CN105264236B - 离心压缩机及增压器 - Google Patents

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Abstract

扩散器(43)具有环状的平行部(49)以及在平行部(49)的半径方向内侧连续地形成的环状的节流部(51)。节流部(51)的壁面(51s)包含：使扩散器(43)的流路面积最小的流路面积最小部(51e)；以及比流路面积最小部(51e)靠近压缩机叶轮(35)的出口侧并向扩散器(43)的流路突出的环状的凸部(53)。

Description

离心压缩机及增压器
技术领域
本发明涉及利用离心力对空气等流体进行压缩的离心压缩机等。
背景技术
近年，对于在增压器、燃气轮机、工业用空气设备等中使用的离心压缩机进行了各种研究开发(参照专利文献1及专利文献2)。
一般的离心压缩机具备压缩机壳。该压缩机壳在内侧具有套罩。在压缩机壳内绕其轴心可旋转地设有压缩机叶轮。压缩机叶轮具备轮毂(压缩机盘)。该轮毂的轮毂面从轴向一端侧(压缩机叶轮的轴向一端侧)向半径方向(压缩机叶轮的半径方向)外侧延伸。另外，在轮毂面上，多个压缩机叶片沿周向隔开间隔地一体设置，各压缩机叶片的顶端缘沿着压缩机壳的套罩延伸。
在压缩机壳上的压缩机叶轮的入口侧(上游侧)形成有流体引入口(流体引入流路)，其用于将空气等流体引入压缩机壳内。另外，在压缩机壳内的压缩机叶轮的出口侧(下游侧)形成有环状的扩散器(扩散器流路)，其使压缩的流体(压缩空气等压缩流体)减速并升压。并且，静压回复性高的扩散器通常具有：环状的平行部(并行部)；以及在平行部的半径方向内侧连续地形成的环状的节流部。在平行部上，位于套罩侧的壁面及位于轮毂侧的壁面相对于半径方向平行(并行)地设置。另一方面，在节流部上，位于套罩侧的壁面朝向半径方向外侧逐渐接近位于轮毂侧的壁面。
在压缩机壳内的扩散器的出口侧与扩散器连通地形成有涡旋状的压缩机涡管(压缩机涡管流路)。并且，在压缩机壳的适当位置上与压缩机涡管连通地形成有流体排出口(流体排出流路)，其用于将压缩的流体排出到压缩机壳的外侧。
另外，本发明的相关先行技术如专利文献1、专利文献2和专利文献3所示。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2013－199941号公报
专利文献2：日本特开2007－309169号公报
专利文献3：日本专利第5050511号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，近年来为了避免离心压缩机的大流量侧的工作区域上的压缩机性能降低、并抑制离心压缩机的脉动，使离心压缩机的工作区域向小流量侧扩大的需求正日益强烈。
为此，本发明的目的是提供一种能够满足上述需求的离心压缩机等。
用于解决课题的方法
本发明的第一方式是一种离心压缩机，其特征在于，具备：壳，其在内侧具有套罩；叶轮，其能够旋转地设置在上述壳内；流体的引入口，其与上述叶轮的入口侧连通；扩散器，其与上述叶轮的出口侧连通；上述流体的排出口；以及涡旋状的涡管，其使从上述叶轮经由上述扩散器流出的流体向上述排出口流通，上述扩散器包含：第一壁，其向半径方向外侧延伸；以及第二壁，其包含从上述套罩朝向上述半径方向外侧以逐渐接近上述第一壁的方式延伸的锥面以及从上述锥面朝向上述半径方向外侧以与上述第一壁平行的方式延伸的平行面，上述第二壁的上述锥面包含：流路面积最小部，其与上述第一壁一起使上述扩散器的流路面积最小；以及凸部，其与上述锥面一体地形成且比上述流路面积最小部靠近上述叶轮的上述出口侧，并具有向上述扩散器的流路突出的曲面。
