本發(fā)明涉及例如可以被構(gòu)成為內(nèi)燃機增壓器的渦輪機械。

背景技術(shù)：

在應(yīng)用于內(nèi)燃機的增壓器中，廣泛普及的是離心型的。由于增壓器中的渦輪機械特別要求敏銳的響應(yīng)特性，加速時的響應(yīng)滯后、即所謂的渦輪遲滯成為問題。為了減少渦輪遲滯，要求減小排氣渦輪部及進氣壓縮機部中的轉(zhuǎn)子(葉輪)的轉(zhuǎn)動慣量(慣性)。

而且，在這樣的增壓器中，要求就算向排氣渦輪部供給的排氣流的變化大渦輪效率也不下降的廣闊的流量范圍。為了響應(yīng)該要求，必須鉆研葉輪的彎曲角度，擴大喉部面積，增大扼流裕度等。

也已經(jīng)提出了各種響應(yīng)針對增壓器的上述那樣的要求的技術(shù)。

例如，提出了如下的技術(shù)：將向排氣渦輪部供給的排氣流的流路分為兩個渦旋流路而沖擊排氣渦輪的葉輪，在分為兩路的排氣流合流的下游側(cè)的區(qū)域，每隔一個地配置半葉片的葉輪，使得與上游側(cè)相比，葉輪的片數(shù)減半(參照專利文獻1、專利文獻2)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2007-192172號公報

專利文獻2：日本特許第5762641號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明所要解決的課題

在專利文獻1及專利文獻2的增壓器中，以分割為第1渦旋流路和第2渦旋流路的結(jié)構(gòu)為前提，所述第1渦旋流路使排氣流相對渦輪葉輪流入第1流入部(輪轂側(cè))，所述第2渦旋流路使排氣流流入設(shè)在第1流入部的軸心方向下游側(cè)的渦輪葉輪的第2流入部(護罩側(cè))。

在專利文獻1的技術(shù)中，在這樣分割渦旋流路的前提下，構(gòu)成為設(shè)在第2流入部的下游側(cè)的葉片的片數(shù)比設(shè)在第2流入部的上游側(cè)的葉片的片數(shù)少。由此，在排氣流少的第2流入部的上游側(cè)，使葉片的正壓面?zhèn)扰c負壓面?zhèn)鹊膲毫Σ顪p少，在排氣流增多的第2流入部的下游側(cè)，使總喉部面積增加，從而抑制排氣流發(fā)生扼流，并抑制排氣流與葉片的表面的摩擦導(dǎo)致的壓力損失。

此外，專利文獻2的技術(shù)涉及斜流渦輪，在上述那樣分割渦旋流路的前提下，由輪轂側(cè)的沖動葉片和護罩側(cè)的反動葉片構(gòu)成該斜流渦輪。作為該沖動葉片，在從入口部遍及中間部地配置有主葉片的中間位置配置中間葉片。使中間葉片的高度為比主葉片低的中等程度的高度，并構(gòu)成為使得來自輪轂流入路的工作流體(排氣流)流入其前緣。由此，改善產(chǎn)生沖動葉片渦輪特性的部分的性能。

如上所述，在專利文獻1及專利文獻2的增壓器中，均以分割渦旋流路的結(jié)構(gòu)為前提。

因此，未避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，難以實現(xiàn)小型輕量化。而且，由于要求高度的生產(chǎn)技術(shù)，衍生出制造成本提高的問題。

本發(fā)明的目的在于提供具有敏銳的響應(yīng)特性、同時容易實現(xiàn)小型輕量化、制造成本低廉的渦輪機械。

用于解決課題的手段

(1)一種渦輪機械，該渦輪機械在渦輪殼體(例如后述的渦輪殼體4)內(nèi)具有渦輪葉輪(例如后述的渦輪葉輪5)，所述渦輪葉輪具有：主葉片(例如后述的主葉片51)，其從既定的前緣延伸至后緣；以及分流葉片(例如后述的分流葉片52)，其自身的前緣位置與所述主葉片的前緣位置對齊，自身的后緣位置延伸至不到達所述主葉片的后緣位置的中途位置而終止于自身的后緣，并且，所述主葉片與所述分流葉片在周向上交替地配置有多個，所述渦輪殼體具有形成單一的氣體環(huán)繞通道的渦旋流路(例如后述的渦旋流路42)，所述單一的氣體環(huán)繞通道以圍繞所述渦輪葉輪的外周的方式配置在排氣的入口(未圖示)與出口(例如后述的排出部44)之間，并形成有向所述渦輪葉輪連通的氣體入口通道(例如后述的排氣流路45)。

