葉輪、離心壓縮機以及制冷循環裝置的制作方法

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本公開涉及葉輪、離心壓縮機以及制冷循環裝置。

背景技術：

將使用于離心壓縮機的旋轉部件中的、通過主要在旋轉切線方向上對吸入的流體進行加速來對流體施加動能的部件稱為葉輪。葉輪通常具有近似于圓錐臺的形狀，以連結小徑的頂面的中心與大徑的底面的中心的直線為軸而旋轉。如非專利文獻1所記載那樣，葉輪具有呈輻射狀地配置的多個葉片(blade)。

葉片在其前緣對吸入到離心壓縮機的流體以某角度進行碰撞。因該碰撞，在葉片的表面(負壓面)與背面(正壓面)之間產生速度差，對流體施加動能。

在葉片的從前緣到后緣為止的區間，因葉輪的旋轉半徑的增大，主要與旋轉切線方向有關的流體的分速度增加。在葉輪具有最大外徑的位置處分速度的增加為最大，可決定施加于流體的動能的總量。

另外，通過以隨著從葉片的前緣朝向后緣行進而葉片間截面的截面面積減少的方式設計葉輪，能夠防止沿著葉片的表面的方向上的流體的速度減速。

葉輪的內部(葉片間的流路)中的流體的速度即葉片的表面的流體的速度依賴于對于搭載有該葉輪的壓縮機求得的壓力比。例如，在應該壓縮的流體為空氣、壓力比超過4的壓縮機的情況下，在葉片的前緣從葉片觀察到的流體的速度(相對速度)達到跨音速。在非專利文獻1中，記載有以壓力比8為目標的離心壓縮機。在該情況下，葉片的前緣的相對速度為馬赫數1.2左右的高跨音速。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：國際公開第2014/073377號

專利文獻2：國際公開第2014/199498號

專利文獻3：日本特開2011-117346號公報

專利文獻4：美國專利申請公開第2008/0229742號說明書

非專利文獻

非專利文獻1：colinosborneetal.著，《aerodynamicandmechanicaldesignofan8：1pressureratiocentrifugalcompressor》，nasacr-134782，1975年4月

技術實現要素：

葉輪的葉片間的流路中的流體的流動非常復雜。在復雜的流場中產生速度慢且高強度的渦流(流動的渦度高的渦流)，所以會妨礙從葉片向流體高效地施加動能。另外，因渦流中的流體的摩擦而會產生損失。這成為壓力比和絕熱效率的下降的主要原因。

本公開以提供一種用于使葉片間的流路中的流體的速度的分布適當化而提高離心壓縮機的效率的技術為目的。

即，本公開提供一種葉輪，其是離心壓縮機用的葉輪，具備：

輪轂，其具有頂面、底面以及外周面；和

固定于所述輪轂、并呈輻射狀地設置于所述輪轂的外周面上的多個葉片，

所述葉片具有位于所述輪轂的頂面側的前緣部分和位于所述輪轂的底面側的主體部分，

在所述葉片的與固定于所述輪轂側相反的一側，所述前緣部分的前端和所述主體部分的前端從所述輪轂的所述頂面側朝向所述底面側延伸，

在從與所述葉輪的旋轉軸垂直的半徑方向俯視所述葉片時，所述前緣部分的所述前端的輪廓為直線狀，所述主體部分的所述前端的輪廓為曲線狀。

根據本公開，能夠使葉片間的流路中的流體的速度的分布適當化而提高離心壓縮機的效率。

附圖說明

圖1是本公開的一實施方式的離心壓縮機的剖視圖。

圖2是圖1所示的離心壓縮機的葉輪的子午面投影圖。

圖3a是葉輪的主葉片的概略性立體圖。

圖3b是葉輪的主葉片的局部放大側視圖。

圖4是表示葉片角度βb與距前緣的距離的關系的圖表。

圖5是表示圖1所示的離心壓縮機的葉輪的輪轂比的圖。

圖6是使用了圖1所示的離心壓縮機的制冷循環裝置的構成圖。

圖7是以往的葉輪的主葉片的局部放大側視圖。

具體實施方式

本發明人詳細地分析了葉輪的內部(葉片間的流路)中的流體(例如，水蒸氣)的流動。其結果，查明了下述情況：因大規模的渦流匯流和潰散，導致在葉輪的內部產生流動堵塞了的區域(流動非常慢的區域)。本發明人專心研究能夠抑制大規模的渦流的匯流和潰散的葉片的形狀，其結果，想出了本公開的葉輪。

