CN105308272B - 半径流入式轴流涡轮机以及涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

提供能够抑制由翼尖泄漏引起的轮机效率降低的半径流入式轴流涡轮机以及具备该半径流入式轴流涡轮机的涡轮增压器。半径流入式轴流涡轮机具有：涡形管部，用于将流入壳体(40)内部的工作流体沿着旋转轴的周向旋转；壳体，具备弯头部(52)，该弯头部用于将从所述涡形部面对径向内侧的所述工作流体的流动改变为沿着轴向的方向，引导至动翼。所述弯头部至少在比所述动翼的前缘(36)的轮毂侧的部位(36H)更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面(60)。沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状，在位于动翼附近的位置Xz具有最小曲率半径Rmin，在比该位置Xz更位于上游侧具有曲率半径R(>Rmin)。

Description

半径流入式轴流涡轮机以及涡轮增压器
技术领域
本公开关于半径流入式轴流涡轮机以及涡轮增压器。
背景技术
近年，进行着使工作流体在轴向流动作用于涡轮叶轮的动翼，使该涡轮叶轮旋转的半径流入式轴流涡轮机的开发。这样的半径流入式轴流涡轮机被认为在例如期望由低惯性化(低イナーシャ化)实现涡轮延迟(ターボラグ)降低的机动车用涡轮增压器等小型增压器中有用。
专利文献1中公开了具有半径流入式轴流涡轮机的涡轮增压器，该半径流入式轴流涡轮机被以来自涡形部的排气朝大致轴向作用于涡轮翼片的前缘的方式构成。
另外，虽然不是跟轴流涡轮机相关的装置，专利文献2中，公开了增压器用斜流涡轮机，该斜流涡轮机将来自涡形管室的排气引导至具有相对于轴向倾斜形成的上升边部的涡轮叶轮。另外，斜流涡轮机具有辅流式涡轮机和轴流涡轮机中间的性质。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第4850820号说明书
专利文献2：(日本)特开平9-144550号公报
发明内容
发明要解决的问题
可是，因为需要回避典型的轴流涡轮机中动翼的翼尖和壳体的内壁面的接触，动翼翼尖和壳体内壁面之间设置有间隙(翼尖间隙)。因此，轴流涡轮机使用时，由于动翼的正压面侧(腹侧)和负压面侧(背侧)之间产生压力差，可能引起以该压力差为驱动力经由翼尖间隙的工作流体的泄漏(翼尖泄漏)。
特别是，机动车用涡轮增压器等所使用的小型轴流涡轮机中，翼尖间隙相对于翼长(翼高)的比值有变大的倾向，不能够无视由翼尖泄漏引起的轮机效率的降低。
另外，小型轴流涡轮机中，翼尖间隙相对于翼长的比值有着变大倾向，是根据下面的理由:
即，翼尖间隙的大小考虑到轴流涡轮机运行中设想的振动和能够旋转地支承轴流涡轮机旋转轴的轴承的加工精度而被设定。因此，随着翼长的尺寸减小相应地减小翼尖间隙是有限度的，在小型轴流涡轮机中，相对于动翼的翼长，翼尖间距相对地变大。
专利文献1中没有公开用于抑制轴流涡轮机中翼尖泄漏的构成。
另外，专利文献2中记载的增压器用轮机不是轴流涡轮机而是斜流涡轮机，被从涡形管室引导至动翼的排气的流动与轴流涡轮机的流动有很大不同。因此，专利文献2中，甚至不存在关于用于抑制轴流涡轮机中翼尖泄漏的构成的启发。
因此，本发明的几个实施方式，目的是提供能够抑制由翼尖泄漏引起的轮机效率降低的半径流入式轴流涡轮机以及具备该半径流入式轴流涡轮机的涡轮增压器。
用于解决课题的技术方案
本发明的几个实施方式中的半径流入式轴流涡轮机，
是用于从工作流体具有的能量回收动力的半径流入式轴流涡轮机，
具备：
旋转轴，朝所述轴流涡轮机的轴向延伸；
涡轮叶轮，被以具有面对所述轴流涡轮机径向的外侧从动翼根部(轮毂)至动翼前端(翼尖)延伸的多个动翼并以与所述旋转轴一体旋转的方式构成；
壳体，具有：涡形部，用于将流入壳体内部的所述工作流体沿着所述旋转轴的周向旋转；弯头部，该弯头部用于将从所述涡形部面对所述径向内侧的所述工作流体的流动变向成沿着所述轴向的方向，引导至所述动翼。
所述弯头部至少在比所述动翼的前缘的轮毂侧的部位更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面(弯头部的内壁面中轴流涡轮机径向外侧的翼尖侧部位)，
沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状，具有：
当所述弯曲形状的开始点的所述轴向的位置设为X＝0、所述动翼前端的所述前缘的所述轴向的位置设为X＝X0、沿着所述动翼前端的所述动翼的所述轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的所述轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的所述轴向的下游侧位置之间的位置Xz具有最小曲率半径，并且，在比所述位置Xz更位于所述轴向的上游侧，具有比所述最小曲率半径大的曲率半径。
所述半径流入式轴流涡轮机中，沿着弯头部的翼尖侧内壁面的轴向的弯曲形状，在动翼前缘附近的轴向位置Xz具有最小曲率半径，所以弯头部流动的工作流体通过轴向位置Xz时，由最小曲率半径引起的离心力形成了从翼尖侧到轮毂侧的压力分布(压力梯度)。即，由于最小曲率半径引起的离心力，在翼尖侧工作流体的压力减小的同时，在轮毂侧工作流体的压力增大，形成工作流体的所述压力梯度。因此，随着在翼尖侧压力减小，工作流体的速度(轴向速度成分)增大。由此，在翼尖侧，作用于动翼的工作流体的相对速度向量的轴向速度成分增大的结果是工作流体流动的转向角(作用于动翼的工作流体的相对速度向量和从动翼流出的工作流体的相对速度向量所成的角度)变小。因此，随着流动的转向角的减小，翼尖侧的动翼的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙的工作流体的泄漏被抑制，涡轮效率提高。
