CN110050116B

CN110050116B - 增压器

Info

Publication number: CN110050116B
Application number: CN201880004849.2A
Authority: CN
Inventors: 森田功
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-06-15
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: US20190383152A1; JP2020200836A; DE112018000945T5; JP7036173B2; JPWO2018155532A1; CN110050116A; WO2018155532A1; US11162375B2; DE112018000945B4

Abstract

本发明的增压器具备：涡轮壳体，其具有枢毂侧涡旋流路以及护罩侧涡旋流路；涡轮叶轮，其具有从枢毂侧涡旋流路以及护罩侧涡旋流路接受工作流体的前缘。涡轮叶轮的前缘具有：第一部分，其接受从枢毂侧涡旋流路流出的工作流体；和第二部分，其接受从护罩侧涡旋流路流出的工作流体。第一部分相对于包括旋转轴线的假想平面而向与涡轮叶轮的旋转方向相反的方向倾斜。第二部分相对于假想平面而向旋转方向的方向倾斜。

Description

增压器

技术领域

本发明涉及增压器。

背景技术

作为本领域的技术，已知一种车辆用的增压器所使用的涡轮(专利文献1、2)。专利文献1所公开的斜流式涡轮利用枢毂侧和护罩侧对工作流体的供给进行了改良。根据该改良，翼的入口侧端缘的形状有效地发挥作用。即，减少斜流式涡轮的倾角损失。专利文献2所公开的斜流式涡轮减少倾角的损失。专利文献2中所称的倾角是排出气体的冲角与叶片的入口金属角之差。

专利文献1：日本特开2009-281197号公报

专利文献2：日本特开2012-177355号公报

发明内容

在增压器中存在具备由两个流路构成的所谓的双涡旋流路的增压器。具备双涡旋流路的增压器从各个涡旋流路相对于增压器所具备的动翼的前端提供工作流体。在此，从涡旋流路提供的工作流体的流动与叶片的相对的状态会对增压器的效率产生影响。因此本发明对关注从涡旋流路提供的工作流体的流动与叶片的相对的状态，能够提高效率的增压器进行说明。

本发明的一个方式的增压器具备：壳体，其具有以包围规定的轴线的方式形成的第一涡旋流路以及第二涡旋流路；和涡轮叶轮，其具有从第一涡旋流路以及第二涡旋流路接受工作流体的前缘，并且以被第一涡旋流路以及第二涡旋流路包围的方式将轴线作为旋转轴线而配置在壳体内。涡轮叶轮具备：具有前缘的叶片、和包括叶片的基端的枢毂。壳体具有覆盖叶片的护罩。前缘具有：第一部分，其接受从第一涡旋流路流出的工作流体；和第二部分，其接受从第二涡旋流路流出的工作流体，并且设置在比第一部分靠护罩侧的位置。第一部分相对于包括轴线的假想平面而向与涡轮叶轮的旋转方向相反的方向倾斜。第二部分相对于假想平面而向旋转方向的方向倾斜。

根据本发明的增压器，效率得到提高。

附图说明

图1是示意地表示本发明的增压器的构造的图。

图2是将图1的主要部分的截面放大表示的图。

图3的(a)是用于说明A/R值的曲线图。图3的(b)是用于说明冲角的示意的图。

图4是用于说明前缘的叶片的倾斜的示意的图。

图5是用于说明叶片角的分布的曲线图。

具体实施方式

在该增压器中，接受来自涡旋流路的工作流体的前缘相对于包括轴线的假想平面而局部倾斜。具体而言，接受来自第一涡旋流路的工作流体的前缘的第一部分相对于假想平面而向与涡轮叶轮的旋转方向相反的方向倾斜。根据这样的第一部分，能够抑制来自第一涡旋流路的工作流体的流动的脱离，并且在叶片接受工作流体。另外，接受来自第二涡旋流路的工作流体的前缘的第二部分相对于假想平面而向涡轮叶轮的旋转方向的方向倾斜。根据这样的第二部分，能够抑制来自第二涡旋流路的工作流体的流动的脱离，并且在叶片接受工作流体。其结果增压器的效率得到提高。

