CN102365463B

CN102365463B - 叶轮及旋转机械

Info

Publication number: CN102365463B
Application number: CN201080015579.9A
Authority: CN
Inventors: 枡谷穰
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2010-02-18
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-02-18
Also published as: US20120100003A1; EP2402616A1; CN102365463A; EP2402616A4; JP2011021491A; US9163642B2; WO2011007467A1

Abstract

一种叶轮以及旋转机械。该叶轮其为随着从流体流路的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向向径向逐渐变化的旋转机械的叶轮，具备：构成所述流体流路的至少一部分的轮毂面；构成所述流体流路的至少一部分的叶片面；在位于所述流体流路的入口侧的前半部以及出口侧的后半部的一方即后半部的、所述轮毂面和所述叶片面相接的角隅部，朝向所述流体流路的内侧凸出的凸出部。

Description

叶轮及旋转机械

技术领域

本发明涉及叶轮及旋转机械，尤其是涉及其流路形状。

背景技术

在用于工业用压缩机及涡轮冷冻机、小型燃气轮机等旋转机械的离心式或斜流式的压缩机中，要求性能提高，尤其是需要提高这些压缩机的关键构件即叶轮的性能。于是，近年来，提出有为了提高叶轮的性能，在叶片的尖-轮毂间的前缘设置凹部而有效地抑制二次流动及剥离的叶轮(例如，参照专利文献1)。

另外，具有为了提高离心式或斜流式的叶轮的性能，以沿着轮毂面的流动的边界层不扩大的方式在叶片间的轮毂面上形成多个槽，使沿着轮毂面的流动产生紊流的叶轮；或为了防止边界层的局部集中，在叶片间设置多个小翼的叶轮(例如，参照专利文献2、3)。

专利文献1：(日本)特开2006-2689号公报

专利文献2：(日本)特开2005-163640号公报

专利文献3：(日本)特开2005-180372号公报

图9～图11所示的现有的离心式压缩机的叶轮201，由形成于轮毂202的轮毂面204上的相邻的叶片203的压力面p及负压面n、轮毂面204、护罩面205形成流体流路210。例如，在图10所示的轮毂202绕轴线O旋转时，流体从配置于径向内侧的入口206沿轴向流入，之后，沿流体流路210，流动方向一边从轴向向径向变化一边移动，最终从配置于径向外侧的出口207沿径向向外侧排出。另外，图9中箭头标记表示叶轮201的旋转方向。

这样，随着从叶轮201的径向内侧朝向径向外侧，流体流路210的流动方向从沿轴线O的方向向沿径向的方向变化，所以边界层发展到叶轮201的出口207附近的护罩面205上。另外，由于在叶片203的负压面n上的压力最低，所以边界层被护罩面205和负压面n吸引并慢慢蓄积，在出口207附近的护罩面205上的负压面n侧蓄积低能量流体的块k。

另外，由于在流动的弯曲部内侧，流体容易剥离，因此，当低能量流体的块k发生蓄积、和流体容易剥离同时发挥作用，使得在由负压面n和护罩面205形成的角隅部附近蓄积的低能量流体的块k的范围进一步扩大。在上述的图9～图11中，以离心式压缩机为一例进行了说明，但是，同样地，在斜流式的压缩机的流体流路中，也以同样的理由蓄积低能量流体的块k。而且，该低能量流体的块k朝向出口207慢慢扩大，由此，从流体流路210的出口207侧的后半部211到出口207产生流动损失。

另外，该低能量流体的块k随着流量减少而变大，因此，也成为使小流量侧的性能下降的主要原因。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而设立的，其目的在于提供能够缩小在流体流路的后半部产生的低能量流体的块而减小流动损失的叶轮及旋转机械。

