具有轮毂球的高扩散涡轮机叶轮的制作方法

专利名称：具有轮毂球的高扩散涡轮机叶轮的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及涡轮增压器，更具体地讲，涉及具有带有特定形状轮毂的涡轮机叶轮的轴流式涡轮机。
背景技术：
参见图1，典型的涡轮增压器101具有径流式涡轮机，该增压器包括一个涡轮增压器壳体和转子，转子被设计成在所述涡轮增压器壳体内在推力轴承和两套轴颈轴承(各自用于相应的转子轮)，或者替换地，在其他类似的支撑轴承上沿转子旋转的轴线103旋转。所述涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105，压缩机壳体107，和将所述涡轮机壳体连接在所述压缩机壳体上的轴承壳体109(S卩，容纳所述轴承的中央壳体)。所述转子包括大体上位于所述涡轮机壳体内部的涡轮机叶轮111，大体上位于所述压缩机壳体内部的压缩机叶轮113， 和沿所述转子旋转的轴线延伸、穿过所述轴承壳体、将所述涡轮机叶轮连接在所述压缩机叶轮上的轴115。涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111构成了涡轮机，该涡轮机被设计成周向接收来自发动机，例如，来自内燃机125的排气歧管123的高压和高温废气流121。所述涡轮机叶轮(并因此所述转子)是通过所述高压和高温废气流驱动而绕所述转子旋转的轴线103旋转的，所述高压和高温废气流变成为低压和低温的废气流127，并且被轴向释放进入排气系统 (未示出)。压缩机壳体107和压缩机叶轮113构成了压缩机级。通过由废气驱动的涡轮机叶轮111驱动旋转的压缩机叶轮被构造成将轴向接收的进入的空气(例如，环境空气131，或来自多级压缩机的前一级的已加压空气)压缩成增压空气流133，该气流从所述压缩机中周向喷射出。由于所述压缩过程，所述增压空气流的特征在于其温度高于所述进入的空气。任选地，所述增压空气流可被引导通过对流冷却充量空气冷却器135，该冷却器被设计成消散来自所述增压空气流的热量，从而提高其密度。所得到的冷却的和增压的输出空气流137被输送到所述内燃机上的进气歧管139，或者替换地，输送到串联压缩机的后续的级。该系统的运行是通过E⑶151 (发动机控制器)控制的，该控制器通过通讯连接153 与该系统的其余部分连接。被以全文形式通过引用并入本文的日期为1989年7月25日的美国专利4，850， 820，披露了一种类似于图1的涡轮增压器，不过，它具有轴流式涡轮机。所述轴流式涡轮机固有地具有更小的转动惯量，这减少了加速所述涡轮机所需的能量。参见图2，所述涡轮机具有在所述涡轮机叶片的半径处周向接收废气并且(参考图1)轴向限制该流动以将其转变成轴流的涡形管(参见图1)。因此，废气沿大体上的轴向方向冲击所述涡轮机叶片的前缘 (参见第2栏)。对于很多感兴趣的涡轮机尺寸来说，轴流式涡轮机一般以比相当的径流式涡轮机更高的质量流和更低的膨胀比运行。虽然会损失一些效率和性能，不过常规轴流式涡轮机一般提供较低的惯量，其缺陷是不能够以能用于很多现代内燃机的小尺寸高效地生产。例如，这是由于需要异常严格的公差，由于空气动力学限制，和/或由于生产小型铸造部件的尺寸限制。轴流式涡轮机还不能在较高膨胀比下运行良好，通常由于内燃机排气的脉冲性质需要这种能力。另外，常规轴流式涡轮机在其叶片上具有明显的静压变化，从而导致在转子的推力轴承上具有明显的推力载荷，并有可能导致窜漏(blowby)。在某些常规涡轮增压器上，涡轮机和压缩机被设计成沿相反方向施加轴向载荷， 以便减少必须由所述轴承承载的平均轴向载荷。