本发明涉及一种叶轮、涡轮增压器及它们中的气体流动场的形成方法。
背景技术
例如，如专利文献1等中公开，涡轮增压器通过从发动机送入到涡轮壳体内的排气来使涡轮叶轮旋转。伴随涡轮叶轮的旋转而设置于压缩机壳体内的压缩机叶轮旋转，以压缩空气。通过压缩机压缩的空气供给至发动机。
涡轮叶轮一体具备圆盘状的轮盘及在轮盘的一面侧沿周向隔着间隔设置有多片的叶片(转动叶片)。从发动机送入的排气通过设置于涡轮叶轮的径向外侧的涡旋流路，且沿周向回转，并且流入径向内侧而与涡轮叶轮的叶片碰撞。由此，涡轮叶轮被旋转驱动。与涡轮叶轮的叶片碰撞的排气通过形成于涡轮壳体与轮盘之间的流路而流向径向内侧，并从涡轮叶轮的内周侧沿涡轮叶轮的中心轴而被排出。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-31219号公报
技术实现要素：
发明要解决的技术课题
在叶片的后缘附近，排气流过涡轮叶轮的轮盘与设置于叶片的径向外侧的护罩之间的气体流路。此时，有时排气的流速分布变得不均匀。如此，若流速分布变得不均匀，则从叶片的后缘送出的排气在其下游侧，因流速高的部分和流速低的部分的流动混合而欲谋求流速分布的平均化，从而在排气中出现紊乱。由此，导致涡轮效率下降。
本发明的目的在于提供一种谋求涡轮叶轮的叶片后缘附近中的气流的流速分布的均匀化而能够提高涡轮效率的叶轮、涡轮增压器及它们中的气体流动场的形成方法。
用于解决技术课题的手段
根据本发明的第1方式，叶轮具备：轮盘，在中心轴方向一侧具有随着朝向所述中心轴方向另一侧逐渐朝向径向外侧的轮盘正面且呈圆盘状，并且设置成能够围绕中心轴旋转；及叶片，在所述轮盘正面沿围绕所述中心轴的周向隔着间隔设置有多个，且形成将从径向外侧的前缘被导入的气体引向径向内侧并且从所述中心轴方向一侧的后缘排出的流路，所述叶片具备凹曲面，所述凹曲面在所述叶片中设置于所述轮盘的旋转方向后方侧，且在所述气体碰撞的正压面中至少包含所述后缘的所述中心轴方向一侧的区域，凹向所述轮盘的旋转方向前方侧，并且在所述后缘中将所述气体分散于所述叶片的整个径向。
若从径向外侧的前缘被导入的气体与叶片的正压面碰撞，则叶轮围绕中心轴旋转。通过叶轮的旋转，离心力作用于从前缘流向后缘的气体，因此气体随着接近后缘而欲偏向径向外侧。但是，在叶片的至少包含后缘的区域，将从前缘流向后缘的气体分散于叶片的整个径向的凹曲面形成于正压面，因此气体变得难以偏向径向外侧。由此，气体的流动在叶片后缘的下游分散于整个径向，在叶片后缘的下游难以产生流速的不均衡，从而能够抑制损失。
根据本发明的第2方式，叶轮可以是如下，即，第1方式的叶轮中的所述凹曲面仅形成于所述叶片的包含所述后缘的所述中心轴方向的一部分区域。
如此，通过仅在叶片的包含后缘的一部分区域形成凹曲面，从叶片的前缘朝向后缘流动过来的气体即便在凹曲面的近前因离心力而偏向径向外侧，也会流入到凹曲面而其流动方向发生变化。由此，在叶片的后缘附近有效地抑制气体的流动，从而能够抑制由离心力而引起的偏向。
并且，无需在叶片的从前缘至后缘的整体形成凹曲面，而能够抑制气体因离心力而偏向。由此，即使在叶片具有复杂的三维形状的情况下，也能够抑制叶片制作难度的提高。
根据本发明的第3方式，叶轮可以是如下，即，在第1方式的叶轮中，所述凹曲面以所述叶片的基端部与所述末端部之间的中间部相对于连结所述叶片的基端部与所述叶片的末端部的虚拟线向所述旋转方向前方侧偏移的方式形成。
