CN107304682A - 涡轮叶轮 - Google Patents

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伊藤直纪
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

本发明提供一种对于具有广泛速度区的排气确保适当的冲角且涡轮的能量转换效率高的涡轮叶轮。本发明提供一种涡轮叶轮，其从涡道流路和/或固定喷嘴的排气供应口供应高压流体，且包括：多块叶片部件，将流体转换为旋转力；以及转子，配置有叶片部件，并通过特定的旋转轴转动，以排气供应口为起点且通过从流体的低速度或中间速度下的供应速度成分中减去转子的旋转速度成分而规定的相对于转子的气体相对流入速度的方向，被设置成不与转子的旋转轴相交，叶片部件的从半途部到前缘部为止的形状相对于从转子的中心朝向叶片部件的上游部的方向，向转子的旋转方向近前侧倾斜特定的角。

Description

涡轮叶轮
技术领域
本发明涉及一种涡轮叶轮(turbine impeller)。
背景技术
现有作为安装在内燃机(以下称为发动机)流路中的涡轮叶轮，已知有如下涡轮叶轮，所述涡轮叶轮是以使涡轮叶轮的叶片前端形状朝向与如下的速度三角形的气体相对流入速度V的流入方向一致的方式形成，所述速度三角形由流入至动叶片入口的排气的流入速度C、动叶片的圆周方向的旋转速度U及气体相对流入速度V形成(例如参照专利文献1)。
[现有技术文献]
[专利文献]
[专利文献1]日本专利特开2011-132810号公报
发明内容
[发明要解决的问题]
但是，现有的涡轮叶轮的叶片前端形状存在如下问题：在排气的流入速度变化为中间速度或低速度的情况下，难以确保适当的冲角，能量转换效率差。
本发明是鉴于所述问题而成的发明，其目的在于提供一种对于具有广泛速度区的排气确保适当的冲角且涡轮的能量转换效率高的涡轮叶轮。
[解决问题的技术手段]
(1)一种涡轮叶轮，其是从涡轮涡道(例如后述的涡道流路42)和/或涡轮喷嘴(例如后述的固定喷嘴46)的流体供应口(例如后述的排气供应口49)供应高压流体的涡轮叶轮(例如后述的涡轮叶轮5、205)，其包括：多块叶片部件(例如后述的叶片部件60、260)，将所述流体转换为旋转力；以及转子(例如后述的转子80)，配置有所述叶片部件，并能够通过特定的旋转轴转动，以所述流体供应口为起点且通过从所述流体的供应速度成分(例如后述的排气的流入速度C)中减去所述转子的旋转速度成分(例如后述的转子的旋转速度U)而规定的相对于所述转子的气体相对流入速度(例如后述的气体相对流入速度V)的方向被设置成不与所述转子的旋转轴相交，所述叶片部件的从半途部(例如后述的半途部64)到前缘部(例如后述的前缘部62)为止的形状相对于从所述转子的中心(例如后述的中心Co)朝向所述叶片部件的前缘部的方向，向所述转子的旋转方向近前侧倾斜特定的角(例如后述的角α)。
对于所述(1)的涡轮叶轮，通过对从半途部到前缘部的倾斜角度进行调整，能够使碰撞叶片部件的排气的冲角变得适当。另外，对于所述(1)的涡轮叶轮，通过对倾斜叶片的倾斜角度进行调整，能够形成相对于各种速度区的排气具有适当的冲角的涡轮叶轮。
由此，现有的涡轮叶轮由于构造上的限制，未能够设计出适合于低速度至高速度的广泛速度区的排气的冲角，而本实施方式的涡轮叶轮能够对于低速度至中间速度、或中间速度至高速度的速度区的排气确保适当的冲角。结果是能够提供能量转换效率高的涡轮叶轮。
(2)根据所述(1)的涡轮叶轮，所述流体流入至所述叶片部件时的角度相对于所述气体相对流入速度与所述排气供应口所供应的排气所成的角，倾斜10度至40度。
