CN104781562A - 离心旋转机械 - Google Patents

Abstract

离心旋转机械(1)具备：旋转轴(2)，其绕轴线旋转；多个叶轮(3)，其与旋转轴(2)一起旋转，从而将流体送出；外壳(5)，其设置为包围旋转轴(2)以及多个叶轮(3)，并形成从前级侧的叶轮(3)向后级侧的叶轮(3)引导流体G的返回流路(18)；以及回流板(25)，其在返回流路(18)中沿轴线O的周向以隔开间隔的方式设置有多个，返回流路(18)具有回转弯头部(21)，该回转弯头部(21)将从前级的叶轮(3)朝径向外侧送出的流体G朝向径向内侧引导，回转弯头部(21)包括第一弯曲部(27)、以及与第一弯曲部(27)的下游侧连接的第二弯曲部(28)，第二弯曲部(28)的径向内侧的壁面的曲率半径形成为比第一弯曲部(27)的径向内侧的壁面的曲率半径大。

Description

离心旋转机械

技术领域

本发明涉及利用离心力压缩气体的离心压缩机等离心旋转机械。

本申请基于2013年1月28日申请的日本特愿2013-013728号要求优先权，在此援引其内容。

背景技术

众所周知，离心压缩机使气体穿过旋转的叶轮的径向，利用此时产生的离心力对这些气体等流体进行压缩。关于这种离心压缩机，公知在轴向上具备多级叶轮，阶段性地压缩气体的多级式离心压缩机(参照专利文献1)。参照附图对该多级式的离心压缩机进行简单说明。

如图6所示，离心压缩机101具备形成有未图示的吸入口以及排出口的外壳5、通过未图示的轴承部支承为能够相对于外壳5旋转的旋转轴2、沿着旋转轴2的轴向以隔开规定间隔的方式安装的多个叶轮3、以及将各个叶轮3之间连接并使阶段性地压缩的气体流通的流路4。外壳5由套筒外壳5a与轮毂外壳5b构成。

各个叶轮3主要包括随着朝向轴向的一侧(后级侧)而逐渐扩径的圆盘状的轮毂13、呈放射状安装于轮毂13的多个叶片14、以及安装成在周向上覆盖多个叶片14的前端侧的套筒15。

流路4包括压缩流路17与返回流路118。压缩流路17是被轮毂13的叶片安装面和与之对置的套筒15的内壁面形成的流路。返回流路118包括吸入部119、扩散部120以及回转弯头部121。

吸入部119包括用于使气体从径向外侧朝径向内侧流动的直通路122、以及将从直通路122流过来的流体的流动方向转换为旋转轴2的轴向并朝向叶轮3引导的弯曲形状的弯角通路123。扩散部120是朝向径向外侧延伸的通路，使通过叶轮3压缩后的流体向径向外侧流动。回转弯头部121是将通过扩散部120后的流体的流动方向转换为径向内侧并向吸入部119送出的弯曲形状的通路。

因此，流体G在依次流过第一级的吸入部119、压缩流路17、扩散部120、回转弯头部121之后，依次流过第二级的吸入部119、压缩流路17…，由此阶段性地被压缩。在吸入部119的直通路122中设置有呈放射状配置且在周向上分割直通路122的多个回流板125。多个回流板125遍及直通路122的整个范围而配设。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平9-4599号公报

然而，在上述以往的离心压缩机101中存在如下问题：在回流板125的入口的轮毂外壳5b侧(径向内侧)发生流体G的剥离，产生压力损失。即，因回转弯头部121的曲率而使得轮毂外壳5b侧的压力降低，如附图标记β所示，径向内侧的流体G的流速增加。由此，摩擦损失增大并且产生流体G的剥离，阻碍回流板125的入口位置处的流动的均匀性，下游部的压力恢复不足，导致离心压缩机的效率受损。

