CN103946487B - 径流式涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种径流式涡轮机(1)，其具有喷嘴叶片(13)，该喷嘴叶片(13)在螺旋状的涡旋(3)的内侧沿周向配置多个，而用于调整工作气体从涡旋(3)向动翼(9)的流动，其特征在于，在喷嘴叶片(13)的入口前缘部(17)的宽度方向的两端部附近，比中央部向喷嘴叶片的压力面侧更鼓出地形成前缘鼓出部(25)，与流入喷嘴叶片(13)的工作气体的气体流入角度一致，而且，在喷嘴叶片(13)的出口后缘部(27)的宽度方向的两端部附近，形成比中央部向压力面侧更鼓出的后缘鼓出部(29)，使来自喷嘴叶片的出口后缘部(27)的工作气体的流出角度变得均匀。

Description

径流式涡轮机
技术领域
本发明涉及径流式涡轮机，尤其是关于喷嘴叶片的构造，其在螺旋状的涡旋的内侧沿周向配置多个，用于调整工作气体从涡旋向涡轮转子的动翼的流动。
背景技术
在机动车用内燃机等所使用的较小型的增压器(排气涡轮增压器)中，大多采用如下地构成的径流式涡轮机，使工作气体从形成在涡轮壳内的螺旋状的涡旋沿径向向位于该涡旋的内侧的涡轮转子的动翼流入并向作用于该动翼的后轴方向流出，由此旋转驱动该涡轮转子。
而且，作为改善流入动翼的工作气体的流动并提高径流式涡轮机的效率的结构采用如下结构，在动翼的外周侧在周向上配置多个喷嘴叶片，使其角度可变或固定的结构。
图7、图8表示使用了可变喷嘴式的径流式涡轮机的增压器的一例的关键部位剖视图。在图中，在涡轮壳2内形成有螺旋状的涡旋3，在内周侧形成有气体出口通路5(图7中未图示)。
另外，在涡轮转子7的外周，沿圆周方向以等间隔固定有多个动翼9。另外，涡轮转子7通过转子轴11与同轴地被固定的未图示的压缩机连接，该转子轴11通过轴承被支承在轴承外壳上。
另外，在螺旋状的涡旋3的内侧沿周向配置多个喷嘴叶片13，该喷嘴叶片13调整来自涡旋3的气体流G向涡轮转子7的动翼9流动。
在该图7、8中，喷嘴叶片13是可变式的结构，使图示的被安装在喷嘴叶片13的主体上的支承轴15能够作为旋转轴旋转的可变式。
作为与径流式涡轮机的喷嘴叶片相关的现有技术，列举了专利文献1(日本特开2005-351241号公报)、专利文献2((日本)特表2011-509371号公报)和专利文献3((日本)特开2000-18004号公报)。
专利文献1公开了可变式的喷嘴用叶片，为在车辆用涡轮增压器等的包含排气涡轮的低负荷运转区域在内的使用负荷范围的整个区域中，获得良好的喷嘴特性，在叶片的背面的下游端部的翼长的至少一部分中，设置有从翼型截面形状以山形鼓出的流体导向隆起。
另外，专利文献2公开了可变式的涡轮增压器用的导流叶片，该导流叶片的外形形状的曲率线是带有具有不连续地延伸的至少1个或多个区域地形成的，能够实现与所期望的使用目的相应的大量的流动模式。
另外，专利文献3公开了如下内容，在带喷嘴的径流式涡轮机中，在可变喷嘴的毂侧及护罩侧的两壁附近，为抑制由喷嘴流入角变大而产生的喷嘴损失，喷嘴前缘部的毂侧壁面附近和护罩侧壁面附近的翼角成为比流路中央的翼角大的形状。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2005-351241号公报
专利文献2：(日本)特表2011-509371号公报