为了实现用于解决上述课题的目的，本发明采用以下的构成。

本发明的叶轮(例如，实施方式的叶轮1)为随着从流体流路(例如，实施方式的叶轮流路10)的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向向径向逐渐变化旋转机械的叶轮，其具备：轮毂面(例如，实施方式的轮毂面4)，其构成所述流体流路的至少一部分；叶片面(例如，实施方式的压力面p、负压面n)，其构成所述流体流路的至少一部分；凸出部(例如，实施方式的凸出部b)，其在位于所述流体流路的入口(例如，实施方式的入口6)侧的前半部及出口(例如，实施方式的出口7)侧的后半部(例如，实施方式中的后半部11)的一方即后半部的、所述轮毂面和所述叶片面相接的角隅部(例如，实施方式的角隅部12，22)，朝向所述流体流路的内侧凸出。

根据该发明的叶轮，凸出部在流体流路的后半部从轮毂面和叶片面相接的角隅部朝向流体流路的内侧凸出而设置，由此，在流体流路流动的流体在后半部越过凸出部，在凸出部的对面产生的低能量流体的块被越过了凸出部的高能量的流体推压而缩小。因此，能够减小低能量流体的块蓄积导致的流动损失。在此，低能量流体具有随着流量减少而增大的倾向，但是，通过凸出部而使流速上升，故而尤其是在流入低流量的流体的情况下，效率提高，经而可抑制流体的失速，因此，波动容许量也扩大。

另外，通过在角隅部设置凸出部，能够使形成有凸出部的叶片和轮毂相接的部分的强度增加。另外，通过与叶片及轮毂一体地形成，能够抑制零件个数的增加。

上述本发明的叶轮的所述角隅部也可以是由所述叶片的负压面和所述轮毂面形成的角隅部(例如，实施方式的角隅部12)。

在该情况下，由于在相对于在叶片的负压面和护罩面的角隅部附近蓄积的低能量流体的块比较近的负压面和轮毂面的角隅部设置有凸出部，故而能够通过越过凸出部的高能量流体高效率地推压低能量流体使之缩小。

上述本发明的叶轮的所述角隅部也可以是由所述叶片的压力面和所述轮毂面形成的角隅部(例如，实施方式的角隅部22)。

该情况下，即使是在由叶片的压力面和轮毂面形成的角隅部设有凸出部的情况，也能够利用越过凸出部的流体推压低能量流体使之缩小。另外，在压力面和轮毂面的角隅部及负压面和轮毂面的角隅部两处设有凸出部的情况下，能够进一步实现低能量流体的缩小化。

在上述本发明的叶轮中，也可以在所述凸出部的所述流体流路的上游侧和下游侧的至少一方设置将所述凸出部和所述轮毂面及所述叶片面顺畅地连接的过渡部(例如，实施方式的过渡部13)。

该情况下，凸出部与轮毂面及叶片面通过过渡部顺畅地连接，因此，能够抑制流体越过凸出部时的流动损失。

另外，本发明的旋转机械具备上述本发明的叶轮。

根据该发明的旋转机械，由于具备上述的本发明的叶轮，故而能够进一步减小旋转机械的损失。

根据本发明的叶轮及旋转机械，通过在轮毂面和叶片面相接的角隅部设置凸出部，在流体流路流动的流体越过凸出部时，能够缩小沿流体流路的后半部的叶片的负压面附近的护罩面产生的低能量流体的块。因此，具有能够降低由于该低能量流体的块扩大而产生的流动损失的效果。

附图说明

图1是本发明实施方式的离心压缩机的横向剖面图；

图2是表示本发明实施方式的叶轮的主要部分的放大正面图；

图3是沿图2的A-A线的剖面图；

图4是沿图2的B-B线的剖面图；

图5是表示相对于本发明实施方式的叶轮的流量的效率特性的曲线图；

图6是表示相对于本发明实施方式的叶轮的流量的压力水头特性的曲线图；

图7是本发明实施方式的另一实施例的叶轮的正面图；

图8是沿图7的B’-B’线的剖面图；

图9是现有叶轮的相当于图2的正面图；

图10是沿图9的A-A线的剖面图；

图11是沿图9的B-B线的剖面图。

符号说明：

1：叶轮

4：轮毂面

6：入口

7：出口

10：叶轮流路(流体流路)

12：角隅部

13：过渡部

22：角隅部

100：离心压缩机

P：压力面(叶片面)

n：负压面(叶片面)

b：凸出部

具体实施方式

以下，参照附图对本发明实施方式的叶轮及旋转机械进行说明。该实施方式的叶轮以旋转机械即离心式压缩机的叶轮为一例进行说明。

本实施方式的旋转机械即离心压缩机100，作为一例，如图1所示，主要由绕轴线O旋转的轴102、安装于轴102并利用离心力对流程气体(气体)G进行压缩的叶轮1、可支承轴102使其可旋转并且形成有使流程气体G从上游侧向下游侧流动的流路104的罩105构成。

罩105以外轮廓呈大致圆柱状的方式形成，以贯穿中心的方式配置有轴102。在轴102的轴向两端设有轴颈轴承105a，在一端设有推力轴承105b。这些轴颈轴承105a及推力轴承105b支承轴102使其可旋转。即，轴102经由轴颈轴承105a及推力轴承105b被罩105支承。

另外，在罩105的轴向一端侧设有使流程气体G从外部流入的吸入口105c，在另一端侧设有流程气体G向外部流出排出口105d。在罩105内设有与这些吸入口105c及排出口105d分别连通且反复缩径、扩径的内部空间。该内部空间作为收纳叶轮1的空间发挥作用，并且还作为上述流路104发挥作用。

即，吸入口105c和排出口105d经由叶轮1及流路104相连通。

叶轮1在轴102的轴向隔开间隔排列有多个。另外，在图示例中，叶轮1设有六个，但是只要设置至少一个以上即可。

图2～图5表示离心式压缩机100的叶轮1，该叶轮1具备轮毂2和多个叶片3而构成。

轮毂2在正面看时形成为大致圆形，以上述的轴线O为中心可绕轴旋转。如图3所示，在轮毂2上，从自轴线O向径向外侧稍稍离开的径向内侧的规定位置S朝向径向外侧弯曲形成有轮毂面4。该弯曲形成的轮毂面4的位于径向内侧的面沿轴线O形成，并且，以随着朝向径向外侧慢慢地沿着径向的方式形成。即，轮毂2从自轴线O稍稍离开的径向内侧的位置S越朝向径向外侧，其轴向厚度尺寸从轴向端面的一方(上游侧)开始越减少，该轴向厚度尺寸越内侧越大，越外侧越小。另外，在图3中，由箭头标记表示轮毂2的径向。

如图2所示，在上述轮毂面4上，多个叶片3大致放射状地配置，如图4所示，与轮毂面4大致垂直地立设。该叶片3从轮毂端h到尖端t，厚度形大致一样，并且呈从轮毂端h(参照图3)到尖端t、朝向轮毂2的旋转方向(图2中用箭头表示)多少成为凸面的弯曲形状。通过叶轮1旋转，弯曲形状的叶片3的凹面侧及凸面侧的各叶片面中凸面侧的叶片面成为压力面p，而凸面的背侧即凹面侧的叶片面成为负压面n。

另外，如图3所示，叶片3的尖端t从轮毂2的径向内侧到径向外侧弯曲形成。更具体地说，与上述轮毂面4同样地，形成为越靠径向内侧越沿着轴线O，随着朝向径向外侧而逐渐沿着径向的凹型。

而且，叶片3以轮毂面4为基准时，其高度尺寸形成为越靠轮毂2的径向内侧越高，越靠径向外侧越低。

对于上述叶轮1而言，其叶片3的尖端t侧被罩105(参照图1)覆盖，由利用该罩105构成的护罩面5、上述相邻的叶片3的压力面p及负压面n、这些压力面p与负压面n之间的轮毂面4构成叶轮1的叶轮流路10。而且，通过叶轮1旋转，流体从位于轮毂2的径向内侧的叶轮流路10的入口6沿着轴向流入，通过离心力的作用，流体从位于径向外侧的出口7沿着径向向外侧流出。

上述构成的叶轮流路10随着从轮毂2的径向内侧朝向径向外侧，其流动方向从轴向向径向逐渐变化，从上述入口6朝向出口7弯曲形成。这样，叶轮流路10弯曲，由此，在接近叶轮流路10的出口7侧的后半部11的负压面n的护罩面5侧，容易蓄积低能量流体的块k(参照图3、图4)。

