涡轮式流体机械的制作方法

专利名称：涡轮式流体机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及涡轮式流体机械，特别涉及离心压缩机或离心鼓风机等、维持高性能 且适合于小型化的涡轮式流体机械。
背景技术：
作为涡轮式流体机械之一的、用旋转叶轮压缩流体的离心压缩机，在现有技术中 已广泛用于各种装置中。最近，由于能源问题、环境问题，包含其运行费等在内的寿命周期 成本受到重视，谋求在大工作范围内具有高效率的压缩机。考虑到转速一定的运转时，压缩机的工作范围被定义为由小流量侧的运转界限即 喘振界限和大流量侧的运转界限即扼流界限所夹的区域。但是，使压缩机的流量减少到喘振界限以上时，流动在压缩机内部剥离，排出压 力、流量产生变动，不能稳定地运转。另外，想要成为扼流界限以上的大流量，则即使降低压缩机的排出压，流动在压缩 机内部达到音速，不能将流量增大到扼流界限以上。通常，在已往的涡轮式流体机械即涡轮式压缩机或鼓风机中，在叶轮的下游，设置 着用于将动能变换为压力能的无叶片扩散器、或带叶片扩散器。在扩散器的下游，设有用于收集从扩散器所排出流动的涡旋壳体或者用于把流动 导引到下一级的返回流路。另外，作为已往的离心压缩机的扩散器，已知的有无叶片扩散器，该无叶片扩散器 在叶轮的下游，由相向的一对扩散板构成流路壁面，其流路宽度朝向下游是恒定的。但是， 采用无叶片扩散器的离心压缩机，虽然工作范围大，但缺点是效率低。另外，把高度恒定且与流路宽度大致相等的导引叶片在一对扩散板之间设置成圆 形翼片列状的扩散器，即所谓的带叶片扩散器，也是已知的。采用该带叶片扩散器的离心压 缩机，虽然设计流量点的效率高，但缺点是工作范围小。为此，作为改进的扩散器，例如在日本特开平11-82389号公报中，公开了这样的 扩散器扩散器的侧板侧流路壁面以流路宽度朝向下游扩大的方式设为倾斜状，并且，在扩 散器的侧板侧和心板侧二者的流路壁面上设置高度为扩散器出口宽度的40 60%的导引 叶片。在该日本特开平11-82389号公报记载的扩散器的结构中，由于流路宽度朝着下 游扩大，所以，与无平行壁叶片的扩散器相比，可以增大半径方向的压力梯度，并且，由于在 流路壁面上有导引叶片，所以，即使在大的压力梯度下，也能够防止流路壁面上的逆流。专利文献1 日本特开平11-82389号公报

发明内容
但是，在日本特开平11-82389号公报记载的扩散器中，却并未公开在扩大的流路 壁面上设置导引叶片的恰当角度，因此，如果仅仅是设置导引叶片，反而有可能使扩散器的性能降低。另外，如果仅仅是设置导引叶片，导引叶片不能充分发挥作为防止流路壁面上的 逆流的整流板的作用，扩散器的工作范围有可能缩小。为了降低压缩机的成本，通常要求扩散器小型化。在已往的无导引叶片、或带导引 叶片的扩散器中，减小扩散器出口直径而实现小型化时，由于扩散器的流路宽度是恒定的， 所以，扩散器出口的流速增高。由于扩散器下游的部件(例如涡旋、返回流路等)的损失与 扩散器出口的动能(动压)成正比，所以，下游的上述部件的损失增加，压缩机的效率降低。本发明的目的是提供可防止扩散器内的逆流并使扩散器的流动在宽度方向均勻 化、确保扩散器的大工作范围、保持压缩机的效率、使流体机械小型化的涡轮式流体机械。本发明的涡轮式流体机械，具有叶轮和扩散器，该扩散器位于叶轮的下游，由相向 的一对侧板侧扩散板和心板侧扩散板构成扩散器的流路壁面，并且，其流路宽度朝着下游 增大；其特征在于，在上述扩散器的相向的侧板侧扩散板和心板侧扩散板的两流路壁面上， 分别呈叶片列状地设置多个高度比流路宽度低的圆弧状导引叶片，扩散器出口处的上述两 个导引叶片的叶片高度总和设定在上述扩散器的出口流路宽度的30 70%的范围内，设 侧板侧扩散板的流路壁面的相对于半径方向的倾斜角为θ s、设置在该侧板侧扩散板的壁 面上的导引叶片的入口的相对于周方向的入口叶片角为β s,in、心板侧扩散板的流路壁面 的相对于半径方向的倾斜角为θ h、设置在该心板侧扩散板的壁面上的导引叶片的入口的 相对于周方向的入口叶片角为β h, in时，上述4个角度满足下式(式1)^s,in-^h,in = K(9s-0h) ... (1)式中的K，满足K < 0的关系。根据本发明，可实现这样的涡轮式流体机械能防止扩散器内的逆流，并使扩散器 的流动在宽度方向均勻化，确保扩散器的大工作范围，保持压缩机的效率，实现流体机构的 小型化。


