专利名称：离心压缩机的叶轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及车辆用、船舶用涡轮增压机等中使用的离心压缩机的叶轮，尤其涉及在彼此相邻的全叶片(全翼)之间设置的分流叶片(短翼)的、流体的入口部的翼形状。
背景技术：
在车辆用、船舶用涡轮增压机的压缩器部等中使用的离心压缩机经由叶轮的旋转而对流体赋予动能，并向径向外侧喷出流体而获得基于离心力的压力上升。该离心压缩机在较宽的运转范围内要求高压力比和高效率化，因此多使用图9所示那样的在彼此相邻的全叶片(全翼)01之间设置有分流叶片(短翼)03的转轮(叶轮)05，且对其翼形状进行了各种研究。如图9、图10(图9的径向的部分剖视图)所示，在该具有分流叶片03的转轮05 中，全叶片01与分流叶片03在轮毂07面上交替设置，但通常的分流叶片03形成为单纯地将全叶片01的上游侧切除得到的形状。在为该通常的分流叶片03的情况下，如图11 (图10的A-A线剖视图)所示，分流叶片03的入口端缘(LE2)位于比全叶片01的入口端缘(LEl)以规定距离靠下游侧的位置， 出口端缘(TE)设置成一致，分流叶片03的入口端缘的翼角θ (作为入口端缘的方向与转轮05的轴向G所成的角度表示)设定成与在全叶片01间的流路中流动的流体的流动方向 F相同。然而，如图11所示，如果将分流叶片3设计成，将分流叶片03的入口端缘在全叶片01间的周向中心位置简单地切除全叶片01的上游侧而形成的形状，则在形成于分流叶片03的两侧的全叶片01的压力面侧Μ的喉口面积Al与负压面侧Sb的喉口面积Α2中产生Al < Α2的差，因此各流路的流量产生不均，无法均等分配流体，翼负载不均等而流路损失也增加，存在妨碍转轮效率的提高的问题。需要说明的是，喉口面积是指图11那样的成为从分流叶片的入口端缘到全叶片01的压力面或负压面的最短距离的位置处的截面积。因此，公知有在专利文献1(日本特开平10-213094号公报)中公开的技术，如图 12所示，在该专利文献1中，进行了如下研究，即，通过将分流叶片09的入口端缘的翼角θ 翼角取为Θ+Δ θ而取的较大(相对于流体的流动方向F设定成大Δ θ )，即通过向全叶片 01的负压面侧Sb偏靠，从而使分流叶片09的两侧通路的喉口面积相同(Al = Α2)。此外，对于专利文献2 (专利3876195号公报)公知有将分流叶片的入口端部向全叶片的负压面侧倾斜的结构。然而，如所述专利文献1(图1 所示，通过将分流叶片09的入口端缘的翼角θ 取为Θ+Δ θ而取得较大，因而可能产生自分流叶片09的倾斜较大的前缘部分或全叶片01 的负压面侧Sb的分离流，并且即使在分流叶片09的压力面侧及负压面侧的两侧通路中喉口面积相同(Al =Α2)，也存在因该两通路中流速不同而无法实现流量的均勻化的问题。S卩，由于在分流叶片09的两侧即全叶片01的压力面侧与负压面侧流速不同，因此进入全叶片01间的流体成为主要在负压面侧集中流速快的流动的分布，即使分流叶片09的两侧通路的流路截面积在几何学上相等，也会因负压面侧与压力面侧相比流速快而相应地流量增加使得各流路的流量产生不均，无法均等分配流体，翼负载变得不均等而流路损失也增加，存在妨碍转轮效率的提高的问题。因此，进而公知有在专利文献3 (日本特开2002-332992号公报)中公开的技术。 在该专利文献3中，如图13所示，使分流叶片011的入口端缘的翼角θ保持不变，而选择使前缘向全叶片01的负压面侧偏移而使Al > Α2。由此，实现分流叶片011的两侧通路中的流量的均勻化。