CN115380169A

CN115380169A - 叶轮及离心压缩机

Info

Publication number: CN115380169A
Application number: CN202180019456.0A
Authority: CN
Inventors: 本田浩范; 谷口直; 平谷文人; 冨田勋; 松尾哲也; 白川太阳
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Marine Machinery and Equipment Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Marine Machinery and Equipment Co Ltd
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-11-22
Also published as: US20230123100A1; EP4112944A4; US11835058B2; JPWO2021215471A1; JP7386333B2; EP4112944A1; WO2021215471A1; KR20220116342A

Abstract

叶轮具备以轴线为中心的圆盘状的轮毂和从轮毂的朝向轴线方向一方侧的面突出且在周向上排列的多个叶片，在从叶片中的包含作为从轮毂向叶尖侧远离的方向的叶片高度方向的剖面观察时，在叶片形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面，将在从所述剖面观察时连结叶片的叶尖侧的端缘与轮毂侧的端缘的假想线和叶片的中跨的在与假想线正交的方向上的距离定义为凹陷量的情况下，叶片具有所述凹陷量从前缘侧到后缘侧增加的部分。

Description

叶轮及离心压缩机

技术领域

本说明书涉及一种叶轮及离心压缩机。

本申请基于2020年4月23日向日本专利局提出申请的日本特愿2020-076704号主张优先权，并将其内容援用于此。

背景技术

使用于离心压缩机的叶轮具备圆盘状的轮毂和设置于轮毂的一方侧的面的多个叶片。

在上述这样的叶轮中，在谋求调高压力比的情况下，以往一般有通过减小叶片的后倾角而使出口的绝对流速的周向分量增加的方法。另外，后倾角是指叶片的后缘处的切线相对于旋转轴线的径向所成的角度。作为具有这样形状的叶轮的具体例，已知有记载于以下专利文献1的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-109193号公报

发明要解决的技术问题

然而，在上述这样形状的叶轮中，由于从叶片的轮毂到叶尖的叶片负荷均匀地变大，因此由于叶轮内部的压力梯度造成的二元流、由于叶片端部的泄漏涡等流动结构造成的损失变大。因此，可能招致效率降低、稳定工作区域缩小。

发明内容

本发明是为了解决上述技术问题而完成的，其目的在于，提供一种压力比高且效率也高的叶轮及离心压缩机。

用于解决技术问题的技术手段

为了解决上述技术问题，本发明涉及的叶轮具备：圆盘状的轮毂，该轮毂以轴线为中心；以及多个叶片，该多个叶片从该轮毂的朝向所述轴线方向的一方侧的面突出，并在周向上排列，在从所述叶片的包含叶片高度方向的剖面观察时，在所述叶片形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面，该叶片高度方向是从所述轮毂向叶尖侧远离的方向，所述叶片具有所述凹面的曲率从前缘侧到后缘侧增加的部分。

发明的效果

根据本发明，能够提供压力比高且效率也高的叶轮及离心压缩机。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式涉及的离心压缩机的构成的剖视图。

图2是表示本发明的实施方式涉及的叶轮的构成的立体图。

图3是表示本发明的实施方式涉及的叶轮的构成的子午面图。

图4是表示本发明的实施方式涉及的叶轮的叶片角分布的图。

图5A是表示本发明的实施方式涉及的全叶片的叶片高度方向上的形状的图。

图5B是表示本发明的实施方式涉及的全叶片的叶片高度方向上的形状的图。

图6是用于定义本发明的实施方式涉及的叶片的叶片角的图。

图7是表示本发明的实施方式涉及的全叶片的叶片角与外倾线的关系的说明图。

图8是表示本发明的实施方式涉及的叶轮的二元流的状态的说明图。

符号说明

100 离心压缩机

1 叶轮

2 轮毂

3 入口部

4 出口部

5 全叶片

5a 前缘

5b 后缘

5c 轮毂侧缘

5d 叶尖侧缘

5m 中跨

6 流路

7 分流叶片

10 旋转轴

30 壳体

40 扩散轮叶

Ac 轴线

F 出口流路

F1 扩散流路

F2 出口涡旋

P 压缩流路

R 凹面

Pl 平面

具体实施方式

(离心压缩机的构成)

