叶轮、离心压缩机以及制冷循环装置的制作方法

本公开涉及叶轮、离心压缩机以及制冷循环装置。

背景技术：

将使用于离心压缩机的旋转部件中的、通过主要在旋转切线方向上对吸入的流体进行加速来对流体施加动能的部件称为叶轮。叶轮通常具有近似于圆锥台的形状，以连结小径的顶面的中心与大径的底面的中心的直线为轴而旋转。如非专利文献1所记载那样，叶轮具有呈辐射状地配置的多个叶片(blade)。

叶片在其前缘对吸入到离心压缩机的流体以某角度进行碰撞。因该碰撞，在叶片的表面(负压面)与背面(正压面)之间产生速度差，对流体施加动能。

在叶片的从前缘到后缘为止的区间，因叶轮的旋转半径的增大，主要与旋转切线方向有关的流体的分速度增加。在叶轮具有最大外径的位置处分速度的增加为最大，可决定施加于流体的动能的总量。

另外，通过以随着从叶片的前缘朝向后缘行进而叶片间截面的截面面积减少的方式设计叶轮，能够防止沿着叶片的表面的方向上的流体的速度减速。

叶轮的内部(叶片间的流路)中的流体的速度即叶片的表面的流体的速度依赖于对于搭载有该叶轮的压缩机求得的压力比。例如，在应该压缩的流体为空气、压力比超过4的压缩机的情况下，在叶片的前缘从叶片观察到的流体的速度(相对速度)达到跨音速。在非专利文献1中，记载有以压力比8为目标的离心压缩机。在该情况下，叶片的前缘的相对速度为马赫数1.2左右的高跨音速。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2014/073377号

专利文献2：国际公开第2014/199498号

专利文献3：日本特开2011-117346号公报

专利文献4：美国专利申请公开第2008/0229742号说明书

非专利文献

非专利文献1：colinosborneetal.著，《aerodynamicandmechanicaldesignofan8：1pressureratiocentrifugalcompressor》，nasacr-134782，1975年4月

技术实现要素：

叶轮的叶片间的流路中的流体的流动非常复杂。在复杂的流场中产生速度慢且高强度的涡流(流动的涡度高的涡流)，所以会妨碍从叶片向流体高效地施加动能。另外，因涡流中的流体的摩擦而会产生损失。这成为压力比和绝热效率的下降的主要原因。

本公开以提供一种用于使叶片间的流路中的流体的速度的分布适当化而提高离心压缩机的效率的技术为目的。

即，本公开提供一种叶轮，其是离心压缩机用的叶轮，具备：

轮毂，其具有顶面、底面以及外周面；和

固定于所述轮毂、并呈辐射状地设置于所述轮毂的外周面上的多个叶片，

所述叶片具有位于所述轮毂的顶面侧的前缘部分和位于所述轮毂的底面侧的主体部分，

在所述叶片的与固定于所述轮毂侧相反的一侧，所述前缘部分的前端和所述主体部分的前端从所述轮毂的所述顶面侧朝向所述底面侧延伸，

在从与所述叶轮的旋转轴垂直的半径方向俯视所述叶片时，所述前缘部分的所述前端的轮廓为直线状，所述主体部分的所述前端的轮廓为曲线状。

根据本公开，能够使叶片间的流路中的流体的速度的分布适当化而提高离心压缩机的效率。

附图说明

图1是本公开的一实施方式的离心压缩机的剖视图。

图2是图1所示的离心压缩机的叶轮的子午面投影图。

图3a是叶轮的主叶片的概略性立体图。

图3b是叶轮的主叶片的局部放大侧视图。

图4是表示叶片角度βb与距前缘的距离的关系的图表。

图5是表示图1所示的离心压缩机的叶轮的轮毂比的图。

图6是使用了图1所示的离心压缩机的制冷循环装置的构成图。

图7是以往的叶轮的主叶片的局部放大侧视图。

具体实施方式

本发明人详细地分析了叶轮的内部(叶片间的流路)中的流体(例如，水蒸气)的流动。其结果，查明了下述情况：因大规模的涡流汇流和溃散，导致在叶轮的内部产生流动堵塞了的区域(流动非常慢的区域)。本发明人专心研究能够抑制大规模的涡流的汇流和溃散的叶片的形状，其结果，想出了本公开的叶轮。