专利文献3：(日本)特开2000-18004号公报
发明内容
发明要解决的课题
在上述图7、8所示的径流式涡轮机中，工作气体沿着涡旋3的涡流旋转的同时流入沿周向配置了多个的喷嘴叶片13之间。向该喷嘴叶片13的气体流入速度在喷嘴叶片13的宽度(高度)方向(图6的Z方向)上，具有不同的速度分布。
即，喷嘴叶片13的入口部的气体流入速度C如图6所示地通过在入口前缘部17的宽度W的两侧形成为整个宽度的15～20％的三维边界层，气体速度C的周向分量即周向速度Cθ在所述入口前缘部17的中央部大而在两端的角部也就是说护罩侧19及毂侧21变小。另外，径向分量即径向速度CR如图6所示地成为在入口前缘部17的中央部小而在两端的角部也就是说护罩侧19及毂侧21变大的分布。
而且，在所述喷嘴叶片13的入口的宽度W的方向上，存在流入气体的流动分布也就是说流动畸变时，该喷嘴叶片13上的流动损失增加，导致涡轮效率的降低。
即，相对于与朝向所述喷嘴叶片13的最佳的气体流入角度β1相匹配的喷嘴叶片13的入口中央部，入口前缘部17的壁侧也就是说毂侧21及护罩侧19的气体流入角度β2变大，在毂侧21及护罩侧19，气体流入角度β的差也就是说碰撞角度(入射角，入射角是喷嘴前缘的翼角度和气体流入角度之差)变大时，气体在所述喷嘴叶片13的前端部带有碰撞角度(入射角)地流入负压面侧13b(参照图9，13a表示压力面侧)，发生喷嘴叶片13的入口前缘部17的碰撞损失，对于从喷嘴叶片13朝向动翼9的流动，2次流动损失增加，存在涡轮效率降低的问题。
另一方面，专利文献1公开的技术是如上所述地在叶片的背面的下游端部的翼长的至少一部分中设置从翼型截面形状鼓出的流体导向隆起，来防止气流在从叶片的下游端流出的位置向该叶片的腹侧迂回的流动，但对于从叶片的下游端部流出并流入涡轮转子的动翼的流动角度的均匀化的情况没有公开。
另外，在专利文献2中，关于来自涡旋的工作气体流入的叶片前端部、以及后端部处的工作气体的流动角度的均匀化也没有公开。
另外，在专利文献3中，虽然公开了叶片前端部处的入射角(碰撞角度)的均匀化，但对于从叶片的下游端部流出并流入涡轮转子的动翼的流动角度的均匀化的情况没有公开。
因此，本发明是鉴于这样的课题而研发的，其目的是实施从涡轮涡旋流入喷嘴叶片的工作气体在喷嘴叶片前端部的碰撞损失的减少及喷嘴叶片的后端部处的流出流动的均匀化，并抑制喷嘴叶片及动翼处的2次流动损失来提高涡轮效率。
解决课题的方案
本发明用于实现所述目的，提供一种径流式涡轮机，在螺旋状的涡旋的内侧沿周向配置多个喷嘴叶片，该喷嘴叶片调整工作气体从涡旋向涡轮转子的动翼的流动，其特征在于，在所述喷嘴叶片的入口前缘部的宽度方向的两端部附近，比宽度方向的中央部向喷嘴叶片的压力面侧更鼓出地形成前缘鼓出部，入口前缘部的翼角度在宽度方向整个区域中与流入所述喷嘴叶片的工作气体的气体流入角度一致，而且，在所述喷嘴叶片的后缘部的宽度方向的两端部附近，形成有比中央部向压力面侧更鼓出的后缘鼓出部，使来自喷嘴叶片的出口后缘部的工作气体的流出角度变得均匀。
根据所述发明，实现从涡轮涡旋向喷嘴叶片流入的工作气体在喷嘴叶片前端部的碰撞损失的降低，并且实施在喷嘴叶片的后端部的流出流动的均匀化，由此，通过从喷嘴流入动翼的工作气体的流动方向的均匀化，实现由动翼导致的工作损失的降低，能够提高涡轮整体的涡轮效率。
另外，在本发明中，优选的是，所述宽度方向的两端部附近的喷嘴叶片的全长形成得比所述中央部长。
