CN110582648B - 离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器 - Google Patents

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CN110582648B CN201780090189.XA CN201780090189A CN110582648B CN 110582648 B CN110582648 B CN 110582648B CN 201780090189 A CN201780090189 A CN 201780090189A CN 110582648 B CN110582648 B CN 110582648B
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Abstract

本发明提供一种离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器。该离心压缩机具有叶轮、以及在叶轮的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路的壳体，由以涡旋流路的卷绕终端为基准的角度位置表示涡旋流路的周向位置，对于在角度位置为θ的周向位置上由包括叶轮的旋转轴线在内的平面切断涡旋流路的情况下的截面，设涡旋流路的截面积为A，设从旋转轴线至涡旋流路的截面的涡旋中心的距离为R，设叶轮的半径为r，当定义F(θ)＝(A/R)/r时，为0.35≦F(360°)≦0.65，并为0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)。

Description

离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器。
背景技术
近年来，离心压缩机的工作区域需要扩大。例如，汽车发动机需要在低速度区域中改善燃油经济性、提高加速性能，涡轮增压器也随之需要扩大低速、小流量侧的工作区域。专利文献1记载了一种离心压缩机，其虽然不以扩大小流量侧的工作区域为目的，但通过沿周向改变涡旋流路的截面积的扩大率，降低因舌部的影响而在舌部与压缩空气之间产生的剥离引起的损失，来提高效率。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/132528号
发明内容
发明所要解决的技术问题
在离心压缩机中小流量侧的工作区域中，在涡旋流路内发生剥离而使涡旋流路内流动的通过面积减少，由此，剥离发生位置的内部流速急剧增加，内部流动的熵增加，所以，离心压缩机的效率降低。另外，因为在涡旋流路内发生的剥离流入扩散流路内，堵塞扩散流路，所以，使扩散流路内的内部流动恶化，使离心压缩机的效率降低，进而发生喘振。然而，专利文献1所记载的离心压缩机的结构并非旨在解决因在上述小流量侧的工作区域的工作而引起的效率降低的问题，因为专利文献1所记载的剥离的发生范围与在小流量侧的工作区域的剥离的发生范围不同，所以，不能扩大小流量侧的工作区域。
本发明是鉴于上述问题而提出的，本发明的至少一个实施方式的目的在于，提供一种扩大小流量侧的工作区域的离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器。
用于解决技术问题的技术方案
(1)本发明的至少一个实施方式的离心压缩机具有：
叶轮；
壳体，其在所述叶轮的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路；
