CN105283674A - 离心压缩机以及增压器 - Google Patents

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Abstract

在壳体(5)内的叶轮(13)的出口侧形成环状的扩压器(27)。在壳体(5)内的扩压器(27)的出口侧形成漩涡状的涡旋部(31)。在扩压器(27)的围板侧壁面(27s)与涡旋部(31)的壁面(31w)的边界(35)，向径向内侧凹下地形成有环状的凹部(37)。

Description

离心压缩机以及增压器
技术领域
本发明涉及利用离心力来压缩流体(包括空气等气体)的离心压缩机，尤其涉及离心压缩机中的扩压器的周边。
背景技术
近几年，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～专利文献3)。
一般的离心压缩机具备壳体。该壳体在内侧具有围板。在壳体内，能够绕其轴心旋转地设有叶轮。叶轮具备圆盘。该圆盘的毂部面从涡轮叶轮的轴向一侧朝向径向外侧延伸。在圆盘的毂部面，沿周向空开间隔地一体设有多个叶片。各叶片的前端缘沿壳体的围板延伸。
在壳体内的靠叶轮的出口侧，形成有使压缩了的流体(压缩流体)减速而升压的环状的扩压器(扩压流路)。并且，在壳体内的靠扩压器的出口侧，形成有与扩压器连通的涡旋部(涡旋流路)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-2305号公报
专利文献2：日本特开2006-220053号公报
专利文献3：日本特开2010-196542号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在离心压缩机的运转中，在扩压器的围板侧壁面的出口侧，产生随流路形状的急剧的变化而引起的流动的剥离(剥离漩涡)。另一方面，若流动的剥离发展，则扩压器的出口侧的有效流路面积减少。其结果，无法利用扩压器充分地使主流的流动减速，从而扩压器的静压恢复性能降低。并且，因扩压器的围板侧壁面的出口侧的流动的剥离所产生的低压部(堵塞部、低压区域、封闭区域)与涡旋内的主流的流动之间的碰撞(干涉)，在位于涡旋的下游侧的排出口(排出流路)内的流动中产生紊流，而离心压缩机的压缩机效率降低。
因此，本发明的目的在于提供能够解决上述的问题的离心压缩机以及增压器。
本发明的第一方案是一种离心压缩机，其利用离心力来压缩流体(包括空气等气体)，该离心压缩机的主旨在于，具备：壳体，其在内侧具有围板；叶轮，其能够旋转地设于上述壳体内；扩压器(扩压流路)，其形成于上述壳体内的上述叶轮的出口侧的径向外侧；涡旋部(涡旋流路)，其形成于上述壳体内的上述扩压器的出口侧，且与上述扩压器连通，在上述扩压器的围板侧壁面与上述涡旋部的壁面的边界(边界部)，向径向内侧凹下地形成有凹部。
此外，在本申请的说明书以及技术方案中，“设置”除了包括直接设置之外，还包括经由其它部件间接设置的意思，“一体设置”是包括一体形成的意思。并且，“轴向”是指叶轮的轴向，“径向”是指叶轮的径向。另外，“围板侧壁面”是指在向径向外侧延长壳体的围板而成的面侧存在的壁面。
本发明的第二方案是一种增压器，其主旨在于具备第一方案的离心压缩机。
发明的效果如下。
根据本发明，在上述离心压缩机的运转中，能够使上述扩压器的围板侧壁面的出口侧的剥离所产生的低压部、换言之使该剥离本身远离上述扩压器内的主流的流动。因此，能够抑制上述扩压器的出口侧的有效流路面积的减少，而能够利用上述扩压器充分地使主流的流动减速。并且，在上述扩压器的围板侧壁面的出口侧，能够使流动的剥离所产生的低压部的剥离远离上述涡旋部内的主流的流动。因此，能够缓和该低压部与上述涡旋部内的主流的流动之间的碰撞(干涉)，而能够抑制上述涡旋部的下游侧的主流的流动的紊流。由此，根据本发明，能够提高上述扩压器的静压恢复性能，并且能够实现上述离心压缩机的压缩机效率的提高。
