半徑流入式軸流渦輪機(jī)以及渦輪增壓器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本公開關(guān)于半徑流入式軸流渦輪機(jī)以及渦輪增壓器。
【背景技術(shù)】
[0002]近年，進(jìn)行著使工作流體在軸向流動(dòng)作用于渦輪葉輪的動(dòng)翼，使該渦輪葉輪旋轉(zhuǎn)的半徑流入式軸流渦輪機(jī)的開發(fā)。這樣的半徑流入式軸流渦輪機(jī)被認(rèn)為在例如期望由低慣性化(低4于一> V化)實(shí)現(xiàn)渦輪延遲(夕一求歹夕' )降低的機(jī)動(dòng)車用渦輪增壓器等小型增壓器中有用。
[0003]專利文獻(xiàn)1中公開了具有半徑流入式軸流渦輪機(jī)的渦輪增壓器，該半徑流入式軸流渦輪機(jī)被以來自渦形部的排氣朝大致軸向作用于渦輪翼片的前緣的方式構(gòu)成。
[0004]另外，雖然不是跟軸流渦輪機(jī)相關(guān)的裝置，專利文獻(xiàn)2中，公開了增壓器用斜流渦輪機(jī)，該斜流渦輪機(jī)將來自渦形管室的排氣引導(dǎo)至具有相對(duì)于軸向傾斜形成的上升邊部的渦輪葉輪。另外，斜流渦輪機(jī)具有輔流式渦輪機(jī)和軸流渦輪機(jī)中間的性質(zhì)。
[0005]現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)
[0007]專利文獻(xiàn)1:美國(guó)專利第4850820號(hào)說明書
[0008]專利文獻(xiàn)2:(日本)特開平9-144550號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]發(fā)明要解決的問題
[0010]可是，因?yàn)樾枰乇艿湫偷妮S流渦輪機(jī)中動(dòng)翼的翼尖和殼體的內(nèi)壁面的接觸，動(dòng)翼翼尖和殼體內(nèi)壁面之間設(shè)置有間隙(翼尖間隙)。因此，軸流渦輪機(jī)使用時(shí)，由于動(dòng)翼的正壓面?zhèn)?腹側(cè))和負(fù)壓面?zhèn)?背側(cè))之間產(chǎn)生壓力差，可能引起以該壓力差為驅(qū)動(dòng)力經(jīng)由翼尖間隙的工作流體的泄漏(翼尖泄漏)。
[0011]特別是，機(jī)動(dòng)車用渦輪增壓器等所使用的小型軸流渦輪機(jī)中，翼尖間隙相對(duì)于翼長(zhǎng)(翼高)的比值有變大的傾向，不能夠無視由翼尖泄漏引起的輪機(jī)效率的降低。
[0012]另外，小型軸流渦輪機(jī)中，翼尖間隙相對(duì)于翼長(zhǎng)的比值有著變大傾向，是根據(jù)下面的理由:
[0013]S卩，翼尖間隙的大小考慮到軸流渦輪機(jī)運(yùn)行中設(shè)想的振動(dòng)和能夠旋轉(zhuǎn)地支承軸流渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)軸的軸承的加工精度而被設(shè)定。因此，隨著翼長(zhǎng)的尺寸減小相應(yīng)地減小翼尖間隙是有限度的，在小型軸流渦輪機(jī)中，相對(duì)于動(dòng)翼的翼長(zhǎng)，翼尖間距相對(duì)地變大。
[0014]專利文獻(xiàn)1中沒有公開用于抑制軸流渦輪機(jī)中翼尖泄漏的構(gòu)成。
[0015]另外，專利文獻(xiàn)2中記載的增壓器用輪機(jī)不是軸流渦輪機(jī)而是斜流渦輪機(jī)，被從渦形管室引導(dǎo)至動(dòng)翼的排氣的流動(dòng)與軸流渦輪機(jī)的流動(dòng)有很大不同。因此，專利文獻(xiàn)2中，甚至不存在關(guān)于用于抑制軸流渦輪機(jī)中翼尖泄漏的構(gòu)成的啟發(fā)。
[0016]因此，本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式，目的是提供能夠抑制由翼尖泄漏引起的輪機(jī)效率降低的半徑流入式軸流渦輪機(jī)以及具備該半徑流入式軸流渦輪機(jī)的渦輪增壓器。
[0017]用于解決課題的技術(shù)方案
[0018]本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式中的半徑流入式軸流渦輪機(jī)，
[0019]是用于從工作流體具有的能量回收動(dòng)力的半徑流入式軸流渦輪機(jī)，
[0020]具備:
[0021]旋轉(zhuǎn)軸，朝所述軸流渦輪機(jī)的軸向延伸；
[0022]渦輪葉輪，被以具有面對(duì)所述軸流渦輪機(jī)徑向的外側(cè)從動(dòng)翼根部(輪轂)至動(dòng)翼前端(翼尖)延伸的多個(gè)動(dòng)翼并以與所述旋轉(zhuǎn)軸一體旋轉(zhuǎn)的方式構(gòu)成；
[0023]殼體，具有:渦形部，用于將流入殼體內(nèi)部的所述工作流體沿著所述旋轉(zhuǎn)軸的周向旋轉(zhuǎn)；彎頭部，該彎頭部用于將從所述渦形部面對(duì)所述徑向內(nèi)側(cè)的所述工作流體的流動(dòng)變向成沿著所述軸向的方向，引導(dǎo)至所述動(dòng)翼。
[0024]所述彎頭部至少在比所述動(dòng)翼的前緣的輪轂側(cè)的部位更位于所述軸向的上游側(cè)區(qū)域，具有彎曲形狀的翼尖側(cè)內(nèi)壁面(彎頭部的內(nèi)壁面中軸流渦輪機(jī)徑向外側(cè)的翼尖側(cè)部位)，
[0025]沿著所述翼尖側(cè)內(nèi)壁面的所述軸向的所述彎曲形狀，具有:
[0026]當(dāng)所述彎曲形狀的開始點(diǎn)的所述軸向的位置設(shè)為X= 0、所述動(dòng)翼前端的所述前緣的所述軸向的位置設(shè)為X = 沿著所述動(dòng)翼前端的所述動(dòng)翼的所述軸向的寬度設(shè)為W時(shí)，在以Xupst= X。- 0.5W表示的所述軸向的上游側(cè)位置和以Xd_st= XQ+0.5W表示的所述軸向的下游側(cè)位置之間的位置Xz具有最小曲率半徑，并且，在比所述位置X z更位于所述軸向的上游側(cè)，具有比所述最小曲率半徑大的曲率半徑。
[0027]所述半徑流入式軸流渦輪機(jī)中，沿著彎頭部的翼尖側(cè)內(nèi)壁面的軸向的彎曲形狀，在動(dòng)翼前緣附近的軸向位置Xz具有最小曲率半徑，所以彎頭部流動(dòng)的工作流體通過軸向位置Xz時(shí)，由最小曲率半徑引起的離心力形成了從翼尖側(cè)到輪轂側(cè)的壓力分布(壓力梯度)。即，由于最小曲率半徑引起的離心力，在翼尖側(cè)工作流體的壓力減小的同時(shí)，在輪轂側(cè)工作流體的壓力增大，形成工作流體的所述壓力梯度。因此，隨著在翼尖側(cè)壓力減小，工作流體的速度(軸向速度成分)增大。由此，在翼尖側(cè)，作用于動(dòng)翼的工作流體的相對(duì)速度向量的軸向速度成分增大的結(jié)果是工作流體流動(dòng)的轉(zhuǎn)向角(作用于動(dòng)翼的工作流體的相對(duì)速度向量和從動(dòng)翼流出的工作流體的相對(duì)速度向量所成的角度)變小。因此，隨著流動(dòng)的轉(zhuǎn)向角的減小，翼尖側(cè)的動(dòng)翼的背側(cè)和腹側(cè)的壓力差減小，經(jīng)由翼尖間隙的工作流體的泄漏被抑制，禍輪效率提尚。
[0028]另外，所述半徑流入式軸流渦輪機(jī)中，用彎頭部的形狀變更這種簡(jiǎn)單的方法能夠有效地抑制翼尖泄漏是因?yàn)?，在位置\具有最小曲率半徑的彎頭部至少在比動(dòng)翼前緣中的輪轂側(cè)部位更位于軸向上游側(cè)區(qū)域具有彎曲形狀的翼尖側(cè)內(nèi)壁面。換句話說，正因?yàn)樵谀軌蛴兄趤碜詼u形部的工作流體流動(dòng)的變向的部位(動(dòng)翼前緣的輪轂的上游側(cè)區(qū)域)也存在一部分彎曲形狀的翼尖側(cè)內(nèi)壁面，能夠利用位置\的最小曲率半徑引起的離心力，增大工作流體的軸向速度成分，該工作流體在沿著翼尖側(cè)內(nèi)壁面被變向的同時(shí)流動(dòng)，減小翼尖側(cè)的流動(dòng)的轉(zhuǎn)向角。
[0029]幾種實(shí)施方式中，所述動(dòng)翼前端不經(jīng)由密封部件朝向所述殼體的內(nèi)壁面，所述動(dòng)翼前端和所述殼體的所述內(nèi)壁面之間形成有間隙。