发明内容

发明要解决的课题

本发明提供能够减少离心压缩机等离心旋转机械的返回流路部中的压力损失且能够实现高效化的离心旋转机械。

用于解决课题的手段

根据本发明的第一方式，离心旋转机械的特征在于，具备：旋转轴，其绕轴线旋转；多个叶轮，其与所述旋转轴一起旋转，从而将流体送出；外壳，其设置为包围所述旋转轴以及所述多个叶轮，并形成从前级侧的所述叶轮向后级侧的所述叶轮引导流体的返回流路；以及回流板，其在所述返回流路中沿所述轴线的周向以隔开间隔的方式设置有多个，所述返回流路具有回转弯头部，该回转弯头部将从前级的所述叶轮朝径向外侧送出的所述流体朝向径向内侧引导，所述回转弯头部包括第一弯曲部、以及与所述第一弯曲部的下游侧连接的第二弯曲部，所述第二弯曲部的所述径向内侧的壁面的曲率半径形成为比所述第一弯曲部的所述径向内侧的壁面的曲率半径大。

根据上述结构，流体的流速在第二弯曲部的径向内侧降低，实现了径向上的流速的均匀性，并且促进了流体的剥离防止，因此能够减少离心旋转机械的返回流路中的压力损失。

在上述离心旋转机械中也可以构成为，所述回流板的前缘位于所述回转弯头部的所述第二弯曲部内。

根据上述结构，回流板入口处的动压减少，流体的流速的均匀性提高，并且促进了流体的剥离防止，因此与回流板的碰撞损失减小，能够减少离心旋转机械的压力损失。

另外，通过使回流板在回转弯头部终结之前开始，能够增加回转弯头部中的平均流速降低了的流体在回流板处的加速量，因此能够提高流体的整流化。

在上述离心旋转机械中也可以构成为，所述回流板的前缘随着朝向所述第二弯曲部的所述径向外侧的壁面而与所述第二弯曲部的所述径向内侧的壁面的法线方向相比向下游侧倾斜。

根据上述结构，无论流体的流速是否在径向上实现了均匀性，即使在径向内侧的流速依旧较高的情况下，通过从更上游侧干扰前缘的径向内侧，也能够在第二弯曲部的径向内侧进一步降低流体的流速。另外，通过降低流体的流速，能够防止第二弯曲部的径向内侧的流体的剥离。

在上述离心旋转机械中也可以构成为，所述回转弯头部的出口处的流路宽度比所述回转弯头部的入口处的流路宽度大。

根据上述结构，通过使回转弯头部的出口处的流体的流速进一步均匀化，从而回流板入口处的动压减少，与回流板的碰撞损失变小，因此能够进一步减少离心旋转机械的压力损失。

发明效果

根据本发明，能够减少离心压缩机等离心旋转机械的返回流路部中的压力损失，能够实现高效化。

附图说明

图1是本发明的实施方式的离心压缩机的简略结构图。

图2是将本发明的实施方式的离心压缩机的叶轮周边放大后的图。

图3是将本发明的实施方式的离心压缩机的回转弯头部放大后的图。

图4是将本发明的实施方式的第一变形例的离心压缩机的回转弯头部放大后的图。

图5是将本发明的实施方式的第二的变形例的离心压缩机的回转弯头部放大后的图。

图6是将以往的离心压缩机的叶轮周边放大后的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。需要说明的是，在本实施方式中，作为离心压缩机的一例，列举具备多个叶轮的多级式的离心压缩机进行说明。

如图1所示，本实施方式的离心压缩机1主要包括绕轴线O旋转的旋转轴2、安装于旋转轴2且利用离心力压缩流体G的叶轮3、以及将旋转轴2支承为能够旋转并且形成有使流体G从上游侧向下游侧流动的流路4的外壳5。

外壳5形成为呈大致圆柱状的外轮廓，以贯穿中心的方式配置有旋转轴2。在外壳5中的旋转轴2的轴向的两端设置有轴颈轴承7，在一端设置有推力轴承8。这些轴颈轴承7以及推力轴承8将旋转轴2支承为能够旋转。即，旋转轴2通过轴颈轴承7以及推力轴承8支承于外壳5。

另外，在外壳5中的轴向的一端侧设置有使流体G从外部流入的吸入口9，在另一端侧设置有供流体G向外部流出的排出口10。在外壳5内设置有分别与这些吸入口9以及排出口10连通且反复缩径以及扩径的内部空间。该内部空间作为收容叶轮3的空间而发挥功能，并且作为上述流路4而发挥功能。即，吸入口9与排出口10经由叶轮3以及流路4而连通。另外，外壳5包括套筒外壳5a与轮毂外壳5b，内部空间通过套筒外壳5a和轮毂外壳5b而形成。

