CN1120128A - 流体机械用叶轮和应用该叶轮的流体机械 - Google Patents

Abstract

本发明流体机械用叶轮尤其适用于透平驱动的流体泵，该叶轮包括与转轴配合的轮毂，形成在轮毂上的导流壁和多个叶片，通过将轮毂导流壁的部分形成和转轴平行的圆筒状，将导流壁的子午面形成凹状圆弧形旋转面，使叶片一端和导流壁面平滑相连且向下流侧伸出，使壳体侧的叶片一端和旋转轴线垂直等具有能使装置效率提高能同时用于泵和透平，且能使用液体等为工作流体，达到高速小型化等效果。

Description

流体机械用叶轮和应用该叶轮的流体机械

本发明涉及流体机械用叶轮，特别指既可用于泵也可用于透平的叶轮，以及应用此流体机械用叶轮的流体机械，尤其指透平驱动泵，特别指作为透平叶轮的工作流体可使用液体、气体或由液体、气体的混合层等中间体组成的流体，并且作为泵叶轮的输送流体同样可使用液体、气体或由液体、气体的混合层等中间体组成的流体的透平驱动泵。

以往，对于作为一种流体机械的透平驱动的流体泵，使用气体作为工作流体的涡轮增压动力装置已为大家熟知。此涡轮增压动力装置是和航空喷气发动机同时发展起来的，最近，为了向汽车提供燃料，涡轮增压动力装置也较多地得到应用。

作为上述涡轮增压动力装置一传统例，有如后述图12所示的日本专利实公平4—15956号公报上公开的涡轮增压动力装置，此涡轮增压动力装置a具有装在泵壳体(公报中称透平壳体)b内可自由旋转的泵叶轮c，以及固定于泵叶轮c的转轴d上，且装在透平壳体e内可自由旋转的透平叶轮f。并利用从涡管部g导入的发动机(未图示)的排气来旋转驱动透平叶轮f，由此透平叶轮f的旋转通过转轴d使泵叶轮c旋转。通过使此泵叶轮c旋转，将空气从泵壳体b的入口部h吸入，且通过泵壳体b的涡管部i供给发动机。发动机的排气在旋转驱动透平叶轮f后从透平壳体e的出口部j排出。

据此，能在增大发动机动力输出的同时，使排气效率提高，进而能实现发动机高速化。

然而，对这样进行涡轮增压的透平驱动的流体泵，如果不能达到高速化，就不能使系统效率提高，这样，在系统内设置透平驱动的流体泵变得没有意义。上述传统的利用涡轮增压的透平驱动的流体泵，由于都是以气体作为工作流体，不会产生伴随高速化而来的特殊问题。因此在以气体作为工作流体场合，实现透平驱动的流体泵的高速化就比较简单，从而以往开发出多种透平驱动的流体泵。

但是，近年来出现许多需输送液体或由液体和气体的混合层组成的中间体的情形，因此，有必要开发能够输送这样的液体或中间体的透平驱动的液体泵。

然而，在以液体作为工作流体场合，当使透平驱动的流体泵达到高速时，则和使用气体时不同，伴随其高速化，易发生在液体场合特有的空穴现象。由于此空穴现象的存在，对于以液体工作的透平驱动流体泵就不能简单地实现透平和泵的高速化。

日本专利特开昭51—91003号公报中揭示的为了从地下1,500—3,000m深的地热井中抽吸177—331℃温度范围的高温盐水的深井泵可作为以液体作为透平工作流体的透平驱动泵的一传统例。

由于此深井泵用于从地下深度达1,500—3,000m的极深处将高温盐水这样的特殊物质抽吸上来的特殊目的，因此，为了提高泵的输出，采用多级构造的透平。

然而，当这样将透平构成多级时，不仅使构造复杂，系统庞大，且使制造成本提高。进而，由于按照这样的系统构造，也难于使泵按设定的高速运行，即使能设定按某种高速程度运行，也会发生当工作流体为流体时特有的空穴现象的问题。

因此，以液体或中间体为其工作流体的构造简单且便宜的能适用多种流体通用的透平驱动的流体泵至今尚未达到实用化。

此外，传统的透平驱动的流体泵，在将相同构造的叶轮同时用于泵和透平时，由于泵的功能、动作和透平的功能、动作不同，很难将泵和透平都维持在高效率，因此，以往不得不分别设计和制造用于泵和透平的叶轮。

然而，当这样分别设计和制钥敲用叶轮和透平用叶轮时，存在不仅构件数目多，而且使制造成本显著提高的问题。

因此，本发明正是为解决上述问题而成立，其目的在于提供不使泵效率和透平效率降低，既可用作泵叶轮又可用作透平叶轮，同时，其工作流体不用说是气体即使是流体或由液体和气体混合层组成的中间体，也能进一步达到高速化且构造简单制造成本低的流体机械用叶轮和应用此叶轮的流体机械。

为解决上述问题，本发明流体机械用叶轮，包括和转轴相配合的轮毂，和此轮毂相连的导流壁，以及其一端形成在上述轮毂或此轮毂附近导流壁上，其另一端形成在上述导流壁外周缘上、且向壳体侧伸出的多个叶片，其特征在于，将和上述轮毂相连的上述导流壁的子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，将其上形成了上述叶片一端的上述轮毂或此轮毂附近的导流壁形成和上述转轴大致平行的圆筒状，使上述叶片的一端从上述轮毂或此轮毂附近的导流壁面起平滑地向外伸出，进而，使此壳体侧的叶片一端沿着相对上述转轴大致垂直方向延伸，通过把上述轮毂或此轮毂附近的导流壁侧的叶片一端和上述壳体侧的叶片一端间连成向外方呈凸形的圆弧状平滑曲线状而形成上述的叶片的一端，把相对此一端旋转时的旋转面的上述叶片一端上各部分的切线角设定为，在上述轮毂或此轮毂附近的导流壁侧的一端大致为0°，从上述轮毂或此轮毂附近的导流壁侧的上述一端起向着上述壳体侧平滑地逐渐增大，用平滑曲线将叶片一端到上述另一端连接起来形成上述叶片。

此外，本发明的上述流体机械为流体泵，其特征在于具有如下的叶片，即上述叶片的一端为叶片入口端，上述叶片的另一端为叶片出口端，把其上形成上述叶片入口端一端的轮毂导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使上述叶片入口端从此轮毂导流壁面平滑连续地向上流侧伸出，使壳体侧的叶片入口端一端沿相对转轴大致成垂直方向延伸，用在上流侧呈凸形圆弧状的平滑曲线状将形成在上述圆筒状轮毂导流壁上的叶片入口一端和壳体侧叶片入口一端之间连接起来形成叶片入口端，将此叶片入口角设定成在轮毂导流壁侧入口端大致为0°，而从此轮毂导流壁侧入口端起向着泵壳体侧入口端逐渐变大，且具有使轮毂导流壁侧和泵壳体侧的叶片入口角平滑变化形状的叶片入口端，用平滑的曲线把从上述形状的叶片入口端到叶片出口端连接起来形成的叶片。

本发明的特征还在于将上述叶片入口端形状和上述叶片形状形成在平板状上述导流壁上。

本发明的特征还在于在上述叶片入口端形状和上述叶片形状中，把从入口端起至出口端止的叶片边缘形成在下流呈凸形圆弧形状。

此外，本发明的上述流体机械作为透平，具有如下特征，就是使上述叶片的一端为叶片出口端，使上述叶片的另一端为叶片入口端，使和上述轮毂相连的导流壁的子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，将其上形成叶片出口一端的轮毂导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使叶片出口一端由此轮毂导流壁面平滑连续地向下流侧扩张伸出，使上述透平壳体侧的叶片出口一端沿着相对转轴大致成垂直方向延伸，用在下流侧呈凸形圆弧状的平滑曲线将形成在上述圆筒状轮毂导流壁上的叶片出口端一端和透平壳体侧叶片出口端一端间连接起来形成叶片出口端，将此叶片出口角设定成在轮毂导流壁侧出口一端大致为0°，而且使从此轮毂导流壁侧的出口端向透平壳体侧出口一端逐渐变大，且具有使叶片出口角在轮毂导流壁侧和透平壳体侧平滑连续变化形状的叶片出口，具有从叶片入口端到上述形状的叶片出口端用平滑连续曲线连接起来而形成的叶片。

本发明特征还在于将上述叶片出口形状和上述叶片形状形成在平板状的上述导流壁上。

本发明特征还在于在上述叶片出口形状和上述叶片形状中，使从出口到入口止的叶片边缘形成在上流呈凸的圆弧形状。

此外，本发明特征还在于在上述转轴的两端分别设置本发明流体机械用叶轮，把设置在上述转轴一端上的流体机械叶轮作为用第1流体的流动进行旋转驱动的第1叶轮，把设置在上述转轴另一端上的流体机械叶轮作为用上述第1叶轮的旋转进行驱动，使第2流体流动的第2叶轮。