该离心压缩机利用以所述涡旋流路的卷绕终端为基准的角度位置表示所述涡旋流路的周向位置，对于在该角度位置为θ的周向位置上由包括所述叶轮的旋转轴线的平面切断所述涡旋流路的情况下的截面，设所述涡旋流路的截面积为A，设所述旋转轴线至所述涡旋流路的截面的涡旋中心的距离为R，设所述叶轮的半径为r，
当定义F(θ)＝(A/R)/r时，则
0.35≦F(360°)≦0.65，且
0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)
根据上述(1)的结构，通过使0.35≦F(360°)≦0.65，能够平衡大流量侧的工作区域中摩擦损失的增大与小流量侧的工作区域中因失速引起的效率降低。另外，通过使0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)，能够在小流量侧的工作区域中确保在角度位置为60°的周向位置的附近从涡旋流路向扩散流路导入的再循环流，所以，利用该再循环流，在涡旋流路内变得难以发生剥离。其结果是，抑制涡旋流路内剥离的发生，因而能够扩大小流量侧的工作区域。
(2)在几个实施方式中，基于上述(1)的结构，
当将所述θ从60°至360°的所述F(θ)的变化率即基准变化率Δ定义为
Δ＝[F(360°)－F(60°)]/(360°－60°)时，
所述涡旋流路在从60°至270°的所述θ的范围内至少部分地包括所述F(θ)以比所述基准变化率小的变化率变化的第一区域。
根据上述(2)的结构，在第一区域中，与F(θ)以基准变化率变化的情况相比，涡旋流路的截面积的扩大率减小，所以能够抑制在第一区域中在涡旋流路内流通的压缩流体的流速降低。因此，即使在利用上述(1)的结构而形成了难以发生剥离的状态的区域的下游侧，也形成难以发生剥离的状态，所以能够进一步抑制涡旋流路内剥离的发生，进一步扩大小流量侧的工作区域。
(3)在几个实施方式中，基于上述(2)的结构，
所述第一区域包括：
变化率减小区域，其所述F(θ)的变化率减小；
变化率增大区域，其在所述变化率减小区域的下游，所述F(θ)的变化率增大。
根据上述(3)的结构，相对于在第一区域的上游侧抑制压缩流体的流速降低，能够在第一区域的下游侧缓和压缩流体的流速降低。在离心压缩机在小流量侧的工作区域工作的情况下，因为在角度位置为从90°至180°的范围的周向范围内发生剥离，所以，通过在第一区域的上游侧抑制压缩流体的流速降低，能够更可靠地形成难以发生剥离的状态。
(4)在几个实施方式中，基于上述(3)的结构，
所述变化率减小区域与所述变化率增大区域连续，所述变化率从减小向增大转换的拐点位置处在从90°至270°的所述θ的范围内。
根据上述(4)的结构，因为能够在第一区域的上游侧可靠地抑制压缩流体的流速降低，所以能够更可靠地形成难以发生剥离的状态。
(5)在几个实施方式中，基于上述(4)的结构，
设所述拐点位置的所述角度位置为θIP，
对于在所述角度位置为θIP＝α的周向位置上由包括所述叶轮的旋转轴线在内的平面切断所述涡旋流路的情况下的截面，设所述涡旋流路的截面积为AIP，设从所述旋转轴线至所述涡旋流路的截面的涡旋中心的距离为RIP，
当定义FIP＝(AIP/RIP)/r，并且将在所述F(θ)以所述基准变化率Δ变化的情况下θ＝α时的值定义为F(α)时，则
FIP＜F(α)
根据上述(5)的结构，在第一区域上，在至拐点位置的变化率减小区域上，至少F(θ)与F(θ)以基准变化率变化的情况相比减小，所以，在第一区域中可靠地存在能够抑制压缩流体的流速降低的区域。其结果是，能够进一步可靠地抑制涡旋流路内剥离的发生，从而进一步可靠地扩大小流量侧的工作区域。
(6)在几个实施方式中，基于上述(2)～(5)中任一项的结构，
所述涡旋流路在从270°至360°的所述θ的范围内至少部分地包括所述F(θ)以比所述基准变化率大的变化率变化的第二区域。