另外，在本申请的说明书及专利请求范围内，所谓“流体”是包含空气等气体的意思，“设置”是除了直接设置以外也包含介由其它部件间接设置的意思，“一体设置”是包含一体形成的意思。并且，所谓“轴向”是指压缩机叶轮的轴向，“半径方向”是指压缩机叶轮的半径方向。并且，所谓“套罩侧壁面”是指位于使压缩机壳的套罩向半径方向外侧延长的一面侧的壁面，“轮毂侧壁面”是指位于使压缩机盘的轮毂面向半径方向外侧延长的一面侧的壁面，“子午面”是指包含压缩机叶轮的轴心的平面。另外，所谓“上游”是指从流体的主流的流动方向观察时的上游，“下游”是指从流体的主流的流动方向观察时的下游。
本发明的第二方式是一种增压器，其利用来自发动机的废气的压力能，对向上述发动机侧供给的空气进行增压，上述增压器的特征在于，具备第一方式的离心压缩机。
发明的效果
根据本发明，能够充分确保离心压缩机的阻塞流量，并能够在离心压缩机的小流量侧的工作区域上，抑制在压缩机叶轮的上游侧生成的逆流区域的扩大。因此，能够避免离心压缩机的大流量侧的工作区域上的压缩机性能降低、并抑制离心压缩机的脉动，能够使离心压缩机的工作区域进一步向小流量侧扩大。
附图说明
图1是图3的向视部I的放大图，示出了本发明实施方式的离心压缩机中的扩散器。
图2(a)及图2(b)是表示本发明实施方式的离心压缩机中的扩散器的变形例的图。
图3是本发明实施方式的离心压缩机的正剖视图(子午面视图)。
图4是本发明实施方式的车辆用增压器的正剖视图。
图5(a)是表示发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的扩散器结构的子午面视图，图5(b)是表示发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的扩散器的半径方向位置与流路面积的关系的图。
图6是表示在小流量侧的工作区域上在压缩机叶轮的上游侧生成的逆流区域的图。
图7是表示发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的流量与压力比的关系的图。
具体实施方式
本发明基于新得到的如下见解。
图5(a)是表示发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的扩散器43及其周围结构的子午面视图，示出了数值流体(CFD：Computational Fluid Dynamics)解析中假想设定的流路。图5(b)是表示发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的扩散器的半径方向位置与流路面积的关系的图。图中的“D1”表示轴向、“D2”表示半径方向。另外，图中的F表示流体的主流的流动方向。
在图5(a)中如实线所示，发明例的扩散器43具备节流部51，其具有突出地形成有凸部53的套罩侧壁面51s(43s)。凸部53的表面具有曲面形状。并且，子午面上的凸部53的半径方向外侧的端缘，形成有切线方向不连续地变化的不连续点。
另一方面，在图5(a)中如双点划线所示，以往例的扩散器43的节流部51具有未形成凸部53的套罩侧壁面51c。并且，在图5(a)中如虚线所示，比较例的扩散器43的节流部51具有套罩侧壁面51p，而该套罩侧壁面51p没有凸部53且形成为与以往例的情况相比节流部51的流路宽度以与发明例的凸部53的突出量相当的程度变窄。另外，除了套罩侧壁面以外的形状在发明例、以往例及比较例中是共通的。并且，如图5(b)所示，扩散器43的流路面积在各例中都是在节流部51的出口或节流部的出口的近前侧最小。
