CN104040185A - 离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

该离心压缩机(1)具备叶轮(3)和容纳该叶轮(3)的外壳(2)。该外壳(2)具有：吸入口(6)；叶轮容纳部(14)，其配置有叶轮(3)；环状流路(5)，其形成于叶轮(3)的周围；吐出口(9)，其与该环状流路(5)连通；以及环状空间(11)，其形成于吸入口(6)和叶轮容纳部(14)的至少一方的周围。在与叶轮容纳部(14)对置的外壳(2)的内周面(2a)，使叶轮容纳部(14)和环状空间(11)连通的槽(12)遍及内周面(2a)的整周而形成。另外，环状空间(11)仅经由槽(12)而与其他空间连通。

Description

离心压缩机
技术领域
本发明涉及使压缩性流体升压的离心压缩机。
本申请基于2012年1月23日在日本申请的日本特愿2012-010789号而主张优先权，将其内容引用于此。
背景技术
为了使压缩性流体升压，使用例如离心压缩机。离心压缩机的工作范围有时候由于起因于小流量时(为了升压而使流体的流量减少时)的流体的逆流等的喘振(surging)的产生而被限制。如果产生喘振，则离心压缩机的运转变得不稳定，因而如果抑制喘振的产生，则能够扩大离心压缩机的工作范围。
作为抑制喘振的产生的手段之一，存在专利文献1所示的外壳处理。
离心压缩机具有以高速旋转的叶轮和容纳叶轮并在叶轮的周围形成有涡卷状流路的外壳。在专利文献1所示的外壳处理中，在与叶轮的上游端邻接的外壳的壁面形成有遍及整周的槽，使该槽与比叶轮更靠上游侧的流路连通。在小流量时，使流体从在外壳的叶轮容纳部内局部地产生的高压部经由上述槽而逆流至叶轮的上游侧，部分地使流体再次循环，由此，防止叶轮容纳部内的流体的逆流，抑制喘振的产生。
通过这样的外壳处理而得到喘振抑制的效果，但期望喘振产生的进一步的抑制引起的离心压缩机的工作范围扩大。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2004-332734号公报。
发明内容
发明要解决的课题
本发明是鉴于上述实际情况而作出的，其目的在于，提供这样的离心压缩机：通过进行更有效的外壳处理，从而能够使喘振抑制的效果提高并扩大其工作范围。
用于解决课题的方案
依据本发明的第1方式，离心压缩机具备叶轮和容纳该叶轮的外壳。该外壳具有：吸入口；叶轮容纳部，其配置有所述叶轮；环状流路，其形成于所述叶轮的周围；吐出口，其与该环状流路连通；以及环状空间，其形成于所述吸入口和所述叶轮容纳部的至少一方的周围。在与所述叶轮容纳部对置的所述外壳的内周面，使所述叶轮容纳部和所述环状空间连通的槽遍及所述内周面的整周而形成。另外，所述环状空间仅经由所述槽而与其他空间连通。
依据本发明的第2方式，在上述第1方式中，所述槽呈以所述内周面的整周作为1个周期而周期性地且沿所述吸入口的中心轴方向具有既定的振幅而变化的曲线。另外，所述槽的最上游点设于在所述中心轴方向上与所述叶轮的叶片的上游端对置的位置。
依据本发明的第3方式，在上述第2方式中，所述外壳具有形成于所述吐出口与所述环状流路之间的舌部。另外，所述槽的最下游点位于从相对于将所述叶轮的旋转中心和所述舌部连结的基准半径而在上游侧120°的位置起到相对于所述基准半径而在下游侧60°的位置为止的范围。
依据本发明的第4方式，在上述第3方式中，所述槽的最下游点位于相对于所述基准半径而在上游侧和下游侧任一者中都在45°的范围内。
发明的效果