在几个方式中，前缘也可以具有第三部分，该第三部分设置于第一部分与第二部分之间，并且包括与假想平面平行的区域。根据该结构，可适宜地抑制工作流体的脱离，并且在叶片接受工作流体。因此增压器的效率得到提高。

在几个方式中，在将前缘中沿着从枢毂朝向护罩的方向的长度设为1时，第一部分也可以包括第一基准点，该第一基准点设定在前缘中的距离枢毂的长度为1/4的位置。第二部分也可以包括第二基准点，该第二基准点设定于前缘中的距离枢毂的长度为3/4的位置。根据该结构，进一步抑制工作流体的脱离，并且在叶片接受工作流体。因此增压器的效率进一步得到提高。

在几个方式中，第一基准点处的前缘的第一叶片角与第二基准点处的前缘的第二叶片角的差也可以为1度以上且10度以下。根据该结构，进一步抑制工作流体的脱离，并且在叶片接受工作流体。因此增压器的效率进一步得到提高。

在几个方式中，在前缘处从轴线到前缘的长度也可以沿着轴线恒定。即使在这样的结构中，也能够抑制工作流体的脱离。因此增压器的效率得到提高。

在几个方式中，也可以为：壳体具有隔离壁部，该隔离壁部将第一涡旋流路与第二涡旋流路相互隔开，隔离壁部延伸的方向相对于与轴线正交的假想平面以30度以上且50度以下的角度倾斜。根据这样的结构，能够将壳体小型化。

以下，一边参照附图、一边对本发明的增压器进行详细地说明。在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。

如图1所示，增压器1例如用于车辆的内燃机。例如增压器1用于小型的内燃机。增压器1具有涡轮2、压缩机3以及连结部4。

涡轮2具有涡轮壳体6和涡轮叶轮7。涡轮壳体6具有在内侧的周缘部沿周向延伸的涡旋部8。涡旋部8将工作流体向涡轮叶轮7引导。涡轮叶轮7设置为能够相对于涡轮壳体6旋转。涡轮叶轮7将工作流体所具有的能量转换为旋转能量。涡轮叶轮7设置于轴9的一端。在轴9的另一端设置有压缩机3的压缩机叶轮11。轴9被轴承12支承为能够旋转。轴承12配置在涡轮叶轮7与压缩机叶轮11之间。轴承12配置于连结部4的轴承壳体14。连结部4设置在涡轮壳体6与压缩机壳体13之间。

在增压器1中，从内燃机(未图示)排出的工作流体经由涡轮壳体6而向涡轮叶轮7供给。然后，涡轮叶轮7将工作流体具有的能量转换为轴9的旋转能量。若轴9旋转，则压缩机叶轮11旋转。压缩机叶轮11利用该旋转能量对向内燃机供给的流体(例如空气)进行压缩。

以下，对涡轮2的结构进行进一步详细地说明。

涡轮2隔着轴承壳体14而面对压缩机3。如图2所示，涡轮2具有涡轮壳体6和涡轮叶轮7。该涡轮壳体6是涡轮2的基体。涡轮壳体6收容涡轮叶轮7。涡轮壳体6在接受了从内燃机排出的工作流体之后，将工作流体向涡轮叶轮7引导。

涡轮壳体6具有：壳体端面16、将工作流体向涡轮叶轮7引导的涡旋部8、以及面对涡轮叶轮7的护罩17。

壳体端面16面对压缩机3。另外，壳体端面16是旋转轴线AX中与排出工作流体的排出口18相反的一侧的面。壳体端面16接近基准面K1。

涡旋部8是以包围旋转轴线AX的方式形成的流路。涡旋部8被壳体端面16、壳体侧面21以及护罩17包围。因此涡旋部8并未越过壳体端面16的位置而形成于压缩机3侧。即，涡旋部8并未相对于基准面K1而大幅度地向压缩机3侧突出。根据这样的结构，能够对涡轮壳体6与轴承壳体14的紧固使用G耦合器(未图示)。

