专利名称：轴流式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，涉及具有低毂尖比的轴流式涡轮机。
背景技术：
参考图1，典型的具有径流式涡轮机的涡轮增压器101包括涡轮增压器壳体和构造为在涡轮增压器壳体内沿转子旋转轴线103在止推轴承和两组轴颈轴承上转动的转子 (每个相应的转子叶轮对应一组轴颈轴承)，或者替选地，在其它类似的支撑轴承上转动。 涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105，压缩机壳体107，以及将涡轮机壳体连接至压缩机壳体的轴承壳体109(也就是容纳轴承的中心壳体)。转子包括基本上位于涡轮机壳体内的涡轮机叶轮111，基本上位于压缩机壳体内的压缩机叶轮113，以及沿转子旋转轴线延伸并穿过轴承壳体以将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮的轴115。涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成这样一种涡轮机，其构造为沿周向接收来自发动机例如来自内燃机125中排气歧管123的高压和高温排气流121。高压和高温的排气流驱动涡轮机叶轮(以及转子)绕转子旋转轴线103旋转，其变成低压和低温的排气流 127并沿轴向释放到排气系统(未示出)中。压缩机壳体107和压缩机叶轮113形成压缩机级。由被排气驱动的涡轮机叶轮 111驱动旋转额压缩机叶轮被构造为将轴向接收到的进气(例如环境空气131，或来自多级压缩机中前级的已压缩空气)压缩成加压气流133，该加压气流133从压缩机的周向排出。 由于该压缩过程，加压气流的特征在于温度高于输入空气的温度。任选地，加压空气流可被引导通过对流冷却进气空气冷却器135，冷却器135构造成用于消散加压气流的热量，增加其密度。得到的经冷却和加压的输出气流137被导入内燃机上的进气歧管139，或者替选地，被导入串连压缩机的下一级。该系统的运行由E⑶ 151(发动机控制单元)控制，其经由通信线路153连接至该系统的其余部分。事实上通过引用并入本文的日期为1989年7月25日的美国专利US4，850，820公开了一种类似于图1但是具有轴流式涡轮机的涡轮增压器。轴流式涡轮机本身具有较小的转动惯量，这节省了加速涡轮机所需能量。如图2所示，涡轮机具有涡形管，其沿周向在涡轮机叶片半径处接收排气并(参见图1)并且在轴向上限制气流转变为轴向流动。从而它基本上沿轴向撞击涡轮机叶片的前边缘(参见第2栏)。对于许多所感兴趣的涡轮机尺寸，与相当的径流式涡轮机相比，轴流式涡轮机通常以更高的质量流量和更小的膨胀比运行。虽然常规的轴流式涡轮机尽管具有一些效率和性能损失，通常还是提供了较小的惯性，但是它们不能高效地被制造成能在众多现代内燃机上使用的小尺寸。更确切地说，例如，由于所需要的特别严格的公差，由于空气动力学限制，和/或由于生产小型铸件的尺寸限制。轴流式涡轮机也没有能力很好地以较高的膨胀比运行，而这些较高的膨胀比是由于内燃机的排气的脉冲特性而通常需要的。此外，常规轴流式涡轮机的横过叶片的静压具有显著变化，从而引起很大的推力负载作用在转子的止推轴承上，并有可能引起窜气。
在一些常规的涡轮增压器中，涡轮机和压缩机被构造为沿相反的方向施加轴向负载从而减少必须由轴承承载的平均轴向负载。然而，来自涡轮机和压缩机的轴向负载彼此间并不均勻变化，有可能以显著不同的水平变化，因此必须以涡轮增压器使用期间可能发生的最大负载状态设计止推轴承。配置为承受高负载的轴承比相当的低负载轴承浪费更多的能量，因此必须承受更高轴向负载的涡轮增压器被它们的轴承夺去更多的能量。因此，需要这样一种涡轮增压器涡轮机，其具有低转动惯量，以不需要特别严格的公差的小尺寸为特征，同时在较低和较高膨胀比时都具有合理的效率，并具有较小的轴向负载。本发明的优选实施例满足这些和其它需要，并进一步提供相关优点。
发明内容