另外，所述半径流入式轴流涡轮机中，用弯头部的形状变更这种简单的方法能够有效地抑制翼尖泄漏是因为，在位置Xz具有最小曲率半径的弯头部至少在比动翼前缘中的轮毂侧部位更位于轴向上游侧区域具有弯曲形状的翼尖侧内壁面。换句话说，正因为在能够有助于来自涡形部的工作流体流动的变向的部位(动翼前缘的轮毂的上游侧区域)也存在一部分弯曲形状的翼尖侧内壁面，能够利用位置Xz的最小曲率半径引起的离心力，增大工作流体的轴向速度成分，该工作流体在沿着翼尖侧内壁面被变向的同时流动，减小翼尖侧的流动的转向角。
几种实施方式中，所述动翼前端不经由密封部件朝向所述壳体的内壁面，所述动翼前端和所述壳体的所述内壁面之间形成有间隙。
如此，即使在动翼翼尖和壳体内壁面之间的间隙(翼尖间隙)不存在密封部件的情况下，所述半径流入式轴流涡轮机中，通过使用在位置Xz具有最小曲率半径的弯头部，能够抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。因此，能够维持涡轮效率的同时省略密封部件。例如，即使很多在翼尖间隙设置有迷宫式密封圈等密封部件的较大型轴流涡轮机中，也有着能够在维持涡轮效率的同时省略密封部件的可能性。如果能够省略密封部件，变得能够降低轴流涡轮机的制造成本之外，还不需要密封部件的维护。
几种实施方式中，所述弯曲形状具有所述位置Xz的上游侧的第1直线部和所述位置Xz的下游侧的第2直线部交叉的不连续点，所述不连续点在所述位置Xz具有所述最小曲率半径。
如此，通过由第1直线部和第2直线部的交点实现位置Xz的最小曲率半径，与通过复杂的曲面形状实现位置Xz的最小曲率半径的情况相比能够大幅简化弯曲形状，降低轴流涡轮机的加工成本。另外，与通过复杂的曲面形状实现最小曲率半径的情况相比，因为实际形成最小曲率半径的位置Xz不受弯头部的加工精度的影响而被正确地确定，所以能够确实得到由位置Xz的最小曲率半径实现的预期的翼尖泄漏抑制效果。
几种实施方式中，所述弯头部的所述弯曲形状至少在0≤X≤Xz的所述轴向的位置范围，具有大小不同的两个以上的曲率半径，所述两个以上的曲率半径在所述位置范围内，从所述轴向的上游侧朝下游侧以曲率半径变小的顺序排列。
该情况下，在所述位置范围(0≤X≤Xz)从上流侧朝下流侧弯曲形状的曲率半径逐渐减小，在最下游侧的轴向位置Xz，弯曲形状的曲率半径为最小。由此，能够使工作流体直接作用于动翼，该工作流体具有由轴向位置Xz的最小曲率半径引起的大离心力形成的所述压力梯度。其结果是，能够有效减小作用于动翼的工作流体的翼尖侧的流动转向角。由此，能够有效抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
几种实施方式中，所述弯头部的所述翼尖侧内壁面的部分，由设置于所述位置Xz的凸部形成，该凸部以从该翼尖侧内壁面的其它部分向所述径向内侧突出的方式设置，所述凸部的突起端具有所述最小曲率半径。
该情况下，通过改变凸部的形状能够容易地调整最小曲率半径。另外，与不具有凸部的弯头部相比，通过凸部容易实现更小的最小曲率半径，能够有效抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
一实施方式中，所述凸部具有从所述翼尖侧内壁面的所述其它部分向所述径向内侧延伸的环状板部，所述环状板部的突起端的边缘具有所述最小曲率半径。
该情况下，通过环状板部能够简单实现具有期望最小曲率半径的弯曲形状。
一实施方式中，所述突起端比所述动翼前端更位于所述径向外侧。
该情况下，由于凸部的突起端比动翼的翼尖更位于径向外侧，即使在凸部的尾流形成漩涡，该漩涡产生的影响实质上没有波及动翼。因此，能够防止由凸部产生的漩涡所引起的涡轮效率降低的同时，享有具有由最小曲率半径的凸部实现的翼尖泄漏抑制效果。
其它的实施方式中，所述凸部被设置于比所述动翼前端更位于轴向上游侧，所述突起端位于比所述动翼前端更位于所述径向的内侧，所述壳体可分割为含有所述凸部的第1部分和该第1部分下游侧的第2部分。
该情况下，虽然可能发生由凸部的尾流形成的漩涡所引起的涡轮效率降低，但是能够预见由凸部的最小曲率半径实现的翼尖泄漏抑制效果所引起的涡轮效率的提高。另外，通过采用可分割为含有所述凸部的第1部分和第1部分下游侧的第2部分的壳体，能够提高轴流涡轮机的组装性。
几种实施方式中，所述动翼的翼尖面以从所述前缘朝向后缘、所述动翼的翼长(翼高)逐渐变大的方式相对于所述轴向倾斜，所述壳体的内壁面沿着所述动翼的所述翼尖面相对于所述轴向倾斜。
剥离强烈受到动翼前缘上游侧的壳体(罩)的内壁面倾斜的影响。但是，本实施例中，尽管动翼前缘上游侧的罩形状不改变，即，脱离的风险和以往的一样，但是能够进一步减小弯头部的最小曲率半径，有效地防止翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
几种实施方式中，所述壳体在对应于涡轮叶轮出口的所述轴向位置具有朝径向内侧突出的突出部。
该情况下，在涡轮叶轮的出口附近经由翼尖间隙的工作流体的泄漏路径由壳体的突出部堵住，所以能够更进一步抑制工作流体的翼尖泄漏。
