涡轮机及涡轮增压器的制作方法

本公开涉及涡轮机及涡轮增压器。

背景技术：

在涡轮增压器等使用的涡轮机的壳体具有涡管部，涡管部以包围涡轮机动叶的方式沿着涡轮机动叶的周向延伸。涡管部的形状使流入到涡管部入口的流体在涡轮机动叶的整周均等地与涡轮机动叶发生碰撞。具体地说，在设涡管部的流路截面积为a、设从涡管部的流路截面的形心(重心)到涡轮机动叶的轴线为止的距离为r时，涡管部构成为，流路截面积a相对于距离r之比即a/r从涡管部的入口起朝向末端减小。

另外，典型的涡轮机的涡管部的设计并不考虑排气脉动。这是因为，排气脉动的周期长，故而可以忽略其影响，或者，如果涡轮机的设计考虑排气脉动，就必须要评价涡轮机的不稳定流动，故而不容易设计。

对此，专利文献1提出了一种涡轮机，其在进行涡轮机的涡管部设计时考虑排气脉动，能够提高涡轮机效率。专利文献1所记载的涡轮机的涡管部构成为，在将涡轮机动叶的绕轴线的周向位置取作横轴、将上述比a/r取作纵轴的曲线中，比a/r至少在局部具有凹型分布。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)专利第5870083号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

本发明的至少一个实施方式对上述专利文献1记载的现有技术进行了进一步的改进，其目的在于，提供一种考虑到了排气脉动的、高效的涡轮机及具备该涡轮机的涡轮增压器。

用于解决课题的技术方案

(1)本发明的至少一个实施方式的涡轮机具备：涡轮机动叶；涡轮机壳体，收纳所述涡轮机动叶，所述涡轮机壳体包含：护罩部，收纳所述涡轮机动叶；涡管部，形成于所述涡轮机动叶的外周侧；连通部，连接所述涡管部和所述护罩部，当设所述涡管部的流路截面积为a，设从所述涡管部的流路截面的形心到所述涡轮机动叶的旋转轴线为止的距离为r时，所述涡管部构成为：将所述涡管部的周向的角度位置θ取作横轴、将所述流路截面积a相对于所述距离r之比a/r取作纵轴，由此而成的第一曲线至少在局部包含凹型分布，所述涡管部包含：第一区间部，属于所述周向上的第一角度范围；第二区间部，属于所述周向上的比第一角度范围更靠下游侧的第二角度范围，在所述涡轮机动叶的轴向上具有比所述第一区间部的喉部宽度小的喉部宽度。

来自涡管部的涡旋气流的流速矢量的大小因排气脉动而变化。具体地说，在涡轮机动叶的入口压因排气脉动而暂时增大的时候，涡旋气流的流速矢量增大，而在涡轮机动叶的入口压因排气脉动而暂时减小的时候，涡旋气流的流速矢量减小。因此，涡轮机动叶的入口位置处的涡旋气流相对于涡轮机动叶的相对速度矢量也根据排气脉动而发生变化。

另一方面，因为涡管部的流路截面积a随着朝向下游侧而减小，所以涡管部的流路截面中对于单位流量的润湿面积(对于每单位流量，涡管部36的流路壁面与排气的接触面积)随着朝向下游侧而增大。因此，从效率方面考虑，在涡管部中，优选尽可能在排气所具有的能量大的入口侧回收能量。

因此，在上述(1)所述的的涡轮机中，考虑到了排气能量的大小会因脉动而变动，为了将因排气脉动而暂时增大了的涡旋气流的能量在涡管部的入口侧有效地回收，以第一曲线至少在局部包含凹型分布的方式构成涡管部。

由此，涡管部的入口侧的第一曲线的斜率绝对值|d(a/r)/dθ|变得比末端侧的第一曲线的斜率绝对值|d(a/r)/dθ|大，能够容易使涡管部的入口侧的涡旋气流的流角(涡旋气流相对于周向所成的角度)比涡管部的末端侧的涡旋气流的流角大。即，能够容易使涡管部的入口侧的动叶入口气流的流角(动叶入口气流相对于径向所成的角度)变得比涡管部的末端侧的动叶入口气流的流角大。

因此，涡管部可在涡轮机动叶的入口压因排气脉动而暂时升高了的时候，使涡管部的入口侧的动叶入口气流的流角成为接近最佳流角的角度。于是，能够在涡管部的入口侧有效地回收因排气脉动而暂时增大了的涡旋气流的能量，可实现考虑到了排气脉动的高效率的涡轮机。

