旋转机械、旋转机械的排气部件的制作方法

本发明涉及一种旋转机械、旋转机械的排气部件。

背景技术：

涡轮增压器中所使用的径流式涡轮(离心式涡轮)或轴流式涡轮、高炉用轴流式鼓风机等旋转机械具备壳体、以能够旋转的方式设置于壳体内的转子及设置于转子的外周部的叶片。这种旋转机械中，有的利用从外部送入的工作流体旋转具有叶片的转子。并且，还有的通过利用从外部传递的动力旋转具有叶片的转子来送出工作流体。

然而，在这种旋转机械中，在性能的观点上，期待将经过叶片的工作流体的流速高效率地转换为压力。

因此，例如，如专利文献1所公开，多采用在工作流体的排气流路中具备流路截面积逐渐扩大的扩径流路(扩压器)的结构。通过设置这种扩径流路，能够逐渐降低压缩的工作流体的压力并排出至例如大气压中。

以往技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5040156号公报

技术实现要素：

发明要解决的技术课题

例如，如图11所示，在涡轮增压器中所使用的径流式涡轮1的情况下，工作流体从壳体2的外周侧沿着叶轮3流动而改变朝向，从叶轮3的内周侧沿着中心轴方向被排出。在该情况下，在叶轮3的中央部3c的下游侧，从叶轮3的内周侧沿着中心轴方向流出的工作流体的一部分剥离而形成剥离旋涡。生成该剥离旋涡的区域s1实质上不作为工作流体流动的流路发挥功能。因此，在其下游侧受到生成剥离旋涡的区域的影响的扩径流路4中，存在压力恢复的效率受损的情况。

并且，如图12所示，在轴流式鼓风机5等的情况下，存在在壳体6与设置于壳体6内的转子7之间流动的工作流体在动叶片8a或固定叶片8b的下游侧剥离的情况。例如，在固定叶片8b的下游侧，沿着转子7的表面流动的工作流体中产生了剥离时，产生了剥离的区域s2实质上不作为工作流体流动的流路发挥功能。因此，在其下游侧受到产生剥离的区域s2的影响的扩径流路9中，存在压力恢复的效率受损的情况。

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种能够减少在流路内产生剥离的区域并提高扩径流路中的压力恢复的效率的旋转机械、旋转机械的排气部件。

用于解决技术课题的手段

为了解决上述课题，本发明的旋转机械、旋转机械的排气部件采用以下手段。

本发明的一方式所涉及的旋转机械，其具备：转子，以能够绕中心轴旋转的方式设置；旋转叶片，固定于所述转子的外周部；壳体，设置于所述转子及所述旋转叶片的外周侧，且在其内侧形成工作流体的流路；缩小流路部，设置于比所述旋转叶片更靠所述工作流体的流动方向的下游侧的位置，且朝向下游侧而所述工作流体的流路截面积逐渐缩小；及扩大流路部，设置于所述缩小流路部的下游侧，且朝向下游侧而所述工作流体的流路截面积逐渐扩大。

根据本方式所涉及的旋转机械，通过在比旋转叶片更靠工作流体的流动方向的下游侧的位置设置缩小流路部，工作流体的流路缩窄。由此，在流路缩窄的部分，相对于工作流体实质上游动的区域，在旋转叶片的下游侧有可能产生剥离的区域相对减少。如此一来，能够减少在流路内产生工作流体的剥离的区域。经过这种缩小流路部之后，在扩大流路部使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

在上述旋转机械中，还具备排出部，所述排出部朝向比所述转子及所述旋转叶片更靠下游侧延伸，且向下游侧排出所述工作流体，若所述缩小流路部及所述扩大流路部形成于在所述排出部中比所述转子的所述流动方向下游侧的端部更靠下游侧的位置，则进一步优选。

根据这种旋转机械，在转子的下游侧的端部，在其下游侧容易产生工作流体的剥离。在这种结构中，通过在比转子的下游侧的端部更靠下游侧的位置设置缩小流路部，能够有效地减少产生工作流体的剥离的区域。