图1是表示本发明第1实施例的离心压缩机的构造的剖面图。图2是表示图1所示的第1实施例的离心压缩机中的扩散器部的剖面图。图3是在半径方向表示图2所示的第1实施例中的扩散器部的剖面图。图4是表示比较例的离心压缩机中的扩散器部中的子午面的流速的图。图5是表示图4所示的比较例的扩散器部中的子午面的流线的图。图6是表示图1至图3所示的第1实施例的扩散器部中的子午面的流速的图。图7是表示图6所示的实施例的扩散器部中的子午面的流线的图。图8是表示另一比较例的离心压缩机的扩散器部中的子午面的流速的图。图9是表示图8所示的比较例的扩散器部中的子午面的流线的图。图10是表示本发明第2实施例的离心压缩机中的扩散器部中的子午面的流速的 图。图11是表示图10所示的第2实施例的扩散器部的子午面的流线的图。图12是表示图10所示的第2实施例的扩散器部中的扩散器壁面的倾斜角和导引 叶片的入口叶片角度的示意图。
图13是表示图10所示的第2实施例的扩散器部中的扩散器壁面的倾斜角和导引 叶片的入口叶片角度的关系的图。附图标记的说明1...叶轮，2...扩散器，3. ..U形通道，4. ..U形叶片，5...旋转轴，6...心板， 7...叶片，8...侧板，9...心板侧扩散板，11...工作流体，12...导引叶片，13...导引叶 片，14...侧板侧扩散板，15...吸入管，16...壳体，21...主流，21s...主流，21h...主流， 22...边界层流，100...离心压缩机，Θ...扩散器壁面倾斜角，β...叶片角度
具体实施例方式实施例1下面，参照附图详细说明本发明第1实施例的涡轮式流体机械即离心压缩机。图1是表示本发明第1实施例的离心压缩机100的构造的剖面图。图2是表示图 1所示的离心压缩机100的扩散器的导引叶片的详细的图。如图1所示，本实施例的离心压缩机100，在壳体16的内部，具有旋转驱动的旋转 轴5、和具有多个相互分开地配置的叶片7的叶轮1。多个叶片7设置在旋转轴5的外周侧， 在侧板8与心板6之间导引工作流体11的流动。在上述壳体16的内部，在叶轮1的下游即该叶轮1的半径方向外方，设置着具有 导引叶片12、13的扩散器2。在扩散器2的下游即上述壳体16的内部，设有用于改变从扩散器2排出的工作流 体11的流动的方向的U形弯头3、和U形叶片4。在叶轮1的上游即上述壳体16的内壁上，设有吸入管15。扩散器2具有使工作流体11流下的、相向地形成流路壁面的一对相向的侧板侧扩 散板14和心板侧扩散板9，而且，由呈圆形叶片列状地安装在侧板侧扩散板14的流路壁面 上的导引叶片12、和呈圆形叶片列状地安装在心板侧扩散板9的流路壁面上的导引叶片13 构成。心板侧扩散板9的流路壁面相对于半径方向倾斜，使得扩散器2的流路宽度朝下 游增大。另外，安装在侧板侧扩散板14的流路壁面上的圆弧状导引叶片12、和安装在心板 侧扩散板9的流路壁面上的圆弧状导引叶片13的高度的总和比扩散器2的流路宽度小，叶 片高度从该扩散器2的流路入口朝着出口、即朝着下游增加。在图1所示的本实施例的离心压缩机100的情况下，扩散器2出口处的、导引叶片 12和导引叶片13的叶片高度的总和，相当于扩散器2的出口流路宽度的大致60%。图2和图3表示本实施例的离心压缩机100的扩散器部2的详细，图3是图2的 A-A向视图。在图2和图3所示的扩散器部2中，从设置在侧板侧扩散板14上的导引叶片 12的切线方向测得的入口处的入口叶片角度称为β s,in，出口处的出口叶片角度称为out °同样地，从设置在心板侧扩散板9上的导引叶片13的切线方向测得的入口处的入 口叶片角度称为3h,in，出口处的出口叶片角度称为3h,。