turbomachine

Abstract

A turbomachine comprises: a housing defining an axial passage which lies along a turbomachine axis, and an annular volute passage; and a bladed wheel between the axial passage and annular volute passage, the wheel being mounted for rotation about the turbomachine axis, wherein radially outermost portions of the blades of the wheel define a surface of revolution of the wheel about the turbomachine axis. The housing further defines a wall, between the axial passage and the annular volute passage, a surface of the wall facing the bladed wheel being configured such that it is swept by blades of the bladed wheel as the bladed wheel rotates. In a plane containing the turbomachine axis, a profile of the surface of the wall is a first curve, the first curve having a first axially extending end adjoining the axial passage and a second radially extending end adjoining the annular passage. In said plane, a profile of the surface of revolution of the wheel is a second curve. A portion of the first curve is defined as a first arc having a first radius about a first centre point. A portion of the second curve is defined as a second arc having a second radius, greater than the first radius, about said first centre point. A separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve, is substantially constant.

Description

Turbomachine

[0001] The present invention relates to a turbomachine having a housing with a wall that has a surface with an advantageous profile. The turbomachine may be a compressor or turbine. The compressor or turbine may form part of a turbocharger.

[0002] Turbochargers are well known devices for supplying air to the intake of an internal combustion engine at pressures above atmospheric pressure (boost pressures) . A conventional turbocharger comprises an exhaust gas driven bladed turbine wheel mounted on a rotatable shaft within a turbine housing. Rotation of the turbine wheel rotates a bladed compressor wheel mounted on the other end of the shaft within a compressor housing. The compressor wheel delivers compressed air to the intake manifold of the engine, thereby increasing engine power. The turbocharger shaft is conventionally supported by journal and thrust bearings, including appropriate lubricating systems, located within a central bearing housing connected between the turbine and compressor wheel housings.

[0003] In known turbochargers, the turbine comprises a turbine chamber within which the turbine wheel is mounted; a circumferentially extending inlet passageway defined between opposing walls arranged around the turbine chamber; an inlet volute arranged around the inlet passageway; and an outlet passageway extending from the turbine chamber. The passageways and chambers communicate such that pressurised exhaust gas admitted to the inlet volute flows through the inlet passageway to the outlet passageway via the turbine and rotates the turbine wheel. It is also known to improve turbine performance by providing vanes, referred to as nozzle vanes, in the inlet passageway so as to deflect gas flowing through the inlet passageway towards the direction of rotation of the turbine wheel.

[0004] The compressor comprises a compressor chamber within which the compressor wheel is mounted; a circumferentially extending outlet passageway defined between opposing walls arranged around the compressor chamber; an outlet volute arranged around the outlet passageway; and an inlet passageway extending from the compressor chamber in a direction generally parallel to the axis of rotation of the turbocharger shaft. The passageways and chambers communicate such that gas at ambient pressure is drawn into the inlet passageway, passes through the compressor chamber and is discharged via the outlet volute at an elevated pressure relative to ambient. Said flow of gas through the compressor is driven by the rotation of the compressor wheel.

[0005] In the turbine, a spacing between a wall of the turbine housing defining the turbine chamber and the blades of the turbine wheel is controlled –the smaller spacing the greater the efficiency of the turbine, however, the spacing should not be too small –if the spacing is too small the turbine wheel may rub on the turbine housing in use. This may result in damage to either or both of the turbine wheel and turbine housing, and / or may impede rotation of the turbine wheel, thereby reducing turbine performance.

[0006] Likewise, in the compressor, a spacing between a wall of the compressor housing defining the compressor chamber and the blades of the compressor wheel is controlled–the smaller spacing the greater the efficiency of the compressor, however, the spacing should not be too small –if the spacing is too small the compressor wheel may rub on the compressor housing in use. This may result in damage to either or both of the compressor wheel and compressor housing, and / or may impede rotation of the compressor wheel, thereby reducing compressor performance.

[0007] Designing the spacing between a wall of a turbomachine housing and the blades of a turbomachine wheel so as to maximise efficiency of the turbomachine whilst preventing the turbomachine wheel from rubbing against the housing can be relatively difficult.

[0008] It is an object of the present invention to provide an improved turbomachine which mitigates or obviates problems with existing turbomachines, whether discussed herein or otherwise. It is an additional object of the invention to provide an alternative turbomachine to those of the prior art. Finally, it is a further object of the invention to provide a turbomachine which further minimises the spacing between a wall of a turbomachine housing and the blades of a turbomachine wheel so as to maximise efficiency of the turbomachine, whilst preventing the turbomachine wheel from rubbing against the housing.

