CN103038479A - 双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体 - Google Patents

双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体 Download PDF

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Abstract

一种双涡流式涡轮增压器(10A)的涡轮壳体(12)，由分隔壁(40)分隔成前侧涡旋流路(42)和后侧涡旋流路(44)。前侧隔壁(50)和分隔壁(40)的根侧部位(40b)向前侧折弯，确保流路截面积(a1、a2、a3、……)及(b1、b2、b3、……)。两个涡旋流路(42、44)的流路截面积形成均等，分隔壁(40)的顶端侧部位(40a)朝向相对于涡轮动叶(26)呈直角的直角方向，在顶端侧部位(40a)附近量涡旋流路(42、44)相对于顶端侧部位(40a)的轴线(X)对称，消除流量差。

Description

双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体
技术领域
本发明涉及一种双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，其将壳体的外径抑制得较小，并且改进在二个涡旋流路中流动的废气的流动状态，从而抑制发动机性能下降。
背景技术
作为装备在车辆等上的涡轮增压器的涡轮壳体，已知有一种双涡流式涡轮增压器，该双涡流式涡轮增压器的从涡轮壳体入口至涡轮动叶前缘的流路被分割成前侧(废气出口侧)和后侧(轴承壳体侧)，以避免多缸式发动机的废气干涉，并且有效利用发动机的废气脉动(动压)。尤其专利文献1和专利文献2公开了这种双涡流式涡轮增压器。
现根据图3和图4来说明专利文献2所公开的以往的双涡流式涡轮增压器的一结构例。在图3中，该双涡流式涡轮增压器100的涡轮壳体102的内部形成有废气的涡旋状的涡旋流路，由突出设置在该流路上的分隔壁104分隔成前侧涡旋流路106和后侧涡旋流路108。
在涡轮增压器100的中心部，配置有涡轮轴110和与该涡轮轴110一体的涡轮叶轮112。在涡轮叶轮112的周围一体形成有放射状的多个涡轮动叶114。
如图4所示，两个涡旋流路106和108形成为涡旋状，废气e在两个涡旋流路中从径向外侧向内侧流动，且如箭头所示，从出口开口116流入涡轮动叶114，使涡轮叶轮112旋转。然后，废气e通过出口外壳118排出。
与涡轮壳体102相邻配置有轴承壳体120。在涡轮壳体102上设有连接法兰122，该连接法兰122与轴承壳体120对接，与轴承壳体120连接。涡轮壳体102和轴承壳体120的连接方式是，通常利用环状的联轴器将连接法兰122和设在轴承壳体120上的连接法兰(未图示)固定。
在涡轮壳体102的出口法兰124附近，设有将涡轮增压器100的增压压力抑制在设定值以下用的废气旁通减压阀126。将在前侧涡旋流路106和后侧涡旋流路108内流动的一部分废气从废气旁通减压阀126释放到废气流出口，由此将涡轮增压器100的增压压力抑制在设定值以下。
在这种结构中，从图示省略的发动机排出的废气e，通过两个涡旋流动106和108而流入涡轮动叶116，使涡轮叶轮110旋转。利用涡轮叶轮110的旋转，与涡轮轴110结合的压缩机叶轮(图示省略)产生旋转。由此，形成供气流，向发动机的燃烧气缸供气。在多缸式发动机中，通过使从燃烧气缸排出的废气e分流到两个涡旋流路106、108，从而减少来自其它气缸的废气能量的干涉，并有效利用排气脉动，提高涡轮轴110的旋转效率。
由此，不减小A/R就能使低速区域的涡轮旋转提早上升，因此使低速区域的涡轮增压器提早响应，使发动机的输出功率提高。
专利文献1：日本专利特开昭63－117124号公报
专利文献2：日本专利特开2006－348894号公报
发明所要解决的课题
