离心叶轮以及离心压缩机的制作方法

本发明涉及离心叶轮以及具备离心叶轮的离心压缩机。

背景技术：

通常，在石油化学工厂、天然气工厂等中，使用产业用离心压缩机。在这种离心压缩机中，使用具备固定于旋转轴的轮毂和配置于该轮毂的多个叶片并且利用旋转轴的旋转将流体沿着径向吹出的离心叶轮(例如，参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-044473号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

在现有技术的结构中，在从吸入口101侧观察离心叶轮的叶片100的情况下，如图11所示，在叶片100中，前缘102的中弧线(camber line)103与从旋转中心沿着径向延伸的直线104所成的角度在从轮毂侧的壁面105到护罩侧的壁面106的范围内大致形成为0°。另外，在从吹出口107侧观察叶片100的情况下，如图12所示，叶片100的包含后缘108的叶片后半部分以叶片100的负压面S与护罩侧的壁面106对置的方式沿着斜向倾斜。

然而，在这种离心叶轮中，在形成流体的流路的护罩侧的壁面106上产生边界层109，该边界层109在叶片前半部分处的护罩侧的壁面106的减速区域发展。另外，在叶片100的表面上，在与因旋转而施加正压的正压面P相比减速大的负压面S上也发展有以前缘102为起点的边界层。该边界层在离心力的作用下被向半径上侧吸引而流入在护罩侧的壁面106上产生的边界层109并合体，由此，护罩侧的壁面106的边界层109进一步发展。可推定出这样发展的边界层在叶片后半部分也进一步成长，在叶片出口侧制造出大的能量亏损部分，因此会损害离心叶轮的性能。但是，在现有技术的结构中，未做出尤其是抑制在叶片前半部分处的护罩侧的壁面106上发展的边界层109的努力。

本发明是鉴于这样的情况而做出的，其目的在于提供能够抑制边界层的发展而充分发挥性能的离心叶轮以及离心压缩机。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题而达成目的，本发明的离心叶轮具备轮毂、护罩以及配置于所述轮毂与所述护罩之间的多个叶片，离心叶轮利用固定于轮毂的旋转轴的旋转将流体沿着径向吹出，离心叶轮的特征在于，在将叶片的中弧线投影到规定的子午面截面时得到的投影线与该中弧线所成的角设为倾斜角度，并且将向旋转轴的旋转方向的相反方向的倾斜设为正的情况下，叶片形成为，该叶片的前缘的倾斜角度在轮毂侧为0或为正，且随着朝向护罩侧而逐渐变大，并且倾斜角度在流动方向上从前缘朝向后缘而逐渐变小。

根据该结构，叶片的前缘的倾斜角度在轮毂侧为0或正，且朝向护罩侧而逐渐变大，因此在从叶片的前缘到前半部分的范围内，叶片的正压面与护罩对置。因此，借助叶片的正压面的力将边界层向护罩侧压靠，由此能够抑制边界层的发展。另外，在叶片的负压面，边界层在离心力的作用下向负压面压靠，由此能够抑制边界层向护罩侧移动，能够抑制边界层的发展。而且，倾斜角度形成为在流动方向上从前缘朝向后缘而逐渐变小，因此，通过减少叶片的在叶片的后半部分的表面积，能够减小在叶片的后半部分在叶片表面上发展的边界层的量。由此，能够抑制在叶片出口侧产生能量亏损部分，充分发挥离心叶轮的性能。

另外，在该结构中，优选的是，叶片的后缘的倾斜角度在轮毂侧为0或为正，且随着朝向护罩侧而逐渐变大。根据该结构，在叶片的后半部分，叶片的正压面也与护罩对置，因此借助叶片的正压面的力将边界层向护罩侧压靠，由此能够抑制边界层的发展。

另外，优选叶片的后缘的倾斜角度在从轮毂侧到护罩侧的范围内为0或为正。另外，优选正的值接近0。根据该结构，叶片的后缘的长度成为最短距离，因此能够使来自叶片的后缘厚度部分的尾流的量最小化。而且，通过减少叶片的在叶片的后半部分的表面积，能够使在叶片的后半部分在叶片表面上发展的边界层的量与现有技术相比变小。

另外，优选的是，叶片的前缘在投影到子午面截面时，在从轮毂侧到护罩侧的范围内形成为直线状，或者在轮毂侧与护罩侧之间形成为向流动方向上游侧凸出的形状。根据该结构，能够增大叶片的前缘的与护罩对置的部分的面积，与之相应地，能够更有效抑制边界层的发展。

另外，离心压缩机具备上述的离心叶轮，因此能够抑制在叶片出口侧产生能量亏损部分，实现离心压缩机的压缩效率的提高。

发明效果

根据本发明的离心叶轮，叶片形成为该叶片的前缘的倾斜角度在轮毂侧为0或为正，且随着朝向护罩侧而逐渐变大，并且所述倾斜角度在流动方向上从前缘朝向后缘而逐渐变小，因此在从叶片的前缘到前半部分的范围内，叶片的正压面与护罩对置，由此能够抑制边界层的发展，能够抑制在叶片出口侧产生能量亏损部分，充分发挥离心叶轮的性能。

附图说明

图1是本实施方式的离心压缩机的纵剖视图。

图2是表示叶轮的局部放大图。

图3是用于说明在子午面截面上表示的叶片的倾斜角度的图。

图4是表示投影到子午面截面的叶片的图。

图5是从轴向观察叶轮的吸入口而得到的图。

图6是表示叶轮的叶片的前缘的形状的示意图。

图7是从径向观察叶轮的吹出口而得到的图。

图8是从轴向观察叶轮的吹出口而得到的图。

图9是表示叶轮的叶片的后缘的形状的示意图。

图10是表示基于现有技术和本实施方式的叶片的形状而引起的边界层的成长的变化的实验计测图。

图11是表示现有技术的叶轮的叶片的前缘的形状的示意图。

图12是表示现有技术的叶轮的叶片的后缘的形状的示意图。

具体实施方式

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。需要说明的是，本发明不受以下的实施方式限定。另外，以下的实施方式中的构成要素包括本领域技术人员能够且容易置换的要素或者实质上相同的要素。

图1是本实施方式的离心压缩机的纵剖视图。离心压缩机1具备：壳体2，其通过将多个部分组合而构成；旋转轴5，其经由省略图示的轴承而以能够绕该旋转轴5的轴线L旋转的方式支承于壳体2内；以及封闭型的叶轮6、6，其被设置为固定于旋转轴5并与该旋转轴5一体旋转。即，本实施方式的离心压缩机1是两级式的离心压缩机。

就该离心压缩机1而言，由省略图示的驱动装置驱动旋转轴5而使叶轮6、6旋转，由此经由设置于壳体2的吸入口10吸入作为压缩对象的气体或者空气等流体。吸入口10经由形成于壳体2内的吸入空间10A而与吸入流路11连接，该吸入流路11沿着旋转轴5的轴线L方向(轴向)弯曲，以与第一级的叶轮6的吸入口6A对置的方式开口。

从吸入口10吸入后的流体借助第一级的叶轮6的旋转而被赋予离心力，其运动能量由设置于叶轮6的吹出口6B的第一级的无叶扩压器12转换为压力能量。进一步地，该流体经由回弯部14、回流叶片15而被导入下一级压缩阶段即第二级的叶轮6的吸入口6A。

该压缩流体借助第二级的叶轮6也同样被赋予离心力，由第二级的无叶扩压器12将运动能量转换为压力能量，进而成为高压的压缩流体并被喷出至涡旋部16。然后，从涡旋部16经由设置于壳体2的喷出口17而被向省略图示的喷出配管送出。需要说明的是，图1中的附图标记18是为了调整叶轮6的轴向力而设置的平衡活塞。接着，对叶轮6进行说明。

图2是表示叶轮的局部放大图。如图2所示，叶轮6具备：轮毂20，其固接于旋转轴5；护罩21，其以相对于轮毂20在径向以及轴向上设置有间隙的方式配置；以及多个叶片22，其配置于轮毂20与护罩21之间。虽然省略图示，该叶片22在轴线L的周围隔开间隔地呈辐射状配置。另外，叶片22的前缘22A位于叶轮6的吸入口6A侧，后缘22B延伸到叶轮6的吹出口6B。

此外，在叶轮6的吸入口6A侧，在与轮毂20一起形成流体的流路的护罩21的内壁面21A上产生边界层。可推定出，该边界层在流体从叶片22的前缘22A朝向后缘22B流动时，在护罩21的内壁面21A上成长(发展)，在吹出口(叶片出口侧)6B处产生大的能量亏损，因此损害叶轮的性能。在本实施方式中，为了抑制边界层的成长，叶片22的形状具有以下的结构。

首先，对规定叶轮6的叶片22的形状所需的倾斜角度进行说明。图3是用于说明在子午面截面上表示的叶片的倾斜角度的图，图4是表示投影到子午面截面的叶片的图。叶轮6的叶片22具有三维形状，因此使用图3、4所示的圆柱坐标系来表现倾斜角度。

在图3、4中，Z轴表示旋转轴5的轴线L。另外，由Z轴和直线r形成的rZ面表示规定的子午面截面30，所述直线r是以与X轴成规定角度θ的角从原点O延伸的直线。在将叶片22投影于该子午面截面30的情况下，由附图标记31表示的虚线为将子午面流路沿着叶片延展方向等面积分割的线(流线)。

在图3中，附图标记32是投影前的叶片(例如前缘)的中弧线。将该中弧线32投影到子午面截面30则形成投影线(与子午面截面30平行的叶片的中弧线的投影线)33。该投影线33与中弧线32所成的角被规定为本实施方式的叶片22的倾斜角度(叶片向周向的倾斜角度)γθ。需要说明的是，倾斜角度γθ的正负根据旋转轴5的旋转方向而规定，在本实施方式中，将旋转方向的相反侧(反旋转方向)设为正。

需要说明的是，附图标记34表示与子午面截面30垂直的叶片的中弧线的投影线，将上述的投影线33与Z轴(在子午面截面30上平行移动后的平行线Z′)所成的角γZ设为投影到子午面截面30后的叶片的轴向的倾斜角。

接着，对叶片22的形状进行说明。图5是从轴向观察叶轮的吸入口而得到的图，图6是表示叶轮的叶片的前缘的形状的示意图。如图6所示，前缘22A以与轮毂20的内壁面20A相比更向护罩21的内壁面21A侧凸出突出的方式弯曲而形成。具体而言，前缘22A的中弧线32相对于向上述的子午面截面30(图3)投影所得的投影线33的倾斜角度γθ在轮毂20侧大致为0或正，并以朝向护罩21侧而逐渐变大的方式弯曲。在该结构中，叶片22的前缘22A的护罩21侧向反旋转方向倾斜，由此叶片22的正压面P与护罩21的内壁面21A对置配置。而且，倾斜角度γθ随着朝向护罩21侧而逐渐变大，因此前缘22A越靠护罩21侧越倾斜而更加与护罩21的内壁面21A对置。因此，叶片22的正压面P所产生的力F随着朝向护罩21侧而逐渐朝向护罩21的内壁面21A。需要说明的是，前缘22A的弯曲可以沿着一个圆弧弯曲，也可以通过组合多个圆弧而弯曲。

根据该结构，叶片22的前缘22A的倾斜角度γθ在轮毂20侧为0或为正，并随着朝向护罩21侧而逐渐变大，因此在流动方向上的从叶片22的前缘22A到前半部分的范围内，叶片22的正压面P与护罩21的内壁面21A对置。因此，借助叶片22的正压面P的力F将边界层35向护罩21的内壁面21A压靠，由此能够抑制边界层35的发展。另外，在叶片22的负压面S侧，产生于负压面S的边界层35在离心力F1的作用下向负压面S压靠，由此能够抑制边界层35向护罩21侧移动，能够抑制边界层35的发展。

接着，对叶片22的后缘22B侧进行说明。图7是从径向观察叶轮的吹出口而得到的图，图8从轴向观察吹出口而得到的图，图9是表示叶轮的叶片的后缘的形状的示意图。叶片22的后缘22B侧与前缘22A侧不同，中弧线32相对于投影线33的倾斜角度γθ形成为大致0或正。该正值优选接近0。另外，在叶片22的前缘22A与后缘22B之间，倾斜角度γθ形成为沿着流体的流动方向而逐渐变小(接近0)。在该结构中，叶片22的后缘22B相对于轮毂20的内壁面20A以及护罩21的内壁面21A大致垂直地立起设置，由此能够使轴线L方向的高度(长度)为最短距离，因此能够使来自叶片22的后缘22B的厚度部分的尾流的量最小化。

接着，对本实施方式的效果进行说明。图10是表示基于现有技术和本实施方式的叶片的形状而引起的边界层的成长的变化的实验计测图。在图10中，A～C表示使用现有技术(图11、12)的叶片100的结构的情况下的边界层的变化，D～F表示使用本实施方式的叶片22的结构的情况下的边界层的变化。具体而言，A、D分别表示叶轮的流出口附近的边界层的量。另外，B、E分别表示朝向叶轮的流出口的途中部位的边界层的量。而且，C、F分别表示叶片的流动方向上的长度的中间部处的边界层的量。

在现有技术的结构中，沿着流体的流动方向(C→B→A)，边界层109(边界层的集聚发展部中压力损失特别大的部分)的量逐渐增加。与此相对，在本实施方式中，沿着流体的流动方向(F→E→D)，虽然边界层35(在边界层的集聚发展部中压力损失特别大的部分)的量略微增加，但与现有技术的结构相比边界层的量显著减少，可以认为能抑制边界层(边界层的集聚发展部中压力损失特别大的部分)的成长。

以上，如所说明的那样，根据本实施方式，涉及一种叶轮6，该叶轮6具备轮毂20、护罩21、配置于该轮毂20与护罩21之间的多个叶片22，该叶轮6利用固定于轮毂20的旋转轴5的旋转将流体沿着径向吹出，在将叶片22的中弧线32投影到规定的子午面截面30时所得的投影线33与该中弧线32所成的角设为倾斜角度γθ，向旋转轴5的旋转方向的相反方向的倾斜设为正的情况下，叶片22的前缘22A的倾斜角度γθ在轮毂20侧为0或为正，且倾斜角度γθ随着朝向护罩21侧而逐渐变大，因此在从叶片22的前缘22A到前半部分的范围内，叶片22的正压面P与护罩21的内壁面21A对置。因此，借助叶片22的正压面P的力F将边界层35向护罩21的内壁面21A侧压靠，由此能够抑制边界层35的发展。另外，在叶片22的负压面S，边界层35在离心力F1的作用下向负压面S压靠，由此能够抑制边界层35向护罩21侧移动，能够抑制边界层35的发展。

而且，在流体的流动方向上，倾斜角度γθ形成为从前缘22A朝向后缘22B而逐渐变小，因此能够减少叶片22的在叶片22的后半部分的表面积，由此能够减小在叶片22的后半部分在叶片表面上发展的边界层的量。由此，能够抑制在叶片出口侧产生能量亏损部分，能够充分发挥叶轮6的性能。

另外，根据本实施方式，叶片22的后缘22B的倾斜角度γθ在从轮毂20侧到护罩21侧的范围内为0或为正，因此能够使叶片22的后缘22B的轴线L方向上的高度(长度)为最短距离，因此能够使来自叶片22的后缘22B的厚度部分的尾流的量最小化。而且，通过减少叶片22的在叶片22的后半部分的表面积，能够使在叶片22的后半部分在叶片表面上发展的边界层的量与现有技术相比显著变小。

另外，本实施方式的离心压缩机1具备上述的叶轮6，因此能够抑制在叶片22出口侧产生能量亏损部分，能够实现离心压缩机1的压缩效率的提高。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的内容。例如，在上述的实施方式中，对叶片22的后缘22B的倾斜角度γθ在从轮毂20侧到护罩21侧的范围内为0或为正的结构进行了说明，但叶片22的后缘的倾斜角度γθ也可以在轮毂20侧为0或为正且随着朝向护罩21侧而逐渐变大。根据该结构，在叶片22的后半部分，叶片22的正压面P也与护罩21的内壁面21A对置，因此借助叶片22的正压面P的力将边界层35向护罩21侧压靠，由此能够更有效抑制边界层35的发展。

另外，在上述的实施方式中，叶片22的前缘22A在投影到子午面截面时，在轮毂20与护罩21之间形成为大致直线的形状，但不限定于此，也可以在轮毂20与护罩21之间将前缘22A设为向流体的流动方向上游侧突出的凸形形状。根据该结构，能够增大叶片22的前缘22A的与护罩21对置的部分的面积，与之相应地，能够更有效地抑制边界层35的发展。

另外，在本实施方式中，叶片22的前缘设为倾斜角度γθ随着从轮毂20侧朝向护罩21侧而逐渐大幅弯曲的结构，但不限定于此，也可以设为使倾斜呈中折状急剧变大(弯折)的结构(在延展方向的某处设置不连续部的结构)。在该情况下，弯折的部分(不连续部)也可以不设置一个而设置多个。

另外，在本实施方式中，叶轮6设置于两级式的离心压缩机1，但若是具备叶轮的压缩机，则也能够适用于单级式的离心压缩机、三级以上的多级离心压缩机。

附图标记说明

1 离心压缩机

2 壳体

5 旋转轴

6 叶轮(旋转叶轮)

6A 吸入口

6B 吹出口

10 吸入口

10A 吸入空间

11 吸入流路

12 无叶扩压器

14 回弯部

15 回流叶片

16 涡旋部

17 喷出口

18 平衡活塞

20 轮毂

20A 内壁面

21 护罩

21A 内壁面

22 叶片

22A 前缘

22B 后缘

30 子午面截面

32 中弧线

33 投影线

35 边界层(边界层的集聚发展部中压力损失特别大的部分)

100 叶片

101 吸入口

102 前缘

103 中弧线

104 直线

105 壁面

106 壁面

107 吹出口

108 后缘

109 边界层(边界层的集聚发展部中压力损失特别大的部分)

L 轴线

O 原点

P 正压面

S 负压面

Z′ 平行线

r 直线

γθ 倾斜角度