先行技術文献专利文献专利文献1日本特开平10-213094号公报专利文献2日本专利3876195号公报专利文献3日本特开2002-332992号公报然而，在所述专利文献1 3中，均以叶片(翼)间的流动为沿着全叶片的流动的假设为基础，着眼于由分流叶片分割的流路的流量分配而进行翼形状的改良。但是，尤其在为具有翼端间隙的开型转轮的情况下，流动部位呈复杂的形态，利用所述不适于复杂的内部流动的现有的翼形状的结果是无法得到充分的转轮性能。通过数值解析来评价该复杂的内部流动可知，从全叶片的入口端缘的前端部(自翼的轮毂面的高度方向(壳体侧)的前端部)产生的泄漏涡流到达分流叶片的入口端缘的前端部(自翼的轮毂面的高度方向(壳体侧)的前端部)附近(参照图8的翼端泄漏流动 W的涡流)。该泄漏涡流不沿着全叶片流动，此外，该泄漏涡流为低能流体集积的部位，因此在其与分流叶片的入口端缘干涉时产生分离或旋涡结构，由此导致损失生成增大。S卩，在现有型转轮结构中，未实施针对来自该全叶片的入口端缘的前端的泄漏涡流与分流叶片的入口端缘的干涉的对策，因此无法得到充分的性能。
发明内容
因此，本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于提供一种离心压缩机的叶轮， 从而在具有从流体的入口部到出口部彼此相邻地设置的全叶片和在该全叶片之间从流路的中途至出口部设置的分流叶片的离心压缩机的叶轮中，避免分流叶片的入口端缘相对于来自全叶片的入口端缘的前端部的泄漏涡流的干涉，实现高压力比、高效率化。为了解决上述问题，本发明提供一种离心压缩机的叶轮，具备多个全叶片，其在轮毂面上从流体的入口部到出口部设置；分流叶片，其从在彼此相邻设置的所述全叶片之间形成的流路的中途到出口部设置，所述离心压缩机的叶轮的特征在于，所述分流叶片的入口端缘位于比泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧的位置，所述泄漏涡流线将喉口的中心位置与前侧全叶片的入口端缘连结形成，所述喉口形成从位于所述压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片的入口端缘向所述前侧全叶片的最小间隔，所述前侧全叶片与该后侧全叶片相邻且设置在旋转方向前侧。根据上述发明，使分流叶片的入口端部位于比泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧的位置，其中所述泄漏涡流线将形成所谓喉口的位置的中心位置与所述前侧全叶片的入口端缘连结形成，所述喉口形成从位于压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片的入口端缘向与该后侧全叶片相邻且设置在旋转方向前侧的前侧全叶片的最小间隔，由此，避免从全叶片的入口端缘的前端部(壳体侧)产生的泄漏涡流与分流叶片的入口端缘干涉的情况。S卩，根据数值解析结果可以确认，关于从全叶片的入口翼端产生的泄漏涡流，泄漏涡流沿着将在与位于压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片之间形成的喉口的中心位置和所述前侧全叶片的入口端缘连结形成的线而流动，于是根据该见解来设定分流叶片的入口端缘的位置。因此，通过将分流叶片的入口端缘的位置设置成比所述泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧，从而消除因泄漏涡流与分流叶片的入口端缘的前端部干涉而产生的分离甚至旋涡结构导致流动的损失生成增大而效率降低的问题，防止叶轮的效率降低，能够实现高压力比及高效率化。此外，在本发明中优选，使所述分流叶片的入口端缘的翼高度方向上的前端部向所述前侧全叶片侧倾斜。