CN105408638B - 离心压缩机以及增压器 - Google Patents

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Abstract

离心压缩机(1)具备：外壳(5)；能够旋转地设置在外壳(5)内的叶轮(13)；使压缩的空气减速并升压的扩散器(25)；以及设置于叶轮(13)与扩散器(25)之间的节流部(27)。扩散器(25)的内周缘(25i)的中心(25ic)从叶轮(13)的轴心(13c)向区域(PA)偏心。

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对包含空气等气体的流体进行压缩的离心压缩机以及增压器。
背景技术
近年，对于增压器、燃气轮机、工业用空气设备等所使用的离心压缩机正在进行多种研究开发(参照专利文献1至专利文献3)。
一般的离心压缩机具备外壳。该外壳在内侧具有护罩。在外壳内，叶轮以绕其轴心能够旋转的方式设置。叶轮具备圆盘。该圆盘的轮毂面从涡轮叶轮的轴向一方侧朝向径向外侧延伸。再有，在圆盘的轮毂面沿周向空开间隔而一体地设置有多个叶片。各叶片的前端缘以沿着外壳的护罩的方式延伸。
在外壳的叶轮的入口侧，形成有用于将流体向外壳内导入的导入流道(导入口)。另外，在外壳内的叶轮的出口侧，形成有使压缩的流体减速并升压的环状的扩散器(扩散流道)。此外，叶轮的入口侧以及出口侧分别是指从主流的流动方向观察的上游侧以及下游侧。
在外壳内叶轮与扩散器之间设置有节流部。节流部形成为与扩散器连通。另外，节流部的流道宽度沿着主流的流动方向逐渐变小。在外壳内的扩散器的出口侧，涡状的涡旋部(涡旋流道)与扩散器连通地形成。而且，在外壳的适当位置，用于将压缩的流体向外壳的外侧排出的排出流道(排出口)与涡旋部连通地形成。此外，排出流道与涡旋部的起绕侧被外壳的舌部分隔。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2012－246931号公报
专利文献2：日本特开2012－197749号公报
专利文献3：日本特开2011－89490号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在模拟实际的运行条件的试验中，在测定扩散器的出口静压时，如图4所示，确认扩散器的出口静压的周向的变动虽然在大流量侧(阻流侧)较小，但在小流量侧(波动侧)变大。具体来说，在假定以通过舌部的前端与叶轮的轴心的线为基准线的情况下，小流量侧的扩散器的出口静压在叶轮的旋转方向上从基准线开始30～135度附近的区域变高，在从基准线开始210～315度附近的区域变低。换句话说，确认了小流量侧的扩散器的出口静压在叶轮的旋转方向上在位于比舌部的前端更靠正前侧的区域(第一区域)变高，在隔着叶轮的轴心而位于第一区域的相反一侧的区域(第二区域)变低。假设小流量侧的扩散器的出口静压的周方向的变动进一步变大，则这成为触发而引起离心压缩机的波动。在这种状况下，难以使离心压缩机的工作区域向小流量侧扩大。
此外，图4是表示叶轮的旋转方向的偏离上述基准线的角度位置与扩散器的出口静压的回复率(相对于叶轮的入口全压的扩散器的出口静压的比率)的关系的图。
本发明的目的在于提供能够降低小流量侧的扩散器的出口静压的周向的变动的离心压缩机以及增压器。
用于解决课题的方法
