叶轮以及离心压缩机的制作方法

1.本发明涉及叶轮以及离心压缩机。
2.本技术对在2020年3月27日申请的日本国专利申请第2020
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058251号主张优先权，并将其内容援引于此。


背景技术：

3.作为用于离心压缩机的叶轮，已知有被称为封闭型的形式的叶轮。这种叶轮具有轮盘、叶片和罩。轮盘的外周面随着趋向轴线方向一侧而向径向外侧延伸。在该外周面上，设置有沿周向隔开间隔地排列的多个叶片。罩从径向外侧覆盖这些叶片。由此，在叶轮中，形成有被相邻的一对叶片、轮盘以及罩包围的叶轮流路。
4.在叶片与轮盘的连接部、以及叶片与罩的连接部，以流体流动的顺畅化为主要目的而形成有圆角。在从叶片的延伸方向观察时，圆角呈圆弧状地连接该叶片与轮盘、以及叶片与罩。如国际公开第2018/042653号所记载的那样，以往，圆角的曲率半径通常在流路的整个区域的范围内恒定。
5.在此，已知的是，叶轮流路内的流体的行为在入口侧及出口侧的区域、以及在上述区域之间的中间区域有较大不同。已知的是，特别是在入口侧，由于针对呈环状的前级侧的流路的流路截面积的急剧变化，会在流动中产生分离。另外，可能会产生以上述的圆角为起点的紊流。
6.于是，提倡使叶片的前缘变薄的方法、将分离部位的空间填埋的方法。
7.另外，还提倡将圆角的形状设定为使得流路截面积从叶轮流路的入口侧至出口侧缓慢变化的技术。
8.在考虑到对流动的影响的情况下，圆角优选较小。然而，为了缓和对叶片与轮盘的接合部以及叶片与罩的接合部作用的应力集中，对于圆角而言需要相应的大小。这样，对圆角的尺寸、形状要求了相反的两个要件。因此，在如上述那样将圆角的曲率半径设为恒定的情况下，可能无法充分发挥叶轮的性能。


技术实现要素：

9.本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于，提供性能进一步提高的叶轮以及离心压缩机。
10.为了解决上述课题，本发明的叶轮具备：轮盘，其能够绕轴线旋转，并具有随着趋向所述轴线方向一侧而朝向径向外侧延伸的主面；叶片，其在所述主面上沿周向隔开间隔地配置有多个，并划分出从所述轴线方向另一侧的入口延伸至所述轴线方向一侧的出口的流路；以及罩，其以覆盖多个所述叶片的方式与所述主面对置地配置，在所述叶片与所述主面的连接部以及所述叶片与所述罩的连接部中，在包括所述入口侧的端部在内的入口侧区域以及包括所述出口侧的端部在内的出口侧区域中的至少一方，形成有从所述叶片的延伸方向观察时呈圆弧状弯曲并且具有相对较小的曲率半径的小圆角部，在所述叶片与所述主
面的连接部以及所述叶片与所述罩的连接部中，在形成于所述入口侧区域与所述出口侧区域之间的中间区域，形成有从所述叶片的延伸方向观察时呈圆弧状弯曲并且具有相对较大的曲率半径的大圆角部。
11.发明效果
12.根据本发明，能够提供性能进一步提高的叶轮以及离心压缩机。
附图说明
13.图1是示出本发明的实施方式的离心压缩机的结构的剖视图。
14.图2是示出本发明的实施方式的叶轮的包含轴线在内的截面的剖视图。
15.图3是图2的iii
‑
iii线处的剖视图。
16.图4是图2的iv
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iv线处的剖视图。
17.图5是示出本发明的实施方式的叶轮中的各区域的尺寸比率的说明图。
18.附图标记说明：
19.1...离心压缩机；
20.2...旋转轴；
21.3...第一端部；
22.4...第二端部；
23.5...轴颈轴承；
24.6...推力轴承；
25.10...外壳；
26.11...导入流路；
27.12...吸入口；
28.13...连接流路；
29.14...扩压流路；
30.15...回流流路；