不过，来自所述涡轮机和压缩机的轴向载荷彼此不是相等地改变，因此可能在差别很大的水平上，所以，所述推力轴承必须被设计用于在涡轮增压器使用期间可能出现的最大的载荷条件。被设计成支撑高轴向载荷的轴承， 与相当的低载荷轴承相比，会浪费更多的能量，因此，必须支撑较高轴向载荷的涡轮增压器由于其轴承，会损失更多的能量。因此，存在对一种具有低转动惯量的涡轮增压器的涡轮机的需求，其特征在于其小尺寸不需要过于严格的公差，同时，在较小和较大的膨胀比下都具有合理的效率，并且， 具有较小的轴向载荷。本发明的优选实施方案满足了上述和其他要求，并且提供了其他相关的优点。

发明内容
在各种实施方案中，本发明解决了上文提到过的某些或所有需求，以便提供了成本效率高的涡轮增压器的涡轮机，其特征在于低转动惯量，并且具有不需要过于严格的公差的小的尺寸，同时，在较小和较大的膨胀比下都以合理的效率运行，并且，仅具有小的静载荷变化。本发明提供了一种涡轮增压器，它被设计成接收来自被设计成在一定范围的标准运行状况下运行的发动机的废气流，并且将进入的空气压缩成增压空气流。上述涡轮增压器包括包含涡轮机壳体的涡轮增压器壳体，和转子，该转子被设计成在所述涡轮增压器壳体内沿转子旋转的轴线旋转。所述转子包括轴向涡轮机叶轮，压缩机叶轮，和沿所述转子旋转的轴线延伸并且将所述涡轮机叶轮连接在压缩机叶轮上的轴。所述涡轮机叶轮被设计成具有轮毂和多个轴向涡轮机叶片，这些涡轮机叶片被设计成当所述涡轮增压器从周向方向接收来自所述发动机的废气流时，绕所述转子旋转的轴线旋转驱动所述转子。所述压缩机叶轮被设计为将进入的空气压缩成所述增压空气流。有利的是，所述涡轮机壳体形成了向内螺旋的涡轮机主涡形管通道，该通道的特征在于足够大的径向收缩以使废气加速，以便将涡轮机接收的废气总压力的很大一部分转化成动压。这使得适当设计的叶片能够从所述废气提取很大量的能量，而又不会明显改变在所述涡轮机叶片上的静压力。由于在所述涡轮机叶片上的大体上未改变的静压，所述废气流对所述转子施加的轴向压力很少或没有。所述涡轮机叶轮叶片具有轴向上游边缘，轴向下游边缘，轮毂端，和与所述轮毂端相对的顶端。所述后缘的特征在于所述轮毂端处的半径和所述顶端处的半径。本发明的一个特征是位于所述涡轮机叶轮后缘的轮毂端处的半径不超过所述涡轮机叶轮后缘的顶端处的半径的60%。其他特征包括所述涡轮机叶轮叶片的数量局限于16个或更少，并且每一个都具有大的转角的特征。优选的是，以上特征用于从沿高度圆周方向接收的高速废气中提取的大量的能量，而又不会明显影响所述废气的静压。另外，所述涡轮机叶轮不需要极严格的生产公差或小的叶片尺寸，即使是当所述叶轮是以较小的尺寸生产的时。本发明的其他特征是，所述压缩机可以是双侧的、平行的、径向压缩机，其包括具有背对背取向的叶轮片的压缩机叶轮，所述叶轮片包括沿轴向方向背离所述涡轮机的第一组叶轮片和轴向朝向所述涡轮机的第二组叶轮片。所述压缩机壳体被设计成将进入空气平行引导至每一组压缩机叶片。优选的是，在这个特征下，所述压缩机被设计成大体上不会在所述转子上产生轴向载荷。通过与同样对所述转子施加的轴向载荷很少或没有的涡轮机组合，推力轴承载荷水平可显著低于常规涡轮增压器。所述较低的轴承载荷水平允许使用更高效的推力轴承，并一次提高所述涡轮增压器的整体效率。通过结合附图对优选的实施方案所做的以下详细说明，可以了解本发明的其他特征和优点，附图以举例形式说明了本发明的原理。下面提供的使得技术人员能够构建和利用本发明的实施方案的对具体优选的实施方案的详细说明，不是用于限定所列举的权利要求的，相反，它们是作为要求保护的发明的特定例子。


图1是现有涡轮增压内燃机的系统示意图。图2是体现本发明的一种涡轮增压器的剖视平面图。图3是图2所示涡轮增压器沿图2中线A-A的侧剖视图。图4是相对图2所示涡轮机叶轮的某些关键流动位置的平面图。图5是图2所示涡轮机叶片的曲面的示意图。图6是图2所示涡轮机叶轮的透视图。
具体实施例方式通过参考以下详细说明，能够更好地理解上文概括的以及在所列举的权利要求中限定的发明，阅读以下说明时应当结附图。下面提供的使得技术人员能够构建和使用本发明的具体实施方式
的本发明特定的优选的实施方案的详细说明不是用于限定所列举的权利要求的，相反，意在提供它们的特定例子。本发明的典型实施方案在于装配有汽油动力内燃机(“ICE”)和涡轮增压器的汽车。涡轮增压器装配了不同的特征组合，这些特征在各种实施方案中，可提供具有50%反作用涡轮机的几何学益处的零反作用涡轮机的空气动力学益处，和/或通过以减小轴承需求的方式组合效率较低的部件以提供明显改善的系统，并且因此形成了比相当的未改善的系统具有更高效率的系统。所述涡轮机被设计成在较小和较大的膨胀比下都以合理的效率运行，在所述涡轮机叶轮上仅具有小的静压变化(并因此具有小的转子推力载荷)，同时，它具有低转动惯量， 并且其特征在于具有小的尺寸，但是不需要特别严格的公差。与此结合，所述压缩机特征也在于低轴向推力载荷，从而使涡轮增压器能要求这样的推力轴承该推力轴承比用于相当的常规涡轮增压器的推力轴承具有明显更高的效率。参见图2和3，在本发明的第一个实施方案中，为如图1所示的典型的内燃机和 ECU (以及任选的中间冷却器)，设置有涡轮增压器201，它包括涡轮增压器壳体和转子，转子被设计成在所述涡轮增压器壳体内沿转子旋转的轴线203在一组轴承上旋转。所述涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体205，压缩机壳体207，和连接涡轮机壳体与压缩机壳体的轴承壳体209 (即，容纳径向和推力轴承中间壳体)。所述转子包括大体上位于所述涡轮机壳体内部的轴向涡轮机叶轮211，大体上位于所述压缩机壳体内部的径向压缩机叶轮213，和沿所述转子旋转的轴线延伸、穿过所述轴承壳体、将所述涡轮机叶轮连接在所述压缩机叶轮上并且使所述涡轮机叶轮能驱动所述压缩机叶轮绕所述旋转的轴线旋转的轴215。涡轮机壳体205和涡轮机叶轮211构成了涡轮机，涡轮机被设计成周向接收来自内燃机的排气歧管的高压和高温废气流(如来自废气歧管123的废气流121，参见图1)。所述涡轮机叶轮(及该转子)被作用在所述涡轮机叶轮的多个叶片231上的高压和高温废气流驱动，绕所述转子旋转的轴线203旋转。所述废气流在通过所述叶片的同时变为低总压废气流，随后通过涡轮机出口 227轴向释放到排气系统(未示出)。压缩机壳体207和压缩机叶轮213构成了径向压缩机。被废气驱动的涡轮机叶轮 211 (通过轴轴215)驱动旋转的压缩机叶轮，被设计成将轴向接收的进入的空气(例如，环境空气，或来自多级压缩机的前一级的业已增压的空气)压缩成增压空气流，该气流可以从所述压缩机中周向喷出，并且输送到发动机入口(如增压空气流133被输送到发动机入口 139，参见图1)。涡轮机蜗壳
