用于混流式涡轮机叶轮涡轮增压器的隔热罩的制作方法

用于混流式涡轮机叶轮涡轮增压器的隔热罩的制作方法
【专利摘要】一种涡轮增压器(18)包括轴(20)、混流式涡轮机叶轮(40)以及隔热罩(11)，混流式涡轮机叶轮(40)包括轮毂(44)和具有尖端(42)的叶片。隔热罩(11)具有侧壁、端部(19)以及连接侧壁(16)和端部(19)的异形前缘(13)。隔热罩(11)的异形前缘(13)限定斜度，该斜度形成了相对于侧壁(16)和端部(19)成角度且与轴(20)的旋转轴线相交的假想线。隔热罩(11)位于在涡轮增压器(18)的轴承壳体(22)与涡轮机叶轮(40)之间、相对于涡轮机蜗壳(24)的轴向面向表面而轴向向内并且位于轴承壳体(22)与涡轮机叶轮(40)之间的位置处。
【专利说明】用于混流式涡轮机叶轮涡轮増压器的隔热罩
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求在2014年2月4日提交的标题为"用于混流式涡轮机叶轮涡轮增压器的 隔热罩"的美国临时申请号61/935，466的优先权和所有权益，该申请以引用的方式纳入本 文中。
技术领域
[0003] 本发明涉及一种用于内燃机的废气涡轮增压器。更具体地，本发明涉及一种用于 具有混流式涡轮机叶轮的可变涡轮几何形状涡轮增压器的隔热罩。
[0004] 相关技术的说明
[0005] 涡轮增压器是一种与内燃机配合使用的增压进气系统类型。涡轮增压器将压缩空 气输送至发动机进气口，以允许燃烧更多的燃料，进而提高发动机的马力而不会显著地增 大发动机重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机，此种较小的发动机产生与较大的 通常是吸气式发动机相同的马力量。在车辆中使用较小的发动机具有如下的理想效果:减 小车辆的质量、提高性能并增强燃料经济性。此外，涡轮增压器的使用允许输送至发动机的 燃料更完全地燃烧，这有助于实现更清洁的环境这一高度期望的目标。
[0006] 涡轮增压器通常包括连接于发动机的排气歧管的涡轮机壳体、连接于发动机的进 气歧管的压缩机壳体以及设置在涡轮机和压缩机壳体之间并将两者耦接在一起的中心轴 承壳体。涡轮机壳体中的涡轮机叶轮通过从排气歧管供给的废气进气流而可旋转地驱动。 轴径向地支撑来在中心轴承壳体中旋转，并且将涡轮机叶轮连接至压缩机壳体中的压缩机 叶轮，以使得涡轮机叶轮的旋转带动压缩机叶轮的旋转。连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的 轴限定线条，该线条是旋转轴线。当压缩机叶轮旋转时，这会增大经由发动机进气歧管输送 至发动机气缸的空气质量流速、空气流密度以及空气压力。
[0007] 在低速情况下，在将涡轮增压器增压实际提供给发动机之前通常存在有延迟。这 称为涡轮滞后。为了解决涡轮滞后，涡轮增压器可包括可变涡轮几何形状。可变涡轮几何形 状涡轮增压器具有位于涡轮机叶轮外侧(例如，上游）的可动导向叶片。当导向叶片处于闭 合位置时，空气通过狭窄开口朝向涡轮机叶轮引导。这增大了空气速度，进而使涡轮机旋转 得比叶片打开的情况更快。当导向叶片处于完全打开位置时，允许涡轮机达到最大流量。叶 片的调节有助于消除涡轮滞后，并且允许涡轮机在低发动机速度和高发动机速度下都提供 合理的增压。