依据本发明，离心压缩机具备叶轮和容纳该叶轮的外壳。该外壳具有：吸入口；叶轮容纳部，其配置有所述叶轮；环状流路，其形成于所述叶轮的周围；吐出口，其与该环状流路连通；以及环状空间，其形成于所述吸入口和所述叶轮容纳部的至少一方的周围。在与所述叶轮容纳部对置的所述外壳的内周面，使所述叶轮容纳部和所述环状空间连通的槽遍及所述内周面的整周而形成。另外，所述环状空间仅经由所述槽而与其他空间连通。因此，即使当压力在叶轮容纳部内局部地上升时，上升后的压力也经由所述槽而分散于所述环状空间。因此，喘振抑制的效果提高且发挥能够进一步扩大离心压缩机的工作范围这一优异的效果。
附图说明
图1是本发明的实施方式中的离心压缩机的截面图。
图2是用于说明本实施方式的外壳处理所使用的槽的形状的图表。
图3是示出本实施方式中的槽与叶轮的位置关系的示意图。
图4是示出本实施方式中的外壳与槽的最下游点的位置关系的示意图。
图5是示出外壳处理的实施与离心压缩机的工作特性的关系的图表。
具体实施方式
以下，参照附图，同时，说明本发明的实施方式。
首先，参照图1，说明本发明的一个实施方式中的离心压缩机的概要。
在图1中，符号1表示离心压缩机，符号2表示外壳，符号3表示容纳于外壳2的叶轮。即，离心压缩机1具备叶轮3和容纳叶轮3的外壳2。
在由轴承壳体(未图示)可旋转地支撑的旋转轴4的一端部，固定有叶轮3。在旋转轴4的另一端部，连结有产生使叶轮3旋转的驱动力的涡轮(未图示)。此外，作为用于使叶轮3旋转的构成，不限于涡轮，也可以是电动机等。
在外壳2中的叶轮3的周围，形成有环状流路5，在环状流路5的既定的位置，连通有将经升压的压缩性流体(例如压缩空气)吐出的吐出口9。在外壳2的中央，形成有与叶轮3对置且与叶轮3同轴地配置的吸入口6。
即，外壳2具有：吸入口6，其吸引压缩性流体；叶轮容纳部14，其与吸入口6连通，配置有叶轮3；环状流路5，其形成于叶轮3的周围；以及吐出口9，其与环状流路5连通。此外，流体从吸入口6向叶轮容纳部14大致沿着旋转轴4的轴方向流动，因而有时候将图1中的右侧称为轴方向上的上游侧，将左侧称为轴方向上的下游侧。
在外壳2，在叶轮3的周围，形成有与环状流路5连通的扩散器部7。
扩散器部7是使作为在外壳2中容纳叶轮3的空间的叶轮容纳部14和环状流路5互相连通的环状的空间。在环状流路5与扩散器部7之间，形成有边界壁部8。
来自发动机(未图示)的废气使得涡轮旋转，经由旋转轴4而传递的旋转驱动力使得叶轮3旋转。与涡轮同轴地设置的叶轮3旋转，将空气(压缩性流体、发动机的燃烧用空气)从吸入口6吸入。所吸入的空气通过叶轮3的旋转而送出至径方向外侧，通过扩散器部7，由此，被压缩，然后，流入环状流路5。经压缩的空气从环状流路5经过吐出口9而吐出至离心压缩机1的外部。所吐出的压缩空气供给至发动机。
接着，对本实施方式的外壳处理进行说明。
在外壳2，形成有与吸入口6同轴地配置的圆筒状空间11(环状空间)。即，外壳2具有在吸入口6和叶轮容纳部14的至少一方的周围形成的圆筒状空间11。本实施方式的圆筒状空间11在轴方向上配置于靠近叶轮容纳部14的部位。圆筒状空间11是沿周方向不分开地连续的空间。此外，圆筒状空间11的截面形状(包括旋转轴4的中心轴的平面上的截面形状)成为椭圆形，但也可以是圆形、长圆形、矩形或其他任意的形状。圆筒状空间11是具有既定的容积V的环状空间。
在与叶轮容纳部14对置的外壳2的内周面2a，形成有槽12。此外，内周面2a是与叶轮3同轴地形成的环状的周面。槽12的径方向外侧的端部与圆筒状空间11连通，槽12的径方向内侧的端部在叶轮3的上游端附近的内周面2a开口。槽12也可以是沿周方向连续的环状的槽或在沿周方向连续的槽的内部以既定间隔设有多个肋(增强件)的槽。另外，槽12也可以是沿周方向延伸的多个长孔以既定间隔设置的开口部或多个圆孔或者方孔以既定间隔设置的开口部。
槽12使叶轮容纳部14和圆筒状空间11连通，在小流量时产生于叶轮容纳部14内的局部的高压通过槽12而传递至圆筒状空间11。由于圆筒状空间11使压力分散，因而抑制局部的压力的上升。圆筒状空间11的容积V成为在通过槽12而传递高压的情况下足以使压力分散的容积。