涡轮机壳体205构成了通向主涡形管通道219的废气进入通道217，主涡形管通道被设计成沿垂直于、并且径向偏离于转子旋转轴线203的方向接收来自所述发动机的废气流。 所述主涡形管通道形成了适合将所述废气流加速至高速度的螺旋形，该高速至少在所述涡轮机(及其相关的发动机)的某些运行状况下是超音速。更具体地讲，所述主涡形管通道使所述废气同时绕旋转轴线203向内地且朝向轴向涡轮机叶轮211轴向地转向，以便实现(对于所述发动机的某些标准运行状况而言)具有下游轴向分量221和下游周向分量223的超声速流。这种构造有效利用角动量守恒(而不是缩放喷嘴)来获高速空气流，至少在某些运行状况下该高速空气流可无激波地过渡到超音速速度。一般地，需要以大的半径变化为特征的螺旋形来实现这种速度变化，并且即使所得到的空气流被转向成轴向进入轴向涡轮机叶轮，它也具有极高速度的周向分量。这种周向分量是在不使用导向叶片的情况下获得的，导向叶片会导致额外的损失。因此，该实施方案的涡轮机入口是无导向叶片设计。与有导向叶片的设计相比，这种设计有利地是成本效率高的、可靠的(因为它消除了在环境中容易腐蚀的某些部件)，避免了摩擦压力损失，并且避免形成在某些运行状况下可能阻塞所述气流的喉部临界截面积。参见图2-4，在所述主涡形管通道的内径中的所述被加速的废气流的可能的超音速流被导入涡轮机叶轮211。更具体地讲，所述主涡形管通道是内向螺旋的通道，其特征在于将主涡形管通道连接在废气进入通道217上的主涡形管入口 225。所述主涡形管通道大体上形成了收敛的通道，该通道向内充分螺旋，并且充分收敛，以便将所述废气加速，并且， 当所述废气向轴向下游转向并且冲击在叶片231的轴向的上游端233时，至少在所述发动机(以及所述涡轮增压器)的某些标准运行状况下获得超音速。主涡形管入口 225是沿所述涡轮机内的通道定位的平坦位置，所述废气通过该通道运动后到达所述涡轮机叶轮。所述主涡形管入口的位置是关于该通道中的开口确定的， 该开口的特征在于从沿垂直于转子旋转轴线203的剖开的剖面上看具有舌样的形状。更具体地讲，从图3所示剖面上看，舌235的结构表现为具有顶端的突出部。应当指出的是，在某些实施方案中，当所述截面取在不同的轴向位置形成时，该结构的形状不会改变。在其他实施方案中，形成舌235的结构可以成形为，以便当在不同的轴向位置形成的截面内观察时，所述舌顶端的位置发生改变。主涡形管入口 225位于舌235的顶端。不管所述舌的顶端的周向位置在何种程度上随着所考虑的截面的轴向位置而改变，主涡形管入口 225都限定在所述舌的顶端的最上游位置，即，所述壳体处于开放的最上游位置，以便它不再径向介于所述废气流和叶片之间 (即使所述叶片是轴向偏离于所述废气流的)。对于本申请的目的来说，主涡形管入口 225 被限定为位于所述舌的顶端的、从废气进入通道217进入主涡形管通道219的最小的平面开口。换句话说，它在所述废气进入通道的下游端位于所述气流能够接触到所述叶片的位置。主涡形管通道219始于主涡形管入口 225，并且绕所述旋转轴线向内旋转360°， 以便形成再结合进入主涡形管入口 225的气流的收敛回路。该收敛回路对所述废气进行周向加速，并使之转向为轴向。在主涡形管通道219的整个360°范围内，所述加速的并转向的废气流冲击在叶片231上，从所述叶片之间通过，并且驱动所述涡轮机叶轮211旋转。总之，所述轴向涡轮机叶轮的壳体形成了环绕所述转子旋转的轴线的向内螺旋的主涡形管通道。它始于大体上位于所述叶片的轴向上游端的径向外部的主涡形管入口 225， 使得通道能向内螺旋并转向成轴向，从而对进入所述轴向涡轮机叶轮叶片上游端的废气流进行加速。校正的质量流量