涡旋部8具有枢毂侧涡旋流路22(第一涡旋流路)和护罩侧涡旋流路23(第二涡旋流路)。枢毂侧涡旋流路22是靠近基准面K1侧的流路。护罩侧涡旋流路23是比枢毂侧涡旋流路22离基准面K1远的一侧的流路。如上述那样，涡旋部8并未相对于基准面K1形成于压缩机3一侧。当在这样的涡旋部8形成两个流路时，将各个流路的形状形成为相同较困难。将枢毂侧涡旋流路22的从矩心S1到旋转轴线AX的距离设为距离R1。而且，将护罩侧涡旋流路23的从矩心S2到旋转轴线AX的距离设为距离R2。此时，距离R1与距离R2不同。该距离R1、R2的差异对从各个涡旋流路22、23流出的工作流体的状态产生影响。

枢毂侧涡旋流路22和护罩侧涡旋流路23由隔离壁部24相互隔开。该隔离壁部24相对于基准面K1沿倾斜方向延伸。具体而言，隔离壁部24延伸的方向与基准面K1所成的角C1为30度以上且50度以下。

护罩17面对涡轮叶轮7。因此由护罩17、相互相邻的一对叶片29以及枢毂25形成一个流路。在护罩17与涡轮叶轮7之间设置有微小的间隙。其结果涡轮叶轮7相对于护罩17绕旋转轴线AX旋转。

涡轮叶轮7具有形成其主体的枢毂25、和设置于枢毂25上的叶片29。枢毂25是使规定的曲线(枢毂线)绕旋转轴线AX旋转而得到的旋转体。在枢毂25的涡轮端面19设置轴9。在枢毂25的斜面31立起设置有多个叶片29。枢毂25与叶片29一体成形。枢毂25与叶片29相互成为一体进行旋转。即，叶片29的基端为枢毂25侧。相反侧的前端配置于护罩侧。因此叶片29配置在枢毂25与护罩17之间。

叶片29具有：从枢毂侧涡旋流路22以及护罩侧涡旋流路23接受工作流体的前缘26、排出工作流体的一侧的后缘27、以及将前缘26与后缘27连结的端缘28。因此，前缘26面对涡旋部8的出口。另外，端缘28面对护罩17。涡旋部8的出口包括枢毂侧出口和护罩侧出口。即，在增压器1，一个叶片29接受从枢毂侧涡旋流路22流出的工作流体、和从护罩侧涡旋流路23流出的工作流体。具有这样的结构的增压器1被称为所谓的双涡旋型。

在双涡旋型的增压器1中，交替地产生工作流体从枢毂侧涡旋流路22向涡轮叶轮7的流入、和工作流体从护罩侧涡旋流路23向涡轮叶轮7的流入。在内燃机的转速低时，工作流体从枢毂侧涡旋流路22向涡轮叶轮7流入的时间、和工作流体从护罩侧涡旋流路23向涡轮叶轮7流入的时间比较长。另一方面，在内燃机的转速高时，工作流体从枢毂侧涡旋流路22向涡轮叶轮7流入的时间、和工作流体从护罩侧涡旋流路23向涡轮叶轮7流入的时间比较短。

在此，对工作流体从枢毂侧涡旋流路22流入叶片29的流动进行说明。此外，对工作流体从护罩侧涡旋流路23流入叶片29的流动进行说明。这些工作流体的流动利用“冲角α”来表示。首先，作为参数规定A/R值。A/R值针对枢毂侧涡旋流路22以及护罩侧涡旋流路23各自进行规定。截面积A1、A2是卷绕开始位置处的涡旋流路的截面积。距离R1、R2(参照图2)是从旋转轴线AX到卷绕开始位置处的截面的矩心S1、S2的距离。若利用这些变量，则对于从涡旋流路22提供的工作流体的冲角α1而言，将流动的方向为径向的情况设为0度，并由算式(1)示出。另外，对于从涡旋流路23提供的工作流体的冲角α2而言，将流动的方向为径向的情况设为0度，并由算式(2)示出。

[算式1]

[算式2]

现在，假设向叶片29流入的涡旋流路的高度b是共通的。在该假设下，在算式(1)、(2)的A/R值变大的情况下，如图3的(b)所示，流入叶片100的工作流体的流动的方向接近径向(参照箭头Y103)。相反，在A/R值变小的情况下，流入叶片100的工作流体的流动的方向接近周向(参照箭头Y100)。