几种实施方式中，沿着与所述动翼前端相对的所述壳体的内壁面的所述轴向的形状，在所述弯头部的上游侧端的位置X＝0和从所述动翼的所述动翼前端的后缘朝所述轴向的下游侧仅偏离距离D＝1.5×W的位置之间，至少具有一个负值曲率半径。
本发明的几种实施方式中的涡轮增压器，具备：
半径流入式轴流涡轮机，以由来自所述内燃机的排气驱动的方式构成；
压缩机，以由所述轴流涡轮机驱动、压缩送往内燃机的吸气的方式构成，
所述轴流涡轮机，具有：
旋转轴，在所述轴流涡轮机的轴向延伸；
涡轮叶轮，具有面对所述轴流涡轮机径向的外侧从动翼根部至动翼前端延伸的多个动翼并以与所述旋转轴一体旋转的方式构成；
壳体，具有：涡形部，用于将流入壳体内部的所述工作流体沿着所述旋转轴的周向旋转；弯头部，该弯头部用于将从所述涡形部面对所述径向内侧的所述工作流体的流动变向成沿着所述轴向的方向，引导至所述动翼，
所述弯头部至少在比所述动翼的前缘的轮毂侧的部位更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面，
沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状，具有：
当所述弯曲形状的开始点的所述轴向的位置设为X＝0、所述动翼前端的所述前缘的所述轴向的位置设为X＝X0、沿着所述动翼前端的所述动翼的所述轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的所述轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的所述轴向的下游侧位置之间的位置Xz具有最小曲率半径，并且，在比所述位置Xz更位于所述轴向的上游侧，具有比所述最小曲率半径大的曲率半径。
根据所述涡轮增压器，沿着半径流入式轴流涡轮机的翼尖侧内壁面的轴向的弯曲形状，在动翼前缘附近的轴向位置Xz具有最小曲率半径，所以弯头部流动的工作流体通过轴向位置Xz时，由最小曲率半径引起的离心力形成了从翼尖侧(低压侧)到轮毂侧(高压侧)的压力分布。因此，在翼尖侧伴随着压力减小工作流体的速度(轴向速度成分)增大，工作流体流动的转向角变小。因此，翼尖侧的动翼的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙的工作流体的泄漏被抑制，涡轮效率提高。
本发明的几种实施方式中的半径流入式轴流涡轮机，是用于从工作流体具有的能量回收动力的半径流入式的轴流涡轮机，具备：
旋转轴，在所述轴流涡轮机的轴向延伸；
涡轮叶轮，具有面对所述轴流涡轮机径向的外侧从动翼根部至动翼前端延伸的多个动翼并以述旋转轴一体旋转的方式构成；
壳体，具有：涡形部，用于将流入壳体内部的所述工作流体沿着所述旋转轴的周向旋转；弯头部，该弯头部用于将从所述涡形部面对所述径向内侧的所述工作流体的流动变向成沿着所述轴向的方向，引导至所述动翼，
所述弯头部至少在比所述动翼的前缘的轮毂侧的部位更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面，
沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状，包含：
第1直线部；相对于该第1直线部位于所述轴向下游侧的第2直线部；所述第1直线部和所述第2直线部交叉的角部。
根据所述半径流入式轴流涡轮机，沿着翼尖侧内壁面轴向的弯曲形状，具有第1直线部和其下游侧的第2直线部交叉的角部，所以工作流体通过该曲率半径极小的角部时，由角部引起的离心力形成了遍及从翼尖侧(低压侧)到轮毂侧(高压侧)的压力分布。因此，在翼尖侧，随着压力减小工作流体的速度(轴向速度成分)增大，工作流体流动的转向角变小。因此，翼尖侧的动翼的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙的工作流体的泄漏被抑制，涡轮效率提高。另外，主要由第1直线部和第2直线部构成的弯头部加工容易，能够降低轴流涡轮机的加工成本。
另外，所述半径流入式轴流涡轮机中，用弯头部的形状变更这种简单的方法能够有效地抑制翼尖泄漏是因为，具有产生工作流体的压力梯度的角部的弯头部，至少在比动翼前缘中的轮毂侧部位更位于轴向上游侧区域具有翼尖侧内壁面。换句话说，正因为在能够有助于来自涡形部的工作流体流动的变向的部位(动翼前缘的轮毂的上游侧区域)形成弯曲形状的翼尖侧内壁面，能够利用角部引起的大离心力增大工作流体的轴向速度成分，该工作流体在沿着翼尖侧内壁面被变向的同时流动，减小翼尖侧的流动的转向角。
几种实施方式中，当所述弯曲形状的开始点的所述轴向的位置设为X＝0、所述动翼前端的所述前缘的所述轴向的位置设为X＝X0、沿着所述动翼前端的所述动翼的所述轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的所述轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的所述轴向的下游侧位置之间的位置Xz配置有所述角部。
由此，作用于动翼的工作流体的遍及从翼尖侧到轮毂侧的压力分布(压力梯度)被由角部引起的离心力恰当地形成。因此，引起翼尖侧的转向角的减小，动翼的背侧和腹侧的压力差变小，翼尖泄漏被有效地抑制。
发明的效果
根据本发明的几种实施方式，通过设法改变弯头部的形状，由作用于动翼的工作流体形成遍及从翼尖侧到轮毂侧的压力分布(压力梯度)，在翼尖侧伴随着压力减小，工作流体的速度(轴向速度成分)增大。因此，翼尖侧上工作流体的流动转向角变小，动翼的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙的工作流体的泄漏被抑制。因此，能够抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率的降低。