通过采用这样的结构，形成有前缘鼓出部的宽度方向的两端部分延长地设置，全长变长，从而能够确保形成通过相邻的各个喷嘴叶片的重叠而形成的喉部的距离，其结果，能够充分地进行喉部对工作气体的调整。即，在前缘鼓出部中，由于翼角立起，所以相邻的喷嘴叶片间的重叠距离处于变小的倾向，但在本发明中，能够确保这样的邻接的喷嘴叶片间的重叠部的长度。
另外，在本发明中，优选的是，所述喷嘴叶片由能够以喷嘴长度的中间部为旋转中心转动地被支承的可变式的喷嘴叶片构成，相邻的喷嘴叶片中的一方的喷嘴叶片的所述前缘鼓出部和另一方的喷嘴叶片的所述后缘鼓出部在所述喷嘴叶片全闭的状态下接近地形成。
通过采用这样的结构，在喷嘴叶片的全闭时，能够极窄地设定喉部，不会使涡轮性能降低。
另外，在本发明中，优选的是，所述喷嘴叶片由能够以喷嘴长度的中间部为旋转中心转动地被支承的可变式的喷嘴叶片构成，仅在各喷嘴叶片的转动轴附近排列形成的环状范围内，喷嘴端部和侧壁之间的间隙比所述环状范围以外的喷嘴端部和侧壁之间的间隙窄地形成。
由于可变式的喷嘴的喷嘴开度是可动的，所以在喷嘴端部和壁面之间设置有空间(间隙)。通过该空间的气体(不通过喷嘴的喉部而泄漏的气体)未被转换成速度能量，从而喷嘴空间的损失增大，涡轮效率降低。
因此，通过采用上述结构，防止喷嘴空间的损失，由此，通过所述的喷嘴叶片前端部的碰撞损失的减少及喷嘴叶片的后端部处的流出流动的均匀化提高了涡轮效率的基础上，实现效率的进一步提高。
另外，在本发明中，优选的是，所述环状范围是在喷嘴叶片的开度为中间开度～小开度的范围内通过相邻的喷嘴叶片形成喉部的区域。
即，由喷嘴空间导致的损失增大的倾向是在与涡轮转子的动翼相比喷嘴部的气体膨胀更大的区域，并且对于喷嘴空间来说，在喷嘴间的喉部面积的比例变小的区域中，尤其变得显著，从而在喷嘴对涡轮效率的影响变大的喷嘴开度的中开度～小开度的范围内，在通过相邻的喷嘴叶片形成喉部的区域中，能够有效地防止喷嘴空间的损失。
另外，在本发明中，优选的是，在所述喷嘴叶片的入口前缘部，使宽度方向的两端部附近，从宽度方向的中央部向喷嘴叶片的压力面侧、在2度～13度的范围内在使翼角度立起的方向鼓出，另外，在述喷嘴叶片的出口后缘部，使宽度方向的两端部附近，从宽度方向的中央部向在喷嘴叶片的压力面侧、在2度～8度的范围内在使翼角度立起的方向鼓出。
发明的效果
根据本发明，实施从涡轮涡旋向喷嘴叶片流入的工作气体的喷嘴叶片前端部处的碰撞损失的减少及喷嘴叶片的后端部处的流出流动的均匀化，能够抑制涡轮动翼中的碰撞损失及2次流动损失并提高涡轮效率。
另外，在喷嘴空间对涡轮效率的影响变大的喷嘴开度的中开度～小开度的范围内，通过减小喷嘴空间的尺寸来防止损失，能够进一步提高涡轮效率。
附图说明
图1表示第一实施方式的喷嘴叶片的整体图，(A)是俯视图，(B)是主视图，(C)是侧视图。(D)表示喷嘴叶片前缘鼓出部的形状，(E)表示喷嘴叶片后缘鼓出部的形状。
图2表示第一实施方式的喷嘴叶片沿周向配置的全闭状态。
图3表示第二实施方式的喷嘴叶片的整体图，(A)是俯视图，(B)是主视图，(C)是侧视图。
图4是表示第三实施方式的上半部分的关键部位剖视图。
图5(A)是第三实施方式的沿着旋转轴线的上半部分的关键部位剖视图，(B)是(A)的Z部的放大说明图。
图6是表示喷嘴叶片的入口处的三维边界层的影响对流速带来的变化的作用说明图。
