CN107110176A - 叶轮及旋转机械 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种叶轮及旋转机械。该叶轮具备：叶轮主体，呈圆盘状且与旋转轴一同以轴线为中心进行旋转；及压缩机叶片(25)，以从形成于叶轮主体的前面侧的轮毂面(31b)突出的方式设置有多个，且具有朝向旋转轴的周向并且沿表面使流体流通的一对侧面(26)。压缩机叶片(25)以与轴线正交的截面上的一对侧面(26)彼此至少在旋转轴的轴线方向上的应力成为最大的范围随着朝向旋转轴的径向外侧相互接近的方式形成为锥形形状。
Description
技术领域
本发明涉及一种设置于旋转机械的叶轮及具备叶轮的旋转机械。
本申请主张基于2014年11月25日在日本申请的日本专利申请2014-237695号的优先权，将其内容引用于此。
背景技术
在地球环保的全球性发展中，例如与汽车的发动机等内燃机的排气、油耗相关的限制不断加强。涡轮增压器是将压缩空气送入发动机中并使燃料燃烧的旋转机械，与自然吸气的发动机相比能够改善油耗及提高CO2减少的效果。
涡轮增压器中，涡轮通过发动机的排气进行旋转驱动，由此使离心压缩机的叶轮旋转(例如，专利文献1)。通过叶轮的旋转而被压缩的空气经扩压器被減速而升压，并经由涡旋流路供给至发动机。另外，作为涡轮增压器的驱动方式，除了利用排气进行驱动的方式以外，已知例如利用电动机的驱动方式和利用原动机的驱动方式等。
叶轮旋转时，因其离心力而叶片欲朝向径向外侧变形，从而产生离心应力。为了减少这种离心力的影响，可考虑减薄叶片的壁厚。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本实开平3-10040号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
然而，若只考虑离心力的影响而减薄叶片的壁厚，则相对于叶片的侧面(压力面)从流体受到的压力的弯曲强度下降，有可能导致弯曲应力增大。
本发明提供一种能够均衡地减少离心应力及弯曲应力并提高强度的叶轮及旋转机械。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的第一方式，叶轮具备：叶轮主体，呈圆盘状且与旋转轴一同以轴线为中心进行旋转；及叶片，以从形成于所述叶轮主体的前面侧的轮毂面突出的方式设置有多个，且具有朝向所述旋转轴的周向并且沿表面使流体流通的一对侧面。所述叶片中，与所述轴线正交的截面上的所述一对侧面彼此至少在所述轴线方向上的应力成为最大的范围，以随着朝向所述旋转轴的径向外侧相互接近的方式形成。
根据这种叶轮，至少在应力成为最大的范围，叶片的侧面彼此随着朝向径向外侧接近，由此叶片的壁厚朝向径向外侧变薄。因此，能够在离心力的影响变大的径向外侧的位置(前端侧的位置)减少叶片的重量。因此，能够减少在径向内侧的位置(根部侧的位置)的离心应力。并且，叶片中，与前端侧的位置相比，在根部侧的位置壁厚变厚，因此能够提高相对于从流体受到的压力的弯曲强度，还能够同时减少在根部侧的位置的弯曲应力。
根据本发明的第二方式，上述第一方式的所述叶片中，与所述轴线正交的截面上的所述一对侧面以如下方式形成，即，随着朝向所述径向外侧而向相互接近的方向凹状弯曲，并且随着朝向该径向外侧而相互接近。
如此，叶片的侧面凹状湾曲，由此能够在叶片的前端侧的位置急剧减薄叶片的壁厚。并且，能够在叶片的根部侧的位置急剧加厚叶片的壁厚。因此，能够进一步减少离心应力及弯曲应力。
根据本发明的第三方式，上述第一或第二方式的所述叶片中，在接近所述轮毂面的区域的沿该轮毂面的截面上的所述一对侧面彼此可以在所述径向外侧的区域沿所述轴线的方向以随着朝向所述径向外侧而相互接近的方式形成。
如此，在叶片的径向外侧的区域，沿轴线的方向，叶片的侧面彼此随着朝向径向外侧接近，由此叶片的壁厚从流体的入口侧朝向出口侧变薄。因此，能够在离心力的影响变得更大的径向外侧的位置减少叶片的重力，因此能够进一步减少在叶片产生的离心应力。
根据本发明的第四方式，上述第一至第三中任一方式的所述叶轮主体及所述叶片可由包含树脂及强化纤维的复合材料形成。