本公開的第1技術方案的葉輪是一種離心壓縮機用的葉輪，具備：

輪轂，其具有頂面、底面以及外周面；和

固定于所述輪轂、并呈輻射狀地設置于所述輪轂的外周面上的多個葉片，

所述葉片具有位于所述輪轂的頂面側的前緣部分和位于所述輪轂的底面側的主體部分，

在所述葉片的與固定于所述輪轂側相反的一側，所述前緣部分的前端和所述主體部分的前端從所述輪轂的所述頂面側朝向所述底面側延伸，

在從與所述葉輪的旋轉軸垂直的半徑方向俯視所述葉片時，所述前緣部分的所述前端的輪廓為直線狀，所述主體部分的所述前端的輪廓為曲線狀。

本公開的第1技術方案的葉輪的另一表現，是一種離心壓縮機用的葉輪，具備：

輪轂，其具有頂面、底面以及外周面；和

固定于所述輪轂、并呈輻射狀地設置于所述輪轂的外周面上的多個葉片，

所述葉片具有位于所述輪轂的頂面側的前緣部分和位于所述輪轂的底面側的主體部分，

所述前緣部分包括前緣，該前緣構成與所述葉輪的旋轉軸平行的方向上的所述葉片的一端，

所述前緣部分的前端和所述主體部分的前端從所述輪轂的所述頂面側朝向所述底面側延伸，

所述前緣部分的所述前端和所述主體部分的所述前端構成與所述葉輪的旋轉軸垂直的半徑方向上的所述葉片的一端，在位于所述一端的相反側的另一端，所述葉片固定于所述輪轂，

在從所述半徑方向俯視所述葉片時，所述前緣部分的所述前端的輪廓為直線狀，所述主體部分的所述前端的輪廓為曲線狀。

根據第1技術方案的葉輪，在葉輪的內部(葉片間的流路)中，即使因邊界層的剝離和/或葉片端處的漏流產生高強度的渦流，也可抑制上述渦流的匯流和大規模化。換言之，能夠使葉片間的流路中的流體的速度的分布適當化。其結果，可抑制葉輪的內部中的堵塞而使流體順暢地流動，能夠高效地從葉片向流體施加動能。尤其是，根據第1技術方案，即使在低雷諾數和低比速的運轉條件下，也能夠維持壓縮機的性能。只要使用第1技術方案的葉輪，就能夠高效率地壓縮低密度且高粘度的流體(例如，水蒸氣)。

在本公開的第2技術方案中，例如，第1技術方案的葉輪的所述葉片包括正壓面和負壓面，從所述半徑方向俯視所述葉片時的所述前緣部分的所述前端的輪廓包括所述正壓面側的第1上游部分和所述負壓面側的第2上游部分，所述第1上游部分和所述第2上游部分雙方為直線狀，從所述半徑方向俯視所述葉片時的所述主體部分的所述前端的輪廓包括所述正壓面側的第1下游部分和所述負壓面側的第2下游部分，所述第1下游部分和所述第2下游部分雙方為曲線狀。根據這樣的構造，能夠切實地獲得第1技術方案中的效果。

在本公開的第3技術方案中，例如，在通過將所述葉片旋轉投影于第1技術方案或第2技術方案的葉輪的包含所述旋轉軸的子午面而得到的子午面投影圖中，在將平行于所述葉輪的所述旋轉軸的軸向上的所述葉片的全長定義為子午面長度時，所述前緣部分在所述子午面投影圖中占據從所述葉片的前緣的位置到朝向所述軸向行進所述子午面長度的5％的位置為止。只要對前緣部分的范圍進行某種程度限制，就能夠避免葉片的長度不足，所以能夠對流體施加足夠的能量。