本发明的第一方案为利用离心力来压缩流体的离心压缩机，其主要内容为，具备：在内侧具有护罩的外壳；能够旋转地设置在上述外壳内的叶轮；设置于上述外壳的上述叶轮的入口侧，将流体导入上述外壳内的导入流道；设置于上述外壳内的上述叶轮的出口侧的环状的扩散器；在上述叶轮与上述扩散器之间与上述扩散器连通地设置，并具有沿主流的流动方向逐渐变小的流道宽度的环状的节流部；在上述扩散器的出口侧与上述扩散器连通地设置的涡状的涡旋部；与上述涡旋部的终绕侧连通地设置，将流体向上述外壳的外侧排出的排出流道；以及分隔上述排出流道与上述涡旋部的起绕侧之间的舌部，上述扩散器的流道长度从第一区域到第二区域而增加，所述第一区域位于上述涡旋部的上述起绕侧，所述第二区域隔着上述叶轮的轴心而位于与上述第一区域相反一侧且位于比上述第一区域更靠上述终绕侧。
此外，本申请的说明书或方案中，所谓的“设置”是包含直接地设置的意思，除此之外还包含经过其他部件间接地设置的意思，所谓“一体地设置”是包含一体形成的意思。另外，所谓“轴向”是指叶轮的轴向，所谓“径向”是指叶轮的径向。
本发明的第二方案为增压器，其主要内容为具备第一方案的离心压缩机。
发明的效果
根据本发明，能够抵消小流量侧的上述扩散器的出口静压相关的倾向，并能够降低小流量侧的上述扩散器的出口静压的周向的变动。因此，能够充分地抑制上述离心压缩机的浪涌，从而使上述离心压缩机的工作区域向小流量侧扩大。
附图说明
图1是沿图3的I－I线的剖视图。
图2是表示扩散器与叶轮的关系的图1的部分放大图。
图3是表示本发明的实施方式的离心压缩机的正剖视图。
图4是表示叶轮的旋转方向的角度位置与扩散器的出口静压的回复率的关系的图。
具体实施方式
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”为左方向，“R”为右方向。
离心压缩机利用离心力对空气进行压缩。如图1以及图3所示，本实施方式的离心压缩机1用于增压器3。
离心压缩机1具备外壳(压缩机外壳)5。外壳5具备在内侧具有护罩7s的外壳主体7和设置在外壳主体7的右侧且抑制空气的泄露的密封板9。密封板9一体地连结于增压器3的其他的外壳(轴承外壳)11。
在外壳5内，叶轮(压缩机叶轮)13以能够绕其轴心13c旋转的方式设置。叶轮13一体地连结于通过多个轴承(省略图示)能够旋转地设置于外壳11的旋转轴15的左端部。另外，叶轮13具备圆盘17。圆盘17的轮毂面17h从左方向(叶轮13的轴向一方侧)向径向(叶轮13的径向)外侧延伸。在圆盘17的轮毂面17h上，在周向空开间隔地一体形成有多个长叶片(full blades、long blades)19。各长叶片19的前端缘19t以沿外壳主体7的护罩7s的方式延伸。再有，在周向上相邻的长叶片19间，短叶片(splitter blades、short blades)21一体地设置于轮毂面17h。短叶片21比长叶片19轴长短。另外，各短叶片21的前端缘21t以沿外壳主体7的护罩7s的方式延伸。此外，代替使用轴长不同的叶片(长叶片19以及短叶片21)，也可以使用相同轴长的叶片(省略图示)。
在外壳主体7的叶轮13的入口侧(从主流的流动方向观察为上游侧)形成有导入流道(导入口)23。导入流道23将空气导入外壳5内。导入流道23与净化空气的空气净化器(省略图示)连接。另外，在外壳5内的叶轮13的出口侧(从主流的流动方向观察为下游侧)形成有扩散器(扩散流道)25。扩散器25形成为环状，使压缩的空气减速并升压。扩散器25包含由外壳主体7的一部分构成的护罩侧壁面25s和由密封板9的一部分构成的轮毂侧壁面25h。此外，所谓护罩侧壁面25s是指位于将外壳主体7的护罩7s向径向外侧延长的面侧的壁面，所谓轮毂侧壁面25h是指位于将圆盘17的轮毂面17h向径向外侧延长的面侧的壁面。
