CN103052808A - 离心压缩机的涡旋构造 - Google Patents

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Abstract

一种离心压缩机的涡旋构造，具有：从涡旋(12)的中心至涡旋(12)的截面形状的涡旋形心(P)的半径从涡旋的卷绕开始位置至周向上的任意范围逐渐增加的半径增大圆弧部(E)；以及向所述涡旋终点(Z)半径逐渐减小的半径减小圆弧部(F)。

Description

离心压缩机的涡旋构造
技术领域
本发明涉及一种具有涡旋部构造的离心压缩机，并涉及在涡旋部使静压恢复的涡旋构造，所述涡旋部构造利用压缩机叶轮的旋转而在该压缩机叶轮的外周部构成形成为涡旋形状的流路。
背景技术
离心压缩机在较大的运转范围中被要求高压力、高效化。
图5表示离心压缩机的压缩机叶轮的旋转轴心上半部分的主要部分放大剖视图。
离心压缩机的压缩机1主要包括：涡轮转子2，该涡轮转子2用旋转轴将压缩机叶轮3和旋转驱动源连接，该压缩机叶轮3包括旋转的轮毂31及安装在其外周面上的许多离心叶片32；以及压缩机壳体11，该压缩机壳体收纳涡轮转子2并形成流体的流路。
压缩机壳体11，在压缩机叶轮3的外周侧呈大致环形状，设有：扩散部13，该扩散部13通过使从压缩机叶轮3排出的气流减速而使静压恢复；涡旋12，该涡旋12在扩散部13的外周侧，形成为截面积向周向扩大成涡旋状，对气流进行减速、升压；以及出口管(图示省略)。
当压缩机叶轮3旋转时，离心叶片32对从空气通道15导入的气体或空气等流体进行压缩。如此形成的流体的流动(气流)，从压缩机叶轮3的外周端通过扩散部13及涡旋12而从出口管被送出到外部。
图6表示涡旋12的俯视示意图。
图6将涡旋终点(图6中360°)作为0基准(圆坐标上的0°)，在图6中，从顺时针60°的位置每隔30°进行定位的半径R的分布是恒定的。
在图7(A)中，横轴表示周向上的角度位置，纵轴表示涡旋12的从压缩机旋转轴中心L1至涡旋形心P的半径R，半径R的分布表示为恒定。
另外，图7(B)是将图6中以顺时针60°的位置为基准的涡旋12的每个周向位置(每隔30°)的各截面予以层叠表示的断层图，表示涡旋形心P的半径R方向的变化。
作为使涡旋构造变化的以往技术，公开有日本专利特开2010－209824号公报(专利文献1)。
专利文献1的技术是，涡旋部具有绕涡轮的动叶片的旋转轴形成为涡旋状的流路，所述涡轮将流体气体供给到动叶片而获得动力，所述涡旋部的外缘包括：半径R形成为恒定的圆弧部、及半径R从该圆弧部的终点向涡旋部的终点逐渐减小的部分。
专利文献1：日本专利特开2010－209824号公报
发明所要解决的课题
但是，在专利文献1的技术中，是将流体气体供给到动叶片而进行膨胀并获得动力的涡轮的涡旋构造，与将气流压缩的本申请相比，气流的流动以及性质是不相同。
另外，离心压缩机通过使由压缩机叶轮3加速的流动减速而获得静压。
图7所示的以往技术中，气流的减速由扩散部13进行，不由涡旋减速。不减速的部分成为涡旋12内的损失，不能获得作为离心压缩机的高效率、高压力。
另一方面，在欲由涡旋12减速时，产生于涡旋壁与流体之间的边界层就变厚，不能充分获得静压恢复。
发明内容
本发明是为解决这种问题而做成的，其目的在于，使涡旋截面的涡旋形心和旋转轴中心之间的半径局部改变，在涡旋内形成使气流的流动减速的部分和增速的部分，能进行充分的静压恢复，获得作为离心压缩机的高效率和高压力。
用于解决课题的手段
为解决上述课题，本发明的离心压缩机的涡旋构造，形成从配设在离心压缩机的压缩机叶轮的下游侧的扩散部排出的气体或空气等流体的流路，该离心压缩机的涡旋构造的特点在于，具有：从形成所述涡旋且在周向上连续的各截面形状的涡旋形心至压缩机旋转轴中心的半径从所述涡旋的卷绕开始位置至涡旋的周向上的任意角度逐渐增加的半径增大圆弧部；以及从形成所述涡旋且在周向上连续的各截面形状的涡旋形心至压缩机旋转轴中心的半径向所述涡旋的终点逐渐减小的半径减小圆弧部。
利用这种结构，由于在涡旋的卷绕开始的部分，涡旋壁面和流体的边界层厚度薄，流体的流通阻力小，因此，通过增大涡旋的半径，使流体减速，从而促进静压恢复，通过减小中途至涡旋终点的部分的半径，使流体增速，从而防止边界层厚度的过大，确保流体的流量，提高压缩机性能。
另外，本发明最好是，所述半径增大圆弧部和所述半径减小圆弧部的边界部，以所述涡旋部的终点为0基准(圆坐标上的0°)而设在210°近旁。
利用这种结构，要使静压恢复，需要减小流体速度，但当减小流体速度时，涡旋壁和流体产生边界层，流通阻力变大，流体的流量损失变大。因此，通过将边界设在210°近旁，从而在至210°的范围之间使静压恢复，通过将210°以后作成半径减小圆弧部，从而加速流体的流速，减少边界层的产生，可获得静压无压损的压缩机性能。
另外，本发明最好是，在所述半径增大圆弧部与所述半径减小圆弧部之间具有缓和圆弧变化的圆弧缓和部。
利用这种结构，由于流体产生急剧的减速、增速，因此使半径增大圆弧部和半径减小圆弧部的边界部分的变化平滑，抑制流体的紊流，提高压缩机性能。
另外，本发明最好是，所述圆弧缓和部，以所述涡旋部的终点为0基准而设在大致260°至300°的范围。
利用这种结构，通过将圆弧缓和部设在大致260°至300°的范围，从而在至260°的范围之间使静压恢复，使边界部分的变化平滑，抑制流体的紊流，通过将260°以后作成半径减小圆弧部，从而加速流体的流速，减少边界层的产生，可获得静压无压损的压缩机性能。
发明的效果
本发明的离心压缩机的涡旋构造具有：从压缩机旋转轴中心至该涡旋的截面形状的涡旋形心的半径从所述扩散部向周向任意范围逐渐增加的半径增大圆弧部；以及向所述涡旋部的终点逐渐减小的半径减小圆弧部，因此，在涡旋内形成使气流的流动减速的部分和增速的部分，能进行充分的静压恢复，具有获得作为离心压缩机的高效率和高压力的效果。
附图说明
图1表示本发明第一实施形态的涡旋形状与以往例子的比较图。
图2(A)表示本发明第一实施形态的涡旋周向的各部位的半径与以往例子的比较图，图2(B)表示将涡旋的各部位截面予以层叠表示的断层图。
图3表示本发明第二实施形态的涡旋形状与以往例子的比较图。
图4(A)表示本发明第二实施形态的涡旋周向的各部位的半径与以往例子的比较图，图4(B)表示将涡旋的各部位截面予以层叠表示的断层图。
图5表示本发明的离心压缩机的压缩机叶轮的旋转轴心上半部分的主要部分放大剖视图。
图6表示以往技术的涡旋形状图。
图7(A)表示以往技术的涡旋周向的各部位半径，图7(B)表示将涡旋的各部位截面予以层叠表示的断层图。
具体实施方式
下面，用附图所示的实施例来详细说明本发明。
本实施例记载的结构零件的尺寸、材质、形状和其相对配置等只要不特别进行特定的记载，就不是将本发明的范围仅限定于此的意思，只不过是说明例而已。