如此，与金属制的叶轮相比，由复合材料形成的叶轮的密度较小，相对于弯曲应力的离心应力的比率降低，这些弯曲应力的大小与离心应力的大小成为同等级别。因此，若为了减少离心应力而只减薄叶片的壁厚，则即便能够减少离心应力，也会导致弯曲应力增大。相反地，若为了减少弯曲应力而只加厚叶片的壁厚，则即便能够减少弯曲应力，也会导致离心应力增大。其结果，难以整体减少在叶片产生的应力。在这方面上，叶片中，在前端侧的位置壁厚较薄，在根部侧的位置壁厚变厚，因此能够均衡地减少离心应力及弯曲应力，从而能够整体减少在叶片产生的应力。
根据本发明的第五方式，上述第四方式的所述叶轮主体及所述叶片中，所述强化纤维可以配置成沿与所述轮毂面正交的方向延伸。
叶片的弯曲应力及离心应力以沿着与轮毂面正交的方向的方式生成。
因此，通过沿产生该应力的方向配置强化纤维，能够有效地减少这些应力。
在此，根据本发明方式，叶片的侧面朝向径向外侧相互接近，由此壁厚朝向径向外侧的位置变薄。因此，在对复合材料的叶轮进行成型时，压力损失沿轴线的方向朝向径向外侧产生，因此复合材料中的树脂难以向该方向流动。因此，成型时树脂欲沿与轮毂面正交的方向流通，其结果，强化纤维自然配置成沿与轮毂面正交的方向延伸。因此，通过对复合材料的叶轮进行成型，能够设为如自动减少应力的结构。
根据本发明的第六方式，旋转机械具备：上述第一至第五中任一方式的叶轮；及安装于所述叶轮且与该叶轮一同旋转的旋转轴。
根据这种旋转机械，由于具备上述叶轮，因此至少在应力成为最大的范围，叶片的侧面彼此随着朝向径向外侧接近，由此叶片的壁厚朝向径向外侧变薄。因此，能够在离心力的影响变大的径向外侧的位置减少叶片的重力，因此能够减少在叶片的根部侧的位置的离心应力。并且，叶片中，与前端侧的位置相比，在根部侧的位置壁厚变厚，因此能够提高相对于从流体受到的压力的弯曲强度，还能够同时减少在根部侧的位置的弯曲应力。
发明效果
根据上述的叶轮及旋转机械，具备随着朝向旋转轴的径向外侧而壁厚变薄的叶片，由此能够均衡地减少离心应力及弯曲应力并提高强度。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的涡轮增压器的纵剖视图。
图2是表示本发明的第一实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的纵剖视图。
图3是表示本发明的第一实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的叶片的子午面形状的图，横轴表示叶片的轴线方向的位置，纵轴表示叶片的旋转轴的径向的位置。
图4是本发明的第一实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的叶片的纵剖视图。图4(a)表示图3的A-A截面。图4(b)表示图3的B-B截面。
图5是表示本发明的第二实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的叶片的子午面形状的图，横轴表示叶片的旋转轴的轴线方向的位置，纵轴表示叶片的旋转轴的径向的位置。
图6是表示本发明的第二实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的叶片的、沿轮毂面的截面的图，表示图5的C-C截面。
图7是表示本发明的第二实施方式所涉及的涡轮增压器的压缩机叶轮的叶片的、沿轮毂面的截面形状的一例的图。横轴表示子午面上的叶片离流体入口(前缘)的距離。纵轴表示叶片的厚度的比(翼厚比：将翼厚的最大值设为1.0时的翼厚比)。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下，对本发明的实施方式所涉及的涡轮增压器1(旋转机械)进行说明。
如图1所示，涡轮增压器1具备：旋转轴2；与旋转轴2一同旋转的涡轮3及压缩机4；连结涡轮3与压缩机4并且支承旋转轴2的壳体连结部5。
该涡轮增压器1中，涡轮3利用来自未图示的发动机的排气G进行旋转，伴随该旋转，压缩机4所压缩的空气AR供给至发动机。