以下，参照图1至图8对本发明的实施方式涉及的离心压缩机100进行说明。如图1所示，离心压缩机100具备旋转轴10、叶轮1、壳体30以及扩散轮叶40。另外，在本发明中，扩散轮叶40不是必要的结构，对于不具备扩散轮叶的离心压缩机也可以应用本发明。

旋转轴10沿着轴线Ac延伸，并且能够绕该轴线Ac旋转。在旋转轴10的外周面固定有叶轮1。叶轮1具有轮毂2、多个叶片5、7(全叶片5以及分流叶片7)。

轮毂2呈以轴线Ac为中心的圆盘状。轮毂2的外周面呈随着从轴线Ac方向的一方侧朝向另一方侧而从径向内侧朝向外侧弯曲的曲面形状。

如图2所示，全叶片5是在轮毂2的周面上被设置为从流体的入口部3延伸至出口部4的长叶片。分流叶片7是在轮毂2的周面上形成于相邻的全叶片5、5间的流体的各流路6中被设置为从全叶片5的前缘5a的下游侧延伸至出口部4的短叶片。另外，图2中的箭头(符号N)表示叶轮1的旋转方向。

如图3所示，全叶片5具有作为入口部3侧的缘的前缘5a、作为出口部4侧的缘的后缘5b、作为与轮毂2连接的一侧的缘的轮毂侧缘5c以及作为与轮毂侧缘5c相对的缘的叶尖侧缘5d。分流叶片7具有作为入口部3侧的缘的前缘7a、作为出口部4侧的缘的后缘7b、作为与轮毂2连接的一侧的缘的轮毂侧缘7c以及作为与轮毂侧缘7c相对的缘的叶尖侧缘7d。叶尖侧缘5d、7d分别面向未图示的壳体的内壁面，并且在与壳体的内壁面之间形成有缝隙(以下，称作“间隙”)。另外，后述全叶片5的详细构成。

壳体30从外周侧包围这些旋转轴10和叶轮1。在壳体30的内部形成有压缩流路P和出口流路F，该压缩流路P收容叶轮1并压缩从外部导入的流体，该出口流路F与压缩流路P的径向外侧连接。

压缩流路P与叶轮1的外形对应地随着从轴线Ac方向一方侧朝向另一方侧而逐渐扩径。压缩流路P的径向外侧的出口与出口流路F连接。

出口流路F具有扩散流路F1和出口涡旋F2。扩散流路F1被设置为用于恢复从压缩流路P导入的流体的静压。扩散流路F1呈从压缩流路P的出口朝向径向外侧延伸的圆环状。在从包含轴线Ac的剖面观察时，扩散流路F1的流路宽度在延伸方向的全域中为恒定。在扩散流路F1中也可以设置多个扩散轮叶40。

扩散流路F1的径向外侧的出口与出口涡旋F2连接。出口涡旋F2呈在轴线Ac的周向上延伸的旋涡状。出口涡旋F2具有圆形的流路截面。在出口涡旋F2的一部分设置有用于将高压流体向外部引导的排气孔(省略图示)。

(全叶片的构成)

图4表示全叶片5的轮毂侧缘5c和叶尖侧缘5d的从叶片角的前缘5a到后缘5b的分布。在图4中，从全叶片5的前缘5a起的全叶片5的子午面长度方向的长度相对于全叶片5的子午面长度的比m的轴沿着全叶片5的子午面长度方向。根据m的定义，前缘5a的位置为m＝0，后缘5b、7b的位置为m＝1。另外，m的值相同意味着从子午面方向观察叶轮1时的位置相同。图4中的实线表示叶尖侧缘5d的叶片角分布，虚线表示轮毂侧缘5c的叶片角分布，单点划线表示这些叶尖侧缘5d与轮毂侧缘5c之间的部分(中跨5m)的叶片角分布。这里，在将叶片的叶片高度方向上的轮毂侧缘5c的位置设为0％跨距位置，将叶尖侧缘5d的位置设为100％跨距位置的情况下，图4中的中跨5m的位置是50％跨距位置(叶尖侧缘5d与轮毂侧缘5c的中间位置)。不过，本发明中的中跨5m的位置不限定于50％跨距位置。也可以将中跨5m的位置设为30～70％跨距位置的范围内的任意的跨距位置从而定义后述的凹面R的位置。