根据所述(1)的涡轮叶轮，对于所述(2)的涡轮叶轮，特别以相对于气体相对流入速度与排气供应口所供应的排气所成的角，在10度至40度之间倾斜的方式，对排气流入至叶片部件时的角度进行设置，由此，能够提供以在低速度至中间速度下达到适当冲角的方式而经过设计的涡轮叶轮。
因此，能够提供对于低速度至中间速度的流速的排气的能量转换效率高的涡轮叶轮。
(3)根据所述(1)或(2)的涡轮叶轮，所述叶片部件的前缘部的剖面形状为椭圆弧状。
根据所述(1)或(2)的涡轮叶轮，在所述(3)的涡轮叶轮中，特别是各前缘部以平滑的曲率形成为大致圆弧状。
由此，能够通过前缘部的前端，适当地使以往产生于固定喷嘴的喷嘴尾流的激振力分散。
因此，能够提供防止由喷嘴尾流共振引起的叶片部件的缺损，并且可兼顾叶片部件的强度与空气动力性能的涡轮叶轮。
(4)根据所述(3)的涡轮叶轮，在所述叶片部件的前缘部的叶根，形成平滑地将所述叶片部件的侧面与所述转子的叶毂面(例如后述的叶毂面81)予以连接的剖面呈圆弧状的圆角R，所述叶片部件的厚度从所述转子侧向薄片侧端缘(例如后述的围带(shroud)侧262B、266B)递减。
根据所述(3)的涡轮叶轮，在所述(4)的涡轮叶轮中，特别是在前缘部的叶根形成圆角R，并且以从所述转子侧向薄片侧端缘递减的方式形成叶片部件的厚度。
由此，所述前缘部能够进一步分散喷嘴尾流的激振力。
因此，能够更具体地产生(3)的效果。
[发明的效果]
根据本发明，能够提供对于具有广泛速度区的排气确保适当的冲角且涡轮的能量转换效率高的涡轮叶轮。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式的增压器的结构的剖视图；
图2是图1的A-A线剖面的示意图；
图3是本实施方式的涡轮叶轮的正视图；
图4是本实施方式的涡轮叶轮的立体图；
图5是本实施方式的涡轮叶轮的立体图；
图6是用以对本实施方式的涡轮叶轮的作用进行说明的图；
图7是现有的涡轮叶轮的正视图；
图8是用以对现有例的速度三角形进行说明的图；
图9是用以对本实施方式的速度三角形进行说明的图；
图10(A)、图10(B)是用以对现有例的速度三角形进行说明的图；
图11(A)、图11(B)是用以对本实施方式的速度三角形进行说明的图；
图12(A)、图12(B)是是用以对现有例的速度三角形进行说明的图；
图13(A)、图13(B)是用以对本实施方式的速度三角形进行说明的图；
图14(A)、图14(B)是表示本实施方式的涡轮叶轮的前缘部的变形例的立体图；
图15是用以对图14的涡轮叶轮的作用进行说明的图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细地对本发明的一实施方式进行说明。
图1是表示一实施方式的增压器(supercharger)1的剖视图。
本发明的增压器1包括轴承体(bearing housing)2、安装在轴承体2的一端部侧的涡轮3及安装在轴承体2的另一端侧的压气机(compressor)6。
轴承体2包括：棒状的旋转轴21，在涡轮3与压气机6之间延伸；以及轴承22，可旋转地支撑所述旋转轴21。
压气机6包括构成内燃机的进气通路的一部分的压气机壳体7、设置在所述压气机壳体7内的压气机叶轮8及扩压器(diffuser)9。
在压气机壳体7中形成有环状的压气机叶轮室72、圆环状的涡道流路73及圆环状的进气流路74，所述环状的压气机叶轮室72在前端侧形成有与内燃机的进气管(未图示)连接的进气抽入部71，所述圆环状的涡道流路73是以包围所述压气机叶轮室72的方式形成，所述圆环状的进气流路74使压气机叶轮室72的基端部侧与涡道流路73连通。
压气机叶轮8以连结于旋转轴21的另一端部侧的状态，可旋转地设置在压气机叶轮室72内。