[0009] According to a first aspect of the invention there is provided a turbomachine comprising: a housing defining an axial passage which lies along a turbomachine axis, and an annular volute passage; and a bladed wheel between the axial passage and annular volute passage, the wheel being mounted for rotation about the turbomachine axis, wherein radially outermost portions of the blades of the wheel define a surface of revolution of the wheel about the turbomachine axis; wherein: the housing further defines a wall, between the axial passage and the annular volute passage, a surface of the wall facing the bladed wheel being configured such that it is swept by blades of the bladed wheel as the bladed wheel rotates, in a plane containing the turbomachine axis, a profile of the surface of the wall is a first curve, the first curve having a first axially extending end adjoining the axial passage and a second radially extending end adjoining the annular passage, in said plane, a profile of the surface of revolution of the wheel is a second curve, a portion of the first curve is defined as a first arc having a first radius about a first centre point, and a portion of the second curve is defined as a second arc having a second radius, greater than the first radius, about said first centre point, such that a separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve, is substantially constant.

[0010] A turbomachine according to the invention is more straightforward to design and manufacture whilst minimising the spacing between a wall of a turbomachine housing and the blades of a turbomachine wheel so as to maximise efficiency of the turbomachine, whilst preventing the turbomachine wheel from rubbing against the housing.

[0011] The separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve, may be a minimum separation between the bladed wheel and the surface of the wall.

[0012] The first and second arcs may subtend an angle of between about 10° and about 80°about the first centre point.

[0013] The first and second arcs may subtend an angle of between about 15° and about 35°about the first centre point.

[0014] The separation between a radially outermost point on the blades of the bladed wheel and the surface of the wall may be a wheel maximum radius separation, wherein the wheel maximum radius separation defines a minimum separation between the blades of the bladed wheel and the surface of the wall.

[0015] The wheel maximum radius separation may be a front wheel clearance.

[0016] The minimum separation between the blades of the bladed wheel and the surface of the wall may be equal to said separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve.

[0017] The wheel maximum radius separation may be defined between a minimum separation point on the surface of the wall and the radially outermost point on the blades of the bladed wheel. As the wheel rotates the minimum separation point on the surface of the wall may trace a minimum separation ring on the surface of the wall. Said portion of the first curve may terminate at the minimum separation ring.

[0018] The separation between i) a portion of a tip of a blade of the bladed wheel which is located at the greatest axial distance from said radially outermost point on the blades of the bladed wheel and ii) the surface of the wall, may be a wheel axial maximum separation, wherein the wheel axial maximum separation defines a maximum separation between the surface of revolution of the wheel and the surface of the wall.

[0019] The wheel axial maximum separation may be a radial wheel clearance.

[0020] The turbomachine may be a compressor.

[0021] The housing may be a compressor housing, the axial passage may be an axial inlet passage, the turbomachine axis may be a compressor axis, the annular volute passage may be an annular outlet volute passage, and the bladed wheel may be a compressor wheel.

[0022] The turbomachine may be a turbine.

[0023] The housing may be a turbine housing, the axial passage may be an axial outlet passage, the turbomachine axis may be a turbine axis, the annular volute passage may be an annular inlet volute passage, and the bladed wheel may be a turbine wheel.

[0024] According to a second aspect of the invention there is provided a turbocharger comprising a compressor and / or turbine according the previous aspect of the invention.

[0025] A detailed description of one or more exemplary embodiments of the invention is provided below with reference to the accompanying drawings, in which:

[0026] Figure 1 is a schematic cross-sectional drawing of a known turbocharger;

[0027] Figure 2 shows a schematic cross-sectional view of a portion of a known compressor;

[0028] Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a portion of the known compressor shown in Figure 2, annotated to show a profile of a compressor housing wall in accordance with an embodiment of the present invention;

[0029] Figure 4 shows a schematic cross-sectional view of a portion of a compressor in accordance with an embodiment of the present invention;

[0030] Figure 5 shows a graph plotting compressor efficiency against mass flow parameter at different compressor operating speeds for both a known compressor and a compressor according to an embodiment of the present invention;

[0031] Figure 6 shows a schematic cross-sectional view of a portion of a turbine in accordance with an embodiment of the present invention.

[0032] Figure 1 shows a schematic cross-section through a known turbocharger. The turbocharger comprises a turbine 1 joined to a compressor 2 via a central bearing housing 3. The turbine 1 comprises a turbine wheel 4 for rotation within a turbine housing 5. Similarly, the compressor 2 comprises a compressor wheel 6, of the centrifugal type, which can rotate within a compressor housing 7. The compressor housing 7 defines a compressor chamber within which the compressor wheel 6 can rotate. The turbine wheel 4 and compressor wheel 6 are mounted on opposite ends of a common turbocharger shaft 8, which extends through the central bearing housing 3.