附图说明
图1是图3中的向视部I的放大图。
图2(a)是图1中的向视部II的放大图，图2(b)以及图2(c)是表示凹部的不同形态的图。
图3是表示本发明的实施方式的离心压缩机等的正剖视图。
图4(a)是表示发明例的扩压器的周边的结构的示意图，图4(b)是表示比较例的扩压器的周边的结构的示意图。
图5(a)以及图5(b)是表示在大流量侧(阻气侧)的动作区域内生成低压部的区域的图，图5(a)是发明例的情况，图5(b)是比较例的情况。
图6(a)以及图6(b)是表示小流量侧(喘振侧)的动作区域内的涡旋部内以及扩压器内的静压分布的图，图6(a)是发明例的情况，图6(b)是比较例的情况。
图7是表示发明例以及比较例的情况下的流量与压缩机效率的关系的图。
具体实施方式
本发明基于以下说明的新的见解。
即，该新的见解是指，对于在扩压器27的围板侧壁面27s与涡旋部31的壁面31w之间的边界(边界部)35向径向内侧凹下地形成有环状的凹部37的情况(参照图4(a))，与未形成环状的凹部37的情况(参照图4(b))相比，如图5(a)、图5(b)所示，在离心压缩机的运转中，在围板侧壁面27s的靠扩压器27的出口27o侧，流动的剥离(剥离漩涡)所产生的低压部LP的一部分进入环状的凹部37内，由此能够使该低压部LP远离扩压器27内以及涡旋部31内的主流的流动(主流的流动中心线)。该低压部LP的一部分进入环状的凹部35内是指，除涡旋部31内的主流的流动本身之外，也考虑涡旋部31内(涡旋部31内的径向外侧部)与凹部35内之间的压力差所引起的。此外，图4(a)以及图4(b)中的符号27i表示与叶轮13的容纳室(参照图1)连通的扩压器27的入口。并且，凹部37不需要是连续的环状，例如也可以仅在低压部LP显著显现的、特定的周向的区域设置凹部。但是，在凹部37形成为环状的情况下，机械加工变得容易。
此处，图4(a)是表示发明例的扩压器27的周边的结构的示意图。图4(b)是表示比较例的扩压器27的周边的结构的示意图。图5(a)以及图5(b)是表示在大流量侧(阻气侧)的动作区域内生成低压部的区域的图，图5(a)是发明例的情况，图5(b)是比较例的情况。并且，生成低压部LP的区域通过数值流体解析(CFD：ComputationalFluidDynamics解析)而求出。另外，不仅在大流量侧的动作区域，在小流量侧(喘振侧)以及压缩机效率的峰值附近的动作区域内，也得到了相同的解析结果。
参照图1至图3对本发明的实施方式进行说明。此外，如附图所示，“L”是左方，“R”是右方。
如图1以及图3所示，本发明的实施方式的离心压缩机1用于增压器3，利用离心力来压缩空气。
离心压缩机1具备壳体(压缩机壳体)5。壳体5具备：在内侧具有围板7s的壳体主体7；以及设于该壳体主体7的右侧的密封板9。此外，密封板9与增压器3的其它的壳体(轴承壳体)11一体地连结。
在壳体5内，能够绕其轴心C旋转地设有叶轮(压缩机叶轮)13。叶轮13与旋转轴19的左端部一体地连结。旋转轴19经由多个推力轴承15以及多个(仅图示一个)径向轴承17而能够旋转地设于其它的壳体11。并且，叶轮13具备圆盘21。圆盘21具有毂部面21h。毂部面21h从左方(叶轮13的轴向一侧)向径向(叶轮13的径向)外侧延伸。另外，在圆盘21的毂部面21h，沿周向空开间隔地一体形成有相同轴长的多个叶片23。各叶片23的前端缘23t沿壳体主体7的围板7s延伸。此外，也可以使用不同轴长的多种叶片(省略图示)，来代替使用轴长相同的多个叶片23。
