CN101952603A - 叶轮及涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

提供一种叶轮(112、212)，所述叶轮(112、212)包括：转动轴线(21)、径向方向、背板(2)以及与背板(2)在连接线(22)处相连的多个叶片(9)。每个叶片(9)包括上游侧(14)、下游侧(15)和外侧(23)。每个叶片(9)的下游侧(15)包括位于外侧(23)附近的边缘部(27)。叶片(9)沿径向突出超过轮盘(2)而下游侧(15)还包括连接部(24)，所述连接部(24)将边缘部(27)连接至背板(2)并与径向方向成一角度。连接部(24)包括位于连接线(22)附近的圆状凸起部。此外，公开了一种包括本发明的叶轮(112、212)的涡轮增压器。

Description

叶轮及涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种叶轮及涡轮增压器。

背景技术

工业用涡轮增压器的压缩机叶轮通常由铝制成。该材料较便宜、容易加工并且足够轻从而使涡轮延迟不是主要的问题。现有的用于中等转速的柴油发动机的涡轮增压器的叶轮趋于不具有穿通的钻孔，因为这使得叶轮材料内的应力最小化并降低叶轮在通常50,000小时寿命期间由于疲劳而失效的可能性。

这种叶轮的寿命趋于由涡轮材料的蠕变控制，从而使用于通常的工业负荷的最大工作压力比限制在大约5∶1。叶轮的蠕变失效与高应力及高温的区域相关。最高温度的区域、及因此而确定蠕变寿命的区域是在叶轮后部接近外径的区域。这通常是迷宫式密封件所处的减少压缩空气泄漏至轴承的区域。高温度与该区域中的风阻温升相关联。

叶轮寿命通常必须达到50,000小时。这传统地通过限制使涡轮增压器的工作转速符合蠕变寿命的计算而实现。工作转速较低时，叶轮的应力较低，在叶轮的下游侧的压缩空气较冷，且风阻温升比在工作转速较高时更小。

最近，已经向叶轮后部的区域供给高压的冷却空气以保持叶轮材料冷却。

在US 5,297,928和US 6,190,123 B1中公开了用于直接冷却压缩机叶轮的后壁的方法，其中，气态的冷却介质被导至后壁上。

在US 6,257,834 B1中提供了一种用于间接冷却在涡轮机的转子与定子之间所形成的径向间隙中的流动的方法。该方法包括以下步骤：使用水作为用于邻近径向间隙的定子部的冷却流体。

在WO 01/29425 A1中公开了一种对在涡轮式机器的转子与定子之间的径向间隙中的流动进行直接冷却和间接冷却的结合，其中，优选为水的第一冷却流体用于间接冷却，优选为空气的第二气态的冷却流体用于直接冷却。

通常在压缩空气被中间冷却器冷却后从柴油发动机的空气歧管获取被冷却的空气。因为涡轮增压器必须压缩冷却的空气但该空气并未用在柴油发动机中，该被冷却的空气的引入是涡轮增压器效率的附加损失。此外，该被冷却的空气泄漏进入在叶轮与扩散器之间的压缩机流动的干流中并引起降低压缩机效率的扰动。然而，通过使叶轮冷却，允许压缩机以更高的转速工作，同时仍然获得所需的50,000小时的寿命。通常，通过将叶轮冷却20℃，利用该系统可以获得附加的0.2巴的增压压力，而这通常允许发动机的设定功率提高大约5％。

除了在添加该高压冷却空气中的附加损失之外，也提高了在叶轮后面的压力并增加了推力负载及由此的附加的止推轴承损失。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种有利的叶轮、第二目的是提供一种有利的压缩机而第三目的是提供一种有利的涡轮增压器。

第一目的可以通过如权利要求1中所述的叶轮解决。第二目的可以通过如权利要求11中所述的压缩机解决。第三目的可以通过如权利要求12中所述的涡轮增压器解决。从属权利要求限定了本发明的进一步的发展。

本发明的叶轮包括：转动轴线、径向方向、背板以及在连接线处与背板相连的多个叶片。每个叶片包括：上游侧、下游侧和外侧。每个叶片的下游侧包括位于外侧附近的边缘部。叶片沿径向突出至背板上方且下游侧还包括连接部，所述连接部将边缘部连接到在各个叶片与背板之间的连接线并与径向方向成一角度。这表示：与传统的叶轮的下游侧相比，本发明的叶轮的下游侧的该部分被去除。被去除的区域位于大直径处从而降低了该区域中的应力。此外，这是叶轮的最热的区域从而也降低了叶轮的温度。但是，叶片的径向突起意味着保留了叶片的径向外部，这有助于保持涡轮对流动进行加压的能力。

边缘部可以取向为垂直于径向方向。连接部可具有位于连接线附近的圆状凸起部。例如，在一些实施方式中，这样的圆状凸起部可以从边缘部延伸到各个叶片与背板之间的连接线。在其它的实施方式中，这样的圆状凸起部可以是从边缘部延伸到各个叶片与背板之间的连接线的S形部的一部分。

优选地，每个叶片沿空气流动方向运动时是从其上游侧到其下游侧后掠的。使叶片后掠可以将一附加的切向分量引入离开叶轮的流动中，这可以提高流动的稳定性和效率。后掠也可以增加叶片中的弯曲应力，但是，有利地，可以通过采用具有位于连接线附近的圆状凸起部的连接部而减小这些应力。

采用具有位于连接线附近的圆状凸起部的连接部的另一优点是可以降低在叶片与背板相交的区域中所产生的高离心应力。就此而言特别有利地是具有S形部的连接部。

此外，背板可包括径向外周边表面而连接部可邻接至背板的径向外周边表面。背板的径向外周边表面可位于其法线平行于该处的径向方向的平面内。这表示：径向外表面可以平行于转动轴线。可替代地，背板的径向外周边表面可以位于法线与径向方向成0°到45°之间的角的平面内。优选地，该角度可以是15°到25°之间的值。这进一步降低了背板表面上的应力和温度。

本发明的叶轮的径向外表面可特别地定位在比传统的叶轮的径向外表面更靠近转动轴线的径向位置处。换言之，本发明的叶轮的径向外表面与转动轴线之间的距离小于传统的叶轮的径向外表面与转动轴线之间的距离。通过去除叶轮的背板的一些(部分)，可以降低叶轮的空气动力学性能。该降低与叶片的基座周围的背板泄漏——这可另外通过背板的出现而阻止——以及叶轮叶片直径的减小相关。此外，因为叶轮叶片不再沿它们整个的长度完全被支撑，因此背板的一部分的去除也可以增加叶轮叶片中的局部应力。

为了降低潜在的空气动力学的损失和局部的叶片应力，在叶轮末端处的叶片的形状是优选地仔细地选定：在位于连接部与连接线相邻接处的切线和径向方向之间的角可以具有在10°至45°之间的值、优选地在15°至25°之间。这降低了叶片泄漏的损失。此外，下游侧的边缘部在转动轴线的方向上具有的长度超过下游侧在转动轴线方向上的长度的50％。这表示：只去除了叶片的最靠近背板的部分，从而保留了叶片的在工作流体中工作最有效的部分。

叶片形状可以在下游侧的区域中改变以使设计紧密地符合所谓的“径向元件”设计。这确保叶片应力保持在可接受的低水平上。

通常，叶轮具有沿径向间隔分布并沿轴向延伸的凸肋，该凸肋从背板的远离叶片的连接线的另一侧从后轮突出。然后可在叶轮的外壳上设置迷宫式密封件，该密封件面对背板从而与凸肋相啮合。

附加地或可替代地，涡轮可以具有带密封部的外壳，该密封部与背板的径向外周边表面形成密封。

本发明的压缩机包括如前所述的本发明的叶轮，本发明的涡轮增压器包括本发明的压缩机。本发明的压缩机和本发明的涡轮增压器具有与本发明的叶轮相同的优点。

与传统的涡轮相比，本发明的叶轮可以具有提高的叶轮蠕变寿命。此外，对冷却剂流的需求可保持最小。

附图说明

从下面结合附图对实施方式的描述中，本发明的其它特征、属性、和优点将变得清楚。每个特征或者特征的组合都可以是有利的。

图1以剖视图示意性地示出涡轮增压器。

图2以剖视图示意性地示出传统的涡轮增压器的压缩机叶轮的一部分。

图3以剖视图示意性地示出本发明的涡轮增压器的压缩机叶轮的一种实施方式的一部分。

图4以剖视图示意性地示出本发明的涡轮增压器的压缩机叶轮的替代实施方式的一部分。

具体实施方式

在下面将参考图1至图4对本发明的叶轮及本发明的涡轮增压器的第一实施方式进行描述。图1以剖视图示意性地示出涡轮增压器。该涡轮增压器包括涡轮机11和压缩机10。涡轮机11和压缩机10通过轴20相连。

