CN103635699B - 离心式流体机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种离心式流体机械，其抑制因叶轮的喷出流动和翼片入口的角度不一致引起的流动的剥离，且使带有翼片的扩压器的性能提高。离心压缩机具备叶轮、护罩及扩压器(21)，该叶轮具有多片叶片、及配置于上述多片叶片的根部的轮毂，该护罩以覆盖叶片的前端侧的方式配置，该扩压器(21)设置在叶轮的下游侧并且在对置的护罩侧壁面(22)及轮毂侧壁面(23)之间具有多片翼片(24)，该离心压缩机构成为使叶轮旋转而升压了的流体通过扩压器(21)并流出，其中，该离心压缩机还具备在轮毂侧壁面(23)开口并且使工作流体沿着翼片(24)的压力面(24a)而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口(25)，且该工作流体喷射口(25)设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片(24)的前缘侧的半径位置处。

Description

离心式流体机械
技术领域
本发明涉及一种具备带有翼片的扩压器的离心式流体机械，尤其是在船舶用增压机、机动车用增压机、航空用燃气涡轮等中使用的离心压缩机等的离心式流体机械。
背景技术
离心式流体机械构成为，通过在壳体内使叶轮旋转，由此使升压的流体(气体)沿着半径方向通过叶轮内的大部分的流路而流动，其主要借助离心力的作用来升压。这样的离心式流体机械要求高压力比、高效率、宽幅工作范围，因此，在叶轮的下游设有具备多片翼片(扩压器叶片)的带有翼片的扩压器，且该带有翼片的扩压器的高性能化不可欠缺。
在专利文献1的离心压缩机中，为了防止空气流从翼片剥离的情况，故形成有使翼片的负压面和压力面连通的连通路。
在专利文献2的离心式流体机械中公开有如下所述的结构，即，通过在护罩的侧壁面及轮毂的侧壁面中的至少一方的壁面设置的槽、或在与壁面接近的翼片的端部设置的连通孔，使翼片的半径方向外侧面和半径方向内侧面连通。根据这样的结构，形成在翼片的半径方向内侧面的边界层的厚度减小，故能够使扩压器的失速界限向低流量侧扩展，从而能够实现宽广的流量范围内的稳定运转。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-331794号公报
专利文献2：日本特开2005—155565号公报
发明概要
发明所要解决的课题
但是，从叶轮喷出了的升压后的流体成为歪斜的流而流入离心式流体机械的翼片中。因此，为了实现翼片的性能提高，需要考虑到叶轮的流的改善。
当对歪斜的流进行具体的说明时，升压后的流体的流沿着翼片高度方向具有速度分布地流入扩压器的翼片中。因此，在翼片入口处，产生了流动角和翼片入口角度的不一致。这样的角度的不一致会使在翼片的前缘处升压的流体的流产生剥离，因此，存在因该剥离引起而产生带有翼片的扩压器的效率降低或翼片的失速这样的应改善的课题。
发明内容
本发明是鉴于上述的状况而完成的，其目的在于提供一种离心式流体机械，该离心式流体机械抑制因叶轮的喷出流动和翼片入口的角度不一致而引起的流的剥离，且使带有翼片的扩压器的性能提高。
解决方案
本发明为了解决上述的课题，而采用了下述的方式。
本发明的第一方式所涉及的离心式流体机械具备：叶轮，其具有多片叶片、及配置于上述多片叶片的根部的轮毂；护罩，其以覆盖所述多片叶片的前端侧的方式配置；扩压器，其设置在所述叶轮的下游侧，并且在对置的护罩侧壁面及轮毂侧壁面之间具有多片翼片，所述离心式流体机械构成为，使所述叶轮旋转而升压了的流体通过所述扩压器并流出，其中，所述离心式流体机械还具备在所述轮毂侧壁面开口并且使工作流体沿着所述翼片的压力面而向所述流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，该工作流体喷射口设置在比喉口半径(R2)更靠成为所述翼片的前缘侧的半径位置处。
