涡轮叶轮、涡轮以及涡轮增压器的制作方法

1.本公开涉及一种涡轮叶轮、涡轮以及涡轮增压器。本技术基于2020年9月10日向日本国专利局申请的特愿2020-152425号主张优先权，在此援用其内容。


背景技术：

2.在离心式或斜流式的涡轮中，具有用于使废气从半径方向流入的涡旋部(例如参照专利文献1)。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：(日本)特开2018-123802号公报


技术实现要素：

6.发明要解决的课题
7.在设置涡旋部的情况下，在其构造上需要设置舌部。因此，在废气流动时，在舌部的表面产生边界层，产生尾流(低速区域)，速度小的废气流入涡轮，从而有可能导致涡轮的效率降低。
8.鉴于上述情况，本公开的至少一个实施方式的目的在于抑制涡轮的效率降低。
9.用于解决问题的方案
10.(1)本公开的至少一个实施方式的涡轮叶轮与旋转轴连结并围绕轴线旋转，该涡轮叶轮具备：
11.轮毂，其具有在沿着所述轴线的截面中相对于所述轴线倾斜的轮毂面；
12.多个叶片，其设置在所述轮毂面；
13.所述涡轮叶轮包括形成在相邻的两个所述叶片之间的多个流路，
14.在将作为所述多个流路内的至少一个流路的喉部扩大流路的喉部的面积设为aen，
15.将所述多个流路的喉部的平均面积设为aave的情况下，
16.满足aen/aave＞1.01的关系。
17.(2)本公开的至少一个实施方式的涡轮具备上述(1)的结构的涡轮叶轮。
18.(3)本公开的至少一个实施方式的涡轮增压器具备上述(2)的结构的涡轮。
19.发明效果
20.根据本公开的至少一个实施方式，能够抑制涡轮的效率降低。
附图说明
21.图1是示出几个实施方式的涡轮增压器的一例的剖视图。
22.图2是几个实施方式的涡轮叶轮的外观的立体图。
23.图3是用于说明几个实施方式的涡轮的涡旋部的图。
24.图4a是用于说明速度三角形的图。
25.图4b是用于说明速度三角形的图。
26.图5是几个实施方式的涡轮叶轮的示意性展开图。
27.图6是几个实施方式的涡轮叶轮的示意性展开图。
28.图7是另一实施方式的涡轮叶轮的示意性展开图。
29.图8是再一实施方式的涡轮叶轮的示意性展开图。
具体实施方式
30.以下，参照附图对本公开的几个实施方式进行说明。但是，作为实施方式记载的或附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并不是将本公开的范围限定于此的意思，只不过是说明例。
31.例如，表示“在某一方向上”、“沿着某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等相对或绝对的配置的表达不仅严密地表示这样的配置，还表示带有公差、或者能够获得相同功能的程度的角度或距离而相对地位移的状态。
32.例如，表示“相同”、“相等”以及“均质”等事物为相等的状态的表达不仅表示严格相等的状态，还表示存在公差、或者能够获得相同功能的程度的差的状态。
33.例如，表示四边形状或圆筒形状等形状的表达不仅表示几何学上严格意义上的四边形状或圆筒形状等形状，还表示在能够获得相同效果的范围内，包含凹凸部或倒角部等的形状。
34.另一方面，“具备”、“配备”、“具有”、“包括”或“有”一个构成要素这样的表达并不是排除其他构成要素的存在的排他性的表达。
35.(涡轮增压器1的整体结构)
36.图1是表示几个实施方式的涡轮增压器1的一例的剖视图。
37.几个实施方式的涡轮增压器1是用于对搭载在例如汽车等车辆上的发动机的进气进行增压的排气涡轮增压器。
38.涡轮增压器1具有以转子轴2为旋转轴连结的涡轮叶轮3以及压缩机叶轮4、旋转自如地容纳涡轮叶轮3的壳体(涡轮外壳)5、旋转自如地容纳压缩机叶轮4的壳体(压缩机外壳)6。另外，涡轮外壳5包括在内部具有涡旋流路7a的涡旋部7。压缩机外壳6包括在内部具有涡旋流路8a的涡旋部8。
39.几个实施方式的涡轮30具备涡轮叶轮3和壳体5。几个实施方式的压缩机40具备压缩机叶轮4和壳体6。
40.(涡轮叶轮3)
41.图2是几个实施方式的涡轮叶轮3的外观的立体图。
42.几个实施方式的涡轮叶轮3是与转子轴(旋转轴)2连结并围绕旋转轴线axw旋转的叶轮。几个实施方式的涡轮叶轮3具有：轮毂31，其具有在沿着旋转轴线axw的截面中相对于旋转轴线axw倾斜的轮毂面32；多个叶片(动叶片)33，其设置在轮毂面32。需要说明的是，图1、图2所示的涡轮叶轮3是辐流式涡轮，但也可以是斜流式涡轮。在图2中，箭头r表示涡轮叶轮3的旋转方向。叶片33在涡轮叶轮3的周向上隔开间隔地设置多个。
43.在几个实施方式的涡轮叶轮3中，形成有在周向上相邻的两个叶片33之间形成的
流路的流路面积最小的喉部35(参照后述的图5)。需要说明的是，在几个实施方式的涡轮叶轮3中，喉部35形成在叶片33的腹侧中比叶片的后缘37更靠前缘36侧的区域。
