CN109196230A - 叶轮、旋转机械、涡轮增压器 - Google Patents

叶轮、旋转机械、涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

该压缩机叶轮(3)具备：盘(22)，其呈圆盘状，以能够绕中心轴(C)旋转的方式设置；叶片(23)，其在盘(22)中朝向中心轴(C)方向的第一侧的盘面(22f)，在绕中心轴(C)的周向上隔开间隔地设有多个；盘(22)中朝向中心轴(C)方向的第二侧的背面(22r)在盘(22)的中央部的至少一部分具备凸曲面(25)，该凸曲面(25)朝中心轴(C)方向的第二侧凸出。

Description

叶轮、旋转机械、涡轮增压器
技术领域
本发明涉及叶轮、旋转机械、涡轮增压器。
背景技术
涡轮增压器的压缩机叶轮大多一体地具备固定于旋转轴上的盘、和设于盘的旋转轴的中心轴方向一方侧的表面上的多个叶片。就这种涡轮增压器而言，伴随高性能化，压缩机叶轮的旋转也高速化。
压缩机叶轮旋转时，作用有盘的自重产生的离心应力。为了减小该离心应力，将盘的外周侧在中心轴方向上减薄以抑制盘的外周部的质量，同时为了确保刚度，将盘的内周侧在中心轴方向上加厚。
例如，专利文献1中公开了如下结构，即，在盘的径向外周部的背面(设有叶片的表面的相反侧)设置锥部，从而减小盘的离心应力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开平11－270491号公报
发明内容
发明所要解决的课题
但是，伴随压缩机叶轮的旋转高速化，对作用于盘上的应力的影响变大。例如，为了相对于中心轴方向对压缩机叶轮进行定位，在压缩机叶轮的背面设有轴环等部件，该情况下，也会由于与该部件的接触而在压缩机叶轮的背面产生应力。对此，如果为了提升强度而强行将盘在中心轴方向上加厚，则将导致上述那样的离心应力的影响增大。
本发明的目的在于，提供能够减小盘背面的应力、提高可靠性的叶轮、旋转机械、涡轮增压器。
用于解决课题的技术方案
根据本发明的第一方面，叶轮具备：盘，其呈圆盘状，以能够绕中心轴旋转的方式设置；叶片，其在所述盘中朝向所述中心轴方向的第一侧的表面，在绕所述中心轴的周向上隔开间隔地设有多个。所述盘中朝向所述中心轴方向的第二侧的背面在所述盘的中央部的至少一部分具备凸曲面，该凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出。
根据这种结构，当在叶轮的盘的背面的至少中央部形成凸曲面时，在形成有凸曲面的部分，能够确保盘在径向上的厚度大。由此，能够提升盘的强度。
另外，在其他部件抵靠在盘的背面的情况下，能够减小相对于其他部件的接触面积，防止与其他部件的接触部位处的局部应力集中。
根据本发明的第二方面，叶轮也可以是，在第一方面的基础上，在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有外周凸曲面，该外周凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出，并以不同于所述凸曲面的曲率形成。
这样，通过在凸曲面的径向外侧连续地形成外周凸曲面，可抑制盘部的外周部在中心轴方向上的厚度，可抑制盘的外周部的质量。由此，能够抑制盘的自重产生的离心应力。
根据本发明的第三方面，叶轮也可以是，在第一方面的基础上，在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有凹曲面，该凹曲面朝所述中心轴方向的第二侧凹陷。
这样，可抑制盘部的外周部在中心轴方向上的厚度，可抑制盘的外周部的质量。由此，能够抑制盘的自重产生的离心应力。
根据本发明的第四方面，叶轮也可以是，在第一方面的基础上，在所述凸曲面的径向外侧，形成有锥面，该锥面与所述凸曲面的外周端部连续地沿切线方向延伸。