扩压器9为圆盘状，并设置于进气流路74。扩压器9使从压气机叶轮室72的基端部侧沿着旋转轴21的离心方向朝涡道流路73喷出的进气减速，由此，对进气进行压缩。
另外，在旋转轴21的一端部一体地形成有涡轮叶轮5，所述涡轮叶轮5处于涡轮叶轮室43内且作为涡轮3的主要部分。
增压器1的涡轮3，详细来说，涡轮叶轮室43连接在发动机的进气通路(内燃机进气通路)的中途。
在涡轮叶轮室43中形成有涡道流路42，所述涡道流路42在一端包括未图示的排气抽入口。在涡道流路42的内周侧(涡道流路42与配置有涡轮叶轮5的涡轮叶轮室43之间)，一体地安装有呈将涡轮叶轮5的外周围予以包围的状态的圆环状的排气通路。
从发动机排出的排气从涡轮3的未图示的排气抽入口，通过涡道流路42、排气供应通路45，并从排气供应口49供应至涡轮叶轮室43，使涡轮叶轮5旋转。涡轮叶轮5的旋转通过旋转轴21传递至压气机叶轮8，使压气机叶轮8旋转。由于所述压气机叶轮8旋转，压缩后的空气供应至发动机，增压器1利用排气能量来对进气进行增压。
涡轮3的排气供应通路45在涡轮叶轮室43的排气入口侧由围带部47划定，所述围带部47在轴线方向上隔开特定间隔而相向。围带部47固定安装于轴承体2或涡轮叶轮室43。
从涡道流路42流入至固定喷嘴46的排气通过涡道流路42被施加了加速后的回旋力，向半径方向内侧形成高速气流后，从排气供应口49供应至涡轮叶轮5。高速气流所具有的回转能量作为旋转能量由涡轮叶轮5获取。然后，排气从涡轮叶轮室43的排出部44排出。
以下，参照附图来对本实施方式的涡轮叶轮5进行说明。图2是图1的A-A线剖面。图3是本实施方式的涡轮叶轮5的正视图。图4及图5是本实施方式的涡轮叶轮5的立体图。图6是用以对本实施方式的涡轮叶轮5的作用进行说明的图。
如图2～图6所示，涡轮叶轮5是包含多块叶片部件60、与围绕配置有多块叶片部件60的转子80而形成。涡轮叶轮5通过排气供应口49所供应的特定速度的排气F而旋转。
叶片部件60是板状部件，并竖立设置于转子80的叶毂面81。
叶片部件60包含：多块主叶片61，竖立设置在叶毂面81上，并形成于叶毂面81与涡轮叶轮室43的围带部47的内周面(参照图1)之间的整个区域；以及中间叶片65，配设在沿着圆周方向邻接的主叶片61彼此之间，并且长度比主叶片61更短。
主叶片61设置有位于排气的流动方向上游侧的前缘部62、与位于排气的流动方向下游侧的后缘部63。如图3所示，从后缘部63至前缘部62形成平滑地鼓起的曲线。如图4所示，将前缘部62上游侧的叶毂面侧62A与围带侧62B予以连接的线沿着转子80的旋转轴方向。
中间叶片65的前缘部66的形状与主叶片61的前缘部62的形状一致，并且从中间叶片65的前缘部66到后缘部67为止的长度比从主叶片61的前缘部62到后缘部63为止的长度更短。中间叶片65的后缘部67与主叶片61的后缘部63相比，形成在转子80的旋转方向R的里侧。
从主叶片61的半途部64朝向前缘部62的方向X1例如是以如下方式设置，即，如图2所示，与从转子80的中心Co朝向所述前缘部62的半径方向X2相比，向转子80的旋转方向R近前侧倾斜了角α。由此，从半途部64朝向前缘部62的方向X1不会与转子80的旋转轴相交。
另外，如图6所示，在主叶片61的前缘部62中的转子80的旋转方向R近前侧，形成随着转子80旋转而对外周方向加压的加压面62C。而且，在前缘部62中的转子80的旋转方向R里侧，形成向内周方向抽吸的负压面62D。
