阅读说明：本技术 离心压缩机以及具备该离心压缩机的涡轮增压器 (Centrifugal compressor and turbocharger provided with same ) 是由 岩切健一郎 于 2017-11-06 设计创作，主要内容包括：至少一个凹状圆弧部分中的在叶轮的半径方向上处于最外侧的凹状圆弧部分的叶轮的半径方向外侧的端缘的切线方向与垂直于旋转轴线的方向所成的倾斜角度沿着涡旋流路的周向具有分布,当用以舌状部为基准而以旋转轴线为中心的中心角来表示从涡旋部的舌状部朝向涡旋流路的出口的涡旋流路内的周向位置时,倾斜角度的分布在从30°到210°的中心角的范围内具有极小值或最小值。(An inclination angle formed by a tangential direction of an edge of the concave arc portion located outermost in a radial direction of the impeller, the edge being located on an outer side in the radial direction of the impeller, of the at least one concave arc portion, and a direction perpendicular to the rotation axis has a distribution along a circumferential direction of the scroll flow path, and when a circumferential position in the scroll flow path from the tongue portion of the scroll portion toward an outlet of the scroll flow path is expressed by a central angle centered on the rotation axis with respect to the tongue portion, the distribution of the inclination angle has a minimum value or a minimum value in a range of the central angle from 30 ° to 210 °.)

离心压缩机以及具备该离心压缩机的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及离心压缩机以及具备该离心压缩机的涡轮增压器。

背景技术

近年来，要求扩大离心压缩机的工作区域。例如，在汽车发动机中，要求改善低速区域中的油耗、提高加速度性能，伴随于此，涡轮增压器也要求提高低速且小流量工作点的效率。这样的工作区域是涡轮增压器的离心压缩机在失速状态下工作的区域，在该区域中，在涡旋流路内产生大规模的剥离这种情形被确认。在专利文献1中记载有在涡旋流路中产生以从卷绕结束向卷绕开始的再循环流为主要原因的剥离。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2017/109949号

发明内容

发明要解决的课题

但是，本发明人等进行了深入研究，结果明确了与专利文献1中记载的再循环流不同的别的主要原因引起的剥离的产生。即，在形成有涡旋流路的涡旋部的舌状部附近从扩散流路排出的压缩空气一边沿着涡旋流路的内壁面回旋一边在涡旋流路中流通，这样的回旋流在沿着涡旋流路的内壁面刚好回旋一周的附近，与从扩散流路排出的压缩空气干涉。这成为涡旋流路内的剥离的主要原因之一。

鉴于上述情形，本发明的至少一个实施方式的目的在于提供一种提高了小流量工作点处的效率的离心压缩机以及具备该离心压缩机的涡轮增压器。

用于解决课题的方案

(1)本发明的至少一个实施方式的离心压缩机具备叶轮和壳体，其中，所述壳体包括：

涡旋部，所述涡旋部在所述叶轮的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路；以及

扩散部，所述扩散部包括在所述叶轮的旋转轴线的延伸方向上隔开间隔地设置的一对流路壁，在所述一对流路壁之间形成在所述叶轮的半径方向内侧沿着所述涡旋流路的周向与所述涡旋流路连通的扩散流路，

所述一对流路壁具有：

第一流路壁；以及

第二流路壁，所述第二流路壁在所述旋转轴线的延伸方向上相对于所述第一流路壁位于所述涡旋流路的涡旋中心侧，

所述第二流路壁包括所述涡旋流路的内壁面中的位于所述半径方向内侧的内壁面的一部分，所述第二流路壁包括的所述内壁面在由包含所述旋转轴线在内的平面形成的所述壳体的截面中，构成在所述涡旋流路内具有曲率半径的至少一个凹状圆弧部分，

所述至少一个凹状圆弧部分中的在所述叶轮的半径方向上处于最外侧的凹状圆弧部分的所述叶轮的半径方向外侧的端缘的切线方向与垂直于所述旋转轴线的方向所成的倾斜角度沿着所述涡旋流路的周向具有分布，

当用以舌状部为基准而以所述旋转轴线为中心的中心角来表示从所述涡旋部的所述舌状部朝向所述涡旋流路的出口的所述涡旋流路内的周向位置时，所述倾斜角度的所述分布在从30°到210°的所述中心角的范围内具有极小值或最小值。

根据上述(1)的结构，在涡旋流路内一边沿着涡旋流路的内壁面回旋一边流通的回旋流在沿着涡旋流路的内壁面刚好回旋一周的附近，回旋流的方向与从扩散流路排出的压缩流体的流动方向所成的角度变小，因此，可以抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以减少涡旋流路内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机的效率。