本公开的第1技术方案的叶轮是一种离心压缩机用的叶轮，具备：

轮毂，其具有顶面、底面以及外周面；和

固定于所述轮毂、并呈辐射状地设置于所述轮毂的外周面上的多个叶片，

所述叶片具有位于所述轮毂的顶面侧的前缘部分和位于所述轮毂的底面侧的主体部分，

在所述叶片的与固定于所述轮毂侧相反的一侧，所述前缘部分的前端和所述主体部分的前端从所述轮毂的所述顶面侧朝向所述底面侧延伸，

在从与所述叶轮的旋转轴垂直的半径方向俯视所述叶片时，所述前缘部分的所述前端的轮廓为直线状，所述主体部分的所述前端的轮廓为曲线状。

本公开的第1技术方案的叶轮的另一表现，是一种离心压缩机用的叶轮，具备：

轮毂，其具有顶面、底面以及外周面；和

固定于所述轮毂、并呈辐射状地设置于所述轮毂的外周面上的多个叶片，

所述叶片具有位于所述轮毂的顶面侧的前缘部分和位于所述轮毂的底面侧的主体部分，

所述前缘部分包括前缘，该前缘构成与所述叶轮的旋转轴平行的方向上的所述叶片的一端，

所述前缘部分的前端和所述主体部分的前端从所述轮毂的所述顶面侧朝向所述底面侧延伸，

所述前缘部分的所述前端和所述主体部分的所述前端构成与所述叶轮的旋转轴垂直的半径方向上的所述叶片的一端，在位于所述一端的相反侧的另一端，所述叶片固定于所述轮毂，

在从所述半径方向俯视所述叶片时，所述前缘部分的所述前端的轮廓为直线状，所述主体部分的所述前端的轮廓为曲线状。

根据第1技术方案的叶轮，在叶轮的内部(叶片间的流路)中，即使因边界层的剥离和/或叶片端处的漏流产生高强度的涡流，也可抑制上述涡流的汇流和大规模化。换言之，能够使叶片间的流路中的流体的速度的分布适当化。其结果，可抑制叶轮的内部中的堵塞而使流体顺畅地流动，能够高效地从叶片向流体施加动能。尤其是，根据第1技术方案，即使在低雷诺数和低比速的运转条件下，也能够维持压缩机的性能。只要使用第1技术方案的叶轮，就能够高效率地压缩低密度且高粘度的流体(例如，水蒸气)。

在本公开的第2技术方案中，例如，第1技术方案的叶轮的所述叶片包括正压面和负压面，从所述半径方向俯视所述叶片时的所述前缘部分的所述前端的轮廓包括所述正压面侧的第1上游部分和所述负压面侧的第2上游部分，所述第1上游部分和所述第2上游部分双方为直线状，从所述半径方向俯视所述叶片时的所述主体部分的所述前端的轮廓包括所述正压面侧的第1下游部分和所述负压面侧的第2下游部分，所述第1下游部分和所述第2下游部分双方为曲线状。根据这样的构造，能够切实地获得第1技术方案中的效果。

在本公开的第3技术方案中，例如，在通过将所述叶片旋转投影于第1技术方案或第2技术方案的叶轮的包含所述旋转轴的子午面而得到的子午面投影图中，在将平行于所述叶轮的所述旋转轴的轴向上的所述叶片的全长定义为子午面长度时，所述前缘部分在所述子午面投影图中占据从所述叶片的前缘的位置到朝向所述轴向行进所述子午面长度的5％的位置为止。只要对前缘部分的范围进行某种程度限制，就能够避免叶片的长度不足，所以能够对流体施加足够的能量。

