專利名稱：軸流式渦輪機(jī)葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及渦輪增壓器，更具體地，涉及具有低轂尖比的軸流式渦輪機(jī)。
背景技術(shù)：
參考圖1，典型的具有徑流式渦輪機(jī)的渦輪增壓器101包括渦輪增壓器殼體和構(gòu)造為在渦輪增壓器殼體內(nèi)沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103在止推軸承和兩組軸頸軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子 (每個(gè)相應(yīng)的轉(zhuǎn)子葉輪對(duì)應(yīng)一組軸頸軸承)，或者替選地，在其它類似的支撐軸承上轉(zhuǎn)動(dòng)。 渦輪增壓器殼體包括渦輪機(jī)殼體105，壓縮機(jī)殼體107，以及將渦輪機(jī)殼體連接至壓縮機(jī)殼體的軸承殼體109(也就是容納軸承的中心殼體)。轉(zhuǎn)子包括基本上位于渦輪機(jī)殼體內(nèi)的渦輪機(jī)葉輪111，基本上位于壓縮機(jī)殼體內(nèi)的壓縮機(jī)葉輪113，以及沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸并穿過軸承殼體以將渦輪機(jī)葉輪連接至壓縮機(jī)葉輪的軸115。渦輪機(jī)殼體105和渦輪機(jī)葉輪111形成這樣一種渦輪機(jī)，其構(gòu)造為沿周向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)例如來自內(nèi)燃機(jī)125中排氣歧管123的高壓和高溫排氣流121。高壓和高溫的排氣流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪(以及轉(zhuǎn)子)繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)，其變成低壓和低溫的排氣流 127并沿軸向釋放到排氣系統(tǒng)(未示出)中。壓縮機(jī)殼體107和壓縮機(jī)葉輪113形成壓縮機(jī)級(jí)。由被排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪 111驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)額壓縮機(jī)葉輪被構(gòu)造為將軸向接收到的進(jìn)氣(例如環(huán)境空氣131，或來自多級(jí)壓縮機(jī)中前級(jí)的已壓縮空氣)壓縮成加壓氣流133，該加壓氣流133從壓縮機(jī)的周向排出。 由于該壓縮過程，加壓氣流的特征在于溫度高于輸入空氣的溫度。任選地，加壓空氣流可被引導(dǎo)通過對(duì)流冷卻進(jìn)氣空氣冷卻器135，冷卻器135構(gòu)造成用于消散加壓氣流的熱量，增加其密度。得到的經(jīng)冷卻和加壓的輸出氣流137被導(dǎo)入內(nèi)燃機(jī)上的進(jìn)氣歧管139，或者替選地，被導(dǎo)入串連壓縮機(jī)的下一級(jí)。該系統(tǒng)的運(yùn)行由E⑶ 151(發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元)控制，其經(jīng)由通信線路153連接至該系統(tǒng)的其余部分。事實(shí)上通過引用并入本文的日期為1989年7月25日的美國專利US4，850，820公開了一種類似于圖1但是具有軸流式渦輪機(jī)的渦輪增壓器。軸流式渦輪機(jī)本身具有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這節(jié)省了加速渦輪機(jī)所需能量。如圖2所示，渦輪機(jī)具有渦形管，其沿周向在渦輪機(jī)葉片半徑處接收排氣并(參見圖1)并且在軸向上限制氣流轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流動(dòng)。從而它基本上沿軸向撞擊渦輪機(jī)葉片的前邊緣(參見第2欄)。對(duì)于許多所感興趣的渦輪機(jī)尺寸，與相當(dāng)?shù)膹搅魇綔u輪機(jī)相比，軸流式渦輪機(jī)通常以更高的質(zhì)量流量和更小的膨脹比運(yùn)行。雖然常規(guī)的軸流式渦輪機(jī)盡管具有一些效率和性能損失，通常還是提供了較小的慣性，但是它們不能高效地被制造成能在眾多現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)上使用的小尺寸。更確切地說，例如，由于所需要的特別嚴(yán)格的公差，由于空氣動(dòng)力學(xué)限制，和/或由于生產(chǎn)小型鑄件的尺寸限制。軸流式渦輪機(jī)也沒有能力很好地以較高的膨脹比運(yùn)行，而這些較高的膨脹比是由于內(nèi)燃機(jī)的排氣的脈沖特性而通常需要的。此外，常規(guī)軸流式渦輪機(jī)的橫過葉片的靜壓具有顯著變化，從而引起很大的推力負(fù)載作用在轉(zhuǎn)子的止推軸承上，并有可能引起竄氣。
在一些常規(guī)的渦輪增壓器中，渦輪機(jī)和壓縮機(jī)被構(gòu)造為沿相反的方向施加軸向負(fù)載從而減少必須由軸承承載的平均軸向負(fù)載。然而，來自渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的軸向負(fù)載彼此間并不均勻變化，有可能以顯著不同的水平變化，因此必須以渦輪增壓器使用期間可能發(fā)生的最大負(fù)載狀態(tài)設(shè)計(jì)止推軸承。配置為承受高負(fù)載的軸承比相當(dāng)?shù)牡拓?fù)載軸承浪費(fèi)更多的能量，因此必須承受更高軸向負(fù)載的渦輪增壓器被它們的軸承奪去更多的能量。因此，需要這樣一種渦輪增壓器渦輪機(jī)，其具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，以不需要特別嚴(yán)格的公差的小尺寸為特征，同時(shí)在較低和較高膨脹比時(shí)都具有合理的效率，并具有較小的軸向負(fù)載。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例滿足這些和其它需要，并進(jìn)一步提供相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在不同的實(shí)施例中，本發(fā)明解決了上面提到的一些或全部需求，通常提供了一種節(jié)約成本的渦輪增壓器渦輪機(jī)，其以低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為特征，并且具有不需要特別嚴(yán)格的公差的小尺寸，同時(shí)在較低和較高膨脹比時(shí)都具有合理的效率水平，且靜態(tài)負(fù)載只有小的變化。本發(fā)明提供這樣一種渦輪增壓器，其構(gòu)造為從發(fā)動(dòng)機(jī)接收排氣流并將進(jìn)氣壓縮為加壓氣流，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)被構(gòu)造為在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)。該渦輪增壓器包括包括渦輪機(jī)殼體的渦輪增壓器殼體，以及構(gòu)造為在渦輪增壓器殼體內(nèi)沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子包括軸流式渦輪機(jī)葉輪，壓縮機(jī)葉輪，和沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸連接渦輪機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪的軸。渦輪機(jī)葉輪具有轂，和多個(gè)構(gòu)造為當(dāng)渦輪增壓器從周向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的軸流式渦輪機(jī)葉片。壓縮機(jī)葉輪構(gòu)造為將進(jìn)氣壓縮成加壓氣流。有利地，渦輪機(jī)殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機(jī)主渦形管通道，其特征在于半徑明顯減小到足以加速排氣，以使渦輪機(jī)接收到的排氣的總壓的很大一部分轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)壓。這使得恰當(dāng)構(gòu)造的葉片能夠從排氣抽取非常大的能量而不明顯改變穿過渦輪機(jī)葉片的靜壓。穿過渦輪機(jī)葉片的靜壓基本上沒有改變，因而排氣流對(duì)轉(zhuǎn)子施加少到幾乎沒有的軸向壓力。渦輪機(jī)葉輪葉片具有軸向上游邊緣，軸向下游邊緣，轂端，和與轂端相對(duì)的尖端。 后邊緣的特征在于轂端處的半徑和尖端處的半徑。本發(fā)明的特征在于渦輪機(jī)葉輪后邊緣的轂端處的半徑不大于渦輪機(jī)葉輪后邊緣的尖端處半徑的60%。另外的特征包括渦輪機(jī)葉輪葉片的數(shù)目限定為16個(gè)或更少，并且每一個(gè)渦輪機(jī)葉輪葉片的特征在于大的轉(zhuǎn)向角。有利地，這些特征用于從沿高度周向的方向接收到的高速排氣中抽取大量能量而不會(huì)顯著地影響氣體的靜壓。此外，渦輪機(jī)葉輪不需要極其嚴(yán)格的制造公差或小的葉片尺寸，即使是在葉輪以相對(duì)小的尺寸制造時(shí)。本發(fā)明進(jìn)一步的特征是，壓縮機(jī)可以是一種雙側(cè)的、并列的、徑向壓縮機(jī)，其包括具有背對(duì)背定向的葉輪片的壓縮機(jī)葉輪，其中所述葉輪片包括軸向背離渦輪機(jī)的第一組葉輪片和軸向面對(duì)渦輪機(jī)的第二組葉輪片。壓縮機(jī)殼體構(gòu)造為將進(jìn)氣并行地導(dǎo)向到每組壓縮機(jī)葉片。有利地，在該特征下，壓縮機(jī)構(gòu)造為基本上不對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生軸向負(fù)載。在與也僅對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生很少或不產(chǎn)生軸向負(fù)載的渦輪機(jī)結(jié)合時(shí)，止推軸承負(fù)載水平可比常規(guī)渦輪增壓器小很多。較小的軸承負(fù)載水平使得能夠使用更高效的止推軸承，從而提高渦輪增壓器的整體效率。通過下面結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見，其中附圖以舉例的方式對(duì)本發(fā)明的原理進(jìn)行了解釋。如下公開的使本領(lǐng)域技術(shù)人員能建造和使用本發(fā)明實(shí)施例的對(duì)特定優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述，并不是為了限制列舉的權(quán)利要求，相反，它們旨在用作要求保護(hù)的本發(fā)明的特定示例。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)中渦輪增壓式內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)圖。圖2是實(shí)施本發(fā)明的渦輪增壓器的橫截面平面圖。圖3是圖2中所示的渦輪增壓器沿圖2中A-A線截取的橫截面?zhèn)纫晥D。圖4是相對(duì)于圖2中所示的渦輪機(jī)葉輪某些關(guān)鍵流動(dòng)位置的平面圖。圖5是圖2中所示渦輪機(jī)葉片的拱曲的圖示。圖6是圖2中所示的渦輪機(jī)葉輪的透視圖。