这样，可抑制盘部的外周部在中心轴方向上的厚度，可抑制盘的外周部的质量。由此，能够抑制盘的自重产生的离心应力。
根据本发明的第五方面，也可以是，旋转机械具备：旋转轴，其沿中心轴延伸；第一至第四方面中任一方面的叶轮，其设于所述旋转轴；轴环，其设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。
根据这种结构，当在叶轮的盘的背面的至少中央部形成凸曲面时，在形成有凸曲面的部分，能够确保盘在径向上的厚度大。由此，能够提升盘的强度。
另外，能够减小相对于抵靠在盘背面的轴环的接触面积，防止与轴环的接触部位处的局部应力集中。
根据本发明的第六方面，涡轮增压器具备：旋转轴，其沿中心轴延伸；涡轮工作轮，其设于所述旋转轴的第一端部侧；压缩机叶轮，其设于所述旋转轴的第二端部侧，由第一至第四方面中任一方面所述的叶轮构成。
由此，当在构成压缩机叶轮的叶轮的盘的背面的至少中央部形成凸曲面时，在形成有凸曲面的部分，能够确保盘在径向上的厚度大。由此，能够提升压缩机叶轮的强度。
根据本发明的第七方面，在第六方面的基础上，涡轮增压器还具备轴环，该轴环设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。
由此，能够减小相对于抵靠在盘背面的轴环的接触面积，防止与轴环的接触部位处的局部应力集中。
发明效果
根据上述的叶轮、旋转机械、涡轮增压器，能够减小盘背面的应力，提高可靠性。
附图说明
图1是本发明实施方式的涡轮增压器的剖面图；
图2是表示上述涡轮增压器所具备的压缩机叶轮的盘的背面形状的剖面图；
图3是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第一变形例的剖面图；
图4是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第二变形例的剖面图；
图5是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第三变形例的剖面图。
具体实施方式
基于附图说明本发明实施方式的叶轮、旋转机械、涡轮增压器。
图1是表示本发明实施方式的涡轮增压器的剖面图。
如图1所示，涡轮增压器(旋转机械)1具备：涡轮工作轮2；压缩机叶轮(叶轮)3；旋转轴4；轴承5A、5B；轴承壳体6。该涡轮增压器1例如以旋转轴4沿水平方向延伸那样的姿态作为发动机的辅机搭载于汽车等上。这里，图1所示的点划线表示旋转轴4的中心轴C。
轴承壳体6经由托架(未图示)、压缩机P、涡轮机T等而支承于车身等。轴承壳体6在其一端侧具有开口部60b，在其另一端侧具有开口部60a。旋转轴4由被轴承壳体6保持的轴承5A、5B绕中心轴C旋转自如地被支承。该旋转轴4的第一端部4a、第二端部4b穿过开口部60a、60b而向轴承壳体6的外部突出。即，就旋转轴4而言，其沿着中心轴C的长度方向的一部分收纳于轴承壳体6。
在轴承壳体6的第二端部4b侧，设有涡轮机T。涡轮机T具备涡轮机叶轮2、和收纳有涡轮机叶轮2的涡轮机壳体31。
涡轮机叶轮2一体地设于旋转轴4的第二端部4b，与旋转轴4一体地绕中心轴C旋转。涡轮机叶轮2在周向上具备多个涡轮叶片2w。
涡轮机壳体31经由安装件32安装于轴承壳体6的一端侧。涡轮机壳体31在与轴承壳体6相向的位置具有开口部31a。在该开口部31a内，收纳有涡轮机叶轮2。
涡轮机壳体31具备：气体导入部(未图示)、涡旋流路34、排气部35。
气体导入部(未图示)将从发动机(未图示)排出的废气的一部分送入涡轮机壳体31内。
涡旋流路34与气体导入部(未图示)连续，以围绕涡轮机叶轮2的外周侧的方式在周向上连续地形成。就涡旋流路34而言，在其周向上的至少一部分，形成如下流路：以与涡轮机叶轮2的外周部连通的方式设置，并供驱动涡轮机叶轮2使其旋转的废气流动。