在本公开的第4技术方案中，例如，第1技术方案～第3技术方案中的任一技术方案的叶轮的所述多个叶片各自构成所述叶轮的主叶片，所述叶轮还具备多个副叶片，所述多个副叶片分别配置于在所述叶轮的周向上彼此相邻的所述主叶片与所述主叶片之间。考虑根据离心压缩机所要求的最大流量求得的临界截面面积(叶片间的流路的最小截面面积)，可以设置具有切断主叶片而得到的形状的副叶片。根据第4技术方案，能够构筑具有更宽的流量范围的离心压缩机。

在本公开的第5技术方案中，例如，在第1技术方案～第4技术方案中的任一技术方案的叶轮的所述叶片的所述前缘的位置处，所述轮毂的半径相对于所述叶片的半径的比率处于0.6～0.7的范围。根据第5技术方案，能够有效地抑制流场的扰乱并提高压力比。

本公开的第6技术方案的离心压缩机是具备第1技术方案～第5技术方案中的任一技术方案的叶轮和容纳所述叶轮的护罩壁的离心压缩机。根据第6技术方案，能够提供高效率的离心压缩机。

本公开的第7技术方案的制冷循环装置是具备第6技术方案的离心压缩机、且使用常温下的饱和蒸气压为负压的物质作为制冷剂的装置。根据第7技术方案，能够高效地提高制冷剂的压力，所以能够提高制冷循环装置的效率。

在本公开的第8技术方案中，例如，第7技术方案的制冷循环的所述物质包括水。使用了本公开的叶轮的离心压缩机适用于高效地压缩包括水(水蒸气)的制冷剂。

以下，参照附图对本公开的实施方式进行说明。本公开不限定于以下的实施方式。

如图1所示，本实施方式的离心压缩机100具备：轴11、叶轮2、背板13以及壳体15。叶轮2固定于轴11。背板13配置于叶轮2的背侧。叶轮2容纳于壳体15。离心压缩机100由轴11的旋转而驱动，压缩工作流体。此外，在以下的说明中，有时也将与叶轮2的旋转轴o平行的方向(轴向)中的背板13的表面侧称为前方、将其背面侧称为后方。

叶轮2具有：轮毂20、多个主叶片21(fullblade：全叶片)以及多个副叶片22(splitterblade：分流叶片)。轮毂20在轴向上具有小径的顶面20p和大径的底面20q，沿着旋转轴o从顶面20p朝向底面20q平滑地扩径。主叶片21和副叶片22固定于轮毂20，呈辐射状地设置于轮毂20的外周面上。主叶片21和副叶片22在叶轮2的周向上交替地排列。副叶片22是比主叶片21短的叶片。

此外，副叶片22不是必需的，可以省略。

壳体15具有：护罩壁3、周缘部件17以及前部件18。护罩壁3具有沿着叶轮2的形状。护罩壁3比叶轮2向前方延伸而形成吸入口12。周缘部件17在叶轮2的周围形成涡旋室16，该涡旋室16与形成于背板13与护罩壁3之间的扩散器连通。

图2是通过向叶轮2的包含旋转轴o的子午面旋转投影主叶片21、副叶片22以及护罩壁3而得到的子午面投影图(旋转投影图)。子午面投影图所示出的形状在涡轮机械的领域称为“子午面形状”。在本说明书中，将面对吸入口12的主叶片21的外周缘定义为主叶片21的前缘31。将面对护罩壁3的主叶片21的外周缘定义为主叶片21的前端32。同样，将面对吸入口12的副叶片22的外周缘定义为副叶片22的前缘41。将面对护罩壁3的副叶片22的外周缘定义为副叶片22的前端42。前缘31和前缘41在轴向上位于与轮毂20的顶面20p相同的一侧。在本实施方式中，主叶片21的前缘31平行于与叶轮2的旋转轴o垂直的方向。副叶片22的后缘43位于与主叶片21的后缘33相同的位置。副叶片22的前缘41位于比主叶片21的前缘31靠后方的位置。前缘31构成与叶轮2的旋转轴平行的方向上的主叶片21的一端。