另外，槽12遍及内周面2a的整周而形成。圆筒状空间11仅经由槽12而与其他空间(在本实施方式中为叶轮容纳部14)连通。
外壳2中的环状流路5的形状非轴对称。换言之，包括旋转轴4的中心轴的平面上的环状流路5的截面形状在叶轮3的周方向上变化。因此，上述周方向上的环状流路5内的压力不一定，具有沿周方向不同的压力分布。而且，叶轮3的周缘也同样地具有沿周方向不同的压力分布，环状流路5的压力分布还通过扩散器部7而传递至配置有叶轮3的叶轮容纳部14。即，考虑到，由于在叶轮容纳部14内也具有沿周方向不同的压力分布，因而高压部在叶轮容纳部14内局部地产生，该产生部位根据环状流路5的压力分布而在轴方向上位移。
槽12基于叶轮容纳部14等的压力分布而将其位置设定为通过高压部。换言之，槽12将其位置设定为与所产生的高压部对置。槽12的形状，在展开为内周面2a成为平面状的情况下，也可以是通过高压部的直线。然而，槽12的形状优选是以内周面2a的整周(360°)作为1个周期而周期性地且沿吸入口6的中心轴方向具有既定的振幅而变化的曲线(位移曲线)。该曲线在本实施方式中是正弦曲线，但也可以是除了正弦曲线以外的曲线。
槽12的位移曲线反映在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部的位移(轴方向上的位移)而设定，能够使在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部和圆筒状空间11更有效地连通。
进一步对槽12进行详细阐述。
图2是槽12的展开图，是用于说明本实施方式的外壳处理所使用的槽12的形状的图表。在以下的说明中，以槽12的位移曲线作为正弦曲线而说明。在图2中，以上侧作为上游侧(轴方向上游侧)、以下侧作为下游侧(轴方向下游侧)而示出。图2所示的曲线(正弦曲线)示出叶轮3的中心轴方向上的槽12的宽度的中心位置。在本实施方式中，叶轮3的最大直径φD为144.2mm，槽12的槽宽d为3mm(d/D=0.02)。在图2中，点A表示槽12的最上游点(在轴方向上位于最上游侧的点)，点B表示槽12的最下游点(在轴方向上位于最下游侧的点)，W/2表示振幅。
图3是示出叶轮3与槽12的轴方向上的位置关系的示意图。在图3中，槽12的槽宽是3mm。
在图3中，线A1表示槽12的最上游点A的轴方向上的位置，线B1表示槽12的最下游点B的轴方向上的位置。即，在图3中，槽12以内周面2a的整周作为1个周期而周期性地且在线A1与线B1之间变化。
线A1位于以叶轮3的叶轮叶片3a(叶片)的上游端为中心而沿上游和下游方向±d/2(由于d=3mm，因而d/2=1.5mm)的范围。即，由于线A1(最上游点A)设在以叶轮叶片3a的上游端为中心而±d/2的范围，因而最上游点A处的槽12(槽宽d)能够可靠地与叶轮叶片3a的上游端对置。线A1的±d/2的范围内的最佳的位置因外壳2的形状、叶轮3的特性等而变化，因而通过计算、实验等而设定。
线B1的位置，如图3所示，在叶轮3具有小叶片3b的情况下，以小叶片3b的轴方向上游端(h)作为下游侧的下限。另一方面，在叶轮3不具有小叶片3b的情况下，线B1的位置以叶轮叶片3a(高度H)的轴方向上的大致中间位置作为下游侧的下限。此外，以槽12的最下游点B(线B1)的下游侧下限位置作为小叶片3b的上游端或叶轮叶片3a的轴方向中间位置，但即使使最下游点B进一步配置于下游侧，也未改善喘振抑制效果，另一方面，压缩效率下降，在实用上无意义，因而不优选。
参照图4，对槽12中的最下游点B的周方向上的位置进行说明。图4是示出本实施方式中的外壳2与槽12的最下游点B的位置关系的示意图，是从叶轮3的中心轴方向观看的图。