具體實(shí)施例方式通過參閱下面的詳細(xì)描述可更好地理解如上概述的和由所列權(quán)利要求限定的本發(fā)明，下面的詳細(xì)描述應(yīng)該結(jié)合附圖閱讀。下面對(duì)本發(fā)明的具體優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠構(gòu)造和使用本發(fā)明的具體實(shí)施方式
，其不是意在限制所列權(quán)利要求，而是旨在提供它們的具體實(shí)施例。本發(fā)明的典型實(shí)施例設(shè)置在配備有汽油提供動(dòng)力的內(nèi)燃機(jī)(“ICE”)和渦輪增壓器的機(jī)動(dòng)車輛中。渦輪增壓器具有獨(dú)特的特征組合，該特征組合在不同的實(shí)施例中可為零反作用渦輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)優(yōu)點(diǎn)提供百分之五十反作用渦輪機(jī)的幾何學(xué)優(yōu)點(diǎn)，和/或通過以減小軸承要求的方式組合較低效的部件來提供顯著改善的系統(tǒng)效率，從而形成一種比相當(dāng)?shù)奈锤纳频南到y(tǒng)效率更高的系統(tǒng)。渦輪機(jī)構(gòu)造為在較低和較高膨脹比下都以合理的效率水平工作，穿過渦輪機(jī)葉輪時(shí)靜壓只有小變化(因此造成低的轉(zhuǎn)子推力負(fù)載)，同時(shí)它具有低的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，和以小尺寸為特征，但是不需要特別嚴(yán)格的公差。與此相結(jié)合，壓縮機(jī)的特征也在于低的軸向推力負(fù)載，從而使得該渦輪增壓器需要一種比在相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)渦輪增壓器中使用的止推軸承明顯更高效的止推軸承。參考圖2和3，在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，如圖1中所示的典型內(nèi)燃機(jī)和ECU (和任選的中冷器)設(shè)置有包括渦輪增壓器殼體和構(gòu)造為在渦輪增壓器殼體內(nèi)在一組軸承上沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子的渦輪增壓器201。渦輪增壓器殼體包括渦輪機(jī)殼體205，壓縮機(jī)殼體207，以及連接渦輪機(jī)殼體和壓縮機(jī)殼體的軸承殼體209(即，容納徑向和止推軸承的中心殼體)。轉(zhuǎn)子包括基本上位于渦輪機(jī)殼體內(nèi)的軸向渦輪機(jī)葉輪211，基本上位于壓縮機(jī)殼體內(nèi)的徑向壓縮機(jī)葉輪213，以及沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸的軸215，該軸穿過軸承殼體以連接渦輪機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪并用于使渦輪機(jī)葉輪驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)葉輪繞旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。渦輪機(jī)殼體205和渦輪機(jī)葉輪211形成這樣一種渦輪機(jī)，其構(gòu)造為沿周向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)排氣歧管的高壓高溫排氣流(例如來自如圖1中所示的排氣歧管123的排氣流 121)。作用在渦輪機(jī)葉輪的多個(gè)葉片231上的高壓高溫排氣流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪(從而轉(zhuǎn)子)繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203轉(zhuǎn)動(dòng)。排氣流通過葉片的同時(shí)變成總壓降低的排氣流，隨后經(jīng)渦輪機(jī)出口 227沿軸向釋放到排氣系統(tǒng)(未示出)中。
6
壓縮機(jī)殼體207和壓縮機(jī)葉輪213形成徑向壓縮機(jī)。被由排氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪 211(經(jīng)軸215)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉輪構(gòu)造為，將軸向接收到的進(jìn)氣(例如，環(huán)境空氣，或來自多級(jí)壓縮機(jī)中前級(jí)壓縮過的空氣)壓縮成加壓空氣流，該加壓空氣流可從壓縮機(jī)的周向排出，然后輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口(例如，圖1中所示的輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口 139的加壓空氣流 133)。渦輪機(jī)蝸殼渦輪機(jī)殼體205形成通向主渦形管通道219的排氣入口通道217，其中主渦形管通道構(gòu)造為沿與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203垂直并徑向偏離于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203的方向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣流。主渦形管通道形成適于使氣流顯著加速到高速的螺旋形，對(duì)于渦輪機(jī)(以及與其相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī))的至少某些運(yùn)行工況來說該高速可能達(dá)到超音速。更具體地，主渦形管通道使氣流同時(shí)向內(nèi)繞旋轉(zhuǎn)軸線203和軸向地對(duì)著軸流式渦輪機(jī)葉輪211轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)(對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的某些標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況)同時(shí)具有下游軸向分量221和下游周向分量223的超音速流。這種構(gòu)造有效利用角動(dòng)量守恒(而非收斂擴(kuò)散噴管)獲得至少對(duì)于某些運(yùn)行工況來說包括到超音速的無激波過渡的高速氣流。通常，需要以大的半徑變化為特征的螺旋形以實(shí)現(xiàn)這樣的速度變化，并且即使最終氣流軸向地轉(zhuǎn)向地進(jìn)入軸流式渦輪機(jī)葉輪中，它也具有速度非常高的周向分量。無需使用會(huì)引起附加損失的轉(zhuǎn)向葉片即可獲得該周向分量。從而，本實(shí)施例的渦輪機(jī)進(jìn)口為無轉(zhuǎn)向葉片設(shè)計(jì)。與有轉(zhuǎn)向葉片的設(shè)計(jì)相比，如此設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是成本經(jīng)濟(jì)、可靠 (因?yàn)槿コ嗽诃h(huán)境中有可能被侵蝕的部件)，避免摩擦壓力損失，同時(shí)避免產(chǎn)生在某些運(yùn)行工況下有可能阻塞流動(dòng)的臨界喉部區(qū)域。參考圖2-4，在主渦形管通道的內(nèi)徑中的加速排氣流的潛在超音速流被引導(dǎo)到渦輪機(jī)葉輪211中。更具體地，主渦形管通道是一個(gè)向內(nèi)螺旋的通道，其特征在于具有連接該主渦形管通道和排氣入口通道217的主渦形管進(jìn)口 225。主渦形管通道基本上形成為收斂通道，其向內(nèi)螺旋和收斂到足以加速排氣，并至少對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)(及其渦輪增壓器)的某些標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況來說，當(dāng)排氣向下游軸向轉(zhuǎn)向、并撞擊到葉片231的軸向上游端233時(shí)達(dá)到超音速。主渦形管進(jìn)口 225是平面位置，其沿著排氣到達(dá)渦輪機(jī)葉輪之前所行進(jìn)通過的渦輪機(jī)內(nèi)的通道設(shè)置。相對(duì)于通道中的開口確定主渦形管進(jìn)口 225的位置，該開口的特征在于在垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203的橫截面中觀察時(shí)為舌狀形狀。更具體地，在圖3的橫截面視圖中，舌狀物235表現(xiàn)為具有尖端的突起。應(yīng)該注意的是，在一些實(shí)施例中，在不同的軸向位置截取橫截面時(shí)該結(jié)構(gòu)的形狀不會(huì)發(fā)生變化。在其它實(shí)施例中，形成舌狀物235的結(jié)構(gòu)可以如此成形，以使舌狀物尖端的位置在從不同的軸向位置截取的橫截面中觀察時(shí)有變化。主渦形管進(jìn)口 225位于舌狀物235的尖端處。無論舌狀物的尖端的周向位置隨所考慮的橫截面的軸向位置的變化程度如何，主渦形管進(jìn)口 225限定在舌狀物尖端的最上游位置處，即，最上游位置，殼體在該最上游位置開放從而它不再徑向地夾在排氣流和葉片之間(即使葉片與排氣流軸向錯(cuò)開)。為了這種應(yīng)用目的，將主渦形管進(jìn)口 225限定為，在舌狀物235的尖端處，從排氣入口通道217進(jìn)入主渦形管通道219的最小平面開口。換句話說，它位于排氣入口通道的下游端處的這樣的位置在該位置處氣流能夠到達(dá)葉片。主渦形管通道219起始于主渦形管進(jìn)口 225，并環(huán)繞旋轉(zhuǎn)軸線向內(nèi)螺旋360度以形成與進(jìn)入主渦形管進(jìn)口 225的氣流重新交匯的收斂環(huán)。該收斂環(huán)使排氣沿周向加速并使其軸向地轉(zhuǎn)向。在主渦形管通道219的整個(gè)360度上，加速且轉(zhuǎn)向的排氣流撞擊葉片231，隨之從葉片間穿過，并驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪211旋轉(zhuǎn)。概括來說，用于軸流式渦輪機(jī)葉輪的殼體形成環(huán)繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線向內(nèi)螺旋的主渦形管通道。