具有弯曲的前边缘的轴向涡轮机叶轮制造技术

一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括：涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮具有不超过60%的轮毂到末端比和叶片，该叶片具有高的转向角度和弯曲的前边缘；涡轮机外壳，该涡轮机外壳形成向内盘旋的主涡卷通路，该向内盘旋的主涡卷通路显著地收敛以便以高的周向角度提供高度加速的空气流到涡轮机中；和双侧并行压缩机。该压缩机和涡轮机各基本上不产生轴向力，允许使用最小轴向推力轴承。

【技术实现步骤摘要】
具有弯曲的前边缘的轴向涡轮机叶轮
本专利技术一般涉及涡轮增压器，并且更特别地涉及轴向涡轮机，该轴向涡轮机具有低的轮毂到末端比和弯曲的前边缘。
技术介绍
参考图1，具有径向涡轮机的典型涡轮增压器101包括涡轮增压器外壳和转子，该转子构造成在推力轴承和两组轴颈轴承（一组轴颈轴承用于每一个相应的转子叶轮）或者替代地其它类似地支撑性轴承上沿转子旋转轴线103在涡轮增压器外壳内旋转。涡轮增压器外壳包括涡轮机外壳105，压缩机外壳107，和轴承外壳109（即，包含轴承的中心外壳），该轴承外壳将涡轮机外壳连接到压缩机外壳。该转子包括基本上位于涡轮机外壳内的涡轮机叶轮111，基本上位于压缩机外壳内的压缩机叶轮113，和轴115，该轴沿转子旋转轴线延伸，通过轴承外壳，以将涡轮机叶轮连接到压缩机叶轮。涡轮机外壳105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，该涡轮机构造成从发动机，例如从内燃机125的排气歧管123周向地接收高压且高温的排气流121。涡轮机叶轮（并且因此该转子）被高压且高温的排气流驱动绕转子旋转轴线103旋转，该高压且高温的排气流变成较低压力且较低温度的排气流127并且被轴向地释放到排气系统（未示出）中。压缩机外壳107和压缩机叶轮113形成压缩机级。被排气驱动的涡轮机叶轮111驱动旋转的压缩机叶轮构造成将接收的输入空气（例如，周围的空气131，或来自多级压缩机中的先前的级的已经加压的空气）轴向地压缩成加压的空气流133，该加压的空气流从压缩机被周向地喷出。由于该压缩过程，加压的空气流的特征在于，超过输入空气的温度的增加的温度。任选地，加压空气流可以被输送过对流冷却的增压空气冷却器135，该对流冷却的增压空气冷却器构造成从加压空气流耗散热，增加其密度。作为结果的冷却的且加压的输出空气流137被输送到内燃机上的进气歧管139中，或者替代地被输送到后续级串联压缩机中。该系统的操作由ECU151（发动机控制单元）控制，该ECU通过通信连接153连接到该系统的其余。通过引用并入这里以便所有目的的日期为1989年7月25日的美国专利No.4,850,820公开一种涡轮增压器，该涡轮增压器类似于图1的涡轮增压器，但它具有轴向涡轮机。轴向涡轮机固有地具有较低的惯性矩，减小加速该涡轮机所需的能量的量。如在图2中可以看到的，该涡轮机具有涡卷，该涡卷在涡轮机叶片的半径处周向地接收排气，并且（参考图1）轴向地限制该流动以使它转变到轴向流动。因此，它沿基本上轴向的方向冲击涡轮机叶片的前边缘（参考第2栏）。对于许多感兴趣的涡轮机尺寸，与可比较的径向涡轮机相比，轴向涡轮机典型地以较高的质量流量和较低的膨胀比进行操作。