CN103328827A

CN103328827A - 离心式压缩机及其制造方法

Info

Publication number: CN103328827A
Application number: CN2012800059606A
Authority: CN
Inventors: 玉木秀明
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: CN103328827B; EP2669526B1; US20130302155A1; JP5895343B2; EP2669526A1; WO2012102146A1; JP2012154200A; EP2669526A4; US9470233B2

Abstract

离心式压缩机具备叶轮、机匣、容纳叶轮的叶轮容纳部、与叶轮成同心状地设置的吸入口、以包围叶轮的方式设置的环形流道、与环形流道连通的排出口、设在吸入口的周围的环状空间、使环状空间的下游端和叶轮容纳部连通的下游槽、以及使环状空间的上游端和吸入口连通的上游槽。下游槽画出沿着吸入口的轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线。在沿着与叶轮的旋转轴的方向成直角的方向观察的情况下，下游槽的中心线上的最上游点配置在叶轮叶片的上游端部分。根据上述离心式压缩机，能够通过更有效的机匣处理提高抑制喘振效果，扩大工作范围。

Description

离心式压缩机及其制造方法

技术领域

本发明涉及对可压缩性流体（compressible fluid）进行升压的离心式压缩机（centrifugal compressor）及其制造方法。

背景技术

由低流量时的流体的逆流形成的喘振限制对可压缩性流体进行升压的离心式压缩机的工作范围（operating range）。由于喘振使离心式压缩机不能运转，因此通过抑制喘振能够扩大离心式压缩机的工作范围。作为抑制喘振的方法之一，下述专利文献1公开了机匣处理。

离心式压缩机具有以高速旋转的叶轮、和在叶轮的周围形成涡旋流道并容纳叶轮的机匣。在专利文献1公开的机匣处理中，在叶轮的上游端附近的机匣壁面全周上形成槽（slot），并使该槽与比叶轮更靠上游侧的流道连通。通过这样，在低流量时，流体从在叶轮的内部局部产生的高压部向叶轮的上游侧逆流而部分地进行再循环，从而抑制了喘振。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004－332734号公报

发明内容

发明要解决的问题

虽然通过上述机匣处理得到了抑制喘振的效果，但期望进一步抑制喘振以扩大离心式压缩机的工作范围。

本发明的目的在于提供一种离心式压缩机及其制造方法，该离心式压缩机能够通过更有效的机匣处理提高抑制喘振效果，从而扩大工作范围。

解决课题的手段

本发明的第一特征在于提供一种离心式压缩机，该离心式压缩机具有叶轮和机匣，其特征在于，具备：叶轮容纳部，容纳所述叶轮，并设在所述机匣上；吸入口，与容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮成同心状地设在所述机匣上；环形流道，以包围容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮的方式设在所述机匣上；排出口，与所述环形流道连通，并设在所述机匣上；环状空间，设在所述吸入口的周围；下游槽，使所述环状空间的下游端与所述叶轮容纳部连通；以及上游槽，使所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，所述下游槽画出沿着所述吸入口的轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线，在沿着与所述叶轮的旋转轴的方向成直角的方向观察的情况下，所述下游槽的中心线上的最上游点配置在所述叶轮叶片的上游端部分。

根据上述第一特征，能够提高抑制喘振效果，从而扩大工作范围。

在此，所述机匣具有形成在所述排出口与所述环形流道的边界的舌部，在从所述吸入口沿着所述叶轮的旋转轴的方向观察的情况下，以经过所述旋转轴和所述舌部的端部的直线作为基准0°，并且将相对于所述环形流道内的流动方向相反的方向作为正，所述下游槽的中心线上的最下游点优选配置在以所述旋转中心为中心的－30°～+150°的范围内，更优选的是配置在±30°的范围内。

另外，优选的是在所述吸入口的内部设有能够与所述机匣分离的内壁筒体，所述环状空间形成在所述内壁筒体和所述机匣之间，所述环状空间的上游端向所述吸入口的内部打开，所述下游槽形成在所述内壁筒体上，所述内壁筒体构成为能够以预定间距变更以所述旋转轴为中心的旋转位置并固定在所述机匣上。