[0033] The turbine housing 5 has two inlet volutes 9 located annularly around the turbine wheel 4, and an axial exhaust gas outlet 10. The inlet volutes 9 are configured to receive exhaust gas from separate cylinder banks of the internal combustion engine. In other known turbine housings, there may be a single inlet volute, instead of two inlet volutes.

[0034] The compressor housing 7 has an axial air intake passage (compressor inlet) 11 and an outlet volute 12 arranged annularly around the compressor chamber. The outlet volute 12 is in gas flow communication with a compressor outlet 13 that delivers the compressed air onwards to an internal combustion engine (not shown) .

[0035] The bearing housing 3 defines a bearing chamber through which the turbocharger shaft 8 passes. The shaft 8 is rotatably supported by a bearing assembly which comprises two journal bearings 14 and 15 housed towards the turbine end and compressor end respectively of the bearing housing 3. Oil is supplied to the bearing assembly from the oil system of the internal combustion engine via oil inlet 18 and is fed to the bearings 14, 15 by oil passageways 19. The oil fed to the bearings 14, 15 may be used to both lubricate the bearings and to remove heat from the bearings.

[0036] An oil-fed thrust bearing is also located within the bearing housing 3 towards the compressor 2. The thrust bearing supports axial loading on the turbocharger shaft when the turbocharger is operating.

[0037] In use, the turbine wheel 4 is rotated about an axis 25 by the passage of exhaust gas from the exhaust gas inlet 9 to the exhaust gas outlet 10. Exhaust gas is provided to exhaust gas inlet 9 from an exhaust manifold (also referred to as an outlet manifold) of the engine. The turbine wheel 4 in turn rotates the compressor wheel 6 which thereby draws intake air through the compressor inlet 11 and delivers boost air to an inlet manifold of the engine via the volute 12 and then the outlet 13.

[0038] The compressor chamber is defined between a shroud portion 17 of the compressor housing 7 and a hub portion 20 of the bearing housing 3. The compressor housing 7 shown in Figure 1 may be formed as a one-piece (i.e. integral) unit including the shroud portion 17, although in alternative embodiments may comprise multiple components. The shroud portion 17 has an inwardly facing shroud surface 21 that is circularly symmetric about the rotational axis 25.

[0039] The compressor includes "a map width enhanced" (MWE) structure –an inner annular wall and radial apertures through the inner wall. The embodiment of the invention relating to a compressor discussed below is described with reference to a compressor with an MWE structure. However, the invention applies both to compressors with an MWE structure and those without.

[0040] Figure 2 shows a schematic cross-sectional view through of a portion of the compressor 2 of the known turbocharger shown in Figure 1. As previously discussed, the compressor 2 comprises a compressor housing 7 having a shroud portion 17 which has an inwardly facing shroud surface 21.

[0041] The compressor wheel 6 includes a plurality of radially extending blades 6a which extend from a central hub 6b. The radially outermost portions of the blades 6a of the wheel 6 define a surface of revolution of the wheel 6 as the wheel rotates about the turbomachine axis.

[0042] The shroud portion 17 of the housing 7 includes a wall 17a which is defines a surface 21 which faces the wheel 6 and which is configured such that, in use, the surface 21 is swept by the blades 6a of the compressor wheel 6 as the wheel 6 rotates. When it is said that the surface 21 is swept by blades 6a of the compressor wheel 6, what is meant is that the blades move adjacent to and, in close proximity to, the surface such that they move along or around the surface 21 without contacting the surface 21. In some types of turbomachine, the turbomachine may include a rotating wheel and / or housing which are formed from material which is abradable. In these cases, in use, the rotating turbomachine wheel and turbomachine housing may contact, causing material from the wheel and / or housing to be removed by abrasion. However, once such abrasion has occurred, the blades of the turbomachine wheel will move adjacent to and, in close proximity to, the surface of the turbomachine housing such that they move along or around the surface without contacting the surface.

[0043] The cross section shown in Figure 2 is taken through a plane containing the turbomachine axis. The surface 21 of the wall 17a has a profile indicated by dashed line and arrows P1 which is a first curve. The first curve has a first axially extending end 30 adjoining the axial inlet passage 11, and a second radially extending end 32 which adjoins the annular outlet passage. Where it is said that the first end 30 is an axially extending end, what is meant is that either, as is the case in the present example, the end extends parallel to the turbomachine axis, or that it extends in a direction which has a component which extends parallel to the turbomachine axis. Likewise, where it is said that the second end 32 extends radially, what is meant is either that the end extends perpendicular to the turbomachine axis, or, as is the case in the present example, the end extends in a direction which has a component which is perpendicular to the turbomachine axis.

