阅读说明：本技术 旋转叶片以及具备该旋转叶片的离心压缩机 (Rotating blade and centrifugal compressor provided with same ) 是由 林良洋 藤田豊 冈信仁 高桥幸市 西勇人 于 2018-06-11 设计创作，主要内容包括：旋转叶片具备轮毂和设置于轮毂的多个叶片,多个叶片各自包括负压面、压力面、前缘、后缘、叶尖侧缘以及轮毂侧缘,在前缘与后缘之间的任意的翼弦位置处的叶片的截面中,负压面或压力面的至少一方构成为,至少在从前缘到朝向后缘离开的翼弦位置为止的范围内,相对于叶片的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘到叶尖侧缘在从轮毂侧缘朝向叶尖侧缘的方向上增加。(The rotary blade includes a hub and a plurality of blades provided on the hub, each of the plurality of blades includes a negative pressure surface, a front edge, a rear edge, a tip side edge, and a hub side edge, and at least one of the negative pressure surface and the pressure surface is configured such that an angle formed with respect to a blade height direction of the blade increases from the hub side edge to the tip side edge in a direction from the hub side edge to the tip side edge in a range at least from the front edge to a chord position spaced apart from the rear edge in a cross section of the blade at an arbitrary chord position between the front edge and the rear edge.)

旋转叶片以及具备该旋转叶片的离心压缩机

技术领域

本公开涉及旋转叶片以及具备该旋转叶片的离心压缩机。

背景技术

在涡轮增压器的离心压缩机中，叶轮的固有振动频率与由在离心压缩机中流动的流体作用的激振力的振动频率一致而产生共振，存在叶轮的振动增大而导致叶轮破损的情况。为了提高针对这样的共振的安全性，可考虑使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄并且使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度变厚。为了实现这样的形状，需要立体地定义叶片的叶片厚度分布。

在专利文献1中，不是为了提高针对共振的安全性，而是出于使离心压缩机的高流量侧的工作区域扩大的目的，将叶轮的叶片在叶片高度方向分为叶尖侧的前端部、轮毂侧的根部、以及位于前端部与根部之间的连结部，前端部的叶片厚度比根部的叶片厚度薄且恒定，连结部的叶片厚度构成为从根部朝向前端部逐渐减少，根部的叶片厚度构成为朝向连结部逐渐减少。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-17461号公报

发明内容

发明要解决的课题

但是，根据表示本发明人等进行的叶片的固有值解析的结果的图4可知，叶片100的一次固有模式的波腹的部分在叶片100的前缘101侧从叶片100的轮毂侧缘102朝向叶尖侧缘103位于叶片高度的50～100％的范围。这样一来，在专利文献1所记载的叶片的叶片厚度分布中，即便能够使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄，也无法使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度适当地变厚，有可能无法提高针对共振的安全性。另外，由于从轮毂侧到叶尖侧形成叶片厚度分布成为凹状的部位，因此，成形叶片面时的加工方法被限定。

鉴于上述情形，本公开的至少一个实施方式的目的在于提供一种提高了针对共振的安全性的旋转叶片以及具备该旋转叶片的离心压缩机。

用于解决课题的方案

(1)本发明的至少一个实施方式的旋转叶片具备轮毂和设置于所述轮毂的多个叶片，其中，

所述多个叶片各自包括负压面、压力面、前缘、后缘、叶尖侧缘以及轮毂侧缘，

在所述前缘与所述后缘之间的任意的翼弦位置处的所述叶片的截面中，所述负压面或所述压力面的至少一方构成为，至少在从所述前缘到朝向所述后缘离开的翼弦位置为止的范围内，相对于所述叶片的叶片高度方向所成的角度从所述轮毂侧缘到所述叶尖侧缘在从所述轮毂侧缘朝向所述叶尖侧缘的方向上增加。

根据上述(1)的结构，在前缘与后缘之间的任意的翼弦位置处的叶片的截面中，负压面或压力面的至少一方构成为，至少在从前缘到朝向后缘离开的翼弦位置为止的范围内，相对于叶片的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘到叶尖侧缘在从轮毂侧缘朝向叶尖侧缘的方向上增加，从而能够形成为使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄并且使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度变厚的结构，因此，能够提高针对共振的安全性。

