CN109844263A - 涡轮机叶轮、涡轮机及涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮机叶轮，具备多个长翼及多个短翼，短翼的后缘在涡轮机叶轮的轴向上位于长翼的后缘的上游侧，长翼的前缘和短翼的前缘中的至少一方包含以与涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部。

Description

涡轮机叶轮、涡轮机及涡轮增压器
技术领域
本公开涉及涡轮机叶轮、涡轮机及涡轮增压器。
背景技术
近年来，因采用以提高燃油效率为目的的涡轮增压器，汽车发动机的涡轮安装率正在上升。特别是，通过改变喷嘴开度而使流量特性变化的可变容量涡轮增压器能够与发动机的负荷变动对应地运转，在发动机的低负荷时的响应性上具有优点。
另外，近年来安装有涡轮增压器的汽油发动机增加，考虑到可变容量涡轮增压器的上述特性，可变容量涡轮增压器在汽油发动机中的应用也在推进中。当发动机高速区域的发动机出口压(涡轮机入口压)变高时，泵气损失增大，发动机性能降低，因此，在可变容量涡轮增压器中，期望在发动机高速区域(喷嘴的大开度侧)的涡轮机流量多且涡轮机效率高。
专利文献1公开有一种涡轮机叶轮及涡轮增压器，具备多个长翼及多个短翼，短翼的后缘在涡轮机叶轮的轴向上位于长翼的后缘的上游侧。在该结构中，通过确保形成于长翼的后缘侧的喉管面积，能够应对流量的增大，且通过使入口侧的翼间距离适当而能够实现对流动的整流。因此，能够在增加流量的同时抑制效率降低，在宽流量范围内得到高效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第8608433号说明书
发明内容
发明所要解决的技术问题
本申请的发明人深入研究的结果表明，在专利文献1所记载的涡轮机叶轮中，在涡轮机叶轮的入口轮毂侧，冲角损失容易增大。流入翼前缘的气体的流动角和前缘的翼角之差即冲角(迎角)，冲角损失(インシデンスロス)是因冲角而产生的损失。如果冲角大，气体将在前缘被剥离，因此，冲击损失增大，冲角损失增大。
特别是，在涡轮机叶轮的入口轮毂侧产生的剥离流朝向护罩侧移动，成为通过翼的前端和壳体之间的泄漏流(下称“间隙流量”)，因此，成为妨碍涡轮机效率提高的主要因素。
本发明的至少一个实施方式鉴于上述现有的技术问题而做出的，其目的在于，提供一种能够实现高涡轮机效率的涡轮机叶轮以及具备所述涡轮机叶轮的涡轮机及涡轮增压器。
用于解决问题的技术方案
(1)本发明的至少一实施方式提供一种涡轮机叶轮，具备多个长翼及多个短翼，所述短翼的后缘在所述涡轮机叶轮的轴向上位于所述长翼的后缘的上游侧，所述长翼的前缘和所述短翼的前缘中的至少一方包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部。
根据上述(1)所述的涡轮机叶轮，因为在长翼的后缘的轴向位置不存在短翼，因此，通过在长翼的后缘侧确保形成于长翼之间的喉管面积，能够应对流量的增大。另外，因为在涡轮机叶轮的入口侧存在长翼及短翼，所以通过使涡轮机叶轮的入口侧的翼间距离适当，能够实现对流动的整流。因此，能够在增加流量的同时抑制效率降低，可在宽流量范围内得到高效率。
另外，与长翼的前缘及短翼的前缘双方沿着轴向延伸的方式相比，通过设置至少一方倾斜部，能够改善长翼和短翼中的至少一方的轮毂侧的冲角，抑制长翼的前缘和短翼的前缘中的至少一方在轮毂侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
(2)在一些实施方式中，在上述(1)所述的涡轮机叶轮中，所述长翼的前缘及所述短翼的前缘分别包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部。
根据上述(2)所述的涡轮机叶轮，通过在长翼的前缘和短翼的前缘分别设置倾斜部，能够改善长翼和短翼双方的轮毂侧的冲角，抑制长翼的前缘和短翼的前缘双方在轮毂侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。另外，通过在长翼的前缘及短翼的前缘分别设置倾斜部，能够降低涡轮机叶轮的惯性力矩。因此，能够改善涡轮迟滞。