(2)在几个实施方式中，在上述(1)的结构中，

所述倾斜角度的所述分布在从30°到120°的所述中心角的范围内具有极小值或最小值。

涡旋流路的流路面积从出口侧朝向舌状部变小。由于这样的涡旋流路的形状，因此，存在越靠近舌状部则凹状圆弧部分的倾斜角度越大的倾向。根据上述(2)的结构，在未意识到该倾斜角度的大小而形成涡旋流路时，在存在该倾斜角度变大的倾向的从30°到120°的中心角的范围内，以该倾斜角度具有极小值或最小值的方式形成涡旋流路，从而可以在从30°到210°的中心角的范围内减小该倾斜角度，因此，可以进一步抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以进一步减少涡旋流路内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机的效率。

(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的结构中，

所述第二流路壁包括：

平坦的平坦内壁面，所述平坦内壁面划定所述扩散流路并且与所述旋转轴线垂直；

凸状内壁面，所述凸状内壁面划定所述涡旋流路并且相对于所述涡旋流路呈凸状弯曲；

至少一个凹状内壁面，所述至少一个凹状内壁面划定所述涡旋流路并且在由包含所述旋转轴线在内的平面形成的所述壳体的截面中构成所述至少一个凹状圆弧部分，该至少一个凹状内壁面中的在所述叶轮的半径方向上处于最外侧的凹状内壁面与所述凸状圆弧部分连接；以及

端面，所述端面在所述叶轮的半径方向上在所述平坦内壁面的最外侧将所述平坦内壁面与所述凸状内壁面连接。

根据上述(3)的结构，可以抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以减少涡旋流路内的剥离的产生，并且，通过使划分扩散流路的内壁与旋转轴线垂直且平坦，从而也可以使扩散流路的加工变得容易。

(4)在几个实施方式中，在上述(1)～(3)中的任一个结构中，

以所述旋转轴线为中心的所述扩散流路的外径在所述扩散流路的周向上具有分布，所述扩散流路的外径的所述分布在从30°到210°的所述中心角的范围内具有极大值或最大值。

根据上述(4)的结构，可以在从30°到210°的中心角的范围内使凹状圆弧部分的倾斜角度极小或最小，因此，可以抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以减少涡旋流路内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机的效率。

(5)在几个实施方式中，在上述(1)～(4)中的任一个结构中，

从所述旋转轴线到所述涡旋流路的涡旋中心的距离在所述涡旋流路的周向上具有分布，所述距离的所述分布在从30°到210°的所述中心角的范围内具有极小值或最小值。

根据上述(5)的结构，可以在从30°到210°的中心角的范围内使凹状圆弧部分的倾斜角度极小或最小，因此，可以抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以减少涡旋流路内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机的效率。

(6)本发明的至少一个实施方式的涡轮增压器具备上述(1)～(5)中的任一个离心压缩机。

根据上述(6)的结构，可以减少涡旋流路内的剥离的产生，因此，可以提高低速且小流量工作点处的涡轮增压器的效率。

发明的效果

根据本发明的至少一个实施方式，在涡旋流路内一边沿着涡旋流路的内壁面回旋一边流通的回旋流在沿着涡旋流路的内壁面刚好回旋一周的附近，回旋流的方向与从扩散流路排出的压缩流体的流动方向所成的角度变小，因此，可以抑制回旋流与从扩散流路排出的压缩流体流的干涉，可以减少涡旋流路内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机的效率。

附图说明

图1是示意性表示本发明的一实施方式的离心压缩机的与旋转轴线垂直的截面的一例的图。

图2是本发明的一实施方式的离心压缩机的利用包含旋转轴线在内的平面形成的离心压缩机的壳体的局部剖视图。

图3是表示在本发明的一实施方式的离心压缩机中从扩散流路排出的压缩空气沿着涡旋流路的内壁面回旋的情形的流线图。

图4是用于说明在涡旋流路内回旋流与从扩散流路排出的压缩空气流产生干涉的原理的示意图。

图5是表示本发明的一实施方式的离心压缩机的涡旋流路的截面形状的截面示意图。

图6是表示在本发明的一实施方式的离心压缩机中倾斜角度α的分布的曲线图。

图7是表示在本发明的一实施方式的离心压缩机中扩散流路的外径的分布以及倾斜角度α的分布的曲线图。

图8是表示在本发明的一实施方式的离心压缩机中旋转轴线与涡旋中心之间的距离的分布以及倾斜角度α的分布的曲线图。

图9是本发明的一实施方式的离心压缩机的第二流路壁的局部放大剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。但是，本发明的范围并不限定于以下的实施方式。以下的实施方式所记载的结构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，其主旨并非将本发明的范围仅限定于此，只不过是说明例。