44.需要说明的是，虽然省略立体图中的图示，但是几个实施方式的压缩机叶轮4也具有与几个实施方式的涡轮叶轮3相同的结构。即，几个实施方式的压缩机叶轮4是与转子轴(旋转轴)2连结并围绕旋转轴线axw旋转的叶轮。几个实施方式的压缩机叶轮4具有：轮毂41，其具有在沿着旋转轴线axw的截面中相对于旋转轴线axw倾斜的轮毂面42；多个叶片(动叶片)43，其设置在轮毂面42。叶片43在压缩机叶轮4的周向上隔开间隔地设置多个。
45.在这样构成的涡轮增压器1中，作为工作流体的废气从涡轮叶轮3的前缘36朝向后缘37流动。由此，使涡轮叶轮3旋转，并且使经由转子轴2连结的压缩机40的压缩机叶轮4旋转。由此，从压缩机40的入口部40a流入的进气在从压缩机叶轮4的前缘46朝向后缘47流动的过程中被压缩机叶轮4压缩。
46.(关于在舌部71产生的尾流的影响)
47.图3是用于说明几个实施方式的涡轮30的涡旋部7的图，是与旋转轴线axw正交的截面的示意性剖视图。
48.图4a是用于说明在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β接近理想的流入角度时的速度三角形的图。
49.图4b是用于说明在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β偏离理想的流入角度时的速度三角形的图。
50.图4a所示的速度三角形由涡轮叶轮3的旋转速度矢量u、废气的绝对速度矢量c和从涡轮叶轮3观察时的废气的相对速度矢量w形成。
51.图4b所示的速度三角形由涡轮叶轮3的旋转速度矢量u、废气的绝对速度矢量c’和从涡轮叶轮3观察时的废气的相对速度矢量w形成。
52.在图4a所示的速度三角形中，在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角β是在前缘36处的叶片33的叶片骨线cl的延伸方向与相对速度矢量w之间的角度差。
53.在图4b所示的速度三角形中，在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β’是在前缘36处的叶片33的叶片骨线cl的延伸方向与相对速度矢量w之间的角度差。
54.需要说明的是，在图4a以及图4b中，叶片33的图示下方的面为压力面ps，图示上方的面为负压面ss。
55.另外，在图4a以及图4b中，单点划线的圆弧是通过涡轮叶轮3的旋转而移动的前缘36的轨迹loc。
56.在几个实施方式中，涡轮外壳5具有将涡旋流路7a与比涡旋流路7a更靠径向外侧的流路9隔开的舌部71。
57.通常，在涡轮30中，在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β越接近理想的流入角度，涡轮30的空气动力性能越提高。但是，如果在废气流动时在舌部71的表面形成边界层，产生尾流(低速区域)，则废气的绝对速度降低，废气的绝对速度矢量c的大小变小。因此，在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β偏离理想的流入角度，有可能导致涡轮30的效率降低。
58.图5以及图6是几个实施方式的涡轮叶轮3的示意性展开图。需要说明的是，在图5中，表示了相邻的两个叶片33的叶片间距p为一定的区域。在图6中，是包含局部叶片间距被
放大的区域的展开图。
59.如图5以及图6所示，在沿着涡轮叶轮3的周向相邻的两个叶片33之间，形成有废气的流路12。几个实施方式的涡轮叶轮3包括形成在相邻的两个叶片33之间的多个流路12。多个流路12各自具有喉部35，该喉部35是沿着废气的流动方向观察时的流路12的截面面积(流路面积)最小的部位。
60.在图5以及图6中，由虚线的椭圆表示喉部35存在的大致位置。
61.通常，涡轮30的流量依赖于喉部35的面积a(喉部35处的流路面积)，喉部35的面积a越大则流量越增加。因此，为了抑制由上述的尾流引起的废气的绝对速度的降低，能够考虑通过在一部分流路12中扩大喉部35的面积a来增加流过流路12的废气量。
62.因此，在几个实施方式的涡轮叶轮3中，有意识地使作为多个流路12内的至少一个流路12的喉部扩大流路12a的喉部35a的面积aen比多个流路12的喉部35的平均面积aave大。具体而言，在几个实施方式的涡轮叶轮3中，以满足aen/aave＞1.01的关系的方式，设定喉部扩大流路12a的喉部35a的面积aen。
63.需要说明的是，上述平均面积aave是包括喉部扩大流路12a的所有流路12的喉部35、35a处的流路面积的平均值。
64.在上述结构中，喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen超过多个流路12的喉部35的平均面积aave的1.01倍。
65.通常，喉部35的面积a的制造上的误差小于喉部35的平均面积aave的1％。因此，通过有意识地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比多个流路12的喉部35的平均面积aave大，从而超过上述平均面积aave的1.01倍。
