CN104053911B - 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)；环状空间(11)，其形成于吸入口(6)的周围；下游槽(13)，其使该环状空间(11)的下游侧端部与叶轮容纳部(14)连通；以及上游槽(12)，其使环状空间(11)的上游侧端部与吸入口(6)连通。另外，下游槽(13)以与在叶轮容纳部(14)内局部地产生的高压部连通的方式设在叶轮(3)的周方向上的既定的范围，上游槽(12)遍及吸入口(6)的整周而设置。

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。
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。另一方面，由于使下游侧的流体再次循环至上游侧，因而如果与未进行外壳处理的情况相比，则小流量时的压力比(压缩机的吸入压力相对于吐出压力的比)减少。
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：在进行了用于抑制喘振并扩大工作范围的外壳处理的情况下，也能够抑制小流量时的吐出压力和吐出流量的下降。
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；环状空间，其形成于所述吸入口的周围；下游槽，其使该环状空间的下游侧端部与所述叶轮容纳部连通；以及上游槽，其使所述环状空间的上游侧端部与所述吸入口连通。另外，所述下游槽以与在所述叶轮容纳部内局部地产生的高压部连通的方式在所述叶轮的周方向上的既定的范围内设置，所述上游槽遍及所述吸入口的整周而设置。
依据本发明的第2方式，在上述第1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，所述下游槽形成为，被包括于从相对于将所述叶轮的旋转中心与所述舌部连结的基准半径而在上游侧45°的位置起到相对于所述基准半径而在下游侧75°的位置为止的范围内。
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；环状空间，其形成于所述吸入口的周围；下游槽，其使该环状空间的下游侧端部与所述叶轮容纳部连通；以及上游槽，其使所述环状空间的上游侧端部与所述吸入口连通。另外，所述下游槽以与在所述叶轮容纳部内局部地产生的高压部连通的方式在所述叶轮的周方向上的既定的范围内设置，所述上游槽遍及所述吸入口的整周而设置。
因此，从在叶轮容纳部局部地产生且容易产生流体的逆流的高压部形成再次循环流，效率良好地抑制喘振的产生。而且，下游槽在外壳以周方向的一部分(与高压部对置的部位)形成，从这样的下游槽形成再次循环流，因而流体的再次循环流量抑制得比现有技术更低。因此，发挥能够抑制起因于再次循环的吐出压力和最大吐出流量的下降这一优异的效果。
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成范围的示意图。
图3是示出未实施外壳处理的情况下的叶轮的出口和入口的压力比的图表。
图4是示出本实施方式中的上游槽与下游槽的相互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。
在被轴承壳体(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是将作为在外壳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同轴地配置的环状空间11。即，外壳2具有形成于吸入口6的周围的环状空间11。环状空间11是沿吸入口6的中心轴方向延伸的筒状的空间。环状空间11的上游端(轴方向上的上游侧端部，在图1中为右端)比叶轮3的上游端更位于上游侧(轴方向上游侧)，环状空间11的下游端(轴方向上的下游侧端部，在图1中为左端)比叶轮3的上游端更位于下游侧(轴方向下游侧)。
环状空间11的上游端经由上游槽12而与吸入口6连通。即，外壳2具有使环状空间11的上游端与吸入口6连通的上游槽12。上游槽12遍及吸入口6的整周而设置。此外，上游槽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。而且，上游槽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。
环状空间11的下游端经由下游槽13而与叶轮容纳部14连通。即，外壳2具有使环状空间11的下游端与叶轮容纳部14连通的下游槽13。下游槽13形成于与叶轮3的上游端邻接的外壳2的壁面。换言之，下游槽13形成于与叶轮3的上游端对置的外壳2的壁面。下游槽13在叶轮3的周方向上的既定的范围内设置。
包括旋转轴4的中心轴的平面上的环状空间11的截面形状是上游槽12和下游槽13连接的既定的形状，例如是如图1所示的沿上述中心轴方向延伸的长圆形状。
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。
下游槽13设于在叶轮容纳部14内局部地成为高压的范围。即，下游槽13以与在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部连通的方式设在叶轮3的周方向上的既定的范围。
而且，对下游侧13进行详细阐述。
参照图2、图3，对设有下游槽13的周方向的位置和范围进行说明。
图2是用于说明本实施方式的外壳处理所使用的下游槽13的形成范围的示意图，是从叶轮3的中心轴方向观看时的图。
在图2中，以叶轮3的旋转中心为基准而说明下游槽13的形成范围。此外，由于图2中的环状流路5内的流体通过叶轮3的旋转而在图2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2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起周方向下游侧的角度，由负值表示从舌部15起周方向上游侧的角度。此外，更详细而言，以舌部15中的周方向上游侧的端部的位置作为0°。
如果将下游槽13形成为从舌部15的更45°上游侧(逆时针旋转方向)的位置起沿顺时针旋转方向包括于120°的范围(在图2中夹着舌部15的-45°~+75°的范围)内，并经由该下游槽13而使环状空间11与叶轮容纳部14连通，则得到喘振抑制效果。
此外，设有下游槽13的范围基于叶轮3的周缘的压力分布(产生局部的高压部的位置和范围)而决定。该压力分布因叶轮3的形状或特性等而变化，因而有时候下游槽13的周方向上的上游端也不位于舌部15的更45°上游侧。