ut。这时，设置在本实施例的扩散器部2的侧板侧扩散板14上的导引叶片12、和设置在心板侧扩散板9上的导引叶片13设定成为导引叶片12的入口叶片角度和出口 叶片角度β h,。ut分别比设置在心板侧扩散板9上的导引叶片13的入口叶片角度i3h,in和出 口叶片角度eh,。ut大。S卩，侧板侧扩散板14的导引叶片12设置成比心板侧扩散板9的导引叶片13朝半 径方向立起的形式。另外，各导引叶片12和各导引叶片13被设定为入口叶片角度i3s,in、入口叶片角 度3h,in分别比出口叶片角3s,。ut、出口叶片角3h,。ut小。另外，设置了多个的各导引叶片12和各导引叶片13的前缘被设置成，在靠叶轮1 的出口附近，例如在叶轮1的外半径的1 1. 05倍的半径位置，其周方向位置是错开的。本实施例的离心压缩机100运转时，工作流体11通过吸入管15被壳体16内部的 叶轮1吸入，在由旋转轴5驱动旋转的叶轮1内，被赋予能量后，从叶轮1排出。从叶轮1 排出的高速工作流体11，流入设在叶轮1下游侧的壳体16内部的扩散器2。工作流体11的流动被该扩散器2减速并整流后，流入位于扩散器2下游侧的壳体 16内部的U形弯头3和位于上述U形弯头3下游侧的U形叶片4，然后，上述工作流体11 从U形叶片4排出。下面，将图6和图7所示的本实施例的离心压缩机100的扩散器部2的构造，与用 于比较的图4及图5所示的比较例、即上述本实施例的离心压缩机100的扩散器部2的侧 板侧扩散板14及心板侧扩散板9上不具有导引叶片的扩散器2的构造进行比较，说明本实 施例的离心压缩机100的作用效果。图4至图7表示离心压缩机100的各扩散器2。在图4至图7中，表示设置在离心 压缩机100的叶轮1下游侧的扩散器2的流路形状、和在扩散器2内部流动的工作流体的 流动(子午面速度)分布，扩散器2的流路宽度从上游向下游增大。其中，图4和图5表示比较例的扩散器2。在图4和图5中，表示在侧板侧扩散板 14及心板侧扩散板9上不具有导引叶片时的、离心压缩机中的扩散器2的流路形状和在扩 散器2内部流动的工作流体的流动。图6和图7表示在本实施例的扩散器2的侧板侧扩散板14上设置导引叶片12、在 心板侧扩散板9上设置导引叶片13时的离心压缩机100中的扩散器2的流路形状、和在扩 散器2内部流动的工作流体的流动。为了说明本实施例的离心压缩机100的作用效果的原理，用图3、图6及图7所示 的离心压缩机100的扩散器2进行说明。图3、图6和图7所示的离心压缩机100的扩散器 2，现象比较简单，形成扩散器流路的宽度的侧板侧扩散板14的壁面和心板侧扩散板9的壁 面朝着下游侧大致对称地扩开。如图6和图7的本实施例的扩散器2所示，在扩散器2内部流动的工作流体11的 流动，可以分成在扩散器2的流路的中央部分流动的流速快的主流区域、和在扩散器2的侧 板侧壁面与心板侧壁面的两壁面上流动的流速慢的边界层区域。根据角动量守恒法则，在流速快的上述主流区域流动的工作流体11的主流21的 周方向速度，是越向扩散器2的外周侧越减速。另外，根据质量守恒法则，工作流体11的主流21的半径方向速度，是越向扩散器 2的外周侧越减速。
借助这些效果，在扩散器2的流路中流动的工作流体11的主流21的流速，越向扩 散器2的外周侧越低，工作流体11的压力相应地上升。在图6和图7的本实施例的扩散器2、和比较例的图4及图5的扩散器2中，分别 表示了工作流体11的主流21的流线、和在扩散器2的侧板侧壁面及心板侧壁面的该两壁 面附近的边界层区域内流动的边界层流22的流线。如图5所示，在比较例的扩散器2中，与流速快的主流21相比、在流速慢的边界层 区域内流动的边界层流22的流动，不克服主流21的压力梯度，其半径方向的流速比主流21 更急剧地减速，所以，成为比主流21的流线更快地朝向周方向流的流线。