流体机械及具备它的流体机械系统

摘要

本发明的目的在于提供一种能够利用简单的进气管形状实现流量动作范围的扩大等性能提升的流体机械，流体机械(10)具备安装于旋转轴(5)的叶轮(6)、能够旋转地收纳叶轮的外壳(2)和用于向外壳供给流体的进气管(20)，其特征在于，进气(20)管至少包括：第一弯管部，其配置在第一平面(P1)上；第二弯管部，其在所述第一弯管部的下游侧配置在不同于所述第一平面的第二平面上，并且上游侧的中心轴沿着所述第一弯管部的下游侧的中心轴取向，且下游侧的中心轴在所述叶轮的正面侧沿着所述叶轮的轴向取向；在从所述第一弯管部的上游端至所述第二弯管部的下游端这一区间，所述进气管的截面形成为相同截面。

说明书

技术领域

本公开涉及离心压缩机和斜流压缩机等压缩机、以及离心鼓风机和斜流 鼓风机等鼓风机(以下，将它们总称为“流体机械”)，特别是涉及用于向流 体机械供给流体的进气管结构。

背景技术

在搭载于车辆、船舶以及工业用发动机的涡轮增压机中使用了压缩机， 该压缩机具备高速旋转的叶轮，利用离心力对流体进行升压。在该涡轮增压 机的压缩机中，从提高发动机转矩性能和增大发动机输出等发动机性能的观 点出发，要求范围广的流量动作范围。

作为该压缩机中的流量动作范围的扩大方法之一，存在事先旋转发生装 置，该事先旋转发生装置在压缩机上游设置引导叶片等可变机构，通过对其 进行控制来使流体产生旋转流，由此实现流量动作范围的扩大(专利文献1)。

另外，在由本申请人申请的未公开的在先申请(专利文献2)中，记载有 通过对压缩机上游侧的进气管形状进行设计来使流过进气管的流体产生旋转 流，从而实现流量动作范围的扩大的技术。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：(日本)特许第4464661号公报

专利文献2：(日本)特愿2012-044103

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，上述专利文献1的事先旋转发生装置是通过驱动器等机械手段对 可变机构进行操作的装置，存在导致装置大型化、结构复杂化、高成本化的 问题。特别是在机动车用的涡轮增压机中，对装置小型化、结构简单化、低 成本化的要求强烈，采用这样的机械手段并不现实。

关于这一点，上述专利文献2的技术在不使用机械手段就能够实现流量 动作范围的扩大这一点上是较为优秀的技术，但进气管的形状形成为复杂的 三维形状，如果能够利用更为简单的进气管形状来使流体产生旋转流，就能 够期待在发动机安装时等提高通用性。

本发明的至少一个实施方式是在如上所述的技术背景下完成的，其目的 在于提供一种能够利用简单的进气管形状实现流量动作范围的扩大等性能提 升的流体机械。

用于解决技术问题的手段

本发明的至少一个实施方式如下，

一种流体机械，具备安装于旋转轴的叶轮、能够旋转地收纳所述叶轮的 外壳和用于向所述外壳供给流体的进气管，其特征在于，

所述进气管至少包括：

第一弯管部，其配置在第一平面上；

第二弯管部，其在所述第一弯管部的下游侧配置在不同于所述第一平面 的第二平面上，并且上游侧的中心轴沿着所述第一弯管部的下游侧的中心轴 取向，且下游侧的中心轴在所述叶轮的正面侧沿着所述叶轮的轴向取向；

在从所述第一弯管部的上游端至所述第二弯管部的下游端这一区间，所 述进气管的截面形成为相同截面。

上述流体机械包括由配置在第一平面上的第一弯管部、以及在第一弯管 部的下游配置在不同于第一平面的第二平面上的第二弯管部构成的两个弯管 部，并且从第一弯管部的上游端至第二弯管部的下游端具备由相同截面构成 的进气管。根据这样的本实施方式，当流过第一弯管部时在流体中生成双涡 流，进而在流过第二弯管部时，流体中的双涡流向旋转流变化，由此能够使 流过进气管的流体产生一个方向的旋转流。这样，能够利用由相同截面形成 的简单的进气管形状使流过进气管的流体产生旋转流，由此能够实现流体机 械的流量动作范围的扩大等性能提升。