叶轮3在旋转轴2的轴向上以隔开间隔的方式排列有多个。需要说明的是，在图示例中，叶轮3设置有六个，但至少设置有一个即可。

如图2所示，各个叶轮3包括随着趋近排出口10侧而逐渐扩径的大致圆盘状的轮毂13、呈放射状安装于轮毂13且沿周向排列的多个叶片14、以及以在周向上覆盖所述的多个叶片14的前端侧的方式安装的套筒15。

流路4形成为一边在旋转轴2的径向上蜿蜒前进一边在轴向上行进，将各个叶轮3之间连接起来，以便利用多个叶轮3阶段性地压缩流体G。详细而言，该流路4由压缩流路17与返回流路18构成。

返回流路18设置为包围旋转轴2以及多个叶轮3，是从前级侧的叶轮3向后级侧的叶轮3引导流体G的流路，包括吸入部19、扩散部20以及回转弯头部21。

吸入部19是在流体G从径向外侧朝径向内侧流动之后，在叶轮3的跟前将该流体G的朝向转换为旋转轴2的轴向的通路。具体而言，包括使流体G从径向外侧朝径向内侧流动的直线状的直通路22、将从直通路22流过来的流体G的流动方向从径向内侧转换为轴向而使流体G面向叶轮3的弯曲形状的弯角通路23。

直通路22被轮毂外壳5b的轮毂侧流路壁面22b和套筒外壳5a的套筒侧流路壁面22a包围而形成。这里，使流体G面向第一级的叶轮3的吸入部19的直通路22的径向外侧与吸入口9(参照图1)连通。

此外，在位于两个叶轮3之间的直通路22中设置有多个回流板25，该回流板25以轴线O作为中心呈放射状配置，并在旋转轴2的周向上分割直通路22。

压缩流路17是用于在叶轮3内对从吸入部19输送来的流体G进行压缩的部位，被轮毂13的叶片安装面与套筒15的内壁面包围而形成。

扩散部20的径向内侧与压缩流路17连通，扩散部20发挥使通过叶轮3压缩后的流体G向径向外侧流动的作用。需要说明的是，虽然扩散部20的径向外侧与回转弯头部21连通，但与位于流路4中的最下游侧的叶轮3(图1中第六级叶轮3)的径向外侧连接的扩散部20与排出口10连通。

回转弯头部21形成为剖面大致U字状，被套筒外壳5a的内周壁面与轮毂外壳5b的外周壁面包围而形成。即，套筒外壳5a的内周壁面形成回转弯头部21的外侧弯曲面21a，轮毂外壳5b的外周壁面形成回转弯头部21的内周弯曲面21b。

并且，回转弯头部21的上游端侧与扩散部20连通，下游端侧与吸入部19的直通路22连通。

该回转弯头部21使利用叶轮3(上游侧的叶轮3)通过扩散部20而向径向外侧流过来的流体G的流动方向朝径向内侧反转，向直通路22送出。

这里，本实施方式的回转弯头部21包括第一弯曲部27以及与该第一弯曲部27的下游侧连接的第二弯曲部28。回转弯头部21的内周弯曲面21b包括第一弯曲部27的第一内周弯曲面27a与第二弯曲部28的第二内周弯曲面28a。

另外，如图3所示，第二弯曲部28的第二内周弯曲面28a的曲率半径R2形成为比第一弯曲部27的第一内周弯曲面27a的曲率半径R1大。换言之，第二弯曲部28的径向内侧的壁面的曲率半径R2形成为比第一弯曲部27的径向内侧的壁面的曲率半径R1大。优选为，第二弯曲部28的第二内周弯曲面28a的曲率半径R2是第一弯曲部27的第一内周弯曲面27a的曲率半径R1的约二倍。

此外，优选为，第二内周弯曲面28a的开始位置S是回转弯头部21的内周弯曲面21b的径向最外侧的最顶点位置或者其附近。换言之，优选为，第二内周弯曲面28a的开始位置S是使流体G的流动方向180°折回的回转弯头部21的中间点附近(90°折回的位置)。

并且，回转弯头部21的出口处的流路宽度W2比回转弯头部的入口处的流路宽度W1大。流路宽度既可以如图2所示那样逐渐扩大，也可以阶梯状地扩大。

需要说明的是，不必一定使流路宽度W2形成为比流路宽度W1大，也可以从回转弯头部21的入口到出口采用相同的流路宽度。

另外，本实施方式的回流板25的前缘25a(入口端)配置于回转弯头部21的第二弯曲部28。即，回流板25与以往相比在上游侧形成为较长，并且形成为其入口端越过套筒侧流路壁面22a以及轮毂侧流路壁面22b到达回转弯头部21。