随着接近扩散器 2的出口，在边界层区域内流动的边界层流22的半径方向速度的减速显著，结果产生了剥 离、逆流(图4和图5)。该逆流在扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面及心板侧扩散板9的壁面的壁面附 近的边界层区域产生，扩散器2的流路宽度扩大越急剧，逆流越显著。另外，逆流与扩散器2的流路宽度的扩大形式无关，在不具有导引叶片12、13的扩 散器2的侧板侧扩散板14的壁面、心板侧扩散板9的壁面即扩散器2的壁面上产生。如果产生了逆流，则扩散器2的流路的有效流路面积减小，所以，扩散器2的减速 变小，主流21的压力恢复量减少，扩散器2的性能变差。另外，扩散器2下游的部件(U形弯头3、U形叶片4等)处的损失，与扩散器2出 口的流动的动能(动压)成正比，所以，U形弯头3、U形叶片4处的损失也增加。结果，离 心压缩机的性能大幅度降低。而本实施例的离心压缩机100的扩散器2中，如图3、图6和图7所示，在可能产生 逆流的侧板侧扩散板14、心板侧扩散板9的壁面上，设置了多个相互分开的圆弧状导引叶 片12和导引叶片13，这些圆弧状的导引叶片12、13的高度比扩散器2的流路宽度小，在扩 散器2出口处的叶片高度是出口流路宽度的大约60%。如图7所示，在本实施例的扩散器2中，这些导引叶片12、13将边界层附近的边界 层流22的流动整流，使其沿着主流21的流动，所以，避免了边界层流的剥离、逆流，可减低 扩散器2的损失。另外，由于防止了逆流，流体也在扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面、及扩散器2 的心板侧扩散板9的壁面的壁面附近流动，所以，在主流区域流动的主流21的流体的子午 面速度减小。因此，扩散器2出口的流速，与不具有导引叶片12及导引叶片13的、图4和图5所 示比较例相比，大幅度减小，流体的压力相应地提高，所以，有助于提高离心压缩机100的 性能。另外，在本实施例的扩散器2中，由于扩散器2的减速增大，所以，扩散器2出口的 动压也减小，U形弯头3、U形叶片4的损失也减小，所以，离心压缩机的性能大幅度提高。另外，由于在扩散器可不产生逆流地减速，所以，离心压缩机可以大幅度小型化。本实施例的扩散器2，流路宽度越到下游越大，所以，越接近扩散器2出口，工作流 体11的主流21的流动角度越朝着周方向倾斜。即，扩散器2出口的流动角度比入口的角 度小。设在本实施例的扩散器2中的侧板侧扩散板14上的圆弧状导引叶片12、以及设在圆弧形导引叶片13被设定成，各个导引叶片的入口叶片角i3s,in、^h, in，分别小于出口叶片角i3s,。ut、3h,。ut。因此，可以符合工作流体11的主流21的状况，适当地将边界层流的流动整流，不 会因设置了导引叶片而导致主流部的损失增大，可以防止壁面边界层的剥离、逆流。结果， 如上所述，可以改善离心压缩机100的性能。在本实施例的扩散器2中，导引叶片12、13的前缘位置接近位于扩散器2上流侧 的叶轮1的出口、即扩散器2的入口部，所以，即使有在叶轮1内部发展的边界层，也能从扩 散器2的入口部恰当地防止逆流。在本实施例的扩散器2中，借助上述构造，可以抑制图4及图5所示比较例的扩散 器中产生的、在边界层区域流动的边界层流2的流动的急速转向，使扩散器2中的减速增 加，可提高压力恢复。另外，在本实施例的扩散器2中，由于采用导引叶片12、13的前缘位置在周方向错 开设置的结构，所以，导引叶片12和导引叶片13的前缘不同时与叶轮1的叶片7干涉，这 样，具有抑制大的噪音产生的效果。在本实施例的扩散器2中，说明了导引叶片12、13在扩散器2出口处的叶片高度 是扩散器2出口的流路宽度的大约60%。但是，圆弧状的导引叶片12、13在扩散器2出口 处的叶片高度，只要在该扩散器2的出口流路宽度的30 70%的范围内，也可以具有与前 述同样的效果。该导引叶片12、13的叶片高度，虽然必须比扩散器2的心板侧扩散板9及侧板侧 扩散板的壁面上发展的边界层厚度高，但是，如果导引叶片12、13的叶片高度过高，则导致 主流21的碰撞损失增大，所以，应设定与流体状况相符的上述范围的适度的叶片高度。