本发明的第二特征在于提供一种离心式压缩机的制造方法，是具有叶轮和机匣的离心式压缩机的制造方法，其特征在于，所述离心式压缩机具备：叶轮容纳部，容纳所述叶轮，并设在所述机匣上；吸入口，与容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮成同心状地设在所述机匣上；述环形流道，以包围容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮的方式设在所述机匣上；排出口，与所述环形流道连通，并设在所述机匣上；环状空间，设在所述吸入口的周围；下游槽，使所述环状空间的下游端与所述叶轮容纳部连通；以及上游槽，使所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，所述下游槽画出沿着所述吸入口的轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线，在沿着与所述叶轮的旋转轴的方向成直角的方向观察的情况下，所述下游槽的中心线上的最上游点配置在所述叶轮叶片的上游端部分，在所述吸入口的内部设有能够与所述机匣分离的内壁筒体，所述环状空间形成在所述内壁筒体和所述机匣之间，所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，所述下游槽形成在所述内壁筒体上，所述内壁筒体构成为能够以预定间距变更以所述旋转轴为中心的旋转位置并固定在所述机匣上，所述制造方法包括：变更所述内壁筒体的所述旋转位置，同时求出所述下游槽相对于所述机匣的最佳位置；以及将所述内壁筒体的固定位置设定在求出的所述最佳位置上，并制作所述机匣。

根据上述第二特征，能够简单地设定机匣的最佳位置，由此，能够制造能够提高抑制喘振效果而扩大工作范围的离心式压缩机。

附图说明

图1是表示离心式压缩机的一个实施方式的剖视图。

图2是说明所述实施方式的机匣处理的下游槽（downstream slot）的形状的曲线图。

图3是表示所述实施方式的上游槽、下游槽及叶轮的关系的侧视图。

图4是表示所述实施方式的机匣和下游槽的最下游点的位置关系的侧视图。

图5是表示离心式压缩机的性能线的曲线图。

图6是表示机匣处理的结构例的剖视图。

图7是图6所示的内壁筒体的放大部分剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图说明离心式压缩机的一个实施方式。

如图1所示，离心式压缩机1具备机匣2和容纳在机匣2内的叶轮3。叶轮3的旋转轴4旋转自如地由轴承壳（未图示）支撑。叶轮3固定在旋转轴4的一端。再者，在旋转轴4的另一端，例如连结有涡轮机（未图示）。

在机匣2内，在叶轮3的周围形成有环形流道（annular flow passage）5。在该环形流道5的所需位置上连通有排出升压后的可压缩性流体（例如压缩空气）的排出口（discharge port）9。在机匣2的中央，以与叶轮3同心状开设有吸入口（inlet port）6。

在叶轮3的周围，形成有与环形流道5连通的扩散室7（diffuser）。扩散室7是将机匣2的容纳叶轮3的空间和环形流道5连通的环状空间。在环形流道5和扩散室7之间形成有边界壁（boundary wall）8。

由来自于发动机（未图示）的排气使涡轮机旋转，并且经由旋转轴4使与涡轮机同轴地设置的叶轮3旋转。通过叶轮3的旋转而从吸入口6吸入用于燃烧的空气。吸入后的空气由于经过叶轮3及扩散室7而被压缩，并流入环形流道5。压缩后的空气从环形流道5经由排出口9排出。

接下来，说明机匣处理。

在机匣2的内部，与吸入口6同心状地形成有环状空间（annular chamber）11。环状空间11在吸入口6的轴心方向上具有扁平的截面。环状空间1的上游端（图1中右端）位于比叶轮3的（叶片的）上游端更靠上游，下游端位于比叶轮3的上游端靠下游。

环状空间11的上游部利用上游槽12与吸入口6连通。另一方面，环状空间11的下游部与下游槽13连通，下游槽13在叶轮3的上游端附近的壁面上设置开口。上游槽12及下游槽13也可以是连续的环状槽且每隔预定间隔设置肋而形成。或者，上游槽12及下游槽13也可通过每隔预定间隔穿设圆周方向的长孔的方式形成。或者，上游槽12及下游槽13也可通过以预定间距穿设圆孔的方式形成。

在将沿着周向延伸的下游槽13展开成平面的情况下，如图2所示，下游槽13呈现为沿着轴心方向以预定振幅（W/2[mm]）变位的一个周期的曲线。曲线例如是正弦曲线，但不限于正弦曲线。

由于叶轮3的上游端和吸入口6经由下游槽13、环状空间11及上游槽12连通，因此在低流量时，流体从在叶轮3的内部局部地产生的高压部经过环状空间11向叶轮3的上游侧逆流，再进行部分再循环，从而抑制了喘振。