上述旋转机械中，所述壳体及所述转子朝向比所述旋转叶片更靠所述流动方向的下游侧延伸，若所述缩小流路部在比所述旋转叶片更靠下游侧形成于所述壳体及所述转子中的至少一侧，则进一步优选。

根据这种旋转机械，在壳体及转子向比旋转叶片更靠下游侧连续延伸的结构中，能够有效地减少产生工作流体的剥离的区域。

上述旋转机械中，还具备固定叶片，所述固定叶片设置于比所述旋转叶片更靠下游侧的位置，且从所述壳体朝向内周侧延伸，若所述缩小流路部形成于在所述流动方向上设置有所述固定叶片的区域，则进一步优选。

根据这种旋转机械，在设置于旋转叶片的下游侧的固定叶片部分，能够减少产生工作流体的剥离的区域。

上述旋转机械中，还具备固定叶片，所述固定叶片设置于比所述旋转叶片更靠上游侧的位置，且从所述壳体朝向内周侧延伸，若所述缩小流路部设置于比所述旋转叶片更靠所述工作流体的流动方向的下游侧的位置，则进一步优选。

根据这种旋转机械，在设置于旋转叶片的下游侧的部分，能够减少产生工作流体的剥离的区域。

本发明的一方式所涉及的旋转机械的排气部件，所述旋转机械具备：转子，以能够绕中心轴旋转的方式设置；旋转叶片，固定于所述转子的外周部；及壳体，设置于所述旋转叶片的外周侧，且在其内侧形成工作流体的流路，其中，所述旋转机械的排气部件具备：筒状的排气部件主体，以朝向比所述转子及所述旋转叶片更靠下游侧延伸的方式设置，且形成向下游侧排出所述工作流体的排气流路；缩小流路部，形成于所述排气部件主体的内周面，且朝向所述工作流体的流动方向的下游侧而所述工作流体的流路截面积逐渐缩小；及扩大流路部，形成于比所述排气部件主体的内周面的所述缩小流路部更靠下游侧的位置，且朝向下游侧而所述工作流体的流路截面积逐渐扩大。

根据本方式所涉及的旋转机械的排气部件，通过设置这种排气部件，相当于在比旋转叶片更靠工作流体的流动方向的下游侧的位置设置缩小流路部。由此，能够减少在流路内产生工作流体的剥离的区域。

发明效果

根据本发明所涉及的旋转机械、旋转机械的排气部件，能够减少在流路内产生剥离的区域并提高扩径流路中的压力恢复的效率。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的涡轮增压器中所使用的径流式涡轮的结构的剖视图。

图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的涡轮增压器中所使用的径流式涡轮中的流路面积的图。

图3是表示本发明的第1实施方式的变形例所涉及的涡轮增压器中所使用的径流式涡轮的结构的剖视图。

图4是表示本发明的第1实施方式的变形例所涉及的涡轮增压器中所使用的径流式涡轮中的流路面积的图。

图5是表示本发明的第2实施方式所涉及的轴流式鼓风机的结构的剖视图。

图6是表示本发明的第3实施方式所涉及的轴流式鼓风机的结构的剖视图。

图7是表示本发明的第3实施方式的变形例所涉及的轴流式鼓风机的结构的剖视图。

图8是表示本发明的第4实施方式所涉及的轴流式涡轮的结构的剖视图。

图9是表示本发明的实施例中的流速分布的图。

图10是表示本发明的比较例中的流速分布的图。

图11是表示以往的涡轮增压器中所使用的径流式涡轮的结构的剖视图。

图12是表示以往的轴流式鼓风机的结构的剖视图。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明所涉及的旋转机械、旋转机械的排气部件的一实施方式进行说明。

〔第1实施方式〕

以下，使用图1对本发明的第1实施方式进行说明。

如图1所示，涡轮增压器中所使用的径流式涡轮(旋转机械)10a具备壳体11、转子12及旋转叶片13。

壳体11形成径流式涡轮10a的外壳。壳体11具备：中空且在其内部容纳转子12的转子外壳11r；及以包围旋转叶片13的外周侧的方式设置的排气部件(排出部、排气部件主体)15a等。