根据这样的离心式流体机械，具备在轮毂侧壁面开口并且使工作流体沿着翼片的压力面而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，该工作流体喷射口设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片的前缘侧的半径位置处，因此，向翼片的压力面轮毂侧喷射的工作流体与从叶轮喷出的歪斜的流合流，从而对因流动角和翼片入口角度的角度不一致引起的剥离进行抑制。
即，意欲从翼片前缘部的压力面剥离的流受到从工作流体喷射口沿着压力面向流体的流动方向喷射的工作流体的影响，故难以从压力面分离。在这种情况下，为了抑制压力面侧的剥离，期望在成为喉口宽度的20％以下的压力面侧的区域开口有工作流体喷射口而使工作流体喷射。
本发明的第二方式所涉及的离心式流体机械具备：叶轮，其具有多片叶片、及配置于上述多片叶片的根部的轮毂；护罩，其以覆盖所述多片叶片的前端侧的方式配置；扩压器，其设置在所述叶轮的下游侧，并且在对置的护罩侧壁面及轮毂侧壁面之间具有多片翼片，所述离心式流体机械构成为，使所述叶轮旋转而升压了的流体通过所述扩压器并流出，其中，所述离心式流体机械还具备在所述护罩侧壁面开口并且使工作流体沿着所述翼片的负压面而向所述流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，该工作流体喷射口设置在比喉口半径(R2)更靠成为所述翼片的前缘侧的半径位置处。
根据这样的离心式流体机械，具备在护罩侧壁面开口并且使工作流体沿着翼片的负压面而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，且该工作流体喷射口设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片的前缘侧的半径位置处，因此，向翼片的负压面护罩侧喷射的工作流体与从叶轮喷出的歪斜的流合流，从而对因流动角和翼片入口角度的角度不一致引起的剥离进行抑制。
即，意欲从翼片前缘部的负压面剥离的流受到从工作流体喷射口沿着负压面向流体的流动方向喷射的工作流体的影响，故难以从负压面分离。在这种情况下，为了抑制负压面侧的剥离，期望在成为喉口宽度的20％以下的负压面侧的区域开口有工作流体喷射口而使工作流体喷射。
在上述离心式流体机械中，优选的是，设置所述工作流体喷射口的半径位置为：当以所述翼片的前缘半径(R1)为基准时，将所述前缘半径(R1)的95％的最小半径(Ro)设为内周侧界限，并将所述喉口半径(R2)设为外周侧界限。由此，向成为翼片的前缘附近的区域喷射工作流体，从而能够借助最小限度的工作流体喷射量有效地抑制因叶轮的喷出流和翼片入口的角度不一致而产生的流的剥离。
在上述离心式流体机械中，优选的是，所述工作流体喷射口的工作流体喷射角度(θ)设定为：相对于所述流体的流动方向而与壁面呈60度以下。由此，喷射出的工作流体从翼片的前缘沿着压力面轮毂侧或负压面护罩侧高效地流动，从而对喷射出的工作流体的剥离抑制的效率得以提高。
在上述离心式流体机械中，优选的是，所述工作流体使用使一部分从所述扩压器的下游回流的流体、或使用从外部的压力源导入的流体。
发明效果
根据上述的本发明，可获得提供一种抑制因叶轮的喷出流和翼片入口的角度不一致而引起的流的剥离、且使带有翼片的扩压器的性能提高的离心式流体机械这样的显著效果。
尤其是，对于向翼片的压力面轮毂侧喷射的工作流体在性能提高方面是有效的，对于向翼片的负压面护罩侧喷射的工作流体在工作范围的扩大的方面是有效的，因此，通过向压力面轮毂侧及负压面护罩侧两者喷射工作流体，由此能够以高压力比及高效率来实现宽幅工作范围的离心式流体机械。