在本公開的第4技術方案中，例如，第1技術方案～第3技術方案中的任一技術方案的葉輪的所述多個葉片各自構成所述葉輪的主葉片，所述葉輪還具備多個副葉片，所述多個副葉片分別配置于在所述葉輪的周向上彼此相鄰的所述主葉片與所述主葉片之間。考慮根據離心壓縮機所要求的最大流量求得的臨界截面面積(葉片間的流路的最小截面面積)，可以設置具有切斷主葉片而得到的形狀的副葉片。根據第4技術方案，能夠構筑具有更寬的流量范圍的離心壓縮機。

在本公開的第5技術方案中，例如，在第1技術方案～第4技術方案中的任一技術方案的葉輪的所述葉片的所述前緣的位置處，所述輪轂的半徑相對于所述葉片的半徑的比率處于0.6～0.7的范圍。根據第5技術方案，能夠有效地抑制流場的擾亂并提高壓力比。

本公開的第6技術方案的離心壓縮機是具備第1技術方案～第5技術方案中的任一技術方案的葉輪和容納所述葉輪的護罩壁的離心壓縮機。根據第6技術方案，能夠提供高效率的離心壓縮機。

本公開的第7技術方案的制冷循環裝置是具備第6技術方案的離心壓縮機、且使用常溫下的飽和蒸氣壓為負壓的物質作為制冷劑的裝置。根據第7技術方案，能夠高效地提高制冷劑的壓力，所以能夠提高制冷循環裝置的效率。

在本公開的第8技術方案中，例如，第7技術方案的制冷循環的所述物質包括水。使用了本公開的葉輪的離心壓縮機適用于高效地壓縮包括水(水蒸氣)的制冷劑。

以下，參照附圖對本公開的實施方式進行說明。本公開不限定于以下的實施方式。

如圖1所示，本實施方式的離心壓縮機100具備：軸11、葉輪2、背板13以及殼體15。葉輪2固定于軸11。背板13配置于葉輪2的背側。葉輪2容納于殼體15。離心壓縮機100由軸11的旋轉而驅動，壓縮工作流體。此外，在以下的說明中，有時也將與葉輪2的旋轉軸o平行的方向(軸向)中的背板13的表面側稱為前方、將其背面側稱為后方。

葉輪2具有：輪轂20、多個主葉片21(fullblade：全葉片)以及多個副葉片22(splitterblade：分流葉片)。輪轂20在軸向上具有小徑的頂面20p和大徑的底面20q，沿著旋轉軸o從頂面20p朝向底面20q平滑地擴徑。主葉片21和副葉片22固定于輪轂20，呈輻射狀地設置于輪轂20的外周面上。主葉片21和副葉片22在葉輪2的周向上交替地排列。副葉片22是比主葉片21短的葉片。

此外，副葉片22不是必需的，可以省略。

殼體15具有：護罩壁3、周緣部件17以及前部件18。護罩壁3具有沿著葉輪2的形狀。護罩壁3比葉輪2向前方延伸而形成吸入口12。周緣部件17在葉輪2的周圍形成渦旋室16，該渦旋室16與形成于背板13與護罩壁3之間的擴散器連通。

圖2是通過向葉輪2的包含旋轉軸o的子午面旋轉投影主葉片21、副葉片22以及護罩壁3而得到的子午面投影圖(旋轉投影圖)。子午面投影圖所示出的形狀在渦輪機械的領域稱為“子午面形狀”。在本說明書中，將面對吸入口12的主葉片21的外周緣定義為主葉片21的前緣31。將面對護罩壁3的主葉片21的外周緣定義為主葉片21的前端32。同樣，將面對吸入口12的副葉片22的外周緣定義為副葉片22的前緣41。將面對護罩壁3的副葉片22的外周緣定義為副葉片22的前端42。前緣31和前緣41在軸向上位于與輪轂20的頂面20p相同的一側。在本實施方式中，主葉片21的前緣31平行于與葉輪2的旋轉軸o垂直的方向。副葉片22的后緣43位于與主葉片21的后緣33相同的位置。副葉片22的前緣41位于比主葉片21的前緣31靠后方的位置。前緣31構成與葉輪2的旋轉軸平行的方向上的主葉片21的一端。