机匣2的形状，尤其是环形流道5的形状不是轴对称。因而，环形流道5内部的压力分布沿着周向不是恒定的，而是在变动。进而，叶轮3的周边的压力分布也同样发生变化。环形流道5内部的压力分布通过扩散室7也传播到叶轮3的内部。因此，可以认为在叶轮3的内部局部地产生的高压部不一定产生在轴心方向的同一位置上，而是按照环形流道5的压力分布而变位。下游槽13画出的曲线反映了在叶轮3的内部局部地产生的高压部的变位，从而有效地使高压部的流体再循环。其结果，有效地抑制了喘振。

接下来，详细地说明下游槽13。

在本实施方式中，下游槽13画出了如图2所示的正弦曲线。再者，图2所示的曲线表示了下游槽13的中心线的轨迹。在此，叶轮3的最大直径D=144.2（mm），下游槽13的槽宽d=3（mm），d/D=0.02。图2中的点A表示下游槽13的最上游点，点B表示下游槽13的最下游点，W/2表示振幅（W=振幅×2）。

如图3所示，下游槽13的最上游点A存在于线C（下游槽13的中心线）上，下游槽13的最下游点B存在于线D（下游槽13的中心线）上。即，下游槽13在线C和线D之间振荡。再者，在图3中为了便于表示，将画出周期曲线的下游槽13画成直线。线C（及线C上的最上游点A）位于以叶轮3的叶轮叶片（impeller blades）3a的上游端为中心向上游下游方向±d/2（d/2=1.5mm）的范围内（=上游端部）。再者，上述±d/2的范围内的线C（最上游点A）的最佳位置因机匣2的形状或叶轮3的特性等而变化，因此通过计算或实验来设定。

在叶轮3具有小叶片（small blades）3b的情况下，线D的下游下限位置是小叶片3b的上游端。在本实施方式中，小叶片3b的上游端位于从叶轮叶片3a的上游端向下游h（mm）的位置。在叶轮3没有小叶片3b的情况下，线D的下游下限位置是叶轮叶片3a的高度H的1/2左右（叶轮叶片3a的轴向的大致中央）。再者，将线D（即最下游点B）的下游下限位置设置成小叶片3b的上游端或者叶轮叶片3a的高度H的1/2左右，这是因为即便将线D（即最下游点B）设定在比上述下游下限位置更靠下游侧，也不能改善抑制喘振的效果，而压缩效果降低，在实用上没有意义。

接下来，参照图4说明下游槽13的沿着圆周的位置（即最上游点A或最下游点B的位置）。再者，在图4中，叶轮3的旋转中心与X－Y坐标的原点相一致。平行于排出口9的中心轴且经过叶轮3的旋转中心（原点）的轴是X轴，经过叶轮3的旋转中心（原点）且与X轴正交的轴是Y轴。下游槽13的沿着圆周的位置用相对于将X轴作为0°的原点的角度（逆时针方向（流动上游方向）为+）表示。另外，在图4中还表示了形成在排出口9与环形流道5的边界上的舌部（tongue）15。

舌部15的端部处于+60°的位置，如果下游槽13的最下游点B位于包括0°在内的+90°～－90°的范围（图4中的右侧一半的范围，从舌部15的端部（以X轴0°为基准+60°）到+30°～－150°（以X轴0°为基准+90°～－90°）的范围）内，则能够得到抑制喘振的效果。再者后面有叙述，根据实验结果，当最下游点B位于舌部15的端部的位置时，得到了最好的抑制喘振效果。由于最下游点B与叶轮3的周边的压力分布相对应地决定，并且压力分布因叶轮3的形状或特性等而变化，因此最下游点B的最佳位置不一定限于舌部15的端部的位置。

但是，在舌部15的端部附近（例如在从舌部15的端部±30°的范围（以X轴0°为基准+30°～+90°）内），能够得到最下游点B的最佳位置。因而，最下游点B的位置设定在从舌部15的端部+30°～－150°（以X轴0°为基准±90°（包括0°））的范围，优选的是±30°（以X轴0°为基准+30°～+90°）的范围。

图5表示每个机匣处理的工作特性。在图5所示的曲线图中，横轴表示流量比（Q/Qd：Q是排出流量，Qd是设计流量），纵轴表示压力比（Po/Pi：Po是流体出口压力，Pi是流体入口压力）。

在各性能线的左侧的区域，发生喘振从而离心式压缩机不能工作。即，各性能线表示喘振界限值。图5中，NoCT是没有伴随机匣处理（即没有设置环状空间11、上游槽12及下游槽13）的离心式压缩机的性能线。CT0是下游槽13不是曲线（展开后是直线）且上游槽12位于比叶轮3的上游端更靠上游侧的以往的离心式压缩机的性能线。CT1是本实施方式的离心式压缩机（下游槽13展开后画出正弦曲线（以下称为正弦曲线处理），且下游槽13的最下游端B位于舌部15的端部）的性能线。CT2是具有正弦曲线处理但下游槽13的最下游端B位于以X轴0°为基准的－120°（即、舌部15的正相反位置）的离心式压缩机的性能线。