上述(1)的渦輪機械中，渦輪葉輪具有：主葉片，其從既定的前緣延伸至后緣；以及分流葉片，其自身的前緣位置與所述主葉片對齊，自身的后緣位置延伸至不到達所述主葉片的后緣位置的中途位置而終止于自身的后緣，并且，所述主葉片與所述分流葉片在周向上交替地配置有多個。因此，與全都配置通常的主葉片的渦輪葉輪相比，轉(zhuǎn)動慣量變小，因此渦輪遲滯減小，發(fā)揮了敏銳的響應(yīng)特性。而且，與全都配置通常的主葉片的情況相比，能夠擴大下游側(cè)的喉部面積，使扼流裕度增大。因此，即使構(gòu)成為單級的渦輪機械，也能夠得到廣闊的流量范圍，并能夠得到就算向排氣渦輪部供給的排氣流的變化大渦輪效率也難以下降的特性。而且特別地，所述渦輪殼體的渦旋流路形成單一的氣體環(huán)繞通道，所述單一的氣體環(huán)繞通道以圍繞所述渦輪葉輪的外周的方式配置在所述排氣的入口與出口之間，并形成有向所述渦輪葉輪連通的氣體入口通道，因此結(jié)構(gòu)簡單且能夠小型輕量地構(gòu)成。而且，由于結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉。

(2)根據(jù)上述(1)所述的渦輪機械，所述渦輪葉輪中，所述主葉片及所述分流葉片的前緣末梢位置均為p1(z1tip，r1tip)，所述主葉片的后緣末梢位置為p2(z2tip，r2tip)，所述分流葉片的后緣末梢位置為ps(zsp，rsp)，所述位置p1與位置ps之間的子午截面上的弦長l通過下列式(1)表示，

【數(shù)學(xué)式1】

設(shè)所述主葉片的片數(shù)與所述分流葉片的片數(shù)的總和、即葉片片數(shù)為n時，由下列式(2)定義的solidity滿足式(2)中的不等關(guān)系，

【數(shù)學(xué)式2】

設(shè)與多個所述主葉片的各后緣末梢前端位置z2tip的包絡(luò)面垂直的假想面和葉弦方向所成的角(劣角)為β2時，多個所述分流葉片的各后緣位置zsptip位于滿足下列式(3)的區(qū)域內(nèi)，

【數(shù)學(xué)式3】

在上述(2)的渦輪機械中，上述(1)的渦輪機械中特別地，分流葉片有效地對排氣流進行整流，并且主葉片與分流葉片不形成狹窄的喉部，可充分得到扼流裕度，渦輪葉輪的空氣動力特性優(yōu)異。因此，能在廣闊的流量范圍內(nèi)維持充分的性能。

(3)根據(jù)上述(1)或(2)的渦輪機械，將所述式(3)中的角β2設(shè)定在65度至75度的范圍內(nèi)，成為滿足下列式(4)的關(guān)系，

【數(shù)學(xué)式4】

在上述(3)的渦輪機械中，上述(2)的渦輪機械中特別地，渦輪葉輪的空氣動力特性優(yōu)異。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)具有敏銳的響應(yīng)特性、同時容易實現(xiàn)小型輕量化、制造成本低廉的渦輪機械。