66.根据上述几个实施方式的涡轮叶轮3，废气容易在喉部扩大流路12a中流动。因此，即使发生上述那样的尾流，也能够抑制废气的绝对速度的降低，能够抑制在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β偏离理想的流入角度。由此，在具备几个实施方式的涡轮叶轮3的涡轮30中，能够抑制涡轮30的效率的降低。
67.(通过叶片间距来增大喉部35a的面积aen的情况)
68.在几个实施方式的涡轮叶轮3中，也可以是，在将形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的叶片间距设为pen，将关于多个叶片33的叶片间距p的平均值设为pave的情况下，满足pen＞pave的关系。
69.需要说明的是，上述平均值pave是包括形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的叶片间距pen的所有叶片间距p的平均值。
70.由此，通过使形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的叶片间距pen比上述叶片间距p的平均值pave大，能够比较容易地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
71.(通过叶片厚度t来增大喉部35a的面积aen的情况)
72.图7是另一实施方式的涡轮叶轮3的示意性展开图。
73.在图7所示的涡轮叶轮3中，也可以是，在将形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的至少任一方的形成喉部35a的区域中的叶片厚度设为ten，将多个叶片33的形成喉部35的区域中的叶片厚度t的平均值设为tave的情况下，满足ten＜tave的关系。
74.需要说明的是，上述平均值tave是包括形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片
33的所有叶片33的、形成喉部35、35a的区域中的叶片厚度t的平均值。
75.即，在图7所示的涡轮叶轮3中，在形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的至少任一方的叶片33a中，使形成喉部35a的区域中的叶片厚度ten比其他叶片33的叶片厚度t小，由此使喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
76.由此，能够比较容易地使喉部扩大流路中的喉部的面积aen比上述平均面积aave大。
77.需要说明的是，如图7所示的涡轮叶轮3那样，可以使形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的一个叶片33a的叶片厚度从前缘36到后缘37整体地减小，也可以仅使形成喉部35a的区域的叶片厚度减小。
78.(通过轮毂面形状的变更来增大喉部35a的面积aen的情况)
79.图8是再一实施方式的涡轮叶轮3的示意性展开图。
80.在图8所示的涡轮叶轮3中，在涡轮叶轮3的子午面中，将喉部扩大流路12a的喉部35a中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离设为hen。在涡轮叶轮3的子午面中，将多个流路12的喉部35中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离h的平均值设为have。而且，也可以满足hen》have的关系。
81.需要说明的是，上述平均值have是喉部扩大流路12a的包括喉部35a的所有喉部35、35a中的、轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离h的平均值。
82.在图8所示的涡轮叶轮3中，能够通过改变喉部35中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离h，来变更喉部35的面积a。例如，在图8所示的涡轮叶轮3中，使喉部扩大流路12a的喉部35a中的轮毂面32与其他流路12的喉部35中的轮毂面32相比更向涡轮叶轮3的径向内侧凹陷。由此，使喉部扩大流路12a的喉部35a中的上述叶展距离hen比叶展距离h的平均值have大，增大喉部35a的面积aen。
83.这样，通过使喉部扩大流路12a的喉部35a中的轮毂面32与末端34的叶展距离hen比上述叶展距离h的平均值have大，能够比较容易地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
84.(喉部扩大流路12a的配置)