图6是在叶片5的任意的跨距位置从入口部3到出口部4沿着子午面长度方向在平面上展开的图。在该展开图中，纵轴表示叶片5的旋转方向、横轴表示子午面长度方向。在该平面上，将叶片(全叶片5或分流叶片7)与子午面长度方向所成的角度β定义为叶片角。即，叶片的后缘的位置处的叶片角β(后倾角)指的是叶片的后缘位置处的叶片面的切线相对于子午面长度方向所成的角度。另外，参照图7，在以轴方向z、半径方向R、绕着轴的旋转角度θ表示的坐标系中，坐标点1与坐标点2之间的微小区间的叶片角β通过以下公式(1)来规定。

tanβ＝R₂·dθ/dm……(1)

这里，

S是外倾线。

在图4所示的实施方式中，在全叶片5中，在前缘5a侧，叶尖侧缘5d的叶片角βt最大，接下来中跨5m的叶片角βm较大。而且，在前缘5a侧，轮毂侧缘5c的叶片角βh最小(βt＞βm＞βh)。另一方面，随着从前缘5a侧朝向后缘5b侧，叶片角分布发生变化。具体而言，在后缘5b侧，轮毂侧缘5c的叶片角βh最大，接下来叶尖侧缘5d的叶片角βt较大。而且，在后缘5b侧，中跨5m的叶片角βm最小(βh＞βt＞βm)。

另外，在未图示的实施方式中，在后缘5b侧处，也可以是叶尖侧缘5d的叶片角βt最大。另外，也可以是叶尖侧缘5d的叶片角βt和轮毂侧缘5c的叶片角βh为相同大小。在该情况下，在后缘5b侧，中跨5m的叶片角βm也是最小(βt≥βh＞βm)。

图5A、图5B是表示本发明的实施方式涉及的叶片的叶片高度方向上的形状的图。这里，图5A、图5B表示从前缘起40～100％的部分(m＝0.4～1.0)处的全叶片的形状(叶片厚中心线)，图5A与图5B相比位于前缘5a侧。

即，如图2及图5A、图5B所示，图4的叶片角分布意味着，在本实施方式涉及的全叶片5中，在从包含作为从轮毂2向叶尖侧离开的方向的叶片高度方向的剖面观察时，形成有以朝向旋转方向N的后方侧凸出的方式弯曲的凹面R。

另外，在将从上述的剖面观察时连结全叶片5的叶尖侧缘5d与轮毂侧端缘5c的假想线IL和上述叶片的中跨在与上述假想线正交的方向上的距离定义为凹陷量d的情况下，全叶片5具有从凹陷量d前缘5a侧到后缘5b侧增加的部分(d₂＞d₁)。图5B中的中跨5m处的凹陷量d₂大于图5A中的中跨5m处的凹陷量d1。

另外，从图4可知，全叶片5具有凹面R的曲率从前缘5a侧到后缘5b侧增加的部分。图5B中的中跨5m处的凹面R的曲率大于图5A中的中跨5m处的凹面R的曲率。这里，凹面R的曲率被定义为与凹面R至少在两处相接的最小假想圆的曲率半径的倒数。

该凹面R优选形成在全叶片5的从前缘5a侧起40～100％的部分(m＝0.4～1.0)的至少一部分。另外，该凹面R优选至少形成在流过叶片面的二元流特别强的从前缘5a起60％的部分(m＝0.6)。另外，该凹面R中曲率最大的部分优选形成在全叶片5的从前缘5a侧起60～70％的部分(m＝0.6～0.7)。