虽然常规轴向涡轮机通常提供较低的惯性，尽管具有效率和性能的一些损失，但它们遭受于不能被高效地制造成可用于许多现代内燃机的小的尺寸。这是例如由于将需要的特别紧密的公差，由于空气动力学限制，和/或由于对产生小的铸造部件的尺寸限制。轴向涡轮机也缺乏在较高的膨胀比下良好地运行的能力，诸如，典型地由于内燃机的排气的脉动性质而需要这种能力。此外，常规轴向涡轮机具有跨越叶片的静态压力的显著变化，在转子的推力轴承上引起显著的推力载荷，并且潜在地引起窜漏。在一些常规涡轮增压器中，涡轮机和压缩机构造成沿相反的方向施加轴向载荷以便减小必须由轴承承载的平均轴向载荷。然而，来自涡轮机和压缩机的轴向载荷不彼此均衡地变化并且可能处于显著不同的水平，因此推力轴承必须被设计用于涡轮增压器使用期间可能出现的最大载荷条件。构造成支撑高的轴向载荷的轴承比可比较的低载荷轴承浪费更多能量，并且因此必须支持较高轴向载荷的涡轮增压器失去更多能量到它们的轴承。因此，已经需要一种涡轮增压器涡轮机，该涡轮增压器涡轮机具有低的惯性矩，并且其特征在于不需要格外紧密的公差的小的尺寸，同时在较低和较高膨胀比下具有合理的效率，和较小的轴向载荷。本专利技术的优选实施例满足这些和其它需要，并且提供另外的相关优点。
技术实现思路
在各种实施例中，本专利技术解决上面提及的需要的一些或全部，典型地提供成本划算的涡轮增压器涡轮机，该涡轮增压器涡轮机的特征在于低的惯性矩，并且具有不需要特别紧密的公差的小的尺寸，同时在较低和较高膨胀比下以合理的效率水平操作，并且仅仅具有小的静态载荷变化。本专利技术提供一种涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成从发动机接收排气流，所述发动机构造成在一系列标准操作条件上操作，并且将输入空气压缩为加压空气流。本专利技术的实施例将典型地包括：涡轮增压器外壳，所述涡轮增压器外壳包括涡轮机外壳；和转子，该转子构造成在涡轮增压器外壳内沿旋转轴线旋转。该转子包括轴向涡轮机叶轮，压缩机叶轮，和轴，该轴沿旋转轴线延伸并且将涡轮机叶轮连接到压缩机叶轮。涡轮机叶轮构造成具有轮毂，并且具有多个轴向涡轮机叶片，该多个轴向涡轮机叶片构造成当涡轮增压器从发动机接收排气流时驱动该转子绕旋转轴线旋转。每一个叶片具有轴向前边缘（即，轴向上游边缘），轴向后边缘（即，轴向下游边缘），轮毂端部，和与轮毂端部相对的末端端部。每一个叶片的轴向前边缘的特征在于轮毂端部附近的前边缘弯曲。该前边缘弯曲包括第一弯曲（轴向下游弯曲分量），该第一弯曲限定轴向前边缘的轴向剪切。该前边缘弯曲也可以包括第二弯曲（周向弯曲分量），该第二弯曲形成轴向前边缘的非径向转向。有利地，当具有在叶片的跨度上显著地变化的前边缘方向角度时，该前边缘弯曲可以允许涡轮机叶轮是铸造部件。压缩机叶轮构造成将输入空气压缩成加压空气流。有利地，涡轮机外壳形成向内盘旋（spiral）的涡轮机主涡卷（primary-scroll）通路，该向内盘旋的涡轮机主涡卷通路的特征在于显著足够的径向减小以加速排气使得涡轮机接收的排气的总压力的显著部分被转化为动态压力。这允许适当构造的叶片从排气提取显著的量的能量而不显著地改变跨越涡轮机叶片的静态压力。通过跨越涡轮机叶片的基本上未改变的静态压力，排气流在转子上施加很少到没有轴向压力。轴向后边缘的特征在于轮毂端部处的半径和末端端部处的半径。