85.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，至少一个喉部扩大流路12a也可以包括多个喉部扩大流路12a。
86.喉部扩大流路12a的设置数量的适当值根据例如涡轮增压器1的规格、组合发动机的规格而不同。
87.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，如果包括多个喉部扩大流路12a，则不是设置一个，而是设置多个喉部扩大流路12a在能够进一步抑制涡轮30的效率降低的情况下有效。
88.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，多个喉部扩大流路12a也可以离散地配置。
89.多个喉部扩大流路12a是沿着周向连续地配置较好，还是离散地配置较好，例如根据涡轮增压器1的规格、组合发动机的规格而不同。
90.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，如果离散地配置多个喉部扩大流路12a，则在离散地配置多个喉部扩大流路12a较好的情况下有效。
91.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，多个喉部扩大流路12a也可以连续地配置。
92.如上所述，多个喉部扩大流路12a是沿着周向连续地配置较好，还是离散地配置较好，例如根据涡轮增压器1的规格、组合发动机的规格而不同。
93.在上述几个实施方式的涡轮叶轮3中，如果连续地配置多个喉部扩大流路12a，则在连续配置多个喉部扩大流路12a较好的情况下有效。
94.在上述几个实施方式的涡轮30中，由于具备上述几个实施方式的涡轮叶轮3中的任一个，因此能够抑制涡轮30的效率降低。
95.另外，在上述几个实施方式的涡轮增压器1中，由于具备上述几个实施方式的涡轮30，因此能够提高涡轮增压器1的性能。
96.本公开不限定于上述的实施方式，还包括对上述实施方式施加了变形的方式、和将这些方式适当组合的方式。
97.上述各实施方式所记载的内容例如可以如以下这样理解。
98.(1)本公开的至少一个实施方式的涡轮叶轮3是与旋转轴(转子轴2)连结并围绕轴线(旋转轴线axw)旋转的涡轮叶轮3，该涡轮叶轮3具备：轮毂31，其具有在沿着轴线(旋转轴线axw)的截面中相对于轴线(旋转轴线axw)倾斜的轮毂面32；多个叶片33，其设置在轮毂面32。涡轮叶轮3包括在相邻的两个叶片33之间形成的多个流路12，在将作为多个流路12内的至少一个流路12的喉部扩大流路12a的喉部35a的面积设为aen，将多个流路12的喉部35的平均面积设为aave的情况下，满足aen/aave＞1.01的关系。
99.通常在涡轮中，在涡轮叶轮的前缘处的废气的流入角度越接近理想的流入角，涡轮的空气动力性能越提高。但是，如果在废气流动时在舌部的表面形成边界层，产生尾流(低速区域)，则废气的绝对速度降低，在涡轮叶轮的前缘处的废气的流入角度偏离理想的流入角，存在导致涡轮的效率降低的可能。
100.根据上述(1)的结构，废气容易在喉部扩大流路12a中流动。因此，即使发生上述那样的尾流，也能够抑制废气的绝对速度的降低，能够抑制在涡轮叶轮3的前缘36处的废气的流入角度β偏离理想的流入角度。由此，能够在具备基于上述(1)的结构的涡轮叶轮3的涡轮30中，抑制涡轮30的效率的降低。
101.(2)在几个实施方式中，根据上述(1)的结构，也可以是，在将形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的叶片间距设为pen，将多个叶片33的叶片间距p的平均值设为pave的情况下，满足pen＞pave的关系。
102.根据上述(2)的结构，通过使形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的叶片间距pen比上述叶片间距p的平均值pave大，能够比较容易地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
103.(3)在几个实施方式中，根据上述(1)或(2)的结构，也可以是，在将形成喉部扩大流路12a的相邻的两个叶片33的至少任一方的形成喉部35a的区域中的叶片厚度设为ten，将多个叶片33的形成喉部35的区域中的叶片厚度t的平均值设为tave的情况下，满足ten＜tave的关系。
104.根据上述(3)的结构，能够比较容易地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
105.(4)在几个实施方式中，根据上述(1)至(3)的任一种结构，将在涡轮叶轮3的子午面中，喉部扩大流路12a的喉部35a中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离设为hen。将
