CN102220904B

CN102220904B - 涡轮增压器及涡轮增压的内燃发动机系统

Info

Publication number: CN102220904B
Application number: CN201110096472.8A
Authority: CN
Inventors: J.A.罗特曼; V.凯尔斯
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Garrett Communications Co., Ltd.
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2015-05-06
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: US8769950B2; EP2378064B1; EP2378064A3; CN102220904A; US8453448B2; US20110252790A1; EP2378064A2; US20130263592A1

Abstract

本发明涉及轴向涡轮机，具体地，一种涡轮增压器包括：涡轮机轮，其具有不大于60％的毂到尖的比以及具有高转向角的叶片；涡轮机壳体，其形成向内螺旋的主涡管通道，该主涡管通道实质性地收缩以产生以高周向角进入涡轮机的高度加速的空气流；以及双侧并行压缩机。该压缩机和涡轮机各自基本不产生轴向力，从而允许使用最小轴向推力轴承。

Description

涡轮增压器及涡轮增压的内燃发动机系统

技术领域

本发明总体上涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及具有高速涡管形涡形（volute）的轴向涡轮机（轴流式涡轮机）。

背景技术

参见图1，具有径向涡轮机的典型涡轮增压器101包括涡轮增压器壳体和转子，该转子构造成在涡轮增压器壳体中沿转子旋转轴线103在推力轴承和两组轴颈轴承（每一组用于各自相应的转子轮）或者替代性地在其他类似支撑性轴承上旋转。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105、压缩机壳体107和轴承壳体109（即，容纳轴承的中心壳体），轴承壳体109将涡轮机壳体连接到压缩机壳体。转子包括基本位于涡轮机壳体内的涡轮机轮111、基本位于压缩机壳体内的压缩机轮113以及轴115，轴115沿转子旋转轴线延伸通过轴承壳体以将涡轮机轮连接到压缩机轮。

涡轮机壳体105和涡轮机轮111形成涡轮机，该涡轮机构造成周向地接收来自发动机（例如来自内燃发动机125的排气歧管123）的高压高温排气流121。涡轮机轮（因而转子）被高压高温排气流驱动围绕转子旋转轴线103旋转，高压高温排气流变成较低压较低温排气流127并且被轴向地释放到排气系统（未示出）中。

压缩机壳体107和压缩机轮113形成了压缩机级。压缩机轮被排气驱动的涡轮机轮111驱动旋转，并且构造成将轴向接收的输入空气（例如，外界空气131，或来自多级压缩机的前级的已被加压的空气）压缩成加压空气流133，加压空气流133从压缩机被周向地排出。由于该压缩过程，加压空气流的特征在于相比输入空气更高的温度。

任选地，加压空气流可被输送通过对流冷却的中冷器135，中冷器135构造成从加压空气流耗散热量并使其密度增大。所得到的被冷却和加压的输出空气流137被输送到内燃发动机上的进气歧管139中，或者替代性地被输送到后级、串联压缩机中。该系统的操作被ECU 151（发动机控制单元）控制，ECU 151经由连通连接153连接到系统的其余部分。

1989年7月25日的美国专利4850820公开了类似于图1的涡轮增压器，不过该涡轮增压器具有轴向涡轮机，该美国专利通过引用并入本文中用于所有目的。轴向涡轮机固有地具有较低的惯性矩，降低了使涡轮机加速所需的能量的量。如在图2中可看到的，涡轮机具有涡管，该涡管周向地接收涡轮机叶片半径处的排气并且（参见图1）轴向地限制该流以将其转变为轴向流。因而其沿大致轴向方向冲击涡轮机叶片的前缘（参见列2）。

对于许多感兴趣的涡轮机尺寸，相比可比较的径向涡轮机（辐流式涡轮机），轴向涡轮机通常以更高的质量流和更低的膨胀比操作。虽然常规轴向涡轮机通常提供更低的惯性，尽管在效率和性能上有一些损失，但它们无法以许多现代内燃发动机可使用的小尺寸来高效地制造。这是例如由于所可能需要的格外紧的公差，由于空气动力学限制，和/或由于在生产小的铸件时的尺度限制。轴向涡轮机还无法在较高膨胀比时良好地运行，例如通常由于内燃发动机的排气的脉动本质而需要较高的膨胀比。此外，常规轴向涡轮机在叶片上具有静压的显著变化，导致转子的推力轴承上的显著推力负载，并且潜在地导致窜漏。

