CN102365464A - 叶轮和旋转机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种叶轮和旋转机械，该叶轮随着从流体流路的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向变为径向，包括：轮毂面，构成所述流体流路的至少一部分；叶片面，构成所述流体流路的至少一部分；膨出部，在构成所述叶片面的压力面与所述轮毂面相接的角部中的、所述流体流路的入口附近的角部，该膨出部向所述流体流路的内侧膨出。

Description

叶轮和旋转机械

技术领域

本发明涉及叶轮和旋转机械，特别是涉及其流路形状。

本申请基于2009年7月13日在日本申请的特愿2009-164782主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术

在工业用压缩机或涡轮冷冻机、小型蒸汽涡轮机等旋转机械中使用的离心式或斜流式压缩机中，正在要求提高其性能，特别是提高上述压缩机的关键部件，即叶轮的性能。因此，为了提高叶轮的性能，近年提出了在叶片的尖端-轮毂之间的前缘设置凹部，有效地抑制二次流动或剥离的叶轮(例如，参照特许文献1)。

并且，为了提高离心式或斜流式叶轮的性能，在叶片之间的轮毂面形成多个槽，以使沿着轮毂面的流动的边界层不扩大，使沿着轮毂面的流动产生乱流，或者，为了防止边界层的局部集中，在叶片之间设置多个小翼(例如，参照专利文献2和3)。

现有技术文献

专利文献

特许文献1：(日本)特开2006-2689号公报

特许文献2：(日本)特开2005-163640号公报

特许文献3：(日本)特开2005-180372号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

图9表示现有叶轮的叶片前缘附近。如该图9所示，在现有的叶轮的入口轮毂面，为了确保叶轮流路210的入口206侧的喷口面积，与流体向着设计点流量的入口206流入的角度(入口流动角)相比，入口206侧的叶片203的叶片角度更加在叶轮径向立起，因此，相对于叶片角度的流体的入口流动角(下面称为入射角θ)变大。并且，由于流入流量的减少，流体的入射角θ具有变大的倾向，因此，特别是在入口206附近，在流量变为最少的叶片的负压面n侧的轮毂面，由于流入流量的减少，导致边界层显著扩大，存在效率降低、失速的问题。

本发明是鉴于上述情况而作出的，其目的在于提供一种叶轮和旋转机械，在流入流量减少时，也能够抑制边界层在入口的负压面侧的轮毂面的扩大，抑制效率降低或失速。

用于解决技术问题的技术方案

为了解决上述问题并实现上述目的，本发明采用如下结构。

本发明的叶轮(例如，实施方式中的叶轮1)是随着从流体流路(例如，实施方式中的叶轮流路10)的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向渐渐变为径向的旋转机械的叶轮，其中，包括，轮毂面(例如，实施方式中的轮毂面4)，构成所述流体流路的至少一部分；叶片面(例如，实施方式中的压力面p、负压面n)，构成所述流体流路的至少一部分；膨出部(例如，实施方式中的膨出部b)，在所述叶片面的压力面与所述轮毂面相接的角部(例如，实施方式中的角部12)中的、所述流体流路的入口(例如，实施方式中的入口6)附近的角部，所述膨出部向所述流体流路的内侧膨出。

根据该发明的旋转机械的叶轮，通过在入口附近的、轮毂面与压力面相接的角部设置膨出部，轮毂面侧的叶片前缘变厚，实质上在叶片前缘的膨出部形成的圆角部的半径增大。由此，即使在由于轮毂面侧的流入速度小，相对于叶片角度的流体的入射角增大时，流动也会缓慢地包围半径增大的在叶片前缘的膨出部实现的圆角部，因此，能够抑制前缘负压面侧的边界层的肥大，抑制边界层在轮毂面的负压面侧的扩展。并且，通过设置限定在轮毂面侧的角部即局部的膨出部，能够将喷口面积的减小量限制在最小限度。

并且，通过在入口附近的角部设置膨出部，能够增强叶片与轮毂相接的部分的强度，该部分受到来自流体的力，且由于叶轮的旋转也产生离心应力。并且，在膨出部与叶片和轮毂一体形成时，能够抑制零件个数的增加。