在壳体主体7的靠叶轮13的入口侧，形成有导入口(导入流路)25。导入口25向壳体5内导入空气。并且，导入口25与净化空气的空气净化器(省略图示)连接。在壳体5内的靠叶轮13的出口侧，形成有扩压器(扩压流路)27。扩压器27使压缩了的空气(压缩空气)减速而升压。扩压器27例如形成为环状。在壳体5内的叶轮13与扩压器27之间，形成有节流部(节流流路)29。节流部29的流路宽度沿主流的流动方向逐渐变小。节流部29例如形成为环状。节流部29与扩压器27连通。
在壳体5内的靠扩压器27的出口侧，形成有涡旋部(涡旋流路)31。涡旋部31形成为漩涡状。涡旋部31与扩压器27连通。涡旋部31的截面积的卷绕结束侧(下游侧)比卷绕开始侧(上游侧)大。在壳体主体7的适当位置，形成有排出口(排出流路)33。排出口33向壳体5的外侧排出被压缩了的空气。排出口33与涡旋部31连通，并且与发动机的进气歧管或者中间冷却器等发动机侧吸气配管(省略图示)连接。
如图1以及图2(a)所示，扩压器27的围板侧壁面27s以及毂部侧壁面27h分别相对于径向(叶轮13的径向)平行。此外，围板侧壁面27s是指位于向径向外侧延长壳体主体7的围板7s而成的面侧的壁面。毂部侧壁面27h是指位于向径向外侧延长圆盘21的毂部面21h而成的面侧的壁面。
在扩压器27的围板侧壁面27s与涡旋部31的壁面31w之间的边界(边界部)35，形成有环状的凹部37。凹部37向径向内侧凹下。在围板侧壁面27s的靠扩压器27的出口27o侧，产生由流动的剥离(剥离漩涡)导致的低压部LP。凹部37使该低压部LP的一部分进入其中。并且，图2(a)所示的凹部37的剖面形状呈V字形状，但凹部37的剖面形状不限定于此。即，凹部37的剖面形状能够适当地变更，如图2(b)所示地呈U字形状，或者如图2(c)所示地呈矩形形状等。另外，若环状的凹部37向径向内侧凹下形成，则凹部37的剖面中心线也可以相对于径向倾斜。
凹部37的开口宽度(入口宽度)α被设定为扩压器27的出口的流路宽度β的20～80％，优选被设定为40～70％(0.20～0.80倍，更优选为0.40～0.70倍)。将开口宽度α设定为流路宽度β的20％以上是因为，若不足20％，则凹部37的开口宽度α变小，而有低压部LP的一部分难以进入凹部37内的担忧。并且，将开口宽度α设定为扩压器27的出口的流路宽度β的80％以下是因为，若超过80％，则涡旋部31内的主流的流动的一部分流入凹部37内，而涡旋部31内与凹部37之间的压力差变小，其结果，有低压部LP的一部分难以进入凹部37内的担忧。
凹部37的凹下量δ被设定为凹部37的开口宽度α的0.5～5.0倍，优选被设定为2.0～3.0倍。将凹下量δ设定为开口宽度α的0.5倍以上是因为，若不足0.5倍，则即使低压部LP的一部分进入凹部37内，也有难以使该低压部LP远离扩压器27内以及涡旋部31内的主流的流动(主流的流动中心线)的担忧。并且，将凹下量δ设定为开口宽度α的5.0倍以下是因为，若超过5.0倍，则涡旋部31内的主流的流动的一部分流入凹部37内，凹部37的底侧的沉淀压力变高，由此有低压部LP的一部分难以进入凹部37内的担忧。
接着，对本发明的实施方式的作用以及效果进行说明。
通过利用增压器3的径向涡轮(省略图示)的驱动使叶轮13与旋转轴19一体地绕其轴心地旋转，而能够对从导入口25向壳体5内导入了的空气进行压缩。而且，压缩了的空气(压缩空气)由扩压器27减速并且升压，经由涡旋部31而从排出口33向壳体5的外侧排出。
