CN111655987A - 径流式涡轮机以及涡轮增压器 - Google Patents

径流式涡轮机以及涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

径流式涡轮机具备：涡旋流路；涡轮机叶轮，其设置在涡旋流路的径向内侧；多个可变喷嘴叶片，其在涡旋流路与涡轮机叶轮之间的径向位置，设置在从涡旋流路通往涡轮机叶轮的流路上；喷嘴座，其将多个可变喷嘴叶片的各可变喷嘴叶片支承为能够转动；喷嘴盖板，其与喷嘴座对置配置，与喷嘴座一起形成流路；旋涡生成部件，其在多个可变喷嘴叶片的径向外侧，以比可变喷嘴叶片的叶片高度小的高度范围设置于喷嘴盖板。旋涡生成部件的喷嘴座侧的端部位置在轴向上比可变喷嘴叶片的喷嘴座侧的端部位置远离喷嘴座。

Description

径流式涡轮机以及涡轮增压器
技术领域
本发明涉及径流式涡轮机以及涡轮增压器。
背景技术
以往，在机动车用涡轮增压器等中，进行从各种发动机排出的排放能量的动力回收，将从发动机排出的中低温、高温、低压或高压工作流体回收的能量转换为旋转动力而用于增压。公开了各种在这样的排放能量的动力回收中使用的涡轮机，例如，在专利文献1中，公开了在可变容量型增压器中的涡轮机壳内的涡轮机涡旋流路与涡轮机叶轮之间配置的可变喷嘴单元。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2016-148344号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，在具备上述可变喷嘴叶片的径流式涡轮机中，公知喷嘴座和喷嘴盖板形成从涡旋流路通往涡轮机的流路，可变喷嘴叶片配置在喷嘴座与喷嘴盖板之间，由于在喷嘴座和喷嘴盖板与可变喷嘴叶片的低开度状态下的轴向端面之间的间隙流通的所谓的间隙流而存在使涡轮机效率降低的情况。关于这一点，在上述专利文献1中，没有对如何应对这样的间隙流所造成的涡轮机效率降低做出任何公开。
鉴于上述问题，本发明的至少一实施方式的目的在于在高开度状态下能够抑制对流路的影响且在低开度状态下能够抑制涡轮机效率降低。
用于解决技术问题的技术方案
(1)本发明的至少一实施方式的径流式涡轮机具备：
涡旋流路；
涡轮机叶轮，其设置在所述涡旋流路的径向内侧；
多个可变喷嘴叶片，其在所述涡旋流路与所述涡轮机叶轮之间的径向位置，设置在从所述涡旋流路通往所述涡轮机叶轮的流路上；
喷嘴座，其将多个所述可变喷嘴叶片的各可变喷嘴叶片支承为能够转动；
喷嘴盖板，其与所述喷嘴座对置配置，与所述喷嘴座一起形成所述流路；
旋涡生成部件，其在所述多个可变喷嘴叶片的径向外侧，以比所述可变喷嘴叶片的叶片高度小的高度范围设置于所述喷嘴盖板；
所述旋涡生成部件的所述喷嘴座侧的端部的位置在轴向上比所述可变喷嘴叶片的所述喷嘴座侧的端部的位置远离所述喷嘴座。
经过本发明发明人的锐意研究，在具备可变喷嘴叶片的径流式涡轮机中，特别是在可变喷嘴叶片经由转动轴悬臂支承的情况下，在不存在转动轴的可变喷嘴叶片与喷嘴盖板之间的间隙流入有比存在转动轴的可变喷嘴叶片与喷嘴座的间隙更多的间隙流。
对于这一点，根据上述(1)的结构，利用在可变喷嘴叶片的径向外侧即上游侧设置于喷嘴盖板的旋涡生成部件，在该旋涡生成部件的径向内侧即下游侧的流路，在喷嘴盖板侧形成旋涡，利用该旋涡能够减小可变喷嘴叶片的压力面与负压面的压力差。由此，能够有效地减小在可变喷嘴叶片与喷嘴盖板的间隙流通的间隙流，因此能够有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。另外，旋涡生成部件的喷嘴座侧的端部的位置在轴向上比可变喷嘴叶片的喷嘴座侧的端部的位置远离喷嘴座，能够减小旋涡生成部件在从涡旋流路通往涡轮机叶轮的流路中占据的截面积，因此能够实现在高开度状态下减小对流路造成的影响，在低开度状态下抑制涡轮机效率的降低这一本公开特有的技术效果。
