專利名稱：渦輪增壓器的渦輪、壓縮機(jī)用的修整輪廓的葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的涉及轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，如在一渦輪增壓器中使氣體循環(huán)的渦輪和壓縮機(jī)，尤其涉及一種帶有一個(gè)具有沿至少一個(gè)邊緣限定一非線性輪廓的葉片的轉(zhuǎn)子裝置。
背景技術(shù)：
諸如那些用于渦輪增壓器中的徑向渦輪和壓縮機(jī)通常包括一個(gè)轉(zhuǎn)子即葉輪，該轉(zhuǎn)子可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在一個(gè)殼體中，并限定靠近該殼體的內(nèi)表面的沿徑向向外伸出的葉片。該殼體限定一個(gè)用于接受空氣或其它氣體的入口和一個(gè)使氣體經(jīng)其循環(huán)的出口。在渦輪的情況下，該轉(zhuǎn)子是可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在渦輪殼體中的渦輪。氣體如從內(nèi)燃機(jī)出來的廢氣經(jīng)圍繞該葉輪沿周邊伸出的入口流入該殼體，并大體上沿軸向流出。當(dāng)該氣體流過該殼體時(shí)，使渦輪葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。在一典型的渦輪增壓器中，該渦輪葉輪通過一軸連接到一壓縮機(jī)葉輪上，即一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在一壓縮機(jī)葉輪的殼體中的轉(zhuǎn)子上。該壓縮機(jī)葉輪的殼體還限定一入口和出口，而該壓縮機(jī)葉輪包括經(jīng)該壓縮機(jī)葉輪殼體輸送空氣的一些徑向葉片。特別是，該壓縮機(jī)葉輪經(jīng)該入口沿徑向向內(nèi)抽引空氣，并經(jīng)一個(gè)圍繞該壓縮機(jī)葉輪沿周邊延伸的擴(kuò)壓器沿徑向向外輸送空氣。
渦輪和壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)子的葉片通常具有安置在殼體緊鄰的邊緣和其它相對(duì)靜止的部件。例如，現(xiàn)代渦輪增壓器的渦輪和壓縮機(jī)能夠包括在該入口和/或出口處的定子來控制流經(jīng)該裝置的氣流。在一渦輪中，該定子可以是在該入口處沿周邊設(shè)置的導(dǎo)葉，用以限定一靜止的或可調(diào)節(jié)的導(dǎo)流管。該導(dǎo)流管可以選擇性地打開或關(guān)閉，以便控制流過該渦輪的氣流。在壓縮機(jī)中，這些定子可以是在該出口處沿周邊設(shè)置的導(dǎo)葉，用以限定一個(gè)控制流經(jīng)該壓縮機(jī)的空氣流的可變的擴(kuò)壓器。由于緊鄰這些轉(zhuǎn)子和定子、這些轉(zhuǎn)子的高速轉(zhuǎn)和高工作壓力，因此這些轉(zhuǎn)子的葉片受到不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)的激發(fā)力，這些力在葉片中誘生交替的應(yīng)變和壓力。這種不穩(wěn)定的，即周期性的激發(fā)力同樣能夠由其它靜止的或可調(diào)節(jié)的部件，諸如在跨越該入口自變化的壓力下向該入口輸送氣體的入口導(dǎo)葉或弧形入口歧管產(chǎn)生。例如，入口導(dǎo)葉常常設(shè)置在一臺(tái)壓縮機(jī)的入口中，以便引導(dǎo)流經(jīng)其間的空氣流。因此，這些葉片在與該轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和這些導(dǎo)葉或其它靜止部件的數(shù)目及位置相關(guān)的頻率下周期性地受到應(yīng)力。這種周期性的應(yīng)力能導(dǎo)致這些轉(zhuǎn)子的疲勞和損壞。
在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置如渦輪或壓縮機(jī)期間可進(jìn)行一次強(qiáng)迫響應(yīng)分析來確定由于在轉(zhuǎn)子的諧振頻率下產(chǎn)生的任何不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力所引起的轉(zhuǎn)子上的周期性應(yīng)力和應(yīng)變。該轉(zhuǎn)子的不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)械響應(yīng)可以首先這樣來分析，例如，通過進(jìn)行一次計(jì)算的流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析來確定不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力，并通過一次三維有限元法(FEM)分析來確定轉(zhuǎn)子的天然諧振頻率。