旋转轴2向轴线O方向延伸。旋转轴2以轴线O为中心进行旋转。
涡轮3配置于轴线O方向的一侧(图1的右侧)。
涡轮3具备：涡轮叶轮14，安装有旋转轴2并且具有涡轮叶片15；及涡轮壳体11，从外周侧覆盖涡轮叶轮14。
涡轮叶轮14中嵌入有旋转轴2。涡轮叶轮14能够与旋转轴2一同绕轴线O旋转。
涡轮壳体11覆盖涡轮叶轮14。在涡轮壳体11形成有涡旋通路12，该涡旋通路12从涡轮叶片15的前缘部(径向外侧的端部)朝向径向外侧延伸并且在径向外侧的位置形成以轴线O为中心的环状且连通涡轮壳体11的内外。排气G从该涡旋通路12导入至涡轮叶轮14，由此涡轮叶轮14及旋转轴2进行旋转。
并且，在涡轮壳体11形成有在轴线O的一侧开口的排出口13。通过涡轮叶片15的排气G朝向轴线O的一侧流通，并从排出口13排出至涡轮壳体11的外部。
压缩机4配置于轴线O方向的另一侧(图1的左侧)。
该压缩机4具备：压缩机叶轮24，安装有旋转轴2并且具有压缩机叶片25；及压缩机壳体21，从外周侧覆盖压缩机叶轮24。
压缩机叶轮24中嵌入有旋转轴2。压缩机叶轮24能够与旋转轴2一同绕轴线O旋转。
压缩机壳体21覆盖压缩机叶轮24。在压缩机壳体21形成有在轴线O的另一侧开口的吸入口23。通过该吸入口23将空气AR从压缩机壳体21的外部导入至压缩机叶轮24。来自涡轮叶轮14的旋转力经由旋转轴2传递至压缩机叶轮24，由此压缩机叶轮24绕轴线O进行旋转，从而压缩空气AR。
在压缩机壳体21形成有压缩机通路22，该压缩机通路22从压缩机叶片25的后缘部(空气AR流动的下游端部)朝向径向外侧延伸，并且在径向外侧的位置呈以轴线O为中心的环状且连通压缩机壳体21的内外。在压缩机叶轮24压缩的空气AR导入至该压缩机通路22，从而排出至压缩机壳体21的外部。
壳体连结部5配置于压缩机壳体21与涡轮壳体11之间。壳体连结部5连结压缩机壳体21与涡轮壳体11。另外，壳体连结部5从外周侧覆盖旋转轴2，并且在壳体连结部5设有轴承6。通过该轴承6将旋转轴2支承为能够相对于壳体连结部5进行相对旋转。
接着，参考图2对压缩机叶轮24进行详细说明。
压缩机叶轮24具备多个压缩机叶片25及在成为前面侧的轴线O的另一侧支承压缩机叶片25的叶轮主体31。
叶轮主体31具有圆盘状的形状。叶轮主体31为所谓的轮毂，由包含树脂及强化纤维的复合材料形成。
作为在叶轮主体31中使用的树脂，可例示出聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮(PEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚酮硫醚(PKS)、聚芳醚酮(PAEK)、芳香族聚酰胺(PA)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚酰亚胺(PI)等。
作为在叶轮主体31中使用的强化纤维，可例示出碳纤维、玻璃纤维、晶须(Whisker)等。
叶轮主体31中，在径向内侧的区域形成有插穿旋转轴2而嵌合的凸台孔部31a。形成于叶轮主体31的前面侧的面成为轮毂面31b，该轮毂面31b以随着朝向轴线O方向的一侧而朝向径向外侧倾斜的方式形成。
压缩机叶片25由包含与叶轮主体31相同的树脂及强化纤维的复合材料形成。压缩机叶片25以与叶轮主体31一体地从轮毂面31b突出的方式设置。
如图2至图4所示，该压缩机叶片25具有朝向旋转轴2的周向并且沿表面使空气(流体)A流通的一对侧面26。一对侧面26中的一侧为承受空气压力的压力面。一对侧面26中的另一侧成为负压面。
压缩机叶片25沿周向相互分开而设置有多个。在周向上相邻的两个压缩机叶片25的对置的侧面26彼此之间形成有使空气AR流通的流路FC。
本实施方式中，作为压缩机叶片25，在周向上交替设置长翼25A及短翼25B，该长翼25A在轮毂面31b上从轴线O方向的另一侧(叶轮主体31的前面侧)延伸，该短翼25B在轮毂面31b上从比长翼25A更靠轴线O方向的一侧(叶轮主体31的背面侧)延伸。