以涡轮增压器的离心压缩机为例，对本发明的一实施方式的离心压缩机进行说明。但是，本发明中的离心压缩机并不限于涡轮增压器的离心压缩机，也可以是单独进行动作的任意的离心压缩机。在以下的说明中，由该压缩机压缩的流体是空气，但可以替换为任意的流体。

如图1所示，离心压缩机1具备壳体2和在壳体2内以旋转轴线L为中心能够旋转地设置的叶轮3。如图2所示，壳体2具有：在叶轮3的外周侧形成有涡旋状的涡旋流路5的涡旋部4；包括在旋转轴线L的延伸方向上隔开间隔地设置的一对流路壁7、即第一流路壁7a和第二流路壁7b的扩散部6；以及圆筒形状的空气入口部9。第二流路壁7b在旋转轴线L的延伸方向上相对于第一流路壁7a位于涡旋流路5的涡旋中心O_S侧。在第一流路壁7a和第二流路壁7b之间，形成有在叶轮3的半径方向内侧沿着涡旋流路5的周向与涡旋流路5连通的扩散流路8。

经由空气入口部9流入到了离心压缩机1内的空气被叶轮3压缩而成为压缩空气。压缩空气在扩散流路8中流通而流入到涡旋流路5内，接着，在涡旋流路5中流通并从离心压缩机1排出。

如涡轮增压器以低速工作时那样，在流入到离心压缩机1的空气量小的情况下，离心压缩机1在失速状态下工作，效率降低。在这样的工作区域中，在涡旋流路5内产生大规模的剥离这种情形被确认。本发明人等进行了深入研究，结果发现了产生这样的剥离的主要原因之一。以下说明由该主要原因引起的剥离的产生原理。

如图1所示，用以舌状部4a为基准而以旋转轴线L为中心的中心角θ来表示从涡旋部4(参照图2)的舌状部4a朝向涡旋流路5的出口的涡旋流路5内的周向位置。因此，表示舌状部4a的周向位置的中心角θ为0°。

如图3所示，在舌状部4a附近从扩散流路8排出的压缩空气流f₁一边沿着涡旋流路5的内壁面回旋一边在涡旋流路5流通。这样的压缩空气的回旋流f₂在沿着涡旋流路5的内壁面刚好回旋一周的附近(在图3中为中心角θ＝30°附近)，与从扩散流路8排出的压缩空气f₃干涉。该干涉成为涡旋流路5内的剥离的主要原因之一。

如图4(a)所示，在包含旋转轴线L在内的壳体2(参照图2)的截面中，涡旋流路5的内壁面5a中的与第二流路壁7b连接的部分5a1的切线方向A与垂直于旋转轴线L的方向B所成的倾斜角度α越大、即越接近90°，则如图4(b)所示，沿着涡旋流路5的内壁面5a流通的压缩空气的回旋流f₂与从扩散流路8排出的压缩空气流f₃所成的角度β越大。这样一来，由于回旋流f₂以堵塞欲从扩散流路8流入到涡旋流路5内的压缩空气流f₃的方式进行干涉，因此，在产生该干涉的部分产生剥离。

因此，为了抑制产生这样的干涉，需要倾斜角度α变小的涡旋流路5的截面形状。在图5中示出减小了倾斜角度α的涡旋流路5的截面形状的例子。第二流路壁7b具有：划定扩散流路8并且与旋转轴线L垂直且平坦的平坦内壁面21、在平坦内壁面21的半径方向最外侧与平坦内壁面21垂直地连接的平坦的端面22、与端面22连接并且相对于涡旋流路5呈凸状弯曲的凸状内壁面23、以及与凸状内壁面23连接并且相对于涡旋流路5呈凹状弯曲的凹状内壁面24。在此，假定通过涡旋中心O_S且与旋转轴线L平行的假想线L'，将涡旋流路5的内壁面5a相对于假想线L'区分为半径方向内侧的部分5a2和半径方向外侧的部分5a3。端面22、凸状内壁面23以及凹状内壁面24是内壁面5a的部分5a2的一部分。