[0044] Within the plane of Figure 2 the surface of revolution of the wheel 6 has a profile, indicated by dash-dot line and arrows P2, which is a second curve.

[0045] A portion (indicated generally by the arrows P1) of the first curve of the profile of the wall 17a is defined as a first arc (i.e. portion of a circle) having a constant first radius about a first centre point C2.

[0046] A portion (generally indicated by the arrows P2) of the second curve of the profile of the surface of revolution of the wheel 6 is defined as a second arc (i.e. portion of a circle) having a constant second radius about a second centre point C1. The surface 21 of the wall 17a and the surface of revolution of the blade 6a of the wheel 6 define a clearance therebetween. The clearance at any position on the surface 21 or on the surface of revolution of the wheel is defined as the shortest distance between said position on the surface 21 or on the surface of revolution of the wheel and the other of the surface 21 and the surface of revolution of the wheel. The clearance may have an axial component, a radial component or both axial and radial components.

[0047] In addition, any position on the surface 21 of the wall 17a or on the surface of revolution of the wheel 6 may be said to have a radial or axial separation from the other of the surface 21 or surface of revolution. This radial or axial separation determined by measuring the radial or axial distance, respectively, between the wall surface 21 and surface of revolution at the position concerned.

[0048] In the embodiment of known compressor shown in Figure 2, the maximum clearance between the surface of revolution of the wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a is a radial wheel clearance (RWC) , which is located at a leading edge of the blades 6a of the wheel 6. As the name suggests, the radial wheel clearance is a radial (perpendicular to the turbomachine axis) distance. In the present example, the radial wheel clearance is 1.5 millimetres.

[0049] In the embodiment of compressor shown in Figure 2, the minimum clearance between the surface 21 of the wall 17a and the surface of revolution of the wheel is a clearance between the trailing edge of the blades of the wheel and the surface 21 of the wall. This clearance may be referred to as the front wheel clearance (FWC) . The front wheel clearance is, in the present case, measured as an axial distance between a trailing edge tip of the blades of the wheel and the surface 21 of the wall 17a.

[0050] In the present example, the front wheel clearance FWC is an axial distance located adjacent to the radial / circumferential outlet passage, and the radial wheel clearance RWC is located within the axial inlet passageway 11.

[0051] Given that, in the present example, the clearance between the wall surface 21 and surface of revolution of the wheel 6 is a minimum at the trailing edge of the wheel 6 (i.e. at the front wheel clearance FWC, and the maximum clearance between the surface of revolution of the wheel 6 and the wall surface 21 is a maximum at the leading edge of the wheel 6 (i.e. at the radial wheel clearance RWC) there is a transition between the clearance at the front wheel clearance FWC and radial wheel clearance RWC. In order to determine this clearance transition within existing compressors (and hence the profile or the housing wall surface relative to the profile of the surface of revolution of the compressor wheel) , what happens, for ease of design, is that the profile of the curve of the surface of revolution of the wheel 6 is fixed and, when designing the profile of the surface 21 of the wall 17 the centre point of the first arc (i.e. the first centre point C2) is moved radially outwards as compared to the centre point of the second arc (i.e. the second centre point C1) .

[0052] In the present example, the radius of the first arc which defines said portion of the first curve of the profile of the surface 21 is the same as the radius of the second arc which defines the second curve of the profile of the surface of revolution of the wheel 6. However, in other examples, this need not be the case.

[0053] Utilising the same radius for the first and second curves, but a centre point for the first curve which is located radially outboard of the centre point for the second curve provides a relatively straightforward means of design which facilities a relatively close fit between the housing wall 17 and the blades 6a of the compressor wheel 6, but sufficient clearance to prevent the wheel 6 from rubbing against the compressor housing 7 due to movement / manufacturing tolerances in relation to the thrust bearing (which is relevant in the axial direction and therefore to the front wheel clearance FWC) and manufacturing tolerances and movement within the journal bearing, as well as effects such as centrifugal growth, thermal growth, and resonant modes causing tilt in the turbocharger shaft as it is rotating (which is relevant in the radial direction and hence to the radial wheel clearance RWC) .

[0054] However, as previously discussed, designing the geometry of the surface of the wall of the compressor housing relative to the surface revolution of the compressor wheel in this manner will result in a clearance between the wall of the compressor housing and the surface of revolution of the compressor wheel which transitions or changes such that it increases as you move axially towards the compressor inlet 11 from the trailing edge of the compressor wheel for second end 32 of the first curve, where the front wheel clearance FWC is located.

[0055] The applicant has determined that by utilising a new design scheme for the wall of the compressor housing relative to the surface of revolution of the compressor wheel, better performance can be achieved whilst at the same time providing sufficient clearance to prevent rubbing between the wheel and the housing, and facilitating a more straightforward method of design. This is discussed in more detail below with reference to Figure 3.

[0056] Figure 3 shows an equivalent cross-section to that shown within Figure 2, whereby the cross-section is that of the known compressor shown in Figure 2, but annotated to show a profile of the surface of the wall of a compressor in accordance with an embodiment of the present invention. The equivalent features show within Figure 3 have been given the same reference numerals for those used in Figures 1 and 2.

[0057] The profile of the surface of the wall 17a of the known compressor shown in Figure 2 is annotated on to Figure 3 as a dotted line.

[0058] The first curve of the profile of the surface of the wall of a compressor according to an embodiment of the present invention is annotated on to Figure 3 as a dashed line. A portion (indicated generally by P1’ ) of the first curve is defined as a first arc having a first radius R1 about the first centre point C1. The second curve of the profile of surface of revolution of the compressor wheel is annotated on to Figure 3 as a dot-dashed line. A portion (indicated generally by arrows labelled P2) of the second curve is defined as a second arc having a second radius R2, greater than the first radius R1, about the first centre point C1.

[0059] In light of the first and second arcs having the same centre point C1, the separation (or clearance) between i) the portion of the surface 21 of the wall 17a defined by the said portion (indicated generally be arrows P1’ ) of the first curve and ii) the portion (indicated generally by the arrows P2) of the surface of revolution of the wheel 6 defined by the said portion of the second curve, is substantially constant.

[0060] By substantially constant, what is meant is that the separation / clearance is intended to be constant. It is acknowledged that, due to machining defects and / or manufacturing tolerances it is possible that there may be minor deviations from said constant separation / clearance.

[0061] It will be appreciated that the invention merely requires that a portion of the first curve is defined as the relevant first arc, and that a portion of the second curve is defined as the relevant second arc. As such, the remainder of the first and second curves, other than the referred to portions, may take any appropriate form.

[0062] Designing the wall of the compressor housing and the compressor wheel such that the relevant portions of the first and second curves are both defined as arcs about the same centre point may facilitate more straightforward design and / or manufacture of the compressor.

[0063] Furthermore, as can be seen most clearly in Figure 3 by comparing the known wall profile shown in dotted line with the wall profile in accordance with an embodiment of the present invention shown in dashed line, designing the wall of the compressor housing and the compressor wheel such that the relevant portions of the first and second curves are both defined as arcs about the same centre point results in the clearance between the wall portion in the region P1’a nd the surface of revolution in the region P2 being reduced. This reduced clearance results in an increase in the efficiency of the compressor as it reduces the ability of the fluid passing through the compressor to slip between the housing wall and the compressor wheel.

[0064] In addition, by designing the wall of the compressor and the wheel such that the relevant portions of the first and second curves share the same centre point (but have different radii) results in, as previously discussed, the separation between the relevant portions of the surface of the wall and the surface of revolution of the wheel 6 being constant. It has been found that the constant separation results in an increase in the efficiency of the compressor. Without wishing to be bound by theory, it is thought that the increase in efficiency, which will be discussed in more detail below, may be due to improved aerodynamic performance, for example by minimising losses due to turbulent flow at the interface between the blades of the compressor wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a.

[0065] It should be noted that when comparing the design of the surface of the housing wall relative to the surface of revolution of the wheel 6 of the present invention to that which exists within known compressors, the difference is very subtle, yet, as discussed in more detail below, results in a gain in efficiency of the compressor. In particular, when comparing the design of the present invention with that of existing compressors, care must be taken not to misconstrue schematic figures within prior art documents which appear to show a housing and a compressor wheel in accordance with the present invention (i.e. having the required first and second arcs with a common centre point, resulting in the required substantially constant separation) . That is to say, a prior art document will only disclose the design of the present invention if it unambiguously mentions that the housing wall and surface of revolution of the wheel have portions which are defined by respective arcs having a common centerpoint.

[0066] Furthermore, the design of the turbomachine according to the present invention is more than a mere matter of design choice as it results in an improvement in the performance of the turbomachine as is discussed in more detail below.

[0067] Figure 5 shows a graph of compressor efficiency against mass flow parameter for a compressor having the known geometry discussed in relation to Figure 2 as compared to the compressor geometry according to the present invention discussed in relation to Figures 3 and 4. The results for the known compressor geometry as discussed in relation to Figure 2 are indicated by the reference numeral K. The results for the compressor design in accordance with the present invention as discussed in relation to Figures 3 and 4 are indicated by the reference numeral I.