根据上述(6)的结构，在利用上述(2)～(5)中任一结构而形成为难以发生剥离的状态的区域(第一区域)的下游的第二区域，与角度位置在从60°至360°的范围内F(θ)以基准变化率增大的情况相比，能够缓和压缩流体的流速降低，所以能够实现充分的静压恢复。
(7)在几个实施方式中，基于上述(6)的结构，
所述涡旋流路在所述第二区域的下游侧且所述θ至360°的范围内，包括所述F(θ)以比所述基准变化率小的变化率变化的第三区域。
根据上述(7)的结构，在利用上述(3)的结构实现了静压恢复的区域的下游的第三区域，与角度位置在从60°至360°的范围内F(θ)以基准变化率增大的情况相比，能够抑制压缩流体的流速降低，所以能够将使压缩流体的流动朝向涡旋流路的出口的惯性力施加给压缩流体。其结果是，能够抑制从涡旋流路向扩散流路的再循环流超出需要地增加，所以能够减少离心压缩机的效率降低。
(8)本发明的至少一个实施方式的涡轮增压器具有：
上述(1)～(7)中任一项所述的离心压缩机。
根据上述(8)的结构，能够扩大离心压缩机的小流量侧的工作区域。
发明的效果
根据本发明的至少一个实施方式，通过使0.35≦F(360°)≦0.65，能够平衡大流量侧的工作区域中摩擦损失的增大与小流量侧的工作区域中因失速而引起的效率降低。另外，通过使0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)，在小流量侧的工作区域中，确保在角度位置为60°的周向位置的附近从涡旋流路向扩散流路导入的再循环流，所以，利用该再循环流，在涡旋流路内难以发生剥离。其结果是，能够抑制在涡旋流路内剥离的发生，所以能够扩大小流量侧的工作区域。
附图说明
图1是本发明的一个实施方式的离心压缩机的俯视示意图。
图2是表示本发明一个实施方式的离心压缩机的涡旋流路的F(θ)的变化的曲线图。
图3是表示本发明一个实施方式的离心压缩机的涡旋流路的F(θ)的变化率的一个例子的曲线图。
图4是表示本发明一个实施方式的离心压缩机的涡旋流路的F(θ)的变化率的其它例子的曲线图。
图5是表示本发明一个实施方式的离心压缩机的涡旋流路的F(θ)的变化率的另一其它例子的曲线图。
具体实施方式
下面，参照附图，针对本发明的几个实施方式进行说明。但是，本发明的范围不限于如下的实施方式。在如下的实施方式所述的结构配件的尺寸、材质、形状及其相对配置等并非将本发明的范围只限定于此的主旨，只是单纯的说明例。
以涡轮增压器的离心压缩机为例说明如下所示的本发明的几个实施方式的离心压缩机。但是，本发明的离心压缩机不限于涡轮增压器的离心压缩机，也可以为单独工作的任意的离心压缩机。在如下的说明中，利用该压缩机压缩的流体虽然为空气，但可以置换为任意的流体。
如图1所示，离心压缩机1具有：壳体2、以及在壳体2内以旋转轴线L为中心可旋转地设置的叶轮3。壳体2具有：在叶轮3的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路5的涡旋部4、以及在涡旋流路5的径向内侧沿涡旋流路5的周向形成有与涡旋流路5连通的扩散流路7的扩散部6。
在本发明中，由以旋转轴线L为中心的中心角即角度位置θ表示以涡旋部4的卷绕终端为基准的周向位置。因此，表示卷绕终端的周向位置的角度位置θ为0°。但是，用于代表从卷绕终端沿涡旋流路5绕一周而返回卷绕终端的卷绕终端的位置表示为角度位置θ＝360°。另外，周向的任意的范围可以由角度位置θ的范围表示，将由角度位置θ的范围表示的范围定义为角度范围。
对于在角度位置为θ的周向位置上由包括旋转轴线L在内的平面切断涡旋流路5的情况下的截面，设涡旋流路5的截面积为A，设从旋转轴线L至涡旋流路5的截面的涡旋中心OS的距离为R，设叶轮3的半径为r，
定义F(θ)＝(A/R)/r。
在离心压缩机1中，
角度位置θ＝360°的F(θ)的值为
0.35≦F(360°)≦0.65…(1)
另外，在离心压缩机1中，
角度位置θ＝60°的F(θ)的值为，
0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)…(2)
如图2所示，在角度范围为从60°至360°中，涡旋流路5(参照图1)构成为，使F(θ)的值在以斜线表示的范围内变化。
需要说明的是，条件(1)为以F(360°)＝0.5为中心的±30％的范围。如图1所示，当离心压缩机1在大流量侧的工作区域中工作时，在角度位置θ＝360°上摩擦损失可能增大，当离心压缩机1在小流量侧的工作区域工作时，在角度位置θ＝360°上可能因失速而使效率降低。通过将F(θ)设定为条件(1)，能够平衡在大流量侧的工作区域及小流量侧的工作区域可发生的上述问题。
另外，在小流量侧的工作区域中，在涡旋流路5内流通的压缩空气不会完全对应于涡旋流路5的流路面积的变化(流速的变化)与涡旋流路的曲率的变化(流通方向的变化)，而在角度范围为90°至180°的范围内在涡旋流路5内发生剥离。与此相对，通过设为条件(2)，在小流量侧的工作区域中，确保在角度位置为60°的周向位置的附近从涡旋流路5向扩散流路7导入的再循环流，所以，利用该再循环流，在角度范围为90°至180°的范围内在涡旋流路5内难以发生剥离。其结果是，能够抑制涡旋流路5内剥离的发生，所以能够扩大小流量侧的工作区域。
需要说明的是，虽然条件(2)表示F(60°)为F(360°)的8％～40％，但因为在F(60°)不足F(360°)的8％时，不能充分确保再循环流，所以不能充分抑制剥离的发生。另外，当F(60°)比F(360°)的40％大时，利用再循环流抑制剥离的发生的效果达到极致，当再循环流过多时，会使缺点增加。
接着，在如下的几个实施方式中，说明角度范围为从60°至360°的范围内F(θ)的变化方式、以及因F(θ)的变化而产生的作用效果。
如图3所示，当在角度范围为从60°至360°的范围内使F(θ)恒定变化(增大)的情况下的变化率为基准变化率Δ时，定义为
Δ＝[F(360°)－F(60°)]/(360°－60°)
即，基准变化率Δ相当于由图3的单点划线描绘的直线的倾斜度。
在一个实施方式中，涡旋流路5(参照图1)在角度范围θ为从60°至270°的范围内，包括F(θ)以比基准变化率Δ小的变化率变化的第一区域。在此，F(θ)的变化率相当于F(θ)的切线的倾斜度。需要说明的是，从第一区域的下游端至角度位置θ＝360°的范围可以使F(θ)任意变化。在第一区域中，与F(θ)以基准变化率Δ变化的情况相比，涡旋流路5的截面积的扩大率减小，所以，在第一区域中能够抑制在涡旋流路5内流通的压缩空气的流速降低。因此，通过F(60°)及F(360°)的设定，在涡旋流路5内形成难以发生剥离的状态的区域的下游侧，也形成难以发生剥离的状态，所以能够进一步抑制涡旋流路5内剥离的发生，进一步扩大小流量侧的工作区域。
需要说明的是，在从60°至270°的角度范围的整个范围内，F(θ)的变化率也可以比基准变化率Δ小，在从60°至270°的角度范围的一部分的范围内，F(θ)的变化率也可以比基准变化率Δ小。在后一种情况下，F(θ)的变化率比基准变化率Δ小的区域为第一区域。因此，涡旋流路5也可以在从60°至270°的角度范围内至少部分地包括第一区域。
在该实施方式中，只要满足了F(θ)的变化率比基准变化率Δ小的条件，F(θ)可以以任意的变化率变化。作为一个例子，图3示出了角度位置θ与F(θ)的二阶微分F〃(θ)的曲线图。第一区域也可以包括：在角度位置θ为从60°至α(＜270°)的范围内F〃(θ)＜0的变化率减小区域、以及角度范围为α至β(α＜β≦270°)的范围内F〃(θ)＞0的变化率增大区域。