[0008] 在涡轮增压器中，涡轮机叶轮可以是其中废气沿着涡轮机叶轮的半径引导的径流 式叶轮、其中废气沿着涡轮机叶轮的轴线引导的轴流式叶轮、或者一些废气沿着涡轮机叶 轮的半径引导而一些废气沿着涡轮机叶轮的轴线引导的混流式叶轮。通常，轴承壳体通过 隔热罩与废气的热量隔绝开来，该隔热罩布置在涡轮机叶轮和轴承壳体之间。另外，隔热罩 也可用于朝向涡轮机叶轮引导废气。然而，由于隔热罩相对于通过涡轮增压器的气流通路 的位置的缘故，隔热罩形状会影响涡轮机的效率。

【发明内容】

[0009] 在一些方面中，涡轮增压器包括轴和连接于轴的混流式涡轮机叶轮，该叶轮包括 叶轮毂和具有尖端的叶片。涡轮增压器还包括隔热罩，该隔热罩包括侧壁、端部以及连接侧 壁和端部的异形前缘。隔热罩的异形前缘限定斜度，该斜度形成了相对于侧壁和端部成角 度并且与轴的旋转轴线相交的假想线。
[0010] 涡轮增压器可包括以下特征中的一个或多个:涡轮增压器进一步包括具有蜗壳和 出口的涡轮机壳体，涡轮机叶轮设置在蜗壳和出口之间的涡轮机壳体中，并且隔热罩驻留 在相对于蜗壳的轴向面向表面轴向向内的位置处。异形前缘包括倒角表面。异形前缘包括 凸面。异形前缘包括凹面。由隔热罩的异形前缘限定的假想线相对于轴的旋转轴线形成40 度至50度的角度。由隔热罩的异形前缘限定的假想线相对于轴的旋转轴线形成40度至45度 的角度。由隔热罩的异形前缘限定的假想线相对于轴的旋转轴线形成41度至43度的角度。 隔热罩的倒角表面的长度包括隔热罩直径的4%至8%。隔热罩的倒角表面的长度包括隔热 罩直径的4.5%至5.5 %。在叶片尖端处测得的轮毂直径与涡轮机叶轮直径的比值是0.8至 0 · 9 〇
[0011] 可变涡轮几何形状涡轮增压器具有混流式涡轮机叶轮、导向叶片以及隔热罩。在 一些实施例中，隔热罩的前缘轮廓形成为使得轮廓的斜度限定出假想线，如果延长的话，该 假想线会以约40至50度的角度与涡轮增压器轴的旋转轴线相交。沿着由轮廓斜度限定的延 长假想线引导从涡轮机壳体流出的废气，并且引导入直接在轮毂和机罩(例如，涡轮机壳体 的内表面)之间的叶片通道中。该轮廓呈倒角的形状，并且也可呈凸曲线或凹曲线的形状。 此外，隔热罩包括相对较短的侧部，相对较短的侧部防止隔热罩定位在流至涡轮机的废气 的直接流中。包括异形隔热罩的涡轮增压器比起传统构造的涡轮增压器提供了更大的压缩 机空气流，在传统构造的涡轮增压器中，隔热罩设置在废气的直接流中，并且在传统构造的 涡轮增压器中，隔热罩并不具有辅助废气流直接地引导到叶片通道上的前缘轮廓。因此，隔 热罩配置成提供相对于包括传统隔热罩的一些涡轮增压器而言提高的涡轮增压器效率。涡 轮增压器的效率在低叶片开口处增大最大，这使得涡轮滞后减小。
【附图说明】
[0012] 当结合附图考虑时，通过参考以下详细描述来更好地理解本发明的优点将会容易 地认识到本发明的优点，在附图中：
[0013] 图1是废气涡轮增压器的涡轮机段的一部分的剖视图，其包括设置在废气蜗壳的 轴向向内边缘之后(例如，相对于废气蜗壳的轴向向内边缘轴向地向内）的隔热罩。
[0014] 图2是图1的隔热罩的正视图，例如沿图1的箭头A的方向观察。
[0015] 图3是图1的隔热罩的剖视图。
[0016] 图4是隔热罩的剖视图的在图3中以虚线圈出的部分的放大视图，其详细说明了隔 热罩的前缘。
[0017] 图5是传统的涡轮增压器隔热罩的正视图。
[0018]图6是图5的隔热罩的剖视图。
[0019]图7是隔热罩的剖视图的在图6中以虚线圈出的部分的放大视图，其详细说明了隔 热罩的前缘。
[0020] 图8是另一实施例的隔热罩的剖视图的一部分的放大视图，其将隔热罩的前缘示 出为具有凸曲线异形形状。
[0021] 图9是又一实施例的隔热罩的剖视图的一部分的放大视图，其将隔热罩的前缘示 出为具有凹曲线异形形状。
【具体实施方式】
[0022]参见图1，可变涡轮几何形状废气涡轮增压器18包括涡轮机段36、压缩机段(未示 出）以及设置在压缩机段与涡轮机段36之间并将压缩机段连接至涡轮机段36的中心轴承壳 体22。涡轮机段36包括涡轮机壳体38，涡轮机壳体38限定了废气入口（未示出）、废气出口 26 以及设置在废气入口与废气出口 26之间的流路中的涡轮机蜗壳24。涡轮机叶轮40设置在涡 轮机蜗壳24与废气出口 26之间的涡轮机壳体38中。可变导向叶片23定位在邻近于涡轮机叶 轮40的蜗壳24中，以控制气体流至涡轮机叶轮40。轴20连接到涡轮机叶轮40、径向支承以在 轴承壳体22内旋转并延伸入压缩机段中。压缩机段包括压缩机壳体，其限定空气入口、空气 出口和压缩机蜗壳。压缩机叶轮设置在空气入口与压缩机蜗壳之间的压缩机壳体中，并连 接到轴20。在下文有详细描述的隔热罩11设置在涡轮机叶轮40与轴承壳体22之间的涡轮机 段中，以减少从涡轮机段36向轴承壳体22的热传递，并提高涡轮增压器18的效率。
[0023] 在使用中，涡轮机叶轮40通过从发动机(未示出）的排气歧管供给的废气进气流而 可旋转地驱动。由于轴20将涡轮机叶轮40连接到压缩机壳体中的压缩机叶轮，因此，涡轮机 叶轮40的旋转带动压缩机叶轮旋转。当压缩机叶轮旋转时，这增大了通过从压缩机空气出 口的出气流而输送到发动机气缸的空气质量流速、空气流密度和空气压力，压缩机空气出 口连接到发动机的进气歧管。
[0024] 参见图2和图3,隔热罩11具有配置为相对于一些包括常规隔热罩的涡轮增压器而 提供了改善的涡轮增压器效率的形状。具体地，隔热罩11是具有圆柱形侧壁16和封闭端19 的大致杯状的构件。封闭端19包括外表面19a并具有穿过其形成的中心开口 14。封闭端19包 括围绕其周边形成的大致垂直于侧壁16取向的肩部15,以及将肩部15连接到中央开口 14的 成角部28。下文更详细描述的异形前缘13将肩部15连接到侧壁16的一端。侧壁16的相对端 包括从其向外延伸的保持突出部12。具体地，突出部12平行于肩部15,并且设置在侧壁16上 相对于肩部15的相对侧。
[0025] 还参见图4,隔热罩11的异形前缘13为倒角表面。前缘13以预定的角度从肩部15向 隔热罩11的侧壁16延伸。前缘13的斜度限定了同时相对于肩部15和侧壁16成角度的延长假 想线17。
[0026] 隔热罩11的异形前缘13可以使用倒角工具形成，或者可以可选地形成为冲压件或 本领域已知的用于形成涡轮增压器隔热罩的其它类似常规操作的一部分。
[0027] 隔热罩11可以与常规隔热罩1进行比较，如图5至图7所示。常规隔热罩1也大致呈 杯形，并且包括圆柱形侧壁6和封闭端9。封闭端9具有穿过其形成的中心开口 4。封闭端9包 括围绕其周边形成以便大致垂直于侧壁6的肩部5,以及将肩部5连接到中央开口4的成角部 8。在常规隔热罩1中，肩部5直接连接到侧壁6的一端，而该连接限定了一个直角，从而在该 位置形成锐角。
[0028] 此外，对应于肩部5与在侧壁6的相对端形成的保持突出部2之间的距离的侧壁长 度L1大于隔热罩11的侧壁16的长度L2。
[0029] 再次参见图1和图3,隔热罩11设置在涡轮增压器18中，使得保持突出部12夹在涡 轮增压器壳体38与轴承壳体22之间，轴20延伸穿过中心开口 14,并且封闭端19设置在涡轮 增压器叶轮40与轴承壳体22的轴向面向表面22a之间的空间内。在此配置中，异形倒角前缘 13的斜度的延长假想线17与涡轮增压器轴20的旋转轴线R以约40度至50度的规定角度Θ (图 3)相交。另外，由于侧壁16具有相对于常规隔热罩1的长度L1而言较短的长度L2,因此，隔热 罩11的封闭端19相对于废气蜗壳24的轴向向内边缘21而轴向向内定位。这种定位相对于常 规隔热罩1的定位而言是有利的，这是因为相对短的侧壁16将隔热罩11定位在废气的直接 流动之外。还有利的是，异形倒角前缘13的斜度使废气从废气蜗壳24引导穿过整个可变导 向叶片23,直接到达在涡轮增压器叶轮40的轮毂44与涡轮机壳体38的内表面38a之间所限 定的叶片通道46上。