根据上述结构，从全叶片的入口端缘的前端部(壳体侧)产生的泄漏涡流主要与分流叶片的入口端缘的前端部干涉，因此通过使该前端部进一步向前侧全叶片侧倾斜，从而进一步可靠地避免泄漏涡流的干涉。S卩，如果使分流叶片的入口端缘位于向流过全叶片间的流体的流动方向下游侧下降得大的位置，则分流叶片的长度变短，无法发挥分流叶片本来的高压力比及高效率化的功能，因此，本发明能够在确保分流叶片的长度的同时有效地进行对所述泄漏涡流的回避。此外，优选，向所述前侧全叶片侧的倾斜角度为相对于沿着所述后侧全叶片的倾斜角度进一步倾斜5° 8°。根据数值解析结果，若小于5°，则无法期待倾斜带来的相对于泄漏涡流流动的回避效果，此外，若超过8°地倾斜，则该倾斜部分相对于流过分流叶片与前侧全叶片间的流体的流动产生流路阻力，因此优选倾斜5° 8°。此外，在本发明中，优选使所述分流叶片的入口端缘位于比所述前侧全叶片与所述后侧全叶片的周向中间位置偏向所述前侧全叶片侧的位置。通过这样构成，能够进行对泄漏涡流流动的回避，进而实现由分流叶片分割的全叶片间内的各通路的流量分配的均勻化。S卩，由于在分流叶片的两侧即全叶片的压力面侧与负压面侧流速不同，因此进入全叶片间的流体成为主要在负压面侧集中流速快的流动的分布，所以即使分流叶片的两侧通路的流路截面积在几何学上相等，也会因负压面侧与压力面侧相比流速快而相应地流量增加而使得各流路的流量产生不均，无法均等分配流体，翼负载变得不均等而流路损失也增加，存在妨碍叶轮的效率提高的问题，但是，对于这样的问题，通过偏向前侧全叶片侧即偏向负压面侧而使流路截面积变小，从而能够实现由分流叶片分割的全叶片间内的各通路的流量分配的均勻化。发明效果根据本发明，离心压缩机的叶轮具备全叶片，其从流体的入口部到出口部彼此相邻地设置；分流叶片，其在所述全叶片之间从流路的中途到出口部设置，在所述离心压缩机的叶轮中，所述分流叶片的入口端缘位于比泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧的位置，所述泄漏涡流线将喉口的中心位置与所述前侧全叶片的入口端缘连结形成，所述喉口形成从位于所述压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片的入口端缘向前侧全叶片的最小间隔，所述前侧全叶片与该后侧全叶片相邻且设置在旋转方向前侧，由此能够提供避免分流叶片的入口端缘相对于来自全叶片的入口端缘的前端部的泄漏涡流的干涉且实现高压力比、高效率化的离心压缩机的叶轮。
图1是表示本发明的设置有分流叶片的离心压缩机的叶轮的主要部分的立体图。图2是表示第一实施方式的全叶片与分流叶片的关系的剖面说明图。图3是表示第二实施方式的全叶片与分流叶片的关系的剖面说明图。图4是表示第三实施方式的全叶片与分流叶片的关系的剖面说明图。图5是表示第四实施方式的全叶片与分流叶片的关系的剖面说明图。 图6是表示图2、图3、图4、图5中的X方向视图中的翼的竖立设置状态的说明图， (a)表示图2的X方向视图，(b)表示图3的X方向视图，(c)表示图4的X方向视图，(d) 表示图5的X方向视图。图7是表示在全叶片间流动的流体的测量数值解析结果的马赫数分布的说明图。图8是表示从在分流叶片的入口端部的前端部形成的全叶片前端部的翼端泄漏流动的数值解析结果。图9是现有技术的说明图。图10是现有技术的说明图。图11是现有技术的说明图。图12是现有技术的说明图。图13是现有技术的说明图。
