废气涡轮增压器的叶轮制造技术

本发明专利技术涉及一种废气涡轮增压器的叶轮，该叶轮具有叶轮轮毂和设置在该叶轮轮毂上的叶轮叶片。所述叶轮叶片具有叶片厚度分布，该叶片厚度分布经过选择，从而叶轮叶片沿着其从流体进入边（4）到流体排出边（5）的伸展路段，在叶片高度上具有至少一个在针对刚性优化的叶片厚度分布与针对惯性和应力优化的叶片厚度分布之间的过渡部。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】废气涡轮增压器的叶轮本专利技术涉及一种废气涡轮增压器的叶轮，该叶轮具有叶轮轮毂和设置在该叶轮轮毂上的叶轮叶片，这些叶轮叶片分别含有流体进入边和流体排出边，且分别具有在流体质量流的流向上伸展的叶片厚度分布。由于针对废气排放到环境中的日益严格的法律，越来越多的车辆装备有通过废气涡轮增压器增压的柴油机或汽油机。此外，对内燃机的静态特性的要求在提高，也就是说，必须进一步改进功率、扭矩和消耗。对于借助涡轮增压器增压的内燃机来说，特别是暂态的响应特性也很重要。尽可能轻便的转子叶片组能实现使得涡轮机带有小的惯性矩，由此能实现改善的暂态的响应特性。最小的可能的叶片厚度受限于制造方法和所用材料的硬度特性。除了离心力外，还有剪切应力和压力形式的空气动力作用到叶轮叶片上。在冲流涡轮机时产生压力不均，其在每次转动时都会作用到叶轮叶片上。叶轮叶片必须具有刚性，这种刚性在一定程度上提高了其固有频率，使得它不会因这种压力波动而受激成危急的振动。已知的是，在径向上规定叶轮叶片的厚度分布，且厚度曲线从小直径到大直径直线地下降。代替径向的射束，也可以采用垂直于液流通道的射束作为限定基础，即所谓的子午线射束（Meridionalstrahlen）。其它已知的方案是，厚度分布带有简单的参数函数比如抛物线或指数函数。相应函数或函数类型的参数本身按照硬度标准进行优化，从而在叶轮叶片中特别是在也称为叶片底脚的叶轮叶片底脚区域中出现小的机械应力，并实现叶轮叶片的足够的刚性。在叶片的底脚区域中，真正的厚度分布往往在通至轮毂的过渡中被全额半径覆盖。该半径越大，应力就越小，叶片刚性就越大。然而，制造标准和空气动力标准限制了满额半径的最大尺寸。通常，叶轮叶片在其尖端即在径向的边缘区域要比在轮毂处薄。如果叶片的刚性或固有频率不够用，通常把叶片高度在叶片高度最大的位置沿流向设计得缩短，但这在空气动力学方面是不利的。另一种可行方案在于，把叶片在整体上设计得较厚。这些解决方案既非惯性最优，也非硬度最优。此外，由于材料利用率比较差，浪费了安装空间，否则，在叶片底脚间距相同的情况下，所述安装空间可供附加的叶片使用。由DE102008059874A1已知一种涡轮增压器的叶轮的叶片，该叶片在子午线视图中对于涡轮机叶轮叶片而言在其排出边上，或者对于压缩机叶轮叶片而言在其进入边上，其轴向长度至少在一个或多个区段中非线性地减小，对于该叶片来来说，适当地选择相应的区段和叶片的轴向长度的减小，从而叶片在叶片或叶轮的固有频率与效率损失之间具有预定的关系。此外，由该文献已知一种叶轮叶片，该叶轮叶片在子午线视图中对于涡轮机叶轮叶片而言在其排出边上，或者对于压缩机叶轮叶片而言在其进入边上，在第一上部区域中在轴向长度方面有所减小，其中，排出边在第二下部区域中垂直地、基本垂直地或者向后地、与流向相逆地伸展，或者，进入边在第二下部区域中垂直地、基本垂直地或者向后地、沿着流向伸展，从而叶轮的效率损失在预定的区域中有所限制。本专利技术的目的在于，提出一种废气涡轮增压器的叶轮，该叶轮在工作中具有改善的特性。