涡轮机以及增压器的制作方法

1.本公开涉及涡轮机以及增压器。本技术主张基于在2021年3月17日提出的日本专利申请第2021-044156号的优先权的权益，并在本技术中引用其内容。


背景技术：

2.在设于增压器等的涡轮机中存在气体从径向外侧向涡轮机叶轮流入的类型。作为这样的类型的涡轮机，例如，在专利文献1中公开了气体沿径向流入的径向涡轮机。此外，气体沿相对于径向倾斜的方向流入的涡轮机被称作斜流涡轮机。
3.现有技术文献
4.专利文献
5.专利文献1：国际公开第2014/128898号


技术实现要素：

6.发明所要解决的课题
7.在气体从径向外侧向涡轮机叶轮流入的类型的涡轮机中，在涡轮机叶轮中的气体的入口部分(即，涡轮机叶轮中的供气体流入的部分)，有时根据工作条件而引起气体流动的分离、产生涡流。若在涡轮机叶轮中的气体的入口部分处产生气体流动的分离，则涡轮机的效率降低。
8.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。
9.用于解决课题的方案
10.为了解决上述课题，本公开的涡轮机具备：涡轮机涡旋流路；涡轮机叶轮，其配置在比涡轮机涡旋流路靠径向内侧；以及叶片体，其设于涡轮机叶轮，随着从轮毂侧向护罩侧前进而向与涡轮机叶轮的旋转方向侧相反的一侧倾斜，而且具有在沿径向观察的情况下相对于涡轮机叶轮的中心轴方向的倾斜角比0
°
大且为45
°
以下的前缘。
11.优选前缘的倾斜角为10
°
以上且30
°
以下。
12.优选前缘具有直线形状。
13.为了解决上述课题，本公开的增压器具备上述的涡轮机。
14.发明的效果
15.根据本公开，能够提高涡轮机的效率。
附图说明
16.图1是本公开的实施方式的增压器的简要剖视图。
17.图2是图1的a-a剖面处的剖视图。
18.图3是提取出图1的单点划线部分的图。
19.图4是示出本公开的实施方式的涡轮机叶轮的侧视图。
20.图5是示出前缘的倾斜角与涡轮机的效率差的关系的曲线图。
具体实施方式
21.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。
22.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。
23.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。
24.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的左端部设有涡轮机叶轮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的右端部设有压缩机叶轮17。压缩机叶轮17旋转自如地被收纳于压缩机壳体7。
25.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。
26.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。
27.在涡轮机壳体5形成有排出流路25、收纳部27、以及排气流路29。排出流路25在增压器tc的左侧开口。排出流路25与未图示的废气净化装置连接。排出流路25与收纳部27连通。排出流路25与收纳部27在涡轮机叶轮15的旋转轴方向上连续。收纳部27收纳涡轮机叶轮15。排气流路29形成于比涡轮机叶轮15靠径向外侧的位置。排气流路29形成为环状。排气流路29包含涡轮机涡旋流路29a。涡轮机涡旋流路29a与收纳部27连通。也就是说，涡轮机叶轮15配置在比涡轮机涡旋流路29a靠径向内侧的位置。
28.排气流路29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29以及收纳部27被引导至排出流路25。被引导至排出流路25的废气在流通过程中使涡轮机叶轮15旋转。
29.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。
30.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27的径向外侧(即，涡轮机叶轮15的径向外侧)形成排气流路29。排气流路29具备涡轮机涡旋流路29a、连通部29b、排气导入口29c、以及排气导入路29d。
31.连通部29b遍及收纳部27的整周形成为环状形状。涡轮机涡旋流路29a位于比连通部29b靠涡轮机叶轮15的径向外侧的位置。涡轮机涡旋流路29a遍及连通部29b的整周(即，收纳部27的整周)形成为环状。连通部29b使收纳部27与涡轮机涡旋流路29a连通。在涡轮机壳体5形成舌部31。舌部31设于涡轮机涡旋流路29a的下游侧的端部，将涡轮机涡旋流路29a的下游侧的部分与上游侧的部分隔开。
