CN108884753A - 涡轮叶轮、径向涡轮及增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮叶轮、径向涡轮及增压器。径向涡轮的叶片(42)的负压面(46n)具有：叶尖侧前部(47n)，包括负压面(46n)与叶尖(45)的边界及前缘(43)；及叶尖侧后部(48n)，包括负压面(46n)与叶尖(45)的边界及后缘(44)。叶尖侧前部(47n)从径向观察，呈向逆旋转侧(So)凹陷的凹曲面。叶尖侧后部(48n)从径向观察，呈向旋转侧(Sr)凸起的凸曲面。

Description

涡轮叶轮、径向涡轮及增压器

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶轮、径向涡轮及增压器。

背景技术

涡轮具有以轴线为中心进行旋转的涡轮旋转轴、固定于涡轮旋转轴的外周侧的涡轮叶轮及覆盖涡轮叶轮的壳体。涡轮叶轮具有固定于涡轮旋转轴的轮盘及在周向上隔开间隔设置在该轮盘的外周面的多个叶片。工作流体从各叶片的前缘彼此之间流入到多个叶片彼此之间。该工作流体从各叶片的后缘彼此之间流出。

径向涡轮中，叶片的前缘朝向相对于轴线的径向外侧。并且，叶片的后缘朝向轴线延伸的轴向上延伸的后侧。因此，径向涡轮中，工作流体从径向外侧流入，并排向轴向的后侧。

作为这样的径向涡轮，例如有以下专利文献1中记载的径向涡轮。该径向涡轮的正压面呈从正压面朝向负压面的向旋转侧凹陷的凹曲面。并且，负压面呈向旋转侧凸起的凸曲面。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2004-011560号公报

发明内容

发明要解决的技术课题

在涡轮中，为了相对于壳体而使涡轮叶轮相对旋转，叶片的叶尖和壳体的内周面之间存在间隙。该间隙一般称为尖端间隙。为了提高涡轮效率，优选尽可能减小该尖端间隙。然而，由于利用轴振动或涡轮叶轮的热膨胀的影响等而避免叶片的叶尖和壳体的内周面的接触，因此该尖端间隙的缩小存在限制。

在涡轮中，减少通过尖端间隙的工作流体的流动，即减少间隙流会促进涡轮效率的提高。因此，本发明的目的在于提供一种能够降低间隙流的涡轮叶轮、径向涡轮及增压器。

用于解决技术课题的手段

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第一方式的涡轮叶轮，其具备：

轮盘，以轴线为中心呈旋转对称的形状，随着从所述轴线延伸的轴向的一侧即前侧朝向另一侧即后侧而直径逐渐减少；及多个叶片，相对于所述轴线在周向D上隔开间隔而固定于所述轮盘的外周面，所述叶片具有：前缘，从所述轮盘的所述前侧的部分向包括所述轴向成分的方向延伸，并朝向相对于所述轴线的径向外侧；后缘，从所述轮盘的所述后侧的部分向包括相对于所述轴线的径向成分的方向延伸，并朝向所述后侧；正压面及负压面，从所述前缘延伸到所述后缘，并朝向彼此相反的侧；叶尖，成为远离所述外周面的一侧的边缘，所述负压面具有：及叶尖侧前部，包括所述负压面与所述叶尖的边界及所述前缘；及叶尖侧后部，包括所述负压面与所述叶尖的边界及所述后缘，所述叶尖侧前部从径向观察，呈从所述负压面朝向所述正压面的向逆旋转侧凹陷的凹曲面，所述叶尖侧后部从径向观察，呈从所述正压面朝向所述负压面侧的向旋转侧凸起的凸曲面。

在涡轮叶轮中的叶片的叶尖和覆盖该涡轮叶轮的涡轮壳体的内周面之间，存在称为尖端间隙的间隙。通过尖端间隙的工作流体的流动，即间隙流的存在，促进涡轮效率的下降。

在此，假设将负压面整体为向旋转侧凸起的凸曲面的叶片作为比较例。该比较例中，作为间隙流的结果，从叶片的正压面侧向负压面侧流动的泄漏流体成为涡流，沿该叶片的负压面流动。沿该叶片的负压面的泄漏流体的流动会引发更多的间隙流。