(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构中，

所述负压面或所述压力面的所述至少一方包括：从所述前缘到朝向所述后缘离开的翼弦位置为止的区域即第一区域、以及比所述第一区域靠所述后边缘侧的区域即第二区域，

在所述第一区域中，所述角度从所述轮毂侧缘朝向所述叶尖侧缘连续地增加。

根据上述(2)的结构，第一区域需要进行点切削加工，点切削加工与叶片的加工时间以及制作成本的增大相关联，但由于第一区域是前边缘侧的一部分区域，因此，与对叶片面整体进行点切削加工的情况相比，能够抑制叶片的加工时间以及制作成本的增大。

(3)在几个实施方式中，在上述(2)的结构中，

所述第二区域在所述叶尖侧缘与所述轮毂侧缘之间由至少两条线段构成。

根据上述(3)的结构，由于第二区域能够进行线切削加工，因此，即便相比第一区域在后边缘侧加工相对于叶片的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘到叶尖侧缘在从轮毂侧缘朝向叶尖侧缘的方向上增加那样的结构，也能够抑制叶片的加工时间以及制作成本的增大。

(4)在几个实施方式中，在上述(2)或(3)的结构中，

所述第一区域是所述前缘与从所述前缘到5％～15％的翼弦位置之间的范围内的区域。

通常，在从前缘到5％～15％的翼弦位置之间的范围，为了在叶片的前缘形成圆角形状而需要进行点切削加工。根据上述(4)的结构，通过在用于在叶片的前缘形成圆角形状的加工时加工第一区域的叶片面形状，与仅为了加工第一区域的叶片面形状而进行点切削加工的情况相比，能够抑制叶片的加工时间以及制作成本的增大。

(5)在几个实施方式中，在上述(1)～(4)中的任一个结构中，

所述负压面或所述压力面的任一方构成为，至少在从所述前缘到朝向所述后缘离开的翼弦位置为止的范围内，相对于所述叶片的叶片高度方向所成的角度从所述轮毂侧缘到所述叶尖侧缘在从所述轮毂侧缘朝向所述叶尖侧缘的方向上增加，所述负压面或所述压力面的另一方构成为连接所述轮毂侧缘和所述叶尖侧缘的线段。

根据上述(5)的结构，通过仅在负压面或压力面的任一方加工相对于叶片的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘到叶尖侧缘在从轮毂侧缘朝向叶尖侧缘的方向上增加那样的结构，与在负压面以及压力面这两面进行上述那样的加工的情况相比，能够抑制叶片的加工时间以及制作成本的增大。另外，由于负压面或压力面的另一方是连接轮毂侧缘和叶尖侧缘的平面，因此，能够可靠地实现使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄并且使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度变厚的叶片厚度分布。

(6)本发明的至少一个实施方式的离心压缩机具备上述(1)～(5)中任一项的旋转叶片。

根据上述(6)的结构，能够提高针对共振的安全性。

发明效果

根据本公开的至少一个实施方式，在前缘与后缘之间的任意的翼弦位置处的叶片的截面中，负压面或压力面的至少一方构成为，至少在从前缘到朝向后缘离开的翼弦位置为止的范围内，相对于叶片的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘到叶尖侧缘在从轮毂侧缘朝向叶尖侧缘的方向上增加，从而能够形成为使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄并且使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度变厚的结构，因此，能够提高针对共振的安全性。

附图说明

图1是具备本公开的一实施方式的旋转叶片的离心压缩机的局部剖视图。

图2是沿着图1的II-II线的剖视图。

图3是沿着图1的III-III线的剖视图。

图4是表示本发明人等进行的叶片的固有值解析的结果的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的几个实施方式说明。但是，本发明的范围并不限定于以下的实施方式。以下的实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，其主旨并非将本发明的范围仅限定于此，只不过是说明例。

