CN105518309A - 旋转机械 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转机械，其具备：旋转轴(2)；多个叶轮(3)，固定于旋转轴(2)，且与旋转轴(2)一起旋转；及外壳(5)，包围旋转轴(2)及叶轮(3)，形成供从叶轮(3)向径向外侧排出的流体(G)流通的扩压通道(19)及将在扩压通道(19)内流通的流体(G)引导到径向内侧以导入到后级的叶轮(3)的回流通道(20)，多个叶轮(3)越靠后级侧配置，流体(G)的流路截面面积形成得越小，分别与相邻一对叶轮(3)相对应的扩压通道(19)中，配置于前级侧的扩压通道(19)为无叶扩压器，配置于后级侧的扩压通道(19)为有叶扩压器。

Description

旋转机械

技术领域

本发明涉及一种具有旋转轴及固定于旋转轴且与旋转轴一起旋转的多个叶轮的旋转机械。

本申请主张基于2013年9月18日申请的日本专利申请2013-193390号的优先权，并将其内容援用于该说明书中。

背景技术

众所周知，离心压缩机等旋转机械通过使气体沿旋转的叶轮的半径方向穿过，并利用此时产生的离心力来压缩这些气体。在这种离心压缩机中，已知有沿轴向具备多级叶轮，并逐级压缩气体的多级式离心压缩机。

叶轮在离心压缩机的外壳内以能够在旋转轴上旋转的方式被支承。离心压缩机中，经由旋转轴使叶轮旋转，从而从外壳的吸入口吸入空气或气体等流体而赋予离心力。由离心力产生的动能在扩压器及涡旋部被转换成压力能，被压缩的气体从外壳的排出口被送出。

在上述旋转机械中，尤其在同一轴上安装有多个叶轮且各自具有一个气体的出入口的离心压缩机在单轴多级离心压缩机中被称为直线型离心压缩机(straighttypecentrifugalcompressor)。

作为单轴多级离心压缩机已知有如专利文献1中记载的组合具有有叶扩压器的级与具有无叶扩压器的级而成的离心压缩机。该离心压缩机中，在具有有叶扩压器的级中以维持高效率为目的，在具有无叶扩压器的级中以确保较广的工作范围为目的。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-31777号公报

发明的概要

发明要解决的技术课题

在具有多级叶轮的旋转机械中，气体的温度越往后级越变高。另一方面，若所有级的叶轮的直径均相同，则所有级的叶轮都以相同的转速旋转，但随着温度的上升，越往后级声速越变高。由此，在前级机械马赫数(叶轮的周向速度除以声速的值)变高，在后级机械马赫数变低。

如专利文献1中记载的旋转机械，若在机械马赫数较高的前级侧设置有叶扩压器，则与设置无叶扩压器时相比有可能使工作范围(流量范围)变窄。

并且，越往后级气体越被压缩，而使得体积流量变小，因此后级的流路宽度比前级的流路宽度窄。在流路宽度较窄的后级设置无叶扩压器时，有可能降低效率。

即，将前级侧设为有叶扩压器且将后级侧设为无叶扩压器的组合中，可能无法充分实现既维持旋转机械的高效率又确保较广的工作范围。

发明内容

该发明的目的在于，提供一种既维持高效率又确保较广的工作范围的旋转机械。

用于解决技术课题的手段

根据本发明的第一方式，旋转机械的特征在于，具备：旋转轴；多个叶轮，固定于所述旋转轴，且与所述旋转轴一起旋转；及外壳，包围所述旋转轴及所述叶轮，形成供从所述叶轮向径向外侧排出的流体流通的扩压通道及将在所述扩压通道内流通的流体引导到径向内侧以导入到后级的所述叶轮的回流流路，所述多个叶轮越靠后级侧配置，所述流体的流路截面面积形成得越小，分别与相邻一对所述叶轮相对应的所述扩压通道中，配置于前级侧的所述扩压通道为无叶扩压器，配置于后级侧的所述扩压通道为有叶扩压器。

根据上述结构，能够通过在机械马赫数较高的前级侧设置无叶扩压器来确保工作范围，且通过在流路截面面积较小的后级侧设置有叶扩压器来维持高效率。由此，能够提供既维持高效率又确保较广的工作范围的旋转机械。