并且，回流板25的前缘25a随着朝向第二弯曲部28的外侧弯曲面21a(径向外侧的壁面)而向下游侧倾斜。换言之，前缘25a的径向内侧形成为进一步向轮毂外壳5b侧(径向内侧)上游侧突出。

另外，本实施方式的返回流路18的直通路22形成为向轮毂侧流路壁面22b上游侧返回的形状。即，直通路22的轮毂侧流路壁面22b未沿径向平行地形成，而是随着朝向径向内侧而向流体G的上游方向倾斜。

接下来，说明如上构成的离心压缩机1对流体G进行的压缩。

当各个叶轮3与旋转轴2一起旋转时，从吸入口9流入到流路4内的流体G从吸入口9依次流过第一级的叶轮3的返回流路18的吸入部19、压缩流路17、扩散部20、回转弯头部21，之后依次流过第二级的叶轮3的吸入部19、压缩流路17…。

然后，流动到紧随位于流路4的最下游侧的叶轮3之后的扩散部20的流体G从排出口10向外部流动。

流体G在按上述顺序流过流路4的中途，通过各个叶轮3被压缩。即，在该离心压缩机1中，流体G通过多个叶轮3阶段性地被压缩，由此容易获得大压缩比。

根据上述实施方式，由于第二弯曲部28的第二内周弯曲面28a(径向内侧的壁面)的曲率半径R2形成为比第一弯曲部27的第一内周弯曲面27a(径向内侧的壁面)的曲率半径R1大，因此施加于第二弯曲部28中的流体G的离心力降低。由此，流体G的流速在第二弯曲部28的径向内侧降低，实现径向的流速的均匀性。此外，由于促进流体G的剥离防止，因此能够减少离心压缩机1的返回流路18中的压力损失。另外，与内周弯曲面21b相同，关于外周弯曲面21a的曲率半径，也优选第二弯曲部28的所述曲率半径比第一弯曲部27的所述曲率半径大。

另外，由于回流板25的前缘25a位于回转弯头部21的第二弯曲部28内，因此回流板25入口处的流体G的流速能够确保均匀性。即，回流板25入口处的动压减少，与回流板25的碰撞损失变小，因此能够减少离心压缩机1的压力损失。

另外，由于回流板25的前缘25a随着朝向外侧弯曲面21a(径向外侧的壁面)而比第二弯曲部28的径向内侧的壁面、即第二内周弯曲面28a的法线方向进一步向下游侧倾斜，因此即便是径向内侧的流速高的情况，也能够从更上游侧干扰前缘25a的径向内侧。由此，能够使流体G的流速在第二弯曲部28的径向内侧进一步降低。另外，通过使流体G的流速降低，能够防止第二弯曲部28的径向内侧的流体G的剥离。

此外，通过使回流板25在回转弯头部21终结之前开始，能够增加回转弯头部21中的平均流速降低了的流体G在回流板25处的加速量，因此能够提高流体G的整流化。

另外，通过将回转弯头部21的出口处的流路宽度W2形成为比回转弯头部21的入口处的流路宽度W1大，从而回转弯头部21的出口处的流体G的流速进一步均匀化。由此，回流板25入口处的动压减少，与回流板25的碰撞损失变小，因此能够进一步减小离心压缩机1的压力损失。

另外，与回流板25从比回转弯头部21的出口靠下游的位置设置的情况相比，由于回流板25从比出口靠上游侧的位置设置，因此能够相应地增长回流板25，能够提高回流板所带来的加速效果。或者，确保恒定的回流板的长度，能够在确保其效果的同时缩短径向即机械的高度方向的长度。

此外，由于直通路22形成为向轮毂侧流路壁面22b侧返回的弯曲的形状，因此能够确保恒定的流路长度并且缩短压缩机流路的轴向长度。即，能够实现离心压缩机1的小型化。

需要说明的是，在上述的实施方式中，在多级式的离心压缩机1的全部级的回转弯头部21中，将第二弯曲部28的曲率半径R2形成为比第一弯曲部27的曲率半径R1大，并且将回流板25的前缘25a配置于第二弯曲部28，但不限于此。