該通道始于基本上位于葉片軸向上游端的徑向外部的主渦形管進(jìn)口 225，從而使該通道能向內(nèi)螺旋并軸向轉(zhuǎn)向以加速進(jìn)入軸流式渦輪機(jī)輪葉的上游端的排氣流。修正質(zhì)量流量為了在本發(fā)明下實(shí)現(xiàn)對(duì)排氣進(jìn)行足夠程度的加速，主渦形管通道219構(gòu)造為具有這樣的尺寸參數(shù)，當(dāng)渦輪機(jī)在臨界膨脹比率(EJ下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪機(jī)的修正質(zhì)量流率表面密度超出臨界構(gòu)造參數(shù)，即，臨界的修正質(zhì)量流率表面密度(DJ。更具體地，該渦形管的尺寸參數(shù)包括主渦形管半徑比率og和主渦形管進(jìn)口面積( ),如此選擇所述尺寸參數(shù)，使得當(dāng)渦輪機(jī)在臨界膨脹比率Ect下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，渦輪機(jī)的修正質(zhì)量流率表面密度超過臨界構(gòu)造參數(shù)D。r。相對(duì)于主渦形管進(jìn)口 225確定這些尺寸參數(shù)，主渦形管進(jìn)口 225以質(zhì)心237表征。 為了使氣體沿軸向充分加速，該質(zhì)心基本上位于每個(gè)葉片231的軸向上游端233的徑向外部并且通常位于其軸向上游。上面列舉的某些項(xiàng)的數(shù)值取決于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的排氣流氣體類型。這種排氣流氣體將用玻爾茲曼常數(shù)(k)，和氣體常數(shù)R-Specific(Rsp)。這些常數(shù)隨氣體類型而變化，但是對(duì)于大部分汽油提供動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)排氣，這種區(qū)別可以預(yù)見是小的，這些常數(shù)通常量級(jí)大約為 k = 1. 3 和 Rsp = 290. 8J/Kg/K。具有如上所述的兩個(gè)尺寸參數(shù)特征的渦輪機(jī)殼體能夠使排氣加速。這樣確定第一個(gè)尺寸參數(shù)即主渦形管半徑比率將渦輪機(jī)葉片231前邊緣(即，轉(zhuǎn)子入口的內(nèi)邊緣處) 處的轂上的點(diǎn)239處的半徑，除以主渦形管進(jìn)口 225的平面區(qū)域的質(zhì)心237的半徑。第二個(gè)尺寸參數(shù)即主渦形管進(jìn)口面積％被限定為是主渦形管進(jìn)口 225的面積。如上所述，該實(shí)施例中渦輪機(jī)的幾何尺寸是相對(duì)于臨界膨脹比率Ect時(shí)的運(yùn)行參數(shù)確定的。從下面的公式獲得臨界膨脹比率
權(quán)利要求
1.一種構(gòu)造為從發(fā)動(dòng)機(jī)接收排氣流并將進(jìn)氣壓縮為加壓氣流的渦輪增壓器，其中所述發(fā)動(dòng)機(jī)被構(gòu)造為在一系列標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下運(yùn)轉(zhuǎn)，該渦輪增壓器包括包括渦輪機(jī)殼體的殼體；以及構(gòu)造為在所述殼體內(nèi)沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括軸流式渦輪機(jī)葉輪、壓縮機(jī)葉輪、和沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸并將渦輪機(jī)葉輪連接至壓縮機(jī)葉輪的軸；其中渦輪機(jī)葉輪構(gòu)造為具有轂，還具有多個(gè)軸流式渦輪機(jī)葉片，所述多個(gè)軸流式渦輪機(jī)葉片構(gòu)造為當(dāng)渦輪增壓器從發(fā)動(dòng)機(jī)接收到排氣流時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，所述葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端、和與轂端相對(duì)的尖端，后邊緣的特征在于轂端處的半徑和尖端處的半徑；其中壓縮機(jī)葉輪構(gòu)造為，當(dāng)轉(zhuǎn)子被渦輪機(jī)葉輪驅(qū)動(dòng)繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將進(jìn)氣壓縮為加壓氣流；其中渦輪機(jī)殼體形成沿軸向方向轉(zhuǎn)向的向內(nèi)螺旋渦輪機(jī)主渦形管通道；并且其中渦輪機(jī)葉輪后邊緣轂端處的半徑不大于渦輪機(jī)葉輪后邊緣尖端處的半徑的60%。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
3.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂處的前邊緣葉片角大于或等于20度。
4.如權(quán)利要求3所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂處的前邊緣葉片角大于或等于30度。
5.如權(quán)利要求3所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂和尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80 度；以及每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于中間半徑處的前邊緣葉片角大于或等于20度。