如前所述，涡轮壳体102和轴承壳体120的互相对接的连接法兰通过环状的联轴器固定在一起。因此，需要用来安装该联轴器的空间，故涡轮壳体102的前侧隔壁128就做成向前侧(废气出口侧)倾斜的形状。越是装备在汽车等小型车辆上的小型涡轮增压器，联轴器周边的空间越狭小，故必须考虑涡轮壳体的形状。另外，为了确保涡旋流路的截面积，不得不加大径向的尺寸，但配置空间方面有限制。
如此，形成涡旋流路的涡轮壳体102整体向前侧倾斜，由此前侧涡旋流路108不得不向前侧倾斜。因此，如图3中箭头所示，相对于与涡轮动叶114的前缘114a正交的线，废气e的流场在前侧和后侧不对称。其结果，在前侧流路和后侧流路产生流量差。因为该流量差，处于废气上游侧的发动机侧的运行条件产生差异，以致使发动机性能下降。
另外，在采用双涡流式涡轮增压器的情况下，为了确保涡旋流路的截面积，形成涡旋流路的涡轮壳体必须在径向加大，存在无法适应狭小的布置的问题。
发明内容
鉴于上述以往技术的问题，本发明的目的在于，在双涡流式涡轮增压器中，在确保形成于涡轮壳体的涡旋流路的截面积的同时将外径抑制得较小，并且在将两个涡旋流路隔开的隔壁顶端附近的流场中，消除前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的流量差，从而抑制发动机输出性能的下降，提高涡轮增压器的增压性能。
用于解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体是，收容涡轮轴，利用设在壳体内的分隔壁而在前侧和后侧形成独立的二个涡旋流路，废气从径向外侧向内侧流动，并向涡轮轴方向流动而排出，该双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体构成为，涡轮壳体的前侧隔壁随着从径向内侧向径向外侧朝前侧折弯，确保前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积，并且分隔壁的根侧部位与前侧隔壁对应而向前侧折弯，使前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积均等，前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积从径向外侧向径向内侧逐渐减小，并且分隔壁的顶端侧部位朝向相对于涡轮动叶前缘呈直角的直角方向，该顶端侧部位附近的前侧涡旋流路和后侧涡旋流路相对于该顶端侧部位的轴线对称。
本发明的涡轮壳体，涡轮壳体的前侧隔壁随着从径向内侧向径向外侧朝前侧折弯，由此，可将涡轮壳体的外径抑制得较小，并确保前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积。
另外，通过使分隔壁的根侧部位与前侧隔壁对应地向前侧折弯，从而使前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的径向外侧截面积均等。这样，将两个涡旋流路的径向外侧截面积维持均等，并使两个涡旋流路的截面积从径向外侧向径向内侧逐渐减小，在分隔壁的顶端附近流路宽度变得最狭窄，通过做成这种结构，废气流的径向流动成为增速流。由此，可抑制边界层的形成，抑制流动阻力。
此外，由于构成为：分隔壁的顶端侧部位朝向相对于涡轮动叶前缘呈直角的直角方向，该顶端侧部位附近的两个涡旋流路相对于该顶端侧部位的轴线对称，故在涡轮动叶前缘附近可使两个涡旋流路的流场均等。因此，两个涡旋流路的流动条件一致，可抑制流量差和流速差，不会使配置在上游侧的发动机性能下降。
另外，本发明例如可适用于具有包含可变容量涡轮的径向式涡轮或斜流式涡轮等的双涡流式涡轮增压器。
在本发明的涡轮壳体中，除了前述结构外，也可做成这样的结构：在分隔壁的顶端侧部位，前侧涡旋流路和后侧涡旋流路相对于涡轮动叶开口的环状面积均等。由此，在涡轮动叶前缘附近，容易使两个涡旋流路的流场均等，可消除两个涡旋流路的流量差和流速差，可有效防止发动机输出性能的下降。
在本发明中，也可做成这样的结构：在涡旋流路的出口附近，使涡轮壳体的前侧内表面和后侧内表面朝着废气流的流动方向而向中央倾斜，在前侧涡旋流路和后侧涡旋流路内流动的废气流均成为相对于涡轮动叶而朝中央侧倾斜的倾斜流。
由此，流入涡轮动叶前缘的废气流流向涡轮动叶前缘的中心附近，可防止废气流偏向涡轮壳体的前侧内表面或偏向后侧内表面。因此，即使在存在发动机运转状态所引起的废气流的脉动的情况下，废气也均等地流入涡轮动叶，可有效防止涡轮增压器的增压性能的下降。
在本发明中，也可做成这样的结构：在分隔壁的顶端与涡轮动叶前缘之间形成气流的扩散空间，从前侧涡旋流路和后侧涡旋流路流出的废气可分别扩散到涡旋流路的出口开口的整个区域。在多缸式发动机中，从各燃烧气缸排出的废气的排出时间不相同。因此，废气从两个涡旋流路流入涡轮动叶的时间也不相同，但是，通过使废气可扩散到两个涡旋流路的出口开口的整个区域，从而可始终形成均等的流场。因此，可抑制偏流等，可进一步有效防止涡轮增压器性能下降。
在本发明中，涡轮壳体的后侧隔壁也可相对于涡轮轴的轴线配置在直角方向。由此，涡轮壳体就不会妨碍将涡轮壳体和轴承壳体予以固定的环状的联轴器的安装。另外，容易使后侧涡旋流路朝向与涡轮动叶前缘正交的方向，由此，在分隔壁的顶端侧部位附近，容易形成夹着分隔壁的轴线而左右对称的废气流路。
发明的效果
采用本发明，在双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体中，收容涡轮轴，利用设在壳体内的分隔壁而在前侧和后侧形成独立的二个涡旋流路，废气从径向外侧向内侧流动，并向涡轮轴方向流动而排出，该双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体构成为，涡轮壳体的前侧隔壁随着从径向内侧向径向外侧朝前侧折弯，确保前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积，并且分隔壁的根侧部位与前侧隔壁对应而向前侧折弯，使前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积均等，前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积从径向外侧向径向内侧逐渐减小，并且分隔壁的顶端侧部位朝向相对于涡轮动叶前缘呈直角的直角方向，该顶端侧部位附近的前侧涡旋流路和后侧涡旋流路相对于该顶端侧部位的轴线对称，因此，可将涡轮壳体的外径抑制得较小，并可确保流路截面积，同时，可抑制流动阻力，且在涡轮动叶前缘附近消除两个涡旋流路的流量差，可有效防止发动机性能下降。
附图说明
图1是本发明的装置的第一实施形态的涡轮壳体的主视剖视图。
图2(A)和(B)是本发明的装置的第二实施形态的涡轮壳体的主视剖视图。
图3是以往的双涡流式涡轮增压器的主视剖视图。
图4是表示图3的涡轮增压器的涡旋流路的说明图。
具体实施方式
下面，用图示的实施形态来详细说明本发明。但是，实施形态所记载的结构零件的尺寸、材质、形状和其相对配置等只要不特别进行特定的记载，本发明的范围就不限定于此。
(实施形态1)
现根据图1来说明将本发明的涡轮壳体应用于装备有多缸发动机的轿车等小型车辆上所装备的小型双涡流式涡轮增压器的第一实施形态。图1所示的双涡流式涡轮增压器10A的壳体，夹着轴承壳体12而配置有压缩机壳体14和涡轮壳体16，这些两侧的壳体与轴承壳体12结合。轴承壳体12和涡轮壳体16，在这些壳体的端部，双方的连接法兰13、17通过环状的联轴器18紧固固定。
在这种壳体的内部，涡轮叶轮20和压缩机叶轮22通过与涡轮叶轮20一体的涡轮轴24而连接。在涡轮叶轮20的周围一体形成有放射状的多个涡轮动叶26，在压缩机叶轮22的周围形成有多个放射状的压缩机动叶27。涡轮轴24利用二个浮动轴承21a、21b而旋转自如地支承在轴承壳体12的内部。
涡轮增压器10A中，施加在涡轮叶轮20上的中心轴线C方向的轴向力与施加在压缩机叶轮22上的轴向力之差即轴向载荷S，向图中右方(涡轮叶轮20侧)而施加在涡轮轴24上。止推轴承28由内周固定在涡轮轴24上的涡轮叶轮侧止推环30和压缩机侧止推环32夹持。止推轴承28与涡轮轴24一起旋转，并且与轴承壳体12滑动接触而支承轴向载荷S。
在轴承壳体12上穿设有供油通道34、36及38，通过这些供油通道将润滑油供给到浮动轴承21a、21b。