图7是表示适用于本发明的径流式涡轮机的上半部分的关键部分剖视图。
图8是适用于本发明的径流式涡轮机的沿着旋转轴线的上半部分的关键部位剖视图。
图9是表示现有技术的喷嘴叶片的整体图的与图1对应的图。
具体实施方式
以下，使用图示的实施方式详细说明本发明。
但是，本实施方式记载的构成部件的尺寸、材质、形状及其相对配置等只要没有特别特定的说明，就不是将本发明的范围仅限于此的主旨，只不过是简单的说明例。
(第一实施方式)
图7、8表示使用了可变喷嘴式的径流式涡轮机1的增压器的一例的关键部位剖视图。在图中，在涡轮壳2内形成有螺旋状的涡旋3，在内周侧形成有气体出口通路5。
另外，在涡轮转子7的外周，沿圆周方向以等间隔固定有多个动翼9。另外，涡轮转子7通过转子轴11与被同轴地固定的未图示的压缩机连接，该转子轴11被轴承支承在轴承外壳上。
另外，在螺旋状的涡旋3的内侧，沿周向配置多个喷嘴叶片13，该喷嘴叶片13对于来自涡旋3的气体流G，调整工作气体向涡轮转子7的动翼9的流动。
在该图7、8中，示出了喷嘴叶片13是旋转式的结构，能够将图示的被安装在喷嘴叶片13的主体上的支承轴15作为旋转轴旋转。
喷嘴叶片13的主体部分如图1(A)的俯视图所示地呈长方形状，在(B)所示的正面观察时，具有翼形的截面形状。而且，在工作气体流入的喷嘴叶片13的入口前缘部17中，宽度W的两端部即护罩侧19的端部和毂侧21的端部的部分比宽度W的中央部W0向喷嘴叶片13的压力面侧13a更鼓出而在两端侧形成有前缘鼓出部25、25。
而且，入口前缘部17的前缘翼角度(前缘部的指向的角度)α在宽度W的整个区域中与流入喷嘴叶片13的工作气体的气体流入角度β(参照图1)一致。
而且，在喷嘴叶片的出口后缘部27中，宽度W的两端部即护罩侧19的端部和毂侧21的端部的部分也从宽度W的中央部W0向喷嘴叶片13的压力面侧13a侧鼓出而在两端侧形成有后缘鼓出部29、29。
像这样，在喷嘴叶片13的入口前缘部17的宽度方向的整个区域、及出口后缘部27的宽度方向整个区域中，以与工作气体向喷嘴叶片13的气体流入角度β(参照图6)一致的方式使护罩侧19及毂侧21的端部鼓出。
而且，在入口前缘部17的宽度方向的整个区域中，入口前缘部17的前缘翼角度α方向与在宽度W的整个区域中流入喷嘴叶片13的工作气体的气体流入角度β(参照图6)一致，从而能够减少从涡轮涡旋流入喷嘴叶片的工作气体的喷嘴叶片前端部处的碰撞损失。
另外，在出口后缘部27的宽度方向整个区域中，以与工作气体向喷嘴叶片13的气体流入角度β(参照图6)一致的方式使护罩侧19及毂侧21的端部鼓出，从而实现喷嘴叶片的后端部处的流出流动的均匀化，由此，通过从喷嘴叶片13流入动翼9的工作气体的流动方向的均匀化，实现由动翼9产生的工作损失的减少，能够提高涡轮整体的涡轮效率。
此外，前缘鼓出部25、25及后缘鼓出部29、29的形成区域如图1(B)、(C)所示地在宽度W方向上，使两侧的W1、W2分别形成为15～20％左右的范围即可。这与如图6所示地形成边界层的区域相当，在该区域中，与在由边界层产生的影响下使气体流入角度β变大的倾向对应。
另外，前缘鼓出部25的鼓出形状如图1(C)所示地在两端部的位置最突出，随着朝向中央部W0而平顺地降低。