(3)在一些实施方式中，在上述(1)或(2)所述的涡轮机叶轮中，将由所述短翼的翼展方向上的中央位置的集合构成的中间翼展线和所述短翼的前缘的交点设为X1、将所述交点X1和所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离设为R1、将所述涡轮机叶轮的外径设为R0、将沿着所述中间翼展线的所述短翼的前缘和所述短翼的后缘之间的距离设为D时，满足下式(A)：
(R0－R1+D)/(R0－R1)＞12.5 (A)
根据上述(3)所述的涡轮机叶轮，因为在长翼的前缘及短翼的前缘分别设有倾斜部，所以能够降低涡轮机叶轮的惯性力矩，另一方面，各翼的产生负荷的面积容易减小。因此，通过以满足上述式(A)的方式构成短翼，使短翼的后缘的位置与典型的位置相比朝向下游侧移动，从而确保了承受负荷的面积，由此，能够在降低涡轮机叶轮的惯性力矩的同时，抑制扭矩输出的减少。
(4)在一些实施方式中，在上述(1)所述的涡轮机叶轮中，所述长翼的前缘包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部，所述短翼的前缘的至少一部分在所述涡轮机叶轮的径向上位于所述倾斜部的外侧。
根据上述(4)所述的涡轮机叶轮，通过在长翼的前缘设置倾斜部，能够改善长翼的轮毂侧的冲角，抑制长翼的前缘在轮毂侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
另外，因为短翼的前缘的至少一部与倾斜部相比在径向上位于外侧，所以，就翼长短的短翼而言，能够尽可能地增大承受负荷的面积，同时，就翼长长的长翼而言，能够改善冲角。因此，能够抑制扭矩输出的减少，同时降低冲角损失，实现高涡轮机效率。
(5)在一些实施方式中，在上述(4)所述的涡轮机叶轮中，所述短翼的前缘沿着所述轴向延伸。
根据上述(5)所述的涡轮机叶轮，与长翼的前缘及短翼的前缘双方沿着轴向延伸的方式相比，通过在长翼的前缘设置倾斜部，能够降低涡轮机叶轮的惯性力矩。因此，能够改善涡轮迟滞。
(6)在一些实施方式中，在上述(1)所述的涡轮机叶轮中，所述短翼的前缘包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离在所述轴向上随着朝向上游侧而减小的方式倾斜的倾斜部，所述倾斜部的至少一部分在所述涡轮机叶轮的径向上位于所述长翼的前缘的外侧。
根据上述(6)所述的涡轮机叶轮，通过在短翼的前缘设置倾斜部，能够改善短翼的轮毂侧的冲角，抑制短翼的前缘在轮毂侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
另外，因为短翼的前缘的倾斜部的至少一部分在径向上位于长翼的前缘的外侧，所以，就翼长短的短翼而言，能够尽可能地增大承受负荷的面积，同时，就翼长长的长翼而言，能够改善冲角。因此，能够在抑制扭矩输出的减少的同时降低冲角损失，实现高涡轮机效率。
(7)在一些实施方式中，在上述(6)所述的涡轮机叶轮中，所述长翼的前缘沿着所述轴向延伸。
根据上述(7)所述的涡轮机叶轮，与长翼的前缘及短翼的前缘双方沿着轴向延伸的方式相比，由于在短翼的前缘设置了倾斜部，能够降低涡轮机叶轮的惯性力矩。因此，能够改善涡轮迟滞。
(8)本发明至少一实施方式提供一种涡轮机，其具备上述(1)～(7)中任一项所述的涡轮机叶轮。
根据上述(8)所述的涡轮机，由于具备上述(1)～(7)中任一项所述的涡轮机叶轮，能够得到高涡轮机效率。
(9)本发明至少一实施方式提供一种涡轮增压器，其具备上述(8)所述的涡轮机。
根据上述(9)所述的涡轮增压器，由于具备上述(8)所述的涡轮机，能够得到高效率。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，提供能够实现高涡轮机效率的涡轮机叶轮以及具备所述涡轮机叶轮的涡轮机及涡轮增压器。
附图说明
图1是表示一实施方式的涡轮增压器的涡轮机2的部分结构的概略子午面图。
图2是表示一实施方式的涡轮机叶轮4的结构的概略立体图。
图3是表示一实施方式的涡轮机2(2A)的部分结构的概略子午面图。
图4是表示一实施方式的涡轮机2(2A)的部分结构的概略子午面图。
图5是表示一实施方式的涡轮机2(2B)的部分结构的概略子午面图。
图6是表示一实施方式的涡轮机2(2C)的部分结构的概略子午面图。
图7是表示一实施方式的涡轮机2(2D)的部分结构的概略子午面图。
图8是表示一比较方式的涡轮机02的部分结构的概略子午面图。
图9是表示图8所示比较方式的涡轮机02的损失分布的一例的图。
图10是表示实施方式的涡轮机2的损失分布的一例的图。
图11是表示比较方式的涡轮机02和实施方式的涡轮机2的涡轮机流量和涡轮机效率之间的关系的特性曲线的一例的图。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的若干实施方式。其中，作为实施方式记载或附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等都不限定本发明的范围，只不过是简单的说明。
例如，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“垂直”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对或绝对设置的表达严格地说不仅是表示此种设置的表达，还是表示以公差或可得到相同功能的程度的角度及距离相对位移的状态的表达。
例如，“同一”、“相等”及“均质”等表示事物相等的状态的表达严格地说不仅是表示相等的状态的表示，还是表示存在公差或可得到相同功能的程度的差的状态的表达。
例如，表示四边形及圆筒形等形状的表达不仅是表示几何学上严格意义的四边形及圆筒形等形状的表达，还是表示在可得到相同效果的范围内包含凹凸部及倒角部等的形状的表达。
另一方面，“具备”、“具备”、“具备”、“包含”或“具有”一个构成元件之类的表达不是排除其他构成元件的存在的排他性表达。
图1是表示一实施方式的涡轮增压器的涡轮机2的部分结构的概略子午面图。涡轮增压器例如用于车辆或船舶等。
如图1所示，涡轮机2具备涡轮机叶轮4、收容涡轮机叶轮4且构成涡旋部6的涡轮机壳体8、可变喷嘴机构10。
可变喷嘴机构10包含喷嘴板42、在与喷嘴板42之间形成从涡旋部6向涡轮机叶轮4导入排气的排气通路9的喷嘴安装部44、被可转动地支承于喷嘴安装部44且使排气通路9的通路面积可变的喷嘴叶片12。可变喷嘴机构10利用喷嘴叶片12的旋转使排气通路9的通路面积变化，从而能够调整朝向涡轮机叶轮4的排气流速。在图示的例示方式中，喷嘴板42的一部分起到围绕涡轮机叶轮4的壳体46的作用。
图2是表示一实施方式的涡轮机叶轮4的结构的概略立体图。以下，将涡轮机叶轮4的轴向简称为“轴向”，将涡轮机叶轮4的径向简称为“径向”，将涡轮机叶轮4的周向简称为“周向”。
如图2所示，涡轮机叶轮4包含轮毂14、设于轮毂14的外周面16的多个长翼18、设于轮毂14的外周面16且分别具有比长翼18短的翼长的多个短翼20。
多个长翼18在周向上隔开间隔设置，多个短翼20在周向上隔开间隔设置。短翼20分别设于彼此相邻的长翼18之间。在图示的示例方式中，长翼18和短翼20在周向交替配置有相同数量。
如图2所示，短翼20的后缘24在轴向上位于长翼18的后缘22的上游侧。在该结构中，因为在长翼18的后缘22的轴向位置不存在短翼20，在长翼18的后缘22侧确保了形成于长翼18之间的喉管面积，所以能够应对流量的增大。另外，因为在涡轮机叶轮4的入口侧存在长翼18及短翼20，所以通过使涡轮机叶轮4的入口侧的翼间距离适当，能够实现对流动的整流。因此，能够在增加流量的同时抑制效率降低，可在宽流量范围内得到高效率。
图3是表示一实施方式的涡轮机2(2A)的部分结构的概略子午面图。图4是表示一实施方式的涡轮机2(2A)的部分结构的概略子午面图。图5是表示一实施方式的涡轮机2(2B)的部分结构的概略子午面图。图6是表示一实施方式的涡轮机2(2C)的部分结构的概略子午面图。图7是表示一实施方式的涡轮机2(2D)的部分结构的概略子午面图。图8是表示一比较方式的涡轮机02的部分结构的概略子午面图。在图3～图7中，实线表示长翼18的子午面形状，点划线表示短翼20的子午面形状。在图8中，实线表示长翼018的子午面形状，点划线表示短翼020的子午面形状。
在一些实施方式中，例如，如图3～图7所示，长翼18的前缘26和短翼20的前缘28中的至少一方包含以与涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离R随着朝向轮毂14侧而减小的方式倾斜的倾斜部26a、28a。
根据该结构，与图8所示的方式(长翼018的前缘026及短翼020的前缘028双方从轮毂014的外周端032沿着轴向延伸的方式)相比，通过设置倾斜部26a、28a中的至少一方，能够改善长翼18和短翼20中的至少一方的轮毂14侧的冲角，抑制长翼18的前缘26和短翼20的前缘28中的至少一方在轮毂14侧的剥离。由此，能够抑制长翼18的前端38和短翼20的前端40中的至少一方的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
在一些实施方式中，例如，如图3及图4所示，长翼18的前缘26包含以与涡轮机叶轮4的旋转轴线O(图1参照)之间的距离R随着朝向轮毂14侧而减小的方式倾斜的倾斜部26a，短翼20的前缘28包含以与涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离R随着朝向轮毂14侧而减小的方式倾斜的倾斜部28a。在图3及图4所示的方式中，以长翼18的前缘26的轮毂侧端34与轮毂14的外周端32相比位于径向内侧的方式设有倾斜部26a，以短翼20的前缘28的轮毂侧端36与轮毂14的外周端32相比位于径向内侧的方式设有倾斜部28a。
根据该结构，由于设置了倾斜部26a及倾斜部28a，与图8所示的方式相比，能够改善长翼18和短翼20双方的轮毂14侧的冲角，可抑制长翼18的前缘26和短翼20的前缘28双方在轮毂14侧的剥离，由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
另外，根据该结构，由于设置了倾斜部26a及倾斜部28a，与图8所示的方式相比，能够降低涡轮机叶轮4的惯性力矩。因此，能够改善涡轮迟滞。
在一些实施方式中，例如，如图4所示，将由短翼20的翼展方向d的中央位置的集合构成的中间翼展线Lc和短翼20的前缘28的交点设为X1、将交点X1和涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离设为R1、将涡轮机叶轮4的外径设为R0、将沿着中间翼展线Lc的短翼20的前缘28和短翼20的后缘24之间的距离设为D时，满足下式(A)。
(R0－R1+D)/(R0－R1)＞12.5 (A)
此外，在图4所示的示例方式中，涡轮机叶轮4的外径R0相当于长翼18的前缘26和涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离，并且，相当于短翼20的前缘28和涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离，另外，相当于轮毂14的外径R2。
在图4所示的方式中，与图8所示的方式相比，由于在长翼18的前缘26及短翼20的前缘28分别设有倾斜部26a或倾斜部28a，因此，能够降低涡轮机叶轮4的惯性力矩，另一方面，各翼18、20上的承受负荷的面积容易减小。因此，通过以满足上式(A)的方式构成短翼20，使短翼20的后缘24的位置与典型的位置相比朝向下游侧位移，从而确保了承受负荷的面积，由此，能够降低涡轮机叶轮4的惯性力矩，同时抑制扭矩输出的减少。
在一些实施方式中，例如，如图5所示，长翼18的前缘26包含以与涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离R随着朝向轮毂14侧而减小的方式倾斜的倾斜部26a，短翼20的前缘28的至少一部分(优选为全部)在径向上位于倾斜部26a的外侧。另外，在图5所示的涡轮机叶轮4中，短翼20的前缘28从轮毂14的外周端32沿着轴向延伸。
根据该结构，与图8所示的方式相比，由于设置了倾斜部26a，能够改善长翼18的轮毂14侧的冲角，抑制长翼18的前缘26在轮毂14侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。另外，因为能够降低涡轮机叶轮4的惯性力矩，所以能够改善涡轮迟滞。
另外，由于短翼20的前缘28的至少一部分与倾斜部26a相比在径向上位于外侧，因此，就翼长短的短翼20而言，能够尽可能地增大承受负荷的面积，同时，就翼长长的长翼18而言，能够改善冲角。因此，能够抑制扭矩输出的减少，同时降低冲角损失，得到高涡轮机效率。
在一些实施方式中，例如图6所示，短翼20的前缘28包含以与涡轮机叶轮4的旋转轴线O之间的距离R在轴向上随着朝向上游侧而减小的方式倾斜的倾斜部28a，倾斜部28a的至少一部分在径向上位于长翼18的前缘26的外侧。另外，在图6所示的涡轮机叶轮4中，长翼18的前缘26从轮毂14的外周端32沿着轴向延伸。
根据该结构，与图8所示的方式相比，由于设置了倾斜部28a，能够改善短翼20的轮毂14侧的冲角，抑制短翼20的前缘28在轮毂14侧的剥离。由此，能够抑制该剥离引起的上述间隙流量，实现高涡轮机效率。
另外，短翼20的前缘28的倾斜部28a的至少一部分在径向上位于长翼18的前缘26的外侧，因此，就翼长短的短翼20而言，能够尽可能地增大承受负荷的面积，同时，就翼长长的长翼18而言，能够改善冲角。因此，能够抑制扭矩输出的减少，同时降低冲角损失，得到高涡轮机效率。
在一些实施方式中，例如，如图7所示，轮毂14的外径R2小于涡轮机叶轮4的外径R0。在图示的示例方式中，与长翼18的前缘26上的轮毂侧端34的位置及短翼20的前缘28上的轮毂侧端36的位置对应地设定轮毂14的外径R2。根据该结构，与图3所示的方式相比，能够降低涡轮机叶轮4的惯性力矩。
图9是表示图8所示的比较方式的涡轮机02的损失分布的一例的图。图10是表示一实施方式的涡轮机2的损失分布的一例的图。图11是表示上述涡轮机02和涡轮机2的涡轮机流量和涡轮机效率之间的关系的特性曲线的一例的图。
如图9及图10所示，根据一些实施方式的涡轮机2，与图8所示的方式相比，通过抑制长翼18的前缘26和短翼20的前缘28中的至少一方在轮毂14侧的剥离，能够降低长翼18的前端38和短翼20的前端40中的至少一方的上述间隙流量所带来的损失。因此，如图11所示，特别是在喷嘴叶片12的大开度侧，能够实现高涡轮机效率。
本发明不限于上述的实施方式，还包含在上述的实施方式中加入了变形的方式、适当组合了这些方式的方式。
例如，在图2所示的示例方式中将长翼18和短翼20在周向上交替配置了相同数量，但长翼18的数量和短翼20的数量可以不同，例如也可以在彼此相邻的长翼18之间设置多个短翼20。
符号说明
2 涡轮机
4 涡轮机叶轮
6 涡旋部
8 涡轮机壳体
9 排气通路
10 可变喷嘴机构
12 喷嘴叶片
14 轮毂
16 外周面
18 长翼
20 短翼
22、24 后缘
26、28 前缘
26a、28a 倾斜部
32 外周端
34、36 轮毂侧端
38、40 前端
42 喷嘴板
44 喷嘴安装部
46 壳体

Claims (9)

1.一种涡轮机叶轮，具备多个长翼及多个短翼，其特征在于，
所述短翼的后缘在所述涡轮机叶轮的轴向上位于所述长翼的后缘的上游侧，
所述长翼的前缘和所述短翼的前缘中的至少一方包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部。
2.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
所述长翼的前缘及所述短翼的前缘分别包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
将由所述短翼的翼展方向上的中央位置的集合构成的中间翼展线和所述短翼的前缘的交点设为X1、将所述交点X1和所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离设为R1、将所述涡轮机叶轮的外径设为R0、将沿着所述中间翼展线的所述短翼的前缘和所述短翼的后缘之间的距离设为D时，满足下式(A)：
(R0－R1+D)/(R0－R1)＞12.5 (A)。
4.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
所述长翼的前缘包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离随着朝向轮毂侧而减小的方式倾斜的倾斜部，
所述短翼的前缘的至少一部分在所述涡轮机叶轮的径向上位于所述倾斜部的外侧。
5.如权利要求4所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
所述短翼的前缘沿着所述轴向延伸。
6.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
所述短翼的前缘包含以与所述涡轮机叶轮的旋转轴线之间的距离在所述轴向上随着朝向上游侧而减小的方式倾斜的倾斜部，
所述倾斜部的至少一部分在所述涡轮机叶轮的径向上位于所述长翼的前缘的外侧。
7.如权利要求6所述的涡轮机叶轮，其特征在于，
所述长翼的前缘沿着所述轴向延伸。
8.一种涡轮机，其特征在于，具备权利要求1～7中任一项所述的涡轮机叶轮。
9.一种涡轮增压器，其特征在于，具备权利要求8所述的涡轮机。
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