附图说明
图1是本发明的一实施方式中的涡轮增压器的概要剖视图。
图2是一实施方式中的轴流涡轮机的概要剖视图。
图3A是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3B是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3C是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3D是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3E是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3F是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3G是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3H是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3I是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3J是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3K是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3L是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3M是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3N是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图3O是一实施方式中的轴流涡轮机的弯头部周围的概要剖视图。
图4A是表示实施方式中图3A～图3O的区域Z的翼尖侧速度三角形的图。
图4B是表示与图4A相同的比较例中的翼尖侧的速度三角形的图。
图5是用于说明一实施方式中的工作流体的流动转向角的图。
图6是参考例的斜流涡轮机的概要剖视图。
具体实施方式
下面，关于本发明的实施方式基于附图进行详细说明。
但是，本发明的范围不限定于下面的实施方式。下面的实施方式中记载的构成部件的尺寸、材质、性质、相对配置等，目的并不是仅限定于本发明的范围，只不过是说明例。
图1是本发明一实施方式的涡轮增压器的概要剖视图。图1表示的涡轮增压器1，如果是用于将吸气强制送入内燃机的增压器，则没有被特别地限定，例如可以是机动车用的涡轮增压器，也可以是船舶用的涡轮增压器。
几个实施方式中，如图1所示，涡轮增压器1具备轴流涡轮机10和由轴流涡轮机10驱动的压缩机20。轴流涡轮机10以由未图示的内燃机的排气驱动的方式构成。另一方面，压缩机20以由轴流涡轮机10驱动、压缩送往内燃机的吸气的方式构成。
轴流涡轮机10具有在轴向延伸的旋转轴12和能够与旋转轴12一体旋转的涡轮叶轮14。如此，作为高温高压的工作流体的来自内燃机的排气所具有的能量如果通过涡轮叶轮14回收，则涡轮叶轮14以及旋转轴12变为一体旋转。
图1所示的举例的实施方式中，轴流涡轮机10的旋转轴12通过轴承16被壳体40能够旋转地支承。另外，旋转轴12隔着轴承16在相对于轴流涡轮机10轴向的相反侧，连接于压缩机20的压缩机叶轮22。
涡轮叶轮14被设置多个动翼(涡轮翼片)30。动翼30从轮毂32面对翼尖34朝轴流涡轮机10的径向外侧延伸。另外，在轮毂32和翼尖34之间，动翼30具有由腹侧面(正压面)和背侧面(负压面)形成的翼型。形成翼型的腹侧面和背侧面，在轴向上游侧相互连接形成前缘36，并且，在轴向下游侧相互连接形成后缘38。
一实施方式中，通过连接作为分体形成的旋转轴12和涡轮叶轮14，旋转轴12和涡轮叶轮14被以一体旋转的方式构成。其它的实施方式中，旋转轴12和涡轮叶轮14形成为一体物(单件single piece)的结果是，旋转轴12和涡轮叶轮14变为一体旋转。
涡轮叶轮14由壳体40覆盖。图1所示的举例的实施方式中，壳体40具有能够分割为由涡轮壳体42、轴承壳体44和压缩机壳体46组成的三部分的结构。涡轮壳体42主要以覆盖涡轮叶轮14的方式配置。轴承壳体44，主要以覆盖轴承16的方式配置。压缩机壳体46，主要以覆盖压缩机叶轮22的方式配置。
另外，分割为壳体40的各个部分(42，44，46)的分割线的位置，不被特别地限定，考虑到涡轮增压器1的组装性而被适当地设定。另外，壳体40的分割部分的个数不限定于3个，壳体40也可以分割为3以外(例如4个以上)个数的分割部分。
壳体40(图1所示实施方式中是涡轮壳体42)具有用于将排气引导至壳体40内的涡形部50和用于将来自涡形部50的排气引导至动翼30的弯头部52。
涡形部50以将从排气入口部51流入的排气(参照箭头a)朝旋转轴12的周向旋转的方式构成。该排气的旋转气流从涡形部50面对轴流涡轮10的径向内侧流出。从涡形部50流出的排气由弯头部52引导至动翼30。此时，来自涡形管50的排气的面对径向内侧的流动，由弯头部52变向为沿着轴流涡轮机10轴向的方向。如此由弯头部52变向的排气作用于动翼30，使涡轮叶轮14旋转。然后，对涡轮叶轮14进行做功后的排气，从设置于壳体40(图1所示实施方式中的涡轮壳体42)的出气口部54排出。