根据本实施例，可以实现这样的涡轮式流体机械能防止扩散器内的逆流，并且， 适当地设定侧板侧导引叶片和心板侧导引叶片的入口叶片角，使扩散器的流动在宽度方向 均勻化，确保扩散器的大工作范围，保持压缩机的效率，达到流体机械的小型化。实施例2下面，说明本发明第2实施例的离心压缩机100中的扩散器2。本实施例的离心压缩机100的扩散器2，其基本构造与前述第1实施例的离心压缩 机100的扩散器2相同，所以，对两者共同的构造，省略其说明，下面只说明不同的部分。图8至图11表示离心压缩机100的各扩散器2。在图8至图11中，表示设置在离 心压缩机100的叶轮1下游侧的扩散器2的流路形状、和在扩散器2内部流动的工作流体 的流动(子午面速度)分布。扩散器2的流路宽度从上游朝着下游增大。其中，图10和图11表示本实施例的扩散器2。图8和图9表示比较例的扩散器 2。在图8至图11中，分别表示侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9相对于半径方向非对称 地倾斜时的扩散器2的流路形状、和在扩散器2内部流动的工作流体的流动。S卩，侧板侧扩散板14作为在半径方向无倾斜的壁面配置，而与该侧板侧扩散板14 相向的心板侧扩散板9的壁面作为在半径方向倾斜的壁面形成。图8和图9表示比较例的扩散器2。在图8和图9中，表示在侧板侧扩散板14及 心板侧扩散板9上不具有导引叶片时的离心压缩机中的扩散器2的流路形状、和在扩散器
在图10和图11中，表示在本实施例的扩散器2的侧板侧扩散板14上设置导引叶 片12并在心板侧扩散板9上设置导引叶片13时的离心压缩机100中的扩散器2的流路形 状、和在扩散器2内部流动的工作流体的流动。在构成本实施例的离心压缩机100的扩散器2的非对称倾斜的侧板侧扩散板14 及心板侧扩散板9的壁面上，分别设置了导引叶片12及导引叶片13时，扩散器2的作用效 果从原理上说与前述图4至图7的扩散器2基本相同。但是，在本实施例的离心压缩机100的扩散器2中，为了充分发挥配置在侧板侧扩 散板14及心板侧扩散板9的壁面上的导引叶片12及导引叶片13的效果，将侧板侧扩散板 14及心板侧扩散板9的壁面的倾斜非对称的形成。即，侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面相对于半径方向非对称地倾斜时， 如图8和图9的比较例所示，在扩散器2流动的工作流体11的主流21之中的、靠近倾斜大 的心板侧扩散板9的壁面一侧的主流21h，子午面流速的减速大，靠近倾斜小的侧板侧扩散 板14的壁面一侧的主流21s，子午面流速的减速小。也就是说，对于主流21的平均流线，靠近侧板侧扩散板14的壁面一侧成为流线 21s那样朝径方向立起的流线；而靠近心板侧扩散板9的壁面一侧的流线21h，为朝周方向 卧倒的流线。因此，如图8和图9的比较例所示，在侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面上 不设置导引叶片的扩散器2中，在侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面附近的边界层 流动的边界层流22的流动不能克服上述主流21s、21h的压力梯度而剥离，从而产生逆流。为了防止上述比较例那样的、在扩散器2的壁面附近的边界层流动的边界层流22 的剥离、逆流，在侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面上设置导引叶片，使边界层内部 的流体也沿主流流动，是有效的。扩散器2的壁面非对称地倾斜时，如上所述，由于主流的流动在扩散器2的高度方 向变化，所以，根据其流动状况来设置导引叶片是非常重要的。