以下所示的本公开的几个实施方式的旋转叶片以设置于涡轮增压器的离心压缩机的旋转叶片(叶轮)为例进行说明。但是，本公开中的离心压缩机并不限于涡轮增压器的离心压缩机，也可以是单独进行动作的任意的离心压缩机。另外，虽然没有具体说明，但本公开的旋转叶片也包括涡轮、轴流泵所使用的旋转叶片。

如图1所示，离心压缩机1具备壳体2和在壳体2内设置成能够以旋转轴线L为中心进行旋转的叶轮3。叶轮3具有在周向上隔开规定间隔地设置于轮毂5的流线形状的多个叶片4(在图1中仅描绘一个叶片4)。各叶片4包括前缘4a、后缘4b、面向壳体2的叶尖(tip)侧缘4c、以及与轮毂5连接的轮毂侧缘4d。

叶片4的负压面10被划分为从前缘4a到朝向后缘4b离开的翼弦位置为止的区域即第一区域11、以及比第一区域11靠后缘4b侧的区域即第二区域12。虽然在图1中未图示，但叶片4的压力面也同样地被划分为第一区域11和第二区域12。

在图2中，示出在叶片4的负压面10以及压力面20各自的第一区域11内的任意的翼弦位置处将叶片4剖开而得到的截面(省略剖面线)。负压面10以及压力面20双方都具有在该截面中相对于将叶尖侧缘4c和轮毂侧缘4d连接的线段L₁₀以及L₂₀呈凸状弯曲的形状。

在图2所示的截面中，负压面10的第一区域11中的凸状的弯曲具有如下形状：相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘4d到叶尖侧缘4c在从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c的方向上增加。即，在将在相比叶尖侧缘4c靠近轮毂侧缘4d的位置A相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₁，将在相比位置A靠近叶尖侧缘4c的位置B相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₂时，θ₁<θ₂。

在图2所示的截面中，压力面20的第一区域11中的凸状的弯曲也同样地具有如下形状：相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘4d到叶尖侧缘4c在从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c的方向上增加。即，在将在相比叶尖侧缘4c靠近轮毂侧缘4d的位置C相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₃，将在相比位置C靠近叶尖侧缘4c的位置D相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₄时，θ₃<θ₄。

在图3中，示出在叶片4的负压面10以及压力面20各自的第二区域12内的任意的翼弦位置处将叶片4剖开而得到的截面(省略剖面线)。负压面10具有在该截面中依次连接三条线段L₁₁、L₁₂、L₁₃而构成的形状。压力面20也具有在该截面中依次连接三条线段L₂₁、L₂₂、L₂₃而构成的形状。其结果是，负压面10以及压力面20均构成为相比线段L₁₀以及L₂₀突出。

在图3所示的截面中，在将线段L₁₁、L₁₂、L₁₃各自与叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃时，负压面10的第二区域12成为θ₁₁<θ₁₂<θ₁₃的形状。即，负压面10的第二区域12也同样地，相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘4d到叶尖侧缘4c在从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c的方向上增加，但不是连续的而是阶段性的。

在图3所示的截面中，在将线段L₂₁、L₂₂、L₂₃各自与叶片4的叶片高度方向所成的角度设为θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃时，压力面20的第二区域12成为θ₂₁<θ₂₂<θ₂₃的形状。即，压力面20的第二区域12也同样地，相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘4d到叶尖侧缘4c在从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c的方向上增加，但不是连续的而是阶段性的。

关于图2以及图3，如上所述，负压面10以及压力面20双方都构成为，相对于叶片4的叶片高度方向所成的角度从轮毂侧缘4d到叶尖侧缘4c在从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c的方向上增加，从而能够使与固有模式的波腹相当的部分即叶尖侧缘4c附近的叶片厚度变薄，确保固有值，并且，从轮毂侧缘4d朝向叶尖侧缘4c使叶片高度的约50％的位置附近的叶片厚度变厚，提高相当于固有模式的波节的部分的强度，因此，能够提高针对离心压缩机1(参照图1)工作时可能产生的共振的安全性。