在本实施方式涉及的全叶片5中，如上所述，在全叶片5的后缘5b的位置，中跨5m的叶片角βm小于轮毂侧的叶片角βh和叶尖侧的叶片角βt。

另外，如图4所示，在本实施方式涉及的全叶片5中，在全叶片5的后缘5b的位置处，在将全叶片5的后缘5b的位置处的轮毂侧的叶片角βh和叶尖侧的叶片角βt中的较小的一方(min(βh、βt))与中跨5m处的叶片角βm的差定义为dβ，将轮毂侧的叶片角βh与叶尖侧的叶片角βt的差的绝对值(|βh-βt|)定义为Δβ的情况下，满足dβ＞Δβ。优选的是，满足dβ＞Δβ+2°的关系。更优选的是，满足dβ＞Δβ+5°的关系。

(作用效果)

根据上述构成，在全叶片5形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面R。而且，在全叶片5形成有该凹面R的凹陷量d从前缘5a侧到后缘5b侧增加的部分(d₂＞d₁)。如图8所示，在流体沿着全叶片5流动的情况下，将流动朝向凹面R主动地引入。由此，二元流被凹面R捕捉，被朝向后缘5b侧而不朝向叶尖侧缘5d引导(图8中的实线)。另一方面，在没有形成上述的凹面R的情况下，如虚线箭头所示，二元流由于离心力而从前缘5a侧朝向叶尖侧缘5d流动。其结果是损失增大。另一方面，根据本实施方式，能够降低由于这样的二元流造成的损失。因此，根据上述的构成，能够与dβ大于Δβ的量相应地提高叶轮1的压缩比。

这里，已知上述的二元流容易在叶片的从前缘侧起40～100％的部分、特别是从前缘侧起60％附近的部分产生。根据上述构成，通过在这样容易产生二元流的部分形成凹面，能够更主动地降低二元流。

根据上述构成，在全叶片5的后缘5b的位置，中跨5m处的中跨5m的叶片角βm小于轮毂侧的叶片角βh和叶尖侧的叶片角βt。另外，如上所述，满足dβ＞Δβ的关系。优选的是，满足dβ＞Δβ+2°的关系。更优选的是，满足dβ＞Δβ+5°的关系。

因此，能够与dβ大于Δβ的量相应地提高叶轮1的压缩比。

(其他实施方式)

以上，参照附图详细描述了本发明的实施方式，但具体构成不限定于该实施方式，也包含不脱离本发明的主旨的范围内的涉及变更。例如，在上述实施方式中，以上述的凹面R形成于全叶片5的情况为例进行了说明，但这样的凹面R也可以形成于分流叶片7。

＜附记＞

记载于各实施方式的叶轮1及离心压缩机100例如可如下所述地掌握。

(1)第一方式涉及的叶轮1具备：圆盘状的轮毂2，该轮毂2以轴线Ac为中心；以及多个叶片5，该多个叶片5从该轮毂2的朝向所述轴线Ac方向的一方侧的面突出，并在周向上排列，在从所述叶片5的包含叶片高度方向的剖面观察时，在所述叶片5形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面R，该叶片高度方向是从所述轮毂2向叶尖侧离开的方向，在将从所述剖面观察时连结叶片5的叶尖侧的端缘5d与轮毂侧的端缘5c假想线IL和叶片5的中跨5m在与假想线IL正交的方向上的距离定义为凹陷量d的情况下，叶片5具有凹陷量d从前缘侧到后缘侧增加的部分。

根据上述构成，在叶片5形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面。而且，在叶片5形成有凹陷量d从前缘5a侧到后缘5b侧增加的部分。在流体沿着全叶片5流动的情况下，将流动朝向凹面R主动地引入。由此，二元流被凹面R捕捉，被朝向后缘5b侧而不朝向叶尖侧缘5d引导。因此，能够降低由于二元流造成的损失，由此，能够提高叶轮1的压缩比。