为此，为了恰当地设置导引叶片，在本发明第2实施例的离心压缩机100的扩散器 2中，如图10和图11所示，设置在倾斜小的侧板侧扩散板14的壁面上的圆弧状导引叶片 12的入口叶片角，与设置在倾斜大的心板侧扩散板9的壁面上的圆弧状导引叶片13的入口 叶片角相比，以朝半径方向立起的角度设置。S卩，通过改变各入口叶片角地设置，使得导引叶片12沿着靠近侧板侧扩散板14的 壁面一侧的主流21s的流线，使得导引叶片13沿着靠近心板侧扩散板9的壁面一侧的主流 2 Ih的流线。这样，在本发明实施例的扩散器2中，将导引叶片12的入口叶片角β—设定得比 导引叶片13的入口叶片角i3h,in大，可以将上述导引叶片12、13分别设置于沿着主流21s、 21h的流线的流动。结果，可以防止在侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面附近的边 界层区域流动的边界层流22的剥离，并可以防止因主流21s、21h的流动角度与导引叶片12 及导引叶片13的各配设角度不一致而引起的损失。在图12和图13中，表示配设在构成本实施例的离心压缩机100的扩散器2的侧 板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面上的导引叶片12及导引叶片13、与上述侧板侧扩 散板14及心板侧扩散板9的各壁面的倾斜程度的关系。
图12是表示本实施例中的扩散器壁面的倾斜角和导引叶片的入口叶片角度的示 意图。图13是表示本实施例中的扩散器壁面的倾斜角与导引叶片的入口叶片角度的关系 的关系图。θ s是靠近叶轮1侧板侧的侧板侧扩散板14的壁面中的、从半径方向倾斜的侧 板侧扩散板14的倾斜角。θ h是靠近叶轮1心板侧的心板侧扩散板9的壁面中的、从半径 方向倾斜的心板侧扩散板9的倾斜角。侧板侧扩散板14的倾斜角θ 3和心板侧扩散板9的 倾斜角θ h，都是以朝着扩散器2的流路宽度扩大的方向倾斜的方向为正值。在构成本实施例的扩散器2的侧板侧扩散板14及心板侧扩散板9的壁面上，分别 配设着导引叶片12及导引叶片13。在这些导引叶片12及导引叶片13中，导引叶片12的 入口叶片角、导引叶片13的入口叶片角i3h,in，满足式(1)的关系。[式1]^s,in-^h,in = K(9s-0h) ... (1)式中，K是根据叶轮1出口的流体流动状态设定的常数。取K <0的值。若更具 体地限定，在标准离心压缩机中的流体流动时，取-2 < K < 0的值。上述式⑴表示，构成扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面的倾斜角θ s、和心板侧 扩散板9的壁面的倾斜角θ h的非对称性越大，导引叶片12的入口叶片角导引叶 片13的入口叶片角i3h,in的差越大。侧板侧扩散板14的壁面的倾斜角Θ s、和心板侧扩散板9的壁面的倾斜角Θ h的 非对称性越大，在扩散器2的入口的宽度方向流动的流体的非均勻性越大。式(1)的关系 与这一物理变化对应。把扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面的倾斜角Θ s、和心板侧扩散板9的壁面的 倾斜角9h的倾斜角总和es+0h，设定为6°至12°之间的值，可以使扩散器2的壁面的压 力恢复最大化，是适当的，尤其是，从扩散器2中的压力恢复量和工作范围的平衡考虑，优 选把倾斜角总和θ s+θ h设定为8°左右。另外，如果倾斜角总和es+eh大于12°，则在扩散器2的壁面上流动容易剥离， 与扩散器2的流路被扩大相比，在扩散器2的壁面附近的边界层区域流动的边界层流的剥 离带来的阻塞效果更大，基本上起不到流路扩大的效果。另外，如果倾斜角总和es+eh小于6°，则扩散器2的壁面的扩大量小，扩散器2 的压力恢复效果小。而把倾斜角总和9s+eh设定为8°左右时，扩散器2的压力恢复量大，并且，相对 于大流入角范围的流动，而在扩散器2的壁面附近的边界层区域流动的边界层流不容易剥 离，结果，可容易实现高效率和大工作范围的扩散器2。