附圖說明

圖1是示出作為本發(fā)明的一實施方式的渦輪機械的剖視圖。

圖2是例示出圖1的渦輪機械的渦輪葉輪的俯視圖。

圖3是從以一個分流葉片為中心的立場觀察圖2的渦輪葉輪的側(cè)視圖。

圖4是從以一個主葉片為中心的立場觀察圖2的渦輪葉輪的側(cè)視圖。

圖5是圖2的渦輪葉輪的子午剖視圖。

圖6是圖2的渦輪葉輪的局部剖視圖。

標號說明

1：增壓器；

2：軸承殼體；

3：渦輪；

4：渦輪殼體；

5：葉輪；

6：壓縮機；

7：壓縮機殼體；

8：壓縮機葉輪；

21：旋轉(zhuǎn)軸；

42：渦旋流路；

51：主葉片；

52：分流葉片。

具體實施方式

下面，通過參照附圖詳述本發(fā)明的實施方式，使本發(fā)明明確。另外，首先對作為本發(fā)明的一實施方式的渦輪機械整體的結(jié)構(gòu)及作用的概要進行說明，接著對本發(fā)明的一個主要部分、即渦輪葉輪進行詳述。

(作為本發(fā)明的一實施方式的渦輪機械)

圖1是示出作為本發(fā)明的一實施方式的渦輪機械的剖視圖。

作為渦輪機械的增壓器1具有：作為排氣渦輪部的渦輪3、作為進氣壓縮機部的壓縮機6、以及旋轉(zhuǎn)軸部(旋轉(zhuǎn)軸21及其軸承殼體2)。

渦輪3在渦輪殼體4內(nèi)具有接受來自未圖示的內(nèi)燃機的排氣而旋轉(zhuǎn)的渦輪葉輪5。

而且，壓縮機6在壓縮機殼體7內(nèi)具有壓縮機葉輪8。

旋轉(zhuǎn)軸21是連結(jié)渦輪葉輪5的軸與壓縮機葉輪8的軸的棒狀的軸，由軸承22支承在軸承殼體2內(nèi)。

渦輪殼體4在作為排氣入口的排氣取入部(未圖示)與作為出口的排出部44之間具有渦旋流路42，該渦旋流路42以圍繞渦輪葉輪5的外周的方式配置。該渦旋流路42中形成有作為向渦輪葉輪5連通的氣體入口通道的排氣流路45。

本例中的渦旋流路42特別地形成單一的氣體環(huán)繞通道，該單一的氣體環(huán)繞通道如上所述以圍繞渦輪葉輪5的外周的方式配置，且在內(nèi)部未設(shè)有另外的隔壁等。

渦輪葉輪5配置在形成為被渦旋流路42包圍的管狀的渦輪葉輪室43內(nèi)，設(shè)有連通渦旋流路42與渦輪葉輪室43的基端部側(cè)的圓環(huán)狀的排氣流路45。在排氣流路45中，多個翼形狀的噴嘴葉片46以包圍渦輪葉輪室43的基端部側(cè)的方式沿著旋轉(zhuǎn)軸21的圓周方向等間隔且相對圓周方向以規(guī)定的角度設(shè)置。而且，噴嘴葉片46的出口附近形成護罩部47。由這些排氣流路45及噴嘴葉片46構(gòu)成向渦輪葉輪5供給作為工作流體的排氣的排氣供給部49。

壓縮機6具有：構(gòu)成內(nèi)燃機的進氣通道的一部分的壓縮機殼體7；和設(shè)在該壓縮機殼體7內(nèi)的壓縮機葉輪8及擴壓器9。

壓縮機殼體7中形成有：管狀的壓縮機葉輪室72，在其前端側(cè)形成有與內(nèi)燃機的進氣管(未圖示)連接的進氣取入部71；圓環(huán)狀的渦旋流路73，其以包圍該壓縮機葉輪室72的方式形成；以及圓環(huán)狀的進氣流路74，其連通壓縮機葉輪室72的基端部側(cè)與渦旋流路73。