因此，上述本发明就是将上述第1叶轮用作透平叶轮，同时将上述第2叶轮用作泵叶轮，将上述泵叶轮可自由旋转地设置在泵壳体内，同时将上述透平叶轮可自由旋转地配置在透平壳体内，而且，设置成与上述泵叶轮同轴，上述流体机械就是用透平叶轮的旋转驱动使上述泵叶轮旋转的透平驱动泵，其特征在于上述泵叶轮具备如下述的叶片，就是使与上述转轴配合的轮毂相连的导流壁的子午面形状形成凹形圆弧状的旋转面，将其上形成叶片入口一端的轮壳导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使上述叶片入口端从此轮壳导流壁面平滑连续地向上流侧扩张伸出，使上述泵壳体侧叶片入口一端沿相对旋转轴大致成垂直方向延伸，用在上流侧呈凸形的圆弧状平滑曲线将形成在上述圆筒状轮毂导流壁上的叶片入口一端和泵壳体侧叶片入口一端间连接起来形成叶片入口端，将此叶片入口角设定成在轮毂导流壁侧入口一端大致为0°，且使从此轮毂导流壁侧入口一端向着泵壳体侧入口一端逐渐扩大，且具有使在轮毂导流壁侧和泵壳体侧间的叶片入口角平滑连续变化形状的叶片入口端，具有用连续曲线把从上述形状的叶片入口到叶片出口端连接起来形成的叶片；上述透平叶轮具备如下所述的叶片，就是使与转轴配合的轮毂相连的导流壁子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，将其上形成叶片出口一端的轮毂导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使叶片出口端和此轮毂导流壁面平滑连续地向下流侧扩张伸出，使上述透平壳体侧的叶片出口一端沿着相对上述转轴大致垂直方向延伸，用在下流侧呈凸形圆弧状的平滑曲线将形成在上述圆筒状轮毂导流壁上的叶片出口一端和透平壳体侧叶片出口一端间连接起来形成叶片出口端，将此叶片出口角设定成在轮毂侧出口一端大致为0，且使其从此轮毂导流壁侧出口一端向透平壳体侧出口一端逐渐变大，而且具有使在轮毂导流壁侧和透平壳体侧面的叶片出口角逐渐平滑变化形状的叶片出口端，具有用平滑曲线把从叶片入口端至上述形状的叶片出口端连接起来形成的叶片。

此外，本发明特征还在于将上述泵叶片入口角设定成在上述泵壳体侧入口一端和传统设计计算的角度大致相等，同时将上述透平叶片出口角设定成在上述透平壳体侧出口端和传统设计计算的角度大致相等。

本发明特征又在于通常使上述泵叶轮的叶片入口端形状和上述透平叶轮的叶片出口端形成具有一定形状，而与各自比转速的组合无关。

本发明特征还在于上述泵工作流体的第2流体可以是液体、气体以及由气、液混合层组成的中间体中的任何一种，并且上述透平工作流体的第1流体也可以是液体、气体以及由气、液混合层组成中间体中的任何一种。

在把如上所述构成的本发明流体机械用叶轮作为泵用叶轮使用场合，由于将泵叶轮的叶片入口角设定成在轮毂导流壁侧的入口一端大致为0°，从而能把在轮毂导流壁的叶片根部附近流动的输送流体有效地向叶片内引导，据此，使叶片入口的轮毂导流壁侧部分的输送流体的流动均匀，使输送流体在叶片入口端部分的叶片全区域有效地起作用。此外，由于将叶片入口端的轮毂导流壁侧部分形成向上流侧一方扩张伸出，同时将壳体侧部分形成相对回转轴大致垂直，进而，用在上流侧呈凸形的圆弧状平滑曲线构成此两部分间的部分，从而能确保在叶片入口的流道面积宽广。据此，能使输送流体在叶片入口有效地流动，因此，能提高泵的空穴特性和泵效率。

另外，在将流体机械用叶轮作为透平叶轮使用场合，由于将透平叶轮的叶片出口角设定成在轮毂导流壁侧出口一端大致为0°，因此能使在叶片轮毂导流壁的叶片根部附近流动的工作流体有效地向叶片外引导，据此，使轮毂导流壁侧的叶片出口部分的工作流体的流动均匀，从而，使工作流体在叶片出口部分的叶片全区域无阻力似地流出。此外，使叶片出口端的轮毂侧部分向下流侧伸出，且同时将壳体侧部分形成相对转轴大致垂直，进而，用在下流侧呈凸形的圆弧状平滑曲线构成此两部分间的部分，从而能确保在叶片出口的流道面积宽广。据此，能使工作流体在叶片出口有效地流动。因此，能使透平的空穴特性和透平效率得到提高。

