CN101166890B - 涡轮 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮(1)，具有一个轮毂(15)和若干工作叶片(14)，且每一个工作叶片(14)均分别沿着弯曲的轮毂交会处(12)与轮毂相连，工作叶片具有适当的构造，并且适当布置于轮毂上，使得轮毂交会处(12)偏离径向朝着工作叶片的压力侧弯曲，并且轮毂在两个相邻工作叶片之间的轮毂后壁区域内具有一个扇贝形轮廓(11)。每一个工作叶片(14)的轮毂交会处(12)均相对于扇贝形表面(F1+F2)适当定位，使得工作叶片尽可能对称支撑于该表面上。涡轮具有三维曲面的动叶轮，并且在轮毂后壁区域内具有扇贝形构造，由于扇贝形构造可以变形，因此所出现的应力较小。

Description

涡轮
技术领域
本发明涉及的是废气涡轮增压器领域，即径流式或者混流式涡轮机的涡轮，具有本发明独立权利要求前述部分的特征。
废气涡轮增压器通常具有径向(径流式涡轮机)或者斜向(混流式涡轮机)进气的废气涡轮机，通过涡轮使废气流转向，然后沿轴向流出。
径流式与混流式涡轮机的涡轮通常均具有扇贝形构造(Scalloping)。该扇贝形构造在各个工作叶片之间的涡轮轮毂后壁中形成凹坑。扇贝形构造主要用于减小惯性矩，因为在涡轮的径向最外侧部分中省掉了一些材料。
背景技术
根据编号为US 4,659,288的专利所述，可以相对于涡轮各个工作叶片的进气边构成对称的扇贝形轮廓。扇贝形轮廓朝向进气边变成尖头形或者圆形。在扇贝形轮廓的径向最内侧，也就是在涡轮轮毂后壁中的凹坑最深点，通常也要使扇贝形轮廓成为圆形，从而使得从叶片前缘至相邻工作叶片的进气边成为连续的扇贝形轮廓。
也可如编号为EP 1 462 607 A1的专利所述，相邻工作叶片进气边之间的扇贝形轮廓采用非对称曲线。
尤其是混流式涡轮，如ABB公司TPS...D/E型废气涡轮增压器中所使用的涡轮，其工作叶片为三维曲面构造。一方面相应的轮毂交会处，也就是工作叶片朝向轮毂径向的过渡段具有弯曲的走向。另一方面轮毂则在朝向径向最外侧的区域中向后倾向于涡轮轴。由于叶片为三维立体形状，当涡轮转速较高且承受热负荷时，可能会在凸台构造区域内导致非对称变形。如果是附图2所示的对称扇贝形轮廓，就会在强大离心力的作用下，将轮毂的后壁沿径向向外拉。尤其是工作叶片压力侧上的表面，将会围绕工作叶片的根部扭转，如附图中的粗箭头所示。这样就会在扇贝形轮廓区域中，尤其在最深点中，产生较高的应力，极端情况下可能会缩短涡轮的寿命。
发明内容
本发明的任务在于提供一种三维曲面形状的工作叶片及在轮毂后壁区域内的扇贝形构造，其中在运行中由于扇贝形构造变形所出现的应力被减小。
该任务可通过本发明所述的方法如下加以解决，即每一个工作叶片的轮毂交会处(Nabenschnitt)均相对于扇贝形面适当定位，使所述面尽可能对称地被支撑。
为此可将工作叶片相对于扇贝形轮廓朝向压力侧移动。如果是对称的波浪形对称扇贝状轮廓，则朝向压力侧弯曲的工作叶片的进气边不在扇贝形轮廓的最高点上，而是将其朝向压力侧移动。
在一种有利设计型式中，工作叶片的轮毂交会处将由扇贝形轮廓所限定的轴轮毂后壁表面分成两个大小相等的部分表面。这样就可平衡这两个部分表面在运行过程中关于变形的负荷，并且可降低单侧的最高负荷。
附图说明
以下将根据附图对本发明进行详细说明。其中
附图1根据本发明所述设计的涡轮在承受负荷状态下的示意图，具有相对于扇贝形轮廓对称点移位的动叶轮进气边，
附图2根据现有技术设计的涡轮在承受负荷状态下的示意图，具有布置于扇贝形轮廓对称点中的工作叶片进气边，
附图3附图1所示涡轮的轮毂后壁沿轴向剖开的剖面图，
附图4附图3所示涡轮的轮毂后壁沿轮毂表面(IV-IV)剖开的剖面图。
具体实施方式
附图1所示的涡轮具有一个轮毂15以及多个围绕轮毂布置的工作叶片14。轮毂布置在涡轮轴2的末端上，涡轮轴可旋转地支承在废气涡轮增压器的壳体之中。轮毂以材料连接型式，或者通过螺纹与涡轮轴连接在一起。在涡轮轴的另一端上布置有一个图中并未绘出的压缩轮。涡轮在运行过程中驱动压缩轮。图中所示的混流式涡轮机的涡轮仅具有少许工作叶片。可以根据运行要求，任意选择工作叶片的数量。混流式涡轮机中涡轮的工作叶片进气边16垂直于流动方向布置。进气边并非象径流式涡轮一样垂直于径向，而是倾斜于径向。此外，轮毂的后壁还在涡轮的最外侧部分朝向涡轮轴倾斜。轮毂的这一径向最外侧部分具有扇贝形轮廓，即在工作叶片之间挖去了轮毂后壁上的材料。
工作叶片以及涡轮的轮毂通常整体铸造或者铣削而成，即工作叶片与轮毂牢固连接在一起。在固定区域中形成工作叶片轮廓和轮毂表面之间的相交曲线。为了使本发明的解释更加易于理解，并且使示意图简化，附图中的轮毂交会处12简化成了一根线。除了轮毂交会处12之外，在附图4中也用虚线标出了工作叶片轮廓和轮毂表面之间相交曲线的有效走向。
如开头所述，涡轮的工作叶片为三维弯曲形状。因此轮毂交会处12具有如附图3和附图4所示的双重弯曲走向。
本发明所述涡轮的工作叶片均相对于扇贝形轮廓11适当设置，从而轮毂后壁的表面均匀支撑于工作叶片的两侧上。依据附图4更容易解释这一点。
若假想的工作叶片的轮毂交会处沿虚线12′延伸，则工作叶片的进气边和扇贝形轮廓11相交于对称点C。在所示的具有波浪形扇贝状轮廓的情况下，这就是波纹的最高点。假想轮毂交会处12′两侧的表面大小不同，并且相对于假想轮毂交会处12′的走向以非均匀方式分布。在涡轮机以较高转速运转的过程中，将会使轮毂后壁在工作叶片压力侧上的较大表面范围内发生扭曲。偏离径向且朝向涡轮轴倾斜的轮毂壁将受到离心力的作用，并且朝向径向外的方向变形。
附图2是按现有技术制成的涡轮示意图，其中可明显看出这种扭曲，参见箭头所指处。附图中所示为负荷状态下的涡轮，因此可明显看出离心力所引起的变形。正是由于存在这种扭曲，涡轮的轮毂最外边承受着较高的应力。
但如果根据本发明所述，将工作叶片的轮毂交会处12相对于扇贝形轮廓的对称点C朝向压力侧移动，这两个表面F1和F2相互平衡。一方面由扇贝形轮廓11，另一方面则由扇贝形轮廓的在工作叶片吸力侧和压力侧径向最内侧的点A和B之间的连线限定这两个面的范围。弯曲的轮毂交会处12现在就通过这两个表面的中间延伸，并且最佳地支持它们。离心力所引起的扭曲变小，且涡轮所承受的应力较小。从附图1中本发明的涡轮示意图可以看出，这种扭曲微乎其微。两个箭头所表示的就是较小的变形。该附图中所示的涡轮与附图2中所示的涡轮均处在相同的负荷之下。由于扭曲较小，因此涡轮的轮毂径向最外边所承受的应力明显较小。
工作叶片相对于扇贝形轮廓的准确移位尺寸取决于不同的因素。例如轮毂交会处的曲率，以及扇贝形轮廓的准确形状均十分重要。
图中所示涡轮的扇贝形轮廓具有对称的波浪形曲线。但扇贝形轮廓也可以具有非对称的曲线，且可以与工作叶片在轮毂交会处范围内的走向大致匹配。
附图标记清单
1  涡轮
2  涡轮轴
11 扇贝形轮廓
12，12′轮毂交会处
13 将扇贝形轮廓内的轮毂表面平分的径向线
14 涡轮工作叶片
15 涡轮的轮毂
16 进气边
A  扇贝形轮廓压力侧径向最内侧(最深的)点
B  扇贝形轮廓吸力侧径向最内侧(最深的)点
C  径向线与扇贝形轮廓的交点
R11  阻挡凸台(Rückhaltevorsprungs)的最大外径
F1 扇贝形轮廓内的压力侧轮毂面
F2 扇贝形轮廓内的吸力侧轮毂面