例如，也可以在5级离心压缩机中的上游侧的若干级(例如上游侧2级)的回转弯头部21中，将第二弯曲部28的曲率半径R2形成为比第一弯曲部27的曲率半径R1大，并且将回流板25的前缘25a配置于第二弯曲部28。

对于上游侧的压缩机级，由于流路高度高，容易进行流路的高度方向上的流动分布，因此优选应用上述结构。

另外，在上述的实施方式中，示出前缘25a随着朝向径向外侧的壁面而向下游侧倾斜的结构，但是，例如，也可以图4所示的第一变形例那样，前缘25a沿着第二内周弯曲面28a的法线方向形成。这样的形状在流体G的速度的均匀性高的情况下是有效的。另外，前缘也可以与轴向大致平行。

另外，在上述的实施方式中，将回流板25的前缘25a的形状设为直线形状，但不限于此。例如，也可以如图5所示的第二变形例那样，将前缘25a设为朝向下游侧凸出的曲线形状。即，也可以将前缘25a设为前缘25a的中央附近朝向下游侧凸出的弯曲形状。

流体具有在与前缘25a垂直的方向上流动的趋势，通过将前缘25a设为朝向下游凸出的形状，向回流板25流入的流体流在壁面附近显示出朝向壁面的趋势。朝向壁面的力抑制流体流从壁面剥离，因此减少了流体流的剥离所导致的损失。由此，能够进一步减小离心压缩机1的压力损失。

以上，参照附图详细叙述了本发明的实施方式，但具体结构不限定于该实施方式，也包括不脱离本发明的主旨的范围内的设计变更等。

例如，在上述的实施方式中，使用所谓封闭式叶轮作为叶轮，但也可以使用所谓开放式叶轮作为叶轮。

另外，本发明的离心旋转机械不限于上述实施方式的离心压缩机，能够适当地应用于其他结构。

工业实用性

该本发明能够应用于利用离心力压缩气体的离心压缩机等离心旋转机械。根据本发明，能够减少离心旋转机械的返回流路中的压力损失。

附图标记说明

1：离心压缩机

2：旋转轴

3：叶轮

4：流路

5：外壳

5a：套筒外壳

5b：轮毂外壳

7：轴颈轴承

8：推力轴承

9：吸入口

10：排出口

13：轮毂

14：叶片

15：套筒

17：压缩流路

18：流路

19：吸入部

20：扩散部

21：回转弯头部

21a：外侧弯曲面

21b：内周弯曲面

22：直通路

22a：套筒侧流路壁面

22b：轮毂侧流路壁面

23：弯角通路

25：回流板

25a：前缘

27：第一弯曲部

27a：第一内周弯曲面

28：第二弯曲部

28a：第二内周弯曲面

G：流体

O：轴线

R1：曲率半径

R2：曲率半径

W1：流路宽度

W2：流路宽度

Claims (4)

1.一种离心旋转机械，其特征在于，

具备：

旋转轴，其绕轴线旋转；

多个叶轮，其与所述旋转轴一起旋转，从而将流体送出；

外壳，其设置为包围所述旋转轴以及所述多个叶轮，并形成从前级侧的所述叶轮向后级侧的所述叶轮引导流体的返回流路；以及

回流板，其在所述返回流路中沿所述轴线的周向以隔开间隔的方式设置有多个，

所述返回流路具有回转弯头部，该回转弯头部将从前级的所述叶轮朝径向外侧送出的所述流体朝向径向内侧引导，

所述回转弯头部包括第一弯曲部、以及与所述第一弯曲部的下游侧连接的第二弯曲部，

所述第二弯曲部的所述径向内侧的壁面的曲率半径形成为比所述第一弯曲部的所述径向内侧的壁面的曲率半径大。

2.根据权利要求1所述的离心旋转机械，其特征在于，

所述回流板的前缘位于所述回转弯头部的所述第二弯曲部内。

3.根据权利要求2所述的离心旋转机械，其特征在于，

所述回流板的前缘随着朝向所述第二弯曲部的所述径向外侧的壁面而与所述第二弯曲部的所述径向内侧的壁面的法线方向相比向下游侧倾斜。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的离心旋转机械，其特征在于，

所述回转弯头部的出口处的流路宽度比所述回转弯头部的入口处的流路宽度大。