并且，壳体11上连接有具有从径向外侧取入内燃机的废气等工作流体的未图示的吸气口的吸气壳体或静止叶片。

转子12具备：在壳体11内经由未图示的轴承绕中心轴c旋转自如地被支撑的旋转轴12s；及设置于旋转轴12s的中心轴c方向的一个端部的轮盘(disk)部14。

轮盘部14具备：形成于包含中心轴c的中央部的孔(bore)部14b；及在孔部14b的外周侧朝向中心轴c方向的一侧而形成的偏向面14f。偏向面14f由外径从中心轴c方向的一侧朝向另一侧逐渐扩大的凹状弯曲面形成，使得从径向外侧的吸气口11a朝向径向内侧取入的工作流体的流动方向向中心轴c方向偏向。

旋转叶片13在轮盘部14的偏向面14f沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。

上述壳体11具备以从中心轴c方向的一侧覆盖多个旋转叶片13的方式设置的护罩部18。

排气部件15a以与护罩部18连续的方式设置于比旋转叶片13更靠工作流体的流动方向的下游侧、即中心轴c方向一侧的位置。该排气部件15a为筒状且在其内侧形成从轮盘部14的内周侧(孔部14b的外周侧)朝向中心轴c方向一侧(下游侧)流动的工作流体的排气流路102。

该排气部件15a在其内周面15f具备缩小流路部16和设置于缩小流路部16的下游侧的扩大流路部17。这些缩小流路部16及扩大流路部17形成于在排气部件15a中比位于转子12的流动方向下游侧的孔部14b的端面(端部)14g更靠下游侧的位置。

缩小流路部16形成为通过其内径朝向下游侧逐渐缩小而工作流体的流路截面积逐渐缩小。扩大流路部17与缩小流路部16的下游侧连续地形成，形成为通过其内径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

在如上述的径流式涡轮10a中，从吸气口11a取入的工作流体从径向外侧朝向内侧流入到轮盘部14的偏向面14f与护罩部18之间的流路101中。通过流入到该流路101中的工作流体与旋转叶片13碰撞，转子12绕中心轴旋转而驱动连结于转子12的另一个端部的压缩机(未图示)等。工作流体从轮盘部14的内周侧(孔部14b的外周侧)朝向中心轴c方向一侧(下游侧)流出，并通过排气部件15a的内侧的排气流路102排出到外部。

在此，在排气部件15a内，沿着轮盘部14的偏向面14f流动而来的工作流体的一部分在轮盘部14的孔部14b的端面14g的下游侧剥离而产生旋涡。由此，在孔部14b的端面14g的下游侧形成生成剥离旋涡的区域s21。另一方面，在排气部件15a内，沿着中心轴c方向向下游侧流动的工作流体通过沿形成于内周面15f的缩小流路部16而向径向内侧被偏向。经过了缩小流路部16的工作流体因在扩大流路部17其流路截面积逐渐扩大而流速降低，并从排气部件15a的出口释放到外部的例如大气压中。

如此一来，通过具备缩小流路部16，形成于排气部件15a内的排气流路102的中央部的生成剥离旋涡的区域s21的径向尺寸变小，在该区域s21的外周侧工作流体向下游侧流动的区域s22的截面积(以下，将其称为有效流路面积)相对变大。

图2是表示排气部件15a的流路面积m1、将生成剥离旋涡的区域s21除外的工作流体流动的区域s22的有效流路面积m2及不具备缩小流路部16时(图11所示的结构)将生成剥离旋涡的区域s21除外的工作流体流动的区域的有效流路面积m0的图。如该图2所示，通过具备缩小流路部16，工作流体流动的区域s22的有效流路面积m2变大。

