具有噪声控制的涡轮增压器叶轮的制作方法
【专利摘要】本发明涉及具有噪声控制的涡轮增压器叶轮。涡轮增压器涡轮叶轮包括一个轮毂和多个叶片。轮毂的质心和多个叶片的质心都在旋转轴线上。叶片圆周地间隔开，使得它们是旋转地不对称的。每对连续的叶片以间隔角度为特征。与旋转轴线相交并正交于旋转轴线的线限定对称面，并且间隔角度横跨对称面是对称的。
【专利说明】具有噪声控制的涡轮增压器叶轮
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于涡轮增压器的叶轮，更具体地涉及一种汽车涡轮增压器叶轮，其具有以限制可听范围内的噪声的生成的角度间隔开的叶片。
【背景技术】
[0002]径流式汽车涡轮机通常配置有入口蜗壳，废气流在该入口蜗壳中盘旋，以驱动涡轮机叶轮的叶片。在围绕其中排气流首先对涡轮机叶轮放开的蜗壳的位置，存在其中叶片从紧靠周围的蜗壳壁转到远离蜗壳壁的结构特征。由于该特征在截面中的外观，所以有时它被称为舌部。
[0003]汽车涡轮增压器常常具有大约七到十八个涡轮机叶片。在较低的叶片数量范围内，并且在典型的涡轮机旋转速率时，叶片可以在人类可听范围内的频率经过舌部。这产生不合需要的嗡嗡噪声。
[0004]该问题的一个解决方案是增加叶片的数量，诸如对于较小的汽车涡轮增压器从十一到十三个叶片。这使叶片在典型的操作速度时以高于人类可听范围的频率经过舌部。不幸的是，叶片数量的增加可导致数个不合需要的后果。例如，叶片的增加可导致制造更昂贵的叶轮(由于材料的增加和由于加工成本的增加)。此外，由于在每个叶片的基部存在较小空间用于圆角，所以叶片支撑被削弱，导致不太耐用的涡轮机叶轮。此外，由于叶轮可能具有较大的转动惯量，所以诸如在发动机瞬态操作状况期间对排气压力的变化不太响应。
[0005]存在对耐用的有成本效益的涡轮机叶轮的需求，其使不合需要的噪声最小。本发明的优选实施例满足这些及其他的需求，并提供另外的相关的优点。
【发明内容】
[0006]在各种实施例中，本发明解决上述需求中的有些或全部需求，以提供使不合需要的噪声最小的耐用的有成本效益的涡轮机叶轮。
[0007]用作转子组的一部分的涡轮增压器叶轮，例如涡轮机叶轮，包括一个轮毂和多个叶片。涡轮机叶轮的特征在于具有限定旋转轴线的线。轮毂的质心(“CM”)和多个叶片的CM在旋转轴线上。多个叶片围绕轮毂圆周地间隔开，使得叶片围绕旋转轴线旋转地不对称。有利地，该不对称将叶片经过蜗壳舌部所生成的声能散布在一个范围的不同频率上，从而减少在任何一个频率处的声能。这反过来提供了汽车涡轮机叶轮用比可能另外地对于旋转对称的叶片想要的更少的叶片制成，该旋转对称的叶片将声能集中在人类可听到的频率。
[0008]每对连续的叶片以该对连续的叶片之间的间隔角度为特征。可迭代地计算满足所有要求的一组间隔角度。在另外的特征中，涡轮增压器叶轮，例如涡轮机叶轮，以第二条线为特征，该第二条线与限定旋转轴线的线相交并正交于该线。限定旋转轴线的线和第二条线通过沿着平面延伸并被包含在平面内来限定对称面，并且多个叶片的间隔角度横跨对称面是对称的。有利地，该平面对称提供利用显著减少的变量数以及因此减少的计算次数来迭代计算角度。[0009]结合作为示例图示本发明的原理的附图，本发明的其他特征和优点将从优选实施例的以下详细说明变得显而易见。如以下陈述以使得人们能够建立并使用本发明的实施例的，特定的优选实施例的详细说明不用于限制枚举的权利要求，而是它们确定为用作要求保护的本发明的特定示例。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是根据本发明的涡轮增压内燃机的实施例的系统视图。
[0011]图2是用于图1所描绘的涡轮增压内燃机的涡轮机的横截面视图。
[0012]图3是具有对称平面的一组叶片间隔角度的描绘。
[0013]图4是设计和产生用于产生涡轮增压器叶轮的涡轮增压器叶轮加工的方法的实施例。
[0014]图5是一组叶片的旋转中心与CM之间的偏移的描绘。
[0015]图6是具有对称平面并具有奇数个叶片的一组叶片间隔角度的描绘。
[0016]图7是具有对称平面并具有偶数个叶片的一组叶片间隔角度的描绘。
【具体实施方式】
[0017]通过参考以下应与附图一起阅读的详细说明可更好地理解以上概括的并由枚举的权利要求限定的本发明。本发明的特定优选实施例的该详细说明，在下面被陈述以使人们能够建立并使用本发明的特定实现，不用于限制枚举的权利要求，而是其用于提供它们的特定示例。
[0018]本发明的典型实施例在于配备有内燃机(“ICE”)和涡轮增压器的机动车辆。涡轮增压器配备有以独特叶片构造为特征的涡轮机叶轮，该独特叶片构造提供耐用性、低的转动惯性矩和在人类听觉范围内的安静操作。
[0019]参考图1，具有径流式涡轮机和离心式压缩机的涡轮增压器101的典型实施例包括涡轮增压器壳体和转子组，该转子组构造成在推力轴承和两组轴颈轴承(一组用于一个相应的转子叶轮)上、或者替代性地在其他相似的支撑轴承上于涡轮增压器操作期间围绕旋转轴线103在涡轮增压器壳体内旋转。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105、压缩机壳体107和轴承壳体109 (即，包含轴承的中心壳体)，该轴承壳体109将涡轮机壳体连接至压缩机壳体。转子组包括:径流式涡轮机叶轮111，其大致位于涡轮机壳体内；离心式压缩机叶轮113，其大致位于压缩机壳体内；和轴115，其沿着旋转轴线延伸通过轴承壳体，以将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮。
[0020]涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，该涡轮机构造成从发动机、例如从内燃机125的排气歧管123圆周地接收高温高压废气流121。涡轮机叶轮(以及从而转子组)由高温高压废气流驱动围绕旋转轴线103旋转，该高温高压废气流变成低温低压废气流127并被轴向地释放到排气系统(未示出)中。
[0021]压缩机壳体107和压缩机叶轮113形成压缩机级。由废气驱动的涡轮机叶轮111驱动旋转的压缩机叶轮构造成将轴向接收的输入空气(例如，环境空气131，或者来自多级压缩机中的前一级的已加压空气)压缩成加压空气流133，该加压空气流133从压缩机被周向地排出。由于压缩过程，所以加压空气流以高于输入空气的温度的提高的温度为特征。[0022]可选择地，加压空气流可被引导通过对流冷却增压空气冷却器135，该对流冷却增压空气冷却器135构造成从加压空气流耗散热，以提高其密度。所得到的冷却加压的输出空气流137被引导到内燃机上的进气歧管139，或者替代性地被引导到后一级的串联压缩机中。系统的操作由经由通信连接而连接至系统的其余部分的ECU151 (发动机控制单元)控制。
[0023]涡轮机
参考图1和2，涡轮机壳体105形成通向主涡形通路219的废气进入通路217，该废气进入通路217构造成在与转子组旋转轴线103正交并从转子组旋转轴线103径向偏移的方向上从发动机接收废气流。主涡形通路大致形成会聚通路，该会聚通路向内螺旋并会聚成足以使废气223加速，以漏斗状地将该废气223引导成撞击涡轮增压器涡轮机叶片231的轴向上游端275，然后穿过叶片之间的间隙。
[0024]在废气进入通路217通向主涡形通路219的位置，存在以当在图2的横截面中(即，与转子组旋转轴线103正交)观察时的舌状形状为特征的结构。更具体地，舌部235的结构呈现为具有尖端的突出物。
[0025]对于典型的汽车涡轮增压器合乎需要的是具有大约十一个涡轮机叶片231，并且常常具有在12mm与75mm之间的半径。在典型的十一个叶片的汽车涡轮机内，并且在典型的汽车涡轮机旋转速率时，叶片在人类可听范围内的频率经过舌部235。这产生不合需要的嗡嗡噪声。
[0026]根据本发明的第一实施例，作为转子组的一部分的涡轮机叶片111以限定旋转轴线103的线(即，轴线 与该线共线)为特征。涡轮机叶轮可包括旋转对称的轮毂241 (可能以围绕转子旋转轴线的球形对称为特征)。涡轮机轮毂支撑多个叶片。轮毂的质心(“CM”)在旋转轴线上，并且多个叶片的CM同样在旋转轴线上。
[0027]不同于现有技术的涡轮机叶轮，多个叶片231以变化的角度围绕轮毂圆周地隔开，使得叶片围绕旋转轴线103旋转地不对称。对该申请来说，应理解的是，术语“旋转地不对称”被定义为意味着叶轮不能围绕旋转轴线(以除了 360度的整数倍之外的任何量)旋转至结构大致相同(即，在功能合理的测量公差水平内相同)的位置。
[0028]在该特定的实施例中，涡轮机叶轮111仅由轮毂241和多个叶片231组成，并且轮毂围绕转子组旋转轴线旋转地对称。应理解的是，叶片包括将叶片根应力分布到轮毂的圆角。
[0029]参考图1至3，为了使叶片231旋转地不对称，每对连续的叶片的特征在于具有在该对连续的叶片之间的间隔角度301 Sn。间隔角度可从连续叶片上的任何参考点(即，任何轴向、径向和圆周位置)开始测量，只要从每个叶片上的相同参考点起一致地进行即可。例如，可从叶片的前缘起测量间隔角度，其中在每个叶片上前缘连接至轮毂。替代性地，可从每个叶片的CM起测量间隔角度，这可简化整组叶片的CM的计算。间隔角度SnF会以产生旋转对称的图案周期性地改变。
[0030]避免叶轮111 (以及，更具体地，叶片231)的旋转对称并且还具有在转子组旋转轴线103上的CM的该组间隔角度301的计算是复杂的数学问题。可通过允许叶片的间隔具有对称面而基本上简化该问题。更具体地，涡轮机叶轮(以及，更具体地，多个涡轮机叶片)以第二条线303为特征，该第二条线303与限定转子旋转轴线103的线正交并相交。旋转轴线和第二条线通过沿着平面延伸并被包含在平面内来限定对称面，并且多个叶片的间隔角度横跨对称面是对称的(即，如图3所指示的，它们是镜像的)。在一个间隔角度横跨对称面延伸的情况下，它被平面二等分，使得该间隔角度的一半在平面的每一侧上。
[0031]如先前所指示地，该问题的现有技术的解决方案是将叶片的数量增加至嗡声频率在人类听觉范围外的点(例如，高于20，OOOHz)。该解决方案的缺点之一是叶片拥挤限制了圆角的尺寸，并因此限制叶片根应力的散布。因此，对于使嗡嗡声在人类听觉范围外所需的最少叶片数量(例如，13)和可能较大的数量(例如，18)，优选地至少将叶片间隔角度301Sn限制到均匀隔开的叶片之间的叶片间隔的最小尺寸，只要叶片根应力在可接受的水平内即可。如以上所暗示地，找到一系列良好的叶片间隔角度301的问题是困难的优化问题。该问题可通过利用迭代的计算机化软件系统解决。该系统被编程以实现一种设计和产生用于产生具有η个不对称隔开的叶片和旋转轴线的涡轮机叶轮的涡轮机叶轮加工的方法。
[0032]参考图3至5，多个步骤被认为用以提供设计和产生用于产生具有η个不对称隔开的叶片和旋转轴线的涡轮增压器叶轮的涡轮增压器叶轮加工的方法。必须首先确立叶片的数量和对于每对连续的叶片的初始间隔角度SIN。叶片的数量典型地基于诸如涡轮机的预期操作速度的所期望的涡轮机参数和空气动力学的考虑因素由设计团队选择。可以各种不同的方式设定初始间隔角度。例如，平均间隔角度可随机改变，或者设计团队可任意地选择数量。典型地，合乎需要的是，使用 从一个叶片间隔角度到下一叶片间隔角度显著改变的初始间隔角度301的值。对此的一个例外是对于具有奇数个叶片的叶轮和在两个连续的间隔角度之间的线上的对称面，其中，在该平面的紧邻相对侧上的间隔角度将固有地相同。
[0033]接下来，在计算机上运行迭代优化计算机程序403。程序构造成利用以下步骤解决受约束的优化问题:(I)计算整组叶轮231或整个叶轮111的质心501 (B卩，表示叶片关于转子旋转轴线的CM的CM) 405 ；⑵迭代地调整间隔角度407，使得计算的质心与叶轮旋转轴线之间的距离减小，并且间隔角度根据一组一个或多个约束条件和目标变量而改变，以便限制在人类可听到的任何一个频率处产生的声能；和(3)继续迭代409，直到计算的CM有效地在旋转轴线上，并且使连续的间隔角度的变化优化，以便以连续的次序确立一组最终的间隔角度Sf为止。由于为计算机编制程序以迭代地优化变量的领域是已知的，所以不需要优化计算机程序的更多细节。
[0034]计算的质心与叶轮旋转轴线之间的距离是相对直接的计算。然而，各种不同的约束条件和/或目标变量可用于限制在任何一个频率处生成的声能。每组一个或多个约束条件和目标变量具有强度和弱点，诸如在表示最优声学解决方案中需要的计算时间和/或精度。这样的约束条件和目标变量可包括连续的叶片角度的比较和所有叶片角度相互的比较，以及其它选项。
[0035]作为上述第一类型的约束和目标变量的示例，在叶片角度被约束在最小和最大角度内的同时，可使用的目标变量使每个连续的叶片角度的变化最大。作为上述第二类型的约束条件和目标变量的示例，在叶片角度被约束在最小与最大角度之间的同时，可使该组所有叶片角度的标准偏差最大。
[0036]对该申请来说，当优化计算机程序迭代地达到目标变量的最优水平时，连续的间隔角度的变化被认为是最优化的(例如，每对连续的叶片角度的变化被最大化)。应指出的是，当使用不同的约束和/或目标角度时，优化的间隔角度可能是不同的。可使用的其他目标变量包括:目标标准偏差水平(而不是最大值)、目标角度变化(而不是最大值)、在某一范围内的角度变化等。
[0037]迭代调整间隔角度的步骤407优选地通过增大连续的间隔角度的变化而进行。应指出的是，可使用各种技术，以确立连续的间隔角度的变化水平。例如，可计算每对连续的间隔角度之间的差的绝对值的和。该数越大，则被认为在所有这样的连续间隔角度之间的变化越大。
[0038]应指出的是，在解决方案的迭代期间，除非间隔角度被认为是每个叶片的CM之间的间隔，否则不将CM限制于对称面。
[0039]一旦优化程序以连续次序确立一组最终间隔角度Sf，就形成加工411。加工构造成产生可用于产生以具有连续次序的该组最终间隔角度Sf为特征的涡轮机叶轮的空隙。
[0040]如以上所讨论的，当叶片间隔角度横跨对称面是对称的时，优化问题被简化。为了实施它，在确立初始间隔角度的步骤401中,初始间隔角度Sin被选择为横跨对称面是对称的421，该对称面包含限定旋转轴线的线并部分地由限定旋转轴线的线限定。另外，在运行迭代优化计算机程序的步骤403中，间隔角度的迭代调整维持间隔角度横跨对称面的对称423。有利地，这减少了变量的数量。
[0041]如先前所讨论地，优选的是设定考虑到良好的机械和空气动力学特性的最小间隔角度。因此，在迭代地调整间隔角度的步骤中，将每个间隔角度约束为大于最小间隔角度Smin，例如20.0或27.7度(与均匀间隔开的叶片的18或13个叶片的间隔对应)。
[0042]参考图6和7，应指出的是，可对于奇数个叶片或偶数个叶片实现利用对称面的计算简化的程序。如图6所示，为了提供奇数个叶片，考虑第一叶片601的参考点在对称面303上，并且在叶轮的相对侧上的相对的间隔角度603被对称面二等分。这样做的一个副作用是(在第一叶片的任一侧上)具有相同的两个相邻的叶片间隔角度。如图7所示，为了提供偶数个叶片，考虑没有叶片参考点在对称面上，并且在叶轮的相对侧上的两个相对的间隔角度701每个都被对称面二等分。在任一情况下，不需要为了 CM计算的目的使用被平分的角度中的一个，但优选的是将其用于间隔角度变化计算。
[0043]应理解的是，本发明包括用于设计和用于生产涡轮机叶片的设备和方法，以及涡轮机叶片的设备本身。这些实施例的替代变化可包括其他类型的叶片构造。此外，尽管本发明被描述成用于涡轮机叶轮，但压缩机叶轮同样可在本发明的范围内，然而可能存在较大的流动不稳定问题的风险。总之，在本发明的预期范围内，以上公开的特征可在各种各样的构造中被结合。
[0044]尽管已图示并描述了本发明的特定形式，但显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可作出各种变型。因此，尽管仅参考优选实施例详细描述了本发明，但本领域的技术人员应意识到的是，在不偏离本发明的范围的情况下可作出各种变型。因此，本发明确定为不受以上讨论限制，并且参考所附的权利要求被限定。
【权利要求】
1.一种供转子组使用的涡轮增压器叶轮，包括: 轮毂；以及 多个叶片； 其中，所述涡轮增压器叶轮的特征在于具有旋转轴线； 其中，所述轮毂的质心在所述旋转轴线上； 其中，所述多个叶片的质心在所述旋转轴线上；并且 其中，所述多个叶片围绕所述轮毂圆周地间隔开，使得所述多个叶片是围绕所述旋转轴线旋转地不对称的。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器叶轮，其中，所述叶轮仅由所述轮毂和所述多个叶片组成，并且其中，所述轮毂是旋转地对称的。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器叶轮，其中: 所述多个叶片的每对连续的叶片的特征在于具有在所述对连续的叶片之间的间隔角度； 对称面部分地由所述旋转轴线限定，所述旋转轴线沿着所述对称面延伸；并且 所述多个叶片的所述 间隔角度横跨所述对称面是对称的。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器叶轮，其中，所述叶轮具有12_与75_之间的半径。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器叶轮，其中: 所述每对连续的叶片的特征在于具有在所述对连续的叶片之间的间隔角度；并且 所述每个间隔角度大于20.0度。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器叶轮，其中: 所述每对连续的叶片的特征在于具有在所述对连续的叶片之间的间隔角度；并且 所述每个间隔角度大于20.0度。
7.一种设计和产生用于产生具有η个叶片和旋转轴线的涡轮增压器叶轮的涡轮增压器叶轮加工的方法，包括: 为每对连续的叶片确立初始间隔角度Sin ； 在计算机上运行迭代优化计算机程序，所述程序构造成利用以下步骤解决优化问题: 计算表示所述多个叶片关于所述旋转轴线的质心的质心， 迭代地调整所述间隔角度，使得所述计算的质心与所述叶轮转子旋转轴线之间的距离减小，并且所述间隔角度改变成足以限制在人类可听到的任何一个频率处产生的声能；和继续所述迭代，直到所述计算的质心实际上在所述旋转轴线上，并且使所述间隔角度的变化最优化以便以连续的次序确立一组最终的间隔角度Sf ;以及 一旦所述优化程序已经确立一组最终间隔角度Sf，就形成加工，所述加工构造成产生可用于产生以具有连续次序的该组最终间隔角度Sf为特征的涡轮增压器叶轮的空隙。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，在继续所述迭代的步骤中，迭代地调整所述间隔角度，使得所述连续的间隔角度的变化最优化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中: 在确立的步骤中，所述初始间隔角度Sin被选择为横跨部分地由所述旋转轴线限定的对称面是对称的，所述旋转轴线沿着所述对称面延伸；以及在运行迭代优化计算机程序的步骤中，所述间隔角度的迭代调整维持所述间隔角度横跨所述对称面的对称。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在继续所述迭代的步骤中，迭代地调整所述间隔角度，使得所述连续的间隔角度的变化最优化。
11.根据权利要求7所述的方法，其中，所述每个间隔角度被约束为大于最小间隔角度Smin。
12.根据权利要 求11所述的方法，其中，所述最小间隔角度Smin为20.0度。
【文档编号】F01D5/14GK104018886SQ201410061139
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2013年2月25日
【发明者】W.J.史密斯, A.穆罕默德, W.马加尔黑斯 申请人:霍尼韦尔国际公司