然而，一般而言，在舌部15的附近，例如在以舌部15为中心±45°的范围内，产生局部的高压部。因此，下游槽13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：图2中0°的半径)-45°~+75°的范围内。而且，下游槽13更优选设在相对于上述基准半径±45°的范围内。
图3是示出在本实施方式的离心压缩机1中未实施外壳处理的情况下的叶轮3的出口和入口的压力比的图表。此外，图3中的横轴的角度以与图2同样的基准设定，0°的位置相当于舌部15的位置。如果以叶轮3出口(叶轮3的扩散器部7侧)处的静压作为Po，以叶轮3入口(叶轮3的吸入口6侧)处的静压作为Pi，则图3的压力比由Po/Pi表示。如果在叶轮3的吸入口6侧局部地产生高压部，则该部分处的Pi上升，因而压力比Po/Pi减少。换言之，考虑到，在图3的压力比减少的范围内，在叶轮容纳部14的吸入口6侧，产生高压部。
在图3中，在从舌部15起下游侧的60°的附近，压力比(叶轮3的流体出口压力Po/流体入口压力Pi)最小。通常，在舌部15的下游侧的位置(例如+60°)，压力比最小，但外壳2的形状等使得压力传递的路径不同，因而难以正确地特别规定压力比最小的舌部15的下游侧位置。然而，由于在舌部15的位置与压力比最小的位置之间存在关联性，因而压力比最小的位置大多存在于相对于舌部15的位置从0°起至下游侧+75°的范围。
接着，图4是示出上游槽12与下游槽13的位置关系的示意图。在本实施方式中，上游槽12设在吸入口6的整周，下游槽13设在从-30°的位置至+60°的位置的范围(参照图2)。此外，图4中的横轴的角度也以与图2同样的基准设定。如果使图3的压力比与图4的设有下游槽13的范围对比，则下游槽13设在压力比下降的范围。在经验上，在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部，存在相当于叶轮3的出口和入口的压力比下降的位置而产生的倾向。因此，优选设置下游槽13的范围是将包括如上所述地压力比最小的位置的0°至+75°的范围和基于图3的从舌部15(0°)至45°上游侧的位置(在图2、图3中为-45°)的范围相加而得到的范围。即，下游槽13形成为，被包括于舌部15起上游侧45°的位置到舌部15起下游侧75°的位置的范围内。另外，本实施方式中的下游槽13的周方向幅度为60°以上且90°以下。
图3的压力比以-45°至+90°的范围下降。基于该结果，下游槽13也可以形成为被包括于舌部15起上游侧45°的位置到舌部15起下游侧90°的位置的范围内。
经由下游槽13、环状空间11以及上游槽12，叶轮容纳部14中配置有叶轮3的上游端的区域和吸入口6互相连通。因此，在小流量时，流体从在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部通过环状空间11而向着叶轮3的上游侧逆流，产生从上游槽12导入吸入口6内的部分的再次循环流，抑制喘振的产生。
而且，下游槽13以与在叶轮容纳部14内局部地产生的高压部连通的方式限定于既定的范围而设置，因而流体的再次循环流量少，抑制小流量时的叶轮3出口的压力降低。
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(即，未设置环状空间11、上游槽12以及下游槽13的压缩机)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(即，上游槽12和下游槽13都遍及整周而设置的压缩机)的工作特性。圆形的标绘表示具备本实施方式的下游槽13的离心压缩机的工作特性。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使得(图5的向左的一侧)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产生喘振而使压缩机不能工作。即，各直线表示离心压缩机的喘振界限值。
根据图5，将四边形的标绘连结的直线和将圆形的标绘连结的直线记载于大致相同的位置。因此，在本实施方式中，得到与实施了现有的外壳处理的离心压缩机同等的喘振抑制效果。另外，将圆形的标绘连结的曲线比将三角形和四边形的标绘连结的曲线更位于图5的上侧。因此，在本实施方式中，小流量时的叶轮3出口的吐出压力，与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相比而增大。即，在本实施方式中，能够以更高的压力比运转。
根据以上，在本实施方式中，在进行了用于抑制喘振并扩大压缩机的工作范围的外壳处理的情况下，也能够抑制小流量时的吐出压力和吐出流量的下降。
另外，通过将下游槽13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，能够不使喘振抑制效果下降就使吐出压力、吐出流量增大。此外，为了在±45°的范围内进一步设定最佳的下游槽13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的容量等并通过计算来求出。
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，包括旋转轴4的中心轴的平面上的环状空间11的截面形状形成为沿叶轮3的中心轴方向延伸的长圆形状，但不限定于此，也可以是矩形、圆形、椭圆形等。
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
3叶轮
4旋转轴
5环状流路
6吸入口
7扩散器部
8边界壁部
9吐出口
11环状空间
12上游槽
13下游槽
14叶轮容纳部
15舌部

Claims (1)

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；环状空间，其形成于所述吸入口的周围；下游槽，其使该环状空间的下游侧端部与所述叶轮容纳部连通；以及上游槽，其使所述环状空间的上游侧端部与所述吸入口连通，
所述下游槽以与在所述叶轮容纳部内局部地产生的高压部连通的方式在所述叶轮的周方向上的既定的范围内设置，所述上游槽遍及所述吸入口的整周而设置，
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，
所述下游槽形成为，仅形成于从相对于将所述叶轮的旋转中心与所述舌部连结的基准半径而在上游侧45°的位置起到相对于所述基准半径而在下游侧75°的位置为止的范围内。
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