在外壳5内的叶轮13与扩散器25之间形成有节流部(节流流道)27。节流部27与扩散器25连通。轴向的节流部27的流道宽度沿主流的流动方向逐渐变小。另外，在外壳5内的扩散器25的出口侧，形成有涡状的涡旋部(涡旋流道)29。涡旋部29与扩散器25连通。涡旋部29的截面积，终绕侧(下游侧)比起绕侧(上游侧)大。而且，在外壳主体7的适当位置形成有排出流道(排出口)31。排出流道31将压缩的空气向外壳5的外侧吐出。排出流道31与涡旋部29的终绕侧连通。另外排出流道31与引擎的吸气歧管(省略图示)连接。此外，排出流道31与涡旋部29的起绕侧之间被外壳主体7的舌部33分隔。
如图1至图3所示，扩散器25的外周缘25o位于与叶轮13同心上。另外，扩散器25的内周缘25i(节流部27的外周缘)的中心(轴心)25ic相对于叶轮13的轴心13c，向从叶轮13的旋转方向RD观察相比舌部33的前端33t朝向位于正前侧的区域(正前侧区域，第一区域)PA的方向(区域PA侧)偏心。换句话说，扩散器25的流道长度(径向长度)m从区域PA到以叶轮13的轴心13c为中心而位于区域PA的相反侧的区域(相反区域，第二区域)CA逐渐变大。再换句话说，扩散器25的区域PA位于涡旋部29的起绕侧。另一方面，扩散器25的区域CA隔着叶轮13的轴心13c位于与区域PA相反一侧且位于比区域PA更靠涡旋部29的终绕侧。扩散器25的流道长度从该区域PA到区域CA而增加。
在此，假定以通过舌部33的前端33t与叶轮13的轴心13c的线为基准线VL，对于任意的位置，将旋转方向RD的偏离基准线VL的角度定义为偏心角度，将偏离轴心13c的距离定义为偏心量。在该定义下，扩散器25的内周缘25i的中心25ic的偏心角度θ设定为45～115度。在该设定的范围中，相比其他的范围，容易得到扩散器25的区域PA的静压回复率(静压上升率)的抑制和扩散器25的相反区域CA的静压回复率的提高。
在上述的定义下，扩散器25的内周缘25i的中心25ic的偏心量e设定为叶轮13的最大直径d的3～8％。将扩散器25的内周缘25i的中心25ic的偏心量e设定在叶轮13的最大直径d的3％以上，是为了充分发挥抑制扩散器25的区域PA的静压回复率的作用以及提高扩散器25的区域CA的静压回复率的作用。另一方面，将扩散器25的内周缘25i的中心25ic的偏心量e设定在叶轮13的最大直径d的8％以下，是为了充分发挥节流部27的整流作用。
此外，扩散器25的内周缘25i的形状并不限于圆形。即，内周缘25i具有扩散器25的流道长度m从区域PA到区域CA逐渐变大的形状即可。也就是说，只要满足该条件，旋转方向RD的内周缘25i的曲率也可以变化。在该情况下，内周缘25i的各点的曲率中心的组也从叶轮13的轴心13c向区域PA偏心。
接下来，对本实施方式的作用以及效果进行说明。
利用增压器3的径向涡轮(省略图示)的驱动，叶轮13绕其轴心13c与旋转轴15一体旋转。利用该叶轮13的旋转，能够对从导入流道23向外壳5内导入的空气进行压缩。而且，压缩的空气被节流部27整流，被扩散器25一边减速一边升压，并经由涡旋部29而从排出流道31向外壳5的外侧排出。
构成为扩散器25的流道长度m从区域PA到区域CA逐渐变大。因此，能够抑制区域PA的静压回复率，并且提高区域CA的静压回复率。由此，抵消小流量侧的扩散器25的出口静压在区域PA较高而在区域CA变低的倾向(参照图4)，从而能够降低小流量侧的扩散器25的出口静压的周向的变动。
而且，扩散器25的护罩侧壁面25s由外壳主体7的一部分构成。因此，在通过机械加工对外壳主体7进行精加工时，通过将扩散器25的护罩侧壁面25s的径向长度沿周向调节，能够将扩散器25的流道长度m如上所述地构成。换句话说，不进行大幅度的设计变更，就能够降低小流量侧的扩散器25的出口静压的周向的变动。