具体实施例方式(第一实施方式)图1是表示适用了本发明的分流叶片的离心压缩机的转轮(叶轮)的主要部分的立体图。在转轮1中，在嵌接在未图示的转子轴上的轮毂3的上表面上彼此相邻的多个全叶片(全翼)5和设置在该全叶片5之间的分流叶片(短翼)7沿周向以等间距交替竖立设置。并且，分流叶片7与全叶片5相比在流体的流动方向上的长度短，其设置在从形成于全叶片5、5之间的流路9的中途至出口部。在图2中以叶片的沿着长度方向的剖面形状示出分流叶片7与全叶片5的关系 (与图10的A-A线剖视图相当)。在此的形状表示壳体侧位置、即翼前端部位置的形状。此夕卜，转轮1向箭头方向旋转。分流叶片7的前缘即入口端缘7a位于比全叶片5的前缘即入口端缘fe靠流动方向下游侧的位置，分流叶片7的后缘的出口端缘7b与全叶片5的后缘的出口端缘恥的位
置一致。此外，分流叶片7的位置设置成，通过分流叶片7将在全叶片5的压力面侧&与全叶片5的负压面侧Sb间形成的流路9沿周向二等分，在分流叶片7与全叶片5的压力面侧M的壁面之间形成流路11，在与负压面侧Sb的壁面之间形成流路13。此外，分流叶片7的形状形成为沿着全叶片5，入口端缘7a的倾斜角度θ与全叶片5相同。这样构成的转轮1构成作为在与覆盖全叶片5及分流叶片7的未图示的壳体之间具有翼端间隙的开型转轮。因此，相邻的流体通路的全叶片5的压力面侧的流体通过全叶片5的入口端部的前端部分与壳体的间隙部分而产生向全叶片5的负压面侧漏出的翼端泄漏流动W。该翼端泄漏流动W对分流叶片7的入口端缘7a附近的流动造成影响，因此，对该翼端泄漏流动W的状态进行了数值解析。该数值解析结果的流动线图在图5中示出。通过与全叶片5的前缘fe部的前端部的壳体的间隙部B而产生翼端泄漏流动。如图5所示，该翼端泄漏流动W伴随强烈的涡流(翼端泄漏涡流)而对沿着全叶片5的流动具有强烈的阻碍作用，因此在分流叶片7的入口端缘7a的附近的流动不为沿着全叶片5的流动，产生以所述旋涡为核心朝向分流叶片7的入口端缘的偏流M。为了进一步研究该翼端泄漏流动W的状态，因此将图7所示的位于全叶片5的转轮1的旋转方向前侧的全叶片作为前侧全叶片5F，将位于旋转方向后侧的全叶片作为后侧全叶片5R，对在该前侧全叶片5F与后侧全叶片5R之间的流体流动的流速分布作为马赫数分布进行了解析。如图7所示，在马赫数分布中，如马赫数的交界线处的ml、m2、m3、m4点所示，成为进入下一区域的谷形状，表示存在流速的紊乱，确认了有所述翼端泄漏流动W沿着将所述 ml、m2、m3、m4点连续这样的虚线表示的线流动的情况。即，将通过翼端泄漏流动产生的涡流前进的方向定义为泄漏涡流线WL。进而，为了定义以该虚线表示的泄漏涡流线WL的位置关系而进行解析的结果是， 如图7所示，可以作为将连结所谓喉口(throat) SR的中心位置P与前侧全叶片5F的入口端缘fe形成的线来定义，其中，所述喉口 SR形成从后侧全叶片5R的入口端缘如向前侧全叶片5F的负压面侧Sb的最小距离，所述前侧全叶片5F是与该后侧全叶片5R相邻且设置在旋转方向前侧的全叶片。因此，在该泄漏涡流线WL的附近，该泄漏涡流为低能流体集积的部位，所以如果其与分流叶片7的入口端缘7a干涉，则可能产生分离或旋涡结构而增大损失生成，因此必须将分流叶片7的入口端缘7a以避开该泄漏涡流线WL的方式设置。S卩，如图7所示，以泄漏涡流线WL为中心而将例如α = 4° 5°的范围设定为泄漏涡流范围的区域，通过以避开该区域的方式将分流叶片7的入口端缘7a的位置定位成向流过前侧全叶片5F与后侧全叶片5R之间的流体的流动方向下游侧偏移，从而避免分流叶片7的入口端缘7a相对于泄漏涡流的干涉，能够形成实现高压力比、高效率化的离心压缩机的转轮。需要说明的是，对于用于设定泄漏涡流范围的α的范围，是由根据数值解析结果利用涡度这一物理量而确定旋涡的存在范围得到的结果所求出的宽度，设定为不会波及泄漏涡流的影响的最小范围。需要说明的是，第一实施方式中的图2的X向视如图6(a)所示，在轮毂3面上，分流叶片7的入口端缘7a沿垂直方向竖立设置而形成。如上所述，根据本第一实施方式，通过将分流叶片7的入口端缘7a的位置设定成比所述泄漏涡流线WL靠流体的流动方向下游侧，从而能够避免泄漏涡流与分流叶片7的入口端缘7a干涉，由此避免因产生的分离甚至旋涡结构而增大流动的损失生成使得效率降低的问题，防止转轮1的效率降低，能够实现高压力比及高效率化。(第二实施方式)接下来，参照图3说明第二实施方式。在第二实施方式中，分流叶片7的入口端缘7a设置成不位于第一实施方式中说明的泄漏涡流范围α内，且在此基础上，分流叶片7的入口端缘7a的高度方向的前端部即分流叶片7的入口端缘7a的壳体侧的部分向所述前侧全叶片5F侧倾斜形成。关于该倾斜角度，在所述第一实施方式中，分流叶片7的形状沿着全叶片的形状， 入口端缘7a的倾斜角度θ设定为与后侧全叶片5R相同的倾斜θ (参照图2)，但在本第二实施方式中，相对于该θ进一步增加Δ θ的角度倾斜，优选，进而倾斜Δ θ = 5° 8°。根据数值解析结果，如果小于5°，则无法期待基于倾斜产生的对泄漏涡流流动的避免效果，另外，如果超过8°地进行倾斜，则存在该倾斜部分相对于流过流路13的流体的流动产生流路阻力的问题，因此优选倾斜5° 8°。通过这样使分流叶片7的入口端缘7a的前端部倾斜，由于从前侧全叶片5F的入口端缘如的前端部(壳体侧)产生的泄漏涡流主要与分流叶片7的入口端缘7a的前端部干涉，因此通过使该前端部进一步向前侧全叶片5F侧倾斜，从而能够进一步避免泄漏涡流的干涉。如果使分流叶片7的入口端缘7a位于向流过前侧全叶片5F与后侧全叶片5R间的流体的流动方向下游侧下降得大的位置，则分流叶片7的长度变短，无法发挥分流叶片7 本来的高压力比及高效率化的功能，因此本实施方式能够在确保分流叶片7的长度的同时有效得到对所述泄漏涡流的回避，即使将转轮1小型化也能够实现适当地对泄漏涡流流动的回避效果。需要说明的是，该第二实施方式中的图3的X向视如图6(b)所示，在轮毂3面上， 分流叶片7的入口端缘7a向前侧全叶片5F侧倾斜而竖立设置形成。(第三实施方式)接下来，参照图4说明第三实施方式。在第三实施方式中，分流叶片7的入口端缘7a设置成不位于第一实施方式中说明的泄漏涡流范围α内，在此基础上，使分流叶片7的入口端缘7a位于比前侧全叶片5F与后侧全叶片5R的周向中间位置偏向所述前侧全叶片5F侧的位置。S卩，图4的X向视如图6(c)所示，在轮毂3面上，分流叶片7垂直地竖立设置，该分流叶片7的入口端缘7a垂直地竖立设置，且其位置为比周向中间位置向前侧全叶片5F 侧偏AL的位置。通过这样构成，能够回避泄漏涡流流动，且在此基础上实现由分流叶片7分割的流路11、13的流量分配的均勻化。S卩，在分流叶片7的两侧即前侧全叶片5F的负压面侧Sb和后侧全叶片5R的压力面侧Μ流速不同的流体分布为主要在负压面侧Sb集中流速快的流动。因此，即使分流叶片7的两侧通路的流路截面积在几何学上相等，也会因负压面侧Sb与压力面侧M相比流速快而相应地流量增加使得各流路的流量产生不均，无法均等分配流体，翼负载变得不均等而流路损失增加，存在妨碍转轮效率的提高的问题，但是，对于这样的问题，通过偏向前侧全叶片5F侧即偏向负压面侧Sb使流路截面积变小，从而能够实现由分流叶片7分割的全叶片间内的各流路11、13的流量分配的均勻化。如上所述，根据本第三实施方式，不受到从前侧全叶片5F的翼端的泄漏流动导致的旋涡的影响，进而实现由分流叶片7分割的全叶片间内的各流路11、13的流量分配的均勻化。(第四实施方式)接下来，参照图5说明第四实施方式。在第四实施方式中，对于第三实施方式的分流叶片7的入口端缘7a，进一步如第二实施方式那样使入口端缘7a的高度方向的前端部即入口端缘7a的壳体侧的部分向前侧全叶片5F侧倾斜形成。通过这样倾斜，从而能够发挥兼具所述第二实施方式及第三实施方式的作用效果。即，不使分流叶片7的入口端缘7a位于向流过前侧全叶片5F与后侧全叶片5R间的流体的流动方向下游侧下降得大的位置，能够发挥分流叶片7的本来的高压力比及高效率化的功能并确保长度，且实现由分流叶片7分割的全叶片间内的各流路11、13的流量分配的均勻化，进而能够有效地回避泄漏涡流。此外，在上述中，对在全叶片间流路中具有一个单分流叶片的情况进行了说明，但当然也可以将本发明适用于在单分流叶片间流路中设置的比单分流叶片更短的双分流叶片中。工业上的可利用性根据本发明，使所述分流叶片的入口端缘位于比泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧，其中所述泄漏涡流线将喉口的中心位置与所述前侧全叶片的入口端缘连结形成，所述喉口形成从位于压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片的入口端缘向与该后侧全叶片相邻且设置在旋转方向前侧的前侧全叶片的最小间隔，由此，避免分流叶片的入口端缘相对于来自全叶片的入口端缘的前端部的泄漏涡流的干涉，能够实现高压力比、 高效率化，因此适于利用在具备分流叶片的离心压缩机的叶轮中。
权利要求
1.一种离心压缩机的叶轮，具备多个全叶片，其在轮毂面上从流体的入口部设置到出口部；分流叶片，其从在彼此相邻设置的所述全叶片之间形成的流路的中途设置到出口部，所述离心压缩机的叶轮的特征在于，所述分流叶片的入口端缘位于比泄漏涡流线靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧的位置，所述泄漏涡流线由将喉口的中心位置与前侧全叶片的入口端缘连结而形成，所述喉口形成从位于所述压缩机的旋转方向后侧的后侧全叶片的入口端缘向所述前侧全叶片的最小间隔，所述前侧全叶片与该后侧全叶片相邻且设置在旋转方向前侧。
2.根据权利要求1所述的离心压缩机的叶轮，其特征在于，所述分流叶片的入口端缘的翼高度方向上的前端部向所述前侧全叶片侧倾斜。
3.根据权利要求2所述的离心压缩机的叶轮，其特征在于，向所述前侧全叶片侧的倾斜角度为相对于沿着所述后侧全叶片的倾斜角度再倾斜5° 8°。
4.根据权利要求1或2所述的离心压缩机的叶轮，其特征在于，所述分流叶片的入口端缘位于比所述前侧全叶片与所述后侧全叶片的周向中间位置偏向所述前侧全叶片侧的位置。
全文摘要
本发明提供一种离心压缩机的叶轮，从而在具备分流叶片的离心压缩机的叶轮中，避免分流叶片的入口端缘相对于来自全叶片的入口端缘的前端部的泄漏涡流的干涉，实现高压力比、高效率化。该离心压缩机的叶轮的特征在于，使所述分流叶片(7)的入口端缘(7a)位于比泄漏涡流线(WL)靠流过全叶片间的流体的流动方向下游侧的位置，所述泄漏涡流线(WL)由将形成从位于叶轮的旋转方向后侧的后侧全叶片(5R)的入口端缘(5a)向与该后侧全叶片(5R)相邻且设置在旋转方向前侧的前侧全叶片(5F)的最小间隔的喉口(SR)的中心位置(P)和所述前侧全叶片(5F)的入口端缘(5a)连结而形成。
文档编号F04D29/66GK102472292SQ20108002940
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月10日 优先权日2009年12月2日
发明者富田勋, 岩切健一郎, 杉本浩一 申请人:三菱重工业株式会社