但在这种情况下，如果对于轴向上的涡管部的喉部宽度不作任何改动，使其与周向位置无关地被设定为恒定，就会在涡管部的末端侧，在涡轮机动叶的入口压因排气脉动而暂时增大了的时候，导致动叶入口气流的流角大幅偏离最佳流角。

因此，上述(1)所述的涡轮机在涡管部的末端侧也能够提高可回收能量，涡管部包含：第一区间部，属于周向上的第一角度范围；第二区间部，属于周向上的比第一角度范围更靠下游侧的第二角度范围，在轴向上具有比第一区间部的喉部宽度小的喉部宽度。

根据本申请发明人的见解，涡旋气流的流角α可通过下式(a)表示。

(其中，b为轴向上的涡管部36的喉部宽度)

因此，如上所述，即使以第一曲线至少在局部包含凹型分布的方式构成了涡管部，也能够通过在涡管部的末端侧的第二区间部减小喉部宽度，抑制第二区间部的涡旋气流的流角α减小。因此，涡管部构成为，即使在涡管部的末端侧的第二区间部，也能够在涡轮机动叶的入口压因排气脉动而暂时升高了的时候使动叶入口气流的流角成为接近最佳流角的角度。因而，能够实现考虑到了排气脉动的更高效率的涡轮机。

(2)在一些实施方式中，在上述(1)所述的涡轮机中，将所述涡管部的周向的角度位置θ取作横轴、将所述第一曲线的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|取作纵轴，在由此而成的第二曲线中，当将所述第二曲线取所述绝对值|d(a/r)/dθ|的最大值和最小值的平均值时的角度位置设为θave1时，所述涡管部在所述周向上的所述角度位置θave1的下游侧的角度位置具有所述轴向上的喉部宽度的最小值。

根据上述(2)所述的涡轮机，能够在涡管部的角度位置θave1的下游侧考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现更高效率的涡轮机。

(3)在一些实施方式中，在上述(1)或(2)所述的涡轮机中，将所述涡管部的周向的角度位置θ取作横轴、将所述第一曲线的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|取作纵轴，在由此而成的第二曲线中，将所述第二曲线取所述角度位置θ为0°的位置处的所述第一曲线的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|和所述角度位置θ为360°的位置处的所述第一曲线的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|的平均值时的角度位置设为θave2时，所述涡管部在所述周向上的所述角度位置θave2的下游侧的角度位置具有所述轴向上的喉部宽度的最小值。

根据上述(3)所述的涡轮机，能够在涡管部的角度位置θave2的下游侧考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现更高效率的涡轮机。

(4)在一些实施方式中，在上述(1)至(3)中任一项所述的涡轮机中，所述涡管部包含以所述轴向上的喉部宽度在所述周向上随着朝向下游侧而减小的方式构成的区间部。

根据上述(4)所述的涡轮机，无需在涡管部的流路壁面上设置台阶，就能够考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现高效率的涡轮机。

(5)本发明的至少一实施方式的涡轮增压器具备上述(1)至(4)中任一项所述的涡轮机。

根据上述(5)所述的涡轮增压器，因为具备上述(1)至(4)中任一项所述的涡轮机，所以可实现考虑到了排气脉动的高效率的涡轮增压器。

发明效果

根据本发明的至少一个实施方式，能够提供一种考虑到了排气脉动的高效率的涡轮机、及具备该涡轮机的涡轮增压器。

附图说明

图1是概略地表示本发明的一些实施方式的涡轮增压器的纵剖视图。

图2是沿着图1中的ii－ii线的概略剖视图。

图3是用于对涡管部36的比a/r进行说明的图。

图4为，在将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将流路截面积a相对于距离r之比a/r取作纵轴的情况下，将表示角度位置θ和比a/r之间的关系的第一曲线g1与现有例中的线性减小的曲线一同表示。

图5为，将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将图4所示的第一曲线g1的斜率绝对值|d(a/r)/dθ|取作纵轴的情况下，将表示角度位置θ和绝对值|d(a/r)/dθ|之间的关系的第二曲线g2与上述现有例中的曲线一同表示。

图6为，将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将轴向上的涡管部36的喉部宽度b取作纵轴的情况下，将表示角度位置θ和喉部宽度b之间的关系的第三曲线g3与比较例中的喉部宽度b为恒定的曲线一同表示。