通过如此构成，与叶片的正压面碰撞的气体容易偏向最偏移而凹陷的中间部侧，从而能够抑制偏向径向外侧的末端部侧。而且，在凹曲面的近前偏向径向外侧的气体在凹曲面朝向中间部流过之后，进一步通过其气势(惯性)还流向径向内侧的基端部侧。如此，气体有效地分散于叶片的整个径向。
根据本发明的第4方式，叶轮可以是如下，即，在第1方式的叶轮中，所述凹曲面以所述叶片的末端部相对于所述叶片的基端部位于所述旋转方向前方的方式倾斜形成。
通过如此构成，能够保持气体与叶片的正压面碰撞而使叶轮旋转的效率和抑制气体在叶片的后缘附近因离心力而偏向径向外侧的效果的平衡。
根据本发明的第5方式，涡轮增压器具备：旋转轴，沿轴线延伸；涡轮叶轮，设置于所述旋转轴的第1端部侧，且由第1至第4方式中任一方式所述的叶轮构成；压缩机叶轮，设置于所述旋转轴的第2端部侧；轴承壳体，能够旋转地支承所述旋转轴；及涡轮壳体，容纳所述涡轮叶轮。
由此，变得气体难以偏向径向外侧而分散于整个径向，因此能够提高涡轮效率而有助于提高涡轮增压器整体的效率。
根据本发明的第6方式，在第5方式的涡轮增压器中，涡轮增压器具备：涡旋流路，形成于所述涡轮壳体，且在所述涡轮叶轮的径向外侧沿周向连续，并且旋转驱动所述涡轮叶轮的气体流动；喷嘴流路，从所述涡旋流路向径向内侧引导所述气体，并向所述涡轮叶轮供给所述气体；及翼片，调整所述喷嘴流路中的所述气体的导入量。
通过如此构成，成为能够调整向涡轮叶轮的气体导入量的可变容量式。在可变容量式涡轮增压器中，在通过翼片喷嘴流路变窄而气体的导入量小的小流量区域，因喷嘴流路窄而气体的流速上升，从而在涡旋流路的方向上具有强回转成分而流入到叶片。于是，因叶轮的离心力而流动容易偏向径向外侧。相对于此，通过在叶片中形成有凹曲面的叶轮，能够抑制流动的偏向。于是，在叶片后缘的下游难以产生流速的不均衡，从而能够抑制损失。
根据本发明的第7方式，叶轮具备：轮盘，在中心轴方向一侧具有随着朝向所述中心轴方向另一侧逐渐朝向径向外侧的轮盘正面且呈圆盘状，并且设置成能够围绕中心轴旋转；及叶片，在所述轮盘正面沿围绕所述中心轴的周向隔着间隔设置有多个，且形成将以所述中心轴为中心从径向外侧的前缘被导入的气体引向径向内侧并且从所述中心轴方向一侧的后缘排出的流路，在所述轮盘旋转时，从所述前缘被导入的所述气体在所述流路中形成有在所述后缘附近从径向外侧朝向径向内侧流过的流动场。
在本发明的第8方式中，叶轮中的气体流动场的形成方法中，所述叶轮具备：轮盘，在中心轴方向一侧具有随着朝向所述中心轴方向另一侧逐渐朝向径向外侧的轮盘正面且呈圆盘状，并且设置成能够围绕中心轴旋转；及叶片，在所述轮盘正面沿围绕所述中心轴的周向隔着间隔设置有多个，且形成将以所述中心轴为中心从径向外侧的前缘被导入的气体引向径向内侧并且从所述中心轴方向一侧的后缘排出的流路，所述气体流动场的形成方法，在所述轮盘旋转时，从所述前缘被导入的所述气体在所述流路中形成有在所述后缘附近从径向外侧朝向径向内侧流过的流动场。
在本发明的第9方式中，涡轮增压器中的气体流动场的形成方法中，所述涡轮增压器具备：旋转轴，沿轴线延伸；叶轮，设置于所述旋转轴的第1端部侧，且能够形成权利要求8所述的流动场；压缩机叶轮，设置于所述旋转轴的第2端部侧；轴承壳体，能够旋转地支承所述旋转轴；涡轮壳体，容纳所述涡轮叶轮；涡旋流路，形成于所述涡轮壳体，且在所述涡轮叶轮的径向外侧沿周向连续，并且旋转驱动所述涡轮叶轮的气体流动；喷嘴流路，从所述涡旋流路向径向内侧引导所述气体，并向所述涡轮叶轮供给所述气体；及翼片，调整所述喷嘴流路中的所述气体的导入量，所述气体流动的形成方法，在通过所述翼片而所述喷嘴流路变窄的状态下，在所述轮盘旋转时，从所述前缘被导入的所述气体在所述流路中形成有在所述后缘附近从径向外侧朝向径向内侧流过的流动场。