因此，本发明流体机械用叶轮无论作为泵叶轮使用或作为透平叶轮使用，都能获得高的泵效率和高的透平效率。

此外，在本发明流体机械中，在分别将本发明流体机械用叶轮作为透平驱动泵的泵叶轮和透平叶轮场合，由于能使泵叶轮的泵特性，透平叶轮的透平特性以及这些叶轮的空穴特性提高，使本发明的透平驱动泵的泵特性和空穴特性也显著提高。

此外，由于此透平驱动泵能高效地输送较大的流量，据此，即使该泵达到小型化，也能确保流量，因而能使透平驱动泵达到高速小型化。在此场合，因其空穴特性提高，作为该流体机械使用的工作流体或输送流体，不用说是气体，即使是液体或由液体和气体的混合层组成的中间体，也能进一步达到高速化。

对附图的简单说明。

图1为表示本发明透平驱动流体泵一实施例的剖面图，

图2为从图1所示实施例透平叶轮的箭头X方向的视图，

图3为沿图2的AOE线的剖面图，

图4为沿图2的BO线的剖面图，

图5为沿图2的CO线的剖面图，

图6为沿图2的DO线的剖面图，

图7为对图1所示实施例透平叶轮的叶片出口形状进行说明的图，

图8为从图1所示实施例透平叶轮的箭头X方向的视图，

图9为沿图8的AOE线的剖面图，

图10为对图1所示实施例泵叶轮的叶片入口形状进行说明的图，

图11为表示本发明透平驱动流体泵的扬程和效率试验结果的图，

图12为表示传统的透平驱动流体泵一例的剖面图。

以下，参照附图对本发明实施例进行说明。

图1为采用本发明透平驱动流体泵一实施例的剖面图。

如图1所示，本实施例的透平驱动流体泵1包含位于透平主壳体2内可自由旋转的透平叶轮3，位于泵主壳体4内可自由旋转的泵叶轮5，可自由旋转的转轴6被支承在透平主壳体2和泵主壳体4的大约中间位置，其一端上固定着透平叶轮3，其另一端上固定着泵叶轮5。此外，图1中，将透平主壳体2和泵主壳体4形成一体，也可以按分体形成，但在图1中为了叙述方便，使其带有不同标号。

在透平主壳体2上，将为旋转驱动透平叶轮3的工作流体流经的透平入口通路7形成涡旋状，且使和透平叶轮3的叶片入口3a相连通的同时，在其上还附设透平副壳体8，所述工作流体可以是水、油、气体或气、液混合层等。因透平副壳体8和透平叶轮3的协同作用，迫使流入叶片入口3a的动作流体向透平叶轮3的叶片出口3b流动，进而将工作流体引向透平副壳体8的出口8a。

在泵主壳体4上，把用泵叶轮5输送的水、油、果汁等输送流体流经的泵出口通路9形成涡旋状，且使和泵叶轮5的叶片出口5a相连通的同时，在其上附设泵副壳体10，泵副壳体10能将输送流体从泵副壳体10的入口10a导入的同时，进而，因其和泵叶轮5协同作用，迫使流入叶片入口5b的输送流体向泵叶轮5的叶片出口5a流动。

图2是从该实施例中的透平叶轮3的箭头X方向的视图，图3为沿图2中的AOE线的剖面图，图4，图5和图6分别为沿图2中的BO线、CO线和DO线的剖面图。

如图2和图3所示，在透平叶轮3的中央轮毂部3c上形成沿轴向贯穿的、与转轴6相配合的贯穿孔3d。此外，在此轮毂部3c的外周面上形成3个叶片3e，3e，3e。进而，在轮毂部3c上形成连续的导流壁3f的同时，将此导流壁3f的子午面形成凹形圆弧状旋转面，且把此导流壁3f的其上固定形成叶片出口端3e1的轮毂导流壁部分3f1形成和旋转轴线0大致平行。

形成使叶片出口端3e1的轮毂导流壁3f1侧部分3e2和轮毂导流壁3f1平滑相连，且向下流侧伸出。此外，使叶片出口端3e1的壳体8侧部3e3相对旋转轴线0大致垂直。进而，将叶片出口端3e1形成把其壳体8侧部分3e3和轮毂导流壁3f1侧部分3e2间在下流侧连接成凸形的连续圆弧状的平滑曲线。将此叶片出口端3e1的出口角设定成在叶片出口端3e1的轮毂导流壁3f1侧部分3e2大致为0°，同时使此角度从轮毂导流壁3f1侧部分3e2向叶片出口端3e1的壳体8侧部分3e3逐渐变大，也就是说对于传统的透平叶片出口角，如图7中的虚线所示曲线变化那样，设定成使在旋转中心轴0处为90°，且在轮毂直径侧急剧变大，而在本实施例中，将叶片出口3b的叶片出口角设定成如图7中实线所示那样，使出口角在轮毂半径rob处大致为0°，同时使此出口角从轮毂中经rob处向叶片出口半径roo处逐渐变大，就是按照和该图中用虚线表示的传统曲线作相反的斜曲线形变化。此外，在图示的例子中，将叶片出口端3e1的出口角设定成使其在叶片出口端3e1的壳体8侧部分3e3和传统设计一般算出的角度大致一样，然而，并不限于于此，也可以设定成使其比传统设计算出的角度大或小，此外，设定成使轮毂导流壁3f1侧部分3e2和壳体8侧部分3e3间的出口角连续平滑地变化。而且，通过将叶片入口3a和该叶片出口3b连接成平滑曲线形状而形成透平叶片3e。