通常，例如通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子或其它裝置的構(gòu)型而使得在該轉(zhuǎn)子的諧振頻率出現(xiàn)在運(yùn)行范圍之外，從而調(diào)節(jié)或修改該裝置的轉(zhuǎn)子或其它部件的幾何構(gòu)型，因?yàn)檫@對(duì)于減小由于不穩(wěn)定的空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的應(yīng)力和應(yīng)變是實(shí)用的。該裝置的正常運(yùn)行范圍可以是這樣的，就是當(dāng)受到響應(yīng)由于與運(yùn)行轉(zhuǎn)速有關(guān)的低轉(zhuǎn)速和低壓力而產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子的最低諧振頻率的周期性空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力時(shí)，該轉(zhuǎn)子不會(huì)受到顯著的應(yīng)力。但是，在渦輪增壓器的運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍之外去調(diào)節(jié)較高的諧振頻率常常是不可能的或不實(shí)際的。因此，例如，在某些運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，該轉(zhuǎn)子可以受到具有一個(gè)等于該轉(zhuǎn)子的第二模式或較高模式的諧振頻率的頻率的周期性空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力。因此，該設(shè)計(jì)分析可以包括確定在這樣的頻率下在該轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力與驗(yàn)證該轉(zhuǎn)子的預(yù)期壽命滿足一個(gè)最小的設(shè)計(jì)判據(jù)。但是，在某些情況下，該轉(zhuǎn)子可能受到縮短轉(zhuǎn)子的在一最小設(shè)計(jì)判據(jù)以下的預(yù)期壽命的另一種應(yīng)變。
因此，需要一種用于轉(zhuǎn)動(dòng)裝置如渦輪增壓器中使用的渦輪和壓縮機(jī)的改進(jìn)的轉(zhuǎn)子和一種制造這些裝置的方法。最好是，這些裝置應(yīng)當(dāng)受到減小的應(yīng)變和應(yīng)力，由此延長(zhǎng)這些裝置的運(yùn)行壽命，而不管周期性的空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力，這些力可能在裝置的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)出現(xiàn)，包括在該裝置的轉(zhuǎn)子的一種或多種振動(dòng)模式下出現(xiàn)的。
附圖簡(jiǎn)述已經(jīng)概括地描述了本發(fā)明，現(xiàn)在參照不一定按比例繪制的附圖，
其中

圖1是例示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的一種轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的截面圖；圖2是例示圖1的設(shè)備的轉(zhuǎn)子的透視圖；圖3是例示與傳統(tǒng)葉片比較的圖2轉(zhuǎn)子的一個(gè)葉片的正視圖；圖4A是例示按照葉片的第二振動(dòng)模式的傳統(tǒng)葉片的第一側(cè)面上的位移圖形的圖；圖4B是例示按照葉片的第二振動(dòng)模式的傳統(tǒng)葉片的第二側(cè)面上的位移圖形的圖；圖5A是例示按照葉片的第二振動(dòng)模式的圖4A的傳統(tǒng)葉片的第一側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖5B是例示按照葉片的第二振動(dòng)模式的圖4A的傳統(tǒng)葉片的第二側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖6A是例示按照葉片的第三振動(dòng)模式的圖4A的傳統(tǒng)葉片的第一側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖6B是例示按照葉片的第三振動(dòng)模式的圖4A的傳統(tǒng)葉片的第二側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖7A是例示按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的按照葉片的第二振動(dòng)模式的圖3的葉片的第一側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖7B是例示按照葉片的第二振動(dòng)模式的圖3的葉片的第二側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖8A是例示按照葉片的第三振動(dòng)模式的圖3的葉片的第一側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；圖8B是例示按照葉片的第三振動(dòng)模式的圖3的葉片的第二側(cè)面上的應(yīng)變圖形的圖；以及圖9是例示按照本發(fā)明的另一實(shí)施例的一種轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的截面圖。
發(fā)明詳述現(xiàn)在參照附圖更充分地描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的一些實(shí)施例，但并非全部。事實(shí)上，本發(fā)明可以用許多不同形式實(shí)施而不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是限制于此處提出的實(shí)施例；相反，提供這些實(shí)施例是為了本發(fā)明的公開內(nèi)容將能滿足可以適用的法定要求。所有各圖中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件。
參照?qǐng)D1，圖中示出按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置10。如圖1中所示，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置10的結(jié)構(gòu)做成一臺(tái)渦輪，但在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，該轉(zhuǎn)動(dòng)裝置10也可以用作壓縮機(jī)。按照本發(fā)明的壓縮機(jī)和渦輪可以包括在一臺(tái)與燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)用的渦輪增壓器中。或者是，轉(zhuǎn)動(dòng)裝置10可以用于其它用途，如其中運(yùn)行狀態(tài)包括周期變化的壓力。
轉(zhuǎn)動(dòng)裝置10包括一個(gè)限定一入口14和一出口16的殼體12。在該情況下為渦輪的轉(zhuǎn)子30可以轉(zhuǎn)動(dòng)地安裝在殼體12中，其構(gòu)型做成與通過殼體12的氣體的通道一起轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，沿通常與轉(zhuǎn)子30和軸50的縱向軸線成切向的方向15流動(dòng)的氣體進(jìn)入入口14并在圍繞轉(zhuǎn)子30沿周邊伸出的蝸殼18中沿周邊流動(dòng)，然后大體上沿徑向向內(nèi)通過導(dǎo)流管20而流到轉(zhuǎn)子30。氣體在轉(zhuǎn)子30上的多個(gè)沿徑向伸出的葉片32上施加壓力，從而使轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動(dòng)。然后氣體在殼體12的出口16之外沿大體上軸向的方向17流動(dòng)。轉(zhuǎn)子30連接在軸50上，使得當(dāng)轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)軸50也轉(zhuǎn)動(dòng)。如在一渦輪增壓器中使用的，軸50通常穿過一中心殼體(未示出)而伸出，其中軸承可以支承該軸50，而可以提供油來潤(rùn)滑和冷卻。與從渦輪10來的中心殼體對(duì)置，軸50可以連接在壓縮機(jī)中的壓縮機(jī)葉輪(未示出)上，使得當(dāng)渦輪10使該軸50轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)該壓縮機(jī)可以轉(zhuǎn)動(dòng)地運(yùn)行。