(2)在一些实施方式中，在上述(1)所述的结构的基础上，
所述旋涡生成部件形成为向所述流路突出的凸状。
根据上述(2)的结构，利用从喷嘴盖板朝向流路突出的凸状的旋涡生成部件，能够通过简单的结构得到在该旋涡生成部件的下游侧的流路中的喷嘴盖板侧能够有效地形成旋涡的径流式涡轮机。
(3)在一些实施方式中，在上述(2)所述的结构的基础上，
所述旋涡生成部件沿着所述涡轮机叶轮的旋转轴方向具有所述可变喷嘴叶片的1/4以下的高度。
根据上述(3)的结构，能够通过简单的结构在旋涡生成部件的下游侧的流路中的喷嘴盖板侧有效地形成旋涡，并且极力减小旋涡生成部件在通过喷嘴座和喷嘴盖板形成的流路中占据的截面积，因此能够极力地抑制低开度状态之外的开度(包含高开度状态)下对流路的影响，并且有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。
(4)在一些实施方式中，在上述(1)所述的结构的基础上，
所述旋涡生成部件形成为从所述流路后退的凹状。
根据上述(4)的结构，能够得到与上述(1)所述的结构同样的效果，并且能够使旋涡生成部件在由喷嘴座和喷嘴盖板形成的流路中占据的截面积为最小，因此能够大幅抑制低开度状态之外的开度(包含高开度状态)下对流路的影响，并且有效地抑制低开度状态下涡轮机效率的降低。
(5)在一些实施方式中，在上述(1)～(4)中任一结构的基础上，
所述旋涡生成部件配置在以所述可变喷嘴叶片的片数为n，以低开度状态下的所述可变喷嘴叶片的弦向所述流路的上游侧的延长线与所述旋涡生成部件的半径方向位置的交点为基准±(360°/n)/2的范围内。
根据上述(5)的结构，能够将旋涡生成部件配置在所生成的旋涡能够适当地作用于低开度状态下的多个可变喷嘴叶片的各可变喷嘴叶片的位置。因此，能够更有效地减小在各可变喷嘴叶片与喷嘴盖板的间隙中流通的间隙流。
(6)在一些实施方式中，在上述(1)至(5)中任一项所述的结构的基础上，
进一步具备紧固于所述喷嘴盖板，并且朝向所述流路突出设置的支承销，
所述旋涡生成部件在所述涡轮机叶轮的所述径向上配置在比所述支承销位于外侧的位置。
一般来说，在径流式涡轮机中向流路侧突出的支承销是在例如通过洗削加工将喷嘴盖板的流路侧的端面加工为平滑面后紧固于该喷嘴盖板而安装的。此时，在涡轮机叶轮的径向上存在对包含支承销的安装位置的区域实施加工的情况。对于这一点，根据上述(6)的结构，在配置支承销时能够不妨碍喷嘴盖板的流路侧的端面的加工地实现上述(1)～(5)中任一项所述的效果。
(7)在一些实施方式中，在上述(1)～(6)中任一项所述的结构的基础上，
所述旋涡生成部件形成为翼型。
根据上述(7)的结构，利用形成为翼型的旋涡生成部件，能够抑制对在流路中通过的工作流体的流通的影响，并且能够容易地生成抑制在下游侧的流路的喷嘴盖板侧在可变喷嘴叶片与喷嘴盖板的间隙流通的间隙流所需的旋涡。
(8)在一些实施方式中，在上述(1)～(7)中任一项所述的结构的基础上，
所述可变喷嘴叶片支承于在涡轮机毂侧配置的所述喷嘴座。
上述(8)的结构，在喷嘴座配置于涡轮机毂侧的径流式涡轮机中，能够实现上述(1)～(7)中任一项所述的效果。
(9)在一些实施方式中，在上述(1)～(7)中任一项所述的结构的基础上，
所述可变喷嘴叶片支承于在叶轮罩侧配置的所述喷嘴座。
上述(9)的结构，在喷嘴座配置于叶轮罩侧的径流式涡轮机中，能够实现上述(1)～(7)中任一项所述的效果。
(10)本发明至少一实施方式的涡轮增压器具备：
上述(1)至(9)中任一项所述的径流式涡轮机；
利用所述径流式涡轮机驱动的压气机。
根据上述(10)的结构，如上述(1)所述的那样，能够得到有效地减少在可变喷嘴叶片与喷嘴盖板的间隙中流通的间隙流，从而有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低，并且，将高开度状态下对流路造成的影响抑制在必要最小限度，抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低的具备径流式涡轮机的涡轮增压器。
发明的效果
根据本发明的至少一实施方式，能够抑制在高开度状态下对流路造成的影响并且有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。
附图说明
图1是表示一实施方式的涡轮增压器的结构的示意图。
图2是表示一实施方式的径流式涡轮机的示意图。
图3是表示一实施方式的旋涡生成部件的结构例的图，(a)是表示朝向流路呈凸状、(b)是表示朝向流路呈凹状形成的情况。
图4是表示一实施方式中的喷嘴叶片(低开度状态)的示意图。
图5是表示一实施方式中的喷嘴叶片(高开度状态)的示意图。
图6是表示在一实施方式中的喷嘴叶片的轴向端面流通的间隙流的图。
图7是表示一实施方式的径流式涡轮机和比较例的涡轮机流量与输出的关系的示意图。
图8是表示其他实施方式的喷嘴叶片以及旋涡生成部件的配置的示意图。
具体实施方式
以下，参照所附附图对本发明的一些实施方式进行说明。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、其相对的配置等并非用于将本发明的范围限定于此，只不过是一个说明例。
例如，“某一方向”“沿着某一方向”“平行”“正交”“中心”“同心”或“同轴”等表示相对或绝对配置的表现不仅严格地表示这样的配置，也表示以公差或能够实现相同功能程度的角度或距离相对位移的状态。
例如，“同一”“相同”和“均匀”等表示事物状态的表现不仅严格地表示相同的状态，也表示存在公差或能够得到相同功能的程度的差异的状态。
例如，四边形状或圆筒形状等表示形状的表现不仅表示几何学中严格意义上的四边形状或圆筒形状等形状，也表示在能够得到相同效果的范围内包含凹凸部或倒角部等的形状。
另一方面，“具备”“具有”“包含”“含有”一个构成要素这样的表现并不是排除其他构成要素存在的排他性表现。
图1是表示一实施方式的涡轮增压器(增压器)的结构的示意图。图2是表示一实施方式的径流式涡轮机的示意图。图3是表示一实施方式中的旋涡生成部件的结构例的图，(a)是表示朝向流路呈凸状，(b)是表示表示朝向流路呈凹状形成的情况。
如图1和图2所示，一些实施方式的涡轮增压器1具备径流式涡轮机2和被该径流式涡轮机2驱动的压气机3。
径流式涡轮机2配置在具备活塞101和气缸(省略图示)的发动机100的排气侧，利用来自发动机100的排放能量而被驱动旋转。压气机3配置在发动机100的进气侧，经由涡轮机轴5(旋转轴)能够旋转地与径流式涡轮机2同轴连结。而且，在将发动机100的排气作为工作流体而使径流式涡轮机2旋转时，使用该旋转力使压气机3旋转，向发动机100内进行进气(增压)。
如图2所示，一实施方式的径流式涡轮机2(涡轮机)具备能够以上述涡轮机轴5为中心轴旋转的涡轮机叶轮22和收纳该涡轮机叶轮22的壳体21(涡轮机壳)。
涡轮机叶轮22具有沿着旋转轴的周向呈放射状形成的多个动叶片22A。
壳体21具有涡旋部21A、以及用于将从该涡旋部21A通往涡轮机叶轮22的径向的内侧的工作流体的流动的方向改变为沿着涡轮机叶轮22的轴向X的弯管部21B。