另一方面，该涡轮叶轮中，叶片的负压面中的叶尖侧前部为向逆旋转侧凹陷的凹曲面。因此，该涡轮叶轮中，相比于比较例中的相对于负压面的间隙流的角距离，相对于负压面的间隙流的角距离更大。因此，该涡轮叶轮中，经由叶片的前缘侧的部分中的尖端间隙，流动到该叶片的负压面侧的大部分泄漏流体不附着于该叶片的负压面，并远离该负压面流动。如此，在该涡轮叶轮中，大部分泄漏流体远离叶片的负压面而流动，因此能够抑制引发间隙流。其结果，在该涡轮叶轮中，相比于比较例能够降低间隙流，并能够提高涡轮效率。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第二方式的涡轮叶轮，其中，

在所述第一方式的涡轮叶轮中，所述负压面具有根部，所述根部包括与所述外周面的边界、所述前缘及所述后缘，且与所述叶尖侧前部及所述叶尖侧后部接触，所述根部呈向所述旋转侧凸起的凸曲面。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第三方式的涡轮叶轮，其中，

所述第二方式的涡轮叶轮中，所述叶尖侧前部与根部的边界位于在叶片高度方向上小于从所述叶尖起不到叶片高度的一半的位置。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第四方式的涡轮叶轮，其中，

所述第一至第三方式中的任一涡轮叶轮中，所述叶尖侧前部和所述叶尖侧后部相互接触，在形成于所述叶尖和所述负压面的边界的叶尖线上，所述叶尖侧前部和所述叶尖侧后部的边界位于从所述前缘的距离为所述叶尖线的全长的一半以上的位置。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第五方式的涡轮叶轮，其中，

所述第一至第四方式中的任一涡轮叶轮中，所述叶尖侧前部的所述凹曲面的曲率半径为所述叶尖侧后部的所述凸曲面的曲率半径以上。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第六方式的涡轮叶轮，其中，

所述第一至第五方式中的任一涡轮叶轮中，所述正压面具有：叶尖侧前部，包括所述正压面与所述叶尖的边界及所述前缘；及叶尖侧后部，包括所述正压面与所述叶尖的边界及所述后缘，所述正压面的所述叶尖侧前部从径向观察，呈向所述逆旋转侧凸起的凸曲面，所述正压面的所述叶尖侧后部从径向观察，也呈向所述旋转侧凹陷的凹曲面。

作为用于实现上述目的的本发明的第七方式的径向涡轮，其具备：

所述第一至第六方式中的任一涡轮叶轮；涡轮旋转轴，以所述轴线为中心沿所述轴向延伸，并固定有所述涡轮叶轮；及

涡轮壳体，以可旋转的方式覆盖所述涡轮叶轮。

作为用于实现上述目的的发明所涉及的第八方式的增压器，其中，

具备所述第七方式的径向涡轮及压缩机，所述压缩机具有：压缩机旋转轴，以所述轴线为中心进行旋转；叶轮，固定于所述压缩机旋转轴；及压缩机壳体，覆盖所述叶轮，所述涡轮旋转轴和所述压缩机旋转轴位于同一轴线上并相互连结而一体旋转，成为增压器旋转轴。

发明效果

本发明的一方式能够降低间隙流。

附图说明

图1是本发明所涉及的一实施方式中的增压器的剖视图。

图2是本发明所涉及的一实施方式中的径向涡轮的主要部分剖视图。

图3是本发明所涉及的一实施方式中的涡轮叶轮的展开图。

图4是本发明所涉及的一实施方式中的涡轮叶轮的立体图。

图5是表示本发明所涉及的一实施方式中的径向涡轮内的工作流体的流动的说明图。

图6是表示比较例中的径向涡轮内的工作流体的流动的说明图。

具体实施方式

以下说明中，利用附图对本发明所涉及的增压器的实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的增压器具备：压缩机10，将空气A进行压缩并输送至引擎；径向涡轮30，由来自引擎的排出其体EX进行驱动；及连结部20，连结压缩机10和径向涡轮30。