根据如上述的径流式涡轮10a及排气部件15a，通过在比旋转叶片13更靠工作流体的流动方向的下游侧的位置设置缩小流路部16而工作流体的流路102缩窄。由此，在流路缩窄的部分，相对于工作流体实质上游动的区域s22，在旋转叶片13的下游侧有可能产生剥离的区域s21相对减少。如此一来，能够减少在流路内产生工作流体的剥离的区域s21。经过这种缩小流路部16之后，在扩大流路部17使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

并且，通过在轮盘部14的孔部14b的下游侧的端面14g的下游侧设置缩小流路部16，能够有效地减少产生工作流体的剥离的区域s21。

〔第1实施方式的变形例〕

如图3所示，涡轮增压器中所使用的径流式涡轮(旋转机械)10b的排气部件(排出部、排气部件主体)15b以与壳体11的护罩部18连续的方式设置于比旋转叶片13更靠工作流体的流动方向的下游侧、即中心轴c方向一侧的位置。该排气部件15b为筒状且在其内侧形成从轮盘部14的内周侧(孔部14b的外周侧)朝向下游侧流动的工作流体的排气流路102。

该排气部件15b在其内周面15f从上游侧朝向下游侧具备直线流路部20、第一扩大流路部21、缩小流路部22及设置于缩小流路部22的下游侧的第二扩大流路部23。这些第一扩大流路部21、缩小流路部22及第二扩大流路部23形成于在排气部件15b中比位于转子12的流动方向下游侧的孔部14b的端面14g更靠下游侧的位置。

直线流路部20在中心轴c方向上具有恒定的内径。

第一扩大流路部21形成为通过其内径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

缩小流路部22形成为通过其内径朝向下游侧逐渐缩小而工作流体的流路截面积逐渐缩小。第二扩大流路部23以与缩小流路部22的下游侧连续的方式形成，形成为通过其内径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

图4是表示排气部件15b的流路面积m11、将生成剥离旋涡的区域s21除外的工作流体流动的区域s22的有效流路面积m12及不具备缩小流路部22时(图11所示的结构)将生成剥离旋涡的区域s21除外的工作流体流动的区域的有效流路面积m0的图。如该图4所示，通过具备缩小流路部22，工作流体流动的区域s22的有效流路面积m12变大。

在这种排气部件15b中，与上述第1实施方式的排气部件15a相同，也能够通过设置缩小流路部22来减少在旋转叶片13的下游侧有可能产生剥离的区域s21，并使工作流体实质上游动的区域s22的有效流路截面积增加。经过这种缩小流路部22之后，在第二扩大流路部23使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

〔第2实施方式〕

接着，对本发明所涉及的旋转机械、旋转机械的排气部件的第2实施方式进行说明。另外，在以下说明中，对与上述第1实施方式共同的结构标注相同符号而省略其说明。

如图5所示，轴流式鼓风机(旋转机械)10c具备壳体31c、旋转轴(转子)32、动叶片(旋转叶片)33及固定叶片34。

壳体31c呈沿着中心轴c方向延伸的筒状。

旋转轴32在壳体31c的内侧以能够绕中心轴c旋转的方式被未图示的轴承支撑。该旋转轴32以能够绕中心轴c旋转的方式被未图示的涡轮等驱动。

在这些壳体31c的内周面与旋转轴32的外周面之间的截面环状的区域形成工作流体的流路103。

动叶片33在旋转轴32的外周部沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各动叶片33以从旋转轴32的外周面向径向外侧延伸的方式形成。

固定叶片34在中心轴c方向上配置于动叶片33的下游侧。固定叶片34在壳体31c的内侧沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各固定叶片34以从壳体31c朝向内周侧延伸的方式形成。

上述壳体31c及旋转轴32朝向比这些动叶片33及固定叶片34更靠流动方向的下游侧延伸。在壳体31c中，在比动叶片33及固定叶片34更靠下游侧的位置形成有缩小流路部36c和扩大流路部37。

这些缩小流路部36c、扩大流路部37形成于壳体31c的内周面31f。缩小流路部36c通过壳体31c的内径朝向下游侧缩小而工作流体的流路截面积逐渐缩小。在此，如图5所示，缩小流路部36c可以形成于在流动方向上设置有固定叶片34的区域。