在不同的实施例中，本发明解决了上面提到的一些或全部需求，通常提供了一种节约成本的涡轮增压器涡轮机，其以低转动惯量为特征，并且具有不需要特别严格的公差的小尺寸，同时在较低和较高膨胀比时都具有合理的效率水平，且静态负载只有小的变化。本发明提供这样一种涡轮增压器，其构造为从发动机接收排气流并将进气压缩为加压气流，其中所述发动机被构造为在标准运行工况范围内运转。该涡轮增压器包括包括涡轮机壳体的涡轮增压器壳体，以及构造为在涡轮增压器壳体内沿转子旋转轴线转动的转子。该转子包括轴流式涡轮机叶轮，压缩机叶轮，和沿转子旋转轴线延伸连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴。涡轮机叶轮具有毂，和多个构造为当涡轮增压器从周向接收来自发动机的排气流时驱动转子绕转子旋转轴线转动的轴流式涡轮机叶片。压缩机叶轮构造为将进气压缩成加压气流。有利地，涡轮机壳体形成向内螺旋的涡轮机主涡形管通道，其特征在于半径明显减小到足以加速排气，以使涡轮机接收到的排气的总压的很大一部分转变为动压。这使得恰当构造的叶片能够从排气抽取非常大的能量而不明显改变穿过涡轮机叶片的静压。穿过涡轮机叶片的静压基本上没有改变，因而排气流对转子施加少到几乎没有的轴向压力。涡轮机叶轮叶片具有轴向上游边缘，轴向下游边缘，毂端，和与毂端相对的尖端。 后边缘的特征在于毂端处的半径和尖端处的半径。本发明的特征在于涡轮机叶轮后边缘的毂端处的半径不大于涡轮机叶轮后边缘的尖端处半径的60%。另外的特征包括涡轮机叶轮叶片的数目限定为16个或更少，并且每一个涡轮机叶轮叶片的特征在于大的转向角。有利地，这些特征用于从沿高度周向的方向接收到的高速排气中抽取大量能量而不会显著地影响气体的静压。此外，涡轮机叶轮不需要极其严格的制造公差或小的叶片尺寸，即使是在叶轮以相对小的尺寸制造时。本发明进一步的特征是，压缩机可以是一种双侧的、并列的、径向压缩机，其包括具有背对背定向的叶轮片的压缩机叶轮，其中所述叶轮片包括轴向背离涡轮机的第一组叶轮片和轴向面对涡轮机的第二组叶轮片。压缩机壳体构造为将进气并行地导向到每组压缩机叶片。有利地，在该特征下，压缩机构造为基本上不对转子产生轴向负载。在与也仅对转子产生很少或不产生轴向负载的涡轮机结合时，止推轴承负载水平可比常规涡轮增压器小很多。较小的轴承负载水平使得能够使用更高效的止推轴承，从而提高涡轮增压器的整体效率。通过下面结合附图对优选实施例的详细描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中附图以举例的方式对本发明的原理进行了解释。如下公开的使本领域技术人员能建造和使用本发明实施例的对特定优选实施例的详细描述，并不是为了限制列举的权利要求，相反，它们旨在用作要求保护的本发明的特定示例。
图1是现有技术中涡轮增压式内燃机的系统图。图2是实施本发明的涡轮增压器的横截面平面图。图3是图2中所示的涡轮增压器沿图2中A-A线截取的横截面侧视图。图4是相对于图2中所示的涡轮机叶轮某些关键流动位置的平面图。图5是图2中所示涡轮机叶片的拱曲的图示。图6是图2中所示的涡轮机叶轮的透视图。
具体实施例方式通过参阅下面的详细描述可更好地理解如上概述的和由所列权利要求限定的本发明，下面的详细描述应该结合附图阅读。下面对本发明的具体优选实施例的详细描述是为了使本领域技术人员能够构造和使用本发明的具体实施方式
，其不是意在限制所列权利要求，而是旨在提供它们的具体实施例。本发明的典型实施例设置在配备有汽油提供动力的内燃机(“ICE”)和涡轮增压器的机动车辆中。涡轮增压器具有独特的特征组合，该特征组合在不同的实施例中可为零反作用涡轮机的空气动力学优点提供百分之五十反作用涡轮机的几何学优点，和/或通过以减小轴承要求的方式组合较低效的部件来提供显著改善的系统效率，从而形成一种比相当的未改善的系统效率更高的系统。涡轮机构造为在较低和较高膨胀比下都以合理的效率水平工作，穿过涡轮机叶轮时静压只有小变化(因此造成低的转子推力负载)，同时它具有低的转动惯量，和以小尺寸为特征，但是不需要特别严格的公差。与此相结合，压缩机的特征也在于低的轴向推力负载，从而使得该涡轮增压器需要一种比在相当的常规涡轮增压器中使用的止推轴承明显更高效的止推轴承。参考图2和3，在本发明的第一实施例中，如图1中所示的典型内燃机和ECU (和任选的中冷器)设置有包括涡轮增压器壳体和构造为在涡轮增压器壳体内在一组轴承上沿转子旋转轴线203转动的转子的涡轮增压器201。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体205，压缩机壳体207，以及连接涡轮机壳体和压缩机壳体的轴承壳体209(即，容纳径向和止推轴承的中心壳体)。转子包括基本上位于涡轮机壳体内的轴向涡轮机叶轮211，基本上位于压缩机壳体内的径向压缩机叶轮213，以及沿转子旋转轴线延伸的轴215，该轴穿过轴承壳体以连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮并用于使涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮绕旋转轴线转动。涡轮机壳体205和涡轮机叶轮211形成这样一种涡轮机，其构造为沿周向接收来自发动机排气歧管的高压高温排气流(例如来自如图1中所示的排气歧管123的排气流 121)。作用在涡轮机叶轮的多个叶片231上的高压高温排气流驱动涡轮机叶轮(从而转子)绕转子旋转轴线203转动。排气流通过叶片的同时变成总压降低的排气流，随后经涡轮机出口 227沿轴向释放到排气系统(未示出)中。
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压缩机壳体207和压缩机叶轮213形成径向压缩机。被由排气驱动的涡轮机叶轮 211(经轴215)驱动旋转的压缩机叶轮构造为，将轴向接收到的进气(例如，环境空气，或来自多级压缩机中前级压缩过的空气)压缩成加压空气流，该加压空气流可从压缩机的周向排出，然后输送到发动机进气口(例如，图1中所示的输送到发动机进气口 139的加压空气流 133)。涡轮机蜗壳涡轮机壳体205形成通向主涡形管通道219的排气入口通道217，其中主涡形管通道构造为沿与转子旋转轴线203垂直并径向偏离于转子旋转轴线203的方向接收来自发动机的排气流。主涡形管通道形成适于使气流显著加速到高速的螺旋形，对于涡轮机(以及与其相关的发动机)的至少某些运行工况来说该高速可能达到超音速。更具体地，主涡形管通道使气流同时向内绕旋转轴线203和轴向地对着轴流式涡轮机叶轮211转向，从而实现(对于发动机的某些标准运行工况)同时具有下游轴向分量221和下游周向分量223的超音速流。这种构造有效利用角动量守恒(而非收敛扩散喷管)获得至少对于某些运行工况来说包括到超音速的无激波过渡的高速气流。通常，需要以大的半径变化为特征的螺旋形以实现这样的速度变化，并且即使最终气流轴向地转向地进入轴流式涡轮机叶轮中，它也具有速度非常高的周向分量。无需使用会引起附加损失的转向叶片即可获得该周向分量。从而，本实施例的涡轮机进口为无转向叶片设计。与有转向叶片的设计相比，如此设计的优点是成本经济、可靠 (因为去除了在环境中有可能被侵蚀的部件)，避免摩擦压力损失，同时避免产生在某些运行工况下有可能阻塞流动的临界喉部区域。参考图2-4，在主涡形管通道的内径中的加速排气流的潜在超音速流被引导到涡轮机叶轮211中。更具体地，主涡形管通道是一个向内螺旋的通道，其特征在于具有连接该主涡形管通道和排气入口通道217的主涡形管进口 225。主涡形管通道基本上形成为收敛通道，其向内螺旋和收敛到足以加速排气，并至少对于发动机(及其涡轮增压器)的某些标准运行工况来说，当排气向下游轴向转向、并撞击到叶片231的轴向上游端233时达到超音速。主涡形管进口 225是平面位置，其沿着排气到达涡轮机叶轮之前所行进通过的涡轮机内的通道设置。相对于通道中的开口确定主涡形管进口 225的位置，该开口的特征在于在垂直于转子旋转轴线203的横截面中观察时为舌状形状。更具体地，在图3的横截面视图中，舌状物235表现为具有尖端的突起。应该注意的是，在一些实施例中，在不同的轴向位置截取横截面时该结构的形状不会发生变化。在其它实施例中，形成舌状物235的结构可以如此成形，以使舌状物尖端的位置在从不同的轴向位置截取的横截面中观察时有变化。主涡形管进口 225位于舌状物235的尖端处。无论舌状物的尖端的周向位置随所考虑的横截面的轴向位置的变化程度如何，主涡形管进口 225限定在舌状物尖端的最上游位置处，即，最上游位置，壳体在该最上游位置开放从而它不再径向地夹在排气流和叶片之间(即使叶片与排气流轴向错开)。为了这种应用目的，将主涡形管进口 225限定为，在舌状物235的尖端处，从排气入口通道217进入主涡形管通道219的最小平面开口。换句话说，它位于排气入口通道的下游端处的这样的位置在该位置处气流能够到达叶片。主涡形管通道219起始于主涡形管进口 225，并环绕旋转轴线向内螺旋360度以形成与进入主涡形管进口 225的气流重新交汇的收敛环。该收敛环使排气沿周向加速并使其轴向地转向。在主涡形管通道219的整个360度上，加速且转向的排气流撞击叶片231，随之从叶片间穿过，并驱动涡轮机叶轮211旋转。概括来说，用于轴流式涡轮机叶轮的壳体形成环绕转子旋转轴线向内螺旋的主涡形管通道。该通道始于基本上位于叶片轴向上游端的径向外部的主涡形管进口 225，从而使该通道能向内螺旋并轴向转向以加速进入轴流式涡轮机轮叶的上游端的排气流。修正质量流量为了在本发明下实现对排气进行足够程度的加速，主涡形管通道219构造为具有这样的尺寸参数，当涡轮机在临界膨胀比率(EJ下运转时，涡轮机的修正质量流率表面密度超出临界构造参数，即，临界的修正质量流率表面密度(DJ。更具体地，该涡形管的尺寸参数包括主涡形管半径比率og和主涡形管进口面积( ),如此选择所述尺寸参数，使得当涡轮机在临界膨胀比率Ect下运转时，涡轮机的修正质量流率表面密度超过临界构造参数D。r。相对于主涡形管进口 225确定这些尺寸参数，主涡形管进口 225以质心237表征。 为了使气体沿轴向充分加速，该质心基本上位于每个叶片231的轴向上游端233的径向外部并且通常位于其轴向上游。上面列举的某些项的数值取决于驱动涡轮机的排气流气体类型。这种排气流气体将用玻尔兹曼常数(k)，和气体常数R-Specific(Rsp)。这些常数随气体类型而变化，但是对于大部分汽油提供动力的发动机排气，这种区别可以预见是小的，这些常数通常量级大约为 k = 1. 3 和 Rsp = 290. 8J/Kg/K。具有如上所述的两个尺寸参数特征的涡轮机壳体能够使排气加速。这样确定第一个尺寸参数即主涡形管半径比率将涡轮机叶片231前边缘(即，转子入口的内边缘处) 处的毂上的点239处的半径，除以主涡形管进口 225的平面区域的质心237的半径。第二个尺寸参数即主涡形管进口面积％被限定为是主涡形管进口 225的面积。如上所述，该实施例中涡轮机的几何尺寸是相对于临界膨胀比率Ect时的运行参数确定的。从下面的公式获得临界膨胀比率
权利要求
1.一种构造为从发动机接收排气流并将进气压缩为加压气流的涡轮增压器，其中所述发动机被构造为在一系列标准运行工况下运转，该涡轮增压器包括包括涡轮机壳体的壳体；以及构造为在所述壳体内沿转子旋转轴线转动的转子，该转子包括轴流式涡轮机叶轮、压缩机叶轮、和沿转子旋转轴线延伸并将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮的轴；其中涡轮机叶轮构造为具有毂，还具有多个轴流式涡轮机叶片，所述多个轴流式涡轮机叶片构造为当涡轮增压器从发动机接收到排气流时驱动转子绕转子旋转轴线转动，所述叶片具有轴向上游边缘、轴向下游边缘、毂端、和与毂端相对的尖端，后边缘的特征在于毂端处的半径和尖端处的半径；其中压缩机叶轮构造为，当转子被涡轮机叶轮驱动绕转子旋转轴线转动时将进气压缩为加压气流；其中涡轮机壳体形成沿轴向方向转向的向内螺旋涡轮机主涡形管通道；并且其中涡轮机叶轮后边缘毂端处的半径不大于涡轮机叶轮后边缘尖端处的半径的60%。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂处的叶片转向角大于或等于45度。
3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂处的前边缘叶片角大于或等于20度。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂处的前边缘叶片角大于或等于30度。
5.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂和尖之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80 度；以及每个涡轮机叶片的特征在于中间半径处的前边缘叶片角大于或等于20度。
6.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂处的前边缘叶片角大于或等于30度，并且中间半径处的前边缘叶片角大于或等于30度。
7.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂和尖之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80度。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于尖处的叶片转向角大于或等于45度。
9.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于尖处的叶片转向角大于或等于45度。
10.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于毂和尖之间的中间半径处的叶片转向角大于或等于80度。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于中间半径处的前边缘叶片角大于或等于20度。
12.如权利要求10所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于尖处的叶片转向角大于或等于45度。
13.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于尖处的叶片转向角大于或等于45度。
14.如权利要求13所述的涡轮增压器，其中每个涡轮机叶片的特征在于尖处的前边缘叶片角大于或等于-20度。
15.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中涡轮机叶轮被限定为不多于20个叶片。
16.如权利要求15所述的涡轮增压器，其中涡轮机叶轮被限定为不多于16个叶片。
17.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中涡轮机叶轮叶片从涡轮机叶轮毂形成悬臂。
18.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中涡轮机被构造为将叶轮毂附近叶轮上游的静压限定为这样一个值，该值不大于所述一系列标准运行工况的至少部分运行工况下的涡轮机出口静压的120%。
19.一种涡轮增压的内燃机系统，包括构造为接收加压气流和产生排气流的发动机，该发动机被构造为在一系列标准运行工况下运转；以及如权利要求1所述的涡轮增压器，该涡轮增压器被构造为，当发动机在标准运行工况下运转时从该发动机接收排气流，并将进气压缩成发动机所接收的加压气流。
20.如权利要求19所述的涡轮增压的内燃机系统，其中向内螺旋主涡形管通道基本上形成收敛通道，所述收敛通道向轴向下游转向并且向内螺旋到足以在所述一系列标准运行工况范围的至少部分运行工况下使进气在到达涡轮机叶轮叶片的上游边缘时达到超音速。
全文摘要
本发明涉及轴流式涡轮机叶轮。一种涡轮增压器，包括毂尖比不大于60％的涡轮机叶轮和有很大转向角的叶片，形成向内螺旋的主涡形管通道的涡轮机壳体，其中该通道显著收敛从而产生以很大周向角进入涡轮机内的高度加速气流，以及双侧并列的压缩机。压缩机和涡轮机基本上都不产生轴向力，从而允许使用最小的轴向止推轴承。
文档编号F01D5/14GK102220883SQ20111014188
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·A·洛特曼, V·凯尔斯 申请人:霍尼韦尔国际公司