图7是用于说明涡旋气流的流速矢量、动叶周速的速度矢量、动叶入口气流的流速矢量之间的关系的图，表示动叶入口气流的流角成为最佳流角的状态。

图8是表示根据排气脉动而变化的动叶入口气流的流速矢量的图。

图9是将涡管部36的入口侧的涡旋气流的流角α之一例与最佳流角一同表示的图。

图10是将涡管部36的出口侧的涡旋气流的流角α之一例与最佳流角一同表示的图。

图11是将动叶的入口压因排气脉动而发生了波动的、涡管部36的入口侧的动叶入口气流的流角的变化之一例(实施例)与最佳流角一同表示的图。

图12是将动叶的入口压因排气脉动而发生了波动的、涡管部36的末端侧的动叶入口气流的流角变化之一例(比较例)与最佳流角一同表示的图。

图13是将动叶的入口压因排气脉动而发生了波动的、涡管部36的末端侧的动叶入口气流的流角变化之一例(实施例)与最佳流角一同表示的图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的若干实施方式进行说明。其中，作为实施方式而记载的或附图所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等都不具有限定本发明范围的含义，仅是一种说明例而已。

例如，“在某方向上”、“沿着某方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或“同轴”等表示相对或绝对配置的表达，严格地说不仅表示那种配置，还表示以公差或可得到相同功能的程度的角度及距离而相对位移的状态。

例如，“同一”、“相等”及“均质”等表示事物相等的状态的表达，严格地说不仅表示相等的状态，还表示存在公差、或可得到相同功能的程度的差异的状态。

例如，四边形及圆筒形等表示形状的表达，不仅在几何学上表示严格意义上的四边形及圆筒形等形状，还表示在可得到相同效果的范围内包含凹凸部或倒角部等的形状。

另一方面，“具备”、“具备”、“具备”、“包含”、或“具有”某一构成要素之类的表达，不是要将其他构成要素的存在排除在外的排他性的表达。

图1是概略地表示本发明的一些实施方式的涡轮增压器的纵剖视图。涡轮增压器例如用于车辆、船舶等。

涡轮增压器具备涡轮机10和压缩机12。涡轮机10包含涡轮机壳体14和被收纳于涡轮机壳体14内的涡轮机动叶(叶轮)16，压缩机12包含压缩机壳体18和被收纳于压缩机壳体18内的叶轮20。

涡轮机10的涡轮机动叶16和压缩机12的叶轮20通过轴22相互连结。涡轮机10的涡轮机动叶16例如通过从内燃机排出的排气而旋转，由此，经由轴22使压缩机12的叶轮20旋转。并且，通过压缩机12的叶轮20的旋转，压缩向内燃机供给的进气。

例如，涡轮机壳体14由涡轮机壳24和与涡轮机壳24结合在一起的端壁26构成，轴22贯通端壁26。端壁26被夹在涡轮机壳24和轴承壳28之间，轴承壳28经由轴承将轴22旋转自如地支承。

另外，例如，压缩机壳体18由压缩机壳30和与压缩机壳30结合在一起的端壁32构成，轴22贯通端壁32。端壁32与轴承壳28形成为一体。

涡轮机壳体14具有：以面对涡轮机动叶16的叶前端的方式收纳涡轮机动叶16的筒状护罩部34、形成于涡轮机动叶16的外周侧且沿涡轮机动叶16的周向延伸的涡管部(涡旋部)36、连接护罩部34和涡管部36的连通部38。另外，在一些实施方式中，涡轮机壳体14具有与涡管部36相连的流体的导入部40。流体的出口由护罩部34形成。

图2是沿着图1中的ii－ii线的概略剖视图。以下，只要没有特别说明，就将涡管部36的周向(涡轮机动叶16的周向)简称为“周向”，将涡管部36的径向(涡轮机动叶16的径向)简称为“径向”，将涡管部36的轴向(涡轮机动叶16的轴向)简称为“轴向”。

如图2所示，涡管部36的入口(涡旋起始部)位于周向的角度位置θ为0°的位置。在此，将周向的角度位置θ为0°的位置作为涡管部36的舌部41的前端的角度位置定义。舌部41是涡轮机壳24的涡管部36的外周壁42和导入部40的壁44以锐角相交的部分。