在一些常规涡轮增压器中，涡轮机和压缩机被构造成在相对的方向上施加轴向负载，从而使得轴承所必须承载的平均轴向负载变小。不过，来自涡轮机和压缩机的轴向负载相互之间不是均匀变化，并且可以以显著不同的水平变化，所以推力轴承必须设计成用于在涡轮增压器使用期间可能出现的最大负载条件。构造成支撑高轴向负载的轴承相比可比较的低负载轴承浪费了更多的能量，因此，必须支撑较高轴向负载的涡轮增压器损失了更多的能量到它们的轴承。

因此，需要一种具有低惯性矩的涡轮增压器涡轮机，其特征在于不需要格外紧的公差的小尺寸，同时具有在较低和较高膨胀比时的合理效率以及较小的轴向负载。本发明的优选实施例满足了这些和其他需求，并且提供进一步相关的优点。

发明内容

在各种实施例中，本发明解决了上述需求中的一些或全部需求，通常提供一种成本有效的涡轮增压器涡轮机，其特征在于低惯性矩，并且具有不需要格外紧公差的小尺寸，同时在较低和较高膨胀比时以合理效率操作，并且在静负载上仅具有小的变化。

本发明提供了一种涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成从构造成在一系列标准操作条件上操作的发动机接收排气流并且将输入空气压缩成加压空气流。所述涡轮增压器包括：涡轮增压器壳体，其包括涡轮机壳体；和转子，其构造成在所述涡轮增压器壳体中沿转子旋转轴线旋转。所述转子包括轴向涡轮机轮、压缩机轮和轴，所述轴沿所述转子旋转轴线延伸并且将所述涡轮机轮连接到所述压缩机轮。所述涡轮机轮构造有毂和多个轴向涡轮机叶片，所述叶片构造成当所述涡轮增压器从所述发动机从周向方向接收排气流时驱动所述转子绕所述转子旋转轴线旋转。所述压缩机轮构造成将所述输入空气压缩成所述加压空气流。

有利地，所述涡轮机壳体形成向内螺旋的涡轮机主涡管通道，所述主涡管通道的特征在于足够显著的径向减小以加速排气，使得由所述涡轮机接收的排气的总压力的显著部分被转化为动压。这允许适当构造的叶片从排气提取显著量的能量而不显著改变所述涡轮机叶片上的静压。在涡轮机叶片上的实质不变的静压的情况下，所述排气流在转子上施加极小或不施加轴向压力。

所述涡轮机轮叶片具有轴向上游边缘、轴向下游边缘、毂端以及与所述毂端相对的尖端。后缘的特征在于毂端处的半径以及尖端处的半径。本发明的一个特征是涡轮机轮后缘的毂端处的半径不大于涡轮机轮后缘的尖端处的半径的60％。进一步的特征包括涡轮机轮叶片的数量被限制为16个或更少，并且各自的特征在于大转向角。

有利地，这些特征使得在不显著影响气体的静压的情况下，从沿非常周向方向接收的高速排气中提取显著量的能量。此外，涡轮机轮不需要极端紧的制造公差或者小叶片尺寸，甚至当轮以相对小尺寸制造时亦然。

本发明的进一步特征是压缩机可以是双侧、并行、径向压缩机，该压缩机包括压缩机轮，该压缩机轮具有背到背取向的叶轮叶片，所述叶轮叶片包括轴向远离涡轮机面向的第一组叶轮叶片以及轴向朝向涡轮机面向的第二组叶轮叶片。压缩机壳体构造成并行地将入口空气引导到每组压缩机叶片。有利地，在该特征下，压缩机构造成基本不在转子上产生轴向负载。与也在转子上产生极小或不产生轴向负载的涡轮机组合起来，推力轴承负载水平可显著低于常规涡轮增压器。较低的轴承负载水平允许使用更高效的推力轴承，并因此增大了所得到的涡轮增压器的总体效率。

本发明的其他特征和优点将从优选实施例的以下详细描述并结合附图而变得明显，附图以示例的方式示出了本发明的原理。具体的优选实施例的详细描述在下面给出以使得人们能够建造和使用本发明的实施例，并且该详细描述不意图限制所列举的权利要求，相反，其意图用作所请求保护的发明的具体示例。