附图说明
图1A是表示本发明所涉及的离心式流体机械的一实施方式的图，且是表示带有翼片的扩压器的主要部分结构例的立体图。
图1B是表示本发明所涉及的离心式流体机械的一实施方式的图，且是从护罩侧观察图1A的带有翼片的扩压器时的剖视图。
图1C是表示本发明所涉及的离心式流体机械的一实施方式的图，且是图1B的A—A剖视图。
图2是表示离心式流体机械的概要的叶轮及带有翼片的扩压器的纵向剖视图。
图3是从叶轮上游侧观察图2的离心式流体机械时的图。
具体实施方式
以下，参考附图对本发明所涉及的离心式流体机械(以下，例示出离心压缩机而进行说明)的一实施方式进行说明。
如图2及图3所示，离心压缩机10以叶轮11和扩压器21作为主要的要素而构成的，对导入的流体进行升压而喷出。叶轮11具有多片叶片12和配置在上述叶片12的根部R的轮毂13，叶片12分别以其前缘LE位于轮毂13的小径侧端部13a且其后缘TE位于轮毂13的大径侧端部13b的方式设置在轮毂13的表面上。
在附图中，附图标记14表示以覆盖叶片12的前端侧的方式配置的护罩。
扩压器21设置在前述的叶轮11的下游侧，并且在对置的护罩侧壁面22及轮毂侧壁面23之间具有多片翼片(扩压器叶片)24，扩压器21具有将通过叶轮11而升压了的流体(气体)所具有的运动能量转换为压力能量的功能。即，在扩压器21中，通过使流体的流速减速，由此流动的动压转换为静压的上升。
如此一来，静压上升了的流通过螺旋状的螺旋件31而导向离心压缩机10的出口。
即，离心压缩机10具备：叶轮11，其具有多片叶片12及配置在上述多片叶片12的根部R的轮毂13；扩压器21，其设置在叶轮11的下游侧，且在对置的护罩侧壁而22及轮毂侧壁面23之间具有多片翼片24，且离心压缩机10构成为使叶轮11旋转而升压了的流体通过扩压器21并流出。
图1A是将扩压器21的一部分放大后的立体图，且是从成为通过了叶轮11的流体的出口侧的叶片12的后缘TE侧、即扩压器21的入口侧观察到的图。
对于上述的流体压缩机10，在图1A～图1C所示的本实施方式的第一方式中，具备在轮毂侧壁面23开口并且使工作流体(图中的箭头Fa)沿着翼片24的压力面24a而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口25。并且，该工作流体喷射口25设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片24的前缘24c侧的半径位置处。
上述的工作流体喷射口25在从以与翼片24的前缘24c相当的半径R1、即将前缘24c的位置连结的圆的半径R1为基准的95％半径位置Ro(95％R1)到翼片24的喉口27与翼片负压面24b交叉的半径位置R2为止的范围内，沿着压力面24a设有一个或多个孔。换言之，设置工作流体喷射口25的半径位置(半径方向的区域)为：将以翼片24的前缘半径R1为基准而确定的95％的最小半径Ro作为内周侧界限，且将喉口半径R2作为外周侧界限的范围内。
成为工作流体喷射口25的孔例如图1C所示，以工作流体喷射角度(θ)相对于流体的流动方向而与轮毂侧壁面23呈60度以下(θ<60度)的方式设定。工作流体喷射口25通常设为圆形剖面，但并不限定于此，椭圆形或四边形等剖面形状白不待言，也可以设为沿着压力面24a细长的狭缝。
从工作流体喷射口25喷射的工作流体例如图2所示，既可以为从扩压器21的下游通过抽气流路28而使一部分回流的流体，或也可以使用从外部的压力源40导入的流体。
具有这样的工作流体喷射口25的离心式压缩机10在轮毂侧壁面23开口而向翼片24的压力面24a喷射工作流体Fa，因此，向翼片24的压力面轮毂侧喷射的工作流体与从叶轮11喷出的升压流体的歪斜的流合流，从而对因流动角和翼片入口角度的角度不一致而引起的剥离进行抑制。
