CN101341341A

CN101341341A - 离心式压缩机

Info

Publication number: CN101341341A
Application number: CNA2007800007719A
Authority: CN
Inventors: 杉本浩一; 白石隆; 东森弘高; 矶边秀义
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2009-01-07
Also published as: KR20080042073A; US20100129209A1; WO2008035465A1; EP2072834A1; JP2008075536A

Abstract

本发明提供一种具有在扩散器通道内的轮毂侧壁面下游侧、气流难以从轮毂侧壁面剥离的扩散器构造的离心式压缩机。离心式压缩机设有扩散器通道(15)，其通过使从壳体(11)内旋转的叶轮的外周端排出的气流减速而使静压恢复，扩散器通道(15)的轮毂侧壁面(15b)在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，具有向护罩侧接近的倾斜平面(20)。

Description

离心式压缩机

技术领域

本发明涉及涡轮增压器等离心式压缩机。

背景技术

当前，公知的有例如汽车用的内燃机所使用的涡轮增压器等离心式压缩机。

图5A是表示现有的离心式压缩机的主要部分的剖面图。图示的离心式压缩机10通过具有多个叶片12的叶轮13在壳体11内旋转，压缩由壳体11外部导入的气体或空气等流体。如此形成的流体的流(气流)通过作为叶轮13的外周端的叶轮出口(以下称为扩散器入口)14、扩散器通道15以及涡管16向外部送出。另外，图中的标号17为叶轮13旋转的轴中心线。

上述扩散器通道15为设置于叶轮出口14和涡管16之间、用于通过使由叶轮出口14排出的气流减速来使静压恢复的通道。该扩散器通道15通常由一对相对的壁面形成，在以下的说明中，将相对的一对壁面中的一个称为护罩侧壁面15a，另一个称为轮毂侧壁面15b。

另外，在与内燃机组合使用的汽车用涡轮增压器中，要求有较大的压缩机动作范围，因此通常采用没有叶片的类型的扩散器(无叶片式扩散器)。

而且，近年来，随着离心式压缩机10的流量增大和高压力比化，流入扩散器通道15的气流的偏移也增大了。可以认为由于偏移量大的气流进入扩散器通道15而引起决定扩散器通道15内小流量侧动作界限的所谓喘振的现象。

产生喘振的机理可以认为是在气流的逆流区域到达扩散器通道15的出口侧端部时产生。并且，上述逆流区域的产生的原因可以认为是扩散器通道15中的压缩机护罩侧的气流，即沿护罩侧壁面15a的气流的偏移，因此提出一种用于降低这种气流的偏移的扩散器构造。

上述气流的偏移是流速分布或压力分布不均匀的状态，作为用于使其均匀化的现有技术，采用改变扩散器通道15的流路截面积，或者利用循环通路等的构造及方法。在这些现有技术中，其重点均为降低在扩散器通道15的入口侧(叶轮出口14侧)产生的偏移。

在上述降低偏移的现有技术中，例如提出了如下方案：在扩散器通道15的壁面上设置用于改变流路截面积的凸部或凹部。这些凸部和凹部在圆周方向上改变通道形状，使沿圆周方向的空气的气流一致化，由此可以提高压缩效率。(例如，参照专利文献1)

专利文献1：日本特开平10-176699号公报

发明内容

然而，特别是在汽车用涡轮增压器这种小型离心式压缩机中，对扩散器通道内流过的气流等内部流动的测量比较困难。因而，尚未能充分掌握实际的内部流动的偏移，进而也没有解释清楚达到喘振的现象，因此有必要解释清楚上述问题，从而开发出有效地防止喘振的装置，扩大离心式压缩机的动作范围(宽范围化)。

现有的扩散器通道15一般如图5B所示，作为相对的一对壁面的护罩侧壁面15a和轮毂侧壁面15b构成平行形状，扩散器通道15的轴向流路宽度W在圆周方向上是固定的。对于这样构成的现有扩散器通道15，通过模型实施内部流动测量，确认达到喘振的流动模式后，得到以下认识：在变成逆流区域(图中箭头A所示)到达扩散器通道15的扩散器出口18一侧端部的流场之前，气流会在扩散器出口18的附近从轮毂侧壁面15b剥离，形成逆流区(图中箭头B所示)。即，可以认为不是护罩侧逆流区域A，而是逆流区B引起喘振。

可以认为，这样在扩散器出口18附近产生的气流从轮毂侧壁面15b的剥离，例如专利文献1所述在圆周方向上改变通道形状，使沿圆周方向的空气流一致化的现有技术是不能抑制这种情况的。