31.16...排出流路；
32.17...排出口；
33.20...叶轮；
34.30...轮盘；
35.31...贯通孔；
36.32...轮盘背面；
37.33...轮盘主面；
38.34...轮盘前端面；
39.35...轮盘外端面；
40.36...罩；
41.37...内周面；
42.40...叶片；
43.40a...腹面；
44.40b...背面；
45.51...入口；
46.52...出口；
47.60a...小圆角部；
48.60b...大圆角部；
49.a1...入口侧区域；
50.a2...过渡区域；
51.a3...中间区域；
52.a4...过渡区域；
53.a5...出口侧区域；
54.fi...叶轮流路(流路)；
55.o...轴线。
具体实施方式
56.(离心压缩机的结构)
57.以下，参照图1对本发明的实施方式的离心压缩机进行说明。如图1所示，离心压缩机1具备旋转轴2、轴颈轴承5、推力轴承6、叶轮20以及外壳10。本实施方式的离心压缩机1是具备多级叶轮20的、所谓的单轴多级离心压缩机。
58.旋转轴2呈在沿着水平方向的轴线o方向上延伸的圆柱状。旋转轴2在轴线o方向的第一端部3侧(轴线o方向另一侧)及第二端部4侧(轴线o方向一侧)，被轴颈轴承5支承为能够绕轴线o旋转。旋转轴2的第一端部3被推力轴承6支承。
59.叶轮20外嵌于旋转轴2的外周面，并沿轴线o方向隔开间隔地设置有多级。这些叶轮20绕旋转轴2以及轴线o旋转，由此将从轴线o方向流入的气体(流体)朝向径向外侧压送。关于叶轮20的详细结构，在后文叙述。
60.外壳10是形成为筒状的构件，且收容旋转轴2、叶轮20以及轴颈轴承5等。外壳10经由轴颈轴承5将旋转轴2支承为旋转自如。由此，安装于旋转轴2的叶轮20能够相对于外壳10相对旋转。外壳10具有导入流路11、连接流路13以及排出流路16。
61.导入流路11从外壳10的外部向多个叶轮20中的配置于最靠轴线o方向另一侧的最前级的叶轮20导入气体。导入流路11在外壳10的外周面开口，该开口部作为气体的吸入口12。该导入流路11在径向内侧的部分与最前级的叶轮20的轴线o方向另一侧连接。
62.连接流路13是将在轴线o方向上相邻的一对叶轮20连接的流路。连接流路13将从前级侧的叶轮20向径向外侧排出的气体从轴线o方向另一侧向后级侧的叶轮20导入。连接流路13具有扩压流路14以及回流流路15。
63.扩压流路14与叶轮20的径向外侧连接，在将从叶轮20向径向外侧排出的气体导向径向外侧的同时，将速度能变换为压力能。回流流路15与扩压流路14的径向外侧连接，并使朝向径向外侧的气体向径向内侧转向而向后级侧的叶轮20引导。
64.排出流路16将从多个叶轮20中的配置于最靠轴线o方向一侧的最后级的叶轮20向径向外侧排出的气体排出至外壳10的外部。排出流路16在外壳10的外周面开口，该开口部作为气体的排出口17。该排出流路16在径向内侧的部分与最后级的叶轮20的径向外侧连接。
65.(叶轮的结构)
66.接下来，参照图2至图4，对叶轮20的结构进行说明。如图2所示，叶轮20具有轮盘30、叶片40以及罩36。
67.轮盘30形成为以轴线o为中心的圆盘状。在轮盘30形成有贯通孔31，该贯通孔31呈以轴线o为中心的圆形并且沿该轴线o方向贯通。贯通孔31的内表面嵌入旋转轴2的外周面，从而叶轮20一体地固定于旋转轴2。
68.轮盘30中的朝向轴线o方向另一侧的面作为呈与轴线o正交的平面状的轮盘背面32。在轮盘30中的从贯通孔31的轴线o方向另一侧的端部至轮盘背面32的径向外侧的端部的范围内，形成有随着从轴向另一侧趋向一侧而逐渐朝向径向外侧延伸的轮盘主面33(主面)。轮盘主面33中的轴线o方向另一侧的部分面朝径向外侧，且以随着趋向轴线o方向一侧而逐渐面朝轴线o方向另一侧的方式弯曲。即，轮盘主面33随着从轴线o方向另一侧趋向一侧而逐渐扩径。轮盘主面33呈凹曲面状。
69.在本实施方式中，在轮盘主面33的轴线o方向另一侧的端部与贯通孔31的轴线o方向一侧的端部之间形成有轮盘前端面34，该轮盘前端面34呈与轴线o方向正交的平面状。在轮盘主面33的轴线o方向一侧的端部与轮盘背面32的径向外侧的端部之间设置有轮盘外端面35，该轮盘外端面35沿轴线o方向延伸且成为轮盘30的外周缘部。
70.叶片40在轮盘30中的轮盘主面33上沿轴线o的周向隔开间隔地设置有多个。各叶片40随着从径向内侧趋向径向外侧而朝向叶轮20的旋转方向的后方侧(周向一侧)弯曲。各叶片40以呈朝向旋转方向的前方侧变凸的凸曲面的方式延伸。
71.罩36从外周侧覆盖多个叶片40。罩36以在其与轮盘30之间夹着叶片40的方式与轮盘主面33对置地设置。罩36的内周面37形成为随着从轴线o方向另一侧趋向一侧而逐渐扩径。罩36的内周面37与该轮盘主面33同样地弯曲，从而与轮盘主面33对应。在罩36的内周面37固定有叶片40中的与轮盘主面33侧相反一侧的端部。
72.由罩36的内周面37、轮盘主面33以及相邻的一对叶片40在它们之间形成以随着从轴线o方向一侧趋向另一侧而向旋转方向后方侧弯曲的方式延伸的流路(叶轮流路fi)。
73.叶轮流路fi从入口51至出口52被划分为多个区域。具体而言，叶轮流路fi从入口51朝向出口52依次具有：入口侧区域a1、过渡区域a2、中间区域a3、过渡区域a4以及出口侧区域a5。如图5所示，在将叶轮流路fi的长度设为100％时，入口侧区域a1为从叶轮流路fi的入口51起3～5％的区域。出口侧区域a5为从叶轮流路fi的出口52起3～5％的区域。在将叶轮流路fi的长度设为100％时，过渡区域a2、a4的长度为10％以下。
74.如图3所示，在入口侧区域a1以及出口侧区域a5，在叶片40与轮盘30的连接部、以及叶片40与罩36的连接部分别形成有圆角(小圆角部60a)。更加具体而言，小圆角部60a分别形成在轮盘主面33与叶片40的腹面40a之间的部分、轮盘主面33与叶片40的背面40b之间的部分、罩36的内周面37与叶片40的腹面40a之间的部分、以及罩36的内周面37与叶片40的背面40b之间的部分。在从流路fi的延伸方向观察时，各个小圆角部60a呈圆弧状的曲面。为了(如上节的记载方针那样)减少进入叶轮的流体的流路截面积，小圆角部60a的曲率半径优选尽量较小。另一方面，对流体进行离心压缩的叶轮的叶片通过对流体施加较大的(回旋)力而使流动方向大幅度弯曲，因此，为了缓和对叶片与轮盘的接合部以及叶片与罩的接合部作用的应力，而将必要尺寸的圆角设定为小圆角部60a的曲率半径。需要说明的是，在
图3的例子中，示出了在同一截面内各小圆角部60a的曲率半径彼此相同的结构。然而，也可以采用它们的曲率半径彼此不同的结构。
75.而且，如图4所示，在中间区域a3，在叶片40与轮盘30的连接部、以及叶片40与罩36的连接部分别形成有圆角(大圆角部60b)。更加具体而言，大圆角部60b分别形成在轮盘主面33与叶片40的腹面40a之间的部分、轮盘主面33与叶片40的背面40b之间的部分、罩36的内周面37与叶片40的腹面40a之间的部分、以及罩36的内周面37与叶片40的背面40b之间的部分。在从流路fi的延伸方向观察时，各个大圆角部60b呈圆弧状的曲面。优选的是，大圆角部60b的曲率半径与上述的小圆角部60a的曲率半径相比设定得相对较大。进一步优选的是，大圆角部60b的曲率半径设为小圆角部60a的曲率半径的1.2倍以上且3倍以下。最优选的是，大圆角部60b的曲率半径设为小圆角部60a的曲率半径的1.5倍以上且3倍以下。需要说明的是，在图4的例子中，示出了在同一截面内各大圆角部60b的曲率半径彼此相同的结构。然而，也可以采用它们的曲率半径彼此不同的结构。