假设离心压缩机的叶轮1的出口流动是均勻的时，扩散器2的侧板侧扩散板14的 壁面倾斜角θ s、和心板侧扩散板9的壁面倾斜角θ h的非对称性越大，则扩散器2的入口 流动在扩散器2的宽度方向的非均勻性越强。从流态解析可知，上述倾斜角总和es+eh在6°至12°之间的范围内时，扩散器2 入口的导引叶片12的入口叶片角i3s,in和导引叶片13的入口叶片角i3h,in的差Δ β (Δ β =β s, in" β h, in)，与扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面倾斜角θ s、和心板侧扩散板9的壁 面倾斜角9h的倾斜角的差θ s-θ h的绝对值相同，将式(1)中的K设为-1左右，分别设定 扩散器2的导引叶片12的入口叶片角i3s,in及导引叶片13的入口叶片角i3h,in，可构成效率高、工作范围大的扩散器2，是有效的。由于叶轮1的内部流体的影响，叶 轮1的出口流动往往是侧板8侧的流动慢，心板 6侧的流动快。这时，把扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面倾斜角es设定为es = 0，把 心板侧扩散板9的倾斜角eh设定为eh = 8°，从而具有使在叶轮ι产生的偏流趋于均勻 化的效果。把扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面倾斜角Θ s、和心板侧扩散板9的壁面倾斜 角Q1JiA成为非对称倾斜，消除叶轮ι出口的流动的非均勻性，这样，流体的流动接近均勻， 所以，不必将扩散器2入口的导引叶片12的入口叶片角β s,in和导引叶片13的入口叶片角 3h,in的差增加得很大。因此，叶轮1出口的非均勻性强时，将K设定为-1 < K < 0，设置扩散器2的导引 叶片12和导引叶片13，可构成效率高、工作范围大的扩散器2。另外，在把扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面倾斜角θ s、和心板侧扩散板9的壁 面倾斜角9h设定为9S = 0、或eh = 0时的扩散器2中，在无倾斜的平面上的侧板侧扩 散板14的壁面上设置导引叶片12，或者在无倾斜的平面上的心板侧扩散板9的壁面上设置 导引叶片13，与在倾斜角或倾斜角的圆锥面上的壁面上设置导引叶片12 或导引叶片13时相比，构造简单，所以，可降低制作成本。从构成扩散器2的侧板侧扩散板14的壁面和心板侧扩散板9的壁面上分别削出 导引叶片12和导引叶片13的情况下，构成扩散器2的上述侧板侧扩散板14的壁面和心板 侧扩散板9的壁面是平面时，只要是二轴加工机，就能加工，但是，该扩散器2的上述各壁面 是圆锥面时，必须用5轴加工机才能削出导引叶片12和导引叶片13。因此，加工成本的差异很大。如果预先另外制作出导引叶片12和导引叶片13、再 用焊接等方式把这些导引叶片12和导引叶片13接合到上述侧板侧扩散板14的壁面及心 板侧扩散板9的壁面上而制成扩散器2时，把导引叶片12和导引叶片I3焊接接合到形成 为圆锥面的上述侧板侧扩散板14的壁面及心板侧扩散板9的壁面上，导引叶片12及导引 叶片13的定位、接合困难，与焊接到形成为平面的上述壁面上相比，制造成本大幅增加。另外，在形成为平面的上述壁面上设置导引叶片12或导引叶片13时，要将导引叶 片12、13的形状尤其形成为由垂直于平面的线要素构成的形状，由于不是采用点切削，而 是用线切削削出导引叶片12、13的叶片形状，所以，可以缩短加工时间，降低加工成本。另外，如果用单纯的圆弧构成导引叶片12、13的形状，输入NC加工机的程序也简 单，可降低制作成本。另外，上述本实施例的离心压缩机100，在扩散器2的上游侧设置了具有侧板8和 心板6的叶轮1，说明了扩散器2的原理、作用效果，但是，没有侧板8和心板6的开放形状 的叶轮1，其扩散器2也具有同样的作用效果。根据本实施例，可实现这样的涡轮式流体机械能防止扩散器内的逆流，并恰当地 设定侧板侧的导引叶片和心板侧的导引叶片的入口叶片角度，使扩散器的流动在宽度方向 均勻化，确保扩散器的大工作范围，保持压缩机的效率，实现流体机械的小型化。本发明适用于离心压缩机或离心鼓风机等维持高性能、适合于小型化的涡轮式流 体机械。1权利要求