附图说明

图1是现有技术涡轮增压的内燃发动机的系统视图。

图2是具体表现本发明的涡轮增压器的剖视平面图。

图3是图2所示涡轮增压器沿图2的线A-A剖切的剖视侧面图。

图4是相对于图2所示涡轮机轮的一定临界流位置的平面图。

图5是图2所示涡轮机叶片的弯拱的图示。

图6是图2所示涡轮机轮的透视图。

具体实施方式

上面概述的并由所列举的权利要求限定的发明可通过参照以下详细描述得到更好的理解，所述详细描述应当与附图一同阅读。本发明的具体优选实施例的该详细描述在下面给出以使得人们能够建造和使用本发明的具体实施方式，并且该详细描述不意图限制所列举的权利要求，相反，其意图提供所述权利要求的具体示例。

本发明的典型实施例存在于装备有汽油供能的内燃发动机（“ICE”）和涡轮增压器的机动车辆中。涡轮增压器装备有独特的特征组合，在各种实施例中，这些特征提供零反作用涡轮机的空气动力学益处以及百分之五十反作用涡轮机的几何益处，和/或提供显著改善的系统效率，这是通过以降低轴承要求的方式来组合较少的高效部件，并由此形成相比可比较的未改善系统具有较高效率的系统。

涡轮机构造成在较低和较高膨胀比时以合理效率操作，在涡轮机轮上仅具有小的静压变化（由此低的转子推力负载），同时其具有低惯性矩，并且特征在于小尺寸，但不需要格外紧的公差。与这相结合的是，压缩机的特征在于低的轴向推力负载，使得涡轮增压器所需要的推力轴承相比可比较的常规涡轮增压器中使用的显著地更加高效。

参见图2和图3，在本发明的第一实施例中，例如如图1所示的，典型的内燃发动机和ECU（以及任选地中冷器）设置有涡轮增压器201，该涡轮增压器201包括涡轮增压器壳体和转子，转子构造成在涡轮增压器壳体中沿转子旋转轴线203在一组轴承上旋转。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体205、压缩机壳体207和轴承壳体209（即，容纳径向和推力轴承的中心壳体），轴承壳体209将涡轮机壳体连接到压缩机壳体。转子包括基本位于涡轮机壳体内的轴向涡轮机轮211、基本位于压缩机壳体内的径向压缩机轮213以及轴215，轴215沿转子旋转轴线延伸通过轴承壳体以将涡轮机轮连接到压缩机轮，并且使得涡轮机轮驱动压缩机轮围绕旋转轴线旋转。

涡轮机壳体205和涡轮机轮211形成涡轮机，该涡轮机构造成周向地接收来自发动机的排气歧管的高压高温排气流（例如来自排气歧管123的排气流121，如图1所示）。涡轮机轮（因而转子）被作用在涡轮机轮的多个叶片231上的高压高温排气流驱动围绕转子旋转轴线203旋转。排气流变成较低总压的排气流，同时通过叶片，并且随后经由涡轮机出口227被轴向地释放到排气系统（未示出）中。

压缩机壳体207和压缩机轮213形成了径向压缩机。压缩机轮（经由轴215）被排气驱动的涡轮机轮211驱动旋转，并且构造成将轴向接收的输入空气（例如，外界空气，或来自多级压缩机的前级的已被加压的空气）压缩成加压空气流，该加压空气流可从压缩机被周向地排出并被送至发动机入口（例如被送至发动机入口139的加压空气流133，如图1所示）。

涡轮机涡形

涡轮机壳体205形成排气进入通道217，排气进入通道217通向主涡管通道219，主涡管通道219构造成沿正交于转子旋转轴线203并从转子旋转轴线203径向偏离的方向接收来自发动机的排气流。主涡管通道形成螺旋，其适于显著地将气流速度加速到高速，对于涡轮机（及其相关的发动机）的至少一些操作条件，所述高速可以是超音速。更具体地，主涡管通道使排气转向，即向内围绕旋转轴线203又轴向朝向轴向涡轮机轮211，由此实现（对于发动机的一些标准操作条件）具有下游轴向分量221和下游周向分量223的超音速流。