76.需要说明的是，虽然详细情况并未图示，但在过渡区域a2、a4形成有将小圆角部60a与大圆角部60b连接的其他圆角。对于过渡区域a2、a4的圆角，曲率半径随着从小圆角部60a趋向大圆角部60b而逐渐变大。由此，小圆角部60a与大圆角部60b平滑连接。
77.(作用效果)
78.接下来，对离心压缩机1的动作进行说明。在驱动离心压缩机1时，首先，利用外部的动力源使旋转轴2旋转。叶轮20伴随着旋转轴2的旋转而一体地旋转。由此，通过上述的导入流路11将外部的流体取入离心压缩机1内。流体随着在叶轮20的叶片40彼此之间的流路中流通而被压缩，从而成为高压流体并流入连接流路13。流入连接流路13的流体进而被后级的叶轮20压缩。这样的循环反复进行至到达最终级的叶轮20为止，最终从排出流路16喷出目标压力的流体。
79.另外，如上所述，在叶片40与轮盘30的连接部、以及叶片40与罩36的连接部，出于缓和应力集中的目的而形成有圆角。通常，圆角的曲率半径在流路的整个区域的范围内恒定。在此，在叶轮流路fi中、特别是在入口侧区域a1中，相对于呈环状空间的前级侧的流路，由于叶片的前缘部而流路截面积急剧变化(减少)，因此有时会在叶轮流路fi内的流动中产生紊流。此外，由于上述的圆角的壁厚比叶片40厚，因此可能会以圆角为起点产生流动的分离等紊流。这样，为了对流动产生的影响即损失进行抑制，圆角优选较小，但为了缓和对叶片与轮盘的连接部以及叶片与罩的连接部作用的应力集中，对于圆角而言需要相应的大小。即，为了在叶轮流路中避免损失同时确保强度，对圆角的尺寸、形状要求了相反的两个要件。
80.为此，在本实施方式中，在入口侧区域a1以及出口侧区域a5中的至少一方形成有小圆角部60a，在中间区域a3形成有大圆角部60b。根据该结构，能够在入口侧区域a1以及出口侧区域a5使流体的行为最佳化，从而能够提高作为叶轮20的性能。另一方面，在中间区域a3，需要利用叶片40对罩36进行支承，因此需要与入口侧区域a1以及出口侧区域a5相比更高的强度。在上述结构中，在该中间区域a3形成有曲率半径较大的大圆角部60b，因此能够提高中间区域a3处的强度。
81.在此，对于轮盘30、叶片40以及罩36一体形成的一体型的叶轮而言，在其制造工序中，使工具从叶轮流路fi的入口51侧或者出口52侧到达内部并进行切削加工而形成流路。
如果使中间区域的圆角成为大圆角，则还减少了切削加工量，因此还能够减少叶轮20的制造所需的工作量、时间。
82.根据上述结构，在小圆角部60a与大圆角部60b之间形成有过渡区域a2、a4。在过渡区域a2、a4中，随着从小圆角部60a趋向大圆角部60b而曲率半径逐渐变大。因此，不会在流体的流动中产生紊流、漩涡，能够使流体顺畅地流通。由此，能够进一步提高叶轮的性能。
83.(其他实施方式)
84.以上，参照附图对本发明的实施方式进行了详述，但具体的结构并不限于该实施方式，还包括不脱离本发明的主旨范围的设计变更等。例如，上述的叶轮20不仅能够应用于离心压缩机1，还能够适当地应用于对液体进行压送的离心泵。
85.另外，在上述实施方式中，对在入口侧区域a1与出口侧区域a5这两方形成有小圆角部60a的例子进行了说明。然而也可以是，仅在入口侧区域a1或者仅在出口侧区域a5形成小圆角部60a。需要说明的是，在提高叶轮20的性能的方面，特别优选的是，在入口侧区域a1形成小圆角部60a。
86.<附记>
87.各实施方式所记载的叶轮20以及离心压缩机1例如像以下的那样进行掌握。
88.(1)第一方案的叶轮20具备：轮盘30，其能够绕轴线o旋转，并具有随着趋向所述轴线o方向一侧而朝向径向外侧延伸的主面(轮盘主面33)；叶片40，其在所述主面上沿周向隔开间隔地配置有多个，并划分出从所述轴线o方向另一侧的入口51延伸至一侧的出口52的流路(叶轮流路fi)；以及罩36，其以覆盖多个所述叶片40的方式与所述主面对置地配置，在所述叶片40与所述主面的连接部以及所述叶片40与所述罩36的连接部中，在包括所述入口51侧的端部在内的入口侧区域a1以及包括所述出口52侧的端部在内的出口侧区域a5中的至少一方，形成有从所述叶片40的延伸方向观察时呈圆弧状弯曲并且具有相对较小的曲率半径的小圆角部60a，在所述叶片40与所述主面的连接部以及所述叶片40与所述罩的连接部中，在形成于所述入口侧区域a1与所述出口侧区域a5之间的中间区域a3，形成有从所述叶片40的延伸方向观察时呈圆弧状弯曲并且具有相对较大的曲率半径的大圆角部60b。