(第一实施形态)
如图5所示，本发明的涡旋构造，作为流体的流路，在压缩机叶轮3的外周侧呈大致环形状，设有：扩散部13，该扩散部13通过使从压缩机叶轮3排出的气流减速而使静压恢复；涡旋12，该涡旋12在扩散部13的外周侧，形成为截面积向周向扩大成涡旋状，对气流进行减速、升压；以及出口管(图示省略)。
当压缩机叶轮3旋转时，离心叶片32对从空气通道15导入的气体和空气等流体进行压缩。如此形成的流体的流动(气流)，从压缩机叶轮3的外周端通过扩散部13及涡旋12而从出口管被送出到外部。
现根据图1及图2(A)、(B)，来说明本发明第一实施形态的离心压缩机的涡旋构造。
图1是俯视涡旋12的示图，实线表示第一实施形态的形状，虚线表示以往例子的形状。
涡旋构造是，涡旋12的径向的截面呈大致圆形，该截面的面积以涡旋终点Z为0基准，从顺时针60°的位置至涡旋终点Z之间逐渐扩大成涡旋状。
另外，图1中顺时针60°的位置，是与涡旋的卷绕开始位置大致一致的部位。
并且，涡旋12的旋转轴中心L1与涡旋形心P之间的距离、即半径R逐渐变化，所述涡旋形心P是形成涡旋12且在周向连续的各部位的截面中心。
该变化的方式如图2(A)所示，表示从顺时针60°的位置至涡旋终点Z之间每隔30°(刻度每60°记载一次)的部位的涡旋形心P的半径。
并且，从大致60°的位置至大致210°之间，是涡旋形心P的半径增大的半径增大圆弧部E，从大致210°的下游侧至涡旋终点Z(360°)是涡旋形心P的半径减小的半径减小圆弧部F。
另外，虚线表示以往例子，R是恒定的，而实线表示第一实施形态。
图2(B)是将涡旋12的从顺时针大致60°的位置至涡旋终点Z之间每隔30°的部位的截面予以层叠后的示图，涡旋形心P的变化容易被读取。
另外，我们知道，关于涡旋12内的气流流动，有如下的关系式成立。
R×Cu=恒定    …………(1)
R：涡旋形心P的半径，Cu：周向流速(涡旋卷绕方向)
R(半径)若大，则Cu[周向流速(涡旋卷绕方向)]就小(迟缓)，相反也成立。
因此，在使涡旋形心P的半径R在60°至210°之间逐渐增大的半径增大圆弧部中，从扩散部13排出的气流被减速。
从涡旋12的卷绕开始位置(60°近旁)至210°之间，因涡旋12的壁面与流体(气流)的摩擦所产生的边界层厚度薄，故可促进静压恢复。
然后，在将210°的下游侧至涡旋终点Z之间逐渐减小的半径减小圆弧部中，气流被增速。
由于增速时防止边界层厚度的增大，故流速被确保。
通过将气流减速，边界层厚度随流动而生长，因此，气流的流量减少。
所以，只在某一定的范围(在本实施形态中为大致60°至210°)使气流减速。
根据离心压缩机的要求性能选择高压力或大空气量，从而可容易使卷绕开始位置(60°近旁)至210°的位置前后变动。
另外，当使半径R增大至大大超过210°的部位时，静压上升，但气流的流量阻力变大，当半径R增大至210°之前时，静压上升就变低。
210°的位置，对于发动机用离心压缩机要求性能来说，是在压力及空气量方面获取平衡的位置。
由于在涡旋12的卷绕开始部分，涡旋壁面与流体的边界层厚度薄，流体的流通阻力小，因此，通过增大涡旋半径，使流体减速，就可促进静压恢复，通过将从中途至涡旋终点部分的半径做小，使流体增速，就可防止边界层厚度过大，确保流体的流量，提高压缩机性能。
