排气涡轮增压器的涡轮机叶轮的制作方法
【专利说明】排气涡轮増压器的涡轮机叶轮
[0001]本发明涉及一种用于对燃烧发动机、尤其是内燃发动机增压的涡轮机叶轮。
[0002]从DE 10 2005 050 707 Al已知所述类型的一种涡轮机叶轮。在所述文件中，已说明该涡轮机叶轮的镍(Ni)基材料对转子(由涡轮机叶轮、压缩机叶轮和轴组成的组件)的加速有不利影响，因为由所述材料组成的涡轮机叶轮有高的质量惯性矩。
[0003]作为一种用于降低质量惯性矩的方法，所述文件描述了使用具有较低密度的钛-铝合金，以使得由所述类型的材料组成的涡轮机叶轮的质量惯性矩可以被降低。
[0004]本发明的一个目的是提供一种由铝化钛(TiAl)组成的涡轮机叶轮，该叶轮具有简单的尺寸以及因此简单的结构，其中可以实现涡轮机的高效率水平。
[0005]这一目的是通过权利要求1的特征来实现的。从属权利要求涉及本发明的优选改进方案。这些权利要求可以按技术上便利的方式互相结合，从而在某种程度上可实现超越个体效果总和的效果。
[0006]由于叶轮背侧外径大于或等于涡轮机叶片的连接区域外径，因此形成了一个封闭式叶轮背侧，从而通风损耗更低。以此方式，由铝化钛材料组成的涡轮机的效率可以被提尚O
[0007]在一个改进中，叶轮背侧的壁厚与涡轮机叶片的壁厚的比例至少在连接区域附近具有如下壁厚，该壁厚相对于涡轮机叶片的壁厚的比率为1.5:1至2.5:1，尤其为1.7:1至2.3:1，特别优选为1.8:1至2.2:1。
[0008]当内燃发动机超速运行时，内燃发动机因其质量惯性仍保持转动。在此期间，没有燃料被喷射，因此冷的排气或空气流动至涡轮增压器，使得涡轮机叶轮相对快速地冷却。涡轮机叶轮的冷却在涡轮机叶轮中产生内应力。在由现有技术的镍基合金材料组成的涡轮机叶轮的情况下，所述的内应力是非关键性的。然而，延展性，也就是说铝化钛材料变形但不受损坏的能力，会随着相关温度范围内温度的下降而降低。此外，由于铝化钛材料的膨胀系数对于温度来说不恒定，更强烈冷却的区域造成高的内应力。在由铝化钛材料组成的涡轮机叶轮的情况下，不恒定的膨胀系数和降低的延展性可能共同使得在涡轮机叶轮中形成裂缝。已经出人意料地发现，如果涡轮机叶片的壁厚相对于叶轮背侧的壁厚的比率就是前一段中提及的比率，就确保提供足够的材料，该材料在超速运行时实现更慢速并因而更均匀的冷却。
[0009]在所述比率下，由于铝化钛材料的密度低，涡轮机叶轮的质量惯性仍足够低以使排气涡轮增压器可以实现有利的加速特征。
[0010]在一个改进中，一个在轴向方向上延伸的轮毂区域在一个连接半径径向向外不断增加的切角区域中以连续方式合并到叶轮背侧的一个在径向方向上延伸的中间区域中。
[0011]前段中描述的叶轮背侧的配置产生高强度的涡轮机叶轮。
[0012]在一个进一步的改进中，涡轮机叶片从叶轮背侧和从涡轮机叶轮的毂件以连接半径延伸，该连接半径在涡轮机叶片的整个延伸长度上保持恒定。
[0013]由于这一改进，实现了从叶轮背侧和毂件到涡轮机叶片的热传递速率，这一热传递速率在涡轮机叶片的延伸长度上基本保持恒定。以此方式，在冷却过程中，叶轮背侧和毂件可以将其中储存的热量均匀释放至涡轮机叶片，使得沿着延伸长度的非均匀的温度分布以及沿着延伸线的内应力被降低至铝化钛材料可容许的水平。
[0014]在进一步的改进中，涡轮机叶片的壁厚与连接区域外径的比率在最高达0.7:40的范围内；特别优选地在0.3:40和0.5:40之间；尤其在0.35:40和0.45:40之间。
[0015]已发现，在所述比率下，可以形成足够稳定的涡轮机叶片。
[0016]本发明进一步的细节、特征和优点，通过参照附图在多个示例性实施例的以下说明中变得清楚，在附图中:
[0017]图1示出了根据本发明的一种排气涡轮增压器的大大简化的示意图示，
[0018]图2示出了根据本发明的一个涡轮机叶轮的第一实施例的侧视图，
[0019]图3是穿过根据本发明的涡轮机叶轮的第二实施例的一个截面图解，其中只有涡轮机叶轮的上半部分在图3所选择的展示中被示出，并且
[0020]图4是根据图1示出的本发明的涡轮机叶轮的实施例的一个截面图解。
[0021]图1是根据为一台内燃发动机(未示出)增压的本发明的一种排气涡轮增压器2的高度简化的示意图示，所述排气涡轮增压器具有被安排在涡轮机壳体12中的涡轮机叶轮I。涡轮机叶轮I被固定于轴14的一端，在轴14的另一端安装了被安排在压缩机壳体16中的压缩机叶轮15。涡轮机叶轮1、轴14和压缩机叶轮15形成了一个组件，该组件也被称为转子。轴14安装在一个被安排在压缩机壳体16与涡轮机壳体12之间的轴承壳体13里。
[0022]图2示出了根据由铝化钛(TiAl)材料组成的本发明的涡轮机叶轮I的第一实施例。涡轮机叶轮I可在铸造过程中由钛铝合金铸造而成。涡轮机叶轮I也可由锻造的铝化钛坯件铣制而成。
[0023]涡轮机叶轮I具有圆形的外轮廓17和毂件3，该毂件上面安排了多个涡轮机叶片，其中一个叶片作为所有涡轮机叶片的代表，用参考符号4表示。涡轮机叶片4沿着延伸长度L延伸。每个涡轮机叶片4有一个连接区域5，在这个连接区域中围绕涡轮机叶片4在其径向外部顶端画的一个假想的圆具有外径DAB。连接区域5是与涡轮机叶片4的一个出口区6邻接的，在图2实施例的情况下，该出口区具有比连接区域5更小的外径。
[0024]涡轮机叶轮I也有一个叶轮背侧7，该叶轮背侧邻接连接区域5且形成于毂件3上，如从图2中可见。
[0025]叶轮背侧7在一个外部区域11中具有外径为DRR，该外径至少基本与外径DAB相对应，但优选地具有与直径DAB相同的值。
[0026]此外，叶轮背侧7具有壁厚WRR。涡轮机叶轮叶片具有壁厚WTS，其中图2通过例子示出了涡轮机叶片4的两个区域，其中指示了所述的壁厚区域WTS。叶轮背侧7被略微增厚，并且至少在连接区域5附近具有壁厚WRR，该壁厚相对于涡轮机叶片4的壁厚WTS的比率为1.5:1至2.5:1，尤其为1.7:1至2.3:1，特别优选为1.8:1至2.2:1。由于略微增厚，确保降低了涡轮机叶轮I在内燃机正常或提速的发动机负载期间之后的超速运行期间的冷却速度。在由铝化钛组成的涡轮机叶轮的情况下，已证明缓慢冷却对长的使用寿命来说是有利的。这一原因可从以下事实看出:在达到铝化钛材料延展性降低的温度时，可能因非均匀冷却而在涡轮机叶轮I内产生的