(2)在第二方式涉及的叶轮1中，所述凹陷量d增加的部分构成为凹面R的曲率从前缘侧到后缘侧增加。

根据上述构成，在上述凹陷量d增加的部分中，构成为凹面R的曲率从前缘侧到后缘侧增加，由此，能够更有效地降低由于二元流造成的损失，能够提高叶轮1的压缩比。

(3)在第三方式涉及的叶轮1中，在叶片5的后缘5b的位置，中跨5m处的叶片角βm小于轮毂侧的叶片角βh和叶尖侧的叶片角βt，该中跨5m是叶片5的轮毂侧的端缘5c与叶尖侧的端缘5d之间。

根据上述构成，通过使中跨5m的后倾角(后缘处的叶片角)比轮毂2、护罩小，从而能够尽可能不改变与二元流、泄漏流关联较深的轮毂2、护罩等的壁面附近的负荷(一边尽可能地抑制由于流动结构造成的压力损失)并提高压力比。

(4)在第四方式涉及的叶轮1中，所述凹面R形成于所述叶片5的从前缘侧起40～100％的部分。

这里，已知上述的二元流特别容易在叶片5的从前缘5b侧起40～100％的部分产生。根据上述构成，通过在这样容易产生二元流的部分形成凹面R，能够更主动地降低二元流。

(5)在第五方式涉及的叶轮1中，在上述(3)第三方式中，在将叶片5的后缘5a的位置处的轮毂侧的叶片角βh和叶尖侧的叶片角βt中的较小的一方与中跨处的叶片角βm的差定义为dβ，将轮毂侧的叶片角βh与叶尖侧的叶片角βt的差的绝对值定义为Δβ的情况下，满足dβ＞Δβ的关系。

根据上述构成，能够提高记载于上述(3)第三方式的作用效果。

(6)在第六方式涉及的叶轮1中，在上述(5)第五方式中，满足dβ＞Δβ+2°的关系。根据上述构成，能够进一步提高记载于上述(3)第三方式的作用效果。

(7)第七方式涉及的离心压缩机100具备叶轮1和覆盖该叶轮的壳体30。根据上述构成，能够提供压力比高且效率提高的离心压缩机。

Claims

1.一种叶轮，其特征在于，具备：

圆盘状的轮毂，该轮毂以轴线为中心；以及

多个叶片，该多个叶片从该轮毂的朝向所述轴线方向的一方侧的面突出，并在周向上排列，

在从所述叶片的包含叶片高度方向的剖面观察时，在所述叶片形成有以朝向旋转方向的后方侧凸出的方式弯曲的凹面，该叶片高度方向是从所述轮毂向叶尖侧远离的方向，

在将从所述剖面观察时连结所述叶片的叶尖侧的端缘与轮毂侧的端缘的假想线和所述叶片的中跨在与所述假想线正交的方向上的距离定义为凹陷量的情况下，

所述叶片具有所述凹陷量从前缘侧到后缘侧增加的部分。

2.根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于，

所述凹陷量增加的部分构成为，所述凹面的曲率从所述前缘侧到所述后缘侧增加。

3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其特征在于，

在所述叶片的所述后缘的位置，所述中跨处的叶片角小于所述轮毂侧的叶片角和所述叶尖侧的叶片角。

4.根据权利要求1至3中任意一项所述的叶轮，其特征在于，

所述凹面形成于所述叶片的从前缘侧起40～100％的部分的至少一部分。

5.根据权利要求3所述的叶轮，其特征在于，

在将所述叶片的所述后缘的位置处的所述轮毂侧的所述叶片角和所述叶尖侧的所述叶片角中的较小的一方与所述中跨处的所述叶片角的差定义为dβ，将所述轮毂侧的所述叶片角与所述叶尖侧的所述叶片角的差的绝对值定义为Δβ的情况下，

满足dβ＞Δβ的关系。

6.根据权利要求5所述的叶轮，其特征在于，

满足dβ＞Δβ+2°的关系。

7.一种离心压缩机，其特征在于，具备：

根据权利要求1至6中任意一项所述的叶轮；以及

覆盖该叶轮的壳体。