本专利技术的特征是，涡轮机叶轮轴向后边缘的轮毂端部处的半径不超过涡轮机叶轮轴向后边缘的末端端部处的半径的60%。另外特征包括，涡轮机叶轮叶片被限制到16个或更小数量，并且各特征在于大的转向角度。有利地，这些特征提供从沿高度周向的方向被接收的高速排气的显著量的能量的提取而不显著地影响该气体的静态压力。此外，涡轮机叶轮不需要非常紧密的制造公差或小的叶片尺寸，即使该叶轮以相对小的尺寸被制造。本专利技术的另外特征是，该压缩机可以是双侧并行径向压缩机，该双侧并行径向压缩机包括压缩机叶轮，该压缩机叶轮具有背对背取向的推进器叶片，该背对背取向的推进器叶片包括离开涡轮机轴向面向的第一组推进器叶片和向着涡轮机轴向面向的第二组推进器叶片。该压缩机外壳构造成将入口空气引导到并行的每一组压缩机叶片。有利地，根据这个特征，该压缩机构造成在转子上基本上不引起轴向载荷。结合也在转子上产生很小轴向载荷或不产生轴向载荷的涡轮机，推力轴承载荷水平可以显著地低于常规涡轮增压器中的情况。较低的轴承载荷水平允许使用更高效的推力轴承，并且因此增加作为结果的涡轮增压器的总效率。根据结合附图的优选实施例的以下详细描述，本专利技术的其它特征和优点将变得显然，该附图通过例子的方式示出本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮增压器，构造成从发动机接收排气流，所述发动机构造成在一系列标准操作条件下操作，并且将输入空气压缩为加压空气流，所述涡轮增压器包括：涡轮增压器外壳，所述涡轮增压器外壳包括涡轮机外壳；和转子，所述转子构造成沿旋转轴线在所述涡轮增压器外壳内旋转，所述转子包括轴向涡轮机叶轮、压缩机叶轮、和轴，所述轴沿所述旋转轴线延伸并且将所述涡轮机叶轮连接到所述压缩机叶轮；其中，所述涡轮机叶轮构造成具有轮毂，并且具有多个轴向涡轮机叶片，所述多个轴向涡轮机叶片构造成当所述涡轮增压器从所述发动机接收所述排气流时驱动所述转子绕所述旋转轴线旋转，每一个叶片具有轴向前边缘，轴向后边缘，轮毂端部，和与所述轮毂端部相对的末端端部；其中，每一个叶片的所述轴向前边缘的特征在于在所述轮毂端部附近的前边缘弯曲，所述前边缘弯曲包括下游弯曲分量。

【技术特征摘要】
2013.10.24 US 14/0628431.一种涡轮增压器，构造成从发动机接收排气流，所述发动机构造成在一系列标准操作条件下操作，并且将输入空气压缩为加压空气流，所述涡轮增压器包括：涡轮增压器外壳，所述涡轮增压器外壳包括涡轮机外壳；和转子，所述转子构造成沿旋转轴线在所述涡轮增压器外壳内旋转，所述转子包括轴向涡轮机叶轮、压缩机叶轮、和轴，所述轴沿所述旋转轴线延伸并且将所述涡轮机叶轮连接到所述压缩机叶轮；其中，所述涡轮机叶轮构造成具有轮毂，并且具有多个轴向涡轮机叶片，所述多个轴向涡轮机叶片构造成当所述涡轮增压器从所述发动机接收所述排气流时驱动所述转子绕所述旋转轴线旋转，每一个叶片具有轴向前边缘，轴向后边缘，轮毂端部，和与所述轮毂端部相对的末端端部；其中，每一个叶片的所述轴向前边缘的特征在于在所述轮毂端部附近的前边缘弯曲，所述前边缘弯曲包括下游弯曲分量；其中所述涡轮机外壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：V卡列斯，
申请(专利权)人：霍尼韦尔国际公司，
类型：发明
国别省市：美国;US