在几个实施方式中，上述第一弯管部的弯曲角处于30°以上且150°以下 的范围，并且，上述第二弯管部的弯曲角处于45°以上且100°以下的范围。

另外，在上述实施方式中，优选的是，上述第一弯管部的弯曲角处于45° 以上且90°以下的范围，并且，上述第二弯管部的弯曲角处于45°以上且90° 以下的范围。

根据这样的实施方式，能够使流过进气管的流体有效地产生旋转流。

在几个实施方式中，上述第一平面和所述第二平面的交叉角处于45°以上 且135°以下的范围。

根据这样的实施方式，能够使流过进气管的流体有效地产生一个方向的 旋转流。

在几个实施方式中，上述第二弯管部的上游侧的中心轴和下游侧的中心 轴的交点与上述叶轮的叶片前缘之间的距离在进气管的管径的五倍以内。

根据这样的实施方式，在第二弯管部在流体中生成的旋转流可被不大幅 度衰减地向外壳内的叶轮供给。

在几个实施方式中，上述第一弯管部的上游侧的中心轴和下游侧的中心 轴的交点与上述第二弯管部的上游侧的中心轴和下游侧的中心轴的交点之间 的距离在进气管的管径的三倍以内。

根据这样的实施方式，在第一弯管部在流体中生成的双涡流可不消失地 到达第二弯管部，在流过第二弯管部的流体中生成旋转流。

在一实施方式中，在从正面侧观察上述叶轮的情况下，叶轮的左右任一 旋转方向和第一弯管部的从上游向下游的左右任一弯曲方向为相同方向。

根据这样的实施方式，在流过第二弯管部的下游侧的流体中，生成向叶 轮的旋转方向的相同方向旋转的正向旋转流。因此，流体的剥离现象伴随叶 轮迎角的减小而被抑制，在小流量区域内的流量动作范围的扩大上特别有效。

在另一实施方式中，在从正面侧观察上述叶轮的情况下，叶轮的左右任 一旋转方向和第一弯管部的从上游向下游的左右任一弯曲方向为相反方向。

根据这样的实施方式，在流过第二弯管部的下游侧的流体中，生成向叶 轮的旋转方向的相反方向旋转的逆向旋转流。因此，叶片负载因叶轮迎角的 增加而增大，能够提高压力比，在大流量区域内特别有利。

这样构成的上述实施方式的流体机械能够特别适合用作对装置小型化、 低成本化的要求强烈的机动车用涡轮增压机的压缩机。

另外，本发明的至少一个实施方式如下，

一种流体机械系统，其特征在于，具备两个技术方案1至8中任意一项 所记载的流体机械，

该流体机械系统包括第一流体机械、第二流体机械、以及用于汇集从所 述第一流体机械及所述第二流体机械供给的压缩流体并使该压缩流体流向下 游的集合管，

在所述第一流体机械及所述第二流体机械这两个流体机械之间，将从正 面侧观察各自的叶轮的情况下的、向外壳供给的流体的旋转方向和叶轮的旋 转方向的关系构成为均为正向或逆向。

根据上述流体机械系统，在并联配置有两个流体机械的流体机械系统中， 能够使向外壳供给的流体的旋转方向及叶轮的旋转方向的关系在两个流体机 械之间相同，因此能够实现两个流体机械间的压缩性能的均匀化。

在几个实施方式中，上述第二流体机械以相对于与第一流体机械的旋转 轴的轴向正交的任意对称轴旋转180°的方式配置，并且构成为使上述第一流 体机械及第二流体机械各自的叶轮的旋转方向在各自的主视下为相同方向。

根据这样的实施方式，能够对第一离心压缩机及第二离心压缩机的叶轮 使用同种类叶轮，因此能够在两个流体机械间进一步实现压缩性能的均匀化。

另外，本发明的至少一个实施方式如下，

一种流体机械系统，其特征在于，具备两个流体机械，包括：

第一流体机械；

第二流体机械，其对从所述第一流体机械供给的压缩流体进一步压缩；

至少所述第二流体机械由技术方案1至8中任意一项所记载的流体机械 构成。

根据上述流体机械系统，在串联配置有两个流体机械的流体机械系统中， 能够通过对第二流体机械的进气管形状进行设计，来提高流体机械系统整体 的性能。

发明效果

根据本发明的至少一个实施方式，能够提供一种流体机械，其包括由配 置在第一平面上的第一弯管部以及在第一弯管部的下游配置在不同于第一平 面的第二平面上的第二弯管部构成的两个弯管部，并且从第一弯管部的上游 端至第二弯管部的下游端具备由相同截面构成的进气管，因此能够利用简单 的进气管形状实现流量动作范围的扩大等性能提升。

附图说明

图1是表示具备本发明一实施方式的离心压缩机的涡轮增压机的概略图。

图2是从A方向观察图1的离心压缩机的图。

图3是从B方向观察图1的离心压缩机的图。

图4是用于对单一弯曲内的二维流进行说明的图(出处：複数個の曲り を持つ曲管路の流動と損失に関する研究(论文中文译名：关于具有多个弯 曲的弯曲管路的流动和损失的研究)(清水幸丸)第17页)。