可以在導(dǎo)流管20中設(shè)置定子如導(dǎo)葉22或其它流動(dòng)控制裝置來控制或調(diào)節(jié)其間氣體的流動(dòng)。例如，導(dǎo)葉22可以設(shè)置在導(dǎo)流管20中周邊的間隔處，其構(gòu)型做成可以轉(zhuǎn)動(dòng)地調(diào)節(jié)，由此改變導(dǎo)流管20的幾何形狀和影響氣體的流動(dòng)。此類可變的導(dǎo)流管20進(jìn)一步描述于Arnold的美國(guó)專利No.6,419,564中，其全部?jī)?nèi)容參考合并于此?；蛘呤?，可以固定葉片22，而可以使用一個(gè)沿軸向滑動(dòng)的活塞(未示出)來改變渦輪導(dǎo)流管的氣流面積?？梢岳斫?，導(dǎo)流管20的調(diào)節(jié)可以導(dǎo)致在其整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)渦輪10的效率的提高。
轉(zhuǎn)子30包括一個(gè)連接在軸50上的主體部分34和多個(gè)從主體部分34大體上沿徑向向外伸出的葉片32。用語“大體上沿徑向”意味著葉片32確實(shí)沿徑向伸出，但也可能沿轉(zhuǎn)子30的軸向伸出。如圖2和3中所示，每個(gè)葉片32限定一個(gè)大體上沿徑向伸出的第一邊緣36和一個(gè)大體上沿軸向伸出的第二邊緣38。第一和第二邊緣36和38由延伸于其間的屏板部分40連接。邊緣36、38的構(gòu)型通常做成與設(shè)備10的其它部分密切相鄰。例如，每個(gè)葉片32的屏板部分40可以伸出到在殼體12內(nèi)小于1毫米，而第二邊緣38可以延伸到在導(dǎo)流管20的導(dǎo)葉22內(nèi)幾個(gè)毫米處。
每個(gè)葉片32的第二邊緣38或者是葉片32的前緣，或者是其后緣。例如，在渦輪的情況下，每個(gè)葉片32的第二邊緣38是前緣，而第一邊緣36是后緣。也就是，當(dāng)轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第二邊緣38接觸流入殼體12的氣體，其后氣體流向第一邊緣36。同時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)葉片32通過一個(gè)離開每個(gè)導(dǎo)葉22的后緣或?qū)Я鞴?0的周面周圍限定的其它細(xì)部的氣流場(chǎng)。該氣流場(chǎng)相對(duì)于運(yùn)動(dòng)的葉片32是不均勻和不穩(wěn)定的。結(jié)果，每個(gè)葉片32上的相反表面42、44上的壓力周期地增大和減小。其次，整個(gè)葉片32上的應(yīng)變也以對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子30的轉(zhuǎn)速與導(dǎo)葉22或其它細(xì)部的數(shù)目和位置的頻率而周期地增大和減小。通常，葉片32的整個(gè)表面42、44上的壓力和應(yīng)變的瞬時(shí)變化是不均勻的。
葉片32上的壓力和應(yīng)變的變化也可能來自殼體12中的其它幾何形狀不均勻性或來自影響氣流通過其間的殼體12外面的細(xì)部。例如，流入設(shè)備10的入口14的氣體可以通過一個(gè)進(jìn)氣歧管而供應(yīng)。進(jìn)氣歧管中的彎曲部可能阻擋通過其間的氣流，使得進(jìn)入設(shè)備10的氣體在入口14的截面上具有不均勻的壓力。
最好是，每個(gè)葉片32的第二邊緣38當(dāng)投射在子午(徑向-軸向或R-Z)平面中時(shí)限定一個(gè)非線性輪廓。也就是，當(dāng)投射在R-Z平面中時(shí)，第二邊緣38的輪廓不是直線的。非線性的第二邊緣38可以包括一個(gè)或多個(gè)線性部分，但邊緣38的至少一部分在R-Z平面中是非線性的，例如當(dāng)投射在R-Z平面中時(shí)包括諸如一個(gè)彎曲部分或一個(gè)角度或其它不連續(xù)部分的非線性。例如，圖3用圖形例示本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的葉片32的外部形狀或輪廓。圖3-8中示出的軸線對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子30的R或徑向和Z或軸向。如圖3中所示，當(dāng)投射于R-Z平面中時(shí)，第二邊緣38的輪廓是非線性的。更明確地說，第二邊緣38在R-Z平面中限定一個(gè)凹形的輪廓，使得該凹形部分的曲率限定一個(gè)在第二邊緣38之外沿徑向設(shè)置的曲率中心。相反，一種傳統(tǒng)的渦輪轉(zhuǎn)子葉片32a的第二邊緣38a的線性輪廓用虛線表示。有利的是，第二邊緣38的非線性構(gòu)型能夠減小由于葉片32上的周期的空氣動(dòng)力學(xué)激發(fā)力而引起的在葉片32中誘生的應(yīng)變。最好是，轉(zhuǎn)子30的全部葉片都有輪廓基本上類似的第二邊緣38。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，葉片32的構(gòu)型通過首先測(cè)定葉片32上的與運(yùn)行有關(guān)的不穩(wěn)定壓力與限定的葉片32的位移和形變來確定。