如图3a所示，主叶片21具有位于轮毂20的顶面20p侧的前缘部分24和位于轮毂20的底面20q侧的主体部分25。主体部分25与前缘部分24平滑地相连。在主叶片21的与固定于轮毂20侧相反的一侧，前缘部分24的前端35和主体部分25的前端36从轮毂20的顶面20p侧朝向底面20q侧延伸。如图3b所示，在从与叶轮2的旋转轴o垂直的半径方向俯视主叶片21时，前缘部分24的前端35的轮廓为直线状，主体部分25的前端36的轮廓为曲线状。轮毂20与主叶片21的连接边界37从前缘31到后缘33整体呈曲线状。在图3b中，旋转轴o通过直线状的前缘部分24与曲线状的主体部分25的边界。前缘部分24包括前缘31。前缘部分24的前端35和主体部分25的前端36构成与叶轮2的旋转轴垂直的半径方向上的主叶片21的一端，在位于一端的相反侧的另一端，主叶片21固定于轮毂20。

如图3b所示，主叶片21具有正压面21p和负压面21q。叶轮2的旋转方向侧的主叶片21的表面为正压面21p(加压面)，与正压面21p相反的一侧的主叶片21的表面为负压面21q(非加压面)。同样，叶轮2的旋转方向侧的副叶片22的表面为正压面，与此相反的一侧的副叶片22的表面为负压面。

记载于专利文献1～4的叶轮假定在雷诺数re为10⁶左右的条件下使用。具体而言，假定为：作为将空气作为工作流体的增压器或者燃气轮机等原动机的要素的离心压缩机。雷诺数re由下述式(1)表示。

ρ：工作流体的密度(吸入时)

r1t：叶片的前缘的护罩的半径

w1t：叶片的前缘的护罩侧相对速度

ν：工作流体的运动粘度(吸入时)

另外，在专利文献1～4中，假定为：比速ns为0.6～0.8左右那样的设计。比速ns是表示流体机械的大小的指标，由下述式(2)表示。

ns＝(nq^1/2)/(h⁴)^1/3…(2)

n：轴的转速[rpm]

q：工作流体的体积流量(入口)[m³/sec]

h：热降(水头：head)[m]

另一方面，在使用于空气调节装置等的离心压缩机中，有时将空气以外的可压缩性流体作为工作流体使用。因工作流体的粘度的下降，有时re会下降至10⁴左右。在该情况下，来自于轮毂的表面和叶片的表面的高强度的涡流的多发会成为问题。因高强度的涡流彼此相互影响，在叶轮的内部会发生大规模的扰乱。其结果，离心压缩机的性能大幅度下降。

如图7所示，在以往的叶轮的叶片210中，正压面侧的前端210a的轮廓和负压面侧的前端210b的轮廓都整体呈曲线状。因此，与前缘210c碰撞的流体会被立即加速。在该情况下，因高强度的涡流彼此相互影响，容易在叶轮的内部发生大规模的扰乱。

与此相对，在本实施方式的叶轮2中，主叶片21具有前缘部分24。前缘部分24的前端35的轮廓为直线状，所以流体不容易在前缘部分24被加速。其结果，可抑制边界层的肥大化，因边界层的剥离引起的低能且高强度的涡流的产生位置与以往的叶片210(图7)相比移向下游侧。通过涡流的产生位置移向下游侧，即使在主叶片21的表面以外的表面(轮毂20的外周面)由边界层的剥离引起的低能的涡流在前缘31的附近产生，涡流的产生位置也会产生偏移。由此，能够抑制因大规模的涡流汇流和溃散导致在叶轮2的内部(叶片间的流路)产生流动堵塞了的区域这一情况。换言之，能够使叶片间的流路中的流体的速度的分布适当化。该效果在10⁴左右的低雷诺数的流场中明显。

另外，在前缘部分24中，负压面21q侧成为减速流动，正压面21p侧成为加速流动。在负压面21q流动被减速，所以可抑制边界层的肥大化和边界层的剥离。在正压面流动被加速，所以能够吹跑由在相邻的主叶片21的负压面21q处产生的剥离边界层引起的低能流。可防止低能流附着于正压面21p，并与剥离源头的主叶片21的负压面21q再碰撞。由此，可抑制因来自于相邻的主叶片21的二次流引起的主叶片21的正压面21p处的流体的速度分布的扰乱，能够使流速分布适当化。

如图3b所示，从半径方向俯视主叶片21时的前缘部分24的前端35的轮廓包括正压面21p侧的第1上游部分35a和负压面21q侧的第2上游部分35b。第1上游部分35a和第2上游部分35b双方为直线状。另外，从半径方向俯视主叶片21时的主体部分25的前端36的轮廓包括正压面21p侧的第1下游部分36a和负压面21q侧的第2下游部分36b。第1下游部分36a和第2下游部分36b双方为曲线状。第1下游部分36a和第2下游部分36b有朝向负压面21q侧成为凸的曲率。根据这样的构造，能够切实地获得上述的效果。

如图2所示，将平行于叶轮2的旋转轴o的轴向上的主叶片21的全长定义为子午面长度l。在图2的子午面投影图中，前缘部分24占据从主叶片21的前缘31的位置到朝向轴向行进子午面长度l的5％的位置为止。主体部分25占据从子午面长度l的5％的位置到主叶片21的后缘33的位置为止。此外，在图3a和图3b中，将前缘部分24夸大地示出。若对前缘部分24的范围进行某种程度限制，则能够避免主叶片21的长度不足，所以能够对流体施加足够的能量。

如图4所示，若着眼于与轮毂20相接侧的叶片(主叶片)的叶片角度βb，则从前缘的位置(0％)到后缘的位置(100％)，在本公开的叶片(主叶片21)的叶片角度βb与以往的叶片的叶片角度βb之间不会看到大的差别。另一方面，若着眼于与叶片(主叶片)固定于轮毂侧相反的一侧(护罩侧)的叶片(主叶片)的叶片角度βb，则在本公开的叶片(主叶片21)的叶片角度βb与以往的叶片的叶片角度βb之间存在大的差别。即，本公开的主叶片21具有前端35的轮廓为直线状的前缘部分24，所以在从前缘的位置(0％)到预定的位置(5％)为止，示出绝对值非常大的叶片角度βb。

如图5所示，本实施方式的叶轮2具有0.6～0.7的轮毂比(d1/d2)。“轮毂比”是指轮毂20的半径d1相对于主叶片21的前缘31的位置处的主叶片21的半径d2的比率(d1/d2)。若轮毂比处于上述那样的范围，则可获得以下所述的效果。

通常的设计的离心压缩机的叶轮具有0.4～0.5左右的轮毂比。在如本实施方式那样将轮毂比设定在0.6～0.7的范围时，向叶轮2流入的流体的流入速度增加，易提高压力比。但是，流场的扰乱以及由此引起的性能的下降也容易显现。因此，通过在具有0.6～0.7的轮毂比的叶轮中采用具有参照图3a和图3b说明了的构造的主叶片21，能够有效地抑制流场的扰乱并提高压力比。尤其是，在高速旋转时，能够防止称为叶轮堵塞(inducerchoking)的、在主叶片21的前缘31的附近的堵塞。其结果，能够构筑高压力比且宽工作范围的离心压缩机。

(制冷循环装置的实施方式)

如图6所示，本实施方式的制冷循环装置200具备：使制冷剂循环的主回路6、吸热用的第1循环路7以及散热用的第2循环路8。在主回路6、第1循环路7以及第2循环路8内，填充常温下为液体的制冷剂。详细而言，作为制冷剂，可使用常温(日本工业规格：20℃±15℃/jisz8703)下的饱和蒸气压为负压的制冷剂。作为这样的制冷剂，可举出以水或者醇类为主要成分的制冷剂。在制冷循环装置200运转时，主回路6、第1循环路7以及第2循环路8内成为比大气压低的负压状态。在本说明书中，“主要成分”是指在质量比上包含最多的成分。

主回路6包括：蒸发器66、第1压缩机61、中间冷却器62、第2压缩机63、冷凝器64以及膨胀阀65，这些设备由流路按上述顺序连接。

蒸发器66贮存制冷剂液并且在其内部使制冷剂液蒸发。具体而言，贮存于蒸发器66的制冷剂液通过第1循环路7经由吸热用热交换器71循环。例如，在制冷循环装置200是进行室内的放冷气的空气调节装置的情况下，吸热用热交换器71设置于室内，使由鼓风机供给的室内的空气通过与制冷剂液的热交换而冷却。