在涡轮壳体16中，从涡轮壳体入口至涡轮动叶前缘的涡旋状流路由突设在该流路的中央区域的分隔壁40分隔成前侧(废气出口侧)涡旋流路42和后侧(轴承壳体12侧)涡旋流路44。
如图4所示，从图示省略的发动机排出的废气e，通过这些涡旋流路42、44而流入涡轮动叶26，使涡轮叶轮20旋转。利用涡轮叶轮20的旋转，压缩机叶轮22及压缩机动叶27产生旋转。由此，形成供气流，并向发动机的燃烧气缸供气。在多缸式发动机中，通过使从燃烧气缸(图示省略)排出的废气e分流到二个涡旋流路42、44，从而减少来自其它气缸的废气能量的干涉，且有效利用排气脉动，提高涡轮轴34的旋转效率。
由此，不减小A/R就能使低速区域的涡轮旋转提早上升，使低速区域的涡轮增压器提早响应，使发动机的功率提高。
从图示省略的多缸式发动机侧排出的废气e以不同的时间在涡旋状的所述两个涡旋流路内流动，到达这些涡旋流路的出口开口56。到达出口开口56的废气e在碰到涡轮动叶26而使涡轮叶轮20旋转后，通过出口外壳46而被排出。
在涡轮壳体12的后侧隔壁48的外侧，需要确保用于安装联轴器18的空间。因此，在本实施形态中，将后侧隔壁48立设在与中心轴线C正交的方向上，并且，为了确保前侧涡旋流路42的流路截面积a1、a2、a3、……及后侧涡旋流路44的流路截面积b1、b2、b3、……，使涡轮壳体12的前侧隔壁50向前侧折弯。由此，将两个涡旋流路42、44的径向外侧的流路截面积扩大。并且，越使该流路截面积越靠近径向内侧越逐渐减小，在分隔壁40的顶端附近流路截面积最狭窄。
分隔壁40的形状也做成与前侧隔壁50的形状一致并使径向外侧的根侧部位40b向前侧折弯的形状。由此，两个涡旋流路42、44的径向外侧的流路截面积就均等。分隔壁40的顶端侧部位40a，配置在两个涡旋流路42、44的向涡轮动叶26的出口开口56的环状面积均等的位置处。另外，顶端侧部位40a，朝向相对于涡轮动叶26的前缘26a基本上呈直角的方向。
另外，在两个涡旋流路43、44的出口开口56附近，使涡轮壳体12的前侧内表面52和后侧内表面54朝着废气流的流动方向而向中央倾斜。由此，在两个涡旋流路42、44内流动的废气流均成为相对于涡轮动叶26而向中央侧倾斜的倾斜流。因此，在分隔壁40的顶端侧部位40a附近，两个涡旋流路42、44相对于分隔壁40的轴线X对称。
当是多缸式发动机时，废气e从各自不同的燃烧气缸流入两个涡旋流路42、44。而且，废气e从各燃烧气缸流入的流入时间在两个涡旋流路内不同步，有时间差，且产生脉动地交替流入。
采用这种结构的本实施形态，由于涡轮壳体16的前侧隔壁50向前侧折弯，因此，不增大涡轮壳体12的外径，就可扩大两个涡旋流路42、44的径向外侧的流路截面积a1、a2、a3、……及b1、b2、b3、……。
另外，由于做成使两个涡旋流路42、44的流路截面积越靠近径向内侧越逐渐减小、在分隔壁40的顶端附近流路截面积最狭窄的结构，因此，废气e为增速流。由此，可抑制形成流路的隔壁表面处的边界层的产生，可减少废气e的压力损失。
另外，前侧涡旋流路42和后侧涡旋流路44的流路截面积构成为从径向外侧至径向内侧均等，同时，分隔壁40的顶端侧部位40a的相对于涡轮动叶26开口的环状面积均等。因此，在涡轮动叶前缘附近，容易使两个涡旋流路的流场均等，可消除两个涡旋流路的流量差及流速差，可有效防止发动机输出性能的下降。
另外，由于使分隔壁40的顶端侧部位40朝向相对于涡轮动叶前缘26a呈直角的直角方向，两各个涡旋流路相对于该顶端侧部位40a的轴线X对称，因此，可在涡轮动叶26附近使两个涡旋流路的流场均等，因此，即使是产生脉动并流入的废气e，也可消除两个涡旋流路的废气e的流速差及流量差。故处于废气流路的上游侧的发动机侧的运转条件不会产生差异，所以发动机性能不会下降。
此外，在本实施形态中，由于在两个涡旋流路42、44的出口开口56附近，使涡轮壳体12的前侧内表面52及后侧内表面54朝着废气流的流动方向而向中央倾斜，在两个涡旋流路42、44内流动的废气流均成为相对于涡轮动叶26而向中央侧倾斜的倾斜流，因此，废气e容易均等地流入涡轮动叶26的前缘26a。因此，可抑制偏向前侧内表面52侧或后侧内表面54侧的偏流，进一步抑制涡轮增压器的增压性能下降。