压缩机10具有：压缩机旋转轴11，以轴线Ar为中心进行旋转且为圆柱状；压缩机叶轮16，安装于压缩机旋转轴11的外周；及压缩机壳体12，覆盖压缩机叶轮16。

径向涡轮30具有：涡轮旋转轴31，以轴线Ar为中心进行旋转；涡轮叶轮40，安装于涡轮旋转轴31；及涡轮壳体32，覆盖涡轮叶轮40。

连结部20具有：连结旋转轴21，以轴线Ar为中心进行旋转，且为圆柱状；中心壳体22，覆盖连结旋转轴21；及轴承23，以可旋转的方式支承连结旋转轴21。轴承23固定于中心壳体22的内周侧。

在同一轴线Ar上依次配置有压缩机旋转轴11的轴线Ar、连结旋转轴21的轴线Ar及涡轮旋转轴31的轴线Ar。压缩机旋转轴11、连结旋转轴21及涡轮旋转轴31相互连结并一体旋转，而成为增压器旋转轴。并且，压缩机壳体12、中心壳体22及涡轮壳体32相互连结而成为增压器壳体。

在此，将轴线Ar的延伸方向设为轴向Da，将该轴向Da的一侧设为轴向前侧Daf、该轴向Da的另一侧设为轴向后侧Dab。本实施方式中，相对于连结部20，压缩机10设置于轴向前侧Daf，径向涡轮30相对于连结部20，设置于轴向后侧Dab。并且，将相对于轴线Ar的径向简称为径向Dr，将径向Dr上远离轴线Ar的一侧设为径向外侧Dro，将径向Dr上接近轴线Ar的一侧设为径向内侧Dri。并且，以轴线Ar为中心的周向简称为周向Dc。并将该周向Dc上，涡轮叶轮40进行旋转的一侧设为周向旋转侧Dcr。

如图2～图4所示，涡轮叶轮40具有轮盘41及多个叶片42。轮盘41呈以轴线Ar为中心旋转对称的形状，并随着朝向轴向后侧Dab逐渐减小直径。多个叶片42在周向Dc上分开间隔的固定于轮盘41的外周面41a。

如图2及图4所示，叶片42具有前缘43、后缘44、叶尖45、正压面46p及负压面46n。前缘43从轮盘41的轴向前侧Daf的部分向包括轴向成分的方向延伸，并朝向径向外侧Dro。后缘44从轮盘41的轴向后侧Dab的部分向包括径向成分的方向延伸，并朝向轴向后侧Dab。正压面46p和负压面46n从前缘43延伸至后缘44，并朝向相互相反的一侧。因此，正压面46p和负压面46n为背对的关系。负压面46n朝向周向旋转侧Dcr，正压面46p朝向与其相反的一侧。叶尖45为叶片42的从轮盘41的外周面41a远离的一侧的边缘。

负压面46n具有：叶尖侧前部47n、叶尖侧后部48n及根部49n。叶尖侧前部47n为包括叶尖45和负压面46n的边界及前缘43的部分。叶尖侧后部48n为，与叶尖侧前部47n接触并包括叶尖45和负压面46n的边界及后缘44的部分。根部49n为，与叶尖侧前部47n及叶尖侧后部48n接触并包括轮盘41的外周面41a和负压面46n的边界、前缘43及后缘44的部分。负压面46n中的叶尖侧前部47n、叶尖侧后部48n及根部49n没有相互重合的部分。

在此，将从正压面46p朝向负压面46n的一侧设为旋转侧Sr(参考图3)。并且，将从负压面46n朝向正压面46p的一侧设为逆旋转侧So。

如图3所示，叶尖侧前部47n从相对于该叶片42的径向观察，呈向逆旋转侧So凹陷的凹曲面。叶尖侧后部48n从相对于该叶片42的径向观察，呈向旋转侧Sr凸起的凸曲面。负压面46n的根部49n从相对于该叶片42的径向观察，呈向旋转侧Sr凸起的凸曲面。

叶尖侧前部47n中的凹曲面的曲率半径R1，例如为叶尖侧后部48n中的凸曲面的曲率半径R2以上。并且，在叶尖45与负压面46n的边界形成的叶尖线45l上，叶尖侧前部47n和叶尖侧后部48n的边界b，例如位于从前缘43的距离为叶尖线45l的全长的一半以上的位置。并且，如图2所示，叶尖侧前部47n和根部49n的边界位于在叶片高度方向上从叶尖45到小于叶片高度的一半的位置。