[0030] 在运行时，来自发动机的废气由废气蜗壳24引导穿过涡轮机壳体38。由于涡轮增 压器18具有可变涡轮几何形状，因此，废气以由涡轮机壳体中的可变导向叶片23控制的角 度从废气蜗壳24进入涡轮机壳体38。一些来自废气蜗壳24的废气撞击隔热罩11，并重定向 为朝向涡轮机叶轮40。在示于图1至图4的实施例中，异形前缘13的斜度的角度允许废气具 体地直接重定向到叶片通道46中并且随后重定向到涡轮机叶轮40上。
[0031] 混流式涡轮机叶轮40具有的轮毂直径小于在叶片尖端处测量的涡轮机叶轮的直 径。轮毂44的直径dl与在叶片尖端42处测量的涡轮机叶轮40的直径d2的比值可以变化。在 根据本发明的一个方面的涡轮增压器中，轮毂44的直径与在叶片尖端42处测量的涡轮机叶 轮40的直径的约0.8至0.9的比值(例如，d 1 /d2)被发现是足够的。
[0032]涡轮增压器18利用可变涡轮几何形状技术进行运转，包括位于涡轮机叶轮40前面 (例如，上游）的可动导向叶片23,以改变涡轮机壳体38的几何形状。当导向叶片23处在关闭 位置时，将废气朝向涡轮机叶轮40引导穿过相对窄的开口。这提升了气体速度，使得涡轮机 叶轮40旋转得会比叶片23打开时的速度更快。当导向叶片23处于完全打开的位置时，穿过 涡轮段30的废气流很高。
[0033]在涡轮增压器18中，隔热罩11没有在流到涡轮机叶轮40的废气流中。隔热罩11的 异形前缘13的斜度与涡轮增压器轴20的轴线在隔热罩的直径的4%至8%处相交。在一些实 施例中，隔热罩11与涡轮增压器轴20的轴线在隔热罩的直径的4.5%至5.5%处相交。隔热 罩11允许涡轮增压器在小叶片开口处提供更高的效率并减少涡轮滞后。
[0034] 隔热罩前缘13的异形形状并不限于倒角。例如，参见图8,一个替代实施例的隔热 罩111包括具有圆形且凸起的异形形状的前缘113。另外，参见图9,另一个替代实施例的隔 热罩211包括具有圆形且凹陷的异形形状的前缘113。
[0035] 与如图1至图4所示的隔热罩11的优选实施例一样，图8和图9的替代实施例隔热罩 111，211的异形前缘113,213的斜度限定了延长假想线117,217，延长假想线117,217与涡轮 增压器轴20的旋转轴线R以约40度至50度的规定角度相交。
[0036] 示例 1
[0037] 构造了具有混流式涡轮机和可变叶片的可变涡轮几何形状涡轮增压器。制备了具 有2_的保持突出部的常规隔热罩1，因此，该常规隔热罩1具有67_的总直径。另外，传统隔 热罩1的前缘限定锐角。在涡轮增压器内使用时，锐角定位在气体流内。另外，制备根据图1 至图4所示实施例的混流式隔热罩11。隔热罩11直径为63_，具有2_的保持突出部，其总直 径为67mm.前缘13具有长度约为3mm的倒角边缘。由倒角限定的线条使得其与涡轮增压器轴 的角度Θ为42.3度。隔热罩11具有比常规隔热罩1的侧壁长度L1要短的侧壁长度L2。因此，在 使用时，隔热罩11位于废气蜗壳的后面(例如，相对于废气蜗壳轴向向内）。隔热罩1，11都在 气体试验台中进行测试。气体试验台将热气体传导至涡轮增压器的涡轮机部分。对入口压 力和出口压力进行测量。对涡轮机的转速进行测量。根据每个隔热罩的总/静态基础对涡轮 机的效率进行测量。测量在叶片位于下列两个位置时进行：100%打开或20%打开。根据图1 至图4所示实施例的隔热罩11在下表1中称为混流式隔热罩，表1示出了测试的结果。