術(shù)語“位移”通常指沿葉片32上該不穩(wěn)定壓力的方向產(chǎn)生的葉片32的位移。然后改變?nèi)~片32的輪廓來減小葉片32的暴露于不穩(wěn)定的高壓力的部分和沿該不穩(wěn)定壓力的方向產(chǎn)生的高位移。例如，圖3中例示的葉片32的構(gòu)型可以通過首先提供的第一參數(shù)來研制，這些第一參數(shù)在尺寸上限定一個(gè)葉片，如具有圖4A和4B中示出的線性的第二邊緣38a的傳統(tǒng)的葉片32a。此外，這些第一參數(shù)可以限定葉片32a的材料或其它物理特性如葉片32a的強(qiáng)度或硬度。同時(shí)提供限定用于傳統(tǒng)葉片32a的期望的周期性壓力輪廓的第二參數(shù)。當(dāng)葉片32a由于其附近存在葉片或其它細(xì)部而在殼體中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這些第二參數(shù)可以限定作用在葉片32a的對(duì)置的表面42a、44a上的周期性壓力的頻率和幅度。特別是，這些第二參數(shù)可以限定一個(gè)在輪廓上不均勻的瞬時(shí)壓力變化，也即葉片32a的每個(gè)表面42a、44a上的不穩(wěn)定壓力的分布，當(dāng)葉片32a以一種在對(duì)應(yīng)于葉片32a的第二振動(dòng)模式的頻率處出現(xiàn)周期性力的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，這種不穩(wěn)定壓力的分布就會(huì)產(chǎn)生。也可以確定一種葉片32a的限定的位移輪廓或圖形，即在整個(gè)葉片32a上限定由該周期性壓力產(chǎn)生的位移。同樣，可以確定一個(gè)應(yīng)變輪廓來在整個(gè)葉片32a上限定由該周期性壓力產(chǎn)生的應(yīng)變?？梢杂脭?shù)學(xué)方法來確定該壓力、位移和應(yīng)變輪廓，例如利用一個(gè)用于按照第一和第二參數(shù)以數(shù)學(xué)方法建立壓力、位移和應(yīng)變的計(jì)算機(jī)程序?；蛘呤?，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或通過其它方法來確定葉片32a上的壓力、位移、應(yīng)變和/或應(yīng)力。
圖4A、4B和5A、5B中分別用圖形示出傳統(tǒng)葉片32a的每個(gè)表面42a、44a的位移和應(yīng)變輪廓。如圖4A、4B、5A、5B中所示，例示實(shí)施例的最大位移和應(yīng)變通常出現(xiàn)在葉片32a的第二邊緣38a即渦輪葉片的前緣附近。從圖4A和4B中可見，最近第二邊緣38a的中心的一個(gè)部分46a遇到的位移相當(dāng)?shù)馗哂谌~片32a的鄰近部分。如圖5A中所示，出現(xiàn)在葉片32a的同一部分46a處的應(yīng)變也相當(dāng)?shù)馗哂谌~片32a的鄰近部分處的應(yīng)變。通常，葉片32a的受到高應(yīng)變或高位移的部分至少與葉片32a的受到高的周期性壓力的部分部分地符合。
按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，葉片32的構(gòu)型是通過調(diào)節(jié)在幾何形狀上限定傳統(tǒng)葉片32a的第一參數(shù)而修改的。更明確地說，第一參數(shù)被調(diào)節(jié)而限定一個(gè)非線性邊緣和至少部分地移動(dòng)受到比鄰近部分相當(dāng)?shù)馗叩奈灰频牟糠?6a。這樣，圖3中示出的葉片32已被修改而排除了傳統(tǒng)葉片32a的受到相當(dāng)高的位移的至少一部分。最好是，葉片32可以被修改而排除傳統(tǒng)葉片32a的高位移與高的周期性壓力符合一致的部分，也即該處葉片32沿不穩(wěn)定的周期性壓力的方向顯著地移動(dòng)。有利的是，葉片32的輪廓的修改能夠減小葉片32的應(yīng)變和應(yīng)力。例如，圖7A和7B例示像傳統(tǒng)的葉片32a一樣地在相似的運(yùn)行參數(shù)處運(yùn)行的葉片32的應(yīng)變輪廓。葉片32上的最大應(yīng)變顯著地小于圖5A和5B中示出的傳統(tǒng)葉片32a的最大應(yīng)變。更明確地說，已經(jīng)消除了在傳統(tǒng)葉片32a的第二邊緣38a處出現(xiàn)的最高應(yīng)變。其次，靠近本發(fā)明的葉片32的非線性邊緣38的應(yīng)變小于在傳統(tǒng)葉片32a的相應(yīng)部分中出現(xiàn)的應(yīng)變。
雖然本發(fā)明不限于任何特定的運(yùn)行理論，但可以相信，葉片32的輪廓中的變化能夠?qū)е罗D(zhuǎn)子30的模式形狀中的變化，以減小由于出現(xiàn)的激發(fā)力激發(fā)轉(zhuǎn)子30的一種特定模式而產(chǎn)生的位移或應(yīng)變。也就是，可以相信，葉片32的形狀的變化產(chǎn)生模式形狀中的相應(yīng)變化，由此使轉(zhuǎn)子30較少地受激發(fā)力的影響。