从图5可知，伴随机匣处理的三例（CT0～CT2）的任一例与没有伴随机匣处理的离心式压缩机（NoCT）相比，都得到了抑制喘振的效果。

另外，相对于伴随机匣处理的以往的离心式压缩机（CT0），伴随正弦曲线处理的离心式压缩机（CT1、CT2）存在抑制喘振效果增大的情况和减少的情况。在本实施方式的离心式压缩机（CT1：最下游端B位于舌部15的端部位置）的情况下，抑制喘振效果增大。在离心式压缩机（CT2：最下游端B位于相对于舌部15的端部正相反的位置）的情况下，抑制喘振效果减少。由此可知，在使下游槽13沿着周向以一个周期变位时，存在使抑制喘振效果增大的最下游端B的最佳位置。

相对于伴随机匣处理的以往的离心式压缩机（CT0），使抑制喘振效果增大的最下游端B的位置是从舌部15的端部位置+30°～－150°（以X轴0°为基准±90°（包括0°）]的范围，优选的是±30°（以X轴0°为基准+30°～+90°）的范围。

通过将最下游端B的位置设定在从舌部15的端部位置±30°的范围内，相对于以往的机匣处理能够增大抑制喘振效果，但在将最下游端B的最佳位置设定在上述±30°的范围时，优选的是考虑机匣的形状、叶轮3的形状及特性、以及离心式压缩机的容量等，再通过计算求得最下游端B的最佳位置。

接下来，参照图6及图7说明不通过计算就能够简单地将最下游端B设定在最佳位置的离心式压缩机及其制造方法。

如图6所示，在吸入口6的内部设有内壁筒体（inner wall cylinder body）17。在内壁筒体17和机匣2之间形成有环状空间11。环状空间11的上游端作为环状的上游端开口（annular upstream-end opening）11a向吸入口6的内部打开。环状空间11经由吸入口6的入口环（inlet ring）29和由内壁筒体17的上游端形成的上游端开口11a与吸入口6连通。在此，上游端开口11a相当于上游槽12。

内壁筒体17的下游端形成容纳叶轮3的叶轮容纳部25的上游部（upstreamsection）。在内壁筒体17的下游端形成有下游槽13。下游槽13将内壁筒体17沿着其半径方向贯通，并使环状空间11与叶轮容纳部25连通。另外，如图7所示，在下游槽13上沿着周向每隔预定间隔设有肋18。在将沿着周向延伸的下游槽13展开成平面的情况下，下游槽13如上所述呈现为沿着轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线（在此是正弦曲线）。

在内壁筒体17的下游端外周面上形成有凸缘19。在内壁筒体17的下游端内周面上形成有嵌合凹部（fitting female portion）21。另外，在机匣2的内缘形成有环状座部（annular seat）22。在环状座部22的内周缘上形成有向上游突出的嵌合凸部（fitting male portion）23。在嵌合凸部23的周围形成有环状凹部24（annular depressed portion）。嵌合凸部23与嵌合凹部21嵌合，并且凸缘19容纳在环状凹部24内。内壁筒体17和机匣2（嵌合凸部23）几乎气密地可拆卸地嵌合（jointed almost-airtightly），彼此以螺栓连接以确保气密性。再者，也可以在内壁筒体17和机匣2（嵌合凸部23的周围）之间配置O形密封圈以确保气密性。

在环状凹部24上，沿着周向每隔预定间隔（例如12等分）形成有未贯通的螺纹孔28。另一方面，在凸缘19上也沿着周向每隔预定间隔（例如至少三等分）贯通有螺栓孔26。再者，如果考虑到内壁筒体17的位置调整或固定强度的平衡，优选的是沿着周向在三等分或四等分的位置上贯通螺栓孔26。在将嵌合凹部21和嵌合凸部23彼此嵌合的状态下，对螺栓孔26与螺纹孔28进行对位后螺纹配合螺栓27，从而内壁筒体17固定在机匣2上。

由于在所述环状凹部24上以十二等分（即30°间距）形成螺纹孔28，并且在凸缘19上在十二等分的任意的多个位置上设有螺栓孔26，因此能够相对于机匣2以每30°间距变更内壁筒体17的旋转位置。