轴流涡轮机10的旋转轴12如上所述，隔着轴承16在相对于轴流涡轮机10轴向的相反侧，连接于压缩机20的压缩机叶轮22。因此，来自涡轮叶轮14的转矩经由旋转轴12输入至压缩机叶轮22。因此，如果涡轮叶轮14以从排气回收的能量作为动力旋转，则压缩机叶轮22变为与涡轮叶轮14一起旋转。
壳体40(图1所示实施方式中是压缩机壳体46)上，设置有用于将空气引导至壳体40内的空气入口部58。来自空气入口部58的空气，被引导至旋转的压缩机叶轮22的多个翼轮24，在通过翼轮24时被压缩。由压缩机叶轮22压缩的空气(压缩空气)，被从设置于壳体40(图1所示实施方式中是压缩机壳体46)的压缩空气出口部(涡形管)56排出，送入内燃机。
下面，更详细地说明关于轴流涡轮机10的弯头部52的弯曲形状。图2是一实施方式中的轴流涡轮机10的概要剖视图。图3A～图3O是一实施方式中的轴流涡轮机10的弯头部周围的概要剖视图。另外，图3A～图3O中，X轴是平行于轴流涡轮机10的轴向的坐标系，弯头部52的弯曲形状的开始点的轴向位置设为原点(X＝0)。
几种实施方式中，如图2所示，弯头部52至少在区域52A具有弯曲形状的翼尖侧内壁面60，所述区域52A比动翼30的前缘36中的轮毂32侧部位36H更位于轴向上游侧。即，弯头部52的弯曲形状的翼尖侧内壁面60至少存在于比动翼30的部位36H更位于轴向上游侧的区域52A内。
弯曲形状的翼尖侧内壁面60可以设置遍及于区域52A全体也可设置于区域52A的部分。另外，弯曲形状的翼尖侧内壁面60也可从区域52A朝下游侧延伸，终止于比动翼30的部位36H更靠轴向下游侧位置。
另外，这里所说的翼尖侧内壁面60指的是，形成了轴流涡轮机10中的工作流体通道的一部分的弯头部52的内壁面中的位于涡轮径向外侧的翼尖34侧的部位。另一方面，弯头部52的内壁面中的位于涡轮径向内侧的轮毂32的部位是轮毂侧内壁面62，轮毂侧内壁面62跟翼尖侧内壁面60相对。基本上，相对于翼尖侧内壁面60全体是凸面，轮毂侧内壁面62全体是凹面，但是翼尖侧内壁面60也可部分由凹面形成，轮毂侧内壁面62也可部分由凸面形成。
几种实施方式中，翼尖侧内壁面60的沿着涡轮轴向的弯曲形状，如图3A～图3O所示，在位置Xz具有以最小曲率半径Rmin规定的曲率最大部64，在比位置Xz更位于轴向上游侧并且具有以曲率半径R规定的部位66。曲率半径R比曲率最大部64的最小曲率半径Rmin大(即R>Rmin)。几种实施方式中，曲率最大部64所配置的位置Xz存在于以Xupstu＝X0–0.5W表示的涡轮轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的涡轮轴向的下游侧位置之间。但是，W是动翼翼尖宽度，是翼尖34的动翼30的涡轮轴向(X方向)的宽度。另外，位置X0是翼尖34的前缘36的轴向位置(即前缘36当中翼尖侧的部位36T的轴向位置)。
如此，在动翼前缘附近的轴向位置Xz存在具有最小曲率半径Rmin的曲率最大部64的情况下，弯头部52流动的工作流体通过动翼前缘附近的轴向位置Xz时，工作流体受到最小曲率半径Rmin引起的离心力的影响。因此，在曲率最大部64附近的区域Z(从曲率最大部64看最小曲率半径Rmin的径向延伸线上的区域)，由于曲率最大部64的最小曲率半径Rmin引起的离心力，形成了遍及从翼尖侧到轮毂侧的压力分布(压力梯度)。即，由于最小曲率半径Rmin引起的离心力，在区域Z的翼尖侧工作流体的压力PTip减小，在区域Z的轮毂侧工作流体的压力PHub增大。因此，随着在区域Z的翼尖侧压力减小，工作流体的速度(轴向速度成分)增大。由此，作用于动翼30的翼尖侧的工作流体流动的转向角变小。因此，随着流动的转向角的减小，翼尖侧的动翼30的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙35的工作流体的泄漏被抑制，涡轮效率提高。另外，翼尖间隙35是形成于翼尖34和壳体40的内壁面之间的间隙。
像这种弯头部52的最小曲率半径Rmin的离心力引起的翼尖泄漏的抑制效果，如果最小曲率半径Rmin的位置是动翼前缘的附近就能够享有，最小曲率半径Rmin的轴向位置Xz可以相对于动翼30的部位36T存在于上游侧，也可以相对于部位36T存在于下游侧。
图3A、图3C～图3D、以及图3F～图3O所示的举例的实施方式中，在轴向位置Xz以最小曲率半径Rmin规定的曲率最大部64，存在于相对于动翼30的部位36T是上游侧的Xupst<Xz<X0的范围内。另一方面，图3B和图3E所示的举例的实施方式中，在轴向位置Xz以最小曲率半径Rmin规定的曲率最大部64，存在于相对于动翼30的部位36T是下游侧的X0<Xz<Xupst的范围内。
另外，一实施方式中，曲率最大部64的轴向位置Xz被设定在X0–0.35W≤X0≤X0+0.35W的范围内。该情况下，曲率最大部64被配置于动翼前缘附近范围，所以最小曲率半径Rmin引起的离心力所产生的抑制翼尖泄漏的效果进一步提高。
另外，如果将曲率最大部64的轴向位置Xz设定为X0–0.2W≤X0≤X0+0.2W的范围内，能够更进一步有效地抑制翼尖泄漏。
几种实施方式中，在形成于翼尖34和壳体40的内壁面之间的间隙(翼尖间隙35)没有设置密封部件，翼尖34不经由密封部件面对壳体40的内壁面。