图8为从本实施例图1中的泵叶轮5的箭头Y导向的视图，图9为沿图8中AOE线的剖面图，此泵叶轮5具有和上述透平叶轮3完全相同的形状。该场合，由于在泵叶轮5中的流体流动和在透平叶轮3中的情况正好相反，透平叶轮3的入口侧对应泵叶轮5的出口侧，透平叶轮3的出口侧对应泵叶轮5的入口侧。因此，把透平叶轮3的对应组成构件的符号“3”换成“5”后，作为表示泵叶轮5的各组成构件的符号。因此，5a为叶片出口，5b为叶片入口，5c为轮毂部，5d为穿通孔，5e为泵叶片，5e1为叶片入口边，5e2为叶片入口边5e1的轮毂导流壁5f1侧部分，5e3为叶片入口边5e1的壳体10侧部，5e4为叶片出口边，5f为导流壁，5f1为轮毂导流壁。

而且，构成使固定形成叶片入口端5e1的轮毂导流壁5f1和旋转轴线0大致平行，使叶片入口端5e1的轮毂导流壁5f1侧部分5e2和轮毂导流壁5f1平滑相连，且向上流侧扩大。此外，形成使叶片入口端5e1的壳体10侧部分5e3相对旋转轴线0大致垂直，进而，用在上流侧呈凸形的平滑连续圆弧状曲线连接壳体10侧部分5e3和轮毂导流壁5f1侧部分5e2这样形成叶片入口边5e1。将此叶片入口边缘5e1的入口角设定成在叶片入口边缘5e1的轮毂导流壁5f1侧部5e2大致为0°，同时使在叶片入口边5e1的壳体10侧部分5e3的入口角被设计成和传统设计一般计算出的角度大致一样。此外，把在轮毂导流壁5f1侧部分5e2和壳体10侧部分5e3间的入口角设定成平滑地连续变化。

由于泵叶轮5的其它部分的构造和透平叶轮3相同，因而省去对这些部分的说明，沿图8中的BO线，CO线和DO线的泵叶轮5的剖面形状分别和图4，图5和图6所示透平叶轮3的剖面形状相同。

然而，把传统的泵的叶片入口角设定成在旋转中心轴0处为90°，而在轮毂直径侧急剧变大，也就是如图10中虚线所示那样的曲线变化，对此，在本发明实施例中，将叶片入口5b的叶片入口角设定成如图10中实线所示那样，使其在叶片入口半径rio处和传统设计设定的叶片入口角相同，而在轮毂半径rib处大致为0°，同时将叶片入口半径rio和轮毂半径rib间的叶片入口角设定成按照和用虚线表示的传统曲线相反的斜曲线形变化。

在用以上构成的本实施例透平驱动流体泵中，当使水、油等液体或由液、气的混合层组成的中间体的工作流体从透平入口通路7向透平叶轮3导入时，使此工作流体从叶片入口3a冲击透平叶片3e的同时，流入透平叶片3e和透平副壳体8，而后流向叶片出口3b，进而从透平副壳体8的出口8a流出。此时，由于把来自工作流体的力加在透平叶片3e上，使透平叶轮3沿图2中的顺时针α方向旋转。

透平叶轮3沿α方向旋转通过转轴6使泵叶轮5沿图8的反时针β方向旋转。由于泵叶轮5沿β方向旋转，把水、油、果汁等液体或由液、气的混合层组成的中间体的输送流体从泵副壳体10的入口10a吸入而向叶片入口5b流入，从叶片入口5b送入泵叶片5e，导入泵叶片5e和泵副壳体10，而后流向叶片出口5a，进而经泵出口通路9被送出。