雖然圖7A和7B例示與葉片32的第二振動(dòng)模式處以激發(fā)葉片32的頻率出現(xiàn)的一個(gè)周期性力有關(guān)的應(yīng)變的減小，但也可以理解，葉片32的非線性輪廓也可以導(dǎo)致在其它運(yùn)行模式期間在葉片32中出現(xiàn)的應(yīng)變的減小。例如，圖6A和6B例示在以對(duì)應(yīng)于葉片32a的第三振動(dòng)模式的頻率誘生周期性力的轉(zhuǎn)速運(yùn)行期間傳統(tǒng)葉片32a的應(yīng)變輪廓。同樣，圖8A和8B例示對(duì)于對(duì)應(yīng)于葉片32的第三振動(dòng)模式的周期性力的本發(fā)明的葉片32的應(yīng)變輪廓。如圖所示，在葉片32的非線性邊緣38處的應(yīng)變小于在傳統(tǒng)葉片32a的線性邊緣38a處的應(yīng)變。
第二邊緣38的輪廓的調(diào)節(jié)不需要精確地符合葉片32a的受到相當(dāng)高的位移的部分46a。相反，該輪廓的調(diào)節(jié)也可以考慮葉片32的強(qiáng)度、葉片32的鑄造或其它成形方法的容易程度、葉片32以及因而轉(zhuǎn)子30的空氣動(dòng)力學(xué)性能及其它因素來確定。例如，該輪廓可以限定一個(gè)光滑的曲面，以便盡可能減少尖銳邊緣，否則這些尖銳邊緣可能集中應(yīng)力和/或誘生不需要的壓力損失。邊緣38的輪廓的變化也可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子30的振動(dòng)質(zhì)量的減小，后者通常增大轉(zhuǎn)子30的天然振動(dòng)頻率，可能增大超過轉(zhuǎn)子30的運(yùn)行頻率的轉(zhuǎn)子30的一個(gè)或多個(gè)諧振頻率。
此外，葉片32的輪廓的調(diào)節(jié)或修改可以重復(fù)地完成，例如通過重復(fù)地確定葉片32的位移和/或應(yīng)變輪廓與修改葉片32，從而排除受到最高位移的一個(gè)或多個(gè)部分。
雖然上述討論已描述了渦輪的渦輪中的轉(zhuǎn)子30，但也可理解，轉(zhuǎn)子30可代之以用于其它用途。例如，如圖9中所示，轉(zhuǎn)子30可以是一個(gè)壓縮機(jī)葉輪，而殼體12可以是一臺(tái)壓縮機(jī)60的壓縮機(jī)殼體。在壓縮機(jī)60的運(yùn)行期間，壓縮機(jī)葉輪30可以受到類似于渦輪中產(chǎn)生的壓力、位移和應(yīng)變。特別是，壓縮機(jī)葉輪30可以受到周期性力，例如，作為密切靠近一個(gè)定子如導(dǎo)葉22地轉(zhuǎn)動(dòng)的葉片32的結(jié)果。通常，當(dāng)用于壓縮機(jī)中時(shí)，每個(gè)葉片32的第一邊緣36是前緣而第二邊緣38是后緣。因此，空氣或其它氣體沿與上述方向相反的方向流過殼體12，也即空氣沿方向15a通過入口14a向著葉片32的第一邊緣36沿軸向進(jìn)入，由葉片32增壓，并從那里沿徑向向外傳送到渦殼18。從渦殼18，該壓縮空氣通過出口16a沿橫向方向17a排放。在壓縮機(jī)前后，在轉(zhuǎn)子30和渦殼18之間的殼體12的部分通常稱為一個(gè)擴(kuò)壓器21，其中從壓縮機(jī)來的空氣減慢了轉(zhuǎn)速?？梢栽跀U(kuò)壓器21中設(shè)置可以調(diào)節(jié)的導(dǎo)葉22來控制流過其間的空氣的流動(dòng)。導(dǎo)葉22的構(gòu)型能夠做成與轉(zhuǎn)子30密切相鄰，使得當(dāng)轉(zhuǎn)子30轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉22在轉(zhuǎn)子30的葉片32上誘生一個(gè)壓力的周期性變化，由此使葉片32遇到一個(gè)周期性的空氣動(dòng)力學(xué)的激發(fā)力。葉片32上的位移和/或應(yīng)變可以如上所述地建立模型，而葉片32的第二邊緣38可以設(shè)有非線性輪廓，來使葉片32中的應(yīng)變減到最小。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，葉片32的第一邊緣36也可以限定一個(gè)非線性的輪廓，以便盡可能減小第一邊緣36處及其附近的應(yīng)變。例如，在轉(zhuǎn)子30于第一邊緣36處受到周期性壓力變化的場(chǎng)合，對(duì)葉片32的第一邊緣36限定輪廓可能是有利的。在第一邊緣36處的此種變化可以例如由入口導(dǎo)葉(未示出)、由殼體中鄰近第一邊緣36的幾何形狀的不均勻性或由殼體外面的限定通過殼體12的不均勻的氣流的特點(diǎn)產(chǎn)生。