壓縮機葉輪8在與旋轉(zhuǎn)軸21的另一端部側(cè)連結(jié)的狀態(tài)下，以能夠旋轉(zhuǎn)的方式設(shè)置在壓縮機葉輪室72內(nèi)。擴壓器9為圓盤狀，設(shè)在進氣流路74中。擴壓器9通過對從壓縮機葉輪室72的基端部側(cè)沿著旋轉(zhuǎn)軸21的離心方向向渦旋流路73排出的進氣進行減速來壓縮進氣。

以上那樣構(gòu)成的增壓器1如下進行作用，利用內(nèi)燃機的排氣的能量使進氣增壓。

首先，內(nèi)燃機的排氣從排氣取入部(未圖示)被導(dǎo)入渦旋流路42。穿過渦旋流路42而回轉(zhuǎn)的排氣以由噴嘴葉片46確定的角度流入渦輪葉輪室43的基端部側(cè)，使渦輪葉輪5旋轉(zhuǎn)，從渦輪葉輪室43的下游側(cè)的排出部44排出。渦輪葉輪5的旋轉(zhuǎn)通過旋轉(zhuǎn)軸21傳遞至壓縮機葉輪8，壓縮機葉輪8在壓縮機葉輪室72內(nèi)旋轉(zhuǎn)。通過壓縮機葉輪8的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由進氣取入部71被導(dǎo)入壓縮機葉輪室72內(nèi)的進氣從壓縮機葉輪8的基端部側(cè)沿著離心方向向渦旋流路73排出。從壓縮機葉輪8排出的進氣借助擴壓器9一邊擴散一邊被減速，由此進氣被壓縮。壓縮的進氣流過渦旋流路73，被導(dǎo)入未圖示的內(nèi)燃機的進氣口。

(作為本發(fā)明的一實施方式的渦輪機械中的渦輪葉輪)

接著，參照圖2、圖3及圖4對渦輪葉輪5的結(jié)構(gòu)進行說明。

圖2是例示出圖1的渦輪機械的渦輪葉輪的俯視圖。

圖3是從以一個分流葉片為中心的立場觀察圖2的渦輪葉輪的側(cè)視圖。

圖4是從以一個主葉片為中心的立場觀察圖2的渦輪葉輪的側(cè)視圖。

根據(jù)圖2的俯視圖可以特別明確，渦輪葉輪5在輪轂50的輪轂面50a上沿周向配置有多片(本例中為5片)主葉片51，而且在相鄰的主葉片51之間配置有分流葉片52，通過中央的凸起部53固定在旋轉(zhuǎn)軸21的一端。凸起部53具有多邊形螺栓狀頭部54。

分流葉片52如圖所示，與從前緣延伸至后緣的主葉片51相對比，不是從前緣延伸至后緣，而是形成為從前緣延伸至中途位置。

對于本實施方式的渦輪機械即增壓器1的渦輪葉輪5，適當?shù)匾?guī)定分流葉片52相對于主葉片51的配置和尺寸。本說明書中，“配置”是將葉片片數(shù)也作為一個要素的概念，下面同樣如此。

接著，在上述圖1至圖4上進一步結(jié)合參照圖5及圖6，對渦輪葉輪5進一步進行詳述。

圖5是圖2的渦輪葉輪的子午剖視圖。

圖6是圖2的渦輪葉輪的局部剖視圖。

渦輪葉輪5中，主葉片51的前緣與分流葉片52的前緣沿周向等間隔地配置在渦輪葉輪5外周的對齊位置，它們的末梢均在位置p1(z1tip，r1tip)，主葉片51的后緣在位置p2(z2tip，r2tip)，分流葉片52的后緣在位置ps(zsp，rsp)，上述位置p1與位置ps之間的子午截面上的弦長l通過下列式(1)表示。

【數(shù)學(xué)式5】

設(shè)主葉片的片數(shù)(本例中為5片)與分流葉片的片數(shù)(本例中為5片)的總和、即葉片片數(shù)為n(本例中為10)時，由下列式(2)定義的“solidity”滿足該式(2)中的不等關(guān)系。