在上述旋转机械中，可以构成为，比配置于所述前级侧的所述扩压通道更靠前级侧配置的所有所述扩压通道为无叶扩压器，比配置于所述后级侧的所述扩压通道更靠后级侧配置的所有所述扩压通道为有叶扩压器。

在上述旋转机械中，可以构成为沿所述旋转轴的轴向连结有多个所述一对叶轮。

发明效果

根据本发明，能够通过在机械马赫数较高的前级侧设置无叶扩压器来确保工作范围，且通过在流路截面面积较小的后级侧设置有叶扩压器来维持高效率。由此，能够提供一种既维持高效率又确保较广的工作范围的旋转机械。

附图说明

图1为本发明的第一实施方式的离心压缩机的概略剖视图。

图2为放大本发明的第一实施方式的离心压缩机中的叶轮的图。

图3为本发明的第一实施方式的离心压缩机及现有离心压缩机的性能曲线图。

图4为本发明的第二实施方式的离心压缩机的概略剖视图。

图5为本发明的第三实施方式的离心压缩机的概略剖视图。

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，参考附图对本发明的实施方式进行详细说明。另外，在本实施方式中，作为旋转机械的一例以具备多个叶轮的多级式单轴多级离心压缩机为例进行说明。

如图1所示，本实施方式的离心压缩机1主要由绕轴线O旋转的旋转轴2、安装于旋转轴2且利用离心力来压缩空气等流体G的叶轮3及支承旋转轴2以使其能够旋转且形成使流体G从上游侧流向下游侧的流路4的外壳5构成。

外壳5具有大致圆柱形的轮廓。旋转轴2以贯穿外壳5的中心的方式配置。外壳5的旋转轴2的轴向两端设置有轴颈轴承7，一端设置有推力轴承8。这些轴颈轴承7及推力轴承8以能够使旋转轴2旋转的方式进行支承。即，旋转轴2经由轴颈轴承7及推力轴承8而被外壳5支承。

并且，在外壳5的轴向的第一侧设置有供流体G从外部流入的吸入口9，在第一侧的相反侧设置有供流体G流到外部的排出口10。在外壳5内设置有分别与这些吸入口9及排出口10连通，并反复进行缩径及扩径的内部空间11。

内部空间11在发挥容纳叶轮3的空间的功能的同时还发挥上述流路4的功能。即，吸入口9与排出口10经由叶轮3及流路4连通。并且，外壳5由护罩外壳5a与轮毂外壳5b构成，内部空间11由护罩外壳5a与轮毂外壳5b形成。

叶轮3沿旋转轴2的轴向隔着间隔排列有多个。本实施方式的离心压缩机1具有初级压缩机级31至五级压缩机级35共五级压缩机级。另外，在图示例中，设置有五个叶轮3，但只要设置至少两个即可。

如图2所示，各叶轮3由轮毂13、叶片14及护罩15构成。轮毂13形成为直径随着靠近排出口10侧逐渐扩大的大致圆盘形。叶片14以放射状安装于轮毂13，且沿轴向排列有多个。护罩15以周向覆盖多个叶片14的前端侧的方式安装。

流路4在旋转轴2的径向上蜿蜒且沿轴向行进以连结各叶轮3，以便流体G通过多个叶轮3被逐级压缩。流路4主要由吸入通道17、压缩通道18、扩压通道19及回流通道20构成。扩压通道19为将通过叶轮3赋予流体G的动能转换成压力能的通道。

叶轮3形成为越靠后级侧配置，流体G的流路截面面积越变小。换言之，压缩通道18形成为随着向流体G的下游侧而变细。

吸入通道17为使流体G从径向外侧流向径向内侧之后，在叶轮3的紧前方使该流体G的方向向旋转轴2的轴向转换的通道。具体而言，吸入通道17由直线通道21和转角通道22构成。直线通道21为使流体G从径向外侧朝径向内侧流动的直线形通道。转角通道22为将从直线通道21流过来的流体G的流动方向从径向内侧转换成轴向，以使流体G朝向叶轮3的弯曲形状的通道。

