CN108350901B - 离心压缩机叶轮 - Google Patents

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Abstract

本发明的离心压缩机叶轮，具有从流体的入口延伸到出口的叶片。叶轮的叶片具备从叶片尖的叶片尖入口到叶片尖出口沿其延伸方向观察叶片尖的叶片角的分布时使叶片角为恒定的叶片角恒定区域。该叶片角恒定区域的入口侧的起点设定于离开叶片尖入口的位置。

Description

离心压缩机叶轮
技术领域
本公开涉及离心压缩机叶轮。
背景技术
以往，作为这样的领域的技术，公知有下述专利文献1记载的叶轮。该叶轮的叶片的叶片尖具有：从入口朝向出口而叶片角为恒定的叶片尖角度恒定区域、和与叶片尖角度恒定区域的出口侧连续且叶片角逐渐增大的叶片尖角增大区域。在专利文献1中，提出利用上述结构来提高叶轮的压缩效率的方案。
专利文献1:日本特开2015-75040号公报
发明内容
在这种离心压缩机叶轮中，要求更进一步的效率的提高。本公开的目的在于提供一种实现提高效率的离心压缩机叶轮。
本公开的一个方式的离心压缩机叶轮，具有从流体的入口延伸到出口的叶片，其中，叶片具备叶片角恒定区域，即：在沿叶片尖的延伸方向观察叶片尖的叶片角的分布时，使叶片角为恒定的区域，叶片角恒定区域的入口侧的起点位于离开入口的位置。
根据本公开的离心压缩机叶轮，能够实现效率的提高。
附图说明
图1是表示实施方式的离心压缩机叶轮的图。
图2是表示使离心压缩机叶轮的叶片绕旋转轴线旋转所得到的旋转体的立体图。
图3是表示叶轮的子午面长度与rθ值的关系的曲线图。
图4是表示叶轮的子午面长度与叶片角β的关系的曲线图。
图5是表示叶轮的子午面长度与翼面马赫数的关系的曲线图。
图6的(a)是表示实施例叶轮的马赫数分布的等高线图，图6中的(b)是表示比较例叶轮的马赫数分布的等高线图。
图7是表示叶轮的流量-压力比、以及流量-效率的关系的曲线图。
具体实施方式
本公开的一个方式的离心压缩机叶轮，具有从流体的入口延伸到出口的叶片，其中，叶片具备叶片角恒定区域，即：在沿叶片尖的延伸方向观察叶片尖的叶片角的分布时，使叶片角为恒定的区域，叶片角恒定区域的入口侧的起点位于离开入口的位置。
另外，入口侧起点的距离入口的无量纲子午面长度也可以为0.05m/m2以上。另外，叶片角恒定区域也可以存在于：距离入口的无量纲子午面长度为0.05m/m2的点、与距离入口的无量纲子午面长度为0.40m/m2的点之间的区域内。另外，叶片角恒定区域内的各点的叶片角也可以是将入口侧的起点处的叶片角设为叶片角β1时，在(β1±1)°的范围内的角度。另外，叶片角恒定区域的区域宽度也可以是以无量纲子午面长度来计算在0.05m/m2以上。另外，叶片角的分布也可以在叶片角恒定区域内存在极小值。
以下，一边参照附图、一边对本公开的叶轮的实施方式进行详细地说明。本实施方式的叶轮1例如是作为增压器的压缩机等叶轮而使用的离心压缩机叶轮。如图1所示，叶轮1具备：绕旋转轴线H旋转的枢毂3、形成于枢毂3的周围并从流体的入口延伸到出口的多个叶片5。这样的离心压缩机叶轮的结构是公知的结构，因此省略更详细的说明。
图1是图示出将叶片5沿旋转周向相对于包括旋转轴线H的一个假想平面投射后的状态的图。叶片5具有叶片尖11(护罩侧缘)、枢毂侧缘12、前缘13以及后缘14这四个边缘。叶轮1从流体的入口即前缘13沿旋转轴线H方向吸入流体，并将压缩后的流体从出口即后缘14沿径向排出。以下，将叶片尖11与前缘13的交点即叶片尖11的入口简称为“叶片尖入口”，对该叶片尖入口标注附图标记11a。另外，将叶片尖11与后缘14的交点即叶片尖11的出口简称为“叶片尖出口”，对该叶片尖出口标注附图标记11b。
本实施方式的叶轮1的特征在于，叶片5的叶片尖11的叶片角β示出后述的分布。以下对“叶片尖的叶片角β”的定义进行说明。
首先，用以叶片尖入口11a为基准的无量纲子午面长度(Normalized meridionaldistance；m/m2)来表示叶片尖11上的任意点的子午方向上的位置。在此，对“无量纲子午面长度”的定义进行说明。如图1所示，在投射于包括旋转轴线H的假想平面的状态的叶片5中，考虑叶片5的任意点M。将经过点M且从前缘13到后缘14沿子午方向延伸的曲线LM的全长设为m2。并且，将从前缘13到点M沿曲线LM测量出的长度设为m。此时以前缘13为基准的点M的无量纲子午面长度用长度m相对于长度m2的比例(即，m/m2)来定义。因此以前缘13为基准的无量纲子午面长度是取0～1的值的无量纲量。