图3的(a)表示枢毂侧涡旋流路22的A/R值(曲线G3a)和护罩侧涡旋流路23的A/R值(曲线G3b)。护罩侧涡旋流路23比枢毂侧涡旋流路22接近旋转轴线AX。即，护罩侧涡旋流路23的距离R2小于枢毂侧涡旋流路22的距离R1。因此如图3的(a)中的曲线G3a、G3b所示，护罩侧涡旋流路23的A/R值(曲线G3b)大于枢毂侧涡旋流路22的A/R值(曲线G3a)。作为一个例子，护罩侧涡旋流路23的A/R值相对于枢毂侧涡旋流路22的A/R值为110％以上且130％以下。

A/R值的差异能够通过算式(1)、(2)转换为冲角α的差异。如上述的那样，在护罩侧涡旋流路23的A/R值为枢毂侧涡旋流路22的A/R值的110％以上且130％以下时，冲角α的差异相当于1度以上且10度以下。因此如图3的(b)所示，工作流体从枢毂侧涡旋流路22向叶片29流入的流动的方向(箭头Y100、Y101)、与工作流体从护罩侧涡旋流路23向叶片29流入的流动的方向(箭头Y102、Y103)相互不同。

为了提高增压器1的效率，期望抑制在叶片29的工作流体的流动的脱离。因此，在接受从枢毂侧涡旋流路22流入的工作流体的位置(第一部分)，形成为适于枢毂侧涡旋流路22的冲角α的形状。此外，在接受从护罩侧涡旋流路23流入的工作流体的位置(第二部分)，形成为适于护罩侧涡旋流路23的冲角α的形状。

因此，本发明的叶片29在翼展方向上使前缘26的形状变化。翼展方向是在前缘26上从枢毂侧朝向护罩侧的方向。若参照将图2的Z部放大表示的图4，则枢毂侧涡旋流路22的工作流体沿着沿旋转方向T那样的方向(箭头Y1)流入叶片29。另一方面，护罩侧涡旋流路23的工作流体沿着沿径向那样的方向(箭头Y2)流入叶片29。因此，以与这些方向对应的方式，将前缘26的枢毂侧向与旋转方向T相反的方向倾斜，并且将护罩侧向旋转方向T的方向倾斜。

关于前缘26的形状，提出规定前缘26的形状的参数并进一步进行详细地说明。

在上述的说明中，叙述了将前缘26的枢毂侧向与旋转方向T相反的方向倾斜，将护罩侧向旋转方向T的方向倾斜。该倾斜由“叶片角β”来表示。“叶片角β”由算式(3)示出。

[算式3]

现在，针对叶片29，对从前缘26延伸至后缘27的子午线W(参照图2)进行定义。规定该子午线W所包含的点P。若利用以旋转轴线AX为基准的圆筒坐标系，则该点P的坐标由半径坐标r、周向坐标θ表示。而且，从前缘26到点P的长度为子午面长度m。

图5是表示前缘26中的叶片角β的分布的曲线图。横轴表示叶片角β。纵轴表示前缘26中的位置。例如，下端(0％)表示枢毂侧，上端(100％)表示护罩侧。

曲线G5表示本发明的涡轮叶轮7的前缘26中的叶片角β的分布。根据曲线G5，对于本发明的涡轮叶轮7的前缘26而言，叶片角β根据其每个位置而不同。曲线G5包括叶片角β为0的0位置P5(参照图5的点D1)并连续。随着从0位置P5向枢毂侧前进，叶片角β的绝对值变大。同样地，随着从0位置P5向护罩侧前进，叶片角β的绝对值变大。但是，护罩侧的叶片角β的极性与枢毂侧的叶片角β的极性相反。这表示：在前缘26处，倾斜的方向隔着0位置P5而在枢毂侧和护罩侧相反。

进一步详细地确认曲线G5。将枢毂25的位置(图4的点P3)设为0(图5的点D2)、将护罩17的位置(图4的点P4)设为100(图5的点D3)来示出。此外，将与枢毂25的距离为25的点设为第一基准点P1(图5的点D4)。进而，将与枢毂25的距离为75的点设为第二基准点P2(图5的点D5)。第一基准点P1是在前缘26处接受来自枢毂侧涡旋流路22的工作流体的流动的代表点。同样地，第二基准点P2是在前缘26处接受来自护罩侧涡旋流路23的工作流体的流动的代表点。