[0030]如此，即使在動(dòng)翼翼尖和殼體內(nèi)壁面之間的間隙(翼尖間隙)不存在密封部件的情況下，所述半徑流入式軸流渦輪機(jī)中，通過使用在位置\具有最小曲率半徑的彎頭部，能夠抑制翼尖泄漏引起的渦輪效率降低。因此，能夠維持渦輪效率的同時(shí)省略密封部件。例如，即使很多在翼尖間隙設(shè)置有迷宮式密封圈等密封部件的較大型軸流渦輪機(jī)中，也有著能夠在維持渦輪效率的同時(shí)省略密封部件的可能性。如果能夠省略密封部件，變得能夠降低軸流渦輪機(jī)的制造成本之外，還不需要密封部件的維護(hù)。
[0031]幾種實(shí)施方式中，所述彎曲形狀具有所述位置Xz的上游側(cè)的第1直線部和所述位置Xz的下游側(cè)的第2直線部交叉的不連續(xù)點(diǎn)，所述不連續(xù)點(diǎn)在所述位置X 2具有所述最小曲率半徑。
[0032]如此，通過由第1直線部和第2直線部的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)位置\的最小曲率半徑，與通過復(fù)雜的曲面形狀實(shí)現(xiàn)位置\的最小曲率半徑的情況相比能夠大幅簡(jiǎn)化彎曲形狀，降低軸流渦輪機(jī)的加工成本。另外，與通過復(fù)雜的曲面形狀實(shí)現(xiàn)最小曲率半徑的情況相比，因?yàn)閷?shí)際形成最小曲率半徑的位置Xz不受彎頭部的加工精度的影響而被正確地確定，所以能夠確實(shí)得到由位置\的最小曲率半徑實(shí)現(xiàn)的預(yù)期的翼尖泄漏抑制效果。
[0033]幾種實(shí)施方式中，所述彎頭部的所述彎曲形狀至少在0 < X < \的所述軸向的位置范圍，具有大小不同的兩個(gè)以上的曲率半徑，所述兩個(gè)以上的曲率半徑在所述位置范圍內(nèi)，從所述軸向的上游側(cè)朝下游側(cè)以曲率半徑變小的順序排列。
[0034]該情況下，在所述位置范圍(0 < X < Xz)從上流側(cè)朝下流側(cè)彎曲形狀的曲率半徑逐漸減小，在最下游側(cè)的軸向位置Xz，彎曲形狀的曲率半徑為最小。由此，能夠使工作流體直接作用于動(dòng)翼，該工作流體具有由軸向位置Xz的最小曲率半徑引起的大離心力形成的所述壓力梯度。其結(jié)果是，能夠有效減小作用于動(dòng)翼的工作流體的翼尖側(cè)的流動(dòng)轉(zhuǎn)向角。由此，能夠有效抑制翼尖泄漏引起的渦輪效率降低。
[0035]幾種實(shí)施方式中，所述彎頭部的所述翼尖側(cè)內(nèi)壁面的部分，由設(shè)置于所述位置Xz的凸部形成，該凸部以從該翼尖側(cè)內(nèi)壁面的其它部分向所述徑向內(nèi)側(cè)突出的方式設(shè)置，所述凸部的突起端具有所述最小曲率半徑。
[0036]該情況下，通過改變凸部的形狀能夠容易地調(diào)整最小曲率半徑。另外，與不具有凸部的彎頭部相比，通過凸部容易實(shí)現(xiàn)更小的最小曲率半徑，能夠有效抑制翼尖泄漏引起的渦輪效率降低。
[0037]—實(shí)施方式中，所述凸部具有從所述翼尖側(cè)內(nèi)壁面的所述其它部分向所述徑向內(nèi)側(cè)延伸的環(huán)狀板部，所述環(huán)狀板部的突起端的邊緣具有所述最小曲率半徑。
[0038]該情況下，通過環(huán)狀板部能夠簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)具有期望最小曲率半徑的彎曲形狀。
[0039]—實(shí)施方式中，所述突起端比所述動(dòng)翼前端更位于所述徑向外側(cè)。
[0040]該情況下，由于凸部的突起端比動(dòng)翼的翼尖更位于徑向外側(cè)，即使在凸部的尾流形成漩渦，該漩渦產(chǎn)生的影響實(shí)質(zhì)上沒有波及動(dòng)翼。因此，能夠防止由凸部產(chǎn)生的漩渦所引起的渦輪效率降低的同時(shí)，享有具有由最小曲率半徑的凸部實(shí)現(xiàn)的翼尖泄漏抑制效果。
[0041]其它的實(shí)施方式中，所述凸部被設(shè)置于比所述動(dòng)翼前端更位于軸向上游側(cè)，所述突起端位于比所述動(dòng)翼前端更位于所述徑向的內(nèi)側(cè)，所述殼體可分割為含有所述凸部的第1部分和該第1部分下游側(cè)的第2部分。
[0042]該情況下，雖然可能發(fā)生由凸部的尾流形成的漩渦所