发明效果
根据上述的叶轮、涡轮增压器及它们中的气体流动场的形成方法，实现涡轮叶轮的叶片后缘附近中的气体的流速分布的均匀化，从而能够提高涡轮效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的涡轮增压器的整体结构的剖视图。
图2是表示构成上述涡轮增压器的涡轮叶轮的周边结构的剖视图。
图3是表示上述涡轮叶轮的叶片的图。
图4是表示从涡轮叶轮的中心轴方向观察了上述叶片的图。
图5是表示为了分析比较而使用的不具备凹曲面的叶片中的流动的情况的图。
图6是表示在图5所示的叶片中从前缘朝向后缘的气体的流动的分析结果的图。
图7是表示在上述实施方式所示的叶片中从前缘朝向后缘的气体的流动的分析结果的图。
具体实施方式
图1是表示本发明的实施方式所涉及的涡轮增压器的整体结构的剖视图。
如图1所示，本实施方式的涡轮增压器10具备涡轮增压器主体11、压缩机17及涡轮30。该涡轮增压器10例如以旋转轴14沿水平方向延伸的姿势而作为发动机的辅助设备搭载于汽车等。
涡轮增压器主体11具备旋转轴14、轴承15a、15b及轴承壳体16。
轴承壳体16经由托架(未图示)、压缩机17及涡轮30等支承于车体等。轴承壳体16在其一端侧具有开口部16a，在其另一端侧具有开口部16b。
轴承15a、15b设置于轴承壳体16的内部。轴承15a、15b围绕中心轴c以旋转自如的方式支承旋转轴14。
旋转轴14的第1端部14a及第2端部14b通过开口部16a、16b向轴承壳体16的外部突出。
压缩机17设置于轴承壳体16的另一端侧。压缩机17具备压缩机叶轮13及压缩机壳体18。
压缩机叶轮13在轴承壳体16的外部设置于旋转轴14的第2端部14b。压缩机叶轮13与旋转轴14一体围绕中心轴c旋转。
压缩机壳体18与轴承壳体16的另一端侧连结。压缩机壳体18在内部容纳有压缩机叶轮13。
涡轮30设置于轴承壳体16的一端侧。涡轮30具备涡轮叶轮(叶轮)12及涡轮壳体31。
涡轮叶轮12在轴承壳体16的外部一体设置于旋转轴14的第1端部14a。涡轮叶轮12围绕中心轴c与旋转轴14一体旋转。
涡轮壳体31与轴承壳体16的一端侧连结。涡轮壳体31在内部容纳有涡轮叶轮12。
这种涡轮增压器10中，通过从未图示的发动机供给至涡轮30的排气(气体)的流动而设置于涡轮30内的涡轮叶轮12以中心轴(轴线)c为中心进行旋转。旋转轴14及压缩机叶轮13与涡轮叶轮12一体以中心轴c为中心进行旋转。设置于压缩机17内的压缩机叶轮13通过旋转而对空气进行压缩。通过压缩机17压缩的空气供给至未图示的发动机。
接着，对涡轮30的包含涡轮叶轮12的周边部位的结构进行说明。
图2是表示构成涡轮增压器的涡轮叶轮的周边结构的剖视图。
如图2所示，涡轮壳体31具备气体导入部(无图示)、涡旋流路34、喷嘴流路35及排气部36。
气体导入部(无图示)将从发动机(无图示)排出的排气送入到涡旋流路34。
涡旋流路34与气体导入部(无图示)连续且在涡轮叶轮12的径向外侧沿周向连续形成。涡旋流路34形成使涡轮叶轮12旋转驱动的排气沿周向流动的流路。
喷嘴流路35形成于在涡轮壳体31中靠近轴承壳体16的一侧。该喷嘴流路35以遍及整个周向沿径向连通涡旋流路34与涡轮叶轮12的方式形成。