根据该结构，因为在第一区域的上游侧(60°至α的范围)F(θ)的变化率降低，所以能够抑制压缩空气的流速降低，与此相对，因为在第一区域的下游侧(α至β的范围)F(θ)的变化率增大，所以能够缓和压缩空气的流速降低。在离心压缩机在小流量侧的工作区域工作的情况下，在角度位置从90°至180°的范围的周向范围内发生剥离，所以，通过在第一区域的上游侧抑制压缩空气的流速降低，能够更可靠地形成难以发生剥离的状态。
虽然也可以在变化率减小区域与变化率增大区域之间存在F〃(θ)＝0的角度范围，但在图3的例子中，变化率减小区域与变化率增大区域连续，变化率从减小向增大转换的拐点位置IP也可以处在从90°至270°的角度范围内。根据该结构，在第一区域的上游侧能够可靠地抑制压缩空气的流速降低，所以能够更可靠地形成难以发生剥离的状态。
另外，在图3的例子中，对于在拐点位置IP的角度位置θIP＝α的周向位置上由包括旋转轴线L(参照图1)在内的平面切断涡旋流路5(参照图1)的情况下的截面，设涡旋流路5的截面积为AIP，设旋转轴线L至涡旋流路5的截面的涡旋中心OS(参照图1)的距离为RIP，
当定义FIP＝(AIP/RIP)/r时，也可以为
FIP＜F(α)。
根据该结构，在第一区域中，在至拐点位置IP的变化率减小区域，至少F(θ)与F(θ)以基准变化率Δ变化的情况相比减小，所以在第一区域可靠地存在抑制压缩空气的流速降低的区域。其结果是，进一步可靠地抑制涡旋流路5内剥离的发生，从而能够进一步可靠地扩大小流量侧的工作区域。
另外，图4表示其它的实施方式。图4的实施方式相对于图3的实施方式，指定了第一区域的下游侧的F(θ)的变化率。因此，第一区域的结构与图3的实施方式相同。在该实施方式中，在接着第一区域之后至角度位置θ＝360°、即从β至360°的角度范围内，涡旋流路5(参照图1)包括F(θ)以比基准变化率Δ大的变化率变化的第二区域。在第二区域中，与F(θ)以基准变化率Δ变化的情况相比，涡旋流路5的截面积的扩大率增大，所以能够缓和在涡旋流路5内流通的压缩空气的流速降低，所以能够实现充分的静压恢复。
需要说明的是，在图4的实施方式中，虽然从β至360°的角度范围为第二区域，但未限定于该范围。至少在从270°至360°的角度范围内，只要具有F(θ)比基准变化率Δ大的区域即可。在该情况下，F(θ)的变化率比基准变化率Δ大的区域成为第二区域。因此，涡旋流路5也可以在从270°至360°的角度范围内至少部分地包括F(θ)以比基准变化率Δ大的变化率变化的第二区域。
另外，图5表示另一其它的实施方式。图5的实施方式相对于图4的实施方式，改变了从270°至360°的范围内F(θ)的变化率。在该实施方式中，从270°至360°的范围内的第二区域包括：与在角度范围为从60°至360°的范围内F(θ)以基准变化率Δ变化(增大)的情况相比、F(θ)的值增大的区域。在接着第二区域之后至角度位置θ＝360°、即从γ(＞270°)至360°的角度范围内，涡旋流路5(参照图1)包括F(θ)以比基准变化率Δ小的变化率、在图5的实施方式中为负的变化率变化(减小)的第三区域。
在第三区域中，与F(θ)以基准变化率Δ变化的情况相比，涡旋流路5的截面积的扩大率减小，所以抑制压缩空气的流速降低，从而能够将使压缩空气的流动朝向涡旋流路5的出口的惯性力施加给压缩空气。其结果是，能够抑制从涡旋流路5向扩散流路7(参照图1)的再循环流超过需要地增加，所以能够减少离心压缩机1(参照图1)的效率降低。
在图3～图5的各实施方式中，虽然涡旋流路5在角度范围θ为从60°至270°的范围内包括F(θ)以比基准变化率Δ小的变化率变化的第一区域，但也可以在角度范围θ为从120°至270°的范围内包括第一区域。如上所述，虽然在小流量侧的工作区域中，在角度范围为从90°至180°的范围内在涡旋流路5内发生剥离，但在剥离发生的范围的前半部分、即包括角度范围为从90°至120°的范围的区域中，通过上述条件(1)及(2)的设定，来抑制剥离的发生，并在剥离发生的范围的后半部分、即包括角度范围为120°至180°的范围的区域中，通过使F(θ)的变化率比基准变化率Δ小，能够抑制剥离的发生。需要说明的是，在该情况下，图3的实施方式的拐点位置IP只要处在180°～270°的角度范围内即可。