在本发明中，如上述那样示出了第一基准点P1以及第二基准点P2的位置，但并不限定于该数值。根据枢毂侧涡旋流路22以及护罩侧涡旋流路23的结构，前缘26中的第一基准点P1以及第二基准点P2能取得规定的值。例如，也可以在距离枢毂侧的位置为0～50的范围内配置第一基准点P1以及第二基准点P2。另外，也可以在距离枢毂侧的位置为0～50的范围内配置第一基准点P1，在距离枢毂侧的位置为50～100的范围内配置第二基准点P2。此外，也可以在距离枢毂侧的位置为50～100的范围内配置第一基准点P1以及第二基准点P2。

而且，第一基准点P1处的第一叶片角β1与第二基准点P2处的第二叶片角β2的差的绝对值(|β1－β2|)大约为1度以上且10度以下。该差对应于上述的冲角α的差。

换言之，在将前缘26中沿着从枢毂25朝向护罩17的方向的长度设为1时，第一部分B1包括第一基准点P1，该第一基准点P1设定于前缘26中的距离枢毂25的长度为1/4的位置。而且，第二部分B2包括第二基准点P2，该第二基准点P2设定于前缘26中的距离枢毂25的长度为3/4的位置。而且，在第一部分B1与第二部分B2之间设置叶片角β为0的第三部分B3。

以下，对本发明的增压器1的作用效果进行叙述。

在该增压器1中，接受来自枢毂侧涡旋流路22以及护罩侧涡旋流路23的工作流体的前缘26，相对于包括旋转轴线AX的假想平面K2而局部倾斜。具体而言，接受来自枢毂侧涡旋流路22的工作流体的前缘26的第一部分B1相对于假想平面K2而向与涡轮叶轮7的旋转方向T相反的方向倾斜。根据这样的第一部分B1，能够抑制来自枢毂侧涡旋流路22的工作流体的流动的脱离，并且在涡轮叶轮7接受工作流体。另外，接受来自护罩侧涡旋流路23的工作流体的前缘26的第二部分B2，相对于假想平面K2而向涡轮叶轮7的旋转方向T的方向倾斜。根据这样的第二部分B2，能够抑制来自护罩侧涡旋流路23的工作流体的流动的脱离，并且在叶片29接受工作流体。因此抑制工作流体的脱离，并且在叶片29接受工作流体。其结果增压器1的效率得到提高。

前缘26设置于第一部分B1与第二部分B2之间。前缘26包括与假想平面K2平行的第三部分B3。根据该结构，可适宜地抑制工作流体的脱离，并且在叶片29接受工作流体。因此增压器1的效率得到提高。

在将前缘26中沿着从枢毂25朝向护罩17的方向的长度设为1时，第一部分B1包括第一基准点P1，该第一基准点P1设定于前缘26中的距离枢毂25的长度为1/4的位置。第二部分B2包括第二基准点P2，该第二基准点P2设定于前缘26中的距离枢毂25的长度为3/4的位置。根据该结构，能够进一步抑制工作流体的脱离，并且在叶片29接受工作流体。因此增压器1的效率进一步得到提高。

第一基准点P1处的前缘26的第一叶片角β1与第二基准点P2处的前缘26的第二叶片角β2的差为1度以上且10度以下。根据该结构，可进一步抑制工作流体的脱离，并且在叶片29接受工作流体。因此增压器1的效率进一步得到提高。

在前缘26处从旋转轴线AX到前缘26的长度沿着旋转轴线AX恒定。即使在这样的结构中，也抑制工作流体的脱离。因此增压器1的效率得到提高。

涡轮壳体6具有隔离壁部24，该隔离壁部24将枢毂侧涡旋流路22与护罩侧涡旋流路23相互隔开。隔离壁部24延伸的方向相对于与旋转轴线AX正交的基准面K1以30度以上且50度以下的角度倾斜。在这样的结构中，能够实现涡轮壳体6的小型化。