当按本实施那样对透平叶轮3的叶片出口角进行设定，当流体流经透平叶轮3时，由于在轮毂导流壁的叶片3e根部附近的工作流体的流动不受到阻力，因而能将流体顺利地导向叶片外，据此，使叶片出口3b的轮毂导流壁3f1侧部分的工作流体的流动均匀，能使工作流体沿叶片出口3b部分的叶片全范围(从轮毂导流壁侧起到壳体侧止)有效地起作用。此外，在本实施例中，当使叶片出口边缘3e1的轮毂导流壁侧部分3e2向下流侧扩大的同时，使壳体侧部分3e3相对回转轴线0大致成垂直，进而使此两部分3e2，3e3间形成在下流侧呈凸形的圆弧状平滑曲线通过这样形成叶片出口边3e1，从而能确保在叶片出口3b的流道面积宽广。据此，使工作流体在叶片出口3b的流动效率高。因而能提高透平的空穴特性和透平效率。而且，这样通过提高叶轮的空穴特性和透平效率，能使透平叶轮3以更高转速旋转。

另外，若按照本实施例那样设定泵叶轮5的叶片入口角，当流体流经泵叶轮5时，因叶片5e的带轮毂导流壁的叶片5e的根部附近的流动象被削尖那样，而能高效地被导入叶片内。据此，使在叶片入口5b的轮毂导流壁5f1侧部分的流动变均匀，能使叶片沿叶片入口5b部分的叶片全范围(从轮毂导流壁侧起至壳体侧上)有效地起作用。此外，在本实施例中，使叶片入口端5e1的轮毂导流壁侧部分5e2向上流侧扩大的同时，使壳体侧部分5e3相对旋转轴线0大致成垂直，进而使此两部分5e2，5e3间构成在上流侧呈凸形的圆弧状平滑曲线。通过这样形成叶片入口边5e1，能确保在叶片入口5b的流道面积宽广。据此，能使输送流体在叶片入口5b处有效流动。因此，能提高泵的空穴特性和泵特性。而且，通过这样提高泵空穴特性和泵特性，能使泵叶轮5以更高转速旋转。而且，通过这样提高泵空穴特性和泵特性，能使泵叶轮5以更高转速旋转。

由于能使透平叶轮3的透平特性、泵叶轮5的泵特性，以及这些叶轮3、5的空穴特性提高，因此，也能使本实施例的透平驱动泵的特性和空穴特性显著提高。

图11表示工作流体的水的情况下本发明透平驱动流体泵的扬程和系统效率(泵效率×透平效率)的试验结果。

在图11中，○表示本发明透平驱动流体泵转速为13,900—16,600rpm场合，△表示泵转速为8,000—10,000rpm场合，□表示泵转速为5,900—7,000rpm场合。来试验使用的本发明流体泵的透平叶轮3和泵叶轮5的外径均为52mm，出口直径(或入口宽)为35mm，以及入口宽(或出口宽)为7mm。此外，设定作为试验条件的泵吸入条件为+1m水位差的压入流动，透平出口为自然流出。

由图11可以知道，根据本发明的流体泵，能用高转速得到极大的扬程H(m)。而且，从图上也可看出，即使以如此高速运转，系统效率η(％)的最高点几乎不降低，能维持高效率。进而，也看出透平的工作点也变动不大。这样，通过使透平工作点不变，能使对导入透平叶轮3的工作流体的流量和压力的控制变得简单。

因此，本发明流体泵能高效地以较大流量输送流体，据此，即使对于小型化泵也能确保流量，从而能实现透平驱动泵的高速小型化。在此场合，由于通过使空穴特性提高，对于所使用的工作流体或输送流体不用说气体，即使是液体或由液体和气体混合层组成的中间体，也能进一步实现高速化。

此外，对于各叶轮3，5的侧缘形状，如图3和图9中的虚线所示，可以把从叶片入口到叶片出口连成直线形状，然而，通过如本实施例那样，将其形成叶轮导流壁的凹形圆弧状，能得到与连成直线状时同等的流量—压力特性。据此，由于能减少使泵叶轮回转的转矩，还因透平能在同水量情况下降低压力，因而能进一步提高透平效率和泵效率。而且，由于通过将叶轮3，5的侧缘连成圆弧状，使从入口到出口形成的密封线变长，从而能使透平容积效率、透平效率，泵容积效率和泵效率得到进一步提高。

此外，在上述实施例中，透平叶轮3和泵叶轮5都被设计成具有3个叶片3e、5e然而，本发明也能设计成具有任意个叶片，此外，也能设计使透平叶轮3和泵叶轮5的叶片3e和5e的数目不等。