[0068] It can be seen that the graph shows seven corresponding pairs of curves (one curve in each pair relating to the known compressor design and one curve in each pair relating to the compressor design in accordance with the present invention) . Each pair of curves relates to a different speed of rotation of the compressor wheel. That is to say, for each pair of curves, the speed of rotation of the wheel for each member of the pair is the same, but is different to the speed of rotation for curves which are not members of the relevant pair of curves. The speed of rotation of the compressor wheel of each pair of curves increases the further to the right of the graph at the relevant pair of curves is located. In other words, each point on the same curve has been measured at the same speed of rotation of the wheel, but has a different value of mass flow parameter.

[0069] The exact speed of rotation of the compressor wheel at which each pair of curves has been obtained is not of critical importance to understanding the invention. However, it can be noted that, within the third pair of curves from the left, the design of compressor according to the present invention has resulted in an increase in approximately 0.2%in the maximum efficiency of the compressor; and, in the fourth pair of curves from the left, the design of compressor according to the present invention has resulted in a 0.4%increase in maximum efficiency of the compressor.

[0070] Returning now to Figure 4, this Figure shows an alternative, enlarged view of a portion of the compressor shown in Figure 3. Features of the compressor shown within Figure 4 which are equivalent to those shown in Figure 3 are given the same reference numerals. Of key importance, the first centre point is labelled C1, the front wheel clearance is labelled FWC and the radial wheel clearance is labelled RWC. The Figure shows a plurality of sectors and their corresponding arcs. Each of the arcs subtends a different angle from a radial line extending from the first centre point C1 through the front wheel clearance FWC. For each arc the separation between the surface 21 of the wall 17a of the housing and the surface of revolution of the blades 6a of the wheel 6 are shown.

[0071] The angle subtended by the arcs shown within the Figure increase as you move from the front wheel clearance FWC towards the radial wheel clearance RWC –or, put another way, the angles subtended by the arcs within the Figure increase as you move from the annular volute passage or from the second end of the first curve towards the axial passage or first end of the first curve. In the Figure, there is an increase in angle subtended by the arcs as you move clockwise. The angles of the arcs are marked on the figure in degrees.

[0072] Whist the front wheel clearance FWC shown on the figures is an axial clearance between the surface 21 of the wall and the surface of revolution of the wheel 6, in other examples the front wheel clearance may be a clearance measured perpendicular to the surface of the wall or a clearance measured perpendicular to the surface of revolution of the wheel. In such examples, where the surface of the wall and the surface of revolution of the wheel are parallel to one another at the location of the front wheel clearance, the front wheel clearance will be perpendicular to both the surface of the wall and the surface of revolution of the wheel.

[0073] It can be seen that the clearance between the surface 21 of the wall and the surface of revolution of the wheel 6 at the front wheel clearance FWC is X (the exact measurement is not provided so as to keep specific details, rather than the general quantities required to understand the invention, confidential. However, by way of example, X may be about 0.2 millimetres) . This clearance remains constant at X as the angle subtended by the arcs within the Figure increases until the angle subtended by the arc is 47.6° -this arc is indicated by the reference numeral M in order to aid clarity. As the angle subtended by the arcs within the Figure increases beyond this point the separation between the wall surface and surface of revolution of the wheel increases from X to a maximum of X + 52%of X at the radial wheel clearance RWC.

[0074] It can be seen that the angle subtended between the front wheel clearance FWC and the radial wheel clearance RWC about the first centre point C1 is approximately 73°. In the present case, the RWC can be said to occur, when travelling from the radial passageway towards the axial passageway, at the position at which the wall 21 of the housing has a profile which is parallel to the compressor axis. The RWC can also be said to occur, when travelling from the radial passageway towards the axial passageway, at the point at which the clearance between the wheel and the surface of the wall reaches its maximum.

[0075] Given that the separation between the wall of the housing and the surface of revolution of the wheel is substantially constant between the front wheel clearance FWC and an angle subtended of approximately 48° from the front wheel clearance FWC, it is clear that, with regards to the claimed invention, the portion of the first curve is a first arc extending from the position on the wall at which the front wheel clearance FWC is located to a position along the surface of the wall which subtends an angle of approximately 48° from the position on the wall at which the front wheel clearance FWC is located. Likewise, the portion of the second curve is defined as a second arc which extends from a position on the surface of revolution of the compressor wheel at which the front wheel clearance FWC is located to a position on the surface of revolution of the compressor wheel which subtends an angle of approximately 48° from the position on the surface of revolution of the compressor wheel at which the front wheel clearance FWC is located. It follows, in the embodiment of the present invention shown, the first and second arcs subtend an angle of approximately 48°. In other embodiments, the first and second arcs may subtend any appropriate angle. For example, the angle subtended by the first and second arcs may be between about 10°and about 80° about the first centre point. More preferably, it has been found that the risk of the compressor wheel rubbing against the compressor housing is further reduced if the angle subtended by the first and second arcs about the first centre point is between about 15° and about 35°.