如图3及图4所示，压缩机叶片25中，与轴线O正交的截面上的一对侧面26彼此以随着朝向旋转轴2的径向外侧相互接近的方式形成。即，压缩机叶片25的壁厚朝向径向外侧变薄。
本实施方式的压缩机叶片25中，一对侧面26随着朝向径向外侧而向相互接近的方向凹状弯曲。
本实施方式的压缩机叶片25中，强化纤维配置成沿与轮毂面31b正交的方向延伸。即，强化纤维的方向沿轮毂面31b的法线方向(图3的双点划线的方向)。
根据以上说明的本实施方式的涡轮增压器1，压缩机叶片25的壁厚朝向径向外侧变薄。因此，能够在离心力的影响变得更大的径向外侧的位置(前端侧的位置)减少压缩机叶片25的重量。因此，能够减少与轮毂面31b侧连接的径向内侧的位置(根部侧的位置)的在压缩机叶片25产生的离心应力。另外，该离心应力为以向轮毂面31b的法线方向拉伸压缩机叶片25的方式产生的拉伸应力。
压缩机叶片25中，与成为前端侧的径向外侧的位置相比，在根部侧的位置壁厚变厚。因此，提高相对于从空气AR受到的压力(作用于压力面即侧面26的力)的弯曲强度，还能够同时减少在根部侧的位置的弯曲应力。
另外，本实施方式中，压缩机叶片25的一对侧面26以凹状弯曲，由此能够在压缩机叶片25的前端侧的位置急剧减薄压缩机叶片25的壁厚。并且，能够在压缩机叶片25的根部侧的位置急剧加厚壁厚。因此，能够进一步减少离心应力及弯曲应力。
并且，本实施方式中，压缩机叶轮24由复合材料形成。
在此，与金属制的叶轮相比，复合材料的叶轮的密度较小，相对于弯曲应力的离心应力的比率降低，这些弯曲应力的大小与离心应力的大小成为同等级别。因此，若为了减少离心应力而只减薄叶片的壁厚，则即便能够减少离心应力，也会导致弯曲应力增大。相反地，若为了减少弯曲应力而只加厚叶片的壁厚，则即便能够减少弯曲应力，也会导致离心应力增大。并且其结果，难以同时减少离心应力与弯曲应力而整体减少在叶片产生的应力。
这一点上，本实施方式的压缩机叶片25中，在前端侧的位置壁厚较薄，在根部侧的位置壁厚变厚。因此，能够均衡地减少离心应力及弯曲应力，从而能够整体减少在压缩机叶片25产生的应力。
并且，压缩机叶片25中，强化纤维配置成沿与轮毂面31b正交的方向延伸。在此，压缩机叶片25的弯曲应力及离心应力以沿着与轮毂面31b正交的方向，即沿着轮毂面31b的法线方向的方式产生。本实施方式中，通过沿产生这些应力的方向配置强化纤维，能够有效地减少这些应力。
在此，本实施方式中，各压缩机叶片25的一对侧面26朝向径向外侧相互接近，由此在与轴线O正交的截面，壁厚朝向径向外侧的位置变薄。因此，对复合材料的压缩机叶轮24进行成型时，沿轴线O方向而朝向径向外侧产生压力损失。
其结果，复合材料中的树脂难以向该方向流动。因此，成型时，树脂欲沿与轮毂面31b正交的方向流通，强化纤维自然配置成沿与轮毂面31b正交的方向延伸，对复合材料的压缩机叶轮24进行成型，由此能够设为如成型时自动减少应力的结构。
在此，关于本实施方式的压缩机叶片25，至少在预先获取的旋转轴2的轴线O的方向上的应力成为最大的范围，如上所述，侧面26彼此以随着朝向径向外侧相互接近的方式形成，从而成为前端变细的形状即可。即，压缩机叶片25在轴线O方向的整个区域，也可以不成为如此前端变细的形状。
〔第二实施方式〕
接着，参考图5至图7对本发明的第二实施方式进行说明。
对与第一实施方式相同的构成要件标注相同符号并省略详细说明。
本实施方式的涡轮增压器50中，压缩机叶轮51的压缩机叶片52的形状与第一实施方式不同。
即，本实施方式的压缩机叶片52中，与第一实施方式的压缩机叶片25相同地，与轴线O正交的截面(径向的截面)的形状成为前端变细的形状，除此以外，还在接近轮毂面31b的区域(包含与轮毂面31b连接的位置的区域)的、沿轮毂面31b的截面上的一对侧面56彼此在径向外侧的区域，沿轴线O方向以随着朝向径向外侧相互接近的方式形成。
更详细而言，如图6所示，本实施方式中，这一对侧面56具有：前缘侧面57，沿压缩机叶片52的子午面，形成于从压缩机叶片52的前缘端至比轴线O方向的中途位置M更靠轴线O方向的另一侧(叶轮主体31的前面侧)的区域；及后缘侧面58，与前缘侧面57连续，形成于压缩机叶片52的后缘端为止的区域。