本专利技术的目的通过一种具有下述特征的叶轮来实现。废气涡轮增压器的根据本专利技术的叶轮具有叶轮轮毂和设置在该叶轮轮毂上的叶轮叶片，这些叶轮叶片分别具有流体进入边、流体排出边和叶片高度以及叶片厚度分布。本专利技术的叶轮的特征在于，叶片厚度分布经过选择，使得叶轮叶片沿着其从流体进入边到流体排出边的伸展路段上，即在流体流的流向上，在叶片高度上具有至少一个在针对刚性的叶片厚度分布和针对惯性和应力的叶片厚度分布之间的过渡部。在此，叶片高度系指，在径向方向上，以叶轮旋转轴线为参照，从在叶轮轮毂2和叶轮叶片3、叶片底脚或底脚区域B1之间的过渡区域起，直到离开叶轮轮毂2的径向的叶片边缘，相应的叶轮叶片的伸展路段。叶轮叶片在流体流的流向上的伸展路段表示“叶片长度”，其起始于叶轮叶片的流体进入边，终止于叶轮叶片的流体排出边。叶轮的一种有利设计的特点是，针对刚性的叶片厚度分布是在叶片高度上的瓶子状的叶片厚度分布，针对惯性和应力的叶片厚度分布是在叶片高度上的埃菲尔铁塔状的叶片厚度分布。瓶子状的叶片厚度分布是一种刚性优化的造型，且至少在叶轮叶片的一个侧面上但优选在两侧具有压力侧和抽吸侧，在垂直于叶轮旋转轴线的剖切面上观察具有瓶子状的侧面轮廓。该侧面轮廓尤其以曲率改变区域为特点，在该区域中，从径向内部朝向径向外部，侧面轮廓的即侧面弯曲部的以所观察的叶轮叶片横截面的虚拟的中心线为参照呈凸形的走势，过渡为凹形的走势。在该主题的改进中，所述侧面轮廓在叶片底脚和曲率改变区域之间分别具有直线的或弯曲的第一过渡区域。由此产生了具有凸起状刚性底脚的基本形状，其中，叶片厚度至少径向向外缓慢地减小至曲率改变区域（瓶子肚）。在曲率改变区域中，叶片厚度首先在侧面轮廓的凸形走势情况下急剧地变小。随后，侧面轮廓过渡为凹形走势，从而叶片厚度沿着叶片高度的这个区域径向向外轻缓地减小。在瓶子状的叶片厚度分布的主题的改进中，相应的叶轮叶片的侧面轮廓在其径向叶片边缘及其曲率改变区域之间分别具有直线的或弯曲的第二过渡区域（瓶子颈）。在此，侧面轮廓的即侧面曲率的走势可以朝向径向的叶片边缘以预先给定的曲率发展，或者朝向所观察的叶轮叶片横截面的虚拟的中心线倾斜，或者与该中心线平行，从而产生第二过渡区域，其在叶轮叶片的横截面中例如具有梯形的减小部，或者具有恒定不变的厚度。这样一来，在横截面中观察，叶轮叶片整体上产生了一种侧面弯曲，这种侧面弯曲类似于瓶子的轮廓线，因而在此是已知的。埃菲尔铁塔状的叶片厚度分布是一种惯性优化和应力优化的造型，且至少在叶轮叶片的一个侧面上但优选在两侧（压力侧和抽吸侧），沿径向向外具有侧面轮廓的即叶轮叶片侧面弯曲部的凹形走势，从而叶片厚度沿着叶片高度径向向外轻缓地减小。侧面弯曲部朝向径向叶片边缘的发展情况在此可以经过设计，使得相应叶轮叶片侧面轮廓的凹形弯拱的走势朝向径向叶片边缘连续地发展，或者过渡成直线的、朝向叶轮叶片横截面的虚拟中心线倾斜或与该中心线平行的走势，从而产生一个过渡区域，其在叶轮叶片的横截面具有梯形的径向向外的减小部，或者具有恒定不变的厚度。叶片底脚区域中的发展情况可以由叶片侧壁的弯曲产生，或者设有附加的底脚倒圆部。在横截面中观察，由此产生叶轮叶片的侧面弯曲，这种侧面弯曲类似于埃菲尔铁塔的轮廓线，因而在此是已知的。下面借助附图说明来阐述本专利技术的具有上述特征的叶轮的其它有利的设计和改进。本专利技术的叶轮的优点特别是在于，叶轮在由其在工作中要求的特性方面特别是在其刚性、惯性和硬度方面得到优化。要求权利保护的叶片厚度分布可以应用于浇铸的、蚀刻的以及铣削的径向、径向-轴向、和轴向的涡轮机或压缩机。