32.排气导入口29c在涡轮机壳体5的外部开口。向排气导入口29c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29c与涡轮机涡旋流路29a之间形成排气导入路29d。排气导入路29d将排气导入口29c与涡轮机涡旋流路29a连接。排气导入路29d例如形成为直线形状。排气导入路29d将从排气导入口29c导入的废气引导至涡轮机涡旋流路29a。涡轮机涡旋流路29a将从排气导入路29d导入的废气经由连通部29b引导至收纳部27。
33.在涡轮机壳体5形成旁通流路33。旁通流路33的入口端op在排气流路29(具体为排气导入路29d)开口。旁通流路33的出口端在排出流路25(参照图1)开口。旁通流路33将排气导入路29d与排出流路25连通。在旁通流路33的出口端形成废气旁通端口wp(参照图1)。在旁通流路33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25内。当废气旁通阀wv打开了废气旁通端口wp时，旁通流路33使流通于排气导入路29d的废气的一部分绕过收纳部27(即，绕过涡轮机叶轮15)而向排出流路25流出。
34.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。旁通流路33以及废气旁通阀wv相当于对向涡轮机叶轮15流入的废气的流量进行调整的流量调整机构。但是如在下文中所说明，流量调整机构不限定于上述例子。
35.图3是提取出图1的单点划线部分的图。如图3所示，涡轮机叶轮15具有轮毂15a和多个叶片体15b。以下，也将涡轮机叶轮15的中心轴方向、周向、径向简单地称作中心轴方向、周向、径向。轮毂15a与旋转轴13(参照图1)的左端部连接。轮毂15a的外径越朝向增压器tc的左侧则越小。在轮毂15a的外周面设有多个叶片体15b。多个叶片体15b在周向上空开间隔地设置。叶片体15b从轮毂15a的外周面向径向外侧延伸形成。叶片体15b的外缘包含前缘le和后缘te。
36.前缘le是叶片体15b中的废气的流动方向的上游侧的缘部。前缘le是叶片体15b中的靠涡轮机涡旋流路29a侧的缘部。废气从涡轮机涡旋流路29a向前缘le流入。也就是说，涡轮机叶轮15中的配置前缘le的部分相当于涡轮机叶轮15的废气的入口部分(即，涡轮机叶轮15中的供废气流入的部分)。前缘le形成于叶片体15b的右端侧。在沿周向观察的情况下，前缘le沿涡轮机叶轮15的中心轴方向延伸。在图3的例子中，前缘le随着沿中心轴方向前进而向径向外侧倾斜。但是，在沿周向观察的情况下，前缘le也可以与中心轴方向平行。
37.前缘le的右端部是轮毂侧端部p1(即，靠轮毂15a侧的端部)。前缘le的左端部是护
罩侧端部p2(即，作为涡轮机壳体5中的形成收纳部27的部分的靠护罩27a侧的端部)。前缘le从轮毂侧端部p1延伸至护罩侧端部p2。
38.后缘te是叶片体15b中的废气的流动方向的下游侧的缘部。后缘te是叶片体15b中的靠排出流路25侧的缘部。废气从后缘te朝向排出流路25流出。后缘te形成于叶片体15b的左端侧。在沿周向观察的情况下，后缘te沿径向延伸。具体而言，后缘te一边沿周向扭曲一边沿径向延伸。
39.叶片体15b的外周缘中的前缘le与后缘te之间的部分沿涡轮机壳体5的护罩27a延伸。
40.如图3的箭头fd所示，废气从径向外侧在径向上向涡轮机叶轮15流入。这样，涡轮机t是径向涡轮机。此外，涡轮机t也可以是废气从径向外侧沿相对于径向倾斜的方向流入的斜流涡轮机。
41.此处，在气体从径向外侧向涡轮机叶轮15流入的类型的涡轮机t中，在涡轮机叶轮15中的废气的入口部分，有时根据工作条件而引起气体流动的分离、产生涡流。在作为可变容量型涡轮机的涡轮机t中，工作条件(具体为向涡轮机叶轮15流入的废气的流量等)遍及大范围地变化。因此，在作为可变容量型涡轮机的涡轮机t中，特别容易在涡轮机叶轮15中的废气的入口部分处产生气体流动的分离。这样的气体流动的分离为使涡轮机t的效率降低的重要原因。在作为可变容量型涡轮机的涡轮机t中，提高涡轮机t的效率的必要性特别高。
42.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，对涡轮机叶轮15的叶片体15b的形状进行了研究。以下，参照图4及图5，详细地对涡轮机叶轮15的叶片体15b的形状进行说明。
43.图4是示出本实施方式的涡轮机叶轮15的侧视图。涡轮机叶轮15的叶片体15b的前缘le随着从轮毂15a侧向护罩27a侧前进而向与涡轮机叶轮15的旋转方向rd侧相反的一侧倾斜。也就是说，关于各叶片体15b，前缘le的轮毂侧端部p1的周向位置比前缘le的护罩侧端部p2的周向位置靠旋转方向rd侧。在图4的例子中，在从增压器tc的左侧(即，图4中的上侧)观察涡轮机叶轮15的情况下，旋转方向rd是逆时针方向。
44.前缘le具有直线形状。具体而言，前缘le在将轮毂侧端部p1和护罩侧端部p2连结的直线上延伸。但是，前缘le的形状不限定于直线形状。例如，前缘le的一部分也可以弯曲或屈曲。
45.发明人通过进行流动解析模拟得到如下见解：根据在沿径向观察的情况下前缘le相对于涡轮机叶轮15的中心轴方向ad的倾斜角α1，涡轮机t的效率变化。在流动解析模拟中，计算出使倾斜角α1各种变化的情况下的涡轮机叶轮15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。尤其是，根据流动解析模拟可知：在使前缘le随着从轮毂15a侧向护罩27a侧前进而向与涡轮机叶轮15的旋转方向rd侧相反的一侧倾斜、而且将倾斜角α1设定在特定的范围内的情况下，涡轮机t的效率变高。其结果，在本实施方式的涡轮机t中，前缘le的倾斜角α1比0
°
大且为45
°
以下。由此，实现涡轮机t的效率的提高。
46.图5是示出前缘le的倾斜角α1[deg]与涡轮机t的效率差δe[％]的关系的曲线图。图5是通过流动解析模拟而得到的曲线图。涡轮机t的效率差δe是各倾斜角α1下的涡轮机t的效率相对于倾斜角α1为0
°
的情况下的涡轮机t的效率的变化量。也就是说，效率差δe是
从各倾斜角α1下的涡轮机t的效率减去倾斜角α1为0
°
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生成的能量相对于向涡轮机t输入的能量的比率。
[0047]
根据图5所示的曲线图可知：前缘le的倾斜角α1比0
°
大且为45
°
以下的情况与倾斜角α1为0
°
以下的情况或者倾斜角α1比45
°
大的情况相比，涡轮机t的效率变高。此外，倾斜角α1为0
°
以下的情况是前缘le与中心轴方向ad平行的情况、或者使前缘le随着从轮毂15a侧向护罩27a侧前进而向涡轮机叶轮15的旋转方向rd侧倾斜的情况。
[0048]
在流动解析模拟中观察到如下状况：在前缘le的倾斜角α1比0
°
大且为45
°
以下的情况下，在涡轮机叶轮15中的配置有前缘le的部分(即，涡轮机叶轮15中的废气的入口部分)，抑制气体流动的分离以及由分离引起的涡流的产生。也就是说，在前缘le的倾斜角α1比0
°
大且为45
°
以下的情况下，认为抑制了气体流动的分离的结果，涡轮机t的效率变高。
[0049]
根据流动解析模拟可知：在前缘le随着从轮毂15a侧向护罩27a侧前进而向与涡轮机叶轮15的旋转方向rd侧相反的一侧倾斜的情况下，缓和从前缘le流入的废气与叶片体15b碰撞时的冲击，抑制废气的流动的涡流的产生。另一方面，可知：若前缘le的倾斜角α1过大，则在从前缘le流入的废气与叶片体15b碰撞之后，废气的流动难以沿着叶片体15b，相反容易产生气体流动的分离。
[0050]
在图5所示的曲线图中，在倾斜角α1为20
°
左右的情况下，涡轮机t的效率差δe取得最大值。这样，根据图5所示的曲线图可知：在前缘le的倾斜角α1为10
°
以上且30
°
以下的情况下，涡轮机t的效率尤其变高。
[0051]
在流动解析模拟中观察到如下状况：在前缘le的倾斜角α1为10
°
以上且30
°
以下的情况下，在涡轮机叶轮15中的配置有前缘le的部分(即，涡轮机叶轮15中的废气的入口部分)，有效地抑制气体流动的分离以及由分离引起的涡流的产生。也就是说，认为在前缘le的倾斜角α1为10
°
以上且30
°
以下的情况下，有效地抑制气体流动的分离，从而涡轮机t的效率有效地变高。
[0052]
如上所述，在涡轮机t中，前缘le具有直线形状。由此，基于从流动解析模拟获得的见解，适当地实现使倾斜角α1适当来提高涡轮机t的效率。
[0053]
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。
[0054]
在上述内容中，对涡轮机t是单涡旋式(涡轮机涡旋流路29a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29a在不同的周向位置与收纳部27连接的类型)，也可以是成对涡旋式(两个涡轮机涡旋流路29a在轴向上排列配置的类型)。
[0055]
在上述内容中，作为对向涡轮机叶轮15流入的废气的流量进行调整的流量调整机构，对使用旁通流路33以及废气旁通阀wv的例子进行了说明。但是，流量调整机构不限定于上述例子。例如，作为流量调整机构，也可以使用包含能够调整比涡轮机叶轮15靠上游侧的流路的流路截面面积的多个可变喷嘴叶片的机构。多个可变喷嘴叶片相对于涡轮机叶轮15设于径向外侧。多个可变喷嘴叶片在涡轮机叶轮15的周向上空开间隔地设置。通过可变喷嘴叶片转动，比涡轮机叶轮15靠上游侧的流路的流路截面面积根据可变喷嘴叶片的转动角
度而变化。由此，调整向涡轮机叶轮15流入的废气的流量。此外，也可以不在涡轮机t设置流量调整机构。也可以在涡轮机t设置包含废气旁通阀wv的流量调整机构和包含可变喷嘴叶片的流量调整机构双方。
[0056]
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。
[0057]
符号的说明
[0058]
15—涡轮机叶轮，15a—轮毂，15b—叶片体，27a—护罩，29a—涡轮机涡旋流路，ad—中心轴方向，le—前缘，rd—旋转方向，t—涡轮机，tc—增压器，α1—倾斜角。