在叶轮流路10的后半部11，在轮毂面4和叶片3的负压面n相接的角隅部12形成有朝向叶轮流路10的内侧凸出的凸出部b。该凸出部b与轮毂面4及负压面n一体形成(参照图2、图4)。通过设置该凸出部b，叶轮流路10的后半部11的低能量流体的块k被越过凸出部b的高能量流体推压而缩小。

凸出部b将其最大宽度设定为叶轮流路10的宽度的25％程度、叶片3的高度的30％程度。而且，理想的是，在从叶轮流路10的入口6到出口7的流路长度的65％程度的位置，宽度最大、高度最大。而且，在凸出部b的周围设有分别将凸出部b与轮毂面4及负压面n之间顺畅连接的过渡部13。

过渡部13在叶轮流路10的入口6侧，从流路长度的30％程度的位置以负压面n为基准朝向出口7侧逐渐增加宽度及高度尺寸并向凸出部b连接。另外，在凸出部b的出口7侧，朝向出口7方向、宽度及高度尺寸逐渐地减少，考虑与在叶轮1的后段配置的未图示的扩散器等的连接等，在出口7向负压面n收敛而使宽度及高度尺寸恢复为零。另外，上述的凸出部b的形状及位置为一例，并不限于上述位置，另外，过渡部13的开始位置也不限于上述位置。

图5是表示使用叶轮1及现有的叶轮的旋转机械的效率特性的曲线图，纵轴设为效率η、横轴设为流量Q。另外，图5中，由实线表示具备未设置凸出部b的叶轮的旋转机械的效率，由虚线表示具备设有凸出部b的上述叶轮1的旋转机械的效率。

如图5所示，在同一流量Q下比较设有凸出部b的情况和未设凸出部b的情况，可知设有凸出部b的效率提高。尤其是可知小流量侧的效率大大提高。

另外，图6是表示使用叶轮1及现有的叶轮的旋转机械的压力水头(功)特性的曲线图，将纵轴设为压力水头(功)、将横轴设为流量Q。另外，图6中，由实线表示具备未设置凸出部b的叶轮的旋转机械的压力水头，由虚线表示具备设有凸出部b的上述的叶轮1的旋转机械的压力水头。

如图6所示，可知与具备未设置凸出部b的叶轮的旋转机械的波动点(图中，由实心圆表示)相比，具备设有凸出部b的上述的叶轮1的旋转机械的波动点(图中，用空心圆表示)，向更低流量侧进行位移，其波动容许量扩大。

这些图5、图6的效率提高及波动点的低流量化是由于叶轮流路10的后半部11的低能量流体的块k被越过凸出部b的高能量流体推压而缩小，从而抑制流体的失速而实现的。另外，所谓的波动点为旋转机械不产生波动而进行正常动作时需要的最低限流量。

因此，根据上述实施方式的旋转机械的叶轮1，凸出部b在叶轮流路10的后半部11从轮毂面4和叶片3的负压面n相接的角隅部12朝向叶轮流路10的内侧凸出地设置，由此，在叶轮流路10流动的流体在后半部11越过凸出部b。向在凸出部b的对面产生的低能量流体的块k推压越过凸出部b的高能量的流体，低能量流体的块k缩小，因此，能够减小低能量流体的块k蓄积导致的流动损失。

另外，低能量流体的块k具有随着流量减少而增大的倾向，但是，因凸出部b而使流速上升，因此，特别是在流入低流量的流体的情况下能够提高效率，另外，能够抑制流体的失速，因此，也扩大波动容许量。

另外，通过在角隅部12设置凸出部b，能够使形成有凸出部b的叶片3和轮毂2的相接部分的强度增加。另外，通过一体地形成轮毂2及叶片3和凸出部b，能够抑制零件个数的增加。

另外，由于在与叶片3的负压面n和尖端t侧的护罩面5的角隅部附近的低能量流体的块k蓄积的部分比较近的、负压面n和轮毂面4相接的角隅部12设有凸出部b，因此，利用越过凸出部b的高能量流体能够高效率地推压低能量流体的块k使之缩小。