此外，本专利技术在浇铸情况下在彼此相邻的叶片之间的最小间距方面有利于制造技术的边缘条件。在采用浇铸方法进行制造时，存在如下可行性：叶片厚度分布既可以沿着叶片高度任意调节，又可以沿着叶片长度任意调节。这种可行性在本专利技术中按下述进行利用：在叶轮叶片的对于叶轮刚性来说意义不大的区域中进行惯性优化的厚度分布，以及在叶轮叶片的有振动危险的区域中进行刚性优化的厚度分布。对于整个叶片刚性来说意义不大的区域是在径向上具有较小叶片高度的区域。对于叶片刚性有重大影响的区域是在径向上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种废气涡轮增压器的叶轮（1），该叶轮具有叶轮轮毂（2）和设置在该叶轮轮毂上的叶轮叶片（3），所述叶轮叶片分别具有流体进入边（4）、流体排出边（5）、叶片底脚（B1）、径向的叶片边缘（B5）和叶片高度（9）以及叶片厚度分布，其特征在于，叶片厚度分布经过选择，从而叶轮叶片（3）沿着其从流体进入边（4）到流体排出边（5）的伸展路段，在叶片高度上具有至少一个在针对刚性优化的叶片厚度分布与针对惯性和应力优化的叶片厚度分布之间的过渡部。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.07.24 DE 102012212896.41.一种废气涡轮增压器的叶轮（1），该叶轮具有叶轮轮毂（2）和设置在该叶轮轮毂上的叶轮叶片（3），所述叶轮叶片分别具有流体进入边（4）、流体排出边（5）、叶片底脚（B1）、径向的叶片边缘（B5）和叶片高度（9）以及叶片厚度分布，其特征在于，叶片厚度分布经过选择，从而叶轮叶片（3）沿着其从流体进入边（4）到流体排出边（5）的伸展路段，在叶片高度上具有至少一个在针对刚性优化的叶片厚度分布与针对惯性和应力优化的叶片厚度分布之间的过渡部；其中，针对刚性的叶片厚度分布是在叶片高度上的瓶子状的叶片厚度分布，针对惯性和应力的叶片厚度分布是在叶片高度上的埃菲尔铁塔状的叶片厚度分布；相应的叶轮叶片（3）的侧面轮廓在瓶子状的叶片厚度分布的区域中，在其叶片底脚（B1）及其径向的叶片边缘（B5）之间分别具有曲率改变区域（B3）；相应的叶轮叶片（3）的侧面轮廓在埃菲尔铁塔状的叶片厚度分布的区域中，在其叶片底脚（B1）及其径向的叶片边缘（B5）之间具有凹形弯拱的走势，从而叶片厚度沿着叶片高度（9）径向向外轻缓地减小。2.如权利要求1所述的叶轮（1），其特征在于，相应的叶轮叶片（3）的侧面轮廓在其叶片底脚（B1）及其曲率改变区域（B3）之间分别具有直线的或弯曲的第一过渡区域（B2）。3.如权利要求2所述的叶轮，其特征在于，相应的叶轮叶片（3）的侧面轮廓在其径向的叶片边缘（B5）及其曲率改变区域（B3）之间分别具有直线的或弯曲的第二过渡区域（B4）。4.如权利要求1所述的叶轮（1），其特征在于，相应的叶轮叶片（3）的侧面轮廓的凹形弯拱的走势，在朝向径向的叶片边缘（B5）的方向上，过渡为朝向叶轮叶片（3）的虚拟的中心线（13）倾斜的或者与该中心线（13）平行的走势，从而产生一个过渡区域（B4），该过渡区域在叶轮叶片的横截面中径向向外具有梯形的减小部，或者具有恒定不变的厚度。5.如权利要求1~4中任一项所述的叶轮...

【专利技术属性】
技术研发人员：M克劳斯，T梅伦达，B莱迈尔，M帕夫拉特，I桑多尔，E巴蒂，U维弗，
申请(专利权)人：大陆汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE