CN116601377A - 涡轮机以及增压器 - Google Patents

Abstract

涡轮机(T)具备：收纳部(29)，其收纳涡轮机叶轮(15)；排气流路(31)，其将收纳部(29)与排气导入口(31c)连通；排出流路，其将收纳部(29)与排气喷出口连通；旁通流路(35)，其以绕过收纳部(29)的方式将排气流路(31)与排出流路连通；以及排气流路(31)与旁通流路(35)的分支部(BP)，其具有排气导入口(31c)的流路截面面积的0.6倍以上的流路截面面积。

Description

涡轮机以及增压器

技术领域

本公开涉及涡轮机以及增压器。本申请主张基于在2021年3月23日提出的日本专利申请第2021-048180号的优先权的权益，并在本申请中引用其内容。

背景技术

在设于增压器等的涡轮机，设置收纳涡轮机叶轮的收纳部。收纳部经由排气流路而与排气导入口连通，并经由排出流路而与排气喷出口连通。在涡轮机中例如存在如专利文献1所公开那样具备旁通流路的涡轮机。旁通流路以绕过收纳部的方式将排气流路与排出流路连通。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-241898号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在具备旁通流路的涡轮机中，容易在排气流路与旁通流路之间的分支部产生气体流动的分离。分支部处的气体流动的分离使涡轮机的压力损失增大，成为使涡轮机的效率降低的重要原因。

本公开的目的在于提供能够提高涡轮机的效率的涡轮机以及增压器。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，本公开的涡轮机具备：收纳部，其收纳涡轮机叶轮；排气流路，其将收纳部与排气导入口连通；排出流路，其将收纳部与排气喷出口连通；旁通流路，其以绕过收纳部的方式将排气流路与排出流路连通；以及分支部，其是排气流路与旁通流路的分支部，具有排气导入口的流路截面面积的0.6倍以上的流路截面面积。

优选在排气流路中的比分支部靠排气导入口侧的部分中，在排气流路的延伸方向上靠排气导入口侧的60％以上的区域内，流路截面面积为排气导入口的流路截面面积的0.9倍以上。

为了解决上述课题，本公开的增压器具备上述的涡轮机。

发明的效果

根据本公开，能够提高涡轮机的效率。

附图说明

图1是本公开的实施方式的增压器的简要剖视图。

图2是图1的A-A剖面处的剖视图。

图3是示出本公开的实施方式的涡轮机中的排气流路的各流动方向位置处的流路截面面积与排气导入口的流路截面面积的截面面积比率的分布的曲线图。

图4是示出截面面积比与效率变化量的关系的曲线图。

图5是示出比较例的通过流动解析模拟得到的熵分布的图。

图6是示出本实施方式的通过流动解析模拟得到的熵分布的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本公开的实施方式进行说明。在实施方式中示出的尺寸、材料、其它具体的数值等只不过是用于使理解变得容易的示例，在没有特别说明的情况下不对本公开进行限定。此外，在本说明书以及附图中，对实质上具有相同功能、结构的要素标注相同的符号，省略重复说明，并且省略与本公开没有直接关系的要素的图示。

图1是增压器TC的简要剖视图。以下，将图1所示的箭头L方向作为增压器TC的左侧进行说明。将图1所示的箭头R方向作为增压器TC的右侧进行说明。如图1所示，增压器TC具备增压器主体1。增压器主体1包含轴承壳体3、涡轮机壳体5、以及压缩机壳体7。涡轮机壳体5通过紧固机构9而与轴承壳体3的左侧连结。压缩机壳体7通过紧固螺栓11而与轴承壳体3的右侧连结。增压器TC具备涡轮机T以及离心压缩机C。涡轮机T包含轴承壳体3以及涡轮机壳体5。离心压缩机C包含轴承壳体3以及压缩机壳体7。

在轴承壳体3的外周面设有突起3a。突起3a设于涡轮机壳体5侧。突起3a沿轴承壳体3的径向突出。在涡轮机壳体5的外周面设有突起5a。突起5a设于轴承壳体3侧。突起5a沿涡轮机壳体5的径向突出。轴承壳体3和涡轮机壳体5通过紧固机构9被带状紧固。紧固机构9例如是G联轴器。紧固机构9夹持突起3a、5a。

在轴承壳体3形成有轴承孔3b。轴承孔3b沿增压器TC的左右方向贯通。在轴承孔3b配置轴承。在轴承插通旋转轴13。轴承将旋转轴13轴支承为旋转自如。轴承是滑动轴承。但不限定于此，轴承也可以是滚动轴承。在旋转轴13的左端部设置涡轮机叶轮15。涡轮机叶轮15旋转自如地被收纳于涡轮机壳体5。在旋转轴13的右端部设置压缩机叶轮17。压缩机叶轮17旋转自如地被收纳于压缩机壳体7。

在压缩机壳体7形成进气口19。进气口19在增压器TC的右侧开口。进气口19与未图示的空气净化器连接。由轴承壳体3和压缩机壳体7的对置面形成扩散流路21。扩散流路21对空气进行升压。扩散流路21形成为环状。扩散流路21在径向内侧经由压缩机叶轮17而与进气口19连通。

在压缩机壳体7形成压缩机涡旋流路23。压缩机涡旋流路23形成为环状。压缩机涡旋流路23例如位于比扩散流路21靠旋转轴13的径向外侧的位置。压缩机涡旋流路23与未图示的发动机的进气口和扩散流路21连通。若压缩机叶轮17旋转，则从进气口19向压缩机壳体7内吸入空气。被吸入的空气在流通于压缩机叶轮17的叶片间的过程中被加压加速。被加压加速后的空气在扩散流路21以及压缩机涡旋流路23内升压。升压后的空气被引导至发动机的进气口。

在涡轮机壳体5形成有排气喷出口25。排气喷出口25在增压器TC的左侧开口。排气喷出口25与未图示的废气净化装置连接。在涡轮机壳体5形成排出流路27、收纳部29、以及排气流路31。排出流路27将收纳部29与排气喷出口25连通。排出流路27与收纳部29在涡轮机叶轮15的旋转轴方向上连续。收纳部29收纳涡轮机叶轮15。排气流路31形成于比涡轮机叶轮15靠径向外侧的位置。排气流路31形成为环状。排气流路31包含涡轮机涡旋流路31a。涡轮机涡旋流路31a与收纳部29连通。也就是说，涡轮机叶轮15配置在比涡轮机涡旋流路31a靠径向内侧的位置。

排气流路31与未图示的发动机的排气歧管连通。从未图示的发动机的排气歧管排出的废气经由排气流路31以及收纳部29被引导至排出流路27。被引导至排出流路27的废气在流通过程中使涡轮机叶轮15旋转。

涡轮机叶轮15的旋转力经由旋转轴13传递至压缩机叶轮17。若压缩机叶轮17旋转，则空气如上所述地被升压。这样，空气被引导至发动机的进气口。

图2是图1的A-A剖面处的剖视图。图2中，关于涡轮机叶轮15，仅用圆示出外周。如图2所示，在收纳部29的径向外侧(即，涡轮机叶轮15的径向外侧)形成有排气流路31。排气流路31具备涡轮机涡旋流路31a、连通部31b、排气导入口31c、以及排气导入路31d。排气流路31将收纳部29与排气导入口31c连通。

连通部31b遍及收纳部29的整周形成为环状形状。涡轮机涡旋流路31a位于比连通部31b靠涡轮机叶轮15的径向外侧的位置。涡轮机涡旋流路31a遍及连通部31b的整周(即，收纳部29的整周)形成为环状。连通部31b使收纳部29与涡轮机涡旋流路31a连通。在涡轮机壳体5形成舌部33。舌部33设于涡轮机涡旋流路31a的下游侧的端部，将涡轮机涡旋流路31a的下游侧的部分与上游侧的部分隔开。

排气导入口31c在涡轮机壳体5的外部开口。向排气导入口31c导入从未图示的发动机的排气歧管排出的废气。在排气导入口31c与涡轮机涡旋流路31a之间形成排气导入路31d。排气导入路31d将排气导入口31c与涡轮机涡旋流路31a连接。排气导入路31d例如形成为直线形状。排气导入路31d将从排气导入口31c导入的废气引导至涡轮机涡旋流路31a。涡轮机涡旋流路31a将从排气导入路31d导入的废气经由连通部31b引导至收纳部29。