即，在翼片24的前缘部处，在前缘24c的周边处意欲从压力面24a剥离的流体的流受到从工作流体喷射口25沿着压力面24a向流体的流动方向喷射的工作流体Fa的影响，故难以从压力面24a分离。换言之，在前缘部周边处意欲从压力面24a剥离的流体的流因从工作流体喷射口25沿着压力面24a向流体的流动方向喷射的工作流体Fa的流而使朝向剥离方向的流受到抑制，故难以从压力面24a分离。
如此一来，通过从工作流体喷射口25向翼片24的压力面轮毂侧喷射工作流体，因叶轮11的喷出流动和翼片24的翼片入口角度的不一致而引起的流动的剥离受到抑制，其结果是，扩压器21及离心压缩机10的性能得以提高。
在这种情况下，为了有效地抑制流体的流从压力面24a剥离的情况，期望的是，在喉口27的宽度方向上，在成为喉口宽度的20％以下的压力面24a侧的区域开口有工作流体喷射口25。即，期望的是，在喉口27的宽度方向上，从靠近成为剥离抑制对象的压力面24a的位置喷射工作流体。
这样的剥离抑制所需要的工作流体的喷射流量为压缩的流体流量的2～5％左右，若为5％以上则剥离防止的效果几乎没有变化，若为2％以下则无法获得充分的剥离防止效果。
关于设置工作流体喷射口25的半径位置，将内周侧界限设为最小半径(Ro)是使基于喷射口工作流体的剥离防止效果显著化的缘故，将外周侧界限设为喉口半径(R2)是若在喉口半径(R2)以上则剥离防止效果的变化几乎没有的缘故。
接着，对于上述的流体压缩机10，在图1A～图1C所示的本实施方式的第二方式中，具备在护罩侧壁面22开口并且使工作流体(图中的箭头Fa)沿着翼片24的负压面24b而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口26。
并且，该工作流体喷射口26与上述的工作流体喷射口25同样地，设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片24的前缘24c侧的半径位置处。即，与上述的第一方式在工作流体喷射口26的位置成为护罩侧壁面22这一点不同，关于工作流体喷射口26的设置位置(区域)或工作流体等的基本事项，将轮毂侧壁面23解读为护罩侧壁面22、并将压力面24a解读为负压面24a即可。
根据这样的离心压缩机10，具备在护罩侧壁面22开口并且使工作流体沿着翼片24的负压面24b而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口26，且该工作流体喷射口26设置在比喉口半径(R2)更靠成为翼片24的前缘24c侧的半径位置处，因此，向翼片24的负压面护罩侧喷射的工作流体与从叶轮11喷出的歪斜的流合流，从而对因流动角和翼片入口角度的角度不一致而引起的剥离进行抑制。其结果是，能够扩展扩压器21及离心压缩机10的工作范围、具体而言从由喘振产生的流量值限定的低流量侧(下限值)到扼流产生的流量值限定的高流量值(上限值)为止的工作流量范围。
即，意欲从翼片24的前缘部24c中的负压面24b剥离的流受到从工作流体喷射口26沿着负压面24b向流体的流动方向喷射的工作流体的影响，故难以从负压面24b分离。在这种情况下，为了对负压面24b侧的剥离进行抑制，与工作流体喷射口25同样地，期望的是，在成为喉口宽度的20％以下的负压面24b侧的区域开口有工作流体喷射口26而使工作流体喷射。
关于喷射流量相对于压缩的流体流量的比例、将内周侧界限设为最小半径(Ro)且将外周侧界限设为喉口半径(R2)的情况、将工作流体喷射角度(θ)设为60度以下的理由、工作流体的供给源等，与上述的轮毂侧壁面23侧的工作流体喷射口25同样。