图6示出了针对假想设定了图5(a)所示的发明例、以往例及比较例的各流路的离心压缩机的数值流体解析的结果。具体而言，图6示出了压缩机叶轮在小流量侧的工作区域上动作时的、在压缩机叶轮的上游侧生成的逆流区域。另外，在图6中，“P1”是发明例的逆流区域的末端、“P2”是以往例的逆流区域的末端、“P3”是比较例的逆流区域的末端。
如图6所示，由该解析结果可见，与以往例及比较例相比，发明例的离心压缩机能够抑制在小流量侧的工作区域上在压缩机叶轮35的上游侧生成的逆流区域的扩大。这可以认为是由于凸部53的上游侧部分(从凸部的顶点部分到半径方向外侧的端缘的部分)阻挡(拦阻)了扩散器43的套罩壁面51s(43s)侧的逆流的一部分。
参照图1至图4对本发明的一个实施方式进行说明。另外，如图所示，“L”为左方向、“R”为右方向、“D1”为轴向、“D2”为半径方向。
如图4所示，本实施方式的增压器1利用来自发动机(省略图示)的废气(气体的一个例子)的压力能，对向发动机供给的空气进行增压(压缩)。增压器1例如搭载于车辆。
增压器1具备轴承壳3。在轴承壳3内设有一对径向轴承5及一对推力轴承7。在多个轴承5、7上能够旋转地设置沿左右方向延伸的转子轴(旋转轴)9。换言之，在轴承壳3上介由多个轴承5、7能够旋转地设有转子轴9。
在轴承壳3的右侧配设有利用废气的压力能而产生旋转力(旋转力矩)的径流式涡轮11。
在轴承壳3的右侧设有涡轮壳13。涡轮壳13在内侧具有套罩13s。并且，在涡轮壳13内绕其轴心(涡轮叶轮15的轴心、换言之即转子轴9的轴心)C能够旋转地设有涡轮叶轮15。涡轮叶轮15在转子轴9的右端部同心地一体连结。涡轮叶轮15具备涡轮盘17。涡轮盘17的轮毂面17h从右侧向半径方向外侧(涡轮叶轮15的半径方向外侧)延伸。另外，在涡轮盘17的轮毂面17h上沿周向隔开间隔地一体形成有多个涡轮叶片19。各涡轮叶片19的顶端缘(外缘)19t沿着涡轮壳13的套罩13s延伸。
在涡轮壳13的适当位置形成有排气引入口(排气引入流路)21，其用于将废气引入涡轮壳13内。排气引入口21与发动机的排气总管(省略图示)连接。并且，在涡轮壳13内部的涡轮叶轮15的入口侧(从废气的主流的流动方向观察时的上游侧)形成有涡旋状的涡轮涡管(涡轮涡管流路)23。涡轮涡管23与排气引入口21连通。在涡轮壳13上的涡轮叶轮15的出口侧(从废气的主流的流动方向观察时的下游侧)形成有将废气排出的排气排出口(排气排出流路)25。排气排出口25介由连接管(省略图示)与废气净化装置(省略图示)连接。
如图3及图4所示，在轴承壳3的左侧配设有利用离心力对空气进行压缩的离心压缩机27。
在轴承壳3的左侧设有压缩机壳29。压缩机壳29具备：在内侧具有套罩31s的壳主体31；以及在该壳主体31的右侧设置且与轴承壳3的左侧部一体连结的环状的密封板33。在压缩机壳29内绕其轴心(压缩机叶轮35的轴心、换言之即转子轴9的轴心)C能够旋转地设有压缩机叶轮35。压缩机叶轮35在转子轴9的左端部同心地一体连结。压缩机叶轮35具备与转子轴9的左端部一体连结的轮毂(压缩机盘)37。轮毂37的轮毂面37h从左侧(转子轴9(换言之是压缩机叶轮35)的轴向一端侧)向半径方向(压缩机叶轮35的半径方向)外侧延伸。另外，在轮毂面37h上沿周向隔开间隔地一体形成有多个压缩机叶片39。各压缩机叶片39的顶端缘(外缘)39t沿着壳主体31的套罩31s延伸。另外，除了多个压缩机叶片39之外，还可以在轮毂面37h上设置轴长比压缩机叶片39短的多个压缩机叶片(省略图示)。该情况下，轴长短的压缩机叶片沿周向与压缩机叶片39交替地配置排列并与轮毂面37h一体形成。