排气部36中，从涡轮叶轮12排出的排气流动。排气部36在从涡轮叶轮12的外周部沿旋转轴14的中心轴c远离涡轮增压器主体11的方向上连续形成。
在这种涡轮30中，从气体导入部(无图示)流入的排气沿涡旋流路34沿周向流过涡轮叶轮12的外周侧。如此沿周向流动的排气通过喷嘴流路35流向径向内侧，而与涡轮叶轮12的叶片23碰撞，由此涡轮叶轮12被旋转驱动。经过涡轮叶轮12的排气从涡轮叶轮12的内周侧排出至排气部36内。
在喷嘴流路35中设置有调整通过该喷嘴流路35而从涡旋流路34供给至涡轮叶轮12的排气量的可变翼片机构50。
可变翼片机构50具备喷嘴支架51、喷嘴板52、翼片53及驱动部55。
喷嘴支架51设置于喷嘴流路35的轴承壳体16侧，且呈位于与中心轴c正交的面内的圆环板状。
喷嘴板52在喷嘴流路35中在与喷嘴支架51相反的一侧与喷嘴支架51隔着间隔设置。这些喷嘴支架51与喷嘴板52之间形成喷嘴流路35。
翼片53以板状设置于喷嘴支架51与喷嘴板52之间。翼片53在沿周向连续的喷嘴流路35中，沿周向隔着间隔设置有多个。各翼片53通过沿中心轴c方向贯穿的轴54而围绕轴54的中心轴以旋转自如的方式支承喷嘴支架51。
驱动部55通过使从喷嘴支架51向轴承壳体16侧突出的轴54旋转，调整翼片53的角度。驱动部55相对于喷嘴支架51设置于轴承壳体16侧。驱动部55具备传动环56及连杆臂57。
传动环56以圆环状设置于比轴54更靠径向外周侧。传动环56通过驱动器(无图示)等以能够沿其周向回转的方式设置。
连杆臂57分别与各轴54连结。各连杆臂57一端与轴54连结，另一端与传动环56以转动自如的方式连结。若传动环56旋转，则连杆臂57以轴54为中心转动。由此，翼片53的角度围绕轴54的中心轴发生变化。
并且，在喷嘴支架51的径向内侧设置有封堵旋转轴14的第1端部14a的外周部的间隙的背板41。
接着，对涡轮叶轮12的结构进行详述。
涡轮叶轮12具备轮盘22及叶片23。
轮盘22在中心轴c方向上具有恒定长度，且固定于旋转轴14的第1端部14a。
轮盘22呈向径向外侧延伸的圆盘状，且设置成能够以中心轴c为中心与旋转轴14一体旋转。轮盘22在中心轴c方向的一侧的排气部36侧具有轮盘面(表面)22f。轮盘面22f由随着朝向径向外侧从靠近中心轴c方向一侧的排气部36的一侧逐渐朝向中心轴c方向的另一侧的轴承壳体16的凹状的弯曲面形成。
叶片23在轮盘面22f沿围绕中心轴c的周向隔着间隔设置有多个。叶片23具有朝向径向外侧且与喷嘴流路35面对的前缘23f及朝向中心轴c方向一侧且与排气部36面对的后缘23r。叶片23以径向外侧的外缘23s靠近位于径向外侧的喷嘴板52的方式形成。
从涡轮叶轮12的径向外侧的喷嘴流路35流向径向内侧的排气通过轮盘22的轮盘面22f与喷嘴板52之间且在周向上彼此相邻的叶片23之间的叶轮流路25。从叶片23的前缘23f流向径向内侧的排气通过轮盘面22f的弯曲而流动方向发生变化，从而从叶片23的后缘23r沿中心轴c被排出。
在此，如图3、图4所示，各叶片23在承受从涡旋流路34经喷嘴流路35流入的排气的流动的正压面23p，仅在包含后缘23r的区域s形成有凹向涡轮叶轮12的旋转方向r的前方侧的凹曲面27。
凹曲面27以叶片23的中间部27m相对于叶片23的内周侧的根部(基端部)27c及叶片23的外周侧的末端部27s位于向旋转方向r的前方侧偏移的位置的方式弯曲形成。
如图3所示，凹曲面27形成的区域s设定于从后缘23r的位置b朝向中心轴c方向的另一侧相对于中心轴c方向上的叶片23的翼长lc例如至20％的位置a之间。在该区域s中，凹曲面27以其曲率从位置a朝向位置b逐渐变小的方式形成。
另外，凹曲面27可以以恒定曲率形成，也可以以自由曲面形成。
如图4所示，连接凹曲面27的后缘23r中的叶片23的根部27c和末端部27s的直线(虚拟线)l与凹曲面27的中间部27m的偏移尺寸w相对于后缘23r的径向尺寸(翼高)h(参考图3)例如优选设为
0.03h≤w≤0.1h。
而且，凹曲面27优选连结根部27c与末端部27s的直线l相对于轮毂21的外周面的根部27c的位置上的切线ls，例如在
100°≤θ≤140°
的范围内向旋转方向r的前方侧倾斜。
在此，例如，若以与上述偏移尺寸w相比凹曲面27的曲率变大的方式形成叶片23，则在翼面从轮盘面22f侧朝向外缘23s攀升的排气的流动得到抑制，使流动偏向外缘23s侧的效果变得更强。但是，作为互斥现象，因靠近外缘23s一侧的排气的流动变少而涡轮叶轮12内部的流动的平衡遭到破坏。由此排气的流动对叶片23的作用变少。这会使涡轮效率下降。并且，若以与上述偏移尺寸w相比凹曲面27的曲率变大的方式形成叶片23，则施加于叶片23的翼面的离心应力过度变大，从而还存在无法满足叶片23的强度条件的可能性。
根据上述的实施方式的涡轮叶轮12及涡轮增压器10，通过从径向外侧的前缘23f被导入的排气与叶片23的正压面23p碰撞，涡轮叶轮12围绕中心轴c旋转。通过涡轮叶轮12的旋转，在从前缘23f流向后缘23r的排气中离心力发挥作用，因此排气随着靠近后缘23r而欲偏向径向外侧。但是，叶片23的正压面23p为凹曲面27，因此排气难以偏向径向外侧，而分散于整个径向。由此，在叶片23的后缘23r的下游变得难以产生流速的不均衡，从而能够抑制损失。其结果，实现涡轮叶轮12的叶片23后缘23r的下游侧的气体的流速分布的均匀化，从而能够提高涡轮效率。
而且，凹曲面27在叶片23中仅形成于包含后缘23r的中心轴c方向的一部分区域s。如此，通过仅在叶片23的包含后缘23r的一部分区域s形成凹曲面27，从叶片23的前缘23f朝向后缘23r流动过来的排气即使在凹曲面27的近前因离心力而偏向径向外侧，也会因进入凹曲面27而其流动方向发生变化。由此，在叶片23的后缘23r附近，有效地控制排气的流动，从而能够抑制由离心力而引起的偏向。
而且，不在从叶片23的前缘23f至后缘23r的整体形成凹曲面27，而能够抑制排气因离心力而偏向。由此，即使在叶片23具有复杂的三维形状的情况下，通过形成凹曲面27而能够抑制叶片23的制作难度的提高。
而且，凹曲面27以中间部27m相对于连结叶片23的根部27c与叶片23的末端部27s的直线l向旋转方向r的前方侧偏移的方式形成。由此，与叶片23的正压面23p碰撞的排气容易偏向最大偏移而凹陷的中间部27m侧，从而能够抑制偏向径向外侧的末端部27s侧。而且，在凹曲面27近前偏向径向外侧的排气在凹曲面27从径向外侧朝向中间部27m流过之后，通过其气势(惯性)还流向径向内侧的根部27c侧。即，排气在流路中形成有在后缘32(例如，实施方式中的)附近从径向外侧朝向径向内侧流过的流动场。如此，排气有效地分散于叶片23的整个径向。
而且，凹曲面27以末端部27s相对于叶片23的根部27c位于旋转方向r的前方的方式倾斜形成。由此，能够保持通过排气与叶片23的正压面23p碰撞而使涡轮叶轮12旋转的效率和抑制排气在叶片23的后缘23r附近因离心力而偏向径向外侧的效果的平衡。