扩大流路部37设置于缩小流路部36c的下游侧，通过壳体31c的内径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

根据如上述的轴流式鼓风机10c，通过在经过了动叶片33、固定叶片34的工作流体的流动方向的下游侧设置缩小流路部36c而工作流体的流路缩窄。由此，在流路缩窄的部分，在壳体31c与旋转轴32之间的流路103中，工作流体实质上游动的区域s22的截面积相对变大。由此，在动叶片33的下游侧有可能产生剥离的区域s21相对减少。经过这种缩小流路部36c之后，在扩大流路部37使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

〔第3实施方式〕

接着，对本发明所涉及的旋转机械、旋转机械的排气部件的第3实施方式进行说明。另外，在以下说明中，对与上述第2实施方式共同的结构标注相同符号而省略其说明。

如图6所示，轴流式鼓风机(旋转机械)10d具备壳体31d、旋转轴(转子)32d、动叶片33及固定叶片34。

壳体31d呈沿着中心轴c方向延伸的筒状。

旋转轴32d在壳体31d的内侧以能够绕中心轴c旋转的方式被未图示的轴承支撑。该旋转轴32d以能够绕中心轴c旋转的方式被未图示的涡轮等驱动。

在这些壳体31d的内周面与旋转轴32d的外周面之间的截面环状的区域形成工作流体的流路103。

动叶片33在旋转轴32d的外周部沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各动叶片33以从旋转轴32d的外周面向径向外侧延伸的方式形成。

固定叶片34在中心轴c方向上配置于动叶片33的下游侧。固定叶片34在壳体31d的内侧沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各固定叶片34以从壳体31d朝向内周侧延伸的方式形成。

上述壳体31d及旋转轴32d朝向比这些动叶片33及固定叶片34更靠流动方向的下游侧延伸。在旋转轴32d的外周面，在比动叶片33及固定叶片34更靠下游侧的位置形成有缩小流路部36d。并且，在壳体31d的内周面，在比缩小流路部36d更靠下游侧的位置形成有扩大流路部37。

缩小流路部36d通过旋转轴32d的外径朝向下游侧扩大而工作流体的流路截面积逐渐缩小。在此，如图6所示，缩小流路部36d形成于在流动方向上设置有固定叶片34的区域。

扩大流路部37设置于缩小流路部36d的下游侧，通过壳体31d的内径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

根据如上述的轴流式鼓风机10d，通过在经过了动叶片33、固定叶片34的工作流体的流动方向的下游侧设置缩小流路部36d而工作流体的流路缩窄。由此，在流路缩窄的部分，在壳体31d与旋转轴32d之间的流路103中，工作流体实质上流动的区域s32的截面积相对变大。由此，在动叶片33的下游侧有可能产生剥离的区域s31相对减少。经过这种缩小流路部36d之后，在扩大流路部37使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

〔第3实施方式的变形例〕

另外，在上述第3实施方式中，将缩小流路部36d设置于在流动方向上设置有固定叶片34的区域，但是并不限于此。

例如，如图7所示，也可以将形成于轴流式鼓风机(旋转机械)10e的旋转轴(转子)32e的缩小流路部36e设置于比固定叶片34更靠下游侧的位置。

〔第4实施方式〕

接着，对本发明所涉及的旋转机械、旋转机械的排气部件的第4实施方式进行说明。

如图8所示，轴流式涡轮(旋转机械)10f具备涡轮外壳41、转子42、固定叶片43、动叶片(旋转叶片)44及排气壳体(壳体)45。

涡轮外壳41呈沿着中心轴c方向延伸的筒状。

固定叶片43在涡轮外壳41的内侧沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各固定叶片43以从涡轮外壳41朝向内周侧延伸的方式形成。

转子42以能够绕中心轴c旋转的方式被未图示的轴承支撑。

动叶片44在转子42的外周部沿绕中心轴c的周向隔开间隔而设置有多个。各动叶片44以从转子42的外周面向径向外侧延伸的方式形成。动叶片44在中心轴c方向上配置于固定叶片43的下游侧。