在涡轮机壳体5形成旁通流路35。旁通流路35的入口端在排气流路31(具体为排气导入路31d)开口。旁通流路35的出口端在排出流路27(参照图1)开口。旁通流路35以绕过收纳部29的方式将排气流路31(具体为排气导入路31d)与排出流路27连通。在旁通流路35的出口端形成废气旁通端口WP(参照图1)。在旁通流路35的出口端配置能够开闭废气旁通端口WP的废气旁通阀WV(参照图1)。废气旁通阀WV配置在排出流路27内。当废气旁通阀WV打开了废气旁通端口WP时，旁通流路35使流通于排气导入路31d的废气的一部分绕过收纳部29(即，绕过涡轮机叶轮15)而向排出流路27流出。

在涡轮机T中，通过控制废气旁通端口WP的开闭动作，来调整向涡轮机叶轮15流入的废气的流量。这样，涡轮机T是可变容量型涡轮机。

此处，在具备旁通流路35的涡轮机T中，容易在排气流路31与旁通流路35之间的分支部BP(即，旁通流路35的入口端)产生气体流动的分离。例如，当废气旁通端口WP关闭时，流动于排气导入路31d的废气的一部分从分支部BP向旁通流路35流入，之后返回至排气导入路31d。此时，有时在分支部BP的下游侧的部分产生气体流动的分离。分支部BP处的气体流动的分离使涡轮机T的压力损失增大，成为使涡轮机T的效率降低的重要原因。

因此，在本实施方式的涡轮机T中，为了提高涡轮机T的效率，对排气流路31(具体为排气导入路31d)的流路截面面积进行了研究。具体而言，排气流路31的流路截面面积是与废气的流动方向FD(即，排气流路31的延伸方向)正交的流路截面的面积。以下，参照图2至图5，详细地对排气流路31的流路截面面积进行说明。

以下，将排气流路31中的在废气的流动方向FD上的位置称作流动方向位置Pf。如图2所示，将排气导入口31c的流动方向位置Pf设为0，将分支部BP的流动方向位置Pf设为1。排气流路31中的流动方向位置Pf为0以上且小于1的部分相当于比分支部BP靠排气导入口31c侧的部分。在图2的例子中，分支部BP的流动方向位置Pf是分支部BP的上游侧端部的位置。但是，作为分支部BP的流动方向位置Pf，也可以使用分支部BP中的除上游侧端部以外的部分的位置。

图3是示出本实施方式的涡轮机T中的排气流路31的各流动方向位置Pf处的流路截面面积与排气导入口31c的流路截面面积的截面面积比率的分布的曲线图。图3中，本实施方式中的截面面积比率的分布由实线示出，比较例中的截面面积比率的分布由虚线示出。

如图3所示，在本实施方式以及比较例中，均构成为，在排气流路31中的比分支部BP靠排气导入口31c侧的部分中，截面面积比率随着向下游侧前进而减少。也就是说，在排气流路31中的比分支部BP靠排气导入口31c侧的部分中，流路截面面积随着向下游侧前进而减少。

此处，在比较例中，在流动方向位置Pf＝1处，截面面积比率小于0.6(具体为0.4左右)。也就是说，分支部BP的流路截面面积小于排气导入口31c的流路截面面积的0.6倍。另一方面，在本实施方式中，在流动方向位置Pf＝1处，截面面积比率为0.6以上(具体为0.6左右)。也就是说，分支部BP的流路截面面积为排气导入口31c的流路截面面积的0.6倍以上。

以下，对示出通过发明人所进行的流动解析模拟而得到的结果的图4、图5以及图6进行说明。在流动解析模拟中，计算出排气流路31中的气体流动的状况(例如方向、速度、熵等)以及涡轮机T的效率。

图4是示出截面面积比与效率变化量的关系的曲线图。截面面积比是分支部BP的流路截面面积与排气导入口31c的流路截面面积的比(即，流动方向位置Pf＝1处的流路截面面积与流动方向位置Pf＝0处的流路截面面积的比)。效率变化量[％]是各截面面积比的情况下的涡轮机T的效率相对于截面面积比为0.4的情况下的涡轮机T的效率的变化量。也就是说，效率变化量[％]是从各截面面积比的情况下的涡轮机T的效率减去截面面积比为0.4的情况下的涡轮机T的效率而得到的。涡轮机T的效率是由涡轮机T生成的能量与向涡轮机T输入的能量的比率。

根据图4所示的曲线图可知：随着截面面积比变大，涡轮机T的效率变高。尤其是，可知：在截面面积比为0.6以上的情况下，与截面面积比为0.4的情况相比，涡轮机T的效率至少改进了0.8％以上。因此，在本实施方式中，可知：分支部BP的流路截面面积为排气导入口31c的流路截面面积的0.6倍以上，由此涡轮机T的效率显著变高。