从气体导入部33流入的废气沿着涡旋流路34在涡轮机叶轮2的外周侧沿周向流动。这样沿周向流动的废气接触到涡轮机叶轮2的涡轮叶片2w，从而驱动涡轮机叶轮2进行旋转。另外，就废气而言，由于在涡轮机叶轮2的外周侧接触到各涡轮叶片2w，从而其流向改变。流向经涡轮叶片2w变换后的废气从涡轮机叶轮2的内周侧向排气部35内排出。
在轴承壳体6的第一端部4a侧，设有压缩机P。压缩机P具备压缩机叶轮3和压缩机壳体10。
压缩机叶轮3具备盘22和叶片23。
盘22呈向径向外侧延伸的圆盘状，在其中央部形成插通有旋转轴4的通孔22h。盘22在中心轴C方向上具有一定长度，固定于旋转轴4的第一端部4a。盘22在中心轴C方向的第一侧(图1中的左方)具有盘面(表面)22f。盘面22f由弯曲面形成，该弯曲面随着从中心轴C方向的第一侧的叶轮入口流路11侧朝向中心轴C方向的第二侧的轴承壳体6侧而逐渐朝向径向外侧。
在盘面22f，在绕中心轴C的周向上隔开间隔地设有多个叶片23。
相对于这种压缩机叶轮3在轴承壳体6侧，设有止推环(轴环)50。止推环50是圆筒状，在其内侧插通有旋转轴4。止推环50经由圆环状的隔圈51抵靠在形成于旋转轴4上的台阶部4d，从而其在中心轴C方向上向涡轮工作轮2侧的移动被限制。
通过将螺母7拧入形成于旋转轴4的第一端部4a上的螺纹部4n，压缩机叶轮3被止推环50和螺母7夹着而与旋转轴4结合。
就这种压缩机叶轮3而言，当涡轮工作轮2旋转时，其与旋转轴4一体地绕中心轴C旋转。压缩机叶轮3通过叶片23对空气(进气)进行升压及升温，并向其径向外侧送出。
压缩机壳体10形成叶轮入口流路11、叶轮流路12、扩压部13和涡旋部14。
叶轮入口流路11例如形成于从空滤箱等延伸的进气管(未图示)与叶轮流路12之间。
叶轮流路12由收纳压缩机叶轮3的空间构成。该叶轮流路12在与压缩机叶轮3的盘22之间形成压缩空气流动的流路。
扩压部13从叶轮流路12的最外周部12a朝着以中心轴C为中心的径向外侧延伸。该扩压部13例如将经压缩机叶轮3压缩的空气的动能转换为压力能。该扩压部13将叶轮入口流路11和涡旋部14相连。
涡旋部14将从扩压部13流入的空气的动能进一步转换为压力能，向压缩机壳体10的外部排出。经由该涡旋部14排出的空气向未图示的发动机的缸等供给。涡旋部14沿着以中心轴C为中心的周向延伸。这样形成的涡旋部14的截面面积朝向压缩机P的排出口(未图示)逐渐扩大。
图2是表示压缩机叶轮3的盘22的背面22r的形状的剖面图。
如图2所示，盘22在中心轴C方向的第二侧具有背面22r。背面22r在盘22的包含中央部的至少一部分具备凸曲面25，该凸曲面25朝中心轴C方向的第二侧(图1、图2中的右方)凸出。凸曲面25由以位置25c为中心的恒定的曲率半径形成，该位置25c相对于背面22r偏向中心轴C方向的第一侧(图2中的右方)的盘面22f侧。
进一步地，背面22r在凸曲面25的径向外侧连续地形成有凹曲面27，该凹曲面27朝中心轴C方向的第二侧(图2中的右方)凹陷。凹曲面27由以位置27c为中心的恒定的曲率半径形成，该位置27c相对于背面22r偏向涡轮机T(参照图1)侧。
这种压缩机叶轮3设为，背面22r的凸曲面25抵靠在止推环50。
根据上述实施方式的压缩机叶轮3、涡轮增压器1，当在压缩机叶轮3的盘22的背面22r的至少中央部形成凸曲面25时，在形成有凸曲面25的部分，能够确保盘22在径向上的厚度T大。由此，能够提升盘22的强度。
另外，通过凸曲面25，能够减小相对于抵靠在盘22的背面22r的止推环50的接触面积，防止与止推环50的接触部位处的局部应力集中。
进一步地，通过在凸曲面25的外周侧形成凹曲面27，能够抑制盘22的外周部在中心轴C方向上的厚度，能够抑制盘22的外周部的质量。由此，能够抑制盘22的自重产生的离心应力。
这样，能够减小盘22的背面22r的应力集中，提升压缩机叶轮3的可靠性。
(实施方式的变形例)
在上述第一实施方式中，盘22的背面22r在中央部形成凸曲面25，在外周侧形成凹曲面27。但是，不限于该结构。
以下，关于盘22的背面22r的形状，表示多个变形例。