涡轮机11包括位于涡轮机外壳3内的转子4。涡轮机外壳3具有通向转子4的排气进口5，从而使得进入排气进口5的排气带动转子4。此外，涡轮机外壳3具有排气出口6，来自于转子4的排气通过排气出口6离开涡轮机外壳3。箭头18指示排气流，该排气流通过排气进口5进入涡轮机外壳3、带动转子4并通过排气出口6离开涡轮机外壳3。

压缩机10包括位于压缩机外壳1内的叶轮12。此外，压缩机10具有空气进口7和空气出口8，空气通过空气进口7导向叶轮12，来自于叶轮12的空气通过空气出口8离开压缩机外壳1。箭头19指示空气流，该空气流通过空气进口7进入压缩机外壳1、被叶轮12压缩并通过空气出口8离开压缩机外壳1。

叶轮12包括背板2和叶片9。背板2与轴20相连。另外，背板2大体为圆锥形且多个沿周向间隔分布的弧形叶片9围绕其周边而形成。通常，叶片是后掠的。叶轮12的后表面16具有沿径向间隔分布的且沿轴向延伸的凸肋17。迷宫式密封件13相对于叶轮12的后表面16安装至压缩机外壳1以便与凸肋17相啮合。迷宫式密封件13与环状的凸肋17相接合以减少压缩空气沿叶轮12的后表面16朝向轴承的泄漏。

此外，背板2包括径向外周边表面25。外壳的密封部50与背板的径向外周边表面25形成密封以进一步减少压缩空气的泄漏。

涡轮机11的转子4与轴20相连从而使被带动的转子4带动轴20。轴20还与压缩机10内的叶轮12相连。因此，转子4通过轴20带动叶轮12。转动轴线由附图标记21表示。

在涡轮机11中，进入排气进口5的排气流18带动转子4并通过排气出口6离开涡轮机。箭头18指示排气流的方向。同时，由转子4所驱动的在压缩机10中的叶轮12将大气中的新鲜空气吸进空气进口7并将其压缩成进入空气出口8的预压缩的新鲜空气。然后该压缩空气例如被用在诸如柴油发动机之类的往复式发动机中。箭头19指示空气流的方向。

图2以剖视图示意性地示出传统的涡轮增压器的压缩机叶轮12的一部分。叶轮12例如由铝制成。叶轮12包括背板2和叶片9。叶片9与背板2在连接线22处相连。每个叶片9包括上游侧14和下游侧15。被吸进空气进口7的空气到达叶片9的上游侧14、沿方向19流过叶片9，并在下游侧15处离开叶片9至空气出口8。

外侧23位于与连接线22相对的一侧。外侧23具有凹的形状。上游侧14垂直于转动轴线21延伸。但是，在上游侧14与转动轴线21之间可以具有一定的角度，该角度具有在0°至±100°之间的值。下游侧15取向为垂直于由转动轴线21所限定的径向方向。径向外周边表面25位于法线平行于该处的径向方向的平面内。径向外周边表面25与转动轴线21之间的距离由参考数字30指示。

图3以剖视图示意性地示出本发明的涡轮增压器的压缩机叶轮112的一部分。与图1或图2的元件相对应的元件由相同的附图标记表示并不再详细描述。如图2中所示的传统的叶轮12和图3中所示的本发明的叶轮112的不同之处在于叶片9的下游侧15的形状和背板2的径向外周边表面25的径向位置。

