CN111608952B - 叶轮以及旋转机械 - Google Patents

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Abstract

本发明提供叶轮以及旋转机械。叶轮(40)具备：轮盘(41)，其呈以轴线(O)为中心的圆盘状；多个叶片(42)，它们沿着绕轴线(O)的周向隔开间隔地设置于轮盘(41)的朝向轴线方向(Da)的第一侧(Dau)的轮盘主面(413)；以及罩(43)，其从第一侧(Dau)覆盖多个叶片(42)，并随着从第一侧(Dau)趋向第二侧(Dad)而逐渐扩径。罩(43)的厚壁部(49)形成于从位于最靠第一侧(Dau)的位置的第一端部(431)分离的位置，该厚壁部(49)的厚度比第一端部(431)的厚度大。

Description

叶轮以及旋转机械
技术领域
本发明涉及叶轮以及旋转机械。
本申请对2019年2月26日在日本申请的日本特愿2019-032344号主张优先权，并将其内容援引于此。
背景技术
作为用于压缩机、涡旋冷冻机、以及小型燃气轮机等的旋转机械，已知有具备在固定于旋转轴的轮盘安装多个叶片而成的叶轮的结构。在上述旋转机械中，通过使叶轮旋转，从而对在内部流通的流体赋予压力能量以及速度能量。
在这样的旋转机械中，例如在专利文献1中公开了在轮盘的背面具备供气体导入的朝向叶轮的入口侧凹陷的凹部的结构。根据这样的结构，能够在保持必要的强度的同时实现叶轮的轻型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-85088号公报
若欲从专利文献1的结构实现进一步的轻型化，则有可能导致叶轮的强度不足。于是，希望在保持必要的强度的同时使叶轮进一步轻型化。
发明内容
本发明提供能够在保持必要的强度的同时实现进一步的轻型化的叶轮以及旋转机械。
本发明的第一方案的叶轮具备：轮盘，其呈以轴线为中心的圆盘状；多个叶片，它们沿着绕所述轴线的周向隔开间隔地设置于所述轮盘的朝向轴线方向的第一侧的前表面；以及罩，其从所述第一侧覆盖多个所述叶片，并随着从所述第一侧趋向所述轴线方向的第二侧而逐渐扩径，所述罩在从位于最靠所述第一侧的位置的第一端部分离的位置形成有厚壁部，所述厚壁部的厚度比所述第一端部的厚度大。
通过这样的结构，在罩中，仅厚壁部的厚度相对于第一端部的厚度变大。其结果是，使罩轻型化。另外，在罩中，在轴线方向上越远离第一端部，则在叶轮绕轴线旋转时的离心力越大地作用。并且，在轮盘与罩之间流动的工作流体的压力从径向的内侧趋向外侧而增高。换句话说，在轴线方向上越远离第一端部，则由工作流体作用越高的压力。针对于此，在罩中，通过将从第一端部分离的位置设为厚壁部，能够相对于离心力、工作流体的压力确保充分的叶轮的强度。因此，能够在保持叶轮的必要的强度的同时实现进一步的轻型化。
另外，在本发明的第二方案的叶轮中，在第一方案的基础上，也可以是，所述厚壁部的所述厚度随着从所述第一侧趋向所述第二侧而增加。
通过这样的结构，在叶轮的旋转时，能够与趋向叶轮的出口而压力逐渐变高的工作流体的影响对应地局部增大厚壁部的厚度。因此，能够在不多余地增加重量的情况下适当地保持叶轮的必要的强度。
另外，在本发明的第三方案的叶轮中，在第一方案或者第二方案的基础上，也可以是，所述罩具有过渡部，所述过渡部将所述第一端部与所述厚壁部连接，且所述过渡部的厚度随着从所述第一侧趋向所述第二侧而增加。
通过这样的结构，在轴线方向上的较宽的区域内，能够与在轮盘与罩之间流动的工作流体的影响对应地局部增大罩的厚度。其结果是，能够将罩的形状设为与工作流体的压力相应的适当的形状。另外，通过使厚度逐渐增加，而难以在罩产生局部高应力。因此，能够更加适当地保持叶轮的必要的强度。
另外，在本发明的第四方案的叶轮中，在第一方案至第三方案中任一个方案的基础上，也可以是，在所述轮盘中，在朝向所述轴线方向的所述第二侧的背面形成有朝向所述轴线方向的所述第一侧凹陷的凹部，所述厚壁部在所述轴线方向上形成于与所述轴线方向上的所述凹部的底部的位置重叠的区域。