图5是用于对在呈空间状态弯曲的情况下产生一个方向的旋转流的状况 进行说明的图(出处：複数個の曲りを持つ曲管路の流動と損失に関する研 究(论文中文译名：关于具有多个弯曲的弯曲管路的流动和损失的研究)(清 水幸丸)第19页)。

图6是从压缩机叶轮的正面侧观察一实施方式的离心压缩机的图。

图7是表示本发明一实施方式的流体机械系统的图。

图8(a)是从A方向观察图7的第一离心压缩机的图，(b)是从B方向 观察图7的第二离心压缩机的图。

图9是表示本发明一实施方式的流体机械系统的图。

具体实施方式

以下，基于附图，对本发明的实施方式进行更详细的说明。

但是，本发明的范围不限定于以下实施方式。以下实施方式中记载的结 构部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等，只要没有特别记载，就不是将 本发明的范围仅限定于此的意思，只不过是说明例而已。

另外，在以下的说明中，是以将本发明的流体机械应用于机动车用涡轮 增压机的离心压缩机的情况为例进行说明，但本发明的用途不限定于此。

图1是表示具备本发明一实施方式的离心压缩机10的涡轮增压机1的概 略图。图2是沿着A方向、即后述压缩机叶轮6的轴向从正面侧观察图1的 离心压缩机10的图。图3是从B方向、即与后述第二平面P₂垂直的方向观 察图1的离心压缩机10的图。

如图1所示，涡轮增压机1具备能够旋转地收纳压缩机叶轮6(叶轮)的 压缩机外壳2(外壳)、能够旋转地收纳涡轮机叶轮7的涡轮机外壳3和对能 够旋转地支承旋转轴5的轴承8进行收纳的轴承外壳4。轴承外壳4设置在压 缩机外壳2及涡轮机外壳3之间，与各个外壳固定。

压缩机叶轮6及涡轮机叶轮7分别安装于旋转轴5的两端部。并且，压 缩机叶轮6及涡轮机叶轮7构成为利用从发动机(未图示)排出的废气而使 涡轮机叶轮7旋转，压缩机叶轮6随之进行同轴驱动。另外，用于向压缩机 外壳2供给空气的进气管20与压缩机外壳2的正面侧连接。

如图1所示，本发明一实施方式的离心压缩机10由压缩机外壳2、压缩 机叶轮6及进气管20构成。

如图1～图3所示，进气管20由第一弯管部12、第二弯管部14及直管 部16构成。

第一弯管部配置在第一平面P₁上，第一平面P₁为假想平面。另外，第二 弯管部14配置在第二平面P₂上，第二平面P₂为不同于第一平面P₁的假想平 面。这些第一平面P₁和第二平面P₂以交叉角α相交。

另外，关于第二弯管部14，其上游侧14a的中心轴沿着第一弯管部12 的下游侧12b的中心轴取向，并且其下游侧14b的中心轴在压缩机叶轮6的 正面侧沿着压缩机叶轮6的轴向取向。另外，第二弯管部14的下游端14l与 直管部16的上游端16u连接，该直管部16的下游端16l与压缩机外壳2连接。

并且，在从第一弯管部12的上游端12u至直管部16的下游端16l这一 区间，进气管20的截面形成为相同截面。

根据这样的本实施方式，如图4(a)所示，当空气流过第一弯管部12 时，离心力作用于空气，因而在弯管部的内侧产生负压。并且，如图4(b) 所示，在空气中生成从截面中心侧向外周侧彼此逆向旋转的两个旋转流(双 涡流)。

并且，如图5(a)、(b)所示，当空气进一步流过第二弯管部14时，离 心力作用于空气，因而双涡流中的一方减弱，生成单一的旋转涡流。

该旋转流的旋转方向取决于从正面侧观察压缩机叶轮6情况下的、第一 弯管部12的从上游向下游的弯曲方向。

即，如图6所示，在从正面侧观察压缩机叶轮6的情况下，沿着第一弯 管部12的从上游向下游的弯曲方向生成旋转流。例如，在第一弯管部从上游 向下游朝左侧弯曲的图6(a)所示的实施方式中，生成从正面侧观察压缩机 叶轮6的情况下左旋(逆时针)的旋转流r。另一方面，在第一弯管部12从 上游向下游朝右侧弯曲的图6(b)所示的实施方式中，生成从正面侧观察压 缩机叶轮6的情况下右旋(顺时针)的旋转流r。