并且，涡管部36的末端(涡旋终止部)位于涡轮机动叶16的周向的角度位置θ为360°的位置。在此，角度位置θ的值从涡管部36的入口起朝向末端增大，在涡管部36中沿着流体流动的方向增大。

另一方面，涡管部36的内周缘由以涡轮机动叶16的轴线(旋转轴)为中心并与舌部41相切的假想圆48规定。涡管部36的外周缘由涡管部的外周壁42规定，涡管部36的流路截面积a是在圆48和涡管部36的外周壁42之间划出的空间的面积。

图3是用于对涡管部36中的比a/r进行说明的图。在设涡管部36的流路截面积为a、设从涡管部36的流路截面的形心c(该流路截面的重心)到涡轮机动叶16的旋转轴线50为止的距离为r时，a/r是流路截面积a相对于距离r之比。此外，在图3中，涡管部36中相当于流路截面的区域带有阴影。

图4是将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将流路截面积a相对于距离r之比a/r取作纵轴时的、表示角度位置θ和比a/r之间的关系的第一曲线g1的图，与现有例的线性减小的曲线一同表示。图5是将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将图4所示的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|取作纵轴时的、表示角度位置θ和绝对值|d(a/r)/dθ|之间的关系的第二曲线g2的曲线图，与上述现有例的曲线一同表示。图6是将涡管部36的周向的角度位置θ取作横轴、将轴向的涡管部36的喉部宽度b取作纵轴时的、表示角度位置θ和喉部宽度b之间的关系的第三曲线g3的图，与比较例的喉部宽度b为恒定的曲线一同表示。此外，如图3所示，轴向上的涡管部36的喉部宽度b是上述圆48的位置处的轴向的涡管部36的流路宽度，相当于轴向上的连通部38的流路宽度。

如图4所示，涡管部36以比a/r在周向上朝向下游侧(末端侧)单调减小的方式构成。另外，涡管部36以第一曲线g1至少在局部包含凹型分布的方式构成。即，以入口侧(涡旋起始部侧)的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|比末端侧(涡旋终止部侧)的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|大的方式构成。

根据这种结构，能够实现考虑了排气脉动的高效涡轮机。下面，对其机理进行说明。

图7是用于对涡旋气流的流速矢量、动叶周速的速度矢量、动叶入口气流的流速矢量之间的关系进行说明的图，表示动叶入口气流的流角为最佳流角的状态。此外，涡旋气流的流速矢量是指涡轮机动叶16的入口(叶前缘)的位置处的来自涡管部36的气流的流速矢量，动叶周速的速度矢量是指涡轮机动叶16的入口位置处的涡轮机动叶16的周速矢量，动叶入口气流的流速矢量是指涡轮机动叶16的入口位置处的涡旋气流相对于涡轮机动叶16的相对速度矢量。因此，如图7所示，动叶入口气流的流速矢量相当于从涡旋气流的流速矢量减去动叶周速的速度矢量所得的值。

在此，涡旋气流的流速矢量的大小因排气脉动而变化。即，在涡轮机动叶16的入口压因排气脉动而暂时增大的时候，涡旋气流的流速矢量变大，而在涡轮机动叶16的入口压因排气脉动而暂时减小的时候，涡旋气流的流速矢量变小。因此，如图8所示，动叶入口气流的流速矢量也因排气脉动而变化。

另一方面，因为涡管部36的流路截面积a随着朝向下游侧变小，所以涡管部36的流路截面对于单位流量的润湿面积(每单位流量下的涡管部36的流路壁面和排气的接触面积)随着朝向下游侧而增大。因此，在涡管部36中，从效率方面考虑，优选尽量在排气拥有的能量大的入口侧回收能量。

因此，在涡轮机10中，考虑排气能量的大小会因脉动而波动，为了在涡管部36的入口侧有效地回收因排气脉动而暂时增大了的涡旋气流的能量，如上所述，以第一曲线g1至少在局部包含凹型分布的方式构成涡管部36。

由此，使得涡管部36的入口侧的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|比末端侧的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|大，容易使涡管部36的入口侧的涡旋气流的流角α(涡旋气流相对于周向所成的角度；参照图9)比涡管部36的末端侧的涡旋气流的流角α(参照图10)大。即，容易使涡管部36的入口侧的动叶入口气流的流角β(动叶入口气流相对于径向所成的角度；参照图9)比涡管部36的末端侧的动叶入口气流的流角β(参照图10)大。此外，在图9及图10中，用虚线表示动叶入口气流的流角成为最佳流角的情况。