技术特征：
1.一种涡轮机，其特征在于，具备：涡轮机涡旋流路；涡轮机叶轮，其配置在比上述涡轮机涡旋流路靠径向内侧；以及叶片体，其设于上述涡轮机叶轮，随着从轮毂侧向护罩侧前进而向与上述涡轮机叶轮的旋转方向侧相反的一侧倾斜，而且具有在沿上述径向观察的情况下相对于上述涡轮机叶轮的中心轴方向的倾斜角比0
°
大且为45
°
以下的前缘。2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，上述前缘的上述倾斜角为10
°
以上且30
°
以下。3.根据权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，上述前缘具有直线形状。4.一种增压器，其特征在于，具备权利要求1至3中任一项所述的涡轮机。

技术总结
涡轮机(T)具备：涡轮机涡旋流路；涡轮机叶轮(15)，其配置在比涡轮机涡旋流路靠径向内侧；以及叶片体(15b)，其设于涡轮机叶轮(15)，随着从轮毂(15a)侧向护罩侧前进而向与涡轮机叶轮(15)的旋转方向(RD)侧相反的一侧倾斜，而且具有在沿径向观察的情况下相对于涡轮机叶轮(15)的中心轴方向(AD)的倾斜角(α1)比0


技术研发人员：桐明拓郎
受保护的技术使用者：株式会社IHI
技术研发日：2022.02.17
技术公布日：2023/8/9