而且，本发明的至少一实施方式的径流式涡轮机具备：涡旋流路26；涡轮机叶轮22，其设置在涡旋流路26的径向内侧；多个可变喷嘴叶片23，其在涡旋流路26与涡轮机叶轮22之间的径向位置，设置在从涡旋流路26通往涡轮机叶轮22的流路26A上；喷嘴座24，其将多个可变喷嘴叶片23的各可变喷嘴叶片支承为能够转动；喷嘴盖板25，其与喷嘴座24对置配置，与喷嘴座24一起形成流路26A；旋涡生成部件30，其在多个可变喷嘴叶片23的径向外侧，以比可变喷嘴叶片23的叶片高度H(参照图3的(a))小的高度范围设置于喷嘴盖板25。
多个可变喷嘴叶片23在流路26A中沿着涡轮机叶轮22的周向空出间隔配置，分别经由沿着轴向X的转动轴23A转动自如地设置于喷嘴座24，能够在低开度状态(例如，参照图4)与高开度状态(例如，参照图5)之间对开度进行调节。
与可变喷嘴叶片23相比，旋涡生成部件30配置在径向的外侧。该旋涡生成部件30的喷嘴座24侧端部30A的位置构成为在轴向X上，与可变喷嘴叶片23的喷嘴座24侧的端部23D的位置相比远离喷嘴座24。
在这里，在具备可变喷嘴叶片23的径流式涡轮机2中，喷嘴座24和喷嘴盖板25形成从涡旋流路26通往涡轮机叶轮22的流路26A，可变喷嘴叶片23配置在喷嘴座24与喷嘴盖板25之间，在喷嘴座24和喷嘴盖板25与可变喷嘴叶片23的低开度状态下的轴向端面23C之间的间隙通过的所谓的间隙流F2会使涡轮机效率降低。特别是在可变喷嘴叶片23经由转动轴23A悬臂支承的情况下，在不存在转动轴23A的可变喷嘴叶片23与喷嘴盖板25的间隙中，比存在转动轴23A的可变喷嘴叶片23与喷嘴座24的间隙流入有更多的间隙流F2。
关于这一点，根据上述结构，利用在涡轮机叶轮22的径向上、在可变喷嘴叶片23的外侧即流路26A的上游侧设置在喷嘴盖板25上的旋涡生成部件30，在上述径向上的该旋涡生成部件30的内侧即下游侧的流路26A、例如图6的(a)所示的喷嘴盖板25侧形成旋涡S，利用该旋涡S能够降低可变喷嘴叶片23的压力面(正压面)23A与负压面23B的压力差。由此，能够有效地减少在可变喷嘴叶片23与喷嘴盖板25的间隙通过的间隙流F2，因此与不设置旋涡生成部件30的比较例(例如，参照图6的(b))相比，能够有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。另外，旋涡生成部件30的喷嘴座24侧的端部30A的位置在轴向X上比可变喷嘴叶片23的喷嘴座24侧的端部23D的位置远离喷嘴座24，由此能够尽可能地减小旋涡生成部件30在从涡旋流路26通往涡轮机叶轮22的流路26A中占据的截面积，因此能够实现在高开度状态下降低对流路26A造成的影响，在低开度状态下抑制涡轮机效率的降低(例如，参照图7)这一本公开特有的技术效果。
在一些实施方式中，在上述结构的基础上，旋涡生成部件30可以形成为朝向流路26A突出的凸状(例如，参照图2和图3的(a))。即，旋涡生成部件30从喷嘴盖板25向流路26A突出，在该流路26A中占据规定的截面。凸状的情况下的形状没有特别的限制，只要能够在流路26A中的喷嘴盖板25侧形成适当的旋涡即可。通过以这种方式构成，利用从喷嘴盖板25向流路26A突出的凸状的旋涡生成部件30，能够以简单的结构得到能够在该旋涡生成部件30的下游侧的流路中的喷嘴盖板25侧有效地形成旋涡S的径流式涡轮机2。
在一些实施方式中，在上述结构的基础上，旋涡生成部件30可以沿着涡轮机叶轮22的旋转轴X方向具有可变喷嘴叶片23的叶片高度H的1/4以下的高度h(参照图3的(a))。另外，旋涡生成部件30沿着涡轮机叶轮22的旋转轴X方向形成为可变喷嘴叶片23的1/5左右的高度。