此外，通常能使泵叶轮5的叶片入口和透玉叶轮3的叶片出口具有一定形状，而与各自比转速的组合无关。

此外，在使用气体或由气体和液体的混合层组成的中间体作为工作流体的场合，例如如图2和图8中双点划线所示，通过分别在透平叶轮3和泵叶轮5的各叶片3e、5e间设置适当数目的部分叶片11、12，能使效率提高。在此场合，在使用气体作为工作流体时，希望在叶片3e、5e间设置较多枚数的部分叶片11、12。

在将透平主壳体2和泵主壳体8构成分体场合，可省略透平副壳体8和泵副壳体10。

此外，在上述实施例中，将本发明用于透平驱动流体泵，然而，本发明的流体机械用的叶轮也可以适用于单独的流体泵叶轮和单独的透平叶轮。

如上所述，若采用本发明的流体机械用叶轮，能提高泵叶轮的泵特性、透平叶轮的透平特性以及这些叶轮的空穴特性。因此，将本发明的流体机械用叶轮作为泵用叶轮也好，作为透平用叶轮也好，能够使泵和透平在高效率下工作。此外，据此，能使泵叶轮和透平叶轮通用化，能单独进行这些叶轮的设计制造，从而能大幅度降低成本。

此外，若采用本发明，能高效地，以较大的流量输送流体，据此即使构成小型化泵，也能确保流量，从而能实现透平驱动泵的高速小型化。在此场合，由于使空穴特性提高，不用说气体，即使将液体或由液体和气体的混合层组成的中间体作为所用的工作流体或输送流体，也能进一步实现高速化。

此外，若根据本发明，由于当泵的输送流体的密度变小时，能使泵转速(泵的旋转量)自动上升，从而无需改变透平工作流体，即使是中间体，也能输送液体。因此，能使泵的控制简单化的同时，使系统构造简单。

此外，若根据本发明，由于仅仅将叶片构成本发明那样的形状就能实现高速小型化，因此使构钥卿得非常简单。

Claims (12)

1.流体机械用叶轮，包括与转轴配合的轮壳，和此轮壳相连的导流壁，以及规定数目的叶片，将所述叶片的一端形成在所述轮壳或此轮壳附近的导流壁上，将叶片的另一端形成在上述导流壁的外周缘上，且使其向壳体侧伸出，

其特征在于，将上述与轮壳相连的导流壁的子午面形成凹形圆弧状旋转面，将形成有上述叶片一端的轮壳或该壳轮附近的导流壁形成和上述转轴大致平行的圆筒状，使上述一端从上述轮壳或该轮壳附近的导流壁面平滑连续地向外伸出，进而，使此一端的壳体侧部分沿相对上述转轴大致垂直方向延伸，同时，通过将上述一端的轮壳或该轮壳附近的导流壁侧部分和上述壳体侧部分间用向外方凸出的圆弧状平涔曲线相连而形成上述一端，且做成如下形状，即把相对此一端旋转时的旋转面的上述一端上的各部分的切线角设定成，在上述轮壳或轮壳附近的导流壁侧的一端大致为0°，使此角度从上述轮壳或该轮壳附近的导流壁侧的一端至上述壳体侧逐渐变大地平滑增大，从上述一端起至上述另一端止用平滑曲线相连而形成上述叶片。

2.流体泵用叶轮，所述叶轮的叶片一端为叶片入口端，所述叶片的另一端为叶片出口端，其特征在于将所述叶片形成下述形状，即把形成有上述叶片入口一端的轮壳导流壁做成和转轴大致平行的圆筒状，使上述叶片入口端从此轮壳导流壁面起平滑连续地向上流侧伸出，使壳体侧的叶片入口一端沿相对上述转轴大致垂直方向延伸，将形成在上述圆筒状轮壳导流壁上的叶片入口端和壳体侧叶片入口端间用在上流侧呈凸圆弧形的平滑曲线相连而形成叶片入口端，将此叶片入口角设定成在轮壳导流壁侧入口一端大致为0°，且使此角度从此轮壳导流壁侧入口一端至泵壳体侧入口一端逐渐变大，且具有使轮壳导流壁侧和泵壳体侧之间的叶片入口角平滑变化形状的叶片入口端，把从上述形状的叶片入口端至叶片出口用平滑曲线相连而形成所述叶片。

3.根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于将上述叶片入口端形状和上述叶片形状形成在平板状的上述导流壁上。