如圖3a所示，主葉片21具有位于輪轂20的頂面20p側的前緣部分24和位于輪轂20的底面20q側的主體部分25。主體部分25與前緣部分24平滑地相連。在主葉片21的與固定于輪轂20側相反的一側，前緣部分24的前端35和主體部分25的前端36從輪轂20的頂面20p側朝向底面20q側延伸。如圖3b所示，在從與葉輪2的旋轉軸o垂直的半徑方向俯視主葉片21時，前緣部分24的前端35的輪廓為直線狀，主體部分25的前端36的輪廓為曲線狀。輪轂20與主葉片21的連接邊界37從前緣31到后緣33整體呈曲線狀。在圖3b中，旋轉軸o通過直線狀的前緣部分24與曲線狀的主體部分25的邊界。前緣部分24包括前緣31。前緣部分24的前端35和主體部分25的前端36構成與葉輪2的旋轉軸垂直的半徑方向上的主葉片21的一端，在位于一端的相反側的另一端，主葉片21固定于輪轂20。

如圖3b所示，主葉片21具有正壓面21p和負壓面21q。葉輪2的旋轉方向側的主葉片21的表面為正壓面21p(加壓面)，與正壓面21p相反的一側的主葉片21的表面為負壓面21q(非加壓面)。同樣，葉輪2的旋轉方向側的副葉片22的表面為正壓面，與此相反的一側的副葉片22的表面為負壓面。

記載于專利文獻1～4的葉輪假定在雷諾數re為10⁶左右的條件下使用。具體而言，假定為：作為將空氣作為工作流體的增壓器或者燃氣輪機等原動機的要素的離心壓縮機。雷諾數re由下述式(1)表示。

ρ：工作流體的密度(吸入時)

r1t：葉片的前緣的護罩的半徑

w1t：葉片的前緣的護罩側相對速度

ν：工作流體的運動粘度(吸入時)

另外，在專利文獻1～4中，假定為：比速ns為0.6～0.8左右那樣的設計。比速ns是表示流體機械的大小的指標，由下述式(2)表示。

ns＝(nq^1/2)/(h⁴)^1/3…(2)

n：軸的轉速[rpm]

q：工作流體的體積流量(入口)[m³/sec]

h：熱降(水頭：head)[m]

另一方面，在使用于空氣調節裝置等的離心壓縮機中，有時將空氣以外的可壓縮性流體作為工作流體使用。因工作流體的粘度的下降，有時re會下降至10⁴左右。在該情況下，來自于輪轂的表面和葉片的表面的高強度的渦流的多發會成為問題。因高強度的渦流彼此相互影響，在葉輪的內部會發生大規模的擾亂。其結果，離心壓縮機的性能大幅度下降。

如圖7所示，在以往的葉輪的葉片210中，正壓面側的前端210a的輪廓和負壓面側的前端210b的輪廓都整體呈曲線狀。因此，與前緣210c碰撞的流體會被立即加速。在該情況下，因高強度的渦流彼此相互影響，容易在葉輪的內部發生大規模的擾亂。

與此相對，在本實施方式的葉輪2中，主葉片21具有前緣部分24。前緣部分24的前端35的輪廓為直線狀，所以流體不容易在前緣部分24被加速。其結果，可抑制邊界層的肥大化，因邊界層的剝離引起的低能且高強度的渦流的產生位置與以往的葉片210(圖7)相比移向下游側。通過渦流的產生位置移向下游側，即使在主葉片21的表面以外的表面(輪轂20的外周面)由邊界層的剝離引起的低能的渦流在前緣31的附近產生，渦流的產生位置也會產生偏移。由此，能夠抑制因大規模的渦流匯流和潰散導致在葉輪2的內部(葉片間的流路)產生流動堵塞了的區域這一情況。換言之，能夠使葉片間的流路中的流體的速度的分布適當化。該效果在10⁴左右的低雷諾數的流場中明顯。

另外，在前緣部分24中，負壓面21q側成為減速流動，正壓面21p側成為加速流動。在負壓面21q流動被減速，所以可抑制邊界層的肥大化和邊界層的剝離。在正壓面流動被加速，所以能夠吹跑由在相鄰的主葉片21的負壓面21q處產生的剝離邊界層引起的低能流。可防止低能流附著于正壓面21p，并與剝離源頭的主葉片21的負壓面21q再碰撞。由此，可抑制因來自于相鄰的主葉片21的二次流引起的主葉片21的正壓面21p處的流體的速度分布的擾亂，能夠使流速分布適當化。

