CN109312657A - 涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

该涡轮增压器(1A)具备：旋转轴(4)；涡轮机叶轮(2)；压缩机叶轮(3)；轴承壳体(6)，其具备支承旋转轴(4)使其能够旋转的轴颈轴承(5A、5B)、及在中心轴(C)方向上支承旋转轴(4)的推力轴承(8)；涡轮机壳体(31)，其收纳涡轮机叶轮(2)；流体供给部(70A)，其在涡轮机壳体(31)内，向涡轮机叶轮(2)供给朝第一端部(4a)侧推压涡轮机叶轮(2)的流体。

Description

涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器。
背景技术
在涡轮增压器中，为了实现效率提升，进行的是减少轴承壳体内的损失。另外，对于这种涡轮增压器，如下事项被确认：经压缩机叶轮压缩的空气的一部分向压缩机叶轮的背面侧泄漏。
如果像这样压缩空气向压缩机叶轮的背面侧泄漏，则压缩机叶轮在旋转轴的中心轴方向(推力方向)上被推压，在支承旋转轴在推力方向上的载荷(推力载荷)的推力轴承上，阻力增加，对涡轮增压器的增压效率提升构成妨碍。
专利文献1中公开了如下技术，即，为了减小低转速时的推力载荷，在叶轮的背面空气室的两处设置迷宫式密封，并且在该背面空气室设置与大气相通的抽气口，使背面空气室的压力下降。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开昭61－112737号公报
发明内容
发明所要解决的课题
专利文献1虽然能够减小低转速时的推力载荷，但并不能在全部的工作点减小推力载荷。涡轮增压器在高转速区域工作时，由压缩机叶轮的背压向推力方向推压压缩机叶轮的推力载荷也会变大。
另一方面，在涡轮增压器中，为了实现宽范围化等高性能化，有时压缩机叶轮的外径大于涡轮机叶轮的外径。例如，如果使压缩机叶轮的外径大于涡轮机叶轮的外径，则由泄漏到压缩机叶轮的背面的空气产生的压力(背压)向推力方向推压压缩机叶轮的推力载荷也会进一步变大。
于是，伴随涡轮增压器的高性能化，因压缩机叶轮的背压引起的推力轴承的阻力增加的影响更为显著。
本发明的目的在于，提供能够减小因压缩机叶轮的背压引起的推力载荷、提升增压效率的涡轮增压器。
用于解决课题的技术方案
根据本发明的第一方面，涡轮增压器具备：旋转轴，其沿中心轴延伸；涡轮机叶轮，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。涡轮增压器还具备：轴承壳体，其具备径向轴承及推力轴承，该径向轴承支承所述旋转轴使其能够旋转，该推力轴承在所述中心轴方向上支承所述旋转轴；涡轮机壳体，其收纳所述涡轮机叶轮。涡轮增压器还具备：流体供给部，其在所述涡轮机壳体内，向所述涡轮机叶轮供给朝所述第一端部侧推压所述涡轮机叶轮的流体。
通过这样构成，能够通过流体供给部，对涡轮机叶轮供给朝着与压缩机叶轮相反侧的第一端部侧推压涡轮机叶轮的流体。向第一端部侧推压涡轮机叶轮的力相对于由压缩机叶轮的背压向第二端部侧推压压缩机的力为反向。因此，能够减小因压缩机的背压引起的推力载荷。
根据本发明的第二方面，涡轮增压器也可以是，第一方面的所述流体供给部在向所述涡轮机叶轮供给的气体的流动方向上，从比所述涡轮机叶轮靠上游侧抽取所述气体，并向所述涡轮机叶轮的所述第二端部侧的背面供给所述气体。
由此，比涡轮机叶轮靠上游侧的气体的压力高于使涡轮机叶轮旋转做功后的气体的压力，故而，通过向涡轮机叶轮的背面供给该气体，能够高效地发挥向第一端部侧推压涡轮机叶轮的力。
根据本发明的第三方面，涡轮增压器也可以是，在第一方面的基础上，所述流体供给部从形成于所述压缩机叶轮与所述轴承壳体之间的空间抽取所述流体，并向所述涡轮机叶轮的所述第二端部侧的背面供给所述流体。
这样，抽取在形成于压缩机叶轮与轴承壳体之间的空间的、也就是形成压缩机叶轮的背压的流体，向涡轮机叶轮的背面供给。由此，能够减小压缩机叶轮的背压，同时推压涡轮机叶轮。
根据本发明的第四方面，涡轮增压器也可以是，在第一至第三方面中任一方面的基础上，所述轴承壳体具备至少向所述径向轴承供给润滑油的润滑油供给路，所述流体供给部设为，在所述轴承壳体内沿着所述润滑油供给路。
由此，能够利用向涡轮机叶轮供给的流体的热对润滑油进行加热，使其粘度降低。由此，可降低支承旋转轴的径向轴承等的滑动阻力。
发明效果