【數(shù)學(xué)式6】

即，“solidity”與分流葉片的葉片長度除以葉片間距離而得的值相應(yīng)，該值取一定以上的值(0.6以上)。

而且，設(shè)與多個主葉片51的后緣的各后緣末梢前端位置z2tip的包絡(luò)面pe垂直的假想面和該主葉片51的葉弦方向d1所成的角為β2時，所述分流葉片的后緣位置zsptip位于滿足下列式(3)的區(qū)域內(nèi)。

【數(shù)學(xué)式7】

而且，在本例中特別地，將式(3)中的角β2設(shè)定在65度至75度的范圍內(nèi)，成為滿足下列式(4)的關(guān)系。

【數(shù)學(xué)式8】

下面對本實施方式的渦輪機械1的作用、特別是渦輪3的作用進行說明。

本實施方式中，將渦輪葉輪5中的分流葉片52相對于主葉片51的配置和尺寸規(guī)定為上述式(1)～(4)的關(guān)系。如上所述，本說明書中所謂“配置”是將葉片片數(shù)也作為一個要素的概念。

將分流葉片52相對于主葉片51的配置和尺寸規(guī)定為上述式(1)～(4)的關(guān)系的理由如下。即，關(guān)于分流葉片52的配置，使得對排氣流的流動進行控制(整流)的作用極強，同時進行選擇使得主葉片51和分流葉片52不形成喉部，這是一個條件，但發(fā)明人等根據(jù)各種實驗和研究得到如下認識：通過使分流葉片52相對于主葉片51的配置和尺寸滿足上述式(1)～(2)的關(guān)系，能夠滿足上述條件。

本實施方式的渦輪機械1中，將分流葉片52相對于主葉片51的配置和尺寸規(guī)定為，滿足上述式(1)～(2)的關(guān)系，且更具體而言，滿足上述式(3)～(4)的關(guān)系。

其結(jié)果是，主葉片51與分流葉片52不形成狹窄的喉部，可充分得到扼流裕度，因此，增壓器1在排氣流的廣闊的流量區(qū)域內(nèi)顯示出高效率的工作。

而且，分流葉片52相對于主葉片51，從前緣至后緣的葉片長度短，因此渦輪葉輪5整體上的轉(zhuǎn)動慣量小。因此，增壓器1實現(xiàn)了低慣性化，渦輪遲滯減小，發(fā)揮了敏銳的響應(yīng)特性。

在該情況下特別地，在本實施方式的渦輪機械即增壓器1中，如上所述，以環(huán)繞渦輪葉輪5的周圍的方式設(shè)置的渦旋流路42形成單一的氣體環(huán)繞通道，所述單一的氣體環(huán)繞通道形成有作為向渦輪葉輪5連通的氣體入口通道的排氣流路45。

因此，與在內(nèi)部設(shè)有隔壁那樣的形態(tài)復(fù)雜、容易重量化且制造困難的流路不同，渦旋流路42結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)輕量化且制造容易、制造成本低廉。因此，作為渦輪機械的增壓器1整體上結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)輕量化且制造成本低廉。

對以上所述的本實施方式的渦輪機械的作用效果進行總結(jié)。

(1)在作為渦輪機械的增壓器1中，渦輪葉輪5具有：主葉片51，其從既定的前緣延伸至后緣；以及分流葉片52，其自身的前緣位置與主葉片51對齊，自身的后緣位置延伸至不到達主葉片51的后緣位置的中途位置而終止于自身的后緣，并且，主葉片51與分流葉片52在周向上交替地配置有多個。因此，與全都配置通常的主葉片的渦輪葉輪相比，轉(zhuǎn)動慣量變小。即，實現(xiàn)了低慣性化，減少了渦輪遲滯，發(fā)揮了敏銳的響應(yīng)特性。而且，與全都配置通常的主葉片的情況相比，能夠擴大下游側(cè)的喉部面積，使扼流裕度增大。因此，即使構(gòu)成為單級的增壓器，也能夠得到廣闊的流量范圍，并能夠得到就算向排氣渦輪部供給的排氣流的變化大渦輪效率也難以下降的特性。而且特別地，渦輪殼體4的渦旋流路42形成單一的氣體環(huán)繞通道，所述單一的氣體環(huán)繞通道以圍繞渦輪葉輪5的外周的方式配置在排氣的入口(不圖示)與出口(排出部44)之間，并形成有向渦輪葉輪5連通的氣體入口通道(排氣流路45)，因此結(jié)構(gòu)簡單并能夠小型輕量地構(gòu)成。而且，由于結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉。

