CN107949705B - 具有扩散器的流体机械 - Google Patents

Abstract

提供在流体机械中用于使扩散器下游中的流动均匀的各扩散器流路。提供流体机械，该流体机械具有用于将流体的动能转换成压力能量的扩散器。扩散器具有以供流体通过的方式构成的第1扩散器流路及第2扩散器流路，第1扩散器流路及第2扩散器流路的形状不同。

Description

具有扩散器的流体机械

技术领域

本发明涉及具有扩散器的流体机械。

背景技术

作为具有扩散器(diffuser)的流体机械，公知一种例如输送水的扩散泵。通常，扩散泵能够通过旋转驱动的叶轮向水提供动能，并通过设在叶轮的排出侧的扩散器将其转换成压力能量来以高压输送水。

作为一个例子，高压多级扩散泵具有固定在旋转轴上的多个叶轮。在各级叶轮的半径方向外侧具有扩散器。在扩散器上形成有扩散器叶片，该扩散器叶片划定以供从叶轮排出的流体通过的方式构成的多个扩散器流路。从扩散器流路通过了的流体被引导到下级的叶轮中。

在扩散泵中，设计了扩散器以减少从泵内通过的流体的压力损失，使流动均匀，从而提高泵效率。以往，为了提高扩散泵的泵效率，研究了各种扩散器流路的形状(专利文献1)。扩散泵通常具有多个扩散器流路，但以往的扩散器流路全部为相同的形状。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-209883号公报

发明内容

以往，扩散器流路全部被设计成相同的形状，但根据比扩散器靠下游的流路的形状，会存在从扩散器排出的流体的流动不一定均匀的情况。在从扩散器排出的流体的流动没有被恰当地整流而进入到下级的叶轮的情况下，泵效率有时会降低。

本发明的一个目的在于提供一种用于作为整体而减少压力损失的各扩散器流路。另外，本发明的一个目的在于提供一种用于使扩散器的下游中的流动变得均匀的各扩散器流路。

根据本发明的一个技术方案，提供一种流体机械，该流体机械具有用于将流体的动能转换成压力能量的扩散器。扩散器具有以供流体通过的方式构成的第1扩散器流路及第2扩散器流路，第1扩散器流路及第2扩散器流路的形状不同。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第1扩散器流路及第2扩散器流路分别具有扩散器流路的入口，在第1扩散器流路及第2扩散器流路的至少一部分中，距各扩散器流路的入口的距离相等的位置处的与流路中心正交的第1扩散器流路及第2扩散器流路的截面面积相互不同。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，流体机械具有旋转驱动而向流体提供动能的第1叶轮，第1扩散器流路及第2扩散器流路位于流体的流动方向中的第1叶轮的下游。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第1扩散器流路及第2扩散器流路分别具有扩散器流路的出口，流体机械具有：与第1扩散器流路及第2扩散器流路的各扩散器流路的出口流体性结合的第1合流流路；和用于向与第1叶轮相比位于流体的流动方向下游的下级的第2叶轮供给流体的、与第1合流流路流体性结合的第1交叉流路，第1交叉流路沿第1叶轮的旋转轴的方向延伸。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第2扩散器流路与第1扩散器流路相比位于接近第1交叉流路的位置，第2扩散器流路的截面面积比第1扩散器流路的截面面积大。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第1扩散器流路及第2扩散器流路以从各自的扩散器流路的入口朝向扩散器流路的出口而截面面积增大的方式构成，第2扩散器流路从扩散器流路的入口朝向扩散器流路的出口而依次具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，扩散器具有以供流体通过的方式构成的第3扩散器流路及第4扩散器流路，第3扩散器流路及第4扩散器流路位于流体的流动方向中的第1叶轮的下游，第3扩散器流路及第4扩散器流路分别具有扩散器流路的出口，流体机械具有：与第3扩散器流路及第4扩散器流路的各扩散器流路的出口流体性结合的第2合流流路；和用于向第2叶轮供给流体的、与第2合流流路流体性结合的第2交叉流路，第2交叉流路沿第1叶轮的驱动轴的方向延伸。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第3扩散器流路及第4扩散器流路为分别与第1扩散器流路及第2扩散器流路旋转对称的形状。

根据本发明的一个技术方案，在流体机械中，第3扩散器流路及第4扩散器流路以从各自的扩散器流路的入口朝向扩散器流路的出口而截面面积增大的方式构成，第4扩散器流路从扩散器流路的入口朝向扩散器流路的出口而依次具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。

附图说明

图1是表示一个实施方式的多级扩散泵的整体结构的剖视图。

图2是一个实施方式的多级扩散泵的叶轮及扩散器叶片的周边的剖视图。

图3是沿着图2的线段A-A及旋转轴的方向切出的剖面立体图。

图4是沿着图2的线段A-A切出的剖视图。

图5是表示一个实施方式的扩散器流路的俯视图。

图6是表示一个实施方式的各扩散器流路的在各位置处的截面面积的相对大小的曲线图。

图7是一个实施方式的扩散器流路的截面立体图。

图8是表示图7所示的扩散器流路的在位置P01～P06处的截面形状的图。

图9是表示一个实施方式的各扩散器流路及比较例的各扩散器流路中的流体的相对流量的曲线图。

图10是表示一个实施方式的各扩散器流路及合流流路、和比较例的各扩散器流路及合流流路的压力损失的图。

图11是表示比较例的扩散器流路104-5的在各截面位置P01～P06处的流体的流速的图。

图12是表示一个实施方式的扩散器流路104-5的在各截面位置P01～P06处的流体的流速的图。

具体实施方式

以下与附图一起说明本发明的实施方式。此外，在附图中，对相同或类似的结构要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。另外，各实施方式中所示的特征只要不相互矛盾则也能够适用于其他实施方式。

图1是表示本发明的一个实施方式的多级扩散泵1A的整体结构的剖视图。多级扩散泵1A由旋转部件30和静止部件40构成。

旋转部件30具有两端被支承的旋转轴10。在旋转轴10的叶轮安装部10a～10g上安装有第1～第7叶轮I1～I7。旋转部件30旋转自如地安装在静止部件40内。

静止部件40具有外主体部25。外主体部25具有具备吸入口Wi和排出口Wo的筒状部件20。另外，外主体部25具有将筒状部件20的两端封闭的吸入侧板18和排出侧板22。静止部件40还具有内主体部2A。在内主体部2A上形成有与叶轮I1～I7一起形成各级泵P1～P7的扩散器叶片V1～V7。

第1泵P1处于与吸水口Wi连通的低压室R1内，由叶轮I1和扩散器叶片V1构成。第2～第7泵P2～P7由叶轮I2～I7和扩散器叶片V2～V7构成。第7泵P7与高压室R2连通，其中该高压室R2与排出口Wo连通。

图2是本发明的一个实施方式的多级扩散泵的叶轮I1、I2及扩散器叶片V1、V2的周边的剖视图。在图2所示的实施方式中，固定在旋转轴10上的叶轮I1、I2具有多个叶轮叶片50、以相等间隔配置了叶轮叶片50的轮毂(hub)52、和覆盖叶轮叶片50的前表面的护罩(shroud)54。在叶轮I1、I2的下游侧、即半径方向外侧形成有扩散器部100。

图3是沿图2的线段A-A及旋转轴的方向切出的剖面立体图。图4是由图2的线段A-A切出的剖视图。此外，在图3、4中，为了使扩散器部100的图示明晰，而省略了叶轮I及旋转轴10。

如图2及图3所示，扩散器部100具有多个扩散器叶片102。通过轮毂52侧的壁面109、护罩54侧的壁面110及各扩散器叶片102来分别划定扩散器流路104。此外，轮毂52及护罩54分别为叶轮102的主板及侧板。如在后详细叙述地那样，各扩散器流路104以从扩散器流路104的入口106朝向扩散器流路104的出口108而截面面积增大的方式形成。另外，至少几个扩散器流路104的形状相互不同。此外，在图3中，箭头示出流体的流动方向。

如图3、4所示，在扩散器流路104的出口108的下游侧、即半径方向外侧形成有与扩散器流路104流体性连通的合流流路150。在图4所示的实施方式中，四个扩散器流路104与一个合流流路150流体性连通，形成有两组的四个扩散器流路104及一个合流流路150。在图示的实施方式中，合流流路150处于与扩散器流路104相同的平面内。此外，扩散器流路104及合流流路150的数量是任意的。例如，在其他实施方式中，也可以为三个扩散器流路与一个合流流路流体性连通，且形成有三组。

通过叶轮I1被付与动能而排出的流体进入到扩散器流路104中，被转换成压力能量。各扩散器流路104的从扩散器流路104的出口108流出的流体进入到形成在扩散器流路104的出口108的下游的合流流路150中。在本发明的实施方式的扩散泵中，对于多个扩散器流路104，考虑了处于下游的合流流路150的形状而设计了形状，使得从扩散器流路104排出的流体尽可能不会损失。

在一个实施方式中，在合流流路150的下游，形成有与合流流路150流体性连通的交叉流路(crossover flow passage)200。在图示的实施方式中，交叉流路200作为整体而沿旋转轴10的方向延伸。

在一个实施方式中，在交叉流路200的下游，形成有与交叉流路200流体性连通的返回流路(return flow passage)250。返回流路250作为整体而沿半径方向内侧以朝向旋转轴10的方式延伸。在返回流路250的下游形成有下级的叶轮I2。

在图示的实施方式中，从叶轮I1流出的流体从扩散器流路104通过，然后，从合流流路150、交叉流路200、及返回流路250通过而向下级的叶轮I2供给。

如上述那样，各扩散器流路104以从扩散器流路104的入口106朝向扩散器流路104的出口108而截面面积增大的方式形成。另外，至少几个扩散器流路104的形状相互不同。以下，详细叙述一个实施方式中的扩散器流路104的形状。

图4是表示沿着图2的线段A-A切出的扩散器流路104及合流流路150的俯视图。在图示的实施方式中，在八个扩散器叶片102之间划定有八个扩散器流路104。扩散器流路104-1、104-8、104-7、104-6与合流流路150-1流体性连通。扩散器流路104-2、104-3、104-4、104-5与合流流路150-2流体性连通。为方便起见，将扩散器流路104-1、104-8、104-7、104-6作为组1，将扩散器流路104-2、104-3、104-4、104-5作为组2。从组1及组2的扩散器流路104通过了的流体从各个合流流路150、交叉流路200及返回流路250通过，向下级的叶轮供给。

图5是表示一个实施方式的一个扩散器流路104的俯视图。如图示那样，将内接于两个扩散器叶片102的圆的中心连结的曲线定义为扩散器流路104的流路中心。另外，将处于最上游侧(在图5中左侧)的与流路中心垂直的截面定义为扩散器流路104的入口106。另外，将处于最下游侧(在图5中右侧)的与流路中心垂直的截面定义为扩散器流路104的出口108。

在图5所示的实施方式中，扩散器流路104从扩散器流路104的入口106朝向扩散器流路104的出口108而流路截面面积增大。在本发明的一个实施方式中，同一组内的多个扩散器流路104的至少一部分与同一组内的其他扩散器流路104的形状不同。更详细地说，扩散器流路104的流路截面面积的增大程度不同。例如，距各扩散器流路104的入口106相同的距离处的与流路中心正交的扩散器流路104的截面面积不同。

在一个实施方式中，能够构成为越是位于接近与合流流路150流体性连通的交叉流路200的位置的扩散器流路104则流路截面面积的增大程度越大。在图3、4所示的实施方式中，交叉流路200位于接近扩散器流路104-1、104-5的位置。因此，与交叉流路200接近的扩散器流路104-1、104-5与其他扩散器流路104-2、104-3、104-4、104-6、104-7、104-8相比流路截面面积的增大程度大。

图6是表示一个实施方式的各扩散器流路104-1～104-8的在各位置处的截面面积的相对大小的曲线图。横轴表示图5所示的扩散器流路的各位置P01～P06。此外，位置P01与扩散器流路104的入口106相对应，位置P06与扩散器流路104的出口108相对应。图6的曲线图的纵轴表示使作为比较例的一个扩散器流路104的位置P01的截面面积为100的情况下的相对流路截面面积。

在一个实施方式中，与交叉流路200接近的扩散器流路104的截面面积从扩散器流路104的入口106朝向扩散器流路104的出口108而具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。例如，在图6的曲线图中，与交叉流路200接近的扩散器流路104-5的截面面积的增加率，在从位置P01到位置P02中增加率大，在从位置P02到位置P03中增加率相对减小，在从位置P03到位置P04中增加率再次增大。通过设为这样的结构，能够在使来自其他扩散器流路104的流体在合流流路150中合流时减少混合损失。

作为其他实施方式，组1的扩散器流路104-1、104-8、104-7、104-6及组2的扩散器流路104-5、104-4、104-3、104-2也可以为分别旋转对称的形状。

图7、图8是表示一个实施方式的扩散器流路104的截面形状的一个例子的图。图7是扩散器流路104的剖面立体图，概略地示出位置P01～P06处的截面形状。此外，在图7中，近前侧的扩散器叶片102以虚线示出。图8分别示出图7所示的位置P01～P06处的各截面形状。在图7、8中，上侧为护罩54侧的壁面110，下侧为轮毂52侧的壁面109。

如图7、8所示，在一个实施方式中，扩散器流路104在旋转轴10的方向上设置成为凸状的部分来使截面面积的大小改变。如图7、8所示，在一个实施方式中，在扩散器流路104的位置P01、P02，在护罩侧成为凸状，在位置P03在轮毂侧成为凸状，在位置P04～P06，在护罩侧及轮毂侧双方成为凸状。扩散器流路104的各位置处的截面形状是任意的，在其他实施方式中能够使其为不同的形状。例如，作为未限定的例子，能够设为如下任意的形状：从扩散器流路104的入口106朝向扩散器流路104的出口108，仅在护罩侧的壁面110成为凸状、仅在轮毂侧的壁面109成为凸状、在护罩侧的壁面110及轮毂侧的壁面109双方成为凸状。

实施例

图9所示的曲线图示出在具有本发明的一个实施方式的扩散器流路的泵、和具有比较例的扩散器流路的泵中，通过基于计算流体力学(CFD，Computational FluidDynamics)进行的流体解析求出的各扩散器流路的每单位时间的流量的结果。在图9的曲线图中，横轴表示图4所示的扩散器流路104-1～104-8，纵轴表示各扩散器流路104-1～104-8中的相对流量。在相对流量为1的情况下，表示在所有的扩散器流路104-1～104～8中流体以相同的流量流动。在比较例中，所有的扩散器流路的截面与图6所示的比较例相同，合流流路与图9所示的实施例相同。在图9的曲线图中，本发明的实施例中的各扩散器流路104-1～104-8的截面如图6所示那样形成。

如图9的曲线图所示，如本发明的实施方式那样按每个扩散器流路104-1～104-8改变截面形状，由此各扩散器流路104-1～104-8中的流量的偏差减小。即，与扩散器流路104的形状全部相同的比较例的情况相比，在本发明的实施方式中，处于扩散器流路104的下游的合流流路150中的混合损失减少。

图10是表示示出基于上述CFD模拟得出的扩散器流路104及合流流路150的压力损失的结果的图。在图10中，压力损失的大小以灰度示出，黑色浓的部分表示存在大的压力损失。如从图10可知，本发明的实施方式与比较例的情况相比作为整体压力损失减小。

图11是表示比较例的扩散器流路104-5的各截面位置P01～P06处的流体的流速的图。图12是表示本发明的实施方式的扩散器流路104-5的各截面位置P01～P06处的流体的流速的图。在图11及图12中，各截面位置P01～P06处的流速以等流速线表示，示出了越靠截面的中心则流速越大。如从图11及图12可知，在本发明的实施方式中，与比较例的情况相比，等流速线的偏斜小，而成为重叠了漂亮的褶曲的流速分布。因此，在本发明的实施方式中，从扩散器流路通过的流体的流动均匀，提高了整流效果。根据本发明的实施方式，通过降低压力损失和提高整流效果而能够减少泵中的噪音和振动。

如以上那样说明了本申请发明的实施方式，但本发明并不限定于上述的实施方式。另外，上述的实施方式的各个特征只要不相互矛盾就能够进行组合或交换。

附图标记说明

I1～I7···叶轮

100···扩散器部

104···扩散器流路

106···扩散器流路的入口

108···扩散器流路的出口

150···合流流路

200···交叉流路

250···返回流路

Claims (9)

1.一种流体机械，其特征在于，

所述流体机械具有用于将流体的动能转换成压力能量的扩散器，

所述扩散器具有以供流体通过的方式构成的多个第1扩散器流路及一个第2扩散器流路，

所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路的形状不同，

所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路分别具有扩散器流路的入口，

所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路分别具有扩散器流路的出口，

所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路以从各自的所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而截面面积增大的方式构成，

所述第2扩散器流路从所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而依次具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。

2.如权利要求1所述的流体机械，其特征在于，

在所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路的至少一部分中，距各扩散器流路的入口的距离相等的位置处的与流路中心正交的所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路的截面面积相互不同。

3.如权利要求1或2所述的流体机械，其特征在于，

所述流体机械具有旋转驱动而向流体提供动能的第1叶轮，

所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路位于流体的流动方向中的所述第1叶轮的下游。

4.如权利要求3所述的流体机械，其特征在于，

所述流体机械具有：

第1合流流路，其与所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路的各所述扩散器流路的出口流体性结合；和

第1交叉流路，其用于向与所述第1叶轮相比位于流体的流动方向下游的下级的第2叶轮供给流体，与所述第1合流流路流体性结合，

所述第1交叉流路在所述第1合流流路的下游沿所述第1叶轮的旋转轴的方向延伸。

5.如权利要求4所述的流体机械，其特征在于，

所述第2扩散器流路与所述第1扩散器流路相比位于接近所述第1交叉流路的位置，所述第2扩散器流路的所述截面面积比所述第1扩散器流路的截面面积大。

6.如权利要求4或5所述的流体机械，其特征在于，

所述扩散器具有以供流体通过的方式构成的多个第3扩散器流路及一个第4扩散器流路，所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路位于流体的流动方向中的所述第1叶轮的下游，

所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路分别具有扩散器流路的出口，

所述流体机械具有：

第2合流流路，其与所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路的各所述扩散器流路的出口流体性结合；和

第2交叉流路，其用于向所述第2叶轮供给流体，与所述第2合流流路流体性结合，

所述第2交叉流路沿所述第1叶轮的驱动轴的方向延伸。

7.如权利要求6所述的流体机械，其特征在于，

所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路为分别与所述第1扩散器流路及所述第2扩散器流路旋转对称的形状。

8.如权利要求6所述的流体机械，其特征在于，

所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路以从各自的所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而截面面积增大的方式构成，

所述第4扩散器流路从所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而依次具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。

9.如权利要求7所述的流体机械，其特征在于，

所述第3扩散器流路及所述第4扩散器流路以从各自的所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而截面面积增大的方式构成，

所述第4扩散器流路从所述扩散器流路的入口朝向所述扩散器流路的出口而依次具有截面面积的增加率相对大的区域、截面面积的增加率相对小的区域、截面面积的增加率相对大的区域。

Images