CN113994072A - 增压器 - Google Patents

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CN113994072A
CN113994072A CN202080041735.2A CN202080041735A CN113994072A CN 113994072 A CN113994072 A CN 113994072A CN 202080041735 A CN202080041735 A CN 202080041735A CN 113994072 A CN113994072 A CN 113994072A
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turbine
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shroud
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森田功
理查德·莫里森
斯蒂芬·斯彭斯
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IHI Corp
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Abstract

增压器(1)具备：包含涡轮叶轮(35)的斜流涡轮(31)；涡轮壳(33)，其包含朝向涡轮叶轮(35)的动翼(39)的前缘(39a)延伸的气体流路(42)且容纳涡轮叶轮(35)；以及多个喷嘴翼(73)，其设置于气体流路(42)且在涡轮叶轮(35)的周向上排列，并且在彼此相邻的两个喷嘴翼(73)之间形成喉管(74)。各喷嘴翼(73)以该喷嘴翼的后缘(73b)为扭转中心，以喉管(74)的宽度在护罩侧比轮毂侧窄的方式扭转。

Description

增压器
技术领域
本公开涉及一种具备斜流涡轮的增压器。
背景技术
作为在增压器等旋转机械中使用的涡轮，公知有径向涡轮(Radial FlowTurbine)和斜流涡轮(Mixed Flow Turbine)这两种类型的涡轮。通常与相同容量的径向涡轮相比而言，斜流涡轮能够实现轻量化且过渡响应性优异。专利文献1公开了一种采用斜流涡轮的增压器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2012－102745号公报
发明内容
发明所要解决的课题
通常，当相对于进行旋转的叶轮的动翼而言工作流体的相对流动角(倾角)增大时，则容易在动翼的背侧发生流动的剥离。当因相对流动角的增大而发生剥离时，会导致涡轮效率的损失(所谓倾角损失)增大。
就斜流涡轮中的动翼的前缘的旋转半径而言，会随着从护罩侧朝向轮毂侧而减小，因此前缘的周速也会随着从护罩侧朝向轮毂侧而减小。在该减小的过程中，工作流体的相对流动角会随着从护罩侧朝向轮毂侧而增大，因此越是接近轮毂侧的区域就越容易发生剥离。因此，虽然斜流涡轮的叶轮具有上述的优点，但是具有如下倾向：与相同直径的径向涡轮相比而言，在结构上容易导致倾角损失增大。
本公开针对上述情况而做出。即，本公开目的是提供一种增压器，其能够在有效利用斜流涡轮的特性的同时减小倾角损失。
用于解决课题的方案
本公开的一个方案为增压器，其要点在于，具备：斜流涡轮，其包含涡轮叶轮；涡轮壳，其包含朝向所述涡轮叶轮的动翼的前缘延伸的气体流路，且容纳所述涡轮叶轮；以及多个喷嘴翼，其设置于所述气体流路，且在所述涡轮叶轮的周向上排列，并且在彼此相邻的两个所述喷嘴翼之间形成喉管，各所述喷嘴翼以该喷嘴翼的后缘为扭转中心，以所述喉管的宽度在护罩侧比轮毂侧窄的方式扭转。
各所述喷嘴翼能够旋转地设置在所述气体流路内。各所述喷嘴翼也可以固定于所述气体流路。
在将沿着所述多个喷嘴翼的排列方向的所述喉管的长度设为喉管宽度的情况下，轮毂侧的喉管宽度也可以设定为比跨距方向上的中央的喉管宽度的1倍大且为2倍以下的值。所述喉管宽度也可以从该喷嘴翼的轮毂侧到该喷嘴翼的护罩侧单调地减小。
发明的效果
根据本公开，能够提供一种增压器，其能够在有效利用斜流涡轮的特性的同时减小倾角损失。
附图说明
图1是本公开的实施方式的增压器的正剖视图(子午面图)。
图2的(a)和图2的(b)是表示本公开实施方式的喷嘴翼的图，图2的(a)是从涡轮叶轮的轴向来看喷嘴翼的图，图2的(b)是表示由喷嘴翼形成的喉管的立体图。
图3是按照若干的轮毂喉管开口比来表示本公开实施方式的沿着涡轮叶片的前缘的相对流动角(倾角)的变化的图表。
图4的(a)和图4的(b)是表示涡轮叶片的前缘附近的工作流体的流线、和熵(静态熵)分布的图，图4的(a)是在设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.0的时的图，图4的(b)是在设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.9的时的图。
图5的(a)和图5的(b)是表示涡轮叶片的前缘附近的工作流体的流线、和熵(静态熵)分布的图，图5的(a)是在非设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.0的时的图，图5的(b)是在非设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.9的时的图。
图6是按照低速域、中速域和高速域来表示轮毂喉管开口比Oms为1.0、1.3、1.9时的本实施方式的斜流涡轮的效率的图表。
图7是本实施方式的变形例的可变容量型增压器中的斜流涡轮的正剖视图(子午面图)。
具体实施方式
参照附图对本公开的一个实施方式进行说明。此外，为了便于说明，在图中，“L”表示左方向，“R”表示右方向，“ID”表示径向内侧，“OD”表示径向外侧，“RD”表示涡轮叶轮(转子轴)的旋转方向，“SD”表示喷嘴翼的跨距方向。
本实施方式的增压器1例如安装于车辆或船舶。增压器1利用从发动机(未图示)排出的排放气体(气体的一例)的压力能对向发动机供给的空气进行增压(压缩)。
图1是本实施方式的增压器1的正剖视图(子午面图)。图2的(a)和图2的(b)是表示本实施方式的喷嘴翼73的图，图2的(a)是从涡轮叶轮35的轴向来看喷嘴翼73的图，图2的(b)是表示由喷嘴翼73形成的喉管74的立体图。如图1所示，增压器1具备轴承壳3。在轴承壳3内设置有径向轴承5和一对推力轴承7。另外，在这些轴承5、7上可旋转地设置有延伸于轴向的转子轴(涡轮轴)9。换言之，转子轴9经由多个轴承5、7可旋转地设置于轴承壳3。
在图1的轴承壳3的右侧配设有压缩机11。压缩机11利用离心力对空气进行压缩。压缩机11具备压缩机壳13和压缩机叶轮15，该压缩机叶轮15可旋转地容纳在压缩机壳13内。压缩机叶轮15与转子轴9的右端部连结，并与转子轴9和后述的涡轮叶轮35一起一体地进行旋转。压缩机叶轮15具备压缩机盘17。压缩机盘17的轮毂面17h从右侧向径向外侧(压缩机叶轮15的径向外侧)延伸。此外，在压缩机盘17的轮毂面17h上，沿着周向隔开间隔地一体形成有多个压缩机叶片19。
在压缩机壳13上的压缩机叶轮15的入口侧(从空气的流动方向来看为上游侧)形成有空气取入口21。空气取入口21与对空气进行净化的空气滤清器(未图示)连接。另外，在轴承壳3与压缩机壳13之间形成扩散器流路23。扩散器流路23形成为环状，且位于压缩机叶轮15的出口侧(从空气的流动方向来看为下游侧)。扩散器流路23一边使从压缩机叶轮15排出的空气减速一边对其进行压缩。
在压缩机壳13的内部形成有压缩机涡旋流路25。压缩机涡旋流路25呈涡旋状延伸并与扩散器流路23连通。在压缩机壳13的适宜位置形成有空气排出口27。空气排出口27是为了将进行了压缩的空气向压缩机壳13的外侧排出而形成且与发动机的吸气总管(未图示)连接。
此外，在轴承壳3的右侧部设置有密封板29。密封板29形成为环状并防止压缩空气向推力轴承7侧的泄漏。
如图1所示，在轴承壳3的左侧配设有斜流涡轮31。斜流涡轮31利用从发动机(未图示)排出的排放气体的压力能而产生旋转力(旋转力矩)。
斜流涡轮31具备涡轮壳33和涡轮叶轮35，该涡轮叶轮35可旋转地容纳在涡轮壳33内。涡轮叶轮35与转子轴9的左端部连结，并与转子轴9和压缩机叶轮15一起一体地进行旋转。
涡轮叶轮35具备涡轮盘37。涡轮盘37的轮毂面37h从左侧(涡轮叶轮35的轴向一侧)向径向外侧(涡轮叶轮35的径向外侧)延伸。此外，在涡轮盘37的轮毂面37h上，一体形成有多个涡轮叶片(动翼)39。如上所述，本实施方式的涡轮是斜流涡轮。因此，涡轮叶片39的前缘39a以随着从护罩侧朝向轮毂侧而接近轴心C的方式延伸并相对于轴心C倾斜。
在涡轮壳33的适宜位置形成有气体取入口41。气体取入口41是为了将排放气体取入涡轮壳33内而形成并与发动机的排气总管(未图示)连接。
在涡轮壳33内部的涡轮叶轮35的入口侧(从排放气体的流动方向来看为上游侧)形成有涡轮涡旋流路43。涡轮涡旋流路43形成为涡旋状并经由气体流路42与气体取入口41连通。
气体流路42从涡轮涡旋流路43向径向内侧延伸，并朝向涡轮叶片39的前缘39a开口。气体流路42具备：作为第一壁部件的轮毂侧内壁44、和作为第二壁部件的护罩侧内壁46。
轮毂侧内壁44与涡轮叶轮35呈同心状配设，并朝向涡轮叶轮35延伸。轮毂侧内壁44与涡轮壳33分别独立地设置，且具有例如环状的形状。轮毂侧内壁44的内周缘部与挡热板49的外周缘部嵌合。
护罩侧内壁46相对于轮毂侧内壁44在轴向上隔开预定的间隔并朝向涡轮叶轮35延伸。护罩侧内壁46可以与涡轮壳33一体地形成，也可以与涡轮壳33分别独立地设置并安装于涡轮壳33。
在涡轮壳33上的涡轮叶轮35的出口侧(从排放气体的流动方向来看为下游侧)，形成有气体排出口45。气体排出口45是为了从涡轮壳33排出排放气体而形成，并经由连接管(未图示)与催化剂(未图示)连接。
在轴承壳3的左侧面设置有环状的挡热板49。挡热板49形成为环状，并遮挡来自涡轮叶轮35侧的热。在轴承壳3的左侧面与挡热板49的外缘部之间设置有波形垫圈51。
在气体流路42内设置有多个喷嘴翼73。在本实施方式中，喷嘴翼73在涡轮叶轮35的周向上排列。另外，喷嘴翼73固定于轮毂侧内壁44，且与护罩侧内壁46抵接。喷嘴翼73可以与轮毂侧内壁44一起一体形成。另外，喷嘴翼73也可以与护罩侧内壁46分离。在此情况下，两者的间隔例如根据安装等的制约或规格等来规定。此外，护罩侧内壁46也可以与涡轮壳33分别独立地形成，并安装于涡轮壳33。在此情况下，可以在护罩侧内壁46固定喷嘴翼73。如图2的(a)所示，各喷嘴翼73从护罩侧端面(端截面)73s到轮毂侧端面(端截面)73h具有相同的弦长。另外，各喷嘴翼73具有相同的翼形状(翼型)。此外，各喷嘴翼73的弦长或者翼形状也可以从护罩侧端面73s到轮毂侧端面73h不相同。
如图2的(a)所示，后缘73b在与喷嘴翼73的排列面正交的方向上延伸。换言之，后缘73b与涡轮叶轮35的轴心C平行地设置。各喷嘴翼73以该喷嘴翼的后缘73b为扭转中心，扭转为使得与轮毂侧的喉管宽度O1相比而言护罩侧的喉管宽度O2较小(即喉管74的宽度在护罩侧与轮毂侧相比而言较小)。换言之，各喷嘴翼73的翼型(翼截面)随着从轮毂侧端面(端截面)73h朝向护罩侧端面(端截面)73s而以后缘73b为旋转中心向径向内侧旋转。如后述那样，喉管宽度是指沿着多个喷嘴翼73的排列方向的喉管74的长度。
喷嘴翼73如上述那样扭转，因此在子午面上，各喷嘴翼73的前缘73a以护罩侧的端比轮毂侧的端靠向径向内侧的方式相对于涡轮叶轮35的轴心C倾斜(参照图1)。
在多个喷嘴翼73中的彼此相邻的两个喷嘴翼73、73之间形成喉管74。喉管74形成于两个喷嘴翼73、73中的一个喷嘴翼73的腹侧(正压面)73c、和另一喷嘴翼73的背侧(负压面)73d的间隔最窄的位置。这里，“另一喷嘴翼73的腹侧”例如是该喷嘴翼73的后缘73b。
如上述那样，后缘73b是前缘73a的扭转中心。因此，喷嘴翼73的两个侧面即背侧73d和腹侧73c相对于轮毂侧内壁44和护罩侧内壁46比后缘73b倾斜。因此，如图2的(b)所示，喉管74的形状是轮毂侧的底比护罩侧的底长的梯形。
在本实施方式中，在将沿着多个喷嘴翼73的排列方向的喉管74的长度设定为喉管宽度Oh的情况下，轮毂侧的喉管宽度O1(即Oh＝O1)设定为比跨距方向SD上的中央的喉管宽度O0.5(即Oh＝O0.5)的1倍大且为2倍以下的值。例如设定为，护罩侧的喉管宽度O2(即Oh＝O2)与轮毂侧的喉管宽度O1之和等于中央的喉管宽度O0.5的2倍。另外，喉管宽度Oh从护罩侧朝向轮毂侧单调地增大而不会在其途中减小。
如上述那样，各喷嘴翼73扭转为，随着从该喷嘴翼的后缘73b朝向前缘73a，相对于前缘73a向与涡轮叶轮35的旋转方向RD相反的方向的倾斜增大。因此，通过了喉管74之后的工作流体的流动角会沿着喷嘴翼73的跨距方向SD变化，相对于涡轮叶片39的相对流动角(倾角)也会沿着前缘39a变化。具体而言，从护罩侧到轮毂侧的相对流动角的变化与喷嘴翼73没有扭转的情况相比较小。
图3是按照若干的轮毂喉管开口比Oms来表示沿着涡轮叶片39的前缘39a的相对流动角(倾角)的变化的图表。此外，该图表示出了设计点处的关系。另外，纵轴的跨距长度进行了标准化。因此，该值越接近0则表示越接近轮毂侧的位置，反之，该值越接近1则表示越接近护罩侧的位置。
图中的轮毂喉管开口比Oms表示护罩侧的喉管宽度O2相对于跨距方向SD上的中央的喉管宽度O0.5的比。例如当Oms为1.9时，护罩侧的喉管宽度O2是中央的喉管宽度O0.5的1.9倍。另外，当Oms为1.0时，护罩侧的喉管宽度O2与中央的喉管宽度O0.5相等。即喷嘴翼73没有扭转。
就图3所示的解析结果而言，是在设定为护罩侧的喉管宽度O2与轮毂侧的喉管宽度O1之和等于中央的喉管宽度O0.5的2倍的条件下得出的。因此，与护罩侧的喉管宽度O2和轮毂侧的喉管宽度O1的变化无关地，喉管74的面积恒定。即，不论轮毂喉管开口比Oms为何值时，通过喷嘴翼73的工作流体的总量都几乎没有变化，示出了相同容量的涡轮之间的比较。
由该图3可知，与喷嘴翼73没有扭转的情况(即Oms＝1.0)相比，喷嘴翼73的扭转程度越大，则从护罩侧到轮毂侧的相对流动角的变化就越小。因此，通过在斜流涡轮中使喷嘴翼73扭转，从而能够抑制在涡轮叶轮35的轮毂侧发生剥离或者抑制该剥离的发展，其结果是，能够减小倾角损失。
图4的(a)和图4的(b)是表示涡轮叶片39的前缘39a(LE)附近的工作流体G的流线、和熵(静态熵)分布的图；图4的(a)是在设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.0时的图；图4的(b)是在设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.9时的图。图5的(a)和图5的(b)是表示涡轮叶片39的前缘39a(LE)附近的工作流体G的流线、和熵(静态熵)分布的图；图5的(a)是在非设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.0时的图；图5的(b)是在非设计点处轮毂喉管开口比Oms为1.9时的图。在各图中，示出了通过三维稳态粘性CFD(Computational Fluid Dynamics：计算流体动力学)解析而求出的、标准化跨距长度为0.1时的涡轮叶片39的前缘39a(LE)。另外，PS表示涡轮叶片39的腹侧(正压面)，SS表示同叶片的背侧(负压面)。
在图4的(a)～图5的(b)中，着眼于前缘39a(LE)的周围，就轮毂喉管开口比Oms为1.9时的工作流体G的相对流动角(倾角)而言，与轮毂喉管开口比Oms为1.0时的工作流体G的相对流动角(倾角)相比较小，另外可知，工作流体的集中也得到缓和。另外可知，就轮毂喉管开口比Oms为1.9时的熵较高的区域而言，与轮毂喉管开口比Oms为1.0时的熵较高的区域相比较窄，发生了剥离的区域缩小，抑制了能量的损失。
因此，由这些图也可以理解的是：通过在斜流涡轮中使喷嘴翼73扭转，从而能够抑制在涡轮叶轮35的轮毂侧发生剥离或者抑制该剥离的发展，其结果是，能够减小倾角损失。
图6是按照低速域、中速域和高速域来表示轮毂喉管开口比Oms为1.0、1.3、1.9时的本实施方式的斜流涡轮的效率的图表。如该图6所示可知，轮毂喉管开口比Oms越大，斜流涡轮的效率就越高。并且，这种倾向可见于所有的周速域。
(变形例)
此外，本公开的喷嘴翼73不限于用作上述的固定喷嘴翼，也可以构成为在可变喷嘴单元中使用的可变喷嘴翼。即，喷嘴翼73也可以在气体流路42内可旋转地设置。在喷嘴翼73为可变喷嘴翼的情况下，该可变喷嘴翼只要构成为以从开状态到闭状态之间的任一设定角来形成具有上述的轮毂喉管开口部比的喉管74即可。
例如喷嘴翼73可应用于后述的可变喷嘴单元53。可变喷嘴单元53安装于可变容量型增压器，并对向涡轮叶轮35侧供给的排放气体的流路面积进行调整。
以下对将喷嘴翼73应用于可变喷嘴单元53的例子进行说明。
图7是本实施方式的变形例的可变容量型增压器的斜流涡轮的正剖视图(子午面图)。如图7所示，在涡轮壳33内的涡轮叶轮35的径向外侧(入口侧)，经由支撑环57与涡轮叶轮35呈同心状配设有作为第一壁部件的喷嘴环55。喷嘴环55例如形成为环状。喷嘴环55的内周缘部与挡热板49的外周缘部嵌合。在喷嘴环55上，沿着圆周方向等间隔地贯通形成有多个第一支承孔59。此外，支撑环57的外周缘部被轴承壳3和涡轮壳33夹持。
在相对于喷嘴环55沿着轴向分离的位置，设有作为第二壁部件的护罩环61。护罩环61与喷嘴环55呈同心状设置，并经由多个连结销63与喷嘴环55一体化。换言之，护罩环61以与喷嘴环55对置的方式，相对于喷嘴环55沿着涡轮叶轮35的轴向分离设置。另外，护罩环61例如形成为环状。在护罩环61上贯通形成有多个第二支承孔65。多个第二支承孔65以与喷嘴环55的多个第一支承孔59匹配的方式在圆周方向上等间隔地形成。此外，多个连结销63具有设定喷嘴环55的对置面与护罩环61的对置面的间隔的功能。
护罩环61在内周缘侧具有将多个涡轮叶片39的外缘覆盖的筒状的护罩部67。护罩部67向左方向(涡轮叶轮35的轴向一侧)突出并且位于涡轮壳33的台阶部47的内侧。另外，在护罩环61的护罩部67的外周面形成有环槽69。此外，将多个密封圈71利用自身的弹性力(多个密封圈71的弹性力)在涡轮壳33的台阶部47的内周面上以压接方式设置，该多个密封圈71抑制排放气体从涡轮涡旋流路43侧泄漏。各密封圈71的内周缘部嵌入护罩环61的环槽69。
如图7所示，喷嘴环55和护罩环61构成了气体流路42。在气体流路42内(换言之，在喷嘴环55与护罩环61之间)，沿着圆周方向排列有作为可变喷嘴翼的多个喷嘴翼73。各喷嘴翼73能够绕与涡轮叶轮35的轴心C平行的轴心进行旋转(摆动)。在与喷嘴环55对置的各喷嘴翼73的右侧面一体形成有第一翼轴75。第一翼轴75被喷嘴环55的对应的第一支承孔59支承为能够转动。在与护罩环61对置的各喷嘴翼73的左侧面，第二翼轴77和第一翼轴75呈同心状一体形成。第二翼轴77被护罩环61的对应的第二支承孔65支承为能够转动。各喷嘴翼73在第一翼轴75的基端侧具有能够与喷嘴环55的对置面接触的第一凸边部(未图示)。另外，各喷嘴翼73在第二翼轴77的基端侧具有能够与护罩环61的对置面接触的第二凸边部(未图示)。此外，各喷嘴翼73是具备第一翼轴75和第二翼轴77的双支承型，但是也可以是省略了第二翼轴77的悬臂型。
如图7所示，环状的连杆室79形成于喷嘴环55的对置面的相反侧，在该环状的连杆室79内配设有连杆机构81，该连杆机构81用于使多个喷嘴翼73同步地转动。另外，连杆机构81由日本特开2009－243431号公报、日本特开2009－243300号公报、以及日本特开2014－169642号公报(美国专利申请公开第2014/14178683号说明书)等中所示出的公知的结构构成。连杆机构81经由动力传递机构83与马达或者压力缸等转动致动器(未图示)连接，该转动致动器使多个喷嘴翼73向开闭方向转动。
在该变形例中，也能够获得上述的效果。即，通过在斜流涡轮中使喷嘴翼73扭转，从而能够抑制在涡轮叶轮35的轮毂侧发生剥离或者抑制该剥离的发展，其结果是，能够使倾角损失减小。
此外，本公开不限于上述的实施方式，包括权利要求书中记载的以及与权利要求书的记载等价概念和范围的全部变更。

Claims (5)

1.一种增压器，其特征在于，具备：
斜流涡轮，其包含涡轮叶轮；
涡轮壳，其包含朝向所述涡轮叶轮的动翼的前缘延伸的气体流路，且容纳所述涡轮叶轮；以及
多个喷嘴翼，其设置于所述气体流路，且在所述涡轮叶轮的周向上排列，并且在彼此相邻的两个所述喷嘴翼之间形成喉管，
各所述喷嘴翼以该喷嘴翼的后缘为扭转中心，以所述喉管的宽度在护罩侧比轮毂侧窄的方式扭转。
2.根据权利要求1所述的增压器，其特征在于，
各所述喷嘴翼能够旋转地设置在所述气体流路内。
3.根据权利要求1所述的增压器，其特征在于，
各所述喷嘴翼固定于所述气体流路。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的增压器，其特征在于，
在将沿着所述多个喷嘴翼的排列方向的所述喉管的长度设为喉管宽度的情况下，轮毂侧的喉管宽度设定为比跨距方向上的中央的喉管宽度的1倍大且为2倍以下的值。
5.根据权利要求4所述的增压器，其特征在于，
所述喉管宽度从该喷嘴翼的轮毂侧到该喷嘴翼的护罩侧单调地减小。
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