以上，对本发明的增压器1进行了详细地说明。但是本发明的增压器1并不限定于上述实施方式。本发明的增压器1在不脱离其主旨的范围内，能够进行各种变形。

另外，上面叙述的枢毂侧涡旋流路22的截面积和护罩侧涡旋流路23的截面积的定义如下。即，涡旋的截面积为：在任意的周向位置处，被中央的隔板(隔离壁部24)、与中央的隔板对置的轴承壳体侧、以及涡轮出口侧各自的壁面的距离为最小的直线(图2的虚线L1、L2)、涡旋部内壁包围的部分的面积。换言之，涡旋的截面积也可以为：在各周向位置处，被与隔板对置的轴承壳体侧、涡轮出口侧各自的壁面、到隔板的距离为最小的直线(图2的虚线L1、L2)、涡轮壳体内壁包围的部分的面积。

附图标记说明：1...增压器；2...涡轮；3...压缩机；4...连结部；6...涡轮壳体；7...涡轮叶轮；8...涡旋部；9...轴；11...压缩机叶轮；12...轴承；13...压缩机壳体；14...轴承壳体；16...壳体端面；17...护罩；18...排出口；19...涡轮端面；21...壳体侧面；22...枢毂侧涡旋流路；23...护罩侧涡旋流路；24...隔离壁部；29...叶片；26...前缘；27...后缘；28...端缘；25...枢毂；31...斜面；AX...旋转轴线；T...旋转方向；P1...第一基准点；P2...第二基准点；B1...第一部分；B2...第二部分；B3...第三部分；K2...假想平面；α...冲角；β...叶片角；r...半径坐标；m...子午面长度；θ...周向坐标。

Claims

1.一种增压器，其特征在于，具备：

壳体，其具有以包围规定的轴线的方式形成的第一涡旋流路以及第二涡旋流路；和

涡轮叶轮，其具有从所述第一涡旋流路以及所述第二涡旋流路接受工作流体的前缘，并且以被所述第一涡旋流路以及所述第二涡旋流路包围的方式将所述轴线作为旋转轴线而配置在所述壳体内，

所述涡轮叶轮具备：具有所述前缘的叶片、和包括所述叶片的基端的枢毂，

所述壳体具有覆盖所述叶片的护罩，

所述前缘具有：第一部分，其接受从所述第一涡旋流路流出的所述工作流体；和第二部分，其接受从所述第二涡旋流路流出的所述工作流体，并且设置在比所述第一部分靠护罩侧的位置，

所述第一部分相对于包括所述轴线的假想平面而向与所述涡轮叶轮的旋转方向相反的方向倾斜，

所述第二部分相对于所述假想平面而向所述旋转方向的方向倾斜，

在将所述前缘中沿着从所述枢毂朝向所述护罩的方向的长度设为1时，

所述第一部分包括第一基准点，该第一基准点设定在所述前缘中的距离所述枢毂的长度为1/4的位置，

所述第二部分包括第二基准点，该第二基准点设定在所述前缘中的距离所述枢毂的长度为3/4的位置，

所述第一基准点处的所述前缘的第一叶片角与所述第二基准点处的所述前缘的第二叶片角的差为1度以上且10度以下，

所述涡轮叶轮具有涡轮端面，该涡轮端面在所述轴线上形成在与所述护罩相反的一侧，

所述第一涡旋流路的整体以及所述第二涡旋流路的整体不越过所述涡轮端面的位置形成于压缩机一侧。

2.根据权利要求1所述的增压器，其特征在于，

所述前缘具有第三部分，该第三部分设置于所述第一部分与所述第二部分之间，并且包括与所述假想平面平行的区域。

3.根据权利要求1或2所述的增压器，其特征在于，

在所述前缘处从所述轴线到所述前缘的长度沿着所述轴线恒定。

4.根据权利要求1或2所述的增压器，其特征在于，

所述壳体具有隔离壁部，该隔离壁部将所述第一涡旋流路与所述第二涡旋流路相互隔开，

所述隔离壁部延伸的方向相对于与所述轴线正交的假想平面以30度以上且50度以下的角度倾斜。