89.根据上述结构，在入口侧区域a1以及出口侧区域a5中的至少一方形成有具有相对较小的曲率半径的小圆角部60a。并且，在上述的入口侧区域a1与出口侧区域a5之间的中间区域a3形成有具有相对较大的曲率半径的大圆角部60b。由此，能够在入口侧区域a1以及出口侧区域a5中的至少一方使流体的行为最佳化，从而提高作为叶轮20的性能。另一方面，在中间区域a3，需要利用叶片40来对罩36进行支承，因此，需要与入口侧区域a1以及出口侧区域a5相比较高的强度。在上述结构中，在该中间区域a3形成有曲率半径较大的大圆角部60b，因此与例如曲率半径较小的情况相比，板厚变大。由此，能够提高中间区域a3处的强度。
90.另外，对于轮盘30、叶片40以及罩36一体形成的一体型的叶轮20而言，在其制造工序中，使工具从流路的入口51侧或者出口52侧到达内部并进行切削加工而形成上述的小圆角部60a。另一方面，在中间区域a3仅如上述那样形成有大圆角部60b。因此，对于大圆角部60b，无需通过这样的加工来减小曲率半径，或者能够以加工量较少的方式完成。其结果是，能够削减叶轮的制造所需的工作量、时间。
91.(2)对于第二方案的叶轮20，所述叶轮20还具有过渡区域a2、a4，所述过渡区域a2、
a4形成于所述入口侧区域a1与所述中间区域a3之间以及所述出口侧区域a5与所述中间区域a3之间中的至少一方，在所述过渡区域a2、a4中，随着从所述小圆角部60a趋向所述大圆角部60b而所述曲率半径逐渐变大。
92.根据上述结构，在小圆角部60a与大圆角部60b之间形成有过渡区域a2、a4。在过渡区域a2、a4中，随着从小圆角部60a趋向大圆角部60b而曲率半径逐渐变大。因此，不会在流体的流动中产生紊流、漩涡，能够使流体顺畅地流通。由此，能够进一步提高叶轮20的性能。
93.(3)对于第三方案的叶轮20，在将所述流路的长度设为100％时，所述入口侧区域a1以及所述出口侧区域a5的长度为3％以上且5％以下。
94.根据上述结构，能够使入口侧区域a1以及出口侧区域a5中的流体的行为最佳化，从而进一步提高作为叶轮20的性能。另外，使用于形成小圆角部60a的加工所需的区域较小即可，因此还能够更容易且更短时间地制造叶轮20。
95.(4)在第四方案的叶轮20中，在将所述流路的长度设为100％时，所述过渡区域a2、a4的长度为10％以下。
96.根据上述结构，充分确保了过渡区域a2、a4的长度，因此，不会在流体的流动中产生紊流、漩涡，能够使流体顺畅地流通。由此，能够进一步提高叶轮20的性能。
97.(5)第五方案的叶轮20中，所述大圆角部60b的曲率半径是所述小圆角部60a的曲率半径的1.2倍以上且3倍以下。
98.根据上述结构，能够进一步提高叶轮20的性能。
99.(6)第六方案的离心压缩机1具备：旋转轴2，其沿着所述轴线o延伸；上述任一方案的叶轮20，其固定于所述旋转轴2；以及外壳10，其从外周侧覆盖所述旋转轴2及所述叶轮20。
100.根据上述结构，能够提供通过使叶轮20的性能和强度一起提高从而能够更稳定地运转的离心压缩机1。
101.以上对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明并不限定于这些实施例。能够在不脱离本发明的主旨的范围内，进行结构的添加、省略、置换以及其他变更。本发明不被前述的说明所限定，而仅被附加的技术方案的范围所限定。