在形成有凹部的部分，轮盘的刚性变低，在轮盘与叶片的连接部分应力易于集中。针对于此，在轴线方向上，以与形成有凹部的底部的位置对应的方式形成厚壁部。其结果是，通过罩，能够经由叶片加强轮盘。由此，能够缓和在轮盘与叶片的连接部分产生的应力。
另外，在本发明的第五方案的旋转机械中，具备：旋转轴，其绕轴线旋转；以及第一方案至第四方案中任一个方案的叶轮，其固定于所述旋转轴。
通过这样的结构，能够提供具备能够在保持必要的强度的同时实现进一步的轻型化的叶轮的旋转机械。
发明效果
根据本发明，能够在保持必要的强度的同时实现进一步的轻型化。
附图说明
图1是本发明的实施方式的旋转机械的纵剖视图。
图2是示出设置于上述旋转机械的叶轮的上半部分的剖视图。
附图标记说明：
10...离心压缩机(旋转机械)；
20...壳体；
20a...一端部；
20b...另一端部；
24...内部空间；
25...吸入口；
26...排出口；
28A、28B...轴颈轴承；
29...推力轴承；
30...旋转轴；
40...叶轮；
41...轮盘；
42...叶片；
43...罩；
45...叶轮流路；
47...凹部；
47b...底部；
48...薄壁部；
49...厚壁部；
60...过渡部；
50...壳体侧流路；
51...扩散部；
52...回转弯头部；
53...返回流路；
411...贯通孔；
412...背面；
413...轮盘主面(前表面)；
430...罩内表面；
431...第一端部；
432...第二端部；
451...流入口；
452...流出口；
A...区域；
Da...轴线方向；
Dau...第一侧；
Dad...第二侧；
Dr...径向；
Dri...内侧；
Dro...外侧；
G...工作流体(工艺气体)；
O...轴线；
T1、T2...厚度。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的叶轮以及旋转机械的实施方式进行说明。但是，本发明并不仅限定于这些实施方式。
图1是本发明的实施方式的旋转机械的纵剖视图。如图1所示，本实施方式的离心压缩机(旋转机械)10主要具备壳体20、旋转轴30、以及叶轮40。
壳体20收容旋转轴30以及叶轮40。壳体20呈沿旋转轴30的轴线O的延伸的方向(以下，将该方向称为轴线方向Da)延伸的筒状。在壳体20设置有反复缩径以及扩径的内部空间24。在该内部空间24收容有叶轮40。
在壳体20中，在轴线方向Da的第一侧(上游侧)Dau的一端部20a没置有使工作流体(工艺气体)G从外部向壳体20内流入的吸入口25。另外，在壳体20中，在轴线方向Da的第二侧(下游侧)Dad的另一端部20b设置有使工作流体G向壳体20的外部流出的排出口26。
在壳体20中以将叶轮40彼此连结的方式形成有壳体侧流路50。壳体侧流路50使在叶轮40流通的工作流体G在壳体20中从轴线方向Da的第一侧Dau向第二侧Dad流通。
壳体侧流路50具有扩散部51、回转弯头部52、以及返回流路53。扩散部51从叶轮40的径向Dr上的外周部朝向径向Dr的外侧Dro延伸。回转弯头部52从扩散部51的径向Dr上的外周部呈剖视U字状地绕回，并朝向径向Dr的内侧Dri延伸。回转弯头部52以使朝向径向Dr的外侧Dro流动的工作流体G的流动方向向径向Dr的内侧Dri反转的方式进行引导。返回流路53从回转弯头部52朝向径向Dr的内侧Dri延伸到叶轮40的轴线方向Da的第一侧Dau的端部。
旋转轴30借助轴颈轴承28A以及28B而被支承为相对于壳体20绕轴线O旋转自如。轴颈轴承28A固定于壳体20的一端部20a。轴颈轴承28B固定于壳体20的另一端部20b。另外，在壳体20的一端部20a还固定有推力轴承29。轴线方向Da上的旋转轴30的一端侧通过推力轴承29而被支承于轴线方向Da。
多个叶轮40分别固定于旋转轴30。叶轮40利用离心力对工作流体G进行压缩。多个叶轮40以在轴线方向Da上隔开间隔的方式收容于壳体20的内部的内部空间24。需要说明的是，在图1中，示出了设置有6个叶轮40的情况的一例，但叶轮40只要设置有至少一个以上即可。