图5是示出比较例的通过流动解析模拟而得到的熵分布的图。图6是本实施方式的通过流动解析模拟而得到的熵分布的图。图5及图6中，通过阴影线的疏密来示出排气流路31中的分支部BP的附近的熵的分布。具体而言，图5及图6中，阴影线越浓密(即，斜线的间隔越窄)，则熵越高。并且，图5及图6中，由箭头示出分支部BP的附近的局部的气体的流动方向。

当对图5所示的比较例和图6所示的本实施方式进行比较时，可知：在比较例中，与本实施方式相比，在排气流路31中的比分支部BP靠下游侧(图5及图6中的左侧)的位置，熵增大。并且，可知：在比较例中，与本实施方式不同，在排气流路31中的比分支部BP靠下游侧的位置，产生了气体流动的分离以及涡流流动。

此处，考虑涡轮机T的效率根据分支部BP的流路截面面积的大小而变化。具体而言，若分支部BP的流路截面面积过小，则流动于排气流路31(具体为排气导入路31d)的废气的流速在分支部BP变得过大。由此，容易在分支部BP的附近(例如，排气流路31中的比分支部BP靠下游侧的位置)产生气体流动的分离以及涡流流动。根据这样的理由，认为在比较例(即，截面面积比为0.4左右的情况)中，在分支部BP的附近产生了气体流动的分离以及涡流流动。另一方面，在本实施方式(即，截面面积比为0.6以上的情况)中，与比较例相比，分支部BP的流路截面面积较大，因此分支部BP处的废气的流速变小。由此，抑制分支部BP附近的气体流动的分离以及涡流流动，压力损失减少，其结果，涡轮机T的效率变高。

此外，在提高流路效率来提高涡轮机效率的观点中，优选为，在排气流路31中的比分支部BP靠排气导入口31c侧的部分中，截面面积比率随着向下游侧前进而缓慢减少。具体而言，在本实施方式中，如图3所示，在流动方向位置Pf为0以上且0.6以下的范围内，截面面积比率为0.9以上。由此，如图4及图5所示，适当地实现流路效率以及涡轮机效率的提高。这样，在提高流路效率来适当地提高涡轮机效率的观点中，优选为，在废气的流动方向FD(也就是排气流路31的延伸方向)上靠排气导入口31c侧的60％以上的区域内，流路截面面积为排气导入口31c的流路截面面积的0.9倍以上。

以上，参照附图对本公开的实施方式进行了说明，但本公开不限定于这样的实施方式，这是不言而喻的。对于本领域技术人员而言，明显在权利要求书所记载的范畴内，能够想到各种变更例或修改例，并且应当理解这些变更例或修改例当然属于本公开的技术范围。

在上述内容中，对涡轮机T是单涡旋式(涡轮机涡旋流路31a的数量为一个的类型)的例子进行了说明，但涡轮机T的类型不限定于上述例子。例如，涡轮机T可以是双涡旋式(两个涡轮机涡旋流路31a在不同的周向位置与收纳部29连接的类型)，也可以是成对涡旋式(两个涡轮机涡旋流路31a在轴向上排列配置的类型)。

在上述内容中，对涡轮机T设于增压器TC的例子进行了说明。但是，涡轮机T也可以设于增压器TC以外的其它装置。

符号的说明

15—涡轮机叶轮，25—排气喷出口，27—排出流路，29—收纳部，31—排气流路，35—旁通流路，BP—分支部，T—涡轮机，TC—增压器。

Claims (3)

1.一种涡轮机，其特征在于，具备：

收纳部，其收纳涡轮机叶轮；

排气流路，其将上述收纳部与排气导入口连通；

排出流路，其将上述收纳部与排气喷出口连通；

旁通流路，其以绕过上述收纳部的方式将上述排气流路与上述排出流路连通；以及

分支部，其是上述排气流路与上述旁通流路的分支部，具有上述排气导入口的流路截面面积的0.6倍以上的流路截面面积。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，

在上述排气流路中的比上述分支部靠上述排气导入口侧的部分中，在上述排气流路的延伸方向上靠上述排气导入口侧的60％以上的区域内，流路截面面积为上述排气导入口的流路截面面积的0.9倍以上。

3.一种增压器，其特征在于，

具备权利要求1或2所述的涡轮机。