最后，对于上述的流体压缩机10，在图1A～图1C所示的本实施方式的第三方式中，具备在轮毂侧壁面23开口并且使工作流体沿着翼片24的压力面24a而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口25、和在护罩侧壁面22开口并且使工作流体沿着翼片24的负压面24b而向流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口26。即，成为一并具备上述的第一方式及第二方式的工作流体喷射口25、26的结构。
如果设置这样的结构，可获得上述的第一方式及第二方式的作用效果，故能够实现扩压器21及离心压缩机10的性能提高及工作范围扩大。
如此，根据上述的本实施方式，能够提供一种对因叶轮11的喷出流动和翼片入口的角度不一致而引起的流动的剥离进行抑制、且使具备翼片24的扩压器21的性能提高的离心压缩机10等离心式流体机械。
尤其是，对于从工作流体喷射口25向翼片24的压力面轮毂侧喷射的工作流体在性能提高方面是有效的，对于从工作流体喷射口26向翼片24的负压面护罩侧喷射的工作流体在工作范围的扩大的方面是有效的，因此，通过向压力面轮毂侧及负压面护罩侧两者喷射工作流体，由此能够以高压力比及高效率来实现宽幅工作范围的离心式流体机械。
本发明并不局限于上述的实施方式，例如离心式流体机械不局限于离心式流体机械(船舶用增压机、机动车用增压机、航空用燃气涡轮等)，也可以如包含离心泵或离心鼓风机那样，在不超出其主旨的范围内进行适当地变更。
附图标记说明如下：
10离心压缩机(离心式流体机械)
11叶轮
12叶片
13轮毂
14护罩
21扩压器
22护罩侧壁面
23轮毂侧壁面
24翼片(扩压器叶片)24a压力面
24b负压面
24c前缘
25、26工作流体喷射口27喉口
28抽气流路
40压力源

Claims (5)

1.一种离心式流体机械，其具备：
叶轮，其具有多片叶片、及配置于上述多片叶片的根部的轮毂；
护罩，其以覆盖所述多片叶片的前端侧的方式配置；
扩压器，其设置在所述叶轮的下游侧，并且在对置的护罩侧壁面及轮毂侧壁面之间具有多片翼片，
所述离心式流体机械构成为，使所述叶轮旋转而升压了的流体通过所述扩压器并流出，其中，
所述离心式流体机械还具备在所述轮毂侧壁面开口并且使工作流体沿着所述翼片的压力面而向所述流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，该工作流体喷射口设置在比具有喉口半径(R2)的圆更靠所述翼片的前缘侧的半径位置处。
2.一种离心式流体机械，其具备：
叶轮，其具有多片叶片、及配置于上述多片叶片的根部的轮毂；
护罩，其以覆盖所述多片叶片的前端侧的方式配置；
扩压器，其设置在所述叶轮的下游侧，并且在对置的护罩侧壁面及轮毂侧壁面之间具有多片翼片，
所述离心式流体机械构成为，使所述叶轮旋转而升压了的流体通过所述扩压器并流出，其中，
所述离心式流体机械还具备在所述护罩侧壁面开口并且使工作流体沿着所述翼片的负压面而向所述流体的流动方向喷射的一个或多个工作流体喷射口，该工作流体喷射口设置在比具有喉口半径(R2)的圆更靠所述翼片的前缘侧的半径位置处。
3.根据权利要求1或2所述的离心式流体机械，其中，
设置所述工作流体喷射口的半径位置为：当以所述翼片的前缘半径(R1)为基准时，将所述前缘半径(R1)的95％的最小半径(Ro)设为内周侧界限，并将所述喉口半径(R2)设为外周侧界限。
4.根据权利要求1或2所述的离心式流体机械，其中，
所述工作流体喷射口的工作流体喷射角度(θ)设定为：相对于所述流体的流动方向而与壁面呈60度以下。
5.根据权利要求1或2所述的离心式流体机械，其中，
所述工作流体使用使一部分从所述扩压器的下游回流的流体、或使用从外部的压力源导入的流体。
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