另外，凸出部b与轮毂面4及负压面n通过过渡部13顺畅地连接，因此，能够抑制高能量流体越过凸出部b时的损失。

另外，在上述的实施方式的叶轮1中，对在位于叶轮流路10的后半部11的负压面n及轮毂面4相接的角隅部12设置凸出部b的情况进行了说明，但不仅限于此。例如作为其它的实施例，也可以如图7、图8所示，在位于叶轮流路10的后半部11的压力面p及轮毂面4相接的角隅部22设置凸出部b。这样，在角隅部22设置有凸出部b的情况下，向蓄积于叶片3的负压面n和护罩面5的角隅部附近的低能量流体的块k推压越过凸出部b的高能量的流体，能够缩小低能量流体的块k，因此，能够减小低能量流体的块k的蓄积导致的流动损失。

另外，上述实施方式的凸出部b的形状及位置为一例，不限于此。另外，过渡部13也同样不限于此。

另外，在上述实施方式中，以离心式的旋转机械的叶轮为一例进行了说明，但不限于此，也可以是斜流式的旋转机械的叶轮。另外，不限于压缩机，也适用于鼓风机或涡轮机等的叶轮。另外，在上述实施方式中，以轮毂面4的对面侧被护罩面5覆盖的所谓的开放式叶轮为一例进行了说明，但也可以适用于具备将与叶片3一体形成的尖端t侧覆盖的壁的封闭式叶轮。该封闭式叶轮的情况下，只要将上述实施方式的护罩面5替换为覆盖尖端t的壁的内面即可。另外，凸出部b以外的轮毂面4与翼面(负压面n、压力面p)的边界部，如以往那样，多少具有切削切断机工具的前端倒角产生的角弧R。

工业上的可利用性

根据本发明的叶轮及旋转机械，通过在轮毂面和叶片面相接的角隅部设有凸出部，在流体流路流动的流体越过凸出部时，能够使沿着流体流路的后半部的叶片的负压面附近的护罩面产生的低能量流体的块缩小，因此，能够减小由该低能量流体的块扩大所产生的流动损失。

本申请基于2009年7月13日在日本提出申请的特愿2009-164781主张优先权，在此引用其内容。

Claims

1.一种叶轮，其为随着从流体流路的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向向径向逐渐变化的旋转机械的叶轮，具备：

轮毂面，其构成所述流体流路的至少一部分；

叶片面，其构成所述流体流路的至少一部分；

凸出部，其在位于所述流体流路的入口侧的前半部及出口侧的后半部的一方即后半部的、所述轮毂面和所述叶片面相接的角隅部，朝向所述流体流路的内侧凸出。

2.如权利要求1所述的叶轮，其中，所述角隅部由所述叶片的负压面和所述轮毂面形成。

3.如权利要求1所述的叶轮，其中，所述角隅部由所述叶片的压力面和所述轮毂面形成。

4.如权利要求2所述的叶轮，其中，所述角隅部由所述叶片的压力面和所述轮毂面形成。

5.如权利要求1所述的叶轮，其中，在所述凸出部的所述流体流路的上游侧和下游侧的至少一方，设有将所述凸出部与所述轮毂面及所述叶片面之间顺畅地连接的过渡部。

6.如权利要求2所述的叶轮，其中，在所述凸出部的所述流体流路的上游侧和下游侧的至少一方，设有将所述凸出部与所述轮毂面及所述叶片面之间顺畅地连接的过渡部。

7.如权利要求3所述的叶轮，其中，在所述凸出部的所述流体流路的上游侧和下游侧的至少一方，设有将所述凸出部与所述轮毂面及所述叶片面之间顺畅地连接的过渡部。

8.如权利要求4所述的叶轮，其中，在所述凸出部的所述流体流路的上游侧和下游侧的至少一方，设有将所述凸出部与所述轮毂面及所述叶片面之间顺畅地连接的过渡部。

9.一种旋转机械，其具备权利要求1～8中任一项所述的叶轮。