(2)在作為渦輪機械的增壓器1中，特別地，渦輪葉輪5中，主葉片51與分流葉片52各自的前緣的代表末梢位置對齊，為位置p1(z1tip，r1tip)，分流葉片52的后緣的代表位置為位置ps(zsp，rsp)，上述位置p1與位置ps之間的距離、即分流葉片52在子午截面上的代表長度、亦即分流葉片的葉片長度l通過上述式(1)表示。

設(shè)主葉片51的片數(shù)與分流葉片52的片數(shù)的總和、即葉片片數(shù)為n時，使得由上述式(2)定義的solidity滿足式(2)中的不等關(guān)系。

即，“solidity”與分流葉片52的葉片長度除以葉片間距離而得的值相應(yīng)，該值取一定以上的值(0.6以上)。

而且，在作為渦輪機械的增壓器1中特別地，設(shè)與多個主葉片51的后緣的各代表末梢前端位置z2tip的包絡(luò)面pe垂直的假想面和沿該主葉片的厚度中心從前緣向后緣的方向d1所成的角為β2時，所述分流葉片的后緣位置zsptip位于滿足上述式(3)的區(qū)域內(nèi)。

由此，主葉片51與分流葉片52不形成狹窄的喉部，可充分得到扼流裕度，渦輪葉輪的空氣動力特性優(yōu)異。因此，增壓器1能夠針對廣闊的流量范圍維持充分的性能。

而且，分流葉片52相對于主葉片51，從前緣至后緣的葉片長度短，因此渦輪葉輪5整體上的轉(zhuǎn)動慣量小。因此，增壓器1實現(xiàn)了低慣性化，渦輪遲滯減小，發(fā)揮了敏銳的響應(yīng)特性。

(3)在作為渦輪機械的增壓器1中特別地，將式(3)中的角β2設(shè)定在65度至75度的范圍內(nèi)，成為滿足上述式(4)的關(guān)系。

因此，主葉片51與分流葉片52不形成狹窄的喉部，能夠充分得到扼流裕度，因此增壓器1在排氣流的廣闊的流量區(qū)域內(nèi)顯示出高效率的工作。

而且，分流葉片52相對于主葉片51，從前緣至后緣的葉片長度短，因此渦輪葉輪5整體上的轉(zhuǎn)動慣量小。因此，增壓器1實現(xiàn)了低慣性化，渦輪遲滯減小，發(fā)揮了敏銳的響應(yīng)特性。

在以上說明的本實施方式的渦輪機械、即增壓器中，即使構(gòu)成為單級的增壓器，也能夠得到廣闊的流量范圍，而且也可以串聯(lián)連接上述方式的增壓器而構(gòu)成為雙級的增壓器。

除此以外，不脫離本發(fā)明的主旨的各種變形例、變更例包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

例如，本發(fā)明的渦輪機械不僅體現(xiàn)為上述那樣的內(nèi)燃機用增壓器，即使體現(xiàn)為飛機用發(fā)動機或工業(yè)用發(fā)電機的原動機，渦輪葉輪整體上也能夠?qū)崿F(xiàn)低慣性化，因此能夠發(fā)揮敏銳的響應(yīng)性，而且如上所述成本低。而且特別地，渦輪殼體的渦旋流路形成單一的氣體環(huán)繞通道，所述單一的氣體環(huán)繞通道以圍繞渦輪葉輪的外周的方式配置在排氣的入口與出口之間，并形成有向渦輪葉輪連通的氣體入口通道，因此結(jié)構(gòu)簡單且能夠小型輕量地構(gòu)成。而且，由于結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低廉。