以上，根据本发明的至少一个实施方式，能够利用由相同截面形成的简 单的进气管形状使流过进气管20的流体产生一个方向的旋转流，由此能够扩 大流体机械1的流量动作范围。

注意，虽然在图1所示的实施方式中，在第二弯管部14和压缩机外壳2 之间配置有直管部16，但是第二弯管部14的下游端14l也可以与压缩机外壳 2直接连接。

另外，虽然在图1所示的实施方式中，第一弯管部12的下游端12l和第 二弯管部14的上游端14u连接，但是也可以在两者之间配置直管部。

在几个实施方式中，图2所示的第一弯管部12的弯曲角(δ1)处于30° 以上且150°以下的范围，并且，图3所示的第二弯管部14的弯曲角(δ2)处 于45°以上且100°以下的范围。

另外，在上述实施方式中，优选的是，第一弯管部12的弯曲角(δ1)处 于45°以上且90°以下的范围，并且，第二弯管部14的弯曲角(δ2)处于45° 以上且90°以下的范围。

根据这样的实施方式，能够使流过进气管20的流体有效地产生旋转流。

另外，在几个实施方式中，图1所示的第一平面P₁和第二平面P₂的交叉 角α处于45°以上且135°以下的范围。

根据这样的实施方式，能够使流过进气管20的流体有效地产生一个方向 的旋转流。

另外，在几个实施方式中，如图3所示，第二弯管部14的上游侧14a的 中心轴和下游侧14b的中心轴的交点β与压缩机叶轮6的叶片前缘之间的距 离L1在进气管20的管径D的五倍以内。

根据这样的实施方式，在第二弯管部14在空气中生成的旋转流可被不大 幅度衰减地供给到压缩机叶轮6。

另外，此时，若距离L在管径D的三倍以上，则能够充分确保第二弯曲 14和压缩机外壳2的连接空间。

另外，在几个实施方式中，如图3所示，第一弯管部12的上游侧12a的 中心轴和下游侧12b的中心轴的交点γ与上述第二弯管部的上游侧14a的中 心轴和下游侧14b的中心轴交点β之间的距离L2在进气管20的管径D的三 倍以内。注意，在弯管部的制作上，期望确保距离L2至少在1D以上。

根据这样的实施方式，在第一弯管部12在流体中生成的双涡流可不消失 地到达第二弯管部14，在流过第二弯管部14的空气中生成旋转流。

在一实施方式中，在从正面侧观察压缩机叶轮6的情况下，压缩机叶轮6 的左右任一旋转方向和第一弯管部12的从上游向下游的左右任一弯曲方向为 相同方向。例如，在如图6(a)所示的实施方式中，在从正面侧观察压缩机 叶轮6的情况下，第一弯管部12从上游向下游朝右侧弯曲，并且压缩机叶轮 6右旋(顺时针)旋转。

根据这样的实施方式，在流过第二弯管部14的下游的空气中，产生向压 缩机叶轮6的旋转方向R的相同方向旋转的正向旋转流r。因此，流体的剥离 现象伴随叶轮迎角的减小而被抑制，因此在小流量区域内的流量动作范围的 扩大上特别有效。

在另一实施方式中，在从正面侧观察压缩机叶轮6的情况下，压缩机叶 轮6的左右任一旋转方向和第一弯管部12的从上游向下游的左右任一弯曲方 向为相反方向。例如，在图6(b)所示的实施方式中，在从正面侧观察压缩 机叶轮6的情况下，第一弯管部12从上游向下游朝左侧弯曲，并且压缩机叶 轮6右旋(顺时针)旋转。

根据这样的实施方式，在流过第二弯管部14的下游的空气中，产生向压 缩机叶轮6的旋转方向R的相反方向旋转的逆向旋转流r。因此，叶片负载因 叶轮迎角的增加而增大，能够提高压力比，因此在大流量区域内特别有利。

图7是表示本发明一实施方式的流体机械系统100A的图。图8(a)是 从A方向观察图7的第一离心压缩机10A的图，图8(b)是从B方向观察 图7的第二离心压缩机10B的图。

如图7所示，本实施方式的流体机械系统100A具备第一离心压缩机(第 一流体机械)10A及第二离心压缩机(第二流体机械)10B这两个离心压缩 机，第一离心压缩机10A及第二离心压缩机10B为上述本发明的离心压缩机。