[0076] Furthermore, in the present embodiment, the first and second arcs extend from the front wheel clearance FWC position. However, in other embodiments, this need not be the case –the first and second arcs may be spaced from the positions on the wall surface and surface of revolution of the compressor wheel, respectively, at which the front wheel clearance FWC is located.

[0077] The radially outermost point on the blades 6a of the compressor wheel 6 is indicated within Figure 4 by the reference numeral RO. A separation between the radially outermost point RO on the blades 6a of the compressor wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a may be referred to as a wheel maximum radius separation. The wheel maximum radius separation may define a minimum separation between the blades 6a of the compressor wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a. The wheel maximum radius separation may be referred to as the front wheel clearance FWC.

[0078] The minimum separation between the blades 6a of the compressor wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a is equal to the separation between: i) the portion of the surface of the wall defined by the first arc portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by the second arc portion of the second curve. That is to say, the substantially constant separation between the portion of the surface of the wall defined by the first arc portion of the first curve and the portion of the surface of revolution of the wheel defined by the second arc portion of the second curve is equal to the minimum separation between the blades of the compressor wheel and the surface of the wall.

[0079] A wheel maximum radius separation is defined between a radially outermost point RO on the blades 6a of the compressor wheel 6 and a minimum separation point MS on the surface 21 of the wall 17a. As the wheel 6 rotates, the minimum separation point reference numeral MS on the surface 21 of the wall 17a traces a minimum separation ring on and around the surface 21 of the wall 17a. It will be appreciated that the previously discussed portion of the first curve (which is defined by the first arc having first radius R1 about the first centre point C1) may be defined as terminating at the minimum separation ring.

[0080] Figure 4 has been annotated to show at GA a portion of a tip 6b of a blade 6a of the compressor wheel 6 which is located at the greatest axial distance (i.e. distance running from right to left within the figure) from said radially outermost point reference numeral RO on the blades 6a to the compressor wheel 6. The portion GA may be defined as the portion of the tip of the blade which is located closest to the compressor inlet at an end of the axial passageway. The separation between the portion GA of the compressor wheel and the surface 21 of the wall 17a may be referred to as a wheel axial maximum separation. The wheel axial maximum separation defines a maximum separation between the surface of revolution of the compressor wheel 6 and the surface 21 of the wall 17a. The wheel axial maximum separation may be referred to as the radial wheel clearance reference RWC.

[0081] Within the embodiment of the invention described in relation to Figures 2 to 4, the turbomachine described is a compressor. In this capacity, the housing referred to is a compressor housing, the axial passage described is an axial inlet passage, the turbomachine axis is a compressor axis, the annular volute passage is an annular outlet volute passage and the bladed wheel is a compressor wheel.

[0082] However, it will be appreciated that the present invention may apply equally to a turbine.

[0083] Figure 6 shows a schematic cross section of a portion of a turbine 1 to which the present invention has been applied. As already discussed in relation to Figure 1, the turbine 1 comprises a turbine wheel 4 mounted to a turbocharger shaft. The turbine has a turbine housing 5 which has two inlet volutes 9 located annually around a radial inlet passage which surrounds the turbine wheel 4. The turbine housing 5 also defines an axial exhaust gas outlet 10.

[0084] It follows that, in accordance with the invention, when it is applied to a turbine, the relevant housing is a turbine housing 5, the relevant axial passage is the axial outlet passage 10, the turbine machine axis is a turbine axis, the annual volute passage is an annular inlet volute passage 9 and the relevant bladed wheel is a turbine wheel 4.

[0085] In this way the turbine housing 5 defines a wall 5a, between the axial outlet passage 10 and the annular volute inlet passage 9; and it is the wall 5a of the turbine housing which is swept by blades 4a of the turbine wheel 4 as the turbine wheel rotates.

[0086] In an equivalent manner to the embodiment previously described relating to a compressor, in the presently described embodiment, in a plane containing the turbine axis (i.e. the plane of the cross section shown within Figure 6) a profile of the surface of the wall 5a is a first curve. The first curve has a first axially extending end 30’ which adjoins the axial outlet passage 10. The first curve also has a second radially extending end 32’ which adjoins the radial inlet passage (and annular volute inlet passage 9) . In the plane shown within Figure 6, a profile of a surface of revolution of the turbine wheel 4, as defined by its blades, is a second curve. In order to aid understanding, the first curve has been annotated onto the figure as a dashed line and the second curve has been annotated onto the figure as a dash-dot line.