图2是示出设置于上述旋转机械的叶轮的上半部分的剖视图。如图2所示，各叶轮40是具备轮盘41、叶片42、以及罩43的所谓的闭式叶轮。
轮盘41形成为以轴线O为中心的圆盘状。轮盘41以随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而向径向Dr的外侧Dro逐渐扩径的方式形成。
在轮盘41的中心部形成有在轴线方向Da上贯通的圆形的贯通孔411。在贯通孔411的内周面嵌入旋转轴30的外周面的状态下，叶轮40一体地固定于旋转轴30。
在轮盘41中，朝向轴线方向Da的第二侧Dad的面设为向与轴线O交叉的方向扩展的背面412。在背面412形成有凹部47。凹部47以从背面412向轴线方向Da的第一侧Dau凹陷的方式形成。凹部47在从径向Dr观察时，比罩43的轴线方向Da的第二侧Dad的第二端部432向轴线方向Da的第一侧Dau凹陷。换句话说，凹部47的底部47b的轴线方向Da上的位置相对于罩43的第二端部432而位于轴线方向Da的第一侧Dau。在此，在凹部47中，凹部47的底部47b形成于在轴线方向Da上最靠第一侧Dau的位置。凹部47在背面412上形成于径向Dr的中间附近。凹部47形成于相对于贯通孔411向径向Dr的外侧Dro分离的位置。凹部47形成于相对于背面412的径向Dr的外侧Dro的端部向径向Dr的内侧Dri分离的位置。通过形成这样的凹部47，使轮盘41轻型化。
轮盘41的朝向轴线方向Da的第一侧Dau的面设为轮盘主面(前表面)413。轮盘主面413以随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而逐渐趋向径向Dr的外侧Dro的方式弯曲地延伸。轮盘主面413的轴线方向Da的第一侧Dau的部分朝向径向Dr的外侧Dro。轮盘主面413的轴线方向Da的第二侧Dad的部分朝向轴线方向Da的第一侧Dau。轮盘主面413呈凹曲面状。
在轮盘主面413沿轴线O的周向隔开间隔地设置有多个叶片42。各叶片42从轮盘主面413朝向轴线方向Da的第一侧Dau延伸。
罩43从轴线方向Da的第一侧Dau覆盖多个叶片42。罩43以在其与轮盘41之间夹着叶片42的方式与轮盘41对置地配置。换句话说，在罩43固定有叶片42的与轮盘主面413连接的端部的相反侧的端部。罩43以随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而向径向Dr的外侧Dro逐渐扩径的方式形成。在罩43中，朝向轮盘41的罩内表面430以随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而逐渐趋向径向Dr的外侧Dro的方式弯曲地延伸。在罩内表面430连接有叶片42。罩内表面430呈凸曲面状。
罩43具有薄壁部48、厚壁部49、以及过渡部60。在罩43中，薄壁部48是包含位于轴线方向Da的最靠第一侧Dau的位置的第一端部431的区域。薄壁部48是在罩43中厚度最小的区域。在此，厚度是指沿着与罩内表面430正交的方向的壁厚。薄壁部48在轴线方向Da上设为恒定的厚度。
在罩43中，厚壁部49是包含位于轴线方向Da的最靠第二侧Dad的位置的第二端部432的区域。厚壁部49是在罩43中厚度最大的区域。换句话说，厚壁部49处的厚度T2比薄壁部48处的厚度T1大。形成有厚壁部49的区域A形成于在轴线方向Da上从第一端部431分离的位置。区域A形成于在轴线方向Da上与凹部47的底部47b的位置重叠的位置。在本实施方式的厚壁部49中，厚度随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而增加。
需要说明的是，在本实施方式中，厚度大的厚壁部49例如是指在罩43中厚度比第一端部431的厚度与第二端部432的厚度的平均值大的区域。
过渡部60是将第一端部431与厚壁部49连接的区域。换句话说，过渡部60是将薄壁部48与厚壁部49连结的区域。在过渡部60中，厚度随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而增加。过渡部60将薄壁部48处的外周面与厚壁部49处的外周面光滑地连结。因此，罩43的厚度从薄壁部48趋向厚壁部49而逐渐增大。换句话说，罩43形成为第一端部431处的厚度最小、第二端部432处的厚度最大。