[0038] 表1
[0039]
[0040] 尽管上述公开内容已经相对于特定实施例进行了示出和描述，但本领域技术人员 将会理解的是，可以在不脱离如以下权利要求书中所限定的本发明范围的前提下作出各种 变化和修改。
【主权项】
1. 一种涡轮增压器（18)，其包括 轴(20)， 连接到所述轴的混流式涡轮机叶轮(40)，所述叶轮(40)包括轮毂(44)和具有尖端(42) 的叶片，以及 隔热罩（I 1 )，其包括侧壁（16 )、端部（19)以及将所述侧壁（16)和所述端部（19)连接起 来的异形前缘(13)， 其中，所述隔热罩（11)的所述异形前缘（13)限定斜度，所述斜度形成了相对于所述侧 壁(16)和所述端部(19)成角度且与所述轴(20)的旋转轴线(R)相交的假想线（17)。2. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，所述涡轮增压器（18)进一步包括涡轮 机壳体(38)，所述涡轮机壳体(38)包括涡壳(24)和出口（26)，所述涡轮机叶轮(40)设置在 所述涡壳(24)与所述出口（26)之间的所述涡轮机壳体(38)中，并且所述隔热罩（11)位于相 对于所述涡轮(24)的轴向面向表面而轴向向内的位置处。3. 根据权利要求1所述的涡轮增压器(18)，其中，所述异形前缘(13)包括倒角表面。4. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，所述异形前缘（13)包括凸面。5. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，所述异形前缘（13)包括凹面。6. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，由所述隔热罩（11)的所述异形前缘 (13)限定的所述假想线与所述轴(20)的所述旋转轴线形成40度至50度的角度。7. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，由所述隔热罩（11)的所述异形前缘 (13)限定的所述假想线与所述轴(20)的所述旋转轴线形成40度至45度的角度。8. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，由所述隔热罩（11)的所述异形前缘 (13)限定的所述假想线与所述轴(20)的所述旋转轴线形成41度至43度的角度。9. 根据权利要求3所述的涡轮增压器（18)，其中，所述隔热罩（11)的所述倒角表面的长 度包括所述隔热罩(11)的直径的4%至8%。10. 根据权利要求3所述的涡轮增压器（18)，其中，所述隔热罩（11)的所述倒角表面的 长度包括所述隔热罩(11)的直径的4.5 %至5.5 %。11. 根据权利要求1所述的涡轮增压器（18)，其中，所述轮毂(44)的直径与在所述叶片 尖端(42)处测量的所述涡轮机叶轮(40)的直径的比值为0.8至0.9。
【文档编号】F02C7/24GK105960515SQ201580006687
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2015年1月29日
【发明人】R·T·钱拉姆哈南, G·威廉姆斯
【申请人】博格华纳公司