根据上述的涡轮增压器，能够减小因压缩机叶轮的背压引起的推力载荷，提升增压效率。
附图说明
图1是本发明第一实施方式的涡轮增压器的剖面图；
图2是本发明第二实施方式的涡轮增压器的剖面图；
图3是本发明第三实施方式的涡轮增压器的剖面图。
具体实施方式
基于附图说明本发明实施方式的涡轮增压器。
(第一实施方式)
图1是本发明第一实施方式的涡轮增压器的剖面图。
如图1所示，涡轮增压器1A具备：涡轮机叶轮2；压缩机叶轮3；旋转轴4；轴颈轴承(径向轴承)5A、5B；推力轴承8；轴承壳体6。该涡轮增压器1A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等支承于车身等。轴承壳体6在其一端侧具有开口部60a，在其另一端侧具有开口部60b。
通过被轴承壳体6保持的轴颈轴承5A、5B，旋转轴4支承有与中心轴C正交的径向的载荷，并且绕中心轴C旋转自如地被支承。
另外，通过设于轴承壳体6的推力轴承8，旋转轴4支承有沿着中心轴C的方向的推力载荷。推力轴承8由轴承主体8a、推力套筒8b及推力环8c构成，其中，轴承主体8a固定于轴承壳体6，并位于与中心轴C正交的面内；推力套筒8b安装于旋转轴4，并与轴承主体8a的中心轴C方向的一面侧和另一面侧分别相抵靠。
轴承壳体6具有从轴承壳体6的外周面6f朝轴承壳体6的径向内方延伸的供油管连接口61。在该供油管连接口61，连接有用于从轴承壳体6的外部供给润滑油的润滑油供给管(未图示)。
从润滑油供给管送入到供油管连接口61的润滑油经由形成于轴承壳体6的润滑油供给流路62，向轴承壳体6内的轴颈轴承5A、5B等供给。在轴承壳体6的下部，形成有将供给到轴颈轴承5A、5B等的润滑油排出的排油部63。在排油部63，连接有将润滑油排出的配管(未图示)。
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的一端侧，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的第一端部4a，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：以面向涡轮机叶轮2的外周部的方式设置，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的另一端侧，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在中心轴C方向上具有一定长度，固定于旋转轴4的第二端部4b。盘22在旋转轴4的第二端部4b侧具有盘面22f。盘面22f由弯曲面形成，该弯曲面随着从旋转轴4的第二端部4b侧朝向轴承壳体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。
通过将螺母7拧入形成于旋转轴4的第二端部4b上的螺纹部4n，压缩机叶轮3被推力套筒8b和螺母7夹着而与旋转轴4结合。
当涡轮机叶轮2旋转时，这种压缩机叶轮3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，将压缩空气向径向外侧送出。
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。
在这种涡轮增压器1A，相对于压缩机叶轮3在旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)，设有将轴承壳体6的开口部60b与推力环8c之间封住的背板64。
在相对于压缩机叶轮3的盘22而言处于旋转轴4的第一端部4a侧的背面22r、与背板64之间，形成有空间65。压缩空气通过压缩机叶轮3的外周部与轴承壳体6的间隙66，从压缩机叶轮3的盘22的盘面22f侧流入该空间65。压缩机叶轮3被流入该空间65的压缩空气的压力产生的推力F1向旋转轴4的第二端部4b侧(图1中的右方)推压。
该实施方式中，具备流体供给部70A，该流体供给部70A供给向旋转轴4的第一端部4a侧推压涡轮机叶轮2的流体，以便与作用于压缩机叶轮3上的推力F1达到平衡。
流体供给部70A在涡轮机T中废气的流动方向上，从涡轮机叶轮2的上游侧、例如从涡旋流路34抽取高压的废气，向涡轮机叶轮2中旋转轴4的第二端部4b侧(图1中的左方)的背面2r供给。