(D)表示喷嘴叶片前缘鼓出部的形状，α1是穿过前缘的点25d的与轴旋转中心的同心圆25a相切的切线25b和喷嘴前缘中心线25c所成的角度，(E)表示喷嘴叶片后缘鼓出部的形状，γ1是穿过后缘的点29d的与轴旋转中心的同心圆29a相切的切线29b和喷嘴后缘中心线29c所成的角度，所述α1及γ1是在关闭了喷嘴叶片13时以不打开间隙的方式被设定。
因此，如图2所示，相邻地设置的喷嘴叶片13、13间的前缘鼓出部25和后缘鼓出部29成为相互对应的形状，从而在喷嘴叶片13的全闭时，能够接近。因此，在喷嘴叶片13的全闭时，能够极窄地设定形成在相邻的喷嘴叶片13、13之间的喉部S，并能够维持涡轮性能。
根据以上的第一实施方式，通过实现从涡轮涡旋3流入喷嘴叶片13的工作气体的喷嘴叶片13的入口前缘部(前端部)17处的碰撞损失的减少这样的作用效果、和喷嘴叶片13的出口后缘部(后端部)27处的流出流动的均匀化，由此，除了得到从喷嘴叶片13流入动翼9的工作气体的流动方向的均匀化这样的作用效果，还能够实现由喷嘴叶片13产生的工作气体流的流动的损失减少、和由动翼9导致的工作损失的减少，并能够提高涡轮整体的涡轮效率。
(第二实施方式)
以下，参照图3，关于第二实施方式进行说明。该第二实施方式是使入口前缘部17的部分沿翼的长度方向延伸。
如图3所示，仅使喷嘴叶片33的前缘鼓出部25的部分沿长度方向延长L'而形成延长部31。
该延长部31从图3(A)的俯视图可知成为如下形状，在护罩侧19及毂侧21的端面部最大伸长，从这里逐渐朝向中央部W0降低。在宽度W方向上，两侧的W1、W2分别形成在15～20％左右的范围即可。这与图1(C)的说明同样地，与图6所示的形成有边界层的区域相当，在该区域中，与在由边界层产生的影响下使气体流入角度β变大的倾向对应。
根据第二实施方式，由于宽度W方向的两端部附近的喷嘴长度比中央部W0长地形成，所以确保了与相邻的喷嘴叶片33、33重叠的部分的长度，不会缩短喉部S的形成范围，从而能够防止在相邻的喷嘴叶片33之间流动的工作气体的流速的降低。
即，在前缘鼓出部25中，翼角α立起，而在后缘鼓出部29中，翼角γ立起，从而产生在相邻的喷嘴叶片33之间的重叠的部分中不能确保形成喉部S的距离的问题，但在本实施方式中，能够解除这样的重叠部的长度的问题。
此外，作为第三实施方式，说明了仅延长了前缘鼓出部25的部分的例子，但后缘鼓出部29的部分也可以延长，像这样，前缘侧和后缘侧都延长，由此，能够进一步确保相邻的喷嘴叶片的重叠部分的长度，从而确保喉部部分的长度并防止工作气体的调整降低。
(第三实施方式)
以下，参照图4、5，关于第三实施方式进行说明。
本第三实施方式在第一、二实施方式的基础上还能够防止从喷嘴空间的气体泄漏而使涡轮效率提高。
如图6所示，由于可变式喷嘴的喷嘴开度可动，所以在喷嘴端部和壁面之间设置有空间(喷嘴空间)12。通过该喷嘴空间12的气体(不通过喷嘴的喉部而泄漏的气体)未被转换成速度能量，从而喷嘴空间12的损失增大，涡轮效率降低。
因此，在第三实施方式中，如图4、5所示，在喷嘴叶片13能够以喷嘴长度的中间部为旋转中心转动地进行支承的支承轴15的附近排列地形成的环状范围K内，形成有形成在喷嘴叶片13的端部和侧壁37之间的间隙比喷嘴空间12小的喷嘴空间39，在环状范围K以外，由喷嘴空间12形成(参照图5(B))。
而且，环状范围K形成于在喷嘴叶片13的开度为中间开度～小开度时通过相邻的喷嘴叶片形成喉部的区域。即，喷嘴空间损失Δη与喷嘴空间面积/喉部面积成正比，从而由喷嘴空间12产生的损失增大的倾向是与涡轮转子7的动翼9相比喷嘴部处的气体膨胀更大的区域，并且对于喷嘴空间12来说，在喷嘴间的喉部面积的比例变小的区域中尤其变得显著。