在叶轮40中，在罩内表面430、轮盘主面413、以及叶片42之间形成有叶轮流路45。叶轮流路45以随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而趋向径向Dr的外侧Dro的方式弯曲并延伸。叶轮流路45具有流入口451和流出口452。流入口451形成于叶轮40的轴线方向Da的第一侧Dau且径向Dr的内侧Dri的端部。流入口451朝向轴线方向Da的第一侧Dau开口。流出口452形成于叶轮40的轴线方向Da的第二侧Dad且径向Dr的外侧Dro的端部。流出口452朝向径向Dr的外侧Dro开口。
如图1所示，在这样的离心压缩机10中，工作流体G从吸入口25导入壳体侧流路50。工作流体G通过与旋转轴30一起绕轴线O旋转的叶轮40的叶轮流路45，由此被压缩。具体而言，如图2所示，在旋转着的叶轮40中，工作流体G从流入口451导入叶轮流路45。导入至叶轮流路45的工作流体G在叶轮流路45内随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而从径向Dr的内侧Dri向外侧Dro流动并被升压。在叶轮流路45内被升压了的工作流体G从流出口452向径向Dr的外侧Dro的扩散部51(参照图1)排出。
如图1所示，排出至扩散部51的工作流体G向径向Dr的外侧Dro流动，并在回转弯头部52中反转流动方向。之后，工作流体G通过返回流路53而被送入配置于后级的其他叶轮40。这样，工作流体G从壳体20的一端部20a朝向另一端部20b而经过设置于多级的叶轮40和壳体侧流路50，由此在多阶段被压缩，并从排出口26排出。
根据如上所述的叶轮40以及离心压缩机10，在罩43中，与形成于轴线方向Da的第一侧Dau的薄壁部48的厚度T1相比，形成于轴线方向Da的第二侧Dad的厚壁部49的厚度T2较大。换句话说，在罩43中，仅厚壁部49比其他区域厚。其结果是，使罩43轻型化。
另外，罩43的第二端部432位于比第一端部431靠径向Dr的外侧Dro的位置。换句话说，在罩43中，在轴线方向Da上越远离第一端部431，则叶轮40绕轴线O旋转时的离心力越大地作用。并且，在叶轮流路45中流动的工作流体G的压力随着从径向Dr的内侧Dri趋向外侧Dro而增高。换句话说，在罩43中，在轴线方向Da上越远离第一端部431，则由工作流体G作用越高的压力。特别是，在与流通较多的工作流体的大流量对应的叶轮40中，如本实施方式那样，叶轮流路40成为在流出口452附近相对于轴线O较大地倾斜的状态。其结果是，在流出口452附近由工作流体G作用的压力变大。针对于此，在罩43中，通过将包含轴线方向Da的第二侧Dad的区域设为最厚的厚壁部49，由此相对于离心力、工作流体G的压力确保充分的叶轮40的强度。
因此，通过厚壁部49，即使向罩43的轴线方向Da的第二侧Dad作用较大的离心力、工作流体G的较大的压力，也能够确保充分的强度。另外，不将罩43的整个区域以厚壁部49的厚度T2形成，而形成有薄壁部48、过渡部60，由此能够在保持叶轮40的必要的强度的同时实现进一步的轻型化。
另外，厚壁部49的厚度趋向轴线方向Da的第二侧Dad而增大，在第二端部432为最厚。由此，在叶轮40的旋转时，能够与趋向流出口452附近而压力逐渐变高的工作流体G的影响对应地局部增大厚壁部49的厚度T2。因此，能够在不多余地增加重量的情况下适当地保持叶轮40的必要的强度。
另外，在罩43中，通过过渡部60而将薄壁部48的外周面与厚壁部49的外周面光滑地连接。换句话说，罩43的厚度趋向轴线方向Da的第二侧Dad而逐渐变大。因此，在轴线方向Da上的较广的区域内，以与在叶轮流路45流动的工作流体G的压力的上升对应的方式使罩43变厚。由此，能够与在叶轮流路45中流动的工作流体G的影响对应地局部增大罩43的厚度。其结果是，能够将罩43的形状设为与工作流体G的压力相应的适当的形状。另外，通过使厚度逐渐增加，而难以在罩43产生局部高应力。因此，能够更加适当地保持叶轮40的必要的强度。