从固定喷嘴46向Y方向供应的排气F因来自加压面62C的压力而向正冲角(+Y)方向膨胀。另一方面，由于来自负压面62D的压力，排气F向负冲角(-Y)方向受到拉拽。根据所述流体分布，沿着旋转方向R前进的排气F在特定的位置碰撞前缘部62。此时，排气F中包含相对于前缘部62的延伸方向(X1)从正冲角(+X)侧碰撞的成分至从负冲角(-X)侧碰撞的成分。
这样，固定喷嘴46所供应的排气F保持特定的流体分布，并以特定的碰撞角度(冲角)碰撞主叶片61及中间叶片65。
而且，对于本实施方式的涡轮叶轮5的各叶片部件的前缘部62的形状，以相对于具有各种速度区的排气F成适当的冲角的方式，对角α进行调整。特别是在本实施方式中，从低速度至中间速度为止的排气F由涡轮叶轮5适当地转换为旋转能量。
以下，一边与图7所示的现有的包括径向叶片160的涡轮叶轮105作对比，一边对具有以上的结构的本实施方式的涡轮叶轮5的作用进行说明。
此处，图7是现有的涡轮叶轮的正视图。图8是用以对现有的涡轮叶轮的速度三角形进行说明的图。图9是用以对本实施方式的涡轮叶轮5的速度三角形进行说明的图。图10(A)、图10(B)是用以对现有的涡轮叶轮105的速度三角形进行说明的图。图11(A)、图11(B)是用以对本实施方式的涡轮叶轮5的速度三角形进行说明的图。图12(A)、图12(B)是用以对现有的涡轮叶轮105的速度三角形进行说明的图。图13(A)、图13(B)是用以对本实施方式的涡轮叶轮5的速度三角形进行说明的图。
首先，现有的叶片部件(以下称为径向叶片)160与本发明的叶片部件60(以下称为倾斜叶片)同样地设置在转子180上。关于径向叶片160的形状，从半途部164到前缘部162为止设置成大致平面状。从所述半途部164朝向前缘部162的方向X3设置成与转子180的半径方向X4平行。
如图8及图9的速度三角形所示，以同一速度、同一角度从未图示的排气供应口供应的排气F分别碰撞倾斜叶片60及径向叶片160时的冲角不同。
此处，本发明所规定的“速度三角形”例如如图8及图9所示，表示速度的相互关系，所述速度的相互关系包含排气的流入速度C、叶片部件的圆周方向的旋转速度U及流向转子的气体相对流入速度V。
图8所示的速度三角形表示根据从未图示的排气供应口向径向叶片160供应的排气F1的流入速度(供应速度)C1与径向叶片160的旋转速度U1求出的气体相对流入速度V1的大小与角度。
同样地，图9所示的速度三角形表示根据从未图示的排气供应口向倾斜叶片60供应的排气F1的流入速度(供应速度)C1与倾斜叶片60的旋转速度U2求出的气体相对流入速度V2的大小与角度。
气体相对流入速度V2相对于以同一速度、同一角度供应的排气F1，比气体相对流入速度V1更向负冲角方向倾斜。由此，与径向叶片160相比，倾斜叶片60的工作量提高。
叶轮的每单位排气量的工作量W由下式表示。
[式1]
W＝UB·CuB-UA·CuA
此处，U是转子的旋转速度，Cu是排气的圆周方向的速度成分。另外，A是将叶片部件的前缘部作为基准位置，B是将叶片部件的后缘部作为基准位置。
现有的径向叶片160利用了圆周方向的速度成分/转子的旋转速度(Cu1/U1)作为用以使径向叶片160的工作效率提高的指标。一般来说，所述Cu1/U1＝0.92左右被设为效率峰值。相对于所述效率峰值，在使叶轮叶片的前缘部倾斜了-10度至-40度左右时，达到最佳冲角。
但是，为了减轻转子180旋转时的离心应力，以使半途部164到前缘部162与离心(半径)方向一致的方式，对现有的径向叶片160的形状设置了限制。因此，现有的径向叶片160未能够将排气F的圆周方向的速度成分Cu1与转子180的旋转速度U1之间的关系调整为Cu1＜U1。
相对于此，对于本实施方式的倾斜叶片60来说，即使排气F的圆周方向的速度成分Cu1大于转子80的旋转速度U1，也能够以对应于所述角α的量来修正气体相对流入速度V的角度成分。由此，倾斜叶片60与现有的径向叶片160相比，能够抽入大量的排气，并且能够高效地将所述排气转换为旋转能量。