另外，扩散器25的外周缘25o位于与叶轮13同心上。因此，与扩散器25的流道长度在周向上变化无关，对于涡旋部29，不需要按照扩散器25的流道长度的变化而偏心。也就是说，对于涡旋部29不需要大幅度的设计变更。另外，能够尽可能地抑制对从扩散器25流入涡旋部29的流体的流动的影响。
因此，根据本实施方式，不进行大幅度的设计变更，就能够抵消与小流量侧的扩散器25的出口静压相关的倾向，从而降低小流量侧的扩散器25的出口静压的周向的变动，因此能够实现离心压缩机1的制造成本的降低，并且充分地抑制离心压缩机1的涌动，并将离心压缩机1的工作区域向小流量侧扩大。
此外，本发明并不限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的技术思想应用于燃气轮机、工业用空气设备等，或在扩散器25上将多个扩散器翼片(省略图示)在周向上空开间隔地配设等，此外，能够以多种方式实施。另外，本发明所包含的保护范围不仅仅是离心压缩机1，还包括使用离心压缩机1的增压器3。
符号的说明
1—离心压缩机，3—增压器，5—外壳，7—外壳主体，7s—护罩，9—密封板，13—叶轮，13c—叶轮的轴心，17—圆盘，17h—圆盘的轮毂面，19—长叶片，19t—长叶片的前端缘，21—短叶片，21t—短叶片的前端缘，23—导入流道，25—扩散器，25h—扩散器的轮毂侧壁面，25s—扩散器的护罩侧壁面，25i—扩散器的内周缘，25ic—扩散器的内周缘的中心，25o—扩散器的外周缘，27—节流部，29—涡旋部，31—排出流道，33—舌部，33t—舌部的前端，PA—扩散器的正前侧区域，CA—扩散器的相反区域，RD—叶轮的旋转方向，VL—基准线。

Claims (5)

1.一种离心压缩机，利用离心力来对流体进行压缩，其特征在于，具备：
在内侧具有护罩的外壳；
能够旋转地设置在上述外壳内的叶轮；
设置于上述外壳的上述叶轮的入口侧，将流体导入上述外壳内的导入流道；
设置于上述外壳内的上述叶轮的出口侧的环状的扩散器；
在上述叶轮与上述扩散器之间与上述扩散器连通地设置，并具有沿主流的流动方向逐渐变小的流道宽度的环状的节流部；
在上述扩散器的出口侧与上述扩散器连通地设置的涡状的涡旋部；
与上述涡旋部的终绕侧连通地设置，将流体向上述外壳的外侧排出的排出流道；以及
分隔上述排出流道与上述涡旋部的起绕侧之间的舌部，
上述扩散器的流道长度从第一区域到第二区域而增加，所述第一区域位于上述涡旋部的上述起绕侧，所述第二区域隔着上述叶轮的轴心而位于与上述第一区域相反一侧且位于比上述第一区域更靠上述终绕侧，
上述扩散器的外周缘与上述叶轮位于同心上。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
上述扩散器的内周缘的中心从上述叶轮的上述轴心向上述第一区域偏心。
3.根据权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，
在假定以通过上述舌部的前端和上述叶轮的上述轴心的线为基准线，对于任意的位置将上述叶轮的旋转方向的偏离上述基准线的角度定义为偏心角度的情况下，上述扩散器的上述内周缘的上述中心的偏心角度设定为45～115度。
4.根据权利要求2或3所述的离心压缩机，其特征在于，
在对于任意的位置将偏离上述叶轮的上述轴心的距离定义为偏心量的情况下，上述扩散器的上述内周缘的上述中心的偏心量设定为上述叶轮的最大直径的3～8％。
5.一种增压器，其特征在于，
具备权利要求1至权利要求4中任一项所述的离心压缩机。
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