本发明的叶轮112的下游侧15包括边缘部27和连接部24，边缘部27位于外侧23附近，连接部24位于连接线22附近并将连接线22连接至边缘部27。图3中的连接部24具有凸起的圆形形状。然而，它也可以具有另外的形状，例如线性的形状或者S形(但是S形的一部分可以是圆状凸起部)。

位于外侧23附近的边缘部27进一步地取向为垂直于由转动轴线21限定的径向方向。此外，位于外侧23附近的边缘部27可以平行于转动轴线21延伸。这是在图3中所示的叶片9的情况。下游侧15的边缘部27在转动轴线21的方向上具有的长度超过下游侧15在转动轴线21的方向上的长度的50％。

位于外侧23附近的边缘部27与位于连接线22附近的连接部24相邻接。在连接线22处，连接部24与径向外周边表面25相邻接，该径向外周边表面25具有与图2中所对应的径向外周边表面25相同的特性。图3中径向外周边表面25与转动轴线21之间的距离由附图标记31表示，并且小于图2中所示的传统的叶轮12所对应的距离30。此外，本发明的叶轮112的叶片9沿径向突出超过背板2。

图3还示出处在连接部24与径向外周边表面25相邻接处的连接部24的切线26。切线26与转动轴线21的径向的线28之间的角度29具有在10°至45°之间的值，优选地在15°至25°之间。

图4以剖视图示意性地示出本发明的涡轮增压器的压缩机叶轮212的替代实施方式的一部分。与图3的元件相对应的元件由相同的附图标记表示并不再详细描述。与图3不同，图4中所示的叶轮212包括S形的连接部24。此外，图4中的径向外周边表面25包括相对于转动轴线21的角32。角32具有在0°至45°之间的值，优选地在15°至25°之间。这进一步减小了后表面16上的应力和温度。尽管在本实施方式中连接部具有S形，它也可以具有其它的形状，例如第一实施方式的连接部的突起圆形的形状，或者线性的形状。

本发明的叶轮112、212的改进的设计减少了叶片泄漏的损失并将叶片应力保持在可接受的低水平。这提高了叶轮的蠕变寿命并使冷却剂流动的需求最小化。

Claims (12)

1.一种叶轮(112、212)，所述叶轮(112、212)包括：转动轴线(21)、径向方向、背板(2)以及与背板(2)在连接线(22)处相连的多个叶片(9)，每个叶片(9)包括：上游侧(14)、下游侧(15)和外侧(23)，每个叶片(9)的所述下游侧(15)包括位于所述外侧(23)附近的边缘部(27)，

其中，所述叶片(9)沿径向突出超过所述背板(2)，且所述下游侧(15)还包括连接部(24)，所述连接部(24)将所述边缘部(27)连接至所述连接线(22)，并与所述径向方向成一角度，

其特征在于，所述连接部(24)包括位于所述连接线(22)附近的圆状凸起部。

2.如权利要求1所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述边缘部(27)取向为垂直于所述径向方向。

3.如权利要求1或2所述的叶轮(112、212)，其特征在于，每个所述叶片沿气流方向运动时是从其上游侧向其下游侧后掠的。

4.如权利要求1至3中任一项所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述背板(2)包括径向外周边表面(25)，且所述连接部(24)邻接于所述背板(2)的所述径向外周边表面(25)。

5.如权利要求4所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述背板(2)的所述径向外周边表面(25)位于法线平行于该处的径向方向的平面内。

6.如权利要求4所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述背板(2)的所述径向外周边表面(25)位于法线与所述径向方向成0°至45°之间的角(32)的平面内。

7.如权利要求6所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述角(32)具有在15°至25°之间的值。

8.如权利要求1至7中任一项所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述径向方向与所述连接部(24)在邻接于所述连接线(22)处的切线(26)之间的角(29)具有在10°至45°之间的值。

9.如权利要求8所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述角(29)具有在15°至25°之间的值。

10.如权利要求1至9中任一项所述的叶轮(112、212)，其特征在于，所述下游侧(15)的所述边缘部(27)在所述转动轴线(21)的方向上具有的长度超过所述下游侧(15)在所述转动轴线(21)的方向上的长度的50％。

11.一种包括如权利要求1至10中任一项所述的叶轮(112、212)的压缩机。

12.一种包括如权利要求11中所述的压缩机的涡轮增压器。

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