将上述内容应用于叶片尖11上的任意点J。如图1所示，将从叶片尖入口11a到叶片尖出口11b沿子午方向延伸的叶片尖11的全长设为k。将从叶片尖入口11a到点J沿叶片尖11测量出的长度设为j。此时，以叶片尖入口11a为基准的点J的无量纲子午面长度被表示为j/k[m/m2](j/k＝0～1)。这样，叶片尖11上的任意点的子午方向上的位置能够根据以叶片尖入口11a为基准的无量纲子午面长度，用无量纲的0～1的值来表现。
接下来，为了表示叶片尖11上的任意点J的旋转周向上的位置，而导入以叶片尖入口11a为基准的“rθ值”。图2是表示使叶轮1的叶片5绕旋转轴线H旋转所得到的假想的旋转体的立体图。叶片尖11出现在该旋转体的周侧面上。如图2所示，将叶片尖入口11a与点J的旋转周向的相位差设为θ，将叶轮1旋转时的点J的旋转半径设为r。此时，以叶片尖入口11a为基准的点J的rθ值是上述的r与θ相乘所得的值。该rθ值相当于图2所示的圆弧C的长度。
接下来，如图3所示，针对叶片尖11上的点，考虑取以叶片尖入口11a为基准的无量纲子午面长度为横轴，取以叶片尖入口11a为基准的rθ值为纵轴的坐标系。在该坐标系中，从叶片尖入口11a(m/m2＝0)至叶片尖出口11b(m/m2＝1)，对叶片尖11上的各点进行曲线化后，成为曲线G1。而且，曲线G1的各点处的切线的斜率对应于每个点的叶片角β。具体而言，叶片尖11上的任意点J处的叶片角β用tanβ＝d(rθ)/dj来定义。在此，j如上所述是从叶片尖入口11a到任意点J的沿着叶片尖11测量的长度(有量纲量)。
图4所示的曲线G3是按照上述的叶片角β的定义，表示从叶片尖入口11a(m/m2＝0)到叶片尖出口11b(m/m2＝1)的沿叶片尖11的延伸方向的叶片角β的分布的曲线。
本实施方式的叶轮1的特征性的结构如下所述。如图4所示，在沿叶片尖11的延伸方向从叶片尖入口11a到叶片尖出口11b观察叶片尖11的叶片角β的分布时，存在叶片角β为恒定的叶片角恒定区域A。而且，该叶片角恒定区域A的叶片尖入口11a侧的起点T1存在于离开叶片尖入口11a的位置。即，以叶片尖入口11a为基准的起点T1的无量纲子午面长度不是零。具体而言，以叶片尖入口11a为基准的起点T1的无量纲子午面长度成为0.05m/m2以上。另外，叶片角恒定区域A存在于点S1与点S2之间的区域内。在此，以叶片尖入口11a为基准的点S1的无量纲子午面长度为0.05m/m2。以叶片尖入口11a为基准的点S2的无量纲子午面长度为0.40m/m2。具体而言，在图4的曲线G3所示的例子中，叶片角恒定区域A是从T1(大约0.2m/m2)到T2(大约0.3m/m2)的区域。
另外，上述的“叶片角β恒定”是指：若将叶片角恒定区域A的起点T1的叶片角设为叶片角β1，则在叶片角恒定区域A内，叶片尖11上的各点的叶片角β是(β1±1)°的范围内的角度。在叶片角恒定区域A内，在满足叶片尖11上的各点的叶片角β为(β1±1)°的条件的基础上，叶片角β也可以上下变动。例如，在叶片角恒定区域A内，叶片角β也可以变动为具有极小值。另外，叶片角恒定区域A的区域宽度以无量纲子午面长度来计算是0.05m/m2以上。具体而言，在图4的曲线G3所示的例子中，叶片角恒定区域A是大约0.2～大约0.3m/m2的区域，该叶片角恒定区域A的区域宽度大约为0.1m/m2。
接下来，对上述那样的叶轮1的作用效果进行说明。
一般而言，在这种离心压缩机叶轮中，已知在高旋转、高压力比的条件下在入口处产生较强的冲击波，从而存在产生由冲击波引起的边界层剥离的情况。与此相对，在叶轮1中，由于在叶片角恒定区域A叶片角β为恒定，因此在叶片角恒定区域A中叶片尖11形成直线状的形状。这样，能够抑制在叶片角恒定区域A处叶片尖11附近的流体的加速。其结果冲击波减弱，抑制叶片尖11处的边界层剥离，由此叶轮1的效率上升。
在此，若假设以叶片尖入口11a为起点而存在叶片角恒定区域A，则会导致流量变小，因而不优选。与此相对，如图4所示，叶片角恒定区域A的叶片尖入口11a侧的起点T1被设定于离开叶片尖入口11a的位置。因此在比起点T1靠入口侧的区域内，例如采用以叶轮1的流量增加为目标的叶片尖11的曲线形状等，容易确保叶轮1的流量设计的自由。另外，根据该观点，如果以叶片尖入口11a为基准的起点T1的无量纲子午面长度为0.05m/m2以上，则能够充分地确保流量设计的自由。