在扩压器27的围板侧壁面27s与涡旋部31的壁面31w之间的边界35，向径向内侧凹下地形成有环状的凹部37。因此，当应用上述的新的见解时，在离心压缩机1的运转中(增压器3的运转中)，能够使在围板侧壁面27s的靠扩压器27的出口27o侧产生的流动的剥离(剥离漩涡)所产生的低压部LP的一部分进入环状的凹部37内。其结果，能够使该低压部LP远离扩压器27内以及涡旋部31内的主流的流动(主流的流动中心线)。换言之，能够使该低压部LP向不阻碍扩压器27内以及涡旋部31内的主流的流动的位置位移。
因此，根据本发明的实施方式，在离心压缩机1的运转中，能够使围板侧壁面27s的靠扩压器27的出口27o侧的流动的剥离所产生的低压部LP、换言之使该剥离本身远离扩压器27内的主流的流动。因此，能够抑制扩压器27的出口27o侧的有效流路面积的减少。因此，能够利用扩压器27充分地使主流的流动减速。并且，能够使围板侧壁面27s的靠扩压器27的出口27o侧的流动的剥离所产生的低压部LP的剥离远离涡旋部31内的主流的流动。因此，能够缓和该低压部LP与涡旋部31内的主流的流动之间的碰撞(干涉)，而能够抑制位于涡旋部31的下游侧的排出口33内的主流的流动的紊流。由此，根据本发明，能够提高扩压器27的静压恢复性能，并且能够实现离心压缩机1的压缩机效率的提高。
此外，本发明不限定于上述的实施方式的说明，例如能够将应用于离心压缩机1的技术思想用于燃气轮机、工业用空气设备等，或者在扩压器27沿周向空开间隔地配设多个扩压器叶片(省略图示)等，以其它各种形态实施。并且，本发明所包括的权利范围不限定于这些实施方式。
实施例
参照图6(a)、图6(b)以及图7对本发明的实施例进行说明。
相对于发明例(参照图4(a))以及比较例(图4(b)参照)，对于小流量侧(喘振侧)的动作区域内的涡旋部内以及扩压器内的静压分布进行了数值流体解析。其结果，确认到图6(a)所示的发明例与图6(b)所示的比较例相比，更加能够整体上提高涡旋部内的静压。换言之，确认到能够提高扩压器的静压恢复性能。并且，不仅在小流量侧的动作区域，在大流量侧以及压缩机效率的峰值附近的动作区域内也能够得到相同的解析结果，但对此省略了图示。此外，图6(a)以及图6(b)中的数值是使涡旋部内的静压无纲量化而得出的。
对发明例(参照图4(a))以及比较例(参照图4(b))中的流量与压缩机效率的关系进行了数值流体解析。其结果，确认到如图7所示，发明例与比较例相比，在从小流量侧至大流量侧的大的动作区域内更加提高压缩机效率。

Claims (6)

1.一种离心压缩机，利用离心力来压缩流体，其特征在于，具备：
壳体，其在内侧具有围板；
叶轮，其能够旋转地设于上述壳体内；
扩压器，其形成于上述壳体内的上述叶轮的出口侧的径向外侧；以及
涡旋部，其形成于上述壳体内的上述扩压器的出口侧，且与上述扩压器连通，
在上述扩压器的围板侧壁面与上述涡旋部的壁面的边界，向径向内侧凹下地形成有凹部。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
上述凹部的开口宽度被设定为上述扩压器的出口的流路宽度的20％以上。
3.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
上述凹部的凹下量被设定为上述凹部的开口宽度的0.5倍以上。
4.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，
上述凹部的凹下量被设定为上述凹部的开口宽度的0.5倍以上。
5.根据权利要求1～4任一项中所述的离心压缩机，其特征在于，
上述凹部形成为环状。
6.一种增压器，其特征在于，
具备权利要求1～5任一项中所述的离心压缩机。
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