并且，如图7及图8(a)、(b)所示，第二离心压缩机10B以相对于与 第一离心压缩机10A的旋转轴5A正交的任意对称轴32旋转180°的方式配置。

另外，图7所示的流体机械系统100A具备用于汇集从第一离心压缩机 10A及第二离心压缩机10B供给的压缩流体并使该压缩流体流向下游的集合 管30，由此，在流体机械系统100A中，第一离心压缩机10A和第二离心压 缩机10B并联配置。

另外，在第一离心压缩机10A及第二离心压缩机10B的旋转轴5A、5B 上分别连接有涡轮机(未图示)。这两个涡轮机使用在各自的主视下向相同方 向(例如顺时针方向)旋转的同种类涡轮机。并且，通过向这些涡轮机导入 废气，第一离心压缩机10A及第二离心压缩机10B的压缩机叶轮6在主视下 分别如箭头R所示地向相同方向旋转。即，第一离心压缩机10A及第二离心 压缩机10B的压缩机叶轮6也能够使用同种类压缩机叶轮。例如，在图8所 示的实施方式中，第一离心压缩机10A及第二离心压缩机10B的压缩机叶轮 6在各自的主视下均右旋(顺时针)旋转。

另外，如上所述，第二离心压缩机10B以相对于与第一离心压缩机10A 的旋转轴5A正交的任意对称轴32旋转180°的方式配置，因此其旋转流的旋 转方向均为相同方向。例如，在图8所示的实施方式中，第一离心压缩机10A 及第二离心压缩机10B在各自的压缩机叶轮6的主视下均生成左旋(逆顺时 针)旋转的旋转流。

根据这样的流体机械系统100A，在并联配置有第一离心压缩机10A及第 二离心压缩机10B这两个离心压缩机(流体机械)的流体机械系统中，能够 使向压缩机外壳2供给的流体的旋转方向r及压缩机叶轮6的旋转方向R的 关系在两个流体机械之间构成为相同，因此能够实现两个流体机械间的压缩 性能的均匀化。

另外，根据这样的流体机械系统100A，能够对第一离心压缩机10A及第 二离心压缩机10B的压缩机叶轮6使用同种类压缩机叶轮，因此能够在两个 流体机械间进一步实现压缩性能的均匀化。

图9是表示本发明一实施方式的流体机械系统100B的图。图9(a)是 整体图，图9(b)是从A方向观察图9(a)的图。

如图9所示，本实施方式的流体机械系统100B具备包括第一离心压缩机 10A的第一涡轮增压机1A和包括第二离心压缩机10B的第二涡轮增压机1B。 注意，图中的箭头e表示废气的流向，箭头s表示供气的流向。

第二涡轮增压机1B的离心压缩机10B位于第一涡轮增压机1A的离心压 缩机10A的下游侧，被供给由第一离心压缩机10A压缩的压缩流体。即，本 实施方式的流体机械系统100B构成为在第二涡轮增压机1B的离心压缩机 10B中对由第一涡轮增压机1A的离心压缩机10A压缩的压缩空气进一步压 缩的、具备低压段涡轮增压机和高压段涡轮增压机的所谓的两段式涡轮增压 机。注意，图中的标记34是用于对通过的空气进行冷却的中间冷却器。

并且，在本实施方式的流体机械系统100B中，相当于高压段涡轮增压机 的第二涡轮增压机1B中的离心压缩机10B至少由上述本发明的离心压缩机 构成。另外，对于第一涡轮增压机1A中的离心压缩机10A，也可以构成为上 述本发明的离心压缩机。

根据这样的流体机械系统100B，在串联配置有第一离心压缩机10A及第 二离心压缩机10B这两个离心压缩机(流体机械)的流体机械系统中，能够 通过对第二离心压缩机10B的进气管20的形状进行如上所述的设计，在向第 二离心压缩机10B的压缩机外壳2供给的空气中生成绕着规定方向的旋转流， 因此能够提高流体机械系统整体的性能。

如以上所详细说明地，根据本发明的至少一个实施方式，能够提供离心 压缩机10等流体机械，其包括由配置在第一平面P₁上的第一弯管部12以及 在第一弯管部12的下游配置在不同于第一平面P₁的第二平面P₂上的第二弯 管部14构成的两个弯管部，并且从第一弯管部12的上游端12u至第二弯管 部14的下游端14l具备由相同截面构成的进气管20，因此能够利用简单的进 气管形状实现流量动作范围的扩大等性能提升。

以上，对本发明的优选方式进行了说明，但本发明不限定于上述方式， 可以进行不脱离本发明的目的的范围内的各种变更。

工业实用性

本发明的至少一实施方式的流体机械能够适合用作离心压缩机、离心鼓 风机等离心流体机械，例如车辆、船舶上搭载的涡轮增压机、涡轮冷冻机等 的离心压缩机。