[0087] A portion of the first curve (which is indicated generally by the arrows P1’ ’ ) is defined as a first arc having a first radius about a first centre point C1’ . A portion (which is indicated generally by the arrows P2’ ) of the second curve is defined as a second arc having a second radius, greater than the first radius about the first centre point C1’ . In this manner, as of the case for the previously discussed embodiment, a separation between the portion of the surface of the wall defined by said portion (indicated generally by P1’ ’ ) of the first curve, and 2 the portion of the surface of revolution of the wheel 4 defined by said portion (indicated generally by P2’ ) of the second curve is substantially constant.

[0088] For completeness, the front wheel clearance and radial wheel clearance in the embodiment shown in Figure 6 have also been annotated onto the figure as FWC’a nd RWC’ respectively. It will be noted that, as with the compressor embodiment, the front wheel clearance FWC’ is located adjacent to the annular (or radial) passageway (i.e. at the second radially extending end of the first curve) and the radial wheel clearance RWC’ is located adjacent to the axial passage (i.e. at the first axially extending end of the first curve) .

[0089] Benefits of the invention discussed above in relation to the ease of manufacture and design of a compressor in accordance with the present invention and increase performance of a compressor designed in accordance with the present invention apply mutatis mutandis to a design of turbine in accordance with the present invention.

[0090] It will be appreciated that although the compressor described in relation to the first embodiment of the invention, and the turbine described in relation to the second embodiment of the invention each form part of a turbocharger, this need not be the case. The present invention relates to any appropriate turbomachine, for example a compressor or turbine, whether said turbomachine forms part of a turbocharger or not.

Claims

A turbomachine comprising:a housing defining an axial passage which lies along a turbomachine axis, and an annular volute passage; anda bladed wheel between the axial passage and annular volute passage, the wheel being mounted for rotation about the turbomachine axis, wherein radially outermost portions of the blades of the wheel define a surface of revolution of the wheel about the turbomachine axis; wherein:the housing further defines a wall, between the axial passage and the annular volute passage, a surface of the wall facing the bladed wheel being configured such that it is swept by blades of the bladed wheel as the bladed wheel rotates,in a plane containing the turbomachine axis, a profile of the surface of the wall is a first curve, the first curve having a first axially extending end adjoining the axial passage and a second radially extending end adjoining the annular passage,in said plane, a profile of the surface of revolution of the wheel is a second curve,a portion of the first curve is defined as a first arc having a first radius about a first centre point, anda portion of the second curve is defined as a second arc having a second radius, greater than the first radius, about said first centre point, such thata separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve, is substantially constant.A turbomachine according to claim 1, wherein the first and second arcs subtend an angle of between about 10° and about 80° about the first centre point.A turbomachine according to any preceding claim wherein the separation between a radially outermost point on the blades of the bladed wheel and the surface of the wall is a wheel maximum radius separation, wherein the wheel maximum radius separation defines a minimum separation between the blades of the bladed wheel and the surface of the wall.A turbomachine according to claim 3, wherein the minimum separation between the blades of the bladed wheel and the surface of the wall is equal to said separation between i) the portion of the surface of the wall defined by said portion of the first curve, and ii) the portion of the surface of revolution of the wheel defined by said portion of the second curve.A turbomachine according to claim 3 or claim 4, wherein the wheel maximum radius separation is defined between a minimum separation point on the surface of the wall and the radially outermost point on the blades of the bladed wheel, and wherein as the wheel rotates the minimum separation point on the surface of the wall traces a minimum separation ring on the surface of the wall, and wherein said portion of the first curve terminates at the minimum separation ring.A turbomachine according to any preceding claim, wherein the separation between i) a portion of a tip of a blade of the bladed wheel which is located at the greatest axial distance from said radially outermost point on the blades of the bladed wheel and ii) the surface of the wall, is a wheel axial maximum separation, wherein the wheel axial maximum separation defines a maximum separation between the surface of revolution of the wheel and the surface of the wall.A turbomachine according to any preceding claim, wherein the turbomachine is a compressor.A turbomachine according to claim 7, wherein the housing is a compressor housing, the axial passage is an axial inlet passage, the turbomachine axis is a compressor axis, the annular volute passage is an annular outlet volute passage, and the bladed wheel is a compressor wheel.A turbomachine according to any of claims 1 to 6, wherein the turbomachine is a turbine.A turbomachine according to claim 9, wherein the housing is a turbine housing, the axial passage is an axial outlet passage, the turbomachine axis is a turbine axis, the annular volute passage is an annular inlet volute passage, and the bladed wheel is a turbine wheel.A turbocharger comprising a compressor or turbine according to any of claims 7 to 10.

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