掌握了上述描述及附圖中提供的說明的優(yōu)點(diǎn)的本發(fā)明的該技術(shù)的專業(yè)人員可以提出本發(fā)明的許多修改和其它實(shí)施例。因此，可以理解，本發(fā)明不限于已公開的特定實(shí)施例，而這些修改和其它實(shí)施例預(yù)期均包括在所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。雖然此處采用了特定的術(shù)語，但它們僅用于通用的描述意義而不用于限制的目的。
權(quán)利要求
1.一種其構(gòu)型做成通過一殼體與氣流一起轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括一個(gè)其構(gòu)型做成圍繞一根軸線而轉(zhuǎn)動(dòng)的主體部分；以及多個(gè)從該主體部分沿徑向向外伸出的葉片，每個(gè)葉片限定一個(gè)第一邊緣和一個(gè)第二邊緣，該第一邊緣大體上沿徑向伸出，而該第二邊緣大體上沿軸向伸出；其中，每個(gè)葉片的第二邊緣是該葉片的前緣和后緣之一，并在徑向-軸向投影中限定一非線性輪廓。
2.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，該轉(zhuǎn)子的構(gòu)型做成鄰近該殼體中的多個(gè)葉片而轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，該轉(zhuǎn)子是一個(gè)連接于一軸上的渦輪葉輪，該渦輪的構(gòu)型做成由經(jīng)該殼體的氣流轉(zhuǎn)動(dòng)，從而轉(zhuǎn)動(dòng)該軸。
4.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，該轉(zhuǎn)子是一個(gè)連接地一軸上的壓縮機(jī)葉輪，該葉輪的構(gòu)型做成與該軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，從而壓縮該氣體并將其經(jīng)該殼體而傳送。
5.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，該第二邊緣在徑向-軸向投影中限定一個(gè)凹形輪廓。
6.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，該第一邊緣在徑向-軸向投影中限定一個(gè)非線性輪廓。
7.一種按照權(quán)利要求1的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所有葉片基本上是相似的。
8.一種其構(gòu)型做成使氣體循環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，該裝置包括一個(gè)限定一入口和一出口的殼體；一個(gè)設(shè)置在該殼體內(nèi)并其構(gòu)型做成與經(jīng)該殼體的氣流一起轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子有一個(gè)其構(gòu)型做成圍繞一軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的主體部分和多個(gè)從該主體部分沿徑向向外伸出的葉片，每個(gè)葉片限定成一第一邊緣和一第二邊緣，該第一邊緣大體上沿徑向伸出，而該第二邊緣大體上沿軸向伸出；其中每個(gè)葉片的第二邊緣是該葉片的前緣和后緣之一，并在徑向-軸向投影中限定一個(gè)非線性輪廓。
9.一種按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，還包括多個(gè)導(dǎo)葉，這些導(dǎo)葉設(shè)置在該殼體中沿周邊逐漸增加的位置，在該轉(zhuǎn)子葉片的第二邊緣的徑向向外處，使得在該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)期間當(dāng)其葉片經(jīng)過這些導(dǎo)葉附近時(shí)這些葉片受到周期性變化的空氣動(dòng)力學(xué)的力，由此使這些葉片周期性地受到壓力。
10.一種按照權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于，這些導(dǎo)葉可以調(diào)節(jié)，由此控制通過該殼體的氣流。
11.一種按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，該殼體限定自該轉(zhuǎn)子沿徑向向外的入口，該轉(zhuǎn)子是一個(gè)連接在一軸上的渦輪葉輪，其構(gòu)型做成由經(jīng)該殼體的氣體的循環(huán)所轉(zhuǎn)動(dòng)，并由此使軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