另外，在轴线方向Da上，在与形成于轮盘41的凹部47的底部47b的位置重叠的区域A形成有厚壁部49。在形成有凹部47的部分，轮盘41的刚性变低。其结果是，在叶轮40的旋转时，在轮盘41产生以底部47b为基点而向轴线方向Da的第一侧Dau倾倒那样的变形。由此，在轮盘41与叶片42的连接部分中，也会在接近底部47b的流入口451附近产生高的应力。针对于此，在轴线方向Da上，以与形成有凹部47的底部47b的位置对应的方式形成厚壁部49。其结果是，罩43的弯曲刚性增大，能够经由叶片42抑制轮盘41的变形。换句话说，能够通过罩43经由叶片42来加强轮盘41。由此，能够缓和在轮盘41与叶片42的连接部分产生的应力。
以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详述，但实施方式的各结构以及它们的组合等为一例，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行结构的附加、省略、置换、以及其他变更。另外，本发明并不被实施方式限定，而仅由权利要求书的范围限定。
例如，叶轮40的形状并不限定于本实施方式的形状。例如，在叶轮40中，也可以不在轮盘41形成凹部47。
另外，厚壁部49并不限定于如本实施方式那样厚度随着从轴线方向Da的第一侧Dau趋向第二侧Dad而增加的方式形成的结构。厚壁部49也可以以在罩43中厚度局部地变厚的方式形成。另外，厚壁部49并不限定于经由过渡部60与薄壁部48连接。厚壁部49只要形成于从第一端部431分离的位置即可，也可以与薄壁部48分离地形成。
并且，作为旋转机械的一例，例示了离心压缩机10，但并不局限于此，只要具备叶轮即可，在泵等其他旋转机械中也能够应用相同的结构。
[工业实用性]
根据本发明，能够在保持必要的强度的同时实现进一步的轻型化。

Claims (4)

1.一种叶轮，其中，
所述叶轮具备：
轮盘，其呈以轴线为中心的圆盘状；
多个叶片，它们沿着绕所述轴线的周向隔开间隔地设置于所述轮盘的朝向轴线方向的第一侧的前表面；以及
罩，其从所述第一侧覆盖多个所述叶片，并随着从所述第一侧趋向所述轴线方向的第二侧而逐渐扩径，
所述罩在从位于最靠所述第一侧的位置的第一端部分离的位置形成有厚壁部，所述厚壁部的厚度比所述第一端部的厚度大，
在所述轮盘中，在朝向所述轴线方向的所述第二侧的背面形成有朝向所述轴线方向的所述第一侧凹陷的凹部，
所述凹部的底部在所述轴线方向上的位置相对于所述罩的位于最靠所述第二侧的位置的第二端部而位于所述轴线方向的所述第一侧，
所述底部在所述凹部中形成于在所述轴线方向上最靠所述第一侧的位置，
所述厚壁部在所述轴线方向上形成于与所述轴线方向上的所述底部的位置重叠的区域。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其中，
所述厚壁部的所述厚度随着从所述第一侧趋向所述第二侧而增加。
3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其中，
所述罩具有过渡部，所述过渡部将所述第一端部与所述厚壁部连接，且所述过渡部的厚度随着从所述第一侧趋向所述第二侧而增加。
4.一种旋转机械，其中，
所述旋转机械具备：
旋转轴，其绕轴线旋转；以及
权利要求1至3中任一项所述的叶轮，其固定于所述旋转轴。
CN202010110406.0A 2019-02-26 2020-02-21 叶轮以及旋转机械 Active CN111608952B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2019-032344 2019-02-26
JP2019032344A JP7161424B2 (ja) 2019-02-26 2019-02-26 インペラ及び回転機械

Publications (2)

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