要使静压恢复，需要减小流体速度，但若减小流体速度，则涡旋壁与流体产生边界层，流通阻力变大，流体的流量损失变大。所以，通过将边界设在210°近旁，从而在至210°的范围之间恢复静压，通过将210°以后设成半径减小圆弧部，从而使流体流速增速，减少边界层的产生，能获得静压无压损的压缩机性能。
(第二实施形态)
现根据图3及图4(A)、(B)，来说明本发明第二实施形态的离心压缩机的涡旋构造。
另外，与第一实施形态相同的结构要素，标上相同的符号而省略说明。
图3是俯视涡旋12的示图，实线表示第二实施形态的形状，虚线表示以往例子的形状。
涡旋构造是，涡旋12的径向的截面呈大致圆形，该截面的面积以涡旋终点Z为0基准，从顺时针60°的位置至260°之间逐渐扩大成涡旋状，形成涡旋形心P的半径增大圆弧部E。
并且，涡旋12的旋转轴中心L1与涡旋形心P之间的距离、即半径R逐渐变化(增大)，所述涡旋形心是形成涡旋12且在周向连续的各部位的截面中心。
此外，将260°至300°范围的半径做成恒定，形成缓和圆弧的变化的圆弧缓和部G，成为从300°至涡旋终点Z(360°)的涡旋形心P的半径减小的半径减小圆弧部。
该半径R的变化如图4(A)所示，表示从顺时针60°的位置至涡旋终点Z之间每隔30°(刻度每60°记载一次)的部位的涡旋形心P的半径。
图4(B)是将涡旋12的从顺时针大致60°的位置至涡旋终点Z之间每隔30°部位的截面予以层叠后的示图，涡旋形心P的变化容易被读取。
另外，在本实施形态中，将圆弧缓和部G的涡旋形心半径做成恒定，但通过在图4(A)中做成圆弧状K(虚线部)，可抑制气流的紊流。
通过配设圆弧缓和部G，使半径增大圆弧部E和半径减小圆弧部F的边界部分的变化平滑，抑制流体的紊流，提高压缩机性能。
另外，通过将圆弧缓和部设成260°～300°的范围，从而在至260°的范围之间恢复静压，使边界部分的变化平滑，抑制流体的紊流，通过将260°以后做成半径减小圆弧部，从而加速流体的流速，减少边界层的产生，可获得静压无压损的压缩机性能。
产业上的实用性
本发明涉及具有涡旋部构造的离心压缩机，可用于在涡旋部使静压恢复、获得较高的压缩机性能的离心压缩机，所述涡旋部构造利用压缩机叶轮的旋转而在该压缩机叶轮的外周部构成形成为涡旋形状的流路。

Claims (4)

1.一种离心压缩机的涡旋构造，形成有从配设在离心压缩机的压缩机叶轮的下游侧的扩散部排出的气体或空气等流体的流路，该离心压缩机的涡旋构造的特征在于，
具有：从形成所述涡旋且在周向上连续的各截面形状的涡旋形心至压缩机旋转轴中心的半径从所述涡旋的卷绕开始位置至涡旋的周向上的任意角度逐渐增加的半径增大圆弧部；以及从形成所述涡旋且在周向上连续的各截面形状的涡旋形心至压缩机旋转轴中心的半径向所述涡旋的终点逐渐减小的半径减小圆弧部。
2.如权利要求1所述的离心压缩机的涡旋构造，其特征在于，所述半径增大圆弧部和所述半径减小圆弧部的边界部以所述涡旋的终点为0基准、即圆坐标上的0°而设在210°近旁。
3.如权利要求1所述的离心压缩机的涡旋构造，其特征在于，在所述半径增大圆弧部与所述半径减小圆弧部之间具有缓和圆弧的变化的圆弧缓和部。
4.如权利要求3所述的离心压缩机的涡旋构造，其特征在于，所述圆弧缓和部以所述涡旋的终点为0基准而设在大致260°～300°的范围。
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