Claims (5)

1.径流式或者混流式涡轮，具有轮毂(15)和工作叶片(14)；每一个工作叶片(14)均分别沿着弯曲的轮毂交会处(12)与轮毂相连，且工作叶片被设计并设置于轮毂上，使得轮毂交会处(12)偏离径向朝着工作叶片的压力侧弯曲延伸；轮毂在两个相邻工作叶片之间的轮毂后壁区域内具有扇贝形轮廓(11)，并且在每一个工作叶片的范围内，由位于扇贝形轮廓的工作叶片吸力侧和压力侧径向最内侧的点(A，B)之间的扇贝形轮廓以及通过这两点的直线限定轮毂面(F1+F2)；将轮毂面(F1+F2)平分的径向线(13)与扇贝形轮廓(11)在交点(C)相交，其特征在于：每一个工作叶片(14)的轮毂交会处(12)分别相对于交点(C)朝向工作叶片的压力侧错开布置；每一个工作叶片的轮毂交会处(12)均将轮毂面(F1+F2)平分。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于：扇贝形轮廓(11)相对于径向线(13)对称，且径向线(13)与扇贝形轮廓(11)的交点(C)位于扇贝形轮廓(11)的径向最高点上。
3.混流式涡轮机，其特征在于：根据权利要求1～2中任一权利要求所述的涡轮。
4.径流式涡轮机，其特征在于：根据权利要求1～2中任一权利要求所述的涡轮。
5.废气涡轮增压器，其特征在于：具有根据权利要求1～2中任一权利要求所述涡轮的径流式或混流式涡轮机。
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