由此，在喷嘴空间对于涡轮效率的影响变大的喷嘴开度的中开度～小开度的范围内，使喷嘴空间变窄并作为间隙39，由此，能够有效地实现喷嘴空间损失的降低。
因此，除了所述第一实施方式及第二实施方式的喷嘴叶片13的前缘鼓出部25及后缘鼓出部29的形成以外，还附加了第三实施方式的喷嘴空间12的尺寸调整构造，由此能够提高涡轮效率。
产业上利用的可能性
根据本发明，实施从涡轮涡旋流入喷嘴叶片的工作气体的喷嘴叶片前端部处的碰撞损失的减小及喷嘴叶片的后端部处的流出流动的均匀化，并抑制喷嘴叶片及动翼处的二次流动损失，能够提高涡轮效率，而且在喷嘴空间对涡轮效率的影响变大的喷嘴开度的中开度～小开度的范围内，通过减小喷嘴空间的尺寸来进行损失防止，由此能够进一步提高涡轮效率，从而适用于增压器(排气涡轮增压器)、小型气体涡轮、膨胀涡轮等的径流式涡轮机。

Claims (7)

1.一种径流式涡轮机，其具有喷嘴叶片，该喷嘴叶片在螺旋状的涡旋的内侧沿周向配置多个，而调整工作气体从涡旋向涡轮转子的动翼的流动，所述喷嘴叶片构成为能够以安装在该喷嘴叶片的主体上的支承轴为旋转轴进行旋转，其特征在于，
使所述喷嘴叶片的入口前缘部的宽度方向的两端部附近，比宽度方向的中央部更向喷嘴叶片的压力面侧鼓出地形成前缘鼓出部，入口前缘部的翼角度在宽度方向整个区域中与流入所述喷嘴叶片的工作气体的气体流入角度一致，而且，形成有使所述喷嘴叶片的后缘部的宽度方向的两端部附近比中央部更向压力面侧鼓出的后缘鼓出部，将所述前缘鼓出部和所述后缘鼓出部的形成区域分别设定为相对喷嘴叶片整个宽度为15～20％的范围。
2.如权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于，所述宽度方向的两端部附近的喷嘴叶片的全长形成得比所述中央部长。
3.如权利要求2所述的径流式涡轮机，其特征在于，所述喷嘴叶片由可变式的喷嘴叶片构成，该可变式的喷嘴叶片能够以喷嘴长度的中间部为旋转中心转动地被支承，相邻的喷嘴叶片中的一方的喷嘴叶片的所述前缘鼓出部和另一方的喷嘴叶片的所述后缘鼓出部在所述喷嘴叶片全闭的状态下接近地形成。
4.如权利要求1～3中任一项所述的径流式涡轮机，其特征在于，所述喷嘴叶片由能够以喷嘴长度的中间部为旋转中心转动地被支承的可变式的喷嘴叶片构成，仅在各喷嘴叶片的转动轴附近排列地形成的环状范围内，喷嘴端部和侧壁之间的间隙形成为比所述环状范围以外的喷嘴端部和侧壁之间的间隙窄。
5.如权利要求4所述的径流式涡轮机，其特征在于，所述环状范围是在喷嘴叶片的开度为中间开度～小开度的范围内通过相邻的喷嘴叶片形成喉部的区域。
6.如权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于，在所述喷嘴叶片的入口前缘部，使宽度方向的两端部附近，从宽度方向的中央部向喷嘴叶片的压力面侧、在2度～13度的范围内在使翼角度立起的方向鼓出。
7.如权利要求1所述的径流式涡轮机，其特征在于，在所述喷嘴叶片的出口后缘部，使宽度方向的两端部附近，从宽度方向的中央部向喷嘴叶片的压力面侧、在2度～8度的范围内在使翼角度立起的方向鼓出。
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