如此，即使在翼尖间隙35不存在密封部件的情况下，如果使用在轴向位置Xz具有最小曲率半径Rmin的弯头部52，则也能够抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。因此能够在维持涡轮效率的同时省略密封部件。例如，即使很多在翼尖间隙设置有迷宫式密封圈等密封部件的较大型轴流涡轮机中，也有着能够在维持涡轮效率的同时省略密封部件的可能性。如果能够省略密封部件，变得能够降低轴流涡轮机的制造成本之外，还不需要密封部件的维护。
这里利用图4A和图4B以及图5，更详细地说明关于由弯头部52的最小曲率半径Rmin引起的离心力的涡轮效率改善效果。
图4A是表示实施方式中的区域Z的翼尖侧的速度三角形的图，该实施方式中弯头部52在动翼前缘附近的轴向位置Xz具有曲率最大部64，在位置Xz的轴向上游侧具有部位66。图4B是表示区域Z的翼尖侧的速度三角形的图，该区域Z是弯头部的翼尖侧内壁面的曲率半径与轴向位置无关为定值的比较例的区域Z。图5是用于说明一实施方式中的工作流体的流动转向角的图。
如图4A和图4B所示，如果使用实施方式的弯头部52，则跟比较例相比，作用于动翼30的绝对速度向量V的轴向速度成分vx增大。另一方面，绝对速度V的周向速度成分vc基本上是通过涡形管50施加于工作流体的速度，与弯头部52的形状无关。因此，在实施方式的情况(图4A)和比较例(图4B)之间，绝对速度向量V的周向速度成分vc上没有区别。因此，实施方式中，从绝对速度向量V减去动翼30的周速度向量Vr得到的相对速度向量V*相对于涡轮轴向所成角度(流入角)A小。因此，根据实施方式，作用于动翼30的翼尖34侧的工作流体的流动转向角B(参照图5)与比较例相比变小，经由翼尖间隙35的工作流体的泄漏被抑制，涡轮效率被改善。
几种实施方式中，如图3D～图3F所示，翼尖侧内壁面60的弯曲形状具有轴向位置Xz的上游侧的第1直线部68和轴向位置Xz的下游侧的第2直线部69交叉的不连续点。然后，由该不连续点，形成了以最小曲率半径Rmin规定的曲率最大部64。该情况下，曲率最小半径Rmin实质上是0(0或者接近0的值)。
另一方面，以比位置Xz更位于轴向上游侧的曲率半径R(>Rmin)规定的部位66，由第1直线部68形成。该情况下，曲率半径R实质上是无限大。
如图3D～图3F所示的举例的实施方式，如果通过第1直线部68和第2直线部69的交点实现轴向位置Xz的最小曲率半径Rmin(≈0)，则与通过复杂的曲面形状实现位置Xz的最小曲率半径的情况相比能够大幅简化弯曲形状，降低轴流涡轮机10的加工成本。另外，与通过复杂的曲面形状实现最小曲率半径的情况相比，因为实际形成最小曲率半径Rmin的轴向位置Xz不受弯头部52的加工精度的影响而被正确地确定，所以能够确实得到由位置Xz的最小曲率半径Rmin实现的预期的翼尖泄漏抑制效果。
几种实施方式中，如图3G所示，翼尖侧内壁面60的弯曲形状至少在0≤X≤Xz的轴向的位置范围，具有包含最小曲率半径Rmin的两个以上的曲率半径。然后，这些两个以上的曲率半径在0≤X≤Xz的轴向的位置范围，从轴向的上游侧朝下游侧以曲率半径变小的顺序配置。
该情况下，在所述位置范围(0≤X≤Xz)从上流侧朝下流侧弯曲形状的曲率半径逐渐减小，在最下游侧的轴向位置Xz弯曲形状的曲率半径为最小(最小曲率半径Rmin)。由此，能够使工作流体直接作用于动翼30，该工作流体具有由轴向位置Xz的最小曲率半径Rmin引起的大离心力形成的、区域Z的压力梯度。因此，能够有效减小作用于动翼30的工作流体的翼尖侧的流动转向角。由此，能够有效抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
另外，在图3G所示的举例的实施方式中，在0≤X≤Xz的轴向位置范围，四个曲率半径R1、R2、R3、Rmin从轴向的上游侧朝下游侧排列，满足R1＞R2＞R3＞Rmin的关系。
几种实施方式中，如图3H～图3N所示，弯头部52的翼尖侧内壁面60的部分，由设置于轴向位置Xz的凸部70形成。该凸部70从翼尖侧内壁面60的其它部分向轴流涡轮机10的径向内侧突出设置。然后，由最小曲率半径Rmin规定的曲率最大部64被设置于凸部70的前端(突起端)。
该情况下，通过改变凸部70的形状能够容易地调整最小曲率半径Rmin。另外，与不具有凸部70的弯头部52相比，通过凸部70容易实现更小的最小曲率半径Rmin，能够有效抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
几种实施方式中，凸部70与翼尖侧内壁面60的其它部分是分体形成。图3L～图3N所示的举例的实施方式中，凸部70具有从翼尖侧内壁面60的其它部分向径向内侧延伸的环状板部72，由环状板部72的前端(突起端)的边缘形成了曲率最大部64。
该情况下，通过作为凸部70的环状板部70的突起端的边缘形状，能够任意调节最小曲率半径Rmin，能够简单实现具有期望最小曲率半径Rmin的弯曲形状。
另外，环状板部72如图3L和图3M所示可以被平行于轴流涡轮机10的径向设置，也可以如图3N所示被相对于轴流涡轮的径向倾斜设置。
几种实施方式中，如图3H、图3K、图3L和图3N所示，具有最小曲率半径Rmin的凸部70的突起端比动翼30的翼尖34更位于轴流涡轮机10的径向外侧。
该情况下，即使在凸部70的尾流形成漩涡，实质上也能够无视该漩涡给动翼30带来的影响。因此，能够防止由凸部70产生的漩涡所引起的涡轮效率降低。
其它的实施方式中，如图3I～图3J以及图3M所示，具有最小曲率半径Rmin的凸部70的突起端比动翼30的翼尖34更位于轴流涡轮机10的径向内侧。