在上述本发明的旋转机械的叶轮中，还包括第二膨出部，在由所述叶片面的负压面与所述轮毂面形成的角部中的、所述流体流路的入口附近的角部向所述流体流路的内侧膨出。

此时，在配置于叶片的压力面与轮毂面之间的角部的膨出部的基础上，在由叶片的负压面与轮毂面形成的角部设置第二膨出部，因此，能够进一步增大轮毂面侧的叶片前缘的厚度尺寸，从而能够进一步抑制由于流量减小导致的边界层的扩大，并且，能够进一部增大入口的角部的、叶片与轮毂相接部分的强度。

根据本发明的旋转机械的叶轮，即使在流量减小时相对于入口侧的叶片角度的流体的入射角增大，仅通过由于膨出部而使叶片前缘半径增大的部分，也能够抑制入口的、特别是负压面侧的轮毂面产生的边界层的扩大，并且抑制小流量侧的效率降低或失速。

附图说明

图1是本发明实施方式中的离心压缩机的横截面图。

图2是表示本发明实施方式中的叶轮的主要部分的放大主视图。

图3是沿着图2的A-A线的截面图。

图4是沿着图3的B-B线的截面图。

图5是本发明实施方式中的叶片前缘的放大截面图。

图6是表示本发明实施方式中的叶轮的、相对于流量的效率特性的曲线图。

图7是表示本发明实施方式中的叶轮的、相对于流量的扬程(ヘツド)特性的曲线图。

图8是本发明实施方式的其他实施例的、相当于图4的截面图。

图9是现有叶轮的前缘附近的主视图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明实施方式中的叶轮和旋转机械进行说明。本实施方式的叶轮以旋转机械即离心式压缩机的叶轮为例进行说明。

如图1所示，作为一例，本实施方式的旋转机械即离心压缩机100主要包括：围绕轴心O旋转的轴102；安装在轴102并利用离心力压缩处理气体(气体)G的叶轮1；可旋转地支承轴102，并形成有使处理气体G从上游侧向下游侧流动的流路104的壳体105。

在壳体105，其外壳大致呈圆柱状，并配置有贯穿其中心的轴102。在轴102的轴向两端设置有轴颈轴承105a，在该轴102的一端设置有推力轴承105b。上述轴颈轴承105a和推力轴承105b可旋转地支承轴102。即，轴102经由轴颈轴承105a和推力轴承105支承在壳体105。

并且，在壳体105的轴向的一端侧设置有使处理气体G从外部流入的吸入口105c，在另一端侧设置有处理气体G向外部流出的排出口105d。在壳体105内设置有分别与上述吸入口105c和排出口105的连通，并重复地进行缩径和扩径的内部空间。该内部空间既作为收容叶轮1的空间的功能，也作为上述流路104的功能。即，通过叶轮1和流路104将吸入口105c与排出口105d连通。

沿轴102的轴向具有间隔地排列有多个叶轮1。另外，虽然在图示的例子中设置了六个叶轮1，然而，至少设置一个以上即可。

图2和图3表示离心式压缩机100的叶轮1，该叶轮1由轮毂2和多个叶片3构成。

轮毂2从正面看大致为圆形，并能够以上述轴线O为中心旋转。如图3所示，在轮毂2，从规定位置S向径向外侧弯曲地形成轮毂面4，该规定位置S位于从轴线O稍微离开径向外侧的径向内侧。在该弯曲形成的轮毂面4，位于径向内侧的面沿轴线O形成，而随着朝向径向外侧则渐渐沿径向形成。即，在轮毂2，从稍离开其轴线O的径向内侧的位置S越朝向径向外侧，其轴向厚度的尺寸越从轴向端面的一侧(上游侧)减小，该轴向厚度的尺寸在内侧越大，则在外侧则越小。另外，在图3中，利用箭头表示轮毂2的径向。

如图2所示，在上述轮毂面4大致呈放射状地配置有多个叶片3，并且，如图4所示，它们与轮毂面4大致垂直(法线方向)地立设在轮毂面4。该叶片3从轮毂端h至尖端t的厚度大致相同，并在从轮毂端h(参照图3)至尖端t，向着轮毂2的旋转方向(图2中箭头所示)呈成为若干凸面的弯曲状。由于叶轮1旋转，在弯曲状的叶片3的凹面侧和凸面侧的各叶片面中，凸面侧的叶片面成为压力面p，凸面的背面侧，即，凹面侧的叶片面成为负压面n。

并且，如图3所示，在从轮毂2的径向内侧至径向外侧弯曲地形成有叶片3的尖端t。更为具体地说，与上述轮毂面4相同地，该尖端t被形成凹形，该凹形为越接近径向内侧，则越沿着轴线O，而越朝向径向外侧，则渐渐地沿着径向。

并且，如果以轮毂面4为基准，则越在轮毂2的径向内侧叶片3的高度越高，越在径向外侧其高度越低。

在上述叶轮1，叶片3的尖端t侧被壳体105(参照图1)覆盖，通过由该壳体105构成的屏蔽面5、上述相邻的叶片3的压力面p和负压面n、上述压力面p与负压面n之间的轮毂面4来构成叶轮1的叶轮流路10。并且，通过叶轮1的旋转，流体从位于轮毂2的径向内侧的叶轮流路10的入口6沿轴向流入，并且，由于离心力，流体从位于径向外侧的出口7沿径向流出。

随着从轮毂2的径向内侧朝向径向外侧，上述结构的叶轮流路10的流动方向从轴向渐渐变为朝向径向，并且，该叶轮流路10弯曲形成在从上述入口6至出口7。

在轮毂面4与叶片3的压力面p相接的角部12中的入口6附近的角部12，形成向着叶轮流路10的内侧膨出的膨出部b。该膨出部b一体地形成在轮毂面4和压力面p(参照图2至图4)。并且，叶片3的前缘20的截面大致为半圆状(参照图5)，膨出部b形成在上述角部12中的入口6附近的角部12，即，与前缘20邻接的一部分的范围的角部12。

膨出部b的最大宽度被设定为叶轮流路10的宽度的20％左右、叶片高度的20％左右，该膨出部b以向着叶轮流路10成为凸状的曲面的方式从入口6附近向流动方向的下游侧圆滑地立起，并即刻成为最大宽度、最大高度。并且，膨出部b从成为最大宽度、最大高度的位置以与立起相同的曲面缓慢下降，在从叶轮流路10的入口6至出口7的流路长度的10％左右的位置圆滑地连接在轮毂面4和压力面p。通过如上所述地形成膨出部p，叶片3的前缘20的轮毂面4侧的厚度增大，如图5所示，实际上前缘20的叶轮前缘半径r1向叶轮前缘半径r2增加。

图6是表示使用了叶轮1和现有的叶轮的旋转机械的效率特性的曲线图，纵轴表示效率η，横轴表示流量Q。另外，在图6中，使用实线表示包括未设置膨出部b的叶轮的旋转机械的效率，使用虚线表示包括设置有膨出部b的上述叶轮1的旋转机械的效率。

从图6可知，在流量Q相同时，与未设置膨出部b的情况相比，设置了膨出部b的情况的效率提高。特别是在小流量侧，效率大幅提高。

并且，图7是表示使用了叶轮1和现有的叶轮的旋转机械的扬程(功)特性的曲线图，纵轴表示扬程(功)、横轴表示流量Q。另外，在图7中，使用实线表示包括未设置膨出部b的叶轮的旋转机械的扬程，使用虚线表示包括设置有膨出部b的上述叶轮1的旋转机械的扬程。

由图7可知，与包括未设置膨出部b的叶轮的旋转机械的喘振点(图中由黑圈表示)相比，包括设置有膨出部b的上述叶轮1的旋转机械的喘振点(图中由白圈表示)向更低流量侧位移，其喘振富余扩大。

如上述图6、图7所示，与未设置膨出部b的叶轮相比，叶轮1特性的效率提高，并且，喘振点向低流量侧位移，这是因为，在流量减少、且图2所示的流体的入射角增大时，由于入口6的叶片前缘半径的局部增大，边界层难以在负压面n侧扩展。另外，喘振点是指，在旋转机械不喘振而正常动作时所需的最低限度的流量。