在压缩机壳29上的压缩机叶轮35的入口侧(从空气的主流的流动方向观察时的上游侧)，形成有用于将空气引入压缩机壳29内的流体引入口即空气引入口(空气引入流路)41。空气引入口41与净化空气的空气清洁器(省略图示)连接。在压缩机壳29内的压缩机叶轮35的出口侧(从空气的主流的流动方向观察时的下游侧)，形成有使被压缩的空气升压的环状的扩散器(扩散器流路)43。另外，在压缩机壳29的内部形成有涡旋状的压缩机涡管(压缩机涡管流路)45。压缩机涡管45与扩散器43连通。并且，在压缩机壳29的适当位置形成有作为流体排出口的空气排出口(空气排出流路)47，其用于将被压缩的空气排出到压缩机壳29的外侧。空气排出口47与压缩机涡管45连通并与发动机的吸气总管(省略图示)连接。
接下来，对本实施方式的扩散器43的结构进行说明。
如图1所示，扩散器43具有：环状的平行部(并行部)49；以及在该平行部49的半径方向内侧连续地形成且对压缩的空气进行整流的环状的节流部51。
平行部49具有：位于轮毂37侧的壁面(轮毂侧壁面)49h；以及位于套罩31s侧的壁面(套罩侧壁面)49s。壁面49h和壁面49s相对于半径方向(压缩机叶轮35的半径方向)平行(并行)地配置。换言之即平行部49设置为其流路宽度w沿着半径方向保持一定。
节流部51具有：位于轮毂37侧的壁面(轮毂侧壁面)51h；以及位于套罩31s侧的壁面(套罩侧壁面)51s。壁面51h与半径方向平行地配置。另一方面，壁面51s从套罩31s朝向半径方向外侧以逐渐接近壁面51h的方式延伸。换言之，即节流部51形成为其流路宽度w朝向半径方向外侧逐渐变小。另外，子午面上的壁面51s呈平缓的曲线状。
平行部49的壁面49h在节流部51的出口51e与节流部51的壁面51h连接。并且，壁面49h及壁面51h位于同一平面上。即，壁面49h及壁面51h构成了位于轮毂37侧且向半径方向外侧延伸的第一壁即扩散器43的壁面43h或其一部分。
平行部49的壁面49s也在节流部51的出口51e与节流部51的壁面51s(半径方向外侧的端缘51so)连接。并且，壁面51s也与套罩31s连接。因此，壁面49s及壁面51s构成了位于套罩31s侧并与第一壁一起形成流路的第二壁即扩散器43的壁面43s或其一部分。具体而言，壁面49s形成了从壁面51s朝向半径方向外侧与扩散器43的壁面(第一壁)43h平行地延伸的平行面。另一方面，壁面51s形成了从套罩31s朝向半径方向外侧以逐渐接近扩散器43的壁面(第一壁)43h的方式延伸的锥面。
扩散器43构成为使节流部51的出口51e、换言之即平行部49的入口49g的流路面积最小。另外，也可以不是节流部51的出口51e的流路面积最小，而构成为使节流部51的出口51e的近前侧(从空气的主流的流动方向观察时的正上游侧)的流路面积最小。即，节流部51的壁面51s(第二壁的锥面)在设有后述的凸部53的区域以外的区域上，含有与扩散器43的壁面(第一壁)一起使扩散器43的流路面积最小的流路面积最小部。另外，凸部53比流路面积最小部靠近压缩机叶轮35的出口侧。例如，节流部51的出口51e(平行部49的入口49g)相当于该流路面积最小部。