因而，通过变更内壁筒体17的旋转位置，能够以30°间距变更下游槽13的最下游点B的位置。通过变更内壁筒体17相对于机匣2的安装位置后进行性能检测，能够找到下游槽13的最下游点B的最佳位置。再者，内壁筒体17的基本位置是最下游点B的位置与舌部15的端部相一致的位置。

另外，如果将上述螺栓孔26的形成间距设置成一半的15°，则能够以15°间距变更相对于机匣2的内壁筒体17的旋转位置、即最下游点B的位置。

如上所述，能够以简单的结构简便地求出下游槽13的最下游点B的适当位置。

在少量生产的情况下，也可以求出内壁筒体17的最佳位置，并将内壁筒体17固定在机匣2上的最佳位置上，并且将此结构作为产品。或者，在大量生产的情况下，也可以根据求得的数据将机匣2和内壁筒体17一体成形。

再者，在上述实施方式中，下游槽13虽然画出了正弦曲线，但只要是画出沿着吸入口6的轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线的槽即可。

Claims

1.一种离心式压缩机，具有叶轮和机匣，其特征在于，具备：

叶轮容纳部，容纳所述叶轮，并设在所述机匣上；

吸入口，与容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮成同心状地设在所述机匣上；

环形流道，以包围容纳在所述叶轮容纳部内的所述叶轮的方式设在所述机匣上；

排出口，与所述环形流道连通，并设在所述机匣上；

环状空间，设在所述吸入口的周围；

下游槽，使所述环状空间的下游端与所述叶轮容纳部连通；以及

上游槽，使所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，

所述下游槽画出沿着所述吸入口的轴心方向以预定振幅变位的一个周期的曲线，

在沿着与所述叶轮的旋转轴的方向成直角的方向观察的情况下，所述下游槽的中心线上的最上游点配置在所述叶轮叶片的上游端部分。

2.如权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述机匣具有形成在所述排出口与所述环形流道的边界的舌部，

在从所述吸入口沿着所述叶轮的旋转轴的方向观察的情况下，以经过所述旋转轴和所述舌部的端部的直线作为基准0°，并且将相对于所述环形流道内的流动方向相反的方向作为正，所述下游槽的中心线上的最下游点配置在以所述旋转中心为中心的－30°～+150°的范围内。

3.如权利要求2所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述最下游点配置在从所述旋转中心±30°的范围内。

4.如权利要求1～3中任一项所述的离心式压缩机，其特征在于，

在所述吸入口的内部设有能够与所述机匣分离的内壁筒体，

所述环状空间形成在所述内壁筒体和所述机匣之间，

所述环状空间的上游端向所述吸入口的内部打开，

所述下游槽形成在所述内壁筒体上，

所述内壁筒体构成为能够以预定间距变更以所述旋转轴为中心的旋转位置并固定在所述机匣上。

5.如权利要求1所述的离心式压缩机，其特征在于，

配置所述最上游点的所述上游端部分是从所述叶轮叶片的上游端±1.5mm的范围。

6.如权利要求2所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述最下游点配置在比所述叶轮叶片的沿着所述旋转轴方向的高度的1/2的位置更靠上游。

7.如权利要求2所述的离心式压缩机，其特征在于，

所述叶轮还具有比所述叶轮叶片的所述高度低的高度的小叶片，

所述最下游点配置在比所述小叶片的上游端更靠上游。

8.一种离心式压缩机的制造方法，是具有叶轮和机匣的离心式压缩机的制造方法，其特征在于，

所述离心式压缩机具备：

叶轮容纳部，容纳所述叶轮，并设在所述机匣上；

排出口，与所述环形流道连通，并设在所述机匣上；

环状空间，设在所述吸入口的周围；

上游槽，使所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，

在沿着与所述叶轮的旋转轴的方向成直角的方向观察的情况下，所述下游槽的中心线上的最上游点配置在所述叶轮叶片的上游端部分，

在所述吸入口的内部设有能够与所述机匣分离的内壁筒体，

所述环状空间形成在所述内壁筒体和所述机匣之间，

所述环状空间的上游端与所述吸入口连通，

所述下游槽形成在所述内壁筒体上，

所述内壁筒体构成为能够以预定间距变更以所述旋转轴为中心的旋转位置并固定在所述机匣上，

所述制造方法包括：

变更所述内壁筒体的所述旋转位置，同时求出所述下游槽相对于所述机匣的最佳位置；以及

将所述内壁筒体的固定位置设定在求出的所述最佳位置上，并制作所述机匣。