12.一種按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，該殼體限定一個(gè)自該轉(zhuǎn)子沿徑向向外的擴(kuò)壓器，該轉(zhuǎn)子是一個(gè)連接在一軸上的壓縮機(jī)葉輪，其構(gòu)型做成由該軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由此壓縮該殼體內(nèi)的氣體，并將該氣體經(jīng)該出口輸送到該擴(kuò)壓器。
13.一種按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)葉片的第二邊緣在徑向-軸向投影中限定一個(gè)凹形輪廓。
14.一種按照權(quán)利要求9的設(shè)備，其特征在于，每個(gè)葉片的第一邊緣在徑向-軸向投影中限定一個(gè)非線性的輪廓。
15.一種按照權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，所有葉片基本上是相似的。
16.一種制備轉(zhuǎn)子的方法，該轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)做成能利用經(jīng)一殼體的氣流來轉(zhuǎn)動(dòng)，該方法包括規(guī)定限定從該轉(zhuǎn)子沿徑向伸出的葉片的一幾何構(gòu)型和限定一邊緣的第一參數(shù)；規(guī)定該轉(zhuǎn)子在該殼體內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)期間在該葉片上限定一種預(yù)期的周期性壓力分布的第二參數(shù)；確定承受由該預(yù)期的周期性壓力分布產(chǎn)生的比該葉片的鄰近部分相對(duì)更大位移的該葉片的大位移部分；調(diào)節(jié)這些第一參數(shù)來從該葉片中去除該大位移部分的至少一部分，使得該葉片的該邊緣在徑向-軸向投影中是非線性的；以及其后按照這些第一參數(shù)來限定該葉片。
17.一種按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，還包括限定具有多個(gè)從其沿徑向向外伸出的葉片的轉(zhuǎn)子，每個(gè)葉片限定一個(gè)基本上相似的幾何構(gòu)型。
18.一種按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述調(diào)節(jié)步驟包括這樣調(diào)節(jié)該第一參數(shù)，使得該邊緣在徑向-軸向投射中限定一個(gè)凹形輪廓。
19.一種按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，還包括在所述調(diào)節(jié)步驟之后重復(fù)所述確定步驟，由此反復(fù)地調(diào)節(jié)該第一參數(shù)。
20.一種按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，還包括規(guī)定多個(gè)靠近這些葉片邊緣的導(dǎo)葉。
21.一種按照權(quán)利要求16的方法，其特征在于，所述第一規(guī)定步驟包括這樣規(guī)定第一參數(shù)，使得該葉片限定一個(gè)第二邊緣，而且其中所述調(diào)節(jié)步驟包括調(diào)節(jié)該第一參數(shù)來去除該葉片的鄰近該第二邊緣的至少一部分，使得該葉片的第二邊緣在徑向-軸向投影中是非線性的。
全文摘要
提供一個(gè)轉(zhuǎn)子(30)和一種包括一轉(zhuǎn)子(30)的設(shè)備(10)。例如，該設(shè)備(10)可以是有一殼體(12)的渦輪或壓縮機(jī)，轉(zhuǎn)子(30)在該殼體中轉(zhuǎn)動(dòng)，而氣體在其間循環(huán)。轉(zhuǎn)子(30)有多個(gè)沿徑向伸出的葉片(32)，每個(gè)葉片(32)沿至少一個(gè)邊緣(36，38)限定一個(gè)非線性輪廓，使得在運(yùn)行期間葉片中誘生的應(yīng)變被減小，同時(shí)提供一種制造這樣一個(gè)轉(zhuǎn)子的方法。
文檔編號(hào)F01D5/14GK1902379SQ200480040127
公開日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2004年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月19日
發(fā)明者N·A·吉扎維 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司