因此，根据上述实施方式的旋转机械的叶轮1，通过在入口6附近的、轮毂面4与压力面p相接的角部12设置膨出部b，轮毂面4侧的叶片3的前缘20的厚度尺寸局部增大，因此，实际上，轮毂面4侧的叶片前缘半径r1增大至叶片前缘半径r2，在设计点流量也能够抑制轮毂负压面的边界层的扩展。

并且，通过膨出部b，轮毂面4侧的叶片3的前缘20变厚，实际上，叶片前缘半径r1向叶片前缘半径r2增加，因此，即使在相对于叶片角度(参照图2)的流体的入射角变大时，也能够在轮毂面4的负压面n侧抑制边界层的扩展，在小流量侧，抑制效率降低或防止失速，能够扩大喘振余裕。

并且，通过设置限定在轮毂面4侧的角部12即局部的膨出部b，能够将叶轮流路10的入口6侧的喷口面积的减小量抑制在最小限度。

并且，通过在入口6附近的角部12设置膨出部b，能够增强叶片3与轮毂2相接的部分的强度，该部分受到来自流体的力，且由于叶轮1高速旋转也产生离心应力。并且，在膨出部b一体地形成在叶片3和轮毂2时，能够抑制零件个数的增加。

另外，在上述实施方式的叶轮1中，在压力面p与轮毂面4相接的角部12中的位于叶轮流路10的入口6附近的角部12设置膨出部b，然而，并不限于上述结构。例如，作为其他实施例，如图8所示，也可以在叶轮流路10的入口6附近的负压面n与轮毂面4相接的角部22设置膨出部b’。这样，在角部22设置膨出部b’时，轮毂面4侧的叶片3的前缘20的厚度尺寸增加，能够进一步扩大叶片前缘半径，因此，能够进一步抑制由于流量降低而导致的边界层的扩大。并且，也能够进一步增强入口6的角部12的、叶片3与轮毂2相接部分的强度。

并且，上述实施方式的膨出部b的形状和位置只是一个例子，并不限于此。

并且，上述实施方式以离心式旋转机械的叶轮为例进行了说明，然而，并不限于此，也可以是斜流式旋转机械的叶轮。并且，不限于压缩机，也适用于吹风机、涡轮机等的叶轮。并且，上述实施方式以通过屏蔽面5覆盖轮毂面4的相对侧的所谓开放式叶轮为例进行了说明，然而，也可以是具有覆盖一体形成在叶片3的尖端t侧的壁的闭式叶轮。在该闭式叶轮中，将上述实施方式的屏蔽面5替换为覆盖尖端t侧的壁的内面即可。另外，与现有技术相同地，在除膨出部b以外的、轮毂面4与翼面(负压面n、压力面p)的边界部，具有切削刀具的前缘圆角制造的若干倒角R。

工业实用性

根据本发明的旋转机械的叶轮，即使在流量降低时相对于入口侧的叶片角度的流体的入射角增大，通过由于膨出部而使叶片前缘半径增大的部分，也能够抑制入口的、特别是负压面侧的轮毂面产生的边界层的扩大，并且抑制小流量侧的效率降低或失速。

附图标记的说明

1叶轮

4轮毂面

6入口

7出口

10叶轮流路(流体流路)

12角部

22角部

100离心压缩机

p压力面(叶片面)

n负压面(叶片面)

b膨出部

b’膨出部(第二膨出部)

Claims (3)

1.一种叶轮，其随着从流体流路的径向内侧朝向径向外侧，流动方向从轴向变为径向，其特征在于，包括，

轮毂面，构成所述流体流路的至少一部分；

叶片面，构成所述流体流路的至少一部分；

膨出部，在构成所述叶片面的压力面与所述轮毂面相接的角部中的、所述流体流路的入口附近的角部，该膨出部向所述流体流路的内侧膨出。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，还包括第二膨出部，在由所述叶片的负压面与所述轮毂面形成的角部中的、所述流体流路的入口附近的角部，该第二膨出部向所述流体流路的内侧膨出。

3.一种旋转机械，其特征在于，包括权利要求1或权利要求2所述的叶轮。

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