如圖3b所示，從半徑方向俯視主葉片21時的前緣部分24的前端35的輪廓包括正壓面21p側的第1上游部分35a和負壓面21q側的第2上游部分35b。第1上游部分35a和第2上游部分35b雙方為直線狀。另外，從半徑方向俯視主葉片21時的主體部分25的前端36的輪廓包括正壓面21p側的第1下游部分36a和負壓面21q側的第2下游部分36b。第1下游部分36a和第2下游部分36b雙方為曲線狀。第1下游部分36a和第2下游部分36b有朝向負壓面21q側成為凸的曲率。根據這樣的構造，能夠切實地獲得上述的效果。

如圖2所示，將平行于葉輪2的旋轉軸o的軸向上的主葉片21的全長定義為子午面長度l。在圖2的子午面投影圖中，前緣部分24占據從主葉片21的前緣31的位置到朝向軸向行進子午面長度l的5％的位置為止。主體部分25占據從子午面長度l的5％的位置到主葉片21的后緣33的位置為止。此外，在圖3a和圖3b中，將前緣部分24夸大地示出。若對前緣部分24的范圍進行某種程度限制，則能夠避免主葉片21的長度不足，所以能夠對流體施加足夠的能量。

如圖4所示，若著眼于與輪轂20相接側的葉片(主葉片)的葉片角度βb，則從前緣的位置(0％)到后緣的位置(100％)，在本公開的葉片(主葉片21)的葉片角度βb與以往的葉片的葉片角度βb之間不會看到大的差別。另一方面，若著眼于與葉片(主葉片)固定于輪轂側相反的一側(護罩側)的葉片(主葉片)的葉片角度βb，則在本公開的葉片(主葉片21)的葉片角度βb與以往的葉片的葉片角度βb之間存在大的差別。即，本公開的主葉片21具有前端35的輪廓為直線狀的前緣部分24，所以在從前緣的位置(0％)到預定的位置(5％)為止，示出絕對值非常大的葉片角度βb。

如圖5所示，本實施方式的葉輪2具有0.6～0.7的輪轂比(d1/d2)。“輪轂比”是指輪轂20的半徑d1相對于主葉片21的前緣31的位置處的主葉片21的半徑d2的比率(d1/d2)。若輪轂比處于上述那樣的范圍，則可獲得以下所述的效果。

通常的設計的離心壓縮機的葉輪具有0.4～0.5左右的輪轂比。在如本實施方式那樣將輪轂比設定在0.6～0.7的范圍時，向葉輪2流入的流體的流入速度增加，易提高壓力比。但是，流場的擾亂以及由此引起的性能的下降也容易顯現。因此，通過在具有0.6～0.7的輪轂比的葉輪中采用具有參照圖3a和圖3b說明了的構造的主葉片21，能夠有效地抑制流場的擾亂并提高壓力比。尤其是，在高速旋轉時，能夠防止稱為葉輪堵塞(inducerchoking)的、在主葉片21的前緣31的附近的堵塞。其結果，能夠構筑高壓力比且寬工作范圍的離心壓縮機。

(制冷循環裝置的實施方式)

如圖6所示，本實施方式的制冷循環裝置200具備：使制冷劑循環的主回路6、吸熱用的第1循環路7以及散熱用的第2循環路8。在主回路6、第1循環路7以及第2循環路8內，填充常溫下為液體的制冷劑。詳細而言，作為制冷劑，可使用常溫(日本工業規格：20℃±15℃/jisz8703)下的飽和蒸氣壓為負壓的制冷劑。作為這樣的制冷劑，可舉出以水或者醇類為主要成分的制冷劑。在制冷循環裝置200運轉時，主回路6、第1循環路7以及第2循環路8內成為比大氣壓低的負壓狀態。在本說明書中，“主要成分”是指在質量比上包含最多的成分。