4.根据权利要求2或3所述的叶轮，其特征在于在上述叶片入口端形状和叶片形状中，把从入口端起至出口端止的叶片边缘形成在下流呈凸圆弧状的形状。

5.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于所述流体机械为透平，上述叶片的上述一端为叶片出口端，上述叶片的上述另一端为叶片入口端，所述叶片具有下述形状，就是把和上述轮壳相连的导流壁的子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，将形成叶片出口一端的轮壳导流壁构成和转轴大致平行的圆筒状，使叶片出口端从此轮壳导流壁面平滑连续地向下流侧伸出，使上述透平壳体侧叶片出口端沿相对上述转轴大致垂直方向延伸，通过将形成在上述圆筒状轮壳导流壁上的叶片出口端和透平壳体侧叶片出口端间连成在下流侧呈凸形圆弧状的平滑曲线形成所述叶片出口端将此叶片出口角设定成使在轮壳导流壁侧出口端大致为0°，且设定使此角度从此轮壳导流壁侧出口端向透平壳体侧出口逐渐变大，具有使轮壳导流壁侧和透平壳体侧间的叶片出口角平滑变化形状的叶片出口，使从叶片入口端至上述形状的叶片出口端上连成平滑曲线。

6.根据权利要求5所述的叶轮，其特征在于将上述叶片出口端的形状和上述叶片的形状形成在平板状的上述导流壁上。

7.根据权利要求5或6所述的透平叶轮，其特征在于在上述叶片出口端的形状和上述叶片的形状中，把从出口端至入口端的叶片边缘形状形成在上流呈凸的圆弧状的形状。

8.一种流体机械，其特征在于把如权利要求1所述的叶轮分别设置在所述流体机械转轴两端上，把设置在上述转轴一端上的流体机械用叶轮作为用第1流体的流动旋转驱动的第1叶轮，同时把设置在上述转轴另一端上的流体机械用叶轮作为用上述第1叶轮的旋转进行旋转驱动使第2流体流动的第2叶轮。

9.用透平叶轮旋转驱动泵叶轮旋转的透平驱动泵，将透平叶轮作为第1叶轮，泵叶轮作为第2叶轮，将上述泵叶轮可自由旋转地设置在泵壳体内，将上述透平叶轮可自由旋转地设置在透平壳体内，且使和上述泵叶轮同轴配置，其特征在于上述泵叶轮具有下述形状，就是把和泵转轴配合的轮壳相连的导流壁的子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，形成所述叶片入口一端的轮壳导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使上述叶片入口端和此轮壳导流壁面平滑连续地向上流侧伸出，使上述泵壳体侧叶片入口端沿相对上述旋转轴大致垂直方向延伸，通过把安装在上述圆筒状轮壳导流壁上的叶片入口端和泵壳体侧叶片入口端间连成在上流侧呈凸形圆弧状平滑曲线面形成叶片入口端，将此叶片入口角度完成在轮壳导流壁侧入口端大致为0°，且使从此轮壳导流壁侧入口端向泵壳体侧入口端逐渐变大，且具有使轮壳导流壁侧和泵壳体侧间的叶片入口角平滑变化形状的叶片入口，具有从上述形状的叶片入口端至叶片出口端由平滑曲线连成的叶片，

上述透平叶轮具有下述形状，就是把和转轴配合的轮壳相连的导流壁子午面形状形成凹形圆弧状旋转面，其上形成有把叶片出口一端的轮壳导流壁形成和转轴大致平行的圆筒状，使叶片出口端从此轮壳导流壁面平滑连续地向下流侧伸出，使上述透平壳体侧叶片出口端沿相对上述旋转轴大致垂直方向延伸，把形成在上述圆筒状轮壳导流壁上的叶片出口一端和透平壳体侧叶片出口一端间连成在下流侧由凸形圆弧状平滑曲线形成的叶片出口端，把此叶片出口角设定成在轮壳导流壁侧出口端大致为0°，且使其从此轮壳导流壁侧出口一端向透平壳体侧出口一端逐渐变大，且具有使轮壳导流壁侧和透平壳体侧间的叶片出口角平滑变化形状的叶片出口，具有从叶片入口端至上述形状的叶片出口端由平滑曲线连成的叶片。

10.根据权利要求9所述的泵，其特征在于将上述泵叶片入口角设定成在上述泵壳体侧入口端和用传统设计算出的角度大致相等，同时，将上述透平叶片出口角设定成在上述透平壳体侧出口端和用传统设计算出的角度大致相等。

11.根据权利要求9或10所述的泵，其特征在于通常使上述泵叶轮的叶片入口形状和上述透平叶轮的上述叶片出口具有一定形状，而与各自比转速的组合无关。

12.根据权利要求9至11中任一权利要求所述的透平驱动泵，其特征在于作为上述泵仙的第2流体可为液体、气体、以及由它们的混合层组成的中间体中的任何一种，并且作为上述透平侧的第1流体也可为液体、气体以及由它们的混合层组成的中间体中任何一种。

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