在本发明中为了实现对所述废气的适当的加速水平，主涡形管通道219被设计成具有这样的尺寸参数，使得当所述涡轮机以临界膨胀比(Era)运行时，所述涡轮机的校正的质量流率表面密度超过临界配置参数，即，临界校正的质量流率表面密度(Dra)。更具体地讲，所述涡形管尺寸参数包括主涡形管半径比(G)和主涡形管入口面积(ai)，并且将这些参数选择为使得当所述涡轮机以临界膨胀比(Ect)运行时，所述涡轮机的校正的质量流率表面密度超过临界配置参数Dra。所述尺寸参数是相对主涡形管入口 225定义的，它被描述为质心 237。为了对所述气体进行轴向足够加速，该质心大体上位于每一个叶片231的轴向上游端 233的径向外部，并且，一般位于其轴向的上游。上面提及的某些项目的值取决于用于驱动涡轮机的废气体流的类型。该废气体流用Boltzmarm常数(k)，和气体常数R-specific (Rsp)来表征。所述常数根据气体类型改变，但对于大部分汽油发动机废气来说，预计差别很小，所述常数通常在k = 1.3和Rsp = 290.8 J/kg/K的数量级上。能够加速所述废气的所述涡轮机壳体由上述两种尺寸参数表征。第一种尺寸参数，是主涡形管半径比被定义为位于涡轮机叶片231的前缘(即，位于转子入口的内缘) 的轮毂上的点239的半径，除以主涡形管入口 225的平面面积的质心237的半径。第二种尺寸参数，是主涡形管入口面积ai;被定义为主涡形管入口 225的面积。如上文所述，涡轮机的该实施方案的几何形状是相对临界膨胀比Ect下的工作参它随着主涡形管半径比G而变化。对于任何给定的涡轮机来说，用于给定出口静压的一种稳态入口条件(S卩，一种入口总压)确实能够以给定的膨胀比如临界膨胀比Ect驱动所述涡轮机。蜗壳几何形状的变化，例如，所述半径比G和/或主涡形管入口面积 的改变可以改变以给定的临界膨胀比驱动涡轮机的稳态质量流率，并会因此影响相关的校正的质量流率表面密度。如果适当选择所述主涡形管半径比和主涡形管入口面积，即可使在以临界膨胀比 Era驱动时的主涡形管入口 225处的校正的质量流率表面密度超过所述临界的校正的质量流率表面密度D 。虽然所述主涡形管半径比、主涡形管入口面积和主涡形管入口处的校正的质量流率表面密度之间的关系是复杂的，并且虽然它们通常是通过实验方法确定的，但是应当指出的是，对于相同的入口面积来说较大的半径比会导致较高的校正的质量流率表面密度。在设计本发明涡轮机的迭代法中，本领域技术人员可首先选择要从发动机中接收的废气组成，查询(根据现有的气体特性资源)相关的Boltzmarm常数k和气体常数Rsp，并且计算临界膨胀比Ε 。然后设计涡轮机的第一种构造。该涡轮机包括如上文所述的蜗壳，具有从切线方向转向到轴向方向的内螺旋的通道，和轴向涡轮机叶轮。该设计用第一主涡形管半径Krri 和第一主涡形管入口面积an。构建雏形，将其放到气体竖管(gas stand)上并且利用选择的废气运行。提高入口总压，直到计算的膨胀比达到临界膨胀比Era。该膨胀比是根据入口的总压和出口的静压计算的。测量稳态质量流率m，总涡轮机入口温度T，和总入口压力Pi。根据测得的数据，通过以下公式计算校正的质量流率表面密度
权利要求
1.一种涡轮增压器，其被设计成接收来自被设计成在一定范围的标准运行状况下运行的发动机的废气流，并且将进入的空气压缩成增压空气流，包括壳体，其包括涡轮机壳体；和转子，其被设计成沿转子旋转的轴线在所述壳体内旋转，所述转子包括轴向涡轮机叶轮、压缩机叶轮、和沿所述转子旋转的轴线延伸并且将所述涡轮机叶轮连接在压缩机叶轮上的轴；其中，所述涡轮机叶轮被设计成具有轮毂，并且具有多个轴向涡轮机叶片，所述涡轮机叶片被设计成当所述涡轮增压器接收来自所述发动机的废气流时，驱动所述转子绕所述转子旋转的轴线旋转，所述叶片具有轴向上游边缘、轴向下游边缘、轮毂端、和与所述轮毂端相对的顶端；其中，所述压缩机叶轮被设计成当所述转子被所述涡轮机叶轮驱动绕所述转子旋转的轴线旋转时，将所述进入的空气压缩成所述增压空气流；其中，所述涡轮机壳体形成了转向到轴向方向的向内螺旋的涡轮机主涡形管通道；和其中，所述涡轮机叶轮轮毂在所述叶片前缘处比在所述叶片后缘处径向更大，其中，所述涡轮机叶轮轮毂在所述前缘和后缘之间的中间轴向位置比在所述前缘或后缘处径向更大。
2.如权利要求1的涡轮增压器，其中，所述涡轮机壳体形成了向内螺旋的涡轮机主涡形管通道，该通道的特征在于主涡形管入口是用位于所述叶片的轴向上游端的径向外部的质心来表征。
3.如权利要求2的涡轮增压器，其中所述后缘用所述轮毂端的半径和所述顶端的半径来表征；和位于所述涡轮机叶轮后缘的轮毂端的半径不超过所述涡轮机叶轮后缘的顶端的半径的 60%ο
4.如权利要求3的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂处的叶片转向角大于或等于45°。
5.如权利要求4的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂和所述顶端之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80°。
6.如权利要求3的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂和所述顶端之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80°。
7.如权利要求1的涡轮增压器，其中所述涡轮机壳体形成了向内螺旋的涡轮机主涡形管通道；和其中，所述涡轮机被设计成至少在所述标准运行状况范围内的某些运行状况下，将叶轮上游的靠近所述叶轮的轮毂的静压限制为不超过所述涡轮机的出口静压的120%的值。
8.如权利要求7的涡轮增压器，其中所述后缘用所述轮毂端的半径和所述顶端的半径来表征；和位于所述涡轮机叶轮后缘的轮毂端的半径不超过所述涡轮机叶轮后缘的顶端的半径的 60%ο
9.如权利要求8的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂处的叶片转向角大于或等于45°。
10.如权利要求9的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂和所述顶端之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80°。
11.如权利要求8的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述轮毂和所述顶端之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80°。
12.如权利要求1的涡轮增压器，其中所述后缘用所述轮毂端的半径和所述顶端的半径来表征；和位于所述涡轮机叶轮后缘的轮毂端的半径不超过所述涡轮机叶轮后缘的顶端的半径的 60%ο
全文摘要
一种涡轮增压器，包括涡轮机叶轮，其轮毂-到-顶端比不超过60%，并且叶片具有大转向角，涡轮机壳体形成了向内螺旋的主涡形管通道，该通道显著收缩，以产生以大周向角进入所述涡轮机的高度加速的空气流，还包括两个侧面平行的压缩机。所述压缩机和涡轮机各自基本上不产生轴向力，允许使用最少的轴向推力轴承。
文档编号F02B37/00GK102220900SQ20111009651
公开日2011年10月19日 申请日期2011年4月18日 优先权日2010年4月19日
发明者J. 埃利奥特 T., 凯尔斯 V. 申请人:霍尼韦尔国际公司