该情况下，虽然可能发生由凸部70的尾流形成的漩涡所引起的涡轮效率降低，但是能够预见凸部70的最小曲率半径Rmin实现的翼尖泄漏抑制效果所引起的涡轮效率的提高。因此整体有能够改善涡轮效率的可能性。
另外，凸部70被设置于比动翼30的翼尖34更位于轴向上游侧，凸部70的突起端比翼尖34更位于径向内侧。在该情况下轴流涡轮机10组装时，凸部70和动翼30的干涉可能成为问题。
因此，如图3J所示，壳体40也可以被分割为含有凸部70的第1部分40A，和位于第1部分40A的下游侧的第2部分40B。由此，即使在凸部70比动翼30的翼尖34更位于轴向上游侧、凸部70的突起端比翼尖34更位于径向内侧的情况下，也能够容易地进行轴流涡轮机10的组装作业。
几种实施方式中，如图3O所示，动翼30的翼尖面以从前缘36朝向后缘38、动翼30的翼长逐渐变大的方式相对于轴流涡轮机10的轴向倾斜。该情况下，壳体40的内壁面也沿着动翼30的翼尖面相对于轴流涡轮机10的轴向倾斜。
由此，能够抑制工作流体的流动从壳体40的内壁面剥离。因此，能够降低工作流体流动的剥离风险的同时，进一步减小弯头部52的最小曲率半径Rmin，更有效地防止翼尖泄漏引起的涡轮效率降低。
几种实施方式中，如图3C、图3F以及图3K所示，壳体40在对应于涡轮叶轮14出口的轴向位置具有向轴流涡轮机10的径向内侧突出的突出部74。
该情况下，在涡轮叶轮14的出口附近，经由翼尖间隙35的工作流体的泄漏路径由壳体40的突出部74堵住，所以能够更进一步抑制工作流体的翼尖泄漏。
几种实施方式中，如图3K所示，沿着与动翼30的翼尖34相对的壳体40的内壁面的轴流涡轮机10的轴向的形状，在弯头部52的上游侧端的位置X＝0和位置XF之间，至少具有一个负值曲率半径，该位置XF从动翼30的翼尖34的后缘38朝轴向的下游侧仅偏离距离D＝1.5×W。
这里，负值的曲率半径所说的是壳体40的内壁面向轴流涡轮机10的径向外侧凹陷的曲率半径。图3K所示的举例的实施方式中，壳体40的内壁面在0≤X≤XF的位置范围具有用箭头表示的四处负值曲率半径。
如以上说明的，根据所述的实施方式，通过设法改变弯头部52的形状，由作用于动翼30的工作流体形成遍及从翼尖侧到轮毂侧的压力分布(压力梯度)，在翼尖侧伴随着压力减小，工作流体的速度(轴向速度成分)增大。因此，翼尖侧上工作流体的流动转向角变小，动翼30的背侧和腹侧的压力差减小，经由翼尖间隙35的工作流体的泄漏被抑制。因此，能够抑制翼尖泄漏引起的涡轮效率的降低。
另外，小型的轴流涡轮机中相对于动翼的翼长，翼尖间隙有着相对变大的倾向，所以如所述实施方式的通过设法改变弯头部52的形状能够抑制翼尖泄漏的方案，在小型轴流涡轮机的情况下特别有用。
以上关于本发明的实施方式进行了说明，本发明不限定于所述实施方式，可进行多种不脱离本发明目的范围的变更。
例如，所述实施方式中，关于使用涡轮增压器1的轴流涡轮机10进行了说明，关于轴流涡轮机10的所述内容，能够适用于用于从工作流体具有的能量回收动力的半径流入式的任意的轴流涡轮机。
另外，所述实施方式中，关于轴流涡轮机10进行了说明，该轴流涡轮机10的弯头部52的翼尖侧内壁面60至少存在于比动翼30的前缘36中的轮毂侧的部位36H更位于轴向上游侧的区域52A，关于斜流涡轮机，也能够适用和本发明类似的技术。
图6是参考例的斜流涡轮机的概要剖视图。如图6所示，斜流涡轮机100具备在轴向延伸的旋转轴112、以与该旋转轴112一体旋转的方式构成的涡轮叶轮114、覆盖涡轮叶轮114的壳体140。壳体140具有用于将流入壳体140的工作流体沿着旋转轴112的周向旋转的涡形部150。另外，壳体140的弯头部152位于涡形部150和涡轮叶轮114之间。弯头部152的翼尖侧内壁面160，不比动翼80的前缘86中的轮毂82侧的部位86H更朝轴向上游侧延伸，比该部位86H更位于轴向下游侧。在该点上，斜流涡轮机100与所述轴流涡轮机10不同。如图3A～图3O所示的实施方式的弯曲形状，也能够适用于斜流涡轮机100的弯头部152的弯曲形状。即，沿着翼尖侧内壁面160的涡轮轴向的弯曲形状，当该弯曲形状的开始点的轴向位置设为X＝0、翼尖84的前缘86的轴向位置设为X＝Xo、沿着翼尖84的动翼80的轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的轴向的下游侧位置之间的位置Xz上具有最小曲率半径Rmin，并且，在比所述位置Xz更位于轴向的上游侧，也可具有曲率半径R(R＞Rmin)。在该情况下也能够享有和本发明相同的效果。
附图标记说明
1 涡轮增压器
10 轴流涡轮机
12 旋转轴
14 涡轮叶轮
16 轴承
20 压缩机
22 压缩机叶轮
24 翼轮
30 动翼
32 轮毂
34 翼尖
35 翼尖间隙
36 前缘
38 后缘
40 壳体
40A 第1部分
40B 第2部分
42 涡轮壳体
44 轴承壳体
46 压缩机壳体
50 涡形部
52 弯头部
54 出气口部
60 翼尖侧内壁面
62 轮毂侧内壁面
64 曲率最大部
70 凸部
72 环状板部
74 突出部
80 动翼
82 轮毂
84 翼尖
86 前缘
100 斜流涡轮机
112 旋转轴
114 涡轮叶轮
140 壳体
150 涡形部
160 弯头部

Claims (12)

1.一种半径流入式轴流涡轮机，是用于从工作流体具有的能量回收动力的半径流入式的轴流涡轮机，其特征在于，具备：
旋转轴，在所述轴流涡轮机的轴向延伸；