一对侧面56的前缘侧面57彼此以相互沿周向分开的方式凸状弯曲而形成。
一对侧面56的后缘侧面58彼此分别与前缘侧面57连续，并且以相互沿周向接近而压缩机叶片52沿子午面成为前端变细的形状的方式凹状弯曲而形成。
根据以上说明的本实施方式的涡轮增压器50，通过在压缩机叶片52的径向外侧的区域形成后缘侧面58，侧面56彼此沿轴线O方向，且沿压缩机叶轮51的子午面，随着朝向径向外侧而接近。因此，压缩机叶片52的壁厚朝向径向外侧变薄，能够在离心力的影响变得更大的径向外侧的位置减少压缩机叶片52的重力。因此，能够进一步减少在压缩机叶片52的根部侧的位置的离心应力。
另外，本实施方式中，后缘侧面58以凹状弯曲，由此压缩机叶片52的壁厚急剧变薄。
即，如图7的虚线X所示，假设，一对侧面56的后缘侧面58彼此与前缘侧面57相同地以相互沿周向分开的方式凸状弯曲而形成，与这种情况相比，本实施方式的情况下，如图7的实线Y所示，压缩机叶片52的壁厚从上述中途位置急剧变小。
因此，能够进一步减少在压缩机叶片52产生的离心应力及弯曲应力。
在此，本实施方式的各压缩机叶片52的一对后缘侧面58不限于以凹状弯曲的情况，也可以设为以直线状延伸并随着朝向径向外侧相互接近(参考图6的双点划线Z)。即，至少压缩机叶片52朝向后缘侧成为前端变细的形状即可。
以上，对本发明的实施方式进行了详细说明，但在不脱离本发明的技术思想的范围内也能够进行一些设计变更。
例如，压缩机叶轮24、51不限于由复合材料构成的情况，也可以为金属制。
并且，由复合材料形成压缩机叶片25、52时，强化纤维的延伸方向不限于与轮毂面31b正交的情况。
并且，压缩机叶片25、52的一对侧面26不限于凹状弯曲的情况，也可以设为以直线状延伸并随着朝向径向外侧相互接近(参考图4的双点划线L)。
并且，上述的实施方式中，作为旋转机械举出涡轮增压器为例进行了说明，但也可以使用其他离心压缩机等。
产业上的可利用性
根据上述的叶轮及旋转机械，具备随着朝向旋转轴的径向外侧而壁厚变薄的叶片，由此能够均衡地减少离心应力及弯曲应力，并提高强度。
符号说明
1-涡轮增压器(旋转机械)，2-旋转轴，3-涡轮，4-压缩机，5-壳体连结部，6-轴承，11-涡轮壳体，12-涡旋通路，13-排出口，14-涡轮叶轮，15-涡轮叶片，21-压缩机壳体，22-压缩机通路，23-吸入口，24-压缩机叶轮，25-压缩机叶片，25A-长翼，25B-短翼，26-侧面，31-叶轮主体，31a-凸台孔部，31b-轮毂面，G-排气，AR-空气，O-轴线，FC-流路，50-涡轮增压器(旋转机械)，51-压缩机叶轮，52-压缩机叶片，56-侧面，57-前缘侧面，58-后缘侧面。
Claims (6)
1.一种叶轮，其具备：
叶轮主体，呈圆盘状且与旋转轴一同以轴线为中心进行旋转；及
叶片，以从形成于所述叶轮主体的前面侧的轮毂面突出的方式设置有多个，且具有朝向所述旋转轴的周向并且沿表面使流体流通的一对侧面，
所述叶片中，与所述轴线正交的截面上的所述一对侧面彼此至少在所述旋转轴的轴线方向上的应力成为最大的范围，以随着朝向所述旋转轴的径向外侧相互接近的方式形成。
2.根据权利要求1所述的叶轮，其中，
所述叶片的所述一对侧面以如下方式形成，即，随着朝向所述径向外侧而向相互接近的方向凹状弯曲，并且随着朝向该径向外侧而相互接近。
3.根据权利要求1或2所述的叶轮，其中，
所述叶片中，在接近所述轮毂面的区域的沿该轮毂面的截面上的所述一对侧面彼此在所述径向外侧的区域沿所述轴线的方向以随着朝向所述径向外侧而相互接近的方式形成。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶轮，其中，
所述叶轮主体及所述叶片由包含树脂及强化纤维的复合材料形成。
5.根据权利要求4所述的叶轮，其中，
所述叶轮主体及所述叶片中，所述强化纤维配置成沿与所述轮毂面正交的方向延伸。
6.一种旋转机械，其具备：
权利要求1至5中任一项所述的叶轮；及
旋转轴，安装于所述叶轮，且与该叶轮一同旋转。
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