此外，由于后侧隔壁48立设在与轴线X正交的方向上，因此，不会妨碍环状的联轴器18的安装。并且，由此容易使后侧涡旋流路44朝向与涡轮动叶前缘26a正交的方向，在分隔壁40的顶端侧部位40a附近，容易形成夹着分隔壁40的轴线X左右对称的废气流路。
(实施形态2)
下面，用图2来说明本发明装置的第二实施形态。本实施形态也与前述第一实施形态相同，是应用于在装备有多缸发动机的轿车等上所装备的小型双涡流式涡轮增压器的例子。在图2所示的双涡流式涡轮增压器10B中，与第一实施形态相比，使涡轮壳体16的分隔壁40顶端侧部位40a相对于涡轮动叶26后退，形成流动扩散空间D。其它结构与第一实施形态的涡轮增压器10A相同。
如前所述，废气e流入两个涡旋流路42、44的流入时间不相同。本实施形态也与第一实施形态相同，在两个涡旋流路42、44的出口开口56附近，使涡轮壳体16的前侧内表面52和后侧内表面54朝着废气流的流动方向而向中央倾斜，在前侧涡旋流路42和后侧涡旋流路44内流动的废气流均成为相对于涡轮动叶26而向中央侧倾斜的倾斜流。
在本实施形态中，由于在分隔壁40的顶端侧部位40a与涡轮动叶前缘26a之间形成有气流的扩散空间D，因此如图示所示，从各自的涡旋流路流入涡轮动叶26的废气e1、e2向出口开口56的整个区域扩散。因此，相比于第一实施形态来说，顶端侧部位40a附近的流场进一步均等，可抑制偏向前侧内表面52侧或后侧内表面54侧的偏流，可进一步抑制涡轮增压器性能下降。
产业上的实用性
采用本发明，即使是具有较大截面积的涡旋流路，也能将外径做小，且可使流入涡轮动叶的流场均等，因此可实现不会使配置在上游侧的发动机性能下降的双涡流式涡轮增压器。

Claims (5)

1.一种双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，收容涡轮轴，利用设在壳体内的分隔壁而在前侧和后侧形成独立的二个涡旋流路，废气从径向外侧向内侧流动，并向涡轮轴方向流动而排出，该双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体的特征在于，
涡轮壳体的前侧隔壁随着从径向内侧向径向外侧朝前侧折弯，确保前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积，并且
所述分隔壁的根侧部位与前侧隔壁对应而向前侧折弯，使前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积均等，
前侧涡旋流路和后侧涡旋流路的截面积从径向外侧向径向内侧逐渐减小，并且分隔壁的顶端侧部位朝向相对于涡轮动叶前缘呈直角的直角方向，该顶端侧部位附近的前侧涡旋流路和后侧涡旋流路相对于该顶端侧部位的轴线对称。
2.如权利要求1所述的双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，其特征在于，在所述分隔壁的顶端侧部位，前侧涡旋流路和后侧涡旋流路相对于涡轮动叶开口的环状面积均等。
3.如权利要求1或2所述的双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，其特征在于，在涡旋流路的出口附近，涡轮壳体的前侧内表面和后侧内表面朝着废气流的流动方向而向中央倾斜，
在前侧涡旋流路和后侧涡旋流路内流动的废气流均成为相对于涡轮动叶而向中央侧倾斜的倾斜流。
4.如权利要求3所述的双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，其特征在于，在所述分隔壁的顶端与涡轮动叶前缘之间形成气流的扩散空间，从前侧涡旋流路和后侧涡旋流路流出的废气可分别扩散到涡旋流路的出口开口的整个区域。
5.如权利要求1所述的双涡流式涡轮增压器的涡轮壳体，其特征在于，所述涡轮壳体的后侧隔壁相对于涡轮轴的轴线配置在直角方向。
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