本实施方式中的涡轮增压器10成为通过翼片53改变喷嘴流路35的流路截面积而能够调整气体导入量的可变容量式。在可变容量式涡轮增压器10中，通过翼片53而喷嘴流路35变窄。由此，在气体导入量小的小流量区域中，因喷嘴流路35狭窄而排气的流速上升，具有强回转成分而流入到叶片23。于是，因涡轮叶轮12的离心力而流动容易偏向径向外侧。相对于此，通过在叶片23中具有凹曲面27的涡轮叶轮12，能够抑制流动的偏向。于是，在叶片23后缘23r的下游，难以产生流速的不均衡，从而能够抑制损失。
因此，在小流量区域中，能够提高涡轮增压器10的效率，进而能够提高送入通过涡轮增压器10压缩的气体的发动机的性能。
(分析例)
在此，对具备如上述那样的凹曲面27的叶片23中的排气的流动进行了基于模拟的分析，因此示出其结果。
作为比较例，如图5所示，也对不具备凹曲面的叶片23h进行了分析。
如图5、图6所示，当为不具备凹曲面的叶片23h时，从前缘23f流入的排气的流动fh因离心力而在后缘23r附近会偏向径向外侧。
相对于此，如图3、图7所示，如上述实施方式中所示，在具备凹曲面27的叶片23中，从前缘23f流入的排气的流动f在后缘23r附近从径向外侧流向径向内侧。即，排气在流路中形成有在后缘23r的附近如从径向外侧朝向径向内侧流过那样的流动场。如此，通过在叶片23中具备凹曲面27，确认到在后缘23r的附近能够抑制流动f的偏向。
(其他实施方式)
本发明并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内，能够变更设计。
例如，在凹曲面27上，中间部27m相对于叶片23的根部27c及末端部27s向旋转方向r的前方偏移，但也可以适当变更径向上的中间部27m的位置或中间部27m的偏移尺寸w。
例如，关于涡轮增压器10的涡轮增压器主体11、压缩机17及涡轮30等各部的结构，并不限定于上述例示，也可以变更为其他结构。
而且，在上述实施方式中，设成通过旋转翼片53来调整流量，但也可以设成通过使角度被固定的翼片在喷嘴流路中伸缩来调整流量的滑动翼片式。而且，在不具备流量调整的涡轮增压器中，能够适用与上述相同的结构。
产业上的可利用性
本发明能够适用于叶轮及涡轮增压器中。根据本发明，通过在叶轮的正压面的至少包含后缘的区域中形成凹曲面，实现涡轮叶轮的叶片后缘附近中的气体的流速分布的均匀化，从而能够提高涡轮效率。
符号说明
10-涡轮增压器，11-涡轮增压器主体，12-涡轮叶轮(叶轮)，12w-涡轮翼，13-压缩机叶轮，14-旋转轴，14a-第1端部，14b-第2端部，15a、15b-轴承，16-轴承壳体，16a-开口部，16b-开口部，17-压缩机，18-压缩机壳体，21-轮毂，22-轮盘，22f-轮盘面(表面)，23-叶片，23f-前缘，23p-正压面，23r-后缘，23s-外缘，25-叶轮流路，27-凹曲面，27c-根部(基端部)，27m-中间部(中间部)，27s-末端部，30-涡轮，31-涡轮壳体，31s-涡旋形成部，34-涡旋流路，35-喷嘴流路，36-排气部，41-背板，50-可变翼片机构，51-喷嘴支架，52-喷嘴板，53-翼片，54-轴，55-驱动部，56-传动环，57-连杆臂，a-位置，b-位置，c-中心轴，l-直线(虚拟线)，r-旋转方向，s-区域，w-偏移尺寸。