主回路6包括：蒸發器66、第1壓縮機61、中間冷卻器62、第2壓縮機63、冷凝器64以及膨脹閥65，這些設備由流路按上述順序連接。

蒸發器66貯存制冷劑液并且在其內部使制冷劑液蒸發。具體而言，貯存于蒸發器66的制冷劑液通過第1循環路7經由吸熱用熱交換器71循環。例如，在制冷循環裝置200是進行室內的放冷氣的空氣調節裝置的情況下，吸熱用熱交換器71設置于室內，使由鼓風機供給的室內的空氣通過與制冷劑液的熱交換而冷卻。

第1壓縮機61和第2壓縮機63將制冷劑蒸氣以兩階段壓縮。作為第1壓縮機61，可以使用前面說明了的離心壓縮機100。第2壓縮機63既可以是獨立于第1壓縮機61的容積式壓縮機，也可以是通過軸11與第1壓縮機61連結的離心壓縮機(例如，前面說明了的離心壓縮機100)。使軸11旋轉的電動機67既可以配置于第1壓縮機61與第2壓縮機63之間，也可以配置于任一壓縮機的外側。只要使第1壓縮機61與第2壓縮機63通過軸11連結，就能夠減少第1壓縮機61和第2壓縮機63的部件件數。

中間冷卻器62使從第1壓縮機61排出的制冷劑蒸氣在吸入到第2壓縮機63之前冷卻。中間冷卻器62既可以是直接接觸式的熱交換器，也可以是間接式的熱交換器。

冷凝器64在其內部使制冷劑蒸氣冷凝并且貯存制冷劑液。具體而言，貯存于冷凝器64的制冷劑液通過第2循環路8經由散熱用熱交換器81循環。例如，在制冷循環裝置200是進行室內的放冷氣的空氣調節裝置的情況下，散熱用熱交換器81設置于室外，使由鼓風機供給的室外的空氣通過與制冷劑液的熱交換而加熱。

不過，制冷循環裝置200不一定必須是冷氣專用的空氣調節裝置。例如，只要使設置于室內的第1熱交換器和設置于室外的第2熱交換器各自經由四通閥與蒸發器66和冷凝器64連接，就能夠獲得可切換冷氣運轉與暖氣運轉的空氣調節裝置。在該情況下，第1熱交換器和第2熱交換器雙方作為吸熱用熱交換器71和散熱用熱交換器81而發揮功能。另外，制冷循環裝置200不一定必須是空氣調節裝置，例如也可以是冷機。而且，吸熱用熱交換器71的冷卻對象和散熱用熱交換器81的加熱對象也可以是空氣以外的氣體或液體。

膨脹閥65是對冷凝了的制冷劑液進行減壓的減壓機構的一例。不過，作為減壓機構，例如也可以在主回路6不設置膨脹閥65，而是采用使蒸發器66內的制冷劑液的液面比冷凝器64內的制冷劑液的液面高那樣的構成。

蒸發器66不一定必須是直接接觸式的熱交換器，也可以是間接式的熱交換器。在該情況下，在蒸發器66內被冷卻了的熱介質在第1循環路7循環。同樣，冷凝器64不一定必須是直接接觸式的熱交換器，也可以是間接式的熱交換器。在該情況下，在冷凝器64內被加熱了的熱介質在第2循環路8循環。

對于本實施方式的制冷循環裝置200，在使用水作為制冷劑的情況下，第1壓縮機61和第2壓縮機63對負壓的水蒸氣進行壓縮。前面說明了的離心壓縮機100適用于對像水蒸氣那樣低密度且高粘度的流體進行壓縮的用途。另外，制冷循環裝置200可在相對于所要求的壓力比而言流體的流量小的情況下即在低雷諾數和低比速的條件下運轉。因此，前面說明了的離心壓縮機100適用于本實施方式的制冷循環裝置200。

工業上的可利用性

根據本說明書所公開的技術，在低雷諾數和低比速的運轉條件下，也能夠維持壓縮機的性能。本說明書所公開的技術適用于使用了水蒸氣等自然制冷劑的制冷循環裝置。根據本說明書所公開的技術，尤其能夠提高小輸出的制冷循環裝置的性能，并且能夠減少制冷循環裝置的維修頻度。

附圖標記說明

2：葉輪；

20：輪轂；

20p：輪轂的頂面；

20q：輪轂的底面；

21：主葉片；

21p：正壓面；

21q：負壓面；

22：副葉片；

24：前緣部分；