在图4中，以叶轮3的旋转中心为基准而说明槽12中的最下游点B的位置。此外，由于图4中的环状流路5内的流体通过叶轮3的旋转而在图4的顺时针旋转方向上流动，因而有时候将从既定的位置沿顺时针旋转方向偏移的位置称为周方向上的下游侧，将从既定的位置沿逆时针旋转方向偏移的位置称为周方向上的上游侧。
在图4中，符号15表示形成于吐出口9与环状流路5之间的舌部。在以下的说明中，以舌部15的位置作为0°，以隔着叶轮3的旋转中心的舌部15的相反侧作为180°(或-180°)。由正值表示从舌部15起周方向上游侧的角度，由负值表示从舌部15起周方向下游侧的角度。此外，更详细而言，以舌部15的周方向上游侧的端部的位置作为0°。
如果槽12的最下游点B位于从舌部15的更120°上游侧(逆时针旋转方向)的位置到在下游侧(顺时针旋转方向)180°的范围(在图4中为从叶轮3的旋转中心起上半部分的+120°~-60°的范围)，则得到喘振抑制效果。此外，依据实验的结果，在最下游点B位于舌部15的位置(0°)的情况下，得到最高的喘振抑制效果。可是，最下游点B基于叶轮3的周缘的压力分布等而决定，该压力分布因叶轮3的形状或特性等而变化，因而最下游点B的优选的位置有时候也不是舌部15的位置。
然而，在舌部15的附近，例如在以舌部15为中心±45°的范围内，存在最下游点B的最佳的位置。因此，最下游点B优选设在相对于将舌部15和叶轮3的旋转中心连结的直线(基准半径)+120°~-60°(以与叶轮的旋转方向相反的方向作为正)的范围内，进一步，更优选设在相对于基准半径±45°的范围内。
图5是示出外壳处理的实施与离心压缩机的工作特性的关系的图表，横轴表示吐出流量(Q)，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)。
在图5中，在5个部位描绘各3条曲线。在图5中，三角形的标绘表示未实施外壳处理(CT)的离心压缩机的工作特性。四边形(菱形)的标绘表示实施了现有的外壳处理的离心压缩机的工作特性。在现有的外壳处理中，在与叶轮的上游端邻接的外壳的壁面形成有遍及整周的槽，使该槽与比叶轮更靠上游侧的流路(流入口)连通，使流体从在小流量时在叶轮容纳部内局部地产生的高压部经由上述槽而逆流至叶轮的上游侧，部分地使流体再次循环。
圆形的标绘表示实施了本实施方式的外壳处理的离心压缩机的工作特性。即，在与叶轮3的上游端邻接的外壳2的壁面(内周面2a)形成有遍及整周的槽12，槽12如果展开，则成为正弦曲线状(正弦曲线处理)，槽12的最下游点B在周方向上配置在与舌部15相同的位置(参照图2、图4)。
通过将各个标绘连结而描绘上述曲线。另外，这些曲线表示通过使流体的流量逐渐减少(图5的向左的一侧)使得流体的吐出压力上升，表示开始从5个既定的流量减少。另外，分别由直线将同种标绘的曲线中的最左侧的点连结。各曲线中的左侧的点表示在压缩机产生喘振，因而图5的各直线的左侧表示喘振的产生使得压缩机不能工作。即，各直线表示离心压缩机的喘振界限值。
根据图5，将圆形的标绘连结的直线比将三角形和四边形的标绘连结的直线更位于图5的左侧。因此，在本实施方式中，能够使吐出流量作为比实施现有的外壳处理的压缩机和未实施外壳处理的压缩机更小的流量。即，在本实施方式中，扩大喘振界限值，得到高的喘振抑制效果。
另外，在本实施方式中，与现有的外壳处理不同，不使流体逆流至叶轮的上游侧，未部分地使流体再次循环，因而吐出流量不减少。而且，由于不使流体逆流至叶轮的上游侧，因而避免吐出压力的下降，与现有的外壳处理相比，能够增大小流量侧的压力比。在图5中，这从将圆形的标绘连结的曲线比将四边形的标绘连结的曲线更位于图5的上侧这点也显而易见。
在本实施方式中，能够增大喘振抑制效果的槽12的最下游点B的位置处于以舌部15的位置为中心+120°~-60°(以与叶轮的旋转方向相反的方向为正)的范围，更优选，是以舌部15的位置为中心±45°的范围。
通过将槽12的最下游点B的位置设定于以舌部15的位置为中心±45°的范围，从而与现有的外壳处理相比，不使压力比下降就能够使喘振抑制效果增大。此外，为了在±45°的范围内进一步设定最佳的最下游点B的位置，优选考虑外壳2的形状、叶轮3的特性、离心压缩机1的容量等而通过计算来求出。
以上，参照附图，同时，对本发明的合适的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述实施方式。在上述的实施方式中示出的各构成部件的各形状或组合等是一个示例，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够进行构成的附加、省略、置换以及其他变更。本发明不被前述的说明限定，仅被所附权利要求书限定。
例如，在上述实施方式中，以槽12所描绘的曲线作为正弦曲线而说明。然而，只要是以内周面2a的整周作为1个周期而周期性地且沿吸入口6的中心轴方向以既定的振幅变化的曲线，就可以不是正弦曲线。
另外，槽12使叶轮容纳部14和圆筒状空间11连通，使在小流量时产生于叶轮容纳部14内的局部的高压分散于圆筒状空间11，抑制局部的压力的上升。因此，即使槽12是直线，如果将其位置设定为通过最下游点B的位置，则也能够使局部的高压分散于圆筒状空间11，能够使喘振抑制效果增大。
本实施方式的槽12向着内周面2a的周方向以1列形成。在槽12由直线构成的情况下，槽12也可以遍及内周面2a的整周而沿其周方向平行地延伸，槽12也可以由多个直线构成。例如，槽12也可以形成为由直线将图2的最上游点A和最下游点B连结的三角波状。另外，还能够将槽12形成为梯形波状或矩形波状。
产业上的可利用性
本发明能够利用于使压缩性流体升压的离心压缩机。
符号说明
1 离心压缩机
2 外壳
2a 内周面
3 叶轮
3a 叶轮叶片(叶片)
4 旋转轴
5 环状流路
6 吸入口
9 吐出口
11 圆筒状空间(环状空间)
12 槽
14 叶轮容纳部
15 舌部
A 最上游点
B 最下游点

Claims (4)

1. 一种离心压缩机，其特征在于，
具备叶轮和容纳该叶轮的外壳，
所述外壳具有：吸入口；叶轮容纳部，其配置有所述叶轮；环状流路，其形成于所述叶轮的周围；吐出口，其与该环状流路连通；以及环状空间，其形成于所述吸入口和所述叶轮容纳部的至少一方的周围，
在与所述叶轮容纳部对置的所述外壳的内周面，使所述叶轮容纳部和所述环状空间连通的槽遍及所述内周面的整周而形成，
所述环状空间仅经由所述槽而与其他空间连通。
2. 根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
所述槽是以所述内周面的整周作为1个周期而周期性地且沿所述吸入口的中心轴方向具有既定的振幅而变化的曲线，
所述槽的最上游点设于在所述中心轴方向上与所述叶轮的叶片的上游端对置的位置。
3. 根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，
所述外壳具有形成于所述吐出口与所述环状流路之间的舌部，
所述槽的最下游点位于从相对于将所述叶轮的旋转中心和所述舌部连结的基准半径而在上游侧120°的位置起到相对于所述基准半径而在下游侧60°的位置为止的范围。
4. 根据权利要求3所述的离心压缩机，其特征在于，所述槽的最下游点位于相对于所述基准半径而在上游侧和下游侧任一者中都在45°的范围内。
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