涨知识 | 离心式压缩机叶轮有哪些类型？

叶轮又称工作轮，是压缩机转子上最主要的部件。叶轮随主轴高速旋转，对气体做功。气体在叶轮叶片的作用下，跟着叶轮做高速旋转，受旋转离心力的作用以及叶轮内的扩压流动，在流出叶轮时，气体的压力、速度和温度都得到提高。

按结构形式叶轮分为开式、半开式和闭式三种，后两种叶轮在压缩机中应用比较广泛。

开式叶轮（图1）结构最简单，仅由轮縠和径向叶片组成。在叶轮上，叶片槽道两个侧面都是敞着的，气体通道是由叶片槽道和与叶轮前后有一定间隙的机壳内壁形成的。这种通道对气体流动不利，气体流动损失很大，此外，在叶轮和机壳之间引起的摩擦鼓风损失也最大，故这种叶轮的效率最低，在压缩机中很少被采用。

图1 开式叶轮

半开式叶轮（图2）和开式叶轮不同，叶片槽道一侧被轮盘封闭，另一侧敞开，改善了气体通道，减少了流动损失，提高了效率。但是，由于叶轮侧面间隙很大，有一部分气体从叶轮出口倒流回进口，内泄漏损失大。此外，叶片两边存在压力差，使气体通过叶片顶部从一个槽道潜流向另一个槽道，因而这种叶轮的效率仍不高，比闭式叶轮低。但是由于这种叶轮不设轮盖，理论分析和试验表明，叶轮轮盖内孔应力往往最大，常成为提高叶轮圆周速度的限制，因而半开式叶轮允许圆周速度高，单级压比大，常常成为单级增压器的主要叶轮形式。

图2 半开式叶轮

闭式叶轮（图3）由轮盘、叶片和轮盖组成。这种叶轮对气体流动有利。轮盖上装有气体密封，减少了内泄漏损失。叶片槽道间潜流引起的损失也不存在，因此效率比前两种叶轮都高。另外，叶轮和机壳侧面间隙也不像半开式叶轮那样要求严格，可以适当放大，使检修时拆装方便。这种叶轮在制造上虽较前两种复杂，但具有效率高和其他优点，故在压缩机中得到广泛应用。

图3 闭式叶轮

根据叶片弯曲形式不同，叶轮常分为前弯（β_2A>90°）、后弯（β_2A <90°）和径向（β_2A =90°）型三种。前弯型叶轮由于效率低，在压缩机中不采用，仅在通风机上采用。工业压缩机普遍采用后弯型，它又分为一般弯曲（β_2A =30°~60°）和强后弯曲（β_2A =15°~30°）两种（图4、图5），强后弯型在泵中用的较多，故又称为泵型叶轮。一般来说，对流量不太小的大多数压缩机一般后弯型是常用结构，而泵型叶轮用在中、小流量的高压压缩机最后几级效果是较好的。径向型又分为径向出口叶片型（图6）和径向式叶片型（图2），径向式叶片型叶轮前部设有导风轮，气流轴向进入导风轮，经过导风轮导流，再进入径向式叶片槽道。径向出口叶片型叶轮不设导风轮，轴向尺寸短。扩压度大，出口速度较后弯型大，因而一般效率较低。

二元轮叶片的形状常采用单圆弧、双圆弧、直叶片和空间扭曲叶片。采用单圆弧叶片时，当叶片出口几何角β_2A为60°左右时，可采用直叶式。

三元轮叶片空间扭曲（图8），大大改善了气体流动性能，使叶轮效率得到较大提高，但加工复杂，最先在大流量压缩机中应用，如空压机低压缸第1、2级和氨压机高压缸第1、2级叶轮就采用这类叶轮，当今由于三元流设计和制造技术的进步，许多压缩机（包括中等流量甚至小流量压缩机）叶轮都采用全三元流设计。

根据加工方法叶轮可以分为铆接型、焊接型和整体型。铆接型叶轮分为一般铆接和整体铣制铆接。一般铆接叶轮是早期压缩机常采用的方法，叶片常用钢板压制成型，分别与轮盘、轮盖铆接一起。叶片的形式可以是U形、Z形截面、穿孔叶片和带有榫头的叶片等（图9）。U形和Z形叶片好铆，是常用形式，但叶片有折边，增加流动阻力和叶轮的附加重量，离心负荷加大。穿孔叶片因铆钉要从叶片中贯穿，常常不得不增加叶片的厚度，影响气体流动，而且钻长孔也较困难。带榫头叶片厚度可以减薄，但对叶片制造要求高，而且榫头一旦破坏，就得更换整个叶片。一般铆接比整体铣制铆接材料利用率高，但强度低，多用在低中压压缩机中叶片比较宽的情况下。

图9 叶片截面形式

铣制叶轮的叶片在轮盘上直接铣出，和轮盖利用穿孔铆接、或者利用叶片榫头铆接。整体铣制铆接叶轮由于取消了叶片的折边，减少了气体的流动阻力损失，提高了叶轮效率。试验表明，整体铣制铆接叶轮级的效率比槽型钢板压制叶片后铆接成叶轮的级效率高2%左右。整体铣制叶轮比一般铆接叶轮强度高，但材料浪费大，一般多用于窄叶轮加工。铆接工艺的发展比较早，也较成熟。但由于铆钉处容易产生应力集中，强度低，在压缩机使用过程中出现过不少事故。为了保证铆接质量，必须严格注意工艺要求，对铆钉材质、钉孔的精铰、手锤的重量和打击次数都应有适当的规定。此外，铆接工时消耗大，因此焊接叶轮的工艺发展很快，并成为当今叶轮的主要加工工艺。

焊接叶轮在出口宽度比较大时，叶片单独压制，然后分别与轮盘、轮盖焊接，可以在两面内部或外部用手工电弧或氩弧焊进行焊接。当叶片出口宽度较小时，多采用整体铣制焊接叶轮。为了防止焊接变形，焊接时轮盘与轮盖的毛坯厚度都应加大，以便焊后再加工。焊接前要预热（约250~360℃），焊后加热（约加热到650℃，保温3h左右）消除焊接应力。焊接叶轮取消了容易产生应力集中和晶间腐蚀的铆钉，强度比铆接叶轮高，和铆接叶轮比较起来，焊接工时要省，所以焊接叶轮越来越普遍地被采用。

整体成型叶轮主要是指精密浇铸和其他特殊工艺。精密浇铸工艺既省工时又省料，但由于叶轮形状复杂，加工工艺要求高，要保证铸件无气孔、无杂质是比较困难的，常因质量问题影响叶轮的强度。

对窄叶轮还可以采用如电火花加工和钎焊等，但是用这些方法加工叶轮的造价比较昂贵。