根据上述构成，能够通过简单的结构在旋涡生成部件30的下游侧的流路26A的喷嘴盖板25侧有效地形成旋涡S，并且能够极力地减小旋涡生成部件30在通过喷嘴座24和喷嘴盖板25形成的流路26A中所占据的截面积，因此能够极力抑制低开度状态之外的开度(包含高开度状态)下对流路26A的影响，并且能够有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。
在一些实施方式中，在上述结构的基础上，旋涡生成部件30可以形成为从流路26A后退的凹状(例如，参照图3的(b))。凹状的情况下的形状没有特别的限制，在流路26A中的喷嘴盖板25侧能够形成适当的旋涡即可。通过以这种方式构成，能够得到与上述任一实施方式所述的结构同样的效果，并且能够使旋涡生成部件30在通过喷嘴座24和喷嘴盖板25形成的流路26A中占据的截面积为最小，因此能够最大限度地抑制低开度状态之外的开度(包含高开度状态)下对流路26A的影响，能够有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。
如图4非限定地所例示的那样，在一些实施方式中，在上述任一实施方式所述的结构的基础上，旋涡生成部件30可以配置在以可变喷嘴叶片23的片数为n，以低开度状态下可变喷嘴叶片23的弦向流路26A的上游侧的延长线C与旋涡生成部件30的半径方向位置的交点P为基准±(360°/n)/2的范围内。即，旋涡生成部件30可以根据可变喷嘴叶片23的数量配置，在图4所示的角度θ(θ＝360°/n)的范围内可以配置至少一个。
根据上述结构，能够将旋涡生成部件30配置在所生成的旋涡S能够适当地作用于低开度状态下的多个可变喷嘴叶片23的各可变喷嘴叶片的位置。因此，能够更有效地减少在各可变喷嘴叶片23与喷嘴盖板25的间隙通过的间隙流F2。
在一些实施方式中，在上述任一实施方式所述的结构的基础上，进一步具备紧固于喷嘴盖板25，并且朝向流路26A突出设置的支承销40，旋涡生成部件30可以在涡轮机叶轮22的径向上配置在比支承销40位于外侧的位置(例如，参照图4)。
一般来说，在径流式涡轮机2中向流路26A侧突出的支承销40是在例如通过铣削加工等将喷嘴盖板25的流路26A侧的端面25A加工为平滑面后紧固于该喷嘴盖板25而安装的。此时，在涡轮机叶轮22的径向上存在对包含支承销40的安装位置的区域实施了加工的情况。对于这一点，根据上述结构，在配置支承销40时能够不对喷嘴盖板25的流路26A侧的端面25A的加工造成影响地实现在上述任一实施方式中所述的效果。
在一些实施方式中，上述任一实施方式所述的结构的基础上，旋涡生成部件30可以形成为翼型(例如，参照图6的(a))。通过以这种方式构成，利用形成为翼型的旋涡生成部件30，能够抑制对通过流路26A的工作流体F1的流动的影响，并且能够容易地在下游侧的流路26A的喷嘴盖板25侧生成抑制在可变喷嘴叶片23与喷嘴盖板25的间隙通过的间隙流F2所需的旋涡。
在一些实施方式中，在上述任一实施方式所述的结构的基础上，上述可变喷嘴叶片23可以支承于在涡轮机毂侧配置的喷嘴座24(例如，参照图2、图3的(a)以及图3的(b))。
通过以这种方式构成，在喷嘴座24配置于涡轮机毂侧的径流式涡轮机2中，能够实现在上述任一实施方式中所述的效果。
在一些实施方式中，在上述任一实施方式所述的结构的基础上，可变喷嘴叶片23可以支承于在叶轮罩侧配置的喷嘴座24，也可以在涡轮机毂侧设有旋涡生成部件30(例如，参照图8)。通过以这种方式构成，在喷嘴座24配置于叶轮罩侧的径流式涡轮机2中，能够实现在上述任一实施方式中所述的效果。
而且，如在本公开的一些实施方式中所描述的那样，能够得到有效地减少在可变喷嘴叶片23与喷嘴盖板25的间隙通过的间隙流F2从而有效地抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低，并且将高开度状态下对流路26A造成的影响抑制到必要的最小限度，抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低的具备径流式涡轮机2的涡轮增压器1。