另外，在叶轮1的叶片5彼此之间设置有分割叶片的情况下，通常分割叶片的起点配置于以叶片尖入口11a为基准的无量纲子午面长度为0.40m/m2的位置附近的情况较多。在该情况下，在比分割叶片的起点靠入口侧的位置，产生叶片5的边界层剥离，从而使实际流路变窄，如果在下游也产生过度的加速，则在分割叶片中也产生边界层剥离的可能性提高。与此相对，在叶轮1的叶片5中，叶片角恒定区域A位于比以叶片尖入口11a为基准的无量纲子午面长度为0.40m/m2的点S2靠入口侧的位置。根据该结构，在存在分割叶片的情况下，在比分割叶片的起点靠入口侧的位置能够抑制叶片5的边界层剥离。其结果在存在分割叶片的情况下，也能够抑制该分割叶片的边界层剥离。
接下来，为了确认基于叶轮1的结构的上述效果，对本发明人实施的实验进行说明。
准备具备上述的叶轮1的结构的叶轮(以下称为“实施例叶轮”)、和不具备叶片角恒定区域的以往的叶轮(以下称为“比较例叶轮”)的模型，并执行了CFD解析。实施例叶轮的叶片形状是用图3所示的实线的曲线G1与图4所示的实线的曲线G3确定的形状。同样，比较例叶轮的叶片形状是用图3所示的虚线的曲线G2与图4所示的虚线的曲线G4确定的形状。
CFD解析的结果在图5～图6中示出。图5是表示从叶片的叶片尖入口(m/m2＝0)到叶片尖出口(m/m2＝1)的翼面马赫数分布的曲线图。实线的曲线G51、G52对应于实施例叶轮。上述曲线中，曲线G51是实施例叶轮的负压力面侧的分布，曲线G52是实施例叶轮的正压力面侧的分布。同样地，虚线的曲线G61、G62对应于比较例叶轮。上述曲线中，曲线G61是比较例叶轮的负压力面侧的分布，曲线G62是比较例叶轮的正压力面侧的分布。图6是用等高线图表示叶轮的马赫数分布的图，是从与旋转轴线正交的方向观察而表示叶轮的图。图6的(a)对应于实施例叶轮，图6的(b)对应于比较例叶轮。图7是表示各叶轮的流量-压力比特性以及流量-效率特性的曲线图。在图7中，实线对应于实施例叶轮，虚线对应于比较例叶轮。
在比较例叶轮中，如图5的曲线G61所示，翼面马赫数在0.3m/m2附近急剧降低。另外，在比较例叶轮中，如图6的(b)的P所示的部位所展现的那样，认为产生了由冲击波引起的边界层剥离。与此相对，在实施例叶轮中，如图6的(a)所示，可知与上述部位P对应的位置处的边界层剥离被消除。另外，如图5的曲线G51所示，在实施例叶轮中，翼面马赫数从约0.35m/m2的位置比较缓慢地降低。因此，在实施例叶轮中，可知抑制了冲击波的产生，抑制了由冲击波引起的边界层剥离。另外，即使对叶片的正压力面侧的翼面马赫数进行比较，在实施例叶轮(图G52)中，也可知与比较例叶轮(图G62)相比较，翼面马赫数的起伏缓慢。
另外，如图7所示，在实施例叶轮中，可知与比较例叶轮相比较，特别是在大流量区域，在产生冲击波的转速的条件下，压力比以及效率得到改善。如上所述，确认了由叶轮1的结构产生的效率改善的效果。
本发明以上述的实施方式为代表，能够以基于本领域技术人员的知识进行了各种变更、改进的各种方式来实施。另外，也能够利用上述的实施方式所记载的技术事项来构成变形例。也可以适当地组合各实施方式的结构来使用。
附图标记说明：1…叶轮；5…叶片；13…前缘(入口)；14…后缘(出口)；A…叶片角恒定区域；T1…起点；β…叶片角

Claims (1)

1.一种离心压缩机叶轮，具有从流体的入口延伸到出口的叶片，所述离心压缩机叶轮的特征在于，
所述叶片具备叶片角恒定区域，即：在沿叶片尖的延伸方向观察叶片尖的叶片角的分布时，使所述叶片角为恒定的区域，
所述叶片角恒定区域的所述入口侧的起点位于离开所述入口的位置，
所述入口侧的起点的距离所述入口的无量纲子午面长度为0.05以上，
所述叶片角恒定区域存在于：距离所述入口的无量纲子午面长度为0.05的点、与距离所述入口的无量纲子午面长度为0.40的点之间的区域内，
所述叶片角恒定区域内的各点的所述叶片角是将所述入口侧的起点处的叶片角设为叶片角β1时，在(β1±1)°的范围内的角度，
所述叶片角恒定区域的区域宽度是以无量纲子午面长度来计算在0.05以上，
所述叶片角的分布在所述叶片角恒定区域内存在极小值。
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