(第一变形例)
图3是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第一变形例的剖面图。
如图3所示，在盘22的背面22r的中央部，形成有与止推环50接触的接触平面24。该接触平面24是与中心轴C正交的平面。
在盘22的背面22r，在接触平面24的径向外侧，具备朝中心轴C方向的第二侧(图4中的右方)凸出的凸曲面25。
进一步地，背面22r在凸曲面25的径向外侧连续地形成有朝中心轴C方向的第一侧(图3中的右方)凸出的凹曲面27。
即使是这种结构，也能够减小盘22的背面22r的应力集中，提升压缩机叶轮3的可靠性。
(第二变形例)
图4是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第二变形例的剖面图。
如图4所示，盘22的背面22r在盘22的中央部具备朝中心轴C方向的第二侧(图1、图2中的右方)凸出的凸曲面25。
另外，背面22r具备外周凸曲面26，该外周凸曲面26与凸曲面25的径向外侧连续，朝中心轴C方向的第二侧(图4中的右方)凸出，且以不同于凸曲面25的曲率形成。
进一步地，背面22r在外周凸曲面26的径向外侧连续地形成有朝中心轴C方向的第二侧(图4中的右方)凹陷的凹曲面27。
即使是这种结构，也能够减小盘22的背面22r的应力集中，提升压缩机叶轮3的可靠性。
(第三变形例)
图5是表示上述压缩机叶轮的盘的背面形状的第三变形例的剖面图。
如图5所示，盘22的背面22r在盘22的中央部具备朝中心轴C方向的第二侧(图5中的右方)凸出的凸曲面25。
另外，背面22r在凸曲面25的径向外侧形成有锥面29，该锥面29与凸曲面25的外周端部25s连续地沿切线方向延伸。
进一步地，背面22r在锥面29的径向外侧连续地形成有朝中心轴C方向的第二侧(图5中的右方)凹陷的凹曲面27。
即使是这种结构，也能够减小盘22的背面22r的应力集中，提升压缩机叶轮3的可靠性。
(其他实施方式)
本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内，可以进行设计变更。
例如，盘22的背面22r的形状也可以形成为上述实施方式及各变形例所例示之外的形状。例如，凸曲面25不仅以恒定曲率形成，例如，也可以由自由曲线形成。
进一步地，在背面22r，关于中央部的凸曲面25的径向外侧的形状，也可形成为上述实施方式及各变形例所例示之外的形状。
另外，例如，在上述的实施方式中，以开式叶轮为一例进行了说明。但是，叶轮不限于开式，例如，也可以是一体地具备罩部的闭式叶轮。
进一步地，作为旋转机械，以涡轮增压器1为例进行了说明。但是，具备叶轮的旋转机械不限于涡轮增压器，例如，也可以是离心压缩机等。进一步地，本发明也能够适用于无涡轮的电动压缩机。
产业上的可利用性
本发明能够适用于叶轮、旋转机械、涡轮增压器。根据本发明，能够减小盘背面的应力，提升可靠性。
标记说明
1 涡轮增压器(旋转机械)
2 涡轮工作轮
2w 涡轮叶片
3 压缩机叶轮(叶轮)
4 旋转轴
4a 第一端部
4b 第二端部
4d 台阶部
4n 螺纹部
5A、5B 轴承
6 轴承壳体
7 螺母
10 压缩机壳体
11 叶轮入口流路
12 叶轮流路
12a 最外周部
13 扩压部
14 涡旋部
16 轴承壳体
22 盘
22f 盘面(表面)
22h 通孔
22r 背面
23 叶片
24 接触平面
25 凸曲面
25c 位置
25s 外周端部
26 外周凸曲面
27 凹曲面
27c 位置
29 锥面
31 涡轮机壳体
31a 开口部
32 安装件
33 气体导入部
34 涡旋流路
35 排气部
50 止推环(轴环)
51 隔圈
60a、60b 开口部
C 中心轴
P 压缩机
T 涡轮机
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种旋转机械，其中，具备：
旋转轴，其沿中心轴延伸；
叶轮，其具备盘和叶片，
所述盘呈圆盘状，以能够绕中心轴旋转的方式设置，
所述叶片在所述盘中朝向所述中心轴方向的第一侧的表面，在绕所述中心轴的周向上隔开间隔地设有多个，
所述盘中朝向所述中心轴方向的第二侧的背面在所述盘的中央部的至少一部分具备凸曲面，该凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出；
轴环，其设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。
2.如权利要求1所述的旋转机械，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有外周凸曲面，该外周凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出，并以不同于所述凸曲面的曲率形成。
3.如权利要求1所述的旋转机械，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有凹曲面，该凹曲面朝所述中心轴方向的第二侧凹陷。
4.如权利要求1所述的旋转机械，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，形成有锥面，该锥面与所述凸曲面的外周端部连续地沿切线方向延伸。
5.一种涡轮增压器，其中，具备：
旋转轴，其沿中心轴延伸；
叶轮，其具备盘和叶片，
所述盘呈圆盘状，以能够绕中心轴旋转的方式设置，
所述叶片在所述盘中朝向所述中心轴方向的第一侧的表面，在绕所述中心轴的周向上隔开间隔地设有多个，
所述盘中朝向所述中心轴方向的第二侧的背面在所述盘的中央部的至少一部分具备凸曲面，该凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出；
轴环，其设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。

Claims (7)

1.一种叶轮，其中，具备：
盘，其呈圆盘状，以能够绕中心轴旋转的方式设置；
叶片，其在所述盘中朝向所述中心轴方向的第一侧的表面，在绕所述中心轴的周向上隔开间隔地设有多个；
所述盘中朝向所述中心轴方向的第二侧的背面在所述盘的中央部的至少一部分具备凸曲面，该凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出。
2.如权利要求1所述的叶轮，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有外周凸曲面，该外周凸曲面朝所述中心轴方向的第二侧凸出，并以不同于所述凸曲面的曲率形成。
3.如权利要求1所述的叶轮，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，连续地形成有凹曲面，该凹曲面朝所述中心轴方向的第二侧凹陷。
4.如权利要求1所述的叶轮，其中，
在所述凸曲面的径向外侧，形成有锥面，该锥面与所述凸曲面的外周端部连续地沿切线方向延伸。
5.一种旋转机械，其中，具备：
旋转轴，其沿中心轴延伸；
权利要求1至4中任一项所述的叶轮，其设于所述旋转轴；
轴环，其设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。
6.一种涡轮增压器，其中，具备：
旋转轴，其沿中心轴延伸；
涡轮工作轮，其设于所述旋转轴的第一端部侧；
压缩机叶轮，其设于所述旋转轴的第二端部侧，由权利要求1至4中任一项所述的叶轮构成。
7.如权利要求6所述的涡轮增压器，其中，
还具备轴环，该轴环设于所述旋转轴，并抵靠在所述叶轮的所述背面的所述凸曲面。
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