流体供给部70A在涡轮机壳体31上可以设置废气的流路孔，也可以设置构成废气流路的管道等。
在流体供给部70A中，通过从涡轮机叶轮2的上游侧将高压的废气向背面2r供给，在涡轮机叶轮2上作用有推压力F2，该推压力F2向旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)推压涡轮机叶轮2。
根据上述第一实施方式的涡轮增压器1A，流体供给部70A对涡轮机叶轮2供给朝着与压缩机叶轮3相反侧的第一端部4a侧推压涡轮机叶轮2的流体。向第一端部4a侧推压涡轮机叶轮2的力相对于由压缩机叶轮3的背压向第二端部4b侧推压压缩机叶轮3的力为反向。由此，能够减小因压缩机P的背压引起的推力载荷。其结果，能够提升涡轮增压器1A的增压效率。
另外，流体供给部70A在向涡轮机叶轮2供给的气体的流动方向上，从比涡轮机叶轮2靠上游侧抽取气体。比涡轮机叶轮2靠上游侧的气体是高压，故而，通过将该高压的气体向涡轮机叶轮2的背面2r供给，能够高效地发挥向第一端部4a侧推压涡轮机叶轮2的力。
这里，在涡轮机叶轮2中，在设有涡轮叶片2w一侧(旋转轴4的第一端部4a侧)流动的废气由于使涡轮机叶轮2旋转做功，其能量下降，压力也变低。因此，在供给到涡轮机叶轮2的背面2r侧的高压的废气和其相反侧(旋转轴4的第一端部4a侧)产生压差。由此，能够更高效地发挥供给到背面2r侧的废气作用产生的推压力F2。
(第二实施方式)
接着，对本发明的涡轮增压器的第二实施方式进行说明。相对于第一实施方式的涡轮增压器，该第二实施方式所示的涡轮增压器仅流体供给部的结构不同。因此，在第二实施方式的说明中，对与第一实施方式相同的部分标注相同标记进行说明，并省略重复说明。即，对于与第一实施方式中说明的结构共通的涡轮增压器的整体结构，省略其说明。
图2是本发明第二实施方式的涡轮增压器的剖面图。
如图2所示，第二实施方式的涡轮增压器1B具备流体供给部70B，该流体供给部70B供给向旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)推压涡轮机叶轮2的流体，以便与作用于压缩机叶轮3上的推力F1达到平衡。
流体供给部70B在涡轮机T中废气的流动方向上，从涡轮机叶轮2的上游侧、例如从涡旋流路34抽取高压的废气，向涡轮机叶轮2中旋转轴4的第二端部4b侧(图1中的左方)的背面2r供给。
流体供给部70B穿过轴承壳体6内，设为其长度方向的至少一部分沿着润滑油供给流路62。
这种流体供给部70B在涡轮机壳体31或轴承壳体6可以设置构成废气流路的孔，也可以设置构成废气流路的管道等。
在流体供给部70B中，通过从涡轮机叶轮2的上游侧将高压的废气向背面2r供给，在涡轮机叶轮2上作用有推压力F3，该推压力F3向旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)推压涡轮机叶轮2。
另外，流体供给部70B引入高温的废气。利用其热量，对流经润滑油供给流路62的润滑油进行加热。
该实施方式的涡轮增压器1B中，能够通过由流体供给部70B向涡轮机叶轮2供给的流体的热量，对润滑油进行加热，使其粘度降低。由此，支承旋转轴4的轴颈轴承5A、5B等的滑动阻力减小，能够提升涡轮增压器1B的增压效率。
另外，由流体供给部70B向涡轮机叶轮2供给的废气由于在轴承壳体6内加热润滑油，其温度降低。于是，通过将温度降低后的废气向涡轮机叶轮2的背面2r侧供给，能够抑制涡轮机叶轮2的背面2r附近的部件的热损伤。
另外，与上述第一实施方式同样地，流体供给部70B对涡轮机叶轮2供给朝着与压缩机叶轮3相反侧的第一端部4a侧推压涡轮机叶轮2的流体。由此，能够减小因压缩机P的背压引起的推力载荷。其结果，能够提升涡轮增压器1B的增压效率。
(第三实施方式)
接着，对本发明的涡轮增压器的第三实施方式进行说明。相对于第一、第二实施方式的涡轮增压器，该第三实施方式的涡轮增压器仅流体供给部的结构不同。因此，在第三实施方式的说明中，对相同部分标注相同标记而省略重复说明。即，以相对于第一、第二实施方式的差异点为中心进行说明，对于与第一、第二实施方式中说明的结构共通的涡轮增压器的整体结构，省略其说明。
图3是本发明第三实施方式的涡轮增压器的剖面图。
如图3所示，第三实施方式的涡轮增压器1C具备流体供给部70C，该流体供给部70C供给向旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)推压涡轮机叶轮2的流体，以便与作用于压缩机叶轮3上的推力F1达到平衡。
流体供给部70C从形成于压缩机叶轮3与轴承壳体6之间的空间65抽取流体，将流体向涡轮机叶轮2的第二端部4b侧的背面2r供给。存在于空间65内的流体是经压缩机叶轮3压缩的压缩空气通过间隙66流入到空间65的流体。
这种流体供给部70C在轴承壳体6可以设置构成压缩空气流路的孔，也可以设置构成流路的管道等。
流体供给部70C也可以是穿过轴承壳体6内，并配置为其长度方向的至少一部分沿着润滑油供给流路62。
在流体供给部70C中，通过从空间65将压缩空气向涡轮机叶轮2的背面2r供给，在涡轮机叶轮2上作用有推压力F4，该推压力F4向旋转轴4的第一端部4a侧(图1中的右方)推压涡轮机叶轮2。
该实施方式的涡轮增压器1C中，抽取在形成于压缩机叶轮3与轴承壳体6之间的空间65的、也就是形成压缩机叶轮3的推力F1的压缩空气，向涡轮机叶轮2的背面2r供给。由此，能够减小作用于压缩机叶轮3上的推力F1，同时以反向的推压力F4推压涡轮机叶轮2。因此，能够高效地减小因压缩机P的背压引起的推力载荷。其结果，能够提升涡轮增压器1A的增压效率。
另外，由流体供给部70C向涡轮机叶轮2供给的压缩空气相较于废气是低温。因此，通过将压缩空气向涡轮机叶轮2的背面2r侧供给，能够抑制涡轮机叶轮2的背面2r附近的部件的热损伤。
(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，关于涡轮增压器1A、1B、1C的整体结构，不限于上述实施方式所示的结构。
例如，在具备对从涡旋流路送入涡轮机叶轮的废气的流量进行调节的机构的容量可变式涡轮增压器等中也是，通过适用流体供给部70A、70B、70C，能够得到与上述同样的作用效果。
产业上的可利用性
本发明能够适用于涡轮增压器。根据本发明，能够减小因压缩机叶轮的背压引起的推力载荷，提升增压效率。
标记说明
1A、1B、1C 涡轮增压器
2 涡轮机叶轮
2r 背面
2w 涡轮叶片
3 压缩机叶轮
4 旋转轴
4a 第一端部
4b 第二端部
4n 螺纹部
5A、5B 轴颈轴承(径向轴承)
6 轴承壳体
6f 外周面
7 螺母
8 推力轴承
8a 轴承主体
8b 推力套筒
8c 推力环
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
22 盘
22f 盘面
22r 背面
23 叶片
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
60a、60b 开口部
61 供油管连接口
62 润滑油供给流路
63 排油部
64 背板
65 空间
66 间隙
70A、70B、70C 流体供给部
C 中心轴
F1 推力
F2、F3、F4 推压力
P 压缩机
T 涡轮机

Claims (4)

1.一种涡轮增压器，其中，具备：
旋转轴，其沿中心轴延伸；
涡轮机叶轮，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；
轴承壳体，其具备径向轴承及推力轴承，该径向轴承支承所述旋转轴使其能够旋转，该推力轴承在所述中心轴方向上支承所述旋转轴；
涡轮机壳体，其收纳所述涡轮机叶轮；
流体供给部，其在所述涡轮机壳体内，向所述涡轮机叶轮供给朝所述第一端部侧推压所述涡轮机叶轮的流体。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，
所述流体供给部在向所述涡轮机叶轮供给的气体的流动方向上，从比所述涡轮机叶轮靠上游侧抽取所述气体，并向所述涡轮机叶轮的所述第二端部侧的背面供给所述气体。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，
所述流体供给部从形成于所述压缩机叶轮与所述轴承壳体之间的空间抽取所述流体，并向所述涡轮机叶轮的所述第二端部侧的背面供给所述流体。
4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮增压器，其中，
所述轴承壳体具备至少向所述径向轴承供给润滑油的润滑油供给路，
所述流体供给部设为，在所述轴承壳体内沿着所述润滑油供给路。
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