以下，具体地对本实施方式的倾斜叶片60的适当的使用方法进行说明。
图10(A)所示的径向叶片160是以在高流速时达到最佳冲角的方式，由未图示的排气供应口供应排气F2。如图10(B)所示，以相同角度对径向叶片160供应排气流速降低后的F3之后，Cu3/U4值不佳。
相对于此，根据图11(A)所示的倾斜角α2，以相对于高流速的排气F2达到最佳冲角的方式，对倾斜叶片60进行调整。如图11(B)所示，在对所述状态下的倾斜叶片60供应了排气流速降低后的F3的情况下，虽然Cu3/U6值变差，但是并未达到径向叶片160的程度。
另一方面，在以使低流速的排气F4的冲角提高的方式进行了设定的情况下，图12(A)所示的径向叶片160如图12(B)所示，相对于中间流速的排气F5，Cu5/U8值变得非常差。
相对于此，如图13(A)所示，以使低流速的排气F4的冲角提高的方式倾斜了角α3而设定的倾斜叶片60如图13(B)所示，即使相对于中间流速的排气F5，Cu5/U10值也能够处在允许的范围内。
根据本实施方式的涡轮叶轮5，会产生以下的效果。
(1)本实施方式的涡轮叶轮5为如下结构：设置于内燃机的排气流路，从涡道流路42和/或固定喷嘴46的排气供应口49供应高压排气。所述涡轮叶轮5包括：多块叶片部件60，将排气转换为旋转力；以及转子80，配置有叶片部件60，并能够通过特定的旋转轴转动。特别是以排气供应口49为起点且通过从排气的供应速度成分中减去转子80的旋转速度成分而规定的相对于转子80的气体相对流入速度的方向被设置成不与转子80的旋转轴相交，并且叶片部件60的从半途部64到前缘部62为止的形状相对于从转子80的中心朝向叶片部件60的前缘部62的方向，向转子80的旋转方向近前侧倾斜特定的角度。
对于如上所述的涡轮叶轮5，通过对从半途部64到前缘部62为止的倾斜角度进行调整，能够使碰撞叶片部件的排气的冲角变得适当。特别是通过对倾斜叶片60的角α进行调整，能够形成对于各种速度区的排气具有适当的冲角的涡轮叶轮5。
结果是由于构造上的限制，相对于现有的径向叶片160的冲角未能够适当地经过设计，而本实施方式的涡轮叶轮5能够对于具有各种速度区的排气确保适当的冲角，从而能够提供能量转换效率高的涡轮叶轮。
(2)根据所述(1)的涡轮叶轮，所述排气流入至所述叶片部件时的角度相对于所述气体相对流入速度与所述排气供应口所供应的排气所成的角，在10度至40度之间倾斜。
根据所述(1)的涡轮叶轮，对于所述(2)的涡轮叶轮5，特别以相对于气体相对流入速度与排气供应口所供应的排气所成的角，在10度至40度之间倾斜的方式，对排气流入至叶片部件60时的角度进行设置，由此，能够提供以在低速度至中间速度下达到适当冲角的方式而经过设计的涡轮叶轮。
[变形例]
以上，对本实施方式的涡轮叶轮5进行了说明，但例如能够像图14(B)所示的前缘部262那样，使叶片部件60的前缘部62的形状变形。以下，使用附图来具体地说明涡轮叶轮205。图14(A)、图14(B)是表示本实施方式的涡轮叶轮的前缘部的变形例的立体图。
首先，在将板状部件安装于转子80后，加工成图14(A)所示的叶片部件60。由此，叶片部件60的前缘部62(66)的前端在半径方向上，与转子80的外周面82大致相同地配置，并且前缘部62形成为平坦且有棱角的形状。
接着，以成为圆角R的方式对叶毂面侧62A与转子80的叶毂面81的连接部(叶根)进行成形加工，并且以使从叶毂面侧62A到围带侧(薄片侧)62B的剖面呈大致椭圆形状的方式进行成形加工。