在涡轮叶轮3的子午面中，多个流路12的喉部35中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离的平均值设为have。并且，也可以满足hen》have的关系。
106.在上述(4)的结构中，能够通过改变喉部35中的轮毂面32与叶片33的末端34的叶展距离h，来变更喉部35的面积a。因此，通过使喉部扩大流路12a的喉部35a中的轮毂面32与末端34的叶展距离hen比上述叶展距离h的平均值have大，能够比较容易地使喉部扩大流路12a中的喉部35a的面积aen比上述平均面积aave大。
107.(5)在几个实施方式中，根据上述(1)至(4)的任一种结构，至少一个喉部扩大流路12a也可以包括多个喉部扩大流路12a。
108.喉部扩大流路12a的设置数量的适当值根据例如涡轮增压器1的规格、组合的发动机的规格而不同。
109.根据上述(5)的结构，不是设置一个，而是设置多个喉部扩大流路12a在能够进一步抑制涡轮30的效率降低的情况下有效。
110.(6)在几个实施方式中，在上述(5)的结构中，多个喉部扩大流路12a也可以离散地配置。
111.多个喉部扩大流路12a是沿着周向连续地配置较好，还是离散地配置较好，例如根据涡轮增压器1的规格、组合发动机的规格而不同。
112.根据上述(6)的结构，在离散地配置多个喉部扩大流路12a较好的情况下有效。
113.(7)在几个实施方式中，根据上述(5)的结构，多个喉部扩大流路12a也可以连续地配置。
114.如上所述，多个喉部扩大流路12a是沿着周向连续地配置较好，还是离散地配置较好，例如根据涡轮增压器1的规格、组合发动机的规格而不同。
115.根据上述(7)的结构，在连续地配置多个喉部扩大流路12a较好的情况下有效。
116.(8)本公开的至少一个实施方式的涡轮30具备上述(1)至(7)的任一种结构的涡轮叶轮3。
117.根据上述(8)的结构，能够抑制涡轮30的效率降低。
118.(9)本公开的至少一个实施方式的涡轮增压器1具备上述(8)的结构的涡轮30。
119.根据上述(9)的结构，能够提高涡轮增压器1的性能。
120.附图标记说明
121.1 涡轮增压器
122.2 旋转轴(转子轴)
123.3 涡轮叶轮
124.5 壳体(涡轮外壳)
125.12 流路
126.12a 喉部扩大流路
127.30 涡轮
128.31 轮毂
129.32 轮毂面
130.33、33a 叶片(动叶片)
131.34 末端
132.35、35a 喉部
133.36 前缘
134.37 后缘

技术特征：
1.一种涡轮叶轮，其与旋转轴连结并围绕轴线旋转，所述涡轮叶轮的特征在于，具备：轮毂，其具有在沿着所述轴线的截面中相对于所述轴线倾斜的轮毂面；多个叶片，其设置在所述轮毂面；所述涡轮叶轮包括形成在相邻的两个所述叶片之间的多个流路，在将作为所述多个流路内的至少一个流路的喉部扩大流路的喉部的面积设为aen，将关于所述多个流路的喉部的平均面积设为aave的情况下，满足aen/aave＞1.01的关系。2.如权利要求1所述的涡轮叶轮，其中，在将形成所述喉部扩大流路的所述相邻的两个所述叶片的叶片间距设为pen，将所述多个叶片的叶片间距的平均值设为pave的情况下，满足pen＞pave的关系。3.如权利要求1或2所述的涡轮叶轮，其中，在将形成所述喉部扩大流路的所述相邻的所述两个叶片的至少任一方的形成所述喉部的区域中的叶片厚度设为ten，将所述多个叶片的形成所述喉部的区域中的叶片厚度的平均值设为tave的情况下，满足ten＜tave的关系。4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮叶轮，其中，在所述涡轮叶轮的子午面中，在将所述喉部扩大流路的所述喉部中的所述轮毂面与所述叶片的末端的叶展距离设为hen，将关于所述多个流路的所述喉部中的所述轮毂面与所述叶片的末端的叶展距离的平均值设为have的情况下，满足hen>have的关系。5.如权利要求1至4中任一项所述的涡轮叶轮，其中，所述至少一个喉部扩大流路包括多个喉部扩大流路。6.如权利要求5所述的涡轮叶轮，其中，所述多个喉部扩大流路离散地配置。7.如权利要求5所述的涡轮叶轮，其中，所述多个喉部扩大流路连续地配置。8.一种涡轮，其特征在于，具备如权利要求1至7中任一项所述的涡轮叶轮。9.一种涡轮增压器，其特征在于，具备如权利要求8所述的涡轮。

技术总结
至少一个实施方式的涡轮叶轮是与旋转轴连结并围绕轴线旋转的涡轮叶轮，该涡轮叶轮具备：轮毂，其具有在沿着轴线的截面中相对于轴线倾斜的轮毂面；多个叶片，其设置在轮毂面。涡轮叶轮包括在相邻的两个叶片之间形成的多个流路，在将多个流路内的至少一个流路的喉部扩大流路的喉部的面积设为Aen，将多个流路的喉部的平均面积设为Aave的情况下，满足Aen/Aave＞1.01的关系。＞1.01的关系。＞1.01的关系。


技术研发人员：石川庆拓 星彻 冈信仁
受保护的技术使用者：三菱重工发动机和增压器株式会社
技术研发日：2021.08.24
技术公布日：2023/5/23