而且，在位于两个叶轮3之间的直线通道21上设置有以轴线O为中心配置成放射状，以在旋转轴2的周向分割直线通道21的多个返回翼片23。

压缩通道18为用于将从吸入通道17输送过来的流体G在叶轮3内压缩的通道。压缩通道18被轮毂13的叶片安装面与护罩15的内壁面包围。

扩压通道19的径向内侧侧与压缩通道18连通。扩压通道19发挥使通过叶轮3压缩的流体G流向径向外侧的作用。另外，扩压通道19的径向外侧侧与回流通道20连通，但与流路4中位于最下游侧的叶轮3(图1中为第五级叶轮3)的径向外侧相连的扩压通道19与吐出涡旋12(后述)连通。

回流通道20的截面大致形成为U字形。回流通道20的上游端侧与扩压通道19连通，回流通道20的下游端侧与吸入通道17的直线通道21连通。回流通道20通过叶轮3(前级侧的叶轮3)使通过扩压通道19而流向径向外侧的流体G的流动方向反转为径向内侧，并向直线通道21送出。

如上所述，叶轮3形成为越靠后级侧配置，流体G的流路截面面积越变小。相对于此，流路4的流路宽度随着朝向流体G的下游侧(后级侧)而变窄。例如，扩压通道19形成为越往下游侧越变窄。

在外壳5内设置有用于从吐出口吐出流体的吐出涡旋12。吐出涡旋12具有以包围位于末级叶轮3的外周部的扩压通道19的出口的整周的方式形成的涡旋流路25。

涡旋流路25以包围位于末级叶轮3的外周部的扩压通道19的出口的整周的方式形成，且以其截面面积沿着叶轮3的旋转方向逐渐且连续地扩大的方式形成。

上述扩压通道19及吐出涡旋12发挥使从叶轮3的出口送出的流体流通且使流体的压力随着朝向下游侧而变大的出口流路6的功能。

本实施方式的离心压缩机中，与初级压缩机级31、二级压缩机级32及三级压缩机级33的叶轮的出口连接的扩压通道19为无叶扩压器。即，自初级压缩机级31至三级压缩机级33的叶轮3向径向外侧排出的流体G所流通的扩压通道上没有形成叶片(扩压器叶片、叶片)。

与四级压缩机级34及五级压缩机级35的叶轮3的出口连接的扩压通道19为有叶扩压器。即，自四级压缩机级34及五级压缩机级35的叶轮3向径向外侧排出的流体G所流通的扩压器上形成有多个叶片29。

接着，对通过如上构成的离心压缩机1实施的流体G的压缩进行说明。

若各叶轮3与旋转轴2一起旋转，则从吸入口9流入到流路4内的流体G从吸入口9依次流经初级压缩机级31的叶轮3的吸入通道17、压缩通道18、扩压通道19及回流通道20。之后，流体G依次流经二级压缩机级32的叶轮3的吸入通道17、压缩通道18……。而且，流至位于流路4的最下游侧的扩压通道19紧后方的吐出涡旋12的流体G从排出口10流到外部。

流体G以上述顺序流经流路4的途中通过各叶轮3被压缩。即，该离心压缩机1中，流体G通过多个叶轮3被逐级压缩，由此能够轻松地获得较大的压缩比。

图3中示出对现有离心压缩机、现有技术即专利文献1中记载的离心压缩机及本实施方式的离心压缩机1的性能测试结果进行的比较。

现有离心压缩机的结构为全级设为无叶扩压器。专利文献1中记载的离心压缩机的结构为，将初级压缩机级至三级压缩机级设为有叶扩压器，将四级压缩机级及五级压缩机级设为无叶扩压器。

图3的曲线图中，横轴为吸入体积流量，纵轴为绝热压头(离心压缩机的出口压力)及效率。

如图3所示，本实施方式的离心压缩机与现有离心压缩机相比效率及工作范围(流量范围)均得到改善。并且，在本实施方式的离心压缩机中可充分实现在专利文献1中记载的离心压缩机中未能充分实现的较广的工作范围与高效率的维持。

关于工作范围，通过在机械马赫数较高的前级侧设置无叶扩压器来确保工作范围。其中，若将叶轮的转速设为N、叶轮的外径设为D、声速设为a，则机械马赫数M为通过下式(1)计算的值。

M＝π×D×N/60/a……(1)

另外，若将气体的温度设为T、比热比设为K、气体常数设为R，则能够通过下式(2)来计算声速a。

a＝√(K×R×T)……(2)

即，通过将机械马赫数较高的前级侧的压缩机级设为无叶扩压器，被叶片限制的工作范围的限制消失，从而能够确保工作范围。

关于效率，通过在流路宽度较窄的后级设置有叶扩压器，而维持高效率。即，通过扩压通道19的叶片29能够进一步提高流体G的压力。

根据上述结构，能够通过在机械马赫数较高的前级侧设置无叶扩压器来确保工作范围，且通过在流路截面面积较小的后级侧设置有叶扩压器来维持高效率。由此，能够提供既维持高效率又确保较广的工作范围的离心压缩机1。

(第二实施方式)

以下，根据附图对本发明的第二实施方式的离心压缩机1B进行说明。另外，在本实施方式中，以与上述第一实施方式的不同点为中心进行叙述，对相同的部分省略说明。

如图4所示，本实施方式的离心压缩机1中，初级压缩机级31、三级压缩机级33及五级压缩机级35的扩压通道19为无叶扩压器。另一方面，二级压缩机级32、四级压缩机级34的扩压通道19为有叶扩压器。

根据上述实施方式，在分别与相邻一对叶轮3相对应的扩压通道19中，将前级侧设为无叶扩压器，将后级侧设为有叶扩压器。通过设为这种形态，可局部维持高效率及确保较广的工作范围。

(第三实施方式)

以下，参考附图对本发明的第二实施方式的离心压缩机1C进行说明。

如图5所示，本实施方式的离心压缩机1中，初级压缩机级31的扩压通道19为无叶扩压器。另一方面，二级压缩机级32、三级压缩机级33、四级压缩机级34及五级压缩机级35的扩压通道19为有叶扩压器。即，仅将初级压缩机级31设为无叶扩压器，自二级压缩机级32以后设为有叶扩压器。

根据效率维持与工作范围確保的平衡性能够设为这种配置。即，能够根据所要求的效率、工作范围适当调整无叶扩压器、有叶扩压器的配置。

另外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够加以各种变更。

例如，上述各实施方式中，对于离心压缩机的扩压器变更了无叶扩压器、有叶扩压器的配置，但也能够应用到其他旋转机械，例如多级离心送风机。

产业上的可利用性

本发明能够应用于如下旋转机械，其具备：旋转轴；多个叶轮，固定于旋转轴，且与旋转轴一起旋转；及外壳，包围旋转轴及叶轮，形成供从叶轮向径向外侧排出的流体流通的扩压器及将在扩压器内流通的流体引导到径向内侧以导入到后级的叶轮的回流流路。

符号说明

1、1B、1C-离心压缩机，2-旋转轴，3-叶轮，4-流路，5-外壳，6-出口流路，9-吸入口，10-排出口，11-内部空间，12-吐出涡旋，13-轮毂，14-叶片，15-护罩，17-吸入通道，18-压缩通道，19-扩压通道，20-回流通道，21-直线通道，22-转角通道，23-返回翼片，25-涡旋流路，29-叶片，31、32、33、34、35-压缩机级。

Claims (3)

1.一种旋转机械，具备：

旋转轴；

多个叶轮，固定于所述旋转轴，且与所述旋转轴一起旋转；及

外壳，包围所述旋转轴及所述叶轮，形成供从所述叶轮向径向外侧排出的流体流通的扩压通道及将在所述扩压通道内流通的流体引导到径向内侧以导入到后级的所述叶轮的回流流路，

所述多个叶轮越靠后级侧配置，所述流体的流路截面面积形成得越小，

分别与相邻一对所述叶轮相对应的所述扩压通道中，配置于前级侧的所述扩压通道为无叶扩压器，配置于后级侧的所述扩压通道为有叶扩压器。

2.根据权利要求1所述的旋转机械，其中，

比配置于所述前级侧的所述扩压通道更靠前级侧配置的所有所述扩压通道为无叶扩压器，

比配置于所述后级侧的所述扩压通道更靠后级侧配置的所有所述扩压通道为有叶扩压器。

3.根据权利要求1所述的旋转机械，其中，

沿所述旋转轴的轴向连结有多个所述一对叶轮。