涡轮叶轮，具有面对所述轴流涡轮机径向的外侧从动翼根部至动翼前端延伸的多个动翼，并以与所述旋转轴一体旋转的方式构成；
壳体，具有：涡形部，用于将流入壳体内部的所述工作流体沿着所述旋转轴的周向旋转；弯头部，该弯头部用于将从所述涡形部面对所述径向内侧的所述工作流体的流动变向成沿着所述轴向的方向，引导至所述动翼，
所述弯头部至少在比所述动翼的前缘的轮毂侧的部位更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面，
沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状具有：
当所述弯曲形状的开始点的所述轴向的位置设为X＝0、所述动翼前端的所述前缘的所述轴向的位置设为X＝X0、沿着所述动翼前端的所述动翼的所述轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的所述轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的所述轴向的下游侧位置之间的位置Xz具有最小曲率半径，并且，在比所述位置Xz更位于所述轴向的上游侧，具有比所述最小曲率半径大的曲率半径。
2.如权利要求1所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述动翼前端，不经由密封部件面对所述壳体的内壁面，
在所述动翼前端和所述壳体的所述内壁面之间形成间隙。
3.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述弯曲形状具有所述位置Xz的上游侧的第1直线部和所述位置Xz的下游侧的第2直线部交叉的不连续点，
所述不连续点在所述位置Xz具有所述最小曲率半径。
4.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述弯头部的所述弯曲形状至少在0≤X≤Xz的所述轴向的位置范围，具有大小不同的两个以上的曲率半径，
两个以上的所述曲率半径在所述位置范围内从所述轴向的上游侧朝下游侧以曲率半径变小的顺序排列。
5.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述弯头部的所述翼尖侧内壁面的一部分由凸部形成，该凸部以从该翼尖侧内壁面的其它部分向所述径向内侧突出的方式配置于所述位置Xz，
所述凸部的突起端具有所述最小曲率半径。
6.如权利要求5所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述凸部具有从所述翼尖侧内壁面的所述其它部分向所述径向内侧延伸的环状板部，
所述环状板部的突起端的边缘具有所述最小曲率半径。
7.如权利要求5所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述突起端比所述动翼前端更位于所述径向的外侧。
8.如权利要求5所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述凸部设置于比所述动翼前端更位于轴向的上游侧，
所述突起端比所述动翼前端更位于所述径向的内侧，
所述壳体能够被分割为含有所述凸部的第1部分和该第1部分下游侧的第2部分。
9.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述动翼的翼尖面以从所述前缘朝后缘、所述动翼的翼长逐渐变大的方式相对于所述轴向倾斜，
所述壳体的内壁面沿着所述动翼的所述翼尖面相对于所述轴向倾斜。
10.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
所述壳体在对应所述涡轮叶轮的出口的所述轴向位置具有向所述径向内侧突出的突出部。
11.如权利要求1或2所述的半径流入式轴流涡轮机，其特征在于，
沿着与所述动翼前端相对的所述壳体的内壁面的所述轴向的形状，在所述弯头部的上游侧端的位置X＝0和从所述动翼的所述动翼前端的后缘朝所述轴向的下游侧仅偏离距离D＝1.5×W的位置之间，至少具有一个负值曲率半径。
12.一种涡轮增压器，其特征在于，具备：
半径流入式轴流涡轮机，以由来自内燃机的排气驱动的方式构成；
压缩机，以由所述轴流涡轮机驱动、压缩送往所述内燃机的吸气的方式构成，
所述轴流涡轮机，具备：
旋转轴，在所述轴流涡轮机的轴向延伸；
涡轮叶轮，具有面对所述轴流涡轮机径向的外侧从动翼根部至动翼前端延伸的多个动翼，并以与所述旋转轴一体旋转的方式构成；
壳体，具有：涡形部，用于将流入壳体内部的工作流体沿着所述旋转轴的周向旋转；弯头部，该弯头部用于将从所述涡形部面对所述径向内侧的所述工作流体的流动变向成沿着所述轴向的方向，引导至所述动翼，
所述弯头部至少在比所述动翼的前缘的轮毂侧的部位更位于所述轴向的上游侧区域，具有弯曲形状的翼尖侧内壁面，
沿着所述翼尖侧内壁面的所述轴向的所述弯曲形状，具有：
当所述弯曲形状的开始点的所述轴向的位置设为X＝0、所述动翼前端的所述前缘的所述轴向的位置设为X＝X0、沿着所述动翼前端的所述动翼的所述轴向的宽度设为W时，在以Xupst＝X0–0.5W表示的所述轴向的上游侧位置和以Xdownst＝X0+0.5W表示的所述轴向的下游侧位置之间的位置Xz具有最小曲率半径，并且，在比所述位置Xz更位于所述轴向的上游侧，具有比所述最小曲率半径大的曲率半径。
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