本发明是鉴于以上情况而作出，其目的为提供一种离心式压缩机，具备在扩散器通道内的轮毂侧壁面下游侧(扩散器出口的附近)气流难以从轮毂侧壁面剥离的扩散器构造。

本发明为了解决以上问题，采用了以下的装置：

本发明的离心式压缩机，设有扩散器通道，该扩散器通道通过使从壳体内旋转的叶轮的外周端排出的气流减速而使静压恢复，其特征在于，所述扩散器通道的轮毂侧壁面在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，具有向护罩侧接近的倾斜区域。

根据这样的离心式压缩机，由于扩散器通道的轮毂侧壁面在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上具有向护罩侧接近的倾斜区域，因此在倾斜区域上，在轮毂侧壁面产生的低速区域的半径方向速度增大，扩散器通道内的半径方向速度分布均匀化。

该情况下的倾斜区域例如是在轮毂侧壁面上形成的倾斜平面、曲面或者阶梯面的部分，在该倾斜区域中，通过以越向下游侧越向相对的护罩侧壁面接近的方式使轮毂侧壁面倾斜，使扩散器通道的轴向流路宽度由上游侧向下游侧变窄即可。

在上述发明中，设置倾斜区域的扩散器通道长度方向上的优选位置为，在以扩散器入口为基点(0)到扩散器出口(1)为止的扩散器通道中，比0.3～0.7比率的部分靠下游侧(出口侧)的范围。

并且，在上述发明中，设在扩散器通道中的倾斜区域从轮毂侧壁面向护罩侧壁面的突出量的最大值优选被设定为与测量出的逆流区域的大小相等的通道宽度的1/3～1/5左右。

并且，在上述发明中，倾斜区域为平面时的优选倾斜角度为：以叶轮出口剖面的法线为基准在20度以下，更优选的倾斜角度为：以叶轮出口剖面的法线为基准在2度以上、10度以下。倾斜角度过大时，通道面积缩小，从而气流被再次加速，因此不优选。

根据上述本发明，在扩散器通道的轮毂侧壁面上，在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，设有向护罩侧接近的倾斜区域，因此，在该倾斜区域中，在轮毂侧壁面上产生的低速区域的半径方向速度增大。因此，扩散器通道内的半径方向速度分布均匀化，难以产生局部剥离，因此可以降低喘振流量，达到扩大压缩机动作范围的宽范围化。

并且，上述本发明特别适用于要求宽的压缩机压缩机动作范围的汽车用涡轮增压器等具有无叶片式扩散器的小型离心式压缩机的宽范围化的情况。

附图说明

图1是表示本发明的离心式压缩机的第1实施方式的扩散器通道的剖面图。

图2是表示图1的第1变形例的剖面图。

图3是表示图1的第2变形例的剖面图。

图4是表示本发明的离心式压缩机的第2实施方式的扩散器通道的剖面图。

图5A是表示离心式压缩机的主要部分的剖面图。

图5B是表示扩散器通道的现有构造的剖面图。

标号说明

10 离心式压缩机

11 壳体

12 叶轮

14 叶轮出口(扩压器入口)

15，30 扩散器通道

15a，30a 护罩侧壁面

15b，30b 轮毂侧壁面

16 涡管

18 扩散器出口

20 倾斜平面(倾斜区域)

21 倾斜曲面(倾斜区域)

22 倾斜折线(倾斜区域)

33 护罩侧倾斜部(倾斜区域)

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的离心式压缩机的一个实施方式。

如图5A所示，离心式压缩机10具有扩散器通道15，通过使从壳体11内旋转的叶轮13的外周端排出的气流减速而使静压恢复。该扩散器通道15设成连接叶轮出口(扩散器入口)14和涡管16之间，形成在由护罩侧壁面15a和轮毂侧壁面15b构成的相对的一对壁面间。

图1是表示第1实施方式的扩散器通道15的剖面图。该扩散器通道15将从叶轮13的外周端排出的气流(图中白色中空箭头所示)从扩散器入口14导入，使被导入到护罩侧壁面15a及轮毂侧壁面15b的壁面间形成的流路的气流从扩散器出口18向涡管16流出。

在图示的实施方式中，扩散器通道15的轮毂侧壁面15b，在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，设有向护罩侧壁面15a的方向接近的倾斜平面20。该倾斜平面20是形成在扩散器通道15的轮毂侧壁面15b上的倾斜区域，越是远离扩散器入口14、接近扩散器出口18，则越接近护罩侧壁面15a，作为相对的壁面间距离的轴向流路宽度W变窄至Wa。