另外，相对于涡旋流路5呈凸状弯曲意味着在包含旋转轴线L在内的壳体2(参照图2)的截面中，凸状内壁面23构成的凸状圆弧部分23a的曲率中心位于涡旋流路5的外部，相对于涡旋流路5呈凹状弯曲意味着在包含旋转轴线L在内的壳体2的截面中，凹状内壁面24构成的凹状圆弧部分24a的曲率中心位于涡旋流路5的内部。

在包含旋转轴线L在内的壳体2的截面中，若凹状圆弧部分24a的半径方向外侧的端缘24a1的切线方向A与垂直于旋转轴线L的方向B所成的倾斜角度α变小，则回旋流f₂与欲从扩散流路8流入到涡旋流路5内的压缩空气流f₃所成的角度β变小。这样一来，可以抑制回旋流f₂与压缩空气流f₃的干涉，因此，可以减少剥离的产生。因此，通过使涡旋流路5的截面形状为在产生这样的干涉的部分倾斜角度α变小的形状，从而可以减少剥离的产生。

另外，本发明人等通过进行CFD解析，从而得到在从30°到210°的中心角θ的范围内容易产生剥离这样的结果。这是因为，若在涡旋流路5内形成稳定的回旋流，则涡旋流路5内的回旋流与从扩散流路8排出的压缩空气流逐渐不再干涉，因此，这样的干涉在涡旋流路5中越是上游侧越容易产生。因此，通过使涡旋流路5的截面形状为在上游侧倾斜角度α变小的形状，从而可以有效地减少剥离的产生。

图5所示的涡旋流路5的截面形状是壳体2(参照图2)的一个截面中的形状。涡旋流路5的截面形状实际上根据周向而变化。因此，倾斜角度α根据周向而变化。即，倾斜角度α沿着涡旋流路5的周向具有分布。因此，根据本发明人得到的上述见解，如图6所示，在中心角θ为从30°到210°的范围的涡旋流路5的周向位置的范围内，倾斜角度α的分布具有最小值，从而可以有效地减少剥离的产生。另外，倾斜角度α的分布也可以不是在上述范围内具有最小值，而是具有从30°到210°的中心角θ的范围内的最小值、即极小值的分布。换句话说，在210°以后的中心角θ的范围内，倾斜角度α的分布也可以具有比极小值小的值。

接着，对用于使倾斜角度α的分布在从30°到210°的中心角θ的范围内取得极小值或最小值的、壳体2(参照图2)的结构的几个实施方式进行说明。

在一实施方式中，使扩散流路8(参照图1)的外径在周向上局部变大。即，使扩散流路8的外径的周向的分布在从30°到210°的中心角θ的范围内取得极大值或最大值。参照图5，在扩散流路8的外径局部较大的部分，第二流路壁7b的端面22的位置与其他部分相比，位于更靠半径方向外侧的位置。这样一来，可以增大凹状内壁面24的半径方向的宽度，因此，部分5a1的切线方向A的倾斜更接近水平方向，倾斜角度α变小。

在图7中示出表示扩散流路8的外径的周向的分布的曲线图和表示该情况下的倾斜角度α的分布的曲线图。若采用在从30°到210°的中心角θ的范围内扩散流路8的外径成为最大的结构，则在从30°到210°的中心角θ的范围内倾斜角度α取得最小值。当在该范围内倾斜角度α不是最小值而取得极小值时，形成为在从30°到210°的中心角θ的范围内扩散流路8的外径成为极大的结构即可。

另外，在其他实施方式中，使从旋转轴线L到涡旋流路5的涡旋中心O_S的距离R(参照图2)在周向上局部地变小。即，使距离R的周向的分布在从30°到210°的中心角θ的范围内取得极小值或最小值。参照图5，在距离R局部较小的部分，与其他部分相比，尽管扩散流路8的出口的位置相同，但涡旋流路5的截面也位于半径方向内侧。这样一来，部分5a1的切线方向A的倾斜更接近水平方向，因此，倾斜角度α变小。

在图8中示出表示距离R的周向的分布的曲线图和表示该情况下的倾斜角度α的分布的曲线图。若采用在从30°到210°的中心角θ的范围内距离R成为最小的结构，则在从30°到210°的中心角θ的范围内倾斜角度α取得最小值。当在该范围内倾斜角度α不是最小值而取得极小值时，形成为在从30°到210°的中心角θ的范围内距离R成为极小的结构。