在节流部51的壁面51s上的半径方向内侧的端缘51si侧形成有凸部53。凸部53朝向扩散器43的流路突出。并且，凸部53例如绕压缩机叶轮35的轴心形成环状。子午面上的凸部53的表面53f呈平缓的曲面形状。在本实施方式中，子午面上的凸部53的半径方向外侧的端缘53o及半径方向内侧的端缘53i分别形成了切线方向不连续地变化的不连续点。凸部53上的半径方向外侧的端缘53o比节流部51的壁面51s的半径方向的中央位置(中心位置)51sm靠近半径方向内侧。
凸部53上的半径方向内侧的端缘53i，与节流部51的壁面51s上的半径方向内侧的端缘51si一致。并且设定为，子午面上的凸部53的表面53f的平均曲率半径，比子午面上的节流部51的壁面51s的平均曲率半径小。这里，所谓平均曲率半径是指，在曲面(子午面上的凸部53的表面53f、子午面上的节流部51的壁面51s)具有一个曲率半径的情况下则是该曲率半径，而在曲面具有多个曲率半径的情况下则是多个曲率半径的平均值。
另外，子午面上的节流部51的壁面(锥面)51s也可以不呈曲线状。例如图2(a)所示，壁面51s也可以呈直线形状。并且，凸部53上的半径方向内侧的端缘53i也可以不与壁面51s上的半径方向内侧的端缘51si一致。例如图2(b)所示，端缘53i也可以位于节流部51的壁面51s上的半径方向内侧的端缘51si的半径方向外侧。
另外，凸部53的端缘53o也可以不形成不连续点，而是向壁面51s弯曲并与壁面51s平滑地连接。这种情况对于端缘53i也是同样的。并且，壁面51s的端缘51si既可以形成不连续点而与套罩31s连接(参照图1)，也可以不形成不连续点而是向套罩31s弯曲并与套罩31s平滑地连接。
对本实施方式的作用及效果进行说明。
废气被从排气引入口21引入涡轮壳13内，并经由涡轮涡管23从涡轮叶轮15的入口侧向出口侧流通。于是，利用废气的压力能而产生旋转力(旋转力矩)，涡轮叶轮15、转子轴9及压缩机叶轮35一体地旋转。由此，空气被从空气引入口41引入压缩机叶轮35侧，并在通过扩散器43时被压缩。被压缩的空气经由压缩机涡管45从空气排出口47排出而向发动机供给。能够利用上述一系列的工序使空气在发动机中增压。另外，向涡轮叶轮15的出口侧流通的废气，被从排气排出口25排出到涡轮壳13的外侧。
在节流部51的壁面51s的半径方向内侧的端缘51si侧突出地形成有凸部53。因此，由上述的新见解可知，能够在离心压缩机27的小流量侧的工作区域抑制空气的逆流，并能够抑制在压缩机叶轮35的上游侧生成的逆流区域的扩大。
凸部53的半径方向外侧的端缘53o比节流部51的壁面51s的半径方向的中央位置51sm靠近半径方向内侧，且子午面上的凸部53的表面53f的平均曲率半径被设定为，比子午面上的节流部51的壁面51s的平均曲率半径小。因此，能够利用凸部53的上游侧部分(从顶点部分到半径方向外侧的端缘53o的部分)有效地阻挡扩散器43的套罩壁面43s侧的逆流的一部分。由此，能够在离心压缩机27的小流量侧的工作区域上，充分地抑制在压缩机叶轮35的上游侧生成的逆流区域的扩大。
扩散器43构成为使节流部51的出口51e或节流部51的出口51e的近前侧的流路面积最小。换言之，即节流部51的壁面51s在设有凸部53的区域以外的区域上，含有与节流部51的壁面51h一起使扩散器43的流路面积最小的流路面积最小部，并且凸部53比该流路面积最小部靠近压缩机叶轮35的出口侧。因此，即使在节流部51的壁面51s上突出地形成有凸部53，也不会因凸部53而缩小扩散器43的最小流路面积，能够充分确保离心压缩机27的阻塞流量。
如上所述，根据本发明的实施方式，能够充分确保离心压缩机27的阻塞流量，并能够在离心压缩机27的小流量侧的工作区域上，充分地抑制在压缩机叶轮35的上游侧生成的逆流区域的扩大。因此，不会降低离心压缩机27的大流量侧的工作区域上的压缩机性能，且能够抑制离心压缩机27的脉动，使离心压缩机27的工作区域进一步向小流量侧扩大。换言之，即不会降低车辆用增压器1的大流量侧的工作区域上的压缩机性能，且能够抑制车辆用增压器1的脉动，使车辆用增压器1的工作区域进一步向小流量侧扩大。
另外，本发明不限于上述实施方式的说明，例如能够以将车辆用增压器1中的离心压缩机27所适用的技术思想适用于燃气轮机、工业用空气设备等中的离心压缩机(省略图示)，或者在扩散器43上将多个扩散器翼片(省略图示)沿周向隔开间隔地设置等各种方式进行实施。并且，本发明所属权利范围不限于上述实施方式。
实施例
参照图7对本发明的实施例进行说明。
对上述发明例的情况、以往例的情况及比较例的情况中的流量与压力比的关系进行了数值流体解析。其结果如图7所示，可以确认发明例的情况与以往例的情况及比较例的情况相比能够使离心压缩机的工作区域OR进一步向小流量侧扩大。
符号说明
D1：轴向；D2：半径方向；1：增压器(车辆用增压器)；3：轴承壳；9：转子轴；11：径流式涡轮；13：涡轮壳；15：涡轮叶轮；17：涡轮盘；19：涡轮叶片；27：离心压缩机；29：压缩机壳；31：壳主体；31s：壳主体的套罩；33：密封板；35：压缩机叶轮；37：轮毂(压缩机盘)；37h：轮毂面；39：压缩机叶片；41：空气引入口(流体引入口)；43：扩散器；43h：扩散器的轮毂侧壁面(第一壁)；43s：扩散器的套罩侧壁面(第二壁)；45：压缩机涡管；47：空气排出口(流体排出口)；49：平行部；49g：平行部的入口；49h：平行部的轮毂侧壁面(第一壁)；49s：平行部的套罩侧壁面(第二壁、平行面)；51：节流部；51e：节流部的出口(流路面积最小部的一个例子)；51h：节流部的轮毂侧壁面(第一壁)；51s：节流部的套罩侧壁面(第二壁、锥面)；51si：节流部的套罩侧壁面的半径方向内侧的端缘；53：凸部；53f：凸部的表面；53i：凸部的半径方向内侧的端缘；53o：凸部的半径方向外侧的端缘。

Claims (4)

1.一种离心压缩机，其特征在于，具备：
壳，其在内侧具有套罩；
叶轮，其能够旋转地设置在上述壳内；
流体的引入口，其与上述叶轮的入口侧连通；
扩散器，其与上述叶轮的出口侧连通；
上述流体的排出口；以及
涡旋状的涡管，其使从上述叶轮经由上述扩散器流出的流体向上述排出口流通，
上述扩散器包含：
第一壁，其向半径方向外侧延伸；以及
第二壁，其包含从上述套罩朝向上述半径方向外侧以逐渐接近上述第一壁的方式延伸的锥面，以及从上述锥面朝向上述半径方向外侧以与上述第一壁平行的方式延伸的平行面，
上述第二壁的上述锥面包含：
流路面积最小部，其与上述第一壁一起使上述扩散器的流路面积最小；以及
凸部，其与上述锥面一体地形成且比上述流路面积最小部靠近上述叶轮的上述出口侧，并具有朝向上述扩散器的流路从上述锥面突出的曲面。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
在包含上述叶轮的轴心的剖面上，上述凸部的平均曲率半径比上述第二壁的上述锥面的平均曲率半径小。
3.根据权利要求1或2所述的离心压缩机，其特征在于，
上述凸部的上述半径方向外侧的端缘，比上述锥面的上述半径方向的中央位置靠近上述半径方向内侧。
4.一种增压器，其利用来自发动机的废气的压力能，对向上述发动机侧供给的空气进行增压，上述增压器的特征在于，
具备权利要求1至3中任一项所述的离心压缩机。
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