分流叶片3均包括分流主叶片主体11和分流叶尖小翼32。分流叶尖小翼32设置在分流主叶片主体11的前缘叶尖附近区域的叶尖缘311上，分流叶尖小翼32的长度小于主叶尖小翼12的长度，且分流叶尖小翼32的在轴向和径向上的截止位置与主叶尖小翼12的在轴向和径向上的截止位置相同。也可以说，分流叶片3的分流叶尖小翼32与主叶片1的主叶尖小翼12在相同的径向位置(叶片在气流流动方向上相同的位置)处终止。
另外，在本实施例中，当利用如下的等式
这样，在本实施例中，分流叶片3能够对主叶片1之间流动的流体起到分流的作用。另外，通过在主叶片1设置主叶尖小翼12且在分流叶片3设置分流叶尖小翼32，在本实施例中能够实现与第一实施例同样的效果。
当然，本申请不限于上述实施方式，本领域技术人员在本申请的教导下可以对本申请的上述实施方式做出各种变型，而不脱离本申请的范围。进一步地进行如下补充说明。
i.本申请还提供了一种包括根据本申请的离心压缩机用叶轮的离心压缩机，其具有上述叶轮相同的作用和效果。在可选但非限定性的方案中，本申请的离心压缩机可以用于车辆，在该离心压缩机中叶轮的转速大于或等于30000rpm。
ii.根据本申请的离心压缩机叶轮主要是指半开式叶轮，尤其是后半开式叶轮。
iii.发明人通过试验对等熵效率和总压比两个参数进行对比，来说明本申请的离心压缩机用叶轮相对于现有技术的离心压缩机叶轮的性能提高效果。具体地，如图3a所示，可以看出叶尖小翼12、32的引入有效提高了叶轮的等熵效率，最高效率从87.28％提升到90.48％，提高了3.2％。如图3b所示，可以看出叶尖小翼12、32的引入有效增加了叶轮的做功能力，相同转速线上同质量流量的工况点的总压比均有提高，最大处约提高了0.03。
1.一种离心压缩机用叶轮，其特征在于，所述叶轮包括主叶片(1)和轮毂(2)，多个所述主叶片(1)固定于所述轮毂(2)，且沿着所述轮毂(2)的周向分布，相邻的两个所述主叶片(1)在所述周向上间隔开，每个所述主叶片(1)包括：
主叶片主体(11)，所述主叶片主体(11)具有叶尖缘(111)和叶前缘(113)；以及
主叶尖小翼(12)，所述主叶尖小翼(12)从所述叶前缘(113)起设置在所述叶尖缘(111)上，并且位于从所述叶前缘(113)起长度为所述主叶片(1)的叶片长度的30％以上且40％以下的区域，所述主叶尖小翼(12)朝向所述主叶片主体(11)的压力面(115)侧和吸力面(116)侧延展。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，每个所述主叶片主体(11)还具有叶后缘(114)，所述主叶尖小翼(12)的周向宽度从所述叶前缘(113)侧朝向所述叶后缘(114)侧逐渐减小。
3.根据权利要求1或2所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，
所述叶轮还包括分流叶片(3)，所述分流叶片(3)固定于所述轮毂(2)，多个所述主叶片(1)和多个所述分流叶片(3)在所述周向上交替分布。
4.根据权利要求3所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，所述分流叶片(3)包括分流叶片主体(31)和分流叶尖小翼(32)，所述分流叶尖小翼(32)从所述分流叶片主体(31)的叶前缘起设置在所述分流叶片主体(31)的叶尖缘上。
5.根据权利要求4所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，所述分流叶尖小翼(32)与所述主叶尖小翼(12)在相同的径向位置处终止。
6.根据权利要求3所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，设所述主叶尖小翼(12)在所述叶前缘(113)处朝向所述压力面(115)侧延展的宽度为bp，且所述主叶尖小翼(12)在所述叶前缘(113)处朝向所述吸力面(116)侧延展的宽度为bs，则bp＝bs。
7.根据权利要求6所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，设所述叶轮的进口叶尖半径为rint，且所有叶片(1、3)的数量为zb，则
8.根据权利要求3所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，设所述主叶尖小翼(12)的长度为l1且所述主叶片(1)的叶片长度为l，则0.3×l≤l1≤0.4×l。
9.根据权利要求3所述的离心压缩机用叶轮，其特征在于，所述主叶片主体(11)与所述主叶尖小翼(12)形成为一体，所述主叶片主体(11)与所述主叶尖小翼(12)的连接部位形成为曲面过渡区域，设所述曲面过渡区域的高度为h且所述主叶片(1)的叶高为h，则1/10×h≤h≤1/8×h。
10.一种离心压缩机，其特征在于，所述离心压缩机包括权利要求1至9中任一项所述的压缩机用叶轮。
技术总结