第1压缩机61和第2压缩机63将制冷剂蒸气以两阶段压缩。作为第1压缩机61，可以使用前面说明了的离心压缩机100。第2压缩机63既可以是独立于第1压缩机61的容积式压缩机，也可以是通过轴11与第1压缩机61连结的离心压缩机(例如，前面说明了的离心压缩机100)。使轴11旋转的电动机67既可以配置于第1压缩机61与第2压缩机63之间，也可以配置于任一压缩机的外侧。只要使第1压缩机61与第2压缩机63通过轴11连结，就能够减少第1压缩机61和第2压缩机63的部件件数。

中间冷却器62使从第1压缩机61排出的制冷剂蒸气在吸入到第2压缩机63之前冷却。中间冷却器62既可以是直接接触式的热交换器，也可以是间接式的热交换器。

冷凝器64在其内部使制冷剂蒸气冷凝并且贮存制冷剂液。具体而言，贮存于冷凝器64的制冷剂液通过第2循环路8经由散热用热交换器81循环。例如，在制冷循环装置200是进行室内的放冷气的空气调节装置的情况下，散热用热交换器81设置于室外，使由鼓风机供给的室外的空气通过与制冷剂液的热交换而加热。

不过，制冷循环装置200不一定必须是冷气专用的空气调节装置。例如，只要使设置于室内的第1热交换器和设置于室外的第2热交换器各自经由四通阀与蒸发器66和冷凝器64连接，就能够获得可切换冷气运转与暖气运转的空气调节装置。在该情况下，第1热交换器和第2热交换器双方作为吸热用热交换器71和散热用热交换器81而发挥功能。另外，制冷循环装置200不一定必须是空气调节装置，例如也可以是冷机。而且，吸热用热交换器71的冷却对象和散热用热交换器81的加热对象也可以是空气以外的气体或液体。

膨胀阀65是对冷凝了的制冷剂液进行减压的减压机构的一例。不过，作为减压机构，例如也可以在主回路6不设置膨胀阀65，而是采用使蒸发器66内的制冷剂液的液面比冷凝器64内的制冷剂液的液面高那样的构成。

蒸发器66不一定必须是直接接触式的热交换器，也可以是间接式的热交换器。在该情况下，在蒸发器66内被冷却了的热介质在第1循环路7循环。同样，冷凝器64不一定必须是直接接触式的热交换器，也可以是间接式的热交换器。在该情况下，在冷凝器64内被加热了的热介质在第2循环路8循环。

对于本实施方式的制冷循环装置200，在使用水作为制冷剂的情况下，第1压缩机61和第2压缩机63对负压的水蒸气进行压缩。前面说明了的离心压缩机100适用于对像水蒸气那样低密度且高粘度的流体进行压缩的用途。另外，制冷循环装置200可在相对于所要求的压力比而言流体的流量小的情况下即在低雷诺数和低比速的条件下运转。因此，前面说明了的离心压缩机100适用于本实施方式的制冷循环装置200。

工业上的可利用性

根据本说明书所公开的技术，在低雷诺数和低比速的运转条件下，也能够维持压缩机的性能。本说明书所公开的技术适用于使用了水蒸气等自然制冷剂的制冷循环装置。根据本说明书所公开的技术，尤其能够提高小输出的制冷循环装置的性能，并且能够减少制冷循环装置的维修频度。

附图标记说明

2：叶轮；

20：轮毂；

20p：轮毂的顶面；

20q：轮毂的底面；

21：主叶片；

21p：正压面；

21q：负压面；

22：副叶片；

24：前缘部分；

25：主体部分；

31：前缘；

32：前端；

35：前缘部分的前端；

35a：前缘部分的前端的轮廓的第1上游部分；

35b：前缘部分的前端的轮廓的第2上游部分；

36a：主体部分的前端的轮廓的第1下游部分；

36b：主体部分的前端的轮廓的第2下游部分；

36：主体部分的前端；

100：离心压缩机；

200：制冷循环装置；

o：叶轮的旋转轴。