排气壳体45与涡轮外壳41的下游侧连接。排气壳体45具备：位于动叶片44的径向外侧的外周壳体部45a；及相对于外周壳体部45a，在径向内侧隔开间隔而设置的内周壳体部45b。内周壳体部45b呈沿着中心轴c方向延伸的筒状，且设置于转子42的旋转轴42s的外周侧。在这些排气壳体45的外周壳体部的内周面与内周壳体部45b的外周面之间的截面环状的区域形成工作流体的排气流路104。

上述排气壳体45朝向比这些固定叶片43及动叶片44更靠流动方向的下游侧延伸。在内周壳体部45b的外周面，在比固定叶片43及动叶片44更靠下游侧的位置形成有缩小流路部46。并且，在涡轮外壳41的内周面，在比缩小流路部46更靠下游侧的位置形成有扩大流路部47。

缩小流路部46通过内周壳体部45b的外径朝向下游侧扩大而工作流体的流路截面积逐渐缩小。

扩大流路部47设置于缩小流路部46的下游侧，通过外周壳体部45a的内径及内周壳体部45b的外径朝向下游侧逐渐扩大而工作流体的流路截面积逐渐扩大。

根据如上述的轴流式涡轮10f，通过在经过了固定叶片43、动叶片44的工作流体的流动方向的下游侧设置缩小流路部46而工作流体的流路缩窄。由此，在动叶片44的下游侧有可能产生剥离的区域相对减少。经过这种缩小流路部46之后，在扩大流路部47使工作流体的流路截面积逐渐扩大，由此能够提高工作流体的压力恢复的效率。

另外，在上述实施方式中，例示出了径流式涡轮10a、10b和轴流式鼓风机10c、10d、轴流式涡轮10f，但是本发明也能够适用于例如斜流式涡轮等上述以外的旋转机械。并且，径流式涡轮10a、10b、轴流式鼓风机10c、10d、轴流式涡轮10f的各部的结构也可以设为与上述实施方式及其变形例所示的结构不同。

并且，缩小流路部只要设置于比旋转叶片更靠工作流体的流动方向的下游侧的位置，则形成缩小流路部的凸形状可以设置于壳体侧、转子侧中的任一侧，也可以在壳体侧和转子侧这两个侧设置凸形状。

另外，壳体可以由单一组件构成，也可以通过组合多个组件而构成。

实施例

对如上述第1实施方式所示的结构已确认了效果，因此，以下示出其结果。

作为实施例，使用了l字状的排气部件。该排气部件在朝向下游侧而其内径逐渐扩大的扩大流路部的上游侧具备缩小流路部。

作为比较例，使用了在扩径流路部的上游侧不具备朝向下游侧而其内径逐渐缩小的缩小流路部的排气部件。

对上述实施例及比较例，通过计算机分析求出了排气部件的内部的流速分布。

将其结果示于图9及图10。

如图9所示，在具有缩小流路部的实施例中，与图10所示的比较例相比，在缩小流路部，流路中央部的流速低的部分缩小。因此，减少在流路内产生剥离的区域并在其下游侧的扩大流路部提高压力恢复的效率。

符号说明

10a、10b-径流式涡轮(旋转机械)，10c、10d、10e-轴流式鼓风机(旋转机械)，10f-轴流式涡轮(旋转机械)，11-壳体，12-转子，13-旋转叶片，14g-端面(端部)，15a、15b-排气部件(排出部、排气部件主体)，15f-内周面，16、22、36c、36d、36e-缩小流路部，17、37-扩大流路部，23-第二扩大流路部(扩大流路部)，31c、31d-壳体，31f-内周面，32、32d、32e-旋转轴(转子)，33-动叶片(旋转叶片)，34-固定叶片，42-转子，43-固定叶片，44-动叶片(旋转叶片)，45-排气壳体(壳体)，c-中心轴。