并且，在其他实施方式中，将使扩散流路8(参照图1)的外径在周向上局部地变大这种结构与使从旋转轴线L到涡旋流路5的涡旋中心O_S的距离R(参照图2)在周向上局部地变小这种结构组合。若分别单独进行，则扩散流路8的外径局部变得过大或距离R局部变得过小，从而有可能难以制造或对压缩空气流造成不良影响。但是，通过将两者组合，从而可以缓和扩散流路8的外径以及距离R的局部性的变化。

这样，在涡旋流路5内一边沿着涡旋流路5的内壁面5a回旋一边流通的回旋流f₂在沿着涡旋流路5的内壁面5a刚好回旋一周的附近，回旋流f₂的方向与从扩散流路8排出的压缩流体流f₃的方向所成的角度β变小，因此，可以抑制回旋流f₂与从扩散流路排出的压缩流体流f₃的干涉，可以减少涡旋流路5内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机1的效率。

在上述实施方式中，第二流路壁7b具有与平坦内壁面21垂直地连接的平坦的端面22、与端面22连接并且相对于涡旋流路5呈凸状弯曲的凸状内壁面23、以及与凸状内壁面23连接并且相对于涡旋流路5呈凹状弯曲的凹状内壁面24，但并不限于该形态。端面22也可以不与平坦内壁面21垂直，或者端面22也可以不平坦而弯曲。另外，也可以没有凸状内壁面23而将凹状内壁面24与端面22连接。

另外，凹状内壁面24也可以是两个以上。在图9中例示性地示出凹状内壁面24包括两个凹状内壁面的情况。在包含旋转轴线L在内的壳体2(参照图2)的截面中，两个凹状内壁面分别构成第一凹状圆弧部分241和第二凹状圆弧部分242。第二凹状圆弧部分242具有半径方向内侧的端缘242a和半径方向外侧的端缘242b，端缘242a与第一凹状圆弧部分241连接，端缘242b与凸状圆弧部分23a连接。在这样的形态的情况下，倾斜角度α成为如下的角度，即，位于半径方向最外侧的凹状圆弧部分、即第二凹状圆弧部分242的半径方向外侧的端缘242b的切线方向A与垂直于旋转轴线L的方向B所成的角度。

在上述实施方式中，倾斜角度α的分布在从30°到210°的中心角θ的范围内具有极小值或最小值，但也可以在从30°到120°的中心角θ的范围内具有极小值或最小值(参照图6)。如图1所示，涡旋流路5的流路面积从出口侧朝向舌状部4a变小。由于这样的涡旋流路5的形状，因此，存在越靠近舌状部4a则凹状圆弧部分24a(参照图5)的倾斜角度α(参照图5)越大的倾向。在未意识到该倾斜角度α的大小而形成涡旋流路5时，在存在该倾斜角度α变大的倾向的从30°到120°的中心角的范围内，以该倾斜角度α具有极小值或最小值的方式形成涡旋流路5，从而可以在从30°到210°的中心角的范围内减小该倾斜角度α，因此，可以进一步抑制回旋流f₂与从扩散流路8排出的压缩流体流f₃的干涉，可以进一步减少涡旋流路8内的剥离的产生。其结果是，可以提高小流量工作点处的离心压缩机1的效率。

另外，扩散流路8通常通过切削加工而形成，但在上述实施方式中，划定扩散流路8的平坦内壁面21与旋转轴线L垂直且平坦，从而可以容易地加工扩散流路8。

附图标记说明

1 离心压缩机

2 壳体

3 叶轮

4 涡旋部

4a 舌状部

5 涡旋流路

5a (涡旋流路的)内壁面

5a1 (内壁面的)部分

5a2 (内壁面的)半径方向内侧的部分

5a3 (内壁面的)半径方向外侧的部分

6 扩散部

7 流路壁

7a 第一流路壁

7b 第二流路壁

8 扩散流路

9 空气入口部

21 平坦内壁面

22 端面

23 凸状内壁面

23a 凸状圆弧部分

24 凹状内壁面

24a 凹状圆弧部分

24a1 (凹状圆弧部分的)端缘

241 第一凹状圆弧部分

242 第二凹状圆弧部分

242a (第二凹状圆弧部分的)端缘

242b (第二凹状圆弧部分的)端缘

A 切线方向

B 与旋转轴线垂直的方向

L (叶轮的)旋转轴线

L' 假想线

O_s 涡旋中心

α 倾斜角度

β 角度

θ 中心角

f₁ 在舌状部附近从扩散流路排出的压缩空气流

f₂ 回旋流

f₃ 从扩散流路排出的压缩空气流