6.如權(quán)利要求5所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂處的前邊緣葉片角大于或等于30度，并且中間半徑處的前邊緣葉片角大于或等于30度。
7.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂和尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
8.如權(quán)利要求7所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于尖處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
9.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于尖處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
10.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于轂和尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
11.如權(quán)利要求10所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于中間半徑處的前邊緣葉片角大于或等于20度。
12.如權(quán)利要求10所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于尖處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
13.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于尖處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
14.如權(quán)利要求13所述的渦輪增壓器，其中每個(gè)渦輪機(jī)葉片的特征在于尖處的前邊緣葉片角大于或等于-20度。
15.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中渦輪機(jī)葉輪被限定為不多于20個(gè)葉片。
16.如權(quán)利要求15所述的渦輪增壓器，其中渦輪機(jī)葉輪被限定為不多于16個(gè)葉片。
17.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中渦輪機(jī)葉輪葉片從渦輪機(jī)葉輪轂形成懸臂。
18.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，其中渦輪機(jī)被構(gòu)造為將葉輪轂附近葉輪上游的靜壓限定為這樣一個(gè)值，該值不大于所述一系列標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況的至少部分運(yùn)行工況下的渦輪機(jī)出口靜壓的120%。
19.一種渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，包括構(gòu)造為接收加壓氣流和產(chǎn)生排氣流的發(fā)動(dòng)機(jī)，該發(fā)動(dòng)機(jī)被構(gòu)造為在一系列標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下運(yùn)轉(zhuǎn)；以及如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，該渦輪增壓器被構(gòu)造為，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)從該發(fā)動(dòng)機(jī)接收排氣流，并將進(jìn)氣壓縮成發(fā)動(dòng)機(jī)所接收的加壓氣流。
20.如權(quán)利要求19所述的渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中向內(nèi)螺旋主渦形管通道基本上形成收斂通道，所述收斂通道向軸向下游轉(zhuǎn)向并且向內(nèi)螺旋到足以在所述一系列標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行工況范圍的至少部分運(yùn)行工況下使進(jìn)氣在到達(dá)渦輪機(jī)葉輪葉片的上游邊緣時(shí)達(dá)到超音速。
全文摘要
本發(fā)明涉及軸流式渦輪機(jī)葉輪。一種渦輪增壓器，包括轂尖比不大于60％的渦輪機(jī)葉輪和有很大轉(zhuǎn)向角的葉片，形成向內(nèi)螺旋的主渦形管通道的渦輪機(jī)殼體，其中該通道顯著收斂從而產(chǎn)生以很大周向角進(jìn)入渦輪機(jī)內(nèi)的高度加速氣流，以及雙側(cè)并列的壓縮機(jī)。壓縮機(jī)和渦輪機(jī)基本上都不產(chǎn)生軸向力，從而允許使用最小的軸向止推軸承。
文檔編號(hào)F01D5/14GK102220883SQ20111014188
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者J·A·洛特曼, V·凱爾斯 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司