即，由倾斜壁面20形成的倾斜区域，在法线方向的流路长度为L的扩散器通道15中，从与法线方向平行的流路长度为La的通道上游侧向着护罩侧壁面15a的方向倾斜，设在流路长度为Lb的下游部分。此处，如果设流路长度L为1，则作为倾斜区域的下游部分Lb的优选长度为与法线方向平行的上游部分的长度La为0.3～0.7的下游侧的剩余部分。换言之，在扩散器通道15的长度方向上设置倾斜区域的优选位置为，如果以扩散器入口14为基点(0)，设到作为终点(1)的扩散器出口18为止的流路长度为L(L＝1)，则上游部分的长度La设定为0.3～0.7的比率，且将下游部分的长度Lb设定为0.7～0.3的比率即可。由此，流路长度L为上游部分的长度La与下游部分的长度Lb的总计值(L＝La+Lb)，因此上游部分的长度La与下游部分的长度Lb的总计值L始终为“1”。

并且，设在扩散器通道15中的倾斜区域从轮毂侧壁面15b向着护罩侧壁面15a倾斜的倾斜壁面20的突出量优选设定为：在作为最大值Wb的扩散器出口18处是通道宽度的1/3～1/5左右。即，突出量的最大值Wb为1/3～1/5W左右(Wb≈1/3～1/5W)，因此由倾斜壁面20缩窄的轴向流路宽度Wa被设定成轴向流路宽度W的2/3～4/5W左右(Wa≈2/3～4/5W)。

并且，如上述倾斜壁面20那样，倾斜区域为平面时的倾斜角度θ优选设定为以叶轮出口剖面的法线为基准在20度以下。而且，更优选的倾斜角度θ为以叶轮出口剖面的法线为基准在2度以上、10度以下。

另外，上述叶轮出口剖面的法线以及法线方向是指从叶轮13旋转的轴中心线17穿过叶轮出口剖面向外侧呈放射状延伸的直线及其方向，实质上与气流的流动方向近似。

如上所述，具有由倾斜壁面20形成的倾斜区域的扩散器通道15具有如下区域：护罩侧壁面15a及轮毂侧壁面15b均与法线方向平行、轴向流路宽度W固定的上游侧区域，轮毂侧壁面15b向着护罩侧壁面15a倾斜的倾斜壁面20使得轴向流路宽度W向扩散器出口18一侧变窄的下游侧倾斜区域。

由此，从扩散器入口14导入的气流流过扩散器通道15而被减速，恢复静压，此时，在接近扩散器出口18的下游侧，产生于壁面附近、被认为是从轮毂侧壁面15b剥离的原因的低速区域的气流，通过被导向倾斜壁面20而逐渐流向护罩侧壁面15a的方向。

该情况下的低速区域是从扩散器入口14向着扩散器出口18的半径方向的速度成分较低的区域。另外，在图示的例子中，半径方向与上述的法线方向一致。

其结果为，轮毂侧壁面15b的壁面附近产生的低速区域的气流在半径方向上的速度成分增大。因此，在扩散器通道15内，半径方向的速度分布均匀化，因此难以产生局部剥离。

这样，扩散器通道15内难以产生局部剥离时，可以降低喘振流量，因此能够达到使离心式压缩机的动作范围扩大的宽范围化。特别地，如果应用于汽车用涡轮增压器等对于具有无叶片式扩散器的小型离心式压缩机要求较大的压缩机动作范围的情况，能够比较容易地达到宽范围化。

但是，如果考虑在护罩侧壁面15a上设置同样的倾斜区域的情况，则轴向流路宽度W相反地向扩散器出口18一侧缩窄。然而，在护罩侧壁面15a的扩散器出口18附近，在壁面附近不存在被认为是剥离原因的低速区域，因此被导向倾斜壁面20的气流由于逐渐流向轮毂侧壁面15b的方向而被加速。因此，由于加速的护罩侧壁面15a和存在低速区域的轮毂侧壁面15b之间的速度差增加，因而半径方向的速度分布的不均匀进一步增大。