由此，如图14(B)所示，前缘部262(266)配置得比外周面82更靠半径方向内侧。另外，前缘部262(266)的剖面形成为椭圆弧状，并且前缘部262(266)是以厚度从叶毂面侧262A(266A)向薄片面侧262B(266B)递减的方式而平滑弯曲地形成。
具有以上的形状的前缘部262及前缘部266分别形成于主叶片261及中间叶片265。
使用图15来对基于所述形状的作用进行说明。
图15是用以对图14的涡轮叶轮的变形例的作用进行说明的图。
对于图15所示的固定喷嘴46，排气通过所述固定喷嘴46内部时所产生的喷嘴尾流(压力变动)的激振力P会施加至各叶片部件的前缘部262及前缘部266的前端。所述激振力P由大致椭圆形状的前缘部262及前缘部266适当地分散。由此，能够防止由喷嘴尾流共振引起的叶片部件的缺损。
根据本实施方式的变形例的涡轮叶轮205，会产生以下的效果。
(3)根据所述(1)或(2)的涡轮叶轮，所述叶片部件260的前缘部262及前缘部266的剖面形状形成为椭圆弧状。
根据所述(1)或(2)的涡轮叶轮，在所述(3)涡轮叶轮205中，各前缘部以平滑的曲率形成为大致圆弧状。
由此，能够通过前缘部的前端，适当地使以往产生于固定喷嘴46的喷嘴尾流的激振力分散。
因此，能够提供防止由喷嘴尾流共振引起的叶片部件的缺损，并且可兼顾叶片部件的强度与空气动力性能的涡轮叶轮。
(4)根据所述(3)的涡轮叶轮，在所述叶片部件260的前缘部262及前缘部266与所述转子280的叶毂281的连接部分形成圆角R，使所述叶片部件260的前缘部262及前缘部266的厚度分别从所述叶片部件的叶毂面侧262A、266A向薄片面侧262B、266B递减。
根据所述(3)的涡轮叶轮，在所述(4)的涡轮叶轮205中，各前缘部在与叶毂连接的连接部分形成圆角，并且以使厚度从叶毂侧向薄片侧递减的方式形成。
由此，所述前缘部能够进一步分散喷嘴尾流的激振力。
因此，能够更具体地产生(3)的效果。
再者，本发明并不限定于所述实施方式，能够实现本发明的目的的范围内的变形、改良等包含于本发明。
例如，在所述实施方式中，说明了将本发明的涡轮叶轮应用于利用内燃机的排气的增压器的情况，但本发明不限于此，除了内燃机的增压器之外，也能够应用于喷气发动机或喷射泵等使用叶轮来进行流体的能量与机械能量之间的转换的所谓的涡轮机械。

Claims (4)

1.一种涡轮叶轮，其从涡轮涡道和/或涡轮喷嘴的流体供应口供应高压流体，其特征在于包括：
多块叶片部件，将所述流体转换为旋转力；以及
转子，配置有所述叶片部件，并通过特定的旋转轴转动，
以所述流体供应口为起点且通过从所述流体的供应速度成分中减去所述转子的旋转速度成分而规定的相对于所述转子的气体相对流入速度的方向被设置成不与所述转子的旋转轴相交，
所述叶片部件的从半途部到前缘部为止的形状相对于从所述转子的中心朝向所述叶片部件的前缘部的方向，向所述转子的旋转方向近前侧倾斜特定的角度。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶轮，其中：所述流体流入至所述叶片部件时的角度相对于所述气体相对流入速度与所述流体供应口所供应的排气所成的角，在10度至40度之间倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶轮，其中：所述叶片部件的前缘部的剖面形状为椭圆弧状。
4.根据权利要求3所述的涡轮叶轮，其中：在所述叶片部件的前缘部的叶根，形成平滑地将所述叶片部件的侧面与所述转子的叶毂面予以连接的剖面呈圆弧状的圆角，
所述叶片部件的厚度从所述转子侧向薄片侧端缘递减。
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