如图2及图4所示，正压面46p与负压面46n相同地也具有叶尖侧前部47p、叶尖侧后部48p及根部49p。叶尖侧前部47p为包括叶尖45和正压面46p的边界及前缘43的部分。叶尖侧后部48p为，与叶尖侧前部47p接触，并包括叶尖45和正压面46p的边界及后缘44的部分。根部49p为，与叶尖侧前部47p及叶尖侧后部48p接触，并包括轮盘41的外周面41a和正压面46p的边界、前缘43及后缘44的部分。正压面46p中的叶尖侧前部47p、叶尖侧后部48p及根部49p没有相互重合的部分。

如图3所示，正压面46p的叶尖侧前部47p从在相对于该叶片42的径向观察，呈向半旋转侧So凸起的凸曲面。正压面46p的叶尖侧后部48p从相对于该叶片42的径向观察，也呈向旋转侧Sr凹陷的凹曲面。此外，正压面46p的根部49p从相对于该叶片42的径向观察，也呈向旋转侧Sr凹陷的凹曲面。

如图1所示，涡轮壳体32中形成有可以以可旋转的方式容纳涡轮叶轮40的叶轮室33、流入工作流体F(EX)的滚动流路34及排出工作流体F的排出口35。滚动流路34为向包括周向成分的方向延伸的流路。滚动流路34为叶轮室33的轴向后侧Dab的部分，且在叶轮室33的径向外侧Dro的部分与叶轮室33连通。流入至滚动流路34的工作流体F经由该连通部分，从径向外侧Dro流入至叶轮室33内。叶轮室33在轴向后侧Dab的端部开口。该开口为前述的排出口35。流入至叶轮室33的工作流体F从该排出口35排出。

如图5所示，流入至叶轮室33的工作流体F从涡轮叶轮40中的各叶片42的前缘43之间流入叶片42之间。流入至叶片42之间的工作流体F从各叶片42的后缘44之间流出。工作流体F在叶片42之间流动的过程中，对涡轮叶轮40赋予旋转力。另外，本实施方式中，工作流体F为排出气体EX。

叶片42的叶尖45与涡轮壳体32的内周面及叶尖45相对的部分之间，存在称为尖端间隙Ct(参考图2)的间隙。为了提高涡轮效率，优选尽量减小该尖端间隙Ct。然而，为了避免因轴振动或涡轮叶轮40的热膨胀的影响等，而叶片42的叶尖45和涡轮壳体32的内周面接触的风险，因缩小该尖端间隙Ct存在局限。

通过尖端间隙Ct的工作流体F的流动即间隙流的存在会促进涡轮效率的下降。因此，期望减小间隙流。

在此，对本实施方式中的间隙流进行说明之前，参考图6对比较例的涡轮叶轮中的间隙流进行说明。

比较例的涡轮叶轮40c也具有轮盘41c及多个叶片42c。叶片42c的正压面46pc的整体呈向旋转侧Sr凹陷的凹曲面。并且，该叶片42c的负压面46nc的整体呈向旋转侧Sr凸起的凸曲面。

如前述，流入在周向Dc上邻接的第一叶片42cx和第二叶片42cy之间的大部分工作流体F从这些叶片42cx、42cy的后缘44之间流出。然而，一部分的工作流体F从第二叶片42cy的正压面46pc侧经由该第二叶片42cy中的尖端间隙Ct，作为泄漏流体Fl向该第二叶片42cy的负压面46nc侧流动。即，一部分的工作流体F经由第二叶片42cy中的尖端间隙Ct，作为泄漏流体Fl向第二叶片42cy和第三叶片42cz之间流入。

流入第二叶片42cy和第三叶片42cz之间的泄漏流体Fl成为涡流，附着于第二叶片42cy的负压面46nc，并沿该负压面46nc流动。根据沿该第二叶片42cy的负压面46nc的泄漏流体Fl的流动会引发间隙流。因此，根据第二叶片42cy的前缘43一侧的部分产生的间隙流Fc，在第二叶片42cy的前缘43和后缘44的中间部分也会产生间隙流。通过所引发的该间隙流，流入至第二叶片42cy和第三叶片42cz之间的泄漏流体Fl也成为涡流，沿第二叶片42cy的负压面46nc流动。根据沿该第二叶片42cy的负压面46nc的泄漏流体Fl的流动，也会引发间隙流。因此，通过在第二叶片42cy的中间部分产生的间隙流，在第二叶片42cy的后缘44一侧的部分，也会产生间隙流。

即，在比较例中，从叶片42c的前缘43至后缘44的叶片42c整体中产生间隙流。

接着，参考图5对本实施方式中的间隙流进行说明。

本实施方式中，流入第一叶片42x和第二叶片42y之间的工作流体F的一部分也会在第二叶片42y的前缘43侧的部分中，作为泄漏流体Fl，从第二叶片42y的正压面46p一侧经由该第二叶片42y中的尖端间隙Ct，流入该第二叶片42y的负压面46n一侧。即，一部分的工作流体F作为泄漏流体Fl，经由第二叶片42y的前缘43一侧的部分中的尖端间隙Ct，流入第二叶片42y和第三叶片42z之间。

流入第二叶片42y和第三叶片42z之间的泄漏流体Fl在本实施方式中也成为涡流。但是在本实施方式中，大部分该泄漏流体Fl离开第二叶片42y的负压面46n,向该第二叶片42y和第三叶片42z之间流动(像这些叶片42y，42z的后缘44一侧)。

比较例的负压面46nc整体为向旋转侧Sr凸起的凸曲面。另一方面，本实施方式的负压面46n中的叶尖侧前部47n为向逆旋转侧So凹陷的凹曲面。因此，相比于比较例中的相对于负压面46nc的间隙流Fc的角距离α2，本实施方式中的相对于负压面46n的间隙流Fc的角距离α1更大。另外角距离α为切线与该间隙流Fc所成的角度，所述切线为间隙流Fc相对于穿过负压面和叶尖的边界的位置中的负压面的切线。因此，本实施方式中，经由第二叶片42y的前缘43一侧的部分中的尖端间隙Ct，流入至第二叶片42y和第三叶片42z之间的大部分泄漏流体Fl不附着于第二叶片42y的负压面46n而离开该负压面46n流动。该泄漏流体Fl的流动与第二叶片42y的负压面46n之间，流动有流入至第二叶片42y和第三叶片42z之间的工作流体F。

其结果，本实施方式中，第二叶片42y的前缘43一侧的部分中即使产生了间隙流Fc，也不会因该间隙流Fc而引发新间隙流Fc。因此，本实施方式中，相比于比较例能够更加降低间隙流Fc，提高涡轮效率。

然而，若径向涡轮30的尺寸变小，则基本上尖端间隙Ct也会变小。然而，即使径向涡轮30的尺寸变小，尖端间隙Ct也不会变得那么小。其理由如前述，是因为尖端间隙Ct为为了避免因轴振动或涡轮叶轮40的热膨胀的影响等而叶片42的叶尖45和涡轮壳体32的内周面接触的间隙。因此，关于相对于前缘43的长度或后缘44的长度的尖端间隙Ct的比例，径向涡轮30越小型化则变得越大。因此，径向涡轮30越小型化，相对于流入径向涡轮30的工作流体F的流量，间隙流的流量的比例变得越高。

因此，例如用于中型或小型轿车用的增压器的径向涡轮30中，为了提高间隙流的低減率，如前述，在叶尖线45l上，负压面46n中的叶尖侧前部47n和叶尖侧后部48n之间的边界b优选在从前缘43的距离为叶尖线45l的全长的一半以上的位置。并且，如前述，叶尖侧前部47n中的凹曲面的曲率半径R1优选为叶尖侧后部48n中的凸曲面的曲率半径R2以上。

产业上的可利用性

本发明的一方式能够降低间隙流。

符号说明

10-压缩机，11-压缩机旋转轴，12-压缩机壳体，16-压缩机叶轮，20-连结部，21-连结旋转轴，22-中心壳体，23-轴承，30-径向涡轮，31-涡轮旋转轴，32-涡轮壳体，33-叶轮室，34-滚动流路，35-排出口，40-涡轮叶轮，41-轮盘，41a-外周面，42-叶片，43-前缘，44-后缘，45-叶尖，45l-叶尖线，46n-负压面，46p-正压面，47n、47p-叶尖侧前部，48n、48p-叶尖侧后部，49n、49p-根部，Ct-尖端间隙，F-工作流体，Fc-间隙流，Fl-泄漏流体，Ar-轴线，Da-轴向，Dab-轴向后侧，Daf-轴向前侧，Dc-周向，Dr-径向，Dri-径向内侧，Dro-径向外侧，Sr-旋转侧，So-逆旋转侧。

Claims (8)

1.一种涡轮叶轮，其具备：

轮盘，以轴线作为中心呈旋转对称的形状，随着从所述轴线延伸的轴向的一侧即前侧朝向另一侧即后侧直径逐渐减小；及

多个叶片，相对于所述轴线在周向D上隔开间隔而固定于所述轮盘的外周面，

所述叶片具有：

前缘，从所述轮盘的所述前侧的部分沿包括所述轴向成分的方向延伸，并朝向相对于所述轴线的径向外侧；

后缘，从所述轮盘的所述后侧的部分沿包括相对于所述轴线的径向成分的方向延伸，并朝向所述后侧；

正压面及负压面，从所述前缘延伸到所述后缘，并朝向彼此相反侧；及

叶尖，成为远离所述外周面的一侧的边缘，

所述负压面具有：叶尖侧前部，包括所述负压面与所述叶尖的边界及所述前缘；及叶尖侧后部，包括所述负压面与所述叶尖的边界及所述后缘，

所述叶尖侧前部从径向观察，呈从所述负压面朝向所述正压面的向逆旋转侧凹陷的凹曲面，

所述叶尖侧后部从径向观察，呈从所述正压面朝向所述负压面侧的向旋转侧凸起的凸曲面。

2.根据权利要求1所述的涡轮叶轮，其中，

所述负压面具有根部，所述根部包括与所述外周面的边界、所述前缘及所述后缘，且与所述叶尖侧前部及所述叶尖侧后部接触，

所述根部呈向所述旋转侧凸起的凸曲面。

3.根据权利要求2所述的涡轮叶轮，其中，

所述叶尖侧前部与根部的边界位于在叶片高度方向上小于从所述叶尖到叶片高度的一半的位置。

4.根据权利要求1至3的任一项所述的涡轮叶轮，其中，

所述叶尖侧前部和所述叶尖侧后部相互接触，

在形成于所述叶尖和所述负压面的边界的叶尖线上，所述叶尖侧前部和所述叶尖侧后部的边界位于从所述前缘的距离为所述叶尖线的全长的一半以上的位置。

5.根据权利要求1至4的任一项所述的涡轮叶轮，其中，

所述叶尖侧前部中的所述凹曲面的曲率半径为所述叶尖侧后部中的所述凸曲面的曲率半径以上。

6.根据权利要求1至5的任一项所述的涡轮叶轮，其中，

所述正压面具有：叶尖侧前部，包括所述正压面与所述叶尖的边界及所述前缘；及叶尖侧后部，包括所述正压面与所述叶尖的边界及所述后缘，

所述正压面的所述叶尖侧前部在径向观察，呈向所述逆旋转侧凸起的凸曲面，

所述正压面的所述叶尖侧后部在径向观察，也呈向所述旋转侧凹陷的凹曲面。

7.一种径向涡轮，其具备：

权利要求1至6的任一项所述的涡轮叶轮；

涡轮旋转轴，以所述轴线为中心向所述轴向延伸，并固定有所述涡轮叶轮；及

涡轮壳体，以可旋转的方式覆盖所述涡轮叶轮。

8.一种增压器，其具备：

权利要求7中所述的径向涡轮；及

压缩机，

所述压缩机具有：

压缩机旋转轴，以所述轴线为中心进行旋转；

叶轮，固定于所述压缩机旋转轴；及

压缩机壳体，覆盖所述叶轮，

所述涡轮旋转轴和所述压缩机旋转轴位于同一轴线上并相互连结而一体旋转，成为增压器旋转轴。