1.一种涡轮式流体机械，具有叶轮和扩散器，该扩散器位于叶轮的下游，由相向的一对 侧板侧扩散板和心板侧扩散板构成扩散器的流路壁面，并且，其流路宽度朝着下游增大；其 特征在于，在上述扩散器的相向的侧板侧扩散板和心板侧扩散板的两流路壁面上，分别以多个叶 片列状地设置高度比流路宽度低的圆弧状的导引叶片，扩散器出口处的上述两个导引叶片 的叶片高度总和设定在上述扩散器的出口流路宽度的30 70%的范围内；设侧板侧扩散板的流路壁面的相对于半径方向的倾斜角为θ s、设置在该侧板侧扩散 板的壁面上的导引叶片的入口的相对于周方向的入口叶片角为i3s,in、心板侧扩散板的流 路壁面的相对于半径方向的倾斜角为θ h、设置在该心板侧扩散板的壁面上的导引叶片的 入口相对于周方向的入口叶片角为β h, in时，上述4个角度满足下式(式1)H,in = K(es-eh) ... (1)上述式中的K，满足K < 0的关系。
2.如权利要求ι所述的涡轮式流体机械，其特征在于，|κ|<2。
3.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，其特征在于，从设置在上述扩散器的上述导 引叶片的周方向测得的叶片角度中的出口叶片角度，比入口叶片角度小。
4.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，其特征在于，以满足6< θ s+ θ h < 12的方 式构成。
5.如权利要求ι所述的涡轮式流体机械，其特征在于，以满足上述倾斜角es= o或上 述倾斜角9h = 0的方式构成。
6.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，其特征在于，上述导引叶片的形状设成为垂 直于上述侧板侧扩散板及心板侧扩散板的壁面。
7.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，其特征在于，设置在侧板侧扩散板的壁面上 的导引叶片的前缘位置、和设置在心板侧扩散板的壁面上的导引叶片的前缘位置，在周方 向错开。
8.如权利要求1所述的涡轮式流体机械，其特征在于，设置在侧板侧扩散板的壁面上 的导引叶片的前缘位置、和设置在心板侧扩散板的壁面上的导引叶片的前缘位置，设在较 叶轮的外径的1. 05倍更靠内周侧。
9.如权利要求1至8中任一项所述的涡轮式流体机械，其特征在于，上述导引叶片的翼 型中弧线是由一圆弧构成的。
全文摘要
本发明提供使扩散器的流动在宽度方向均匀化、确保大的工作范围、保持压缩机的效率、使流体机械小型化的涡轮式流体机械。在构成涡轮式流体机械所具有的扩散器的、相向的侧板侧扩散板和心板侧扩散板的两流路壁面上设置圆弧状的导引叶片，扩散器出口处的两个导引叶片的叶片高度总和在扩散器出口流路宽度的30～70％范围内。设侧板侧扩散板的流路壁面的偏离半径方向的倾斜角为θs、设置在侧板侧扩散板的壁面上的导引叶片的入口偏离周方向的入口叶片角为βs，in、心板侧扩散板的流路壁面的偏离半径方向的倾斜角为θh、设置在心板侧扩散板的壁面上的导引叶片的入口偏离周方向的入口叶片角为βh，in时，上述4个角度满足下式βs，in-βh，in＝K(θs-θh)，式中的K满足K＜0的关系。
文档编号F04D29/44GK102042266SQ20101051464
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月21日 优先权日2009年10月22日
发明者八木学, 小林博美, 柴田贵范, 田中征将, 西田秀夫 申请人:株式会社日立工业设备技术