如图3所示，在任意的翼弦位置处将叶片4剖开而得到的截面由多条线段构成的第二区域12的叶片面形状能够进行线切削加工，但如图2所示，在任意的翼弦位置处将叶片4剖开而得到的截面连续地弯曲的结构的第一区域11的叶片面形状无法通过线切削加工形成，需要进行点切削加工。与线切削加工相比，点切削加工的加工时间以及成本变大，但第一区域11被限定于前缘4a附近的一部分区域。因此，与使整个叶片面成为第一区域11的叶片面形状的情况相比，能够抑制叶片4的加工时间以及制作成本的增大。

另外，第一区域11优选为前缘4a与从前缘4a到5％～15％的翼弦位置之间的范围内的区域。通常，在从前缘4a到5％～15％的翼弦位置之间的范围，为了在叶片4的前缘4a形成圆角形状而需要进行点切削加工。通过在用于在叶片4的前缘4a形成圆角形状的加工时加工第一区域11的叶片面形状，与仅为了加工第一区域11的叶片面形状而进行点切削加工的情况相比，能够抑制叶片4的加工时间以及制作成本的增大。

在上述实施方式中，第二区域12具有在将叶片4在任意的翼弦位置处剖开而得到的截面中依次连接三条线段而构成的形状，但并不限定于该方式。第二区域12也可以具有依次连接两条线段或四条以上的线段而构成的形状。

在上述实施方式中，负压面10以及压力面20双方以相同的方式形成第一区域11以及第二区域12的叶片面形状，但并不限定于该方式。也可以使负压面10和压力面20各自的第一区域11的范围不同。在该情况下，优选使负压面10的第一区域11的范围比压力面20的第一区域11的范围大的方式。这是因为，压力面20的边界层比负压面10的边界层薄，相对于壁面的曲率变化难以产生剥离，因此能够预见性能提高。

在上述实施方式中，在负压面10以及压力面20双方形成有第一区域11以及第二区域12的叶片面形状，但并不限定于该方式。也可以在负压面10或压力面20的任一方形成第一区域11以及第二区域12的叶片面形状，负压面10或压力面20的另一方为连接轮毂侧缘4d和叶尖侧缘4c的平面(与图2以及3中的线段L₁₀或L₂₀的形状相当)。在该情况下，优选在压力面20形成第二区域12的叶片面形状并且将负压面10设为连接轮毂侧缘4d和叶尖侧缘4c的平面的方式。这是因为，压力面20的边界层比负压面10的边界层薄，相对于壁面的曲率变化难以产生剥离。

通过仅在负压面10或压力面20的一方形成第一区域11以及第二区域12的叶片面形状，与在负压面10以及压力面20这两面形成上述那样的叶片面形状的情况相比，能够抑制叶片4的加工时间以及制作成本的增大。另外，由于负压面10或压力面20的另一方是连接轮毂侧缘4d和叶尖侧缘4c的平面，因此，能够可靠地实现使相当于固有模式的波腹的部位的叶片厚度局部变薄并且使相当于固有模式的波节的部位的叶片厚度变厚的叶片厚度分布。

在上述实施方式中，负压面10以及压力面20分别包括第一区域11以及第二区域12双方，但只要至少包括第一区域11就足够了。即便在包括第二区域12的情况下，第二区域12也可以不包含在从第一区域11到后缘4b为止的整个区域，也可以是包含在从第一区域11到朝向后缘4b离开的翼弦位置为止的范围内的方式。

在上述实施方式中，叶片4作为整体叶片进行了说明，但并不限定于该方式。叶片4也可以是设置在两个整体叶片之间的分流叶片。

附图标记说明

1 离心压缩机

2 壳体

3 叶轮(旋转叶片)

4 叶片

4a 前缘

4b 后缘

4c 叶尖侧缘

4d 轮毂侧缘

5 轮毂

10 负压面

11 第一区域

12 第二区域

20 压力面

L 旋转轴线

L₁₀ 线段

L₁₁ 线段

L₁₂ 线段

L₁₃ 线段

L₂₀ 线段

L₂₁ 线段

L₂₂ 线段

L₂₃ 线段

θ₁ 角度

θ₂ 角度

θ₃ 角度

θ₄ 角度

θ₁₁ 角度

θ₁₂ 角度

θ₁₃ 角度

θ₂₁ 角度

θ₂₂ 角度

θ₂₃ 角度