因此，如图11所示，涡管部36可在涡轮机动叶16的入口压因排气脉动而暂时升高了的时候，使涡管部36的入口侧的动叶入口气流的流角成为接近最佳流角的角度。因而，能够在涡管部36的入口侧高效地回收因排气脉动而暂时增大了的涡旋气流的能量，实现考虑到了排气脉动的高效涡轮机。

可是，如图6的虚线所示，在对于轴向的涡管部36的喉部宽度b不作任何设计，将其与周向位置无关地设定为恒定的情况下，如图12所示，在涡管部36的末端侧，当涡轮机动叶16的入口压因排气脉动而暂时增大了的时候，就会导致动叶入口气流的流角从最佳流角大幅偏离。

因此，涡轮机10要构成为在涡管部36的末端侧也可提高能够回收的能量，如图6所示，涡管部36包含：第一区间部52，属于周向上的第一角度范围w1；第二区间部54，属于周向上的比第一角度范围w1更靠下游侧的第二角度范围w2，在轴向上具有比第一区间部52的喉部宽度b1小的喉部宽度b2。

根据本申请发明人的认知，涡旋气流的流角α可通过下式(a)表示。

(其中，b为轴向上的涡管部36的喉部宽度)

因此，如图4所示，即使在涡管部36构成为第一曲线g1至少在局部包含凹型分布的情况下，也能够通过在涡管部36的末端侧的第二区间部54减小喉部宽度b2来抑制第二区间部54中涡旋气流的流角α的减小。因此，即使在涡管部36的末端侧的第二区间部54，如图13所示，涡管部36也能够在涡轮机动叶16的入口压因排气脉动而暂时升高了的时候，使动叶入口气流的流角成为接近最佳流角的角度。因而，能够实现考虑了排气脉动的更高效的涡轮机10。

如图5所示，在一些实施方式中，关于涡管部36，当将第二曲线g2取第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|的最大值e和最小值f的平均值m时的角度位置设为θave1时，如图6所示，涡管部36在周向上的角度位置θave1的下游侧的角度位置具有轴向上的喉部宽度b的最小值bmin。

根据这种结构，能够在涡管部36中的角度位置θave1的下游侧，考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现更高效的涡轮机10。

在一些实施方式中，如图5所示，当将第二曲线取角度位置0度处的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|和角度位置360度处的第一曲线g1的斜率的绝对值|d(a/r)/dθ|的平均值n时的角度位置设为θave2时，如图6所示，涡管部36在周向上的角度位置θave2的下游侧的角度位置具有轴向上的喉部宽度b的最小值bmin。此外，在图中例示的形态中，满足n＝m、θave2＝θave1及bmin＝b2。

根据这种结构，能够在涡管部36中的角度位置θave2的下游侧，考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现更高效的涡轮机10。

此外，在图6所例示的形态中，涡管部36在第一区间部52的轴向上的喉部宽度b1和涡管部36在第二区间部54的轴向上的喉部宽度b2分别恒定不变。另外，涡管部36包含：第三区间部56，连接第一区间部52和第二区间部54，轴向的喉部宽度b在周向上随着朝向下游侧而减小；第四区间部58，与第二区间部54的下游侧连接，轴向的喉部宽度b在周向上随着朝向下游侧而增大，并与舌部41的前端连接。

根据这种结构，无需在涡管部36的流路壁面上设置台阶，就能够考虑排气脉动而设定涡旋气流的适当流角，可实现高效的涡轮机。

本发明不限于上述的实施方式，还包含对上述的实施方式加以变形而成的形态、适当组合这些形态而成的形态。

例如，在图6所示的形态中，例示了第一区间部52的轴向的喉部宽度b1和第二区间部54的轴向的喉部宽度b2分别恒定的情况，但第一区间部52的轴向的喉部宽度和第二区间部54的轴向的喉部宽度也可以分别根据周向的角度位置θ而变化。

符号说明

10涡轮机

12压缩机

14涡轮机壳体

16涡轮机动叶

18压缩机壳体

20叶轮

22轴

24涡轮机壳

26、32端壁

28轴承壳

30压缩机壳

34护罩部

36涡管部

38连通部

40导入部

41舌部

42外周壁

44壁

48圆

50旋转轴线

52第一区间部

54第二区间部

56第三区间部

58第四区间部

100可变容量式涡轮增压器