这样，通过使0.35≦F(360°)≦0.65，能够平衡大流量侧的工作区域中摩擦损失的增大与小流量侧的工作区域中因失速而引起的效率降低。另外，通过使0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)，在小流量侧的工作区域中，确保在角度位置为60°的周向位置的附近从涡旋流路5向扩散流路7导入的再循环流，所以，利用该再循环流，在角度范围为从90°至180°的范围内，在涡旋流路5内难以发生剥离。其结果是，能够抑制涡旋流路5内剥离的发生，所以能够扩大小流量侧的工作区域。
附图标记说明
1离心压缩机；2壳体；3叶轮；4涡旋部；5涡旋流路；6扩散部；7扩散流路；IP拐点位置；OS涡旋中心；Δ基准变化率；θ角度位置。

Claims (6)

1.一种离心压缩机，具有：
叶轮；
壳体，其在所述叶轮的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路；
该离心压缩机的特征在于，
由以所述涡旋流路的卷绕终端为基准的角度位置表示所述涡旋流路的周向位置，对于在所述角度位置为θ的周向位置上由包括所述叶轮的旋转轴线在内的平面切断所述涡旋流路的情况下的截面，设所述涡旋流路的截面积为A，设从所述旋转轴线至所述涡旋流路的截面的涡旋中心的距离为R，设所述叶轮的半径为r，
当定义F(θ)＝(A/R)/r时，则
0.35≦F(360°)≦0.65，且
0.08×F(360°)≦F(60°)≦0.4×F(360°)，
当将所述θ从60°至360°的范围内所述F(θ)恒定变化的情况下的变化率即基准变化率Δ定义为
Δ＝[F(360°)－F(60°)]/(360°－60°)时，
所述涡旋流路在从60°至270°的所述θ的范围内至少部分地包括所述F(θ)以比所述基准变化率小的变化率变化的第一区域，
所述第一区域包括：
变化率减小区域，其所述F(θ)的变化率减小；
变化率增大区域，其在所述变化率减小区域的下游，所述F(θ)的变化率增大。
2.如权利要求1所述的离心压缩机，其特征在于，
所述变化率减小区域与所述变化率增大区域连续，所述变化率从减小向增大转换的拐点位置处在从90°至270°的所述θ的范围内。
3.如权利要求2所述的离心压缩机，其特征在于，
设所述拐点位置的所述角度位置为θIP，
对于在所述角度位置为θIP＝α的周向位置上由包括所述叶轮的旋转轴线在内的平面切断所述涡旋流路的情况下的截面，设所述涡旋流路的截面积为AIP，设从所述旋转轴线至所述涡旋流路的截面的涡旋中心的距离为RIP，
当定义FIP＝(AIP/RIP)/r，并且将在所述F(θ)以所述基准变化率Δ变化的情况下θ＝α时的值定义为F(α)时，
则
FIP＜F(α)。
4.如权利要求1～3中任一项所述的离心压缩机，其特征在于，
所述涡旋流路在从270°至360°的所述θ的范围内至少部分地包括所述F(θ)以比所述基准变化率大的变化率变化的第二区域。
5.如权利要求4所述的离心压缩机，其特征在于，
所述涡旋流路在所述第二区域的下游侧且所述θ至成为360°的范围内，包括所述F(θ)以比所述基准变化率小的变化率变化的第三区域。
6.一种涡轮增压器，其特征在于，
具有权利要求1～5中任一项所述的离心压缩机。
CN201780090189.XA 2017-11-20 2017-11-20 离心压缩机以及具有该离心压缩机的涡轮增压器 Active CN110582648B (zh)

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