根据以上所述的本公开的一些实施方式，能够抑制在高开度状态下对流路造成的影响并且抑制低开度状态下的涡轮机效率的降低。
本发明不限于上述几个实施方式，也包含在上述实施方式中实施了变形的形态和对这些形态进行了适当地组合的形态。
附图标记说明
1涡轮增压器(增压器)；
2径流式涡轮机；
3压气机；
5涡轮机轴；
21壳体；
21A涡旋部；
21B弯管部；
22涡轮机叶轮；
22A动叶片(叶轮)；
23可变喷嘴叶片；
23A压力面；
23B负压面；
23C轴向端面；
24喷嘴座；
25喷嘴盖板；
26涡旋流路；
26A流路；
30旋涡生成部件；
30A喷嘴座侧端部；
40支承销；
100发动机(内燃机)；
101活塞；
C延长线；
P交点；
F1工作流体(废气)；
F2间隙流；
H叶片高度；
S旋涡(涡旋)；
X轴向。

Claims (10)

1.一种径流式涡轮机，其特征在于，具备：
涡旋流路；
涡轮机叶轮，其设置在所述涡旋流路的径向内侧；
多个可变喷嘴叶片，其在所述涡旋流路与所述涡轮机叶轮之间的径向位置，设置在从所述涡旋流路通往所述涡轮机叶轮的流路上；
喷嘴座，其将多个所述可变喷嘴叶片的各可变喷嘴叶片支承为能够转动；
喷嘴盖板，其与所述喷嘴座对置配置，与所述喷嘴座一起形成所述流路；
旋涡生成部件，其在所述多个可变喷嘴叶片的径向外侧，以比所述可变喷嘴叶片的叶片高度小的高度范围设置于所述喷嘴盖板；
所述旋涡生成部件的所述喷嘴座侧的端部的位置在轴向上比所述可变喷嘴叶片的所述喷嘴座侧的端部的位置远离所述喷嘴座。
2.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，
所述旋涡生成部件形成为向所述流路突出的凸状。
3.根据权利要求2所述的径流式涡轮机，
所述旋涡生成部件沿着所述涡轮机叶轮的旋转轴方向具有所述可变喷嘴叶片的1/4以下的高度。
4.根据权利要求1所述的径流式涡轮机，
所述旋涡生成部件形成为从所述流路后退的凹状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的径流式涡轮机，
所述旋涡生成部件配置在以所述可变喷嘴叶片的片数为n，以低开度状态下的所述可变喷嘴叶片的弦向所述流路的上游侧的延长线与所述旋涡生成部件的半径方向位置的交点为基准±(360°/n)/2的范围内。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的径流式涡轮机，
进一步具备紧固于所述喷嘴盖板，并且朝向所述流路突出设置的支承销，
所述旋涡生成部件在所述涡轮机叶轮的所述径向上配置在比所述支承销位于外侧的位置。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的径流式涡轮机，
所述旋涡生成部件形成为翼型。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的径流式涡轮机，
所述可变喷嘴叶片支承于在涡轮机毂侧配置的所述喷嘴座。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的径流式涡轮机，
所述可变喷嘴叶片支承于在叶轮罩侧配置的所述喷嘴座。
10.一种涡轮增压器，具备权利要求1～9中任一项所述的径流式涡轮机和利用所述径流式涡轮机驱动的压气机。
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