其次，基于图2对上述倾斜区域的第1变形例进行说明。另外，与上述实施方式相同的部分标以相同标号，省略其详细说明。

在第1变形例中，代替图1的倾斜平面20，由倾斜曲面21形成倾斜区域。该倾斜曲面21的在设置倾斜区域的扩散器通道的长度方向上的优选位置(长度Lb的比率)以及从轮毂侧壁面15b向着护罩侧壁面15a的突出量的最大值Wb与倾斜平面20相同，设定适当曲率等以满足这些条件即可。另外，该情况下的曲面从扩散器通道15内观察，既可以是凹曲面也可以是凸曲面。

即使设置这种由倾斜曲面21形成的倾斜区域，由于在轮毂侧壁面15b的壁面附近产生的低速区域的气流在半径方向上的速度成分增大，因此在扩散器通道15内，半径方向的速度分布均匀，难以产生局部剥离。

因此，由于能够降低喘振流量，所以能够达到扩大离心式压缩机的动作范围的宽范围化，特别是，如果应用于对于具有无叶片式扩散器的小型离心式压缩机要求较大的压缩机动作范围的情况，能够容易地达到宽范围化。

其次，基于图3对上述倾斜区域的第2变形例进行说明。另外，与上述实施方式相同的部分标以相同标号，省略其详细说明。

在该第2变形例中，代替图1的倾斜平面20，由倾斜折线22形成倾斜区域。该倾斜折线22由平面的倾斜部22a和扩散器出口18的平行部22b构成，该情况下的平行部22b与护罩侧壁面15a以及轮毂侧壁面15b平行。

并且，倾斜折线22的在设置倾斜区域的扩散器通道的长度方向上的优选位置(长度Lb的比率)以及从轮毂侧壁面15b向着护罩侧壁面15a的突出量的最大值Wb与倾斜平面20相同。

即使设置这种由倾斜折线22形成的倾斜区域，由于在轮毂侧壁面15b的壁面附近产生的低速区域的气流在半径方向上的速度成分增大，因此在扩散器通道15内，半径方向的速度分布均匀，难以产生局部剥离。

因此，能够降低喘振流量，因而能够达到扩大离心式压缩机的动作范围的宽范围化，特别是，如果应用于对于具有无叶片式扩散器的小型离心式压缩机要求较大的压缩机动作范围的情况，能够容易地达到宽范围化。

另外，图示的倾斜折线22为倾斜部22a和平行部22b的组合，也可以组合2段以上的倾斜部22a，进而，也可以组合曲面。

图4为表示本发明的离心式压缩机的第2实施方式的剖面图。另外，与上述第1实施方式相同的部分标以相同标号，省略其详细说明。

在本实施方式中，扩散器通道30被分割为三个区域。即，从上游侧开始，轮毂侧倾斜部31、与叶轮出口剖面的法线方向平行的平行部32、以及护罩侧倾斜部33依次一体连接。因此，相对于图1所示的第1实施方式，在最上游侧追加了轮毂侧倾斜部31，而且在护罩侧倾斜部33处、护罩侧壁面30a与轮毂侧壁面30b平行配置，以相同的倾斜角度向着护罩侧倾斜。

即使采用这样的构成，在扩散器通道30的护罩侧倾斜部33处，轮毂侧壁面30b在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分、即平行部32的下游侧的位置上，具有接近护罩侧的倾斜区域。即，通过护罩侧倾斜部33的轮毂侧壁面30b向护罩侧的接近，形成具有与上述倾斜平面20大致相同的作用的倾斜区域。

由此，由于作为与倾斜壁面20同样的倾斜平面的轮毂侧壁面30b，轮毂侧壁面30b的壁面附近产生的低速区域的气流在半径方向上的速度成分增大，因此，在扩散器通道30内，半径方向的速度分布变得均匀，难以产生局部剥离。

这样，由于在扩散器通道15的轮毂侧壁面15a上，在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，设有向护罩侧接近的倾斜区域，因此在轮毂侧壁面15b上产生的低速区域的半径方向速度增大，扩散器通道15内的半径方向速度分布均匀化。因而，在扩散器通道15的扩散器出口18附近，气流从壁面上局部剥离难以发生，因此能够降低喘振流量，能够达到扩大离心式压缩机动作范围的宽范围化。

另外，本发明并不仅限于上述实施方式所限定的内容，在不脱离本发明的主旨的范围内可以做出适当的变更。

Claims

1.一种离心式压缩机，设有扩散器通道，该扩散器通道通过使从壳体内旋转的叶轮的外周端排出的气流减速而使静压恢复，其特征在于，

所述扩散器通道的轮毂侧壁面在与叶轮出口剖面的法线方向平行的部分的下游侧的位置上，具有向护罩侧接近的倾斜区域。