实际上，该构造利用角动量守恒（而非收缩扩张喷嘴）来实现高速空气流，对于至少一些操作条件，该高速空气流可包括至超音速的无冲击过渡。通常，需要特征在于大直径变化的螺旋来实现速度上的这种变化，并且即使所得到的空气流被轴向转向到轴向涡轮机轮中，其仍具有非常高速的周向分量。

该周向分量是在不使用转向翼的情况下实现的，而转向翼可导致附加的损耗。因此，该实施例的涡轮机入口具有无翼设计。与具有翼的设计相比，有利地，这种设计是成本高效且可靠的（因为其从环境中消除了部件，这些部件在环境中很可能遭受侵蚀），避免了摩擦压力损耗，并且避免建立在一些操作条件中可能对流形成阻塞的临界推力区域。

参见图2-4，主涡管通道的内径中的加速排气流的该潜在地超音速流被引导到涡轮机轮211中。更具体地，主涡管通道是向内螺旋的通道，其特征在于将主涡管通道连接到排气进入通道217的主涡管入口端口225。主涡管通道实质上形成收缩通道，其足够地向内螺旋并且足够地收缩以使排气加速，并且对于发动机（因此涡轮增压器）的至少一些标准操作条件而言，随着排气向下游轴向转向并冲击在叶片231的轴向上游端233上而实现超音速。

主涡管入口端口225是定位成沿涡轮机中的通道的平面位置，排气在到达涡轮机轮之气行进通过该端口。主涡管入口端口的位置关于通道中的开口而限定，其特征在于当在正交于旋转轴线203剖切的截面中看时类似舌头的形状。

更具体地，当在图3的截面中看时，舌部235的结构表现为具有尖端的突起。应当注意，在一些实施例中，当在不同的轴向位置剖切截面时，该结构的形状不变。在其他实施例中，形成舌部235的该结构的形状可使得当在不同的轴向位置剖切截面时，舌部尖端的位置改变。

主涡管入口端口225位于舌部235的尖端处。对于舌部尖端的周向位置表现为随所考虑截面的轴向位置变化的任何程度，主涡管入口端口225被限定为位于舌部尖端的最上游位置，即壳体开口处的最上游位置，使得其不再径向地位于排气流和叶片之间（即使所述叶片从排气流轴向偏离）。为了该应用的目的，主涡管入口端口225被限定为从排气进入通道217到主涡管通道219中在舌部尖端处的最小平面开口。换句话说，其位于排气进入通道的下游端，位于流向叶片打开的位置。

主涡管通道219在主涡管入口端口225处开始，并且围绕旋转轴线向内螺旋360度以形成收缩环路，该收缩环路将进入主涡管入口端口225的流再聚合起来。该收缩环路使排气周向加速并使其轴向转向。遍及主涡管通道219的360度，被加速且转向的排气流冲击在叶片231上，在叶片之间通过并且驱动涡轮机轮211旋转。

总之，轴向涡轮机轮的壳体形成了向内螺旋的、围绕转子旋转轴线的主涡管通道。其在主涡管入口端口225处开始，主涡管入口端口225基本位于叶片轴向上游端的径向外部，使得通道向内螺旋并且轴向转向以使排气流加速进入轴向涡轮机轮叶片的上游端。

校正质量流

为了在本发明下提供排气的充分程度的加速，主涡管通道219构造有校准参数（sizing parameter），使得当以临界膨胀比（E_cr）操作时，涡轮机的校正质量流率表面密度超过临界构造参数，即临界校正质量流率表面密度（D_cr）。更特别地，用于涡管的校准参数包括主涡管半径比（r_r）和主涡管入口端口面积（a_i），并且被选择成使得当涡轮机以临界膨胀比E_cr操作时，涡轮机的校正质量流率表面密度超过临界构造参数D_cr。这些校准参数关于主涡管入口端口225被限定，主涡管入口端口225的特征在于质心237。对于将被充分地轴向加速的气体，该质心将基本位于每个叶片231的轴向上游端233的径向外部，并通常位于该轴向上游端233的轴向上游。

上述项中的一些的值取决于将要驱动涡轮机的排气流的类型。该排气流的特征在于玻尔兹曼常数（k）以及气体常数R-specific（R_sp）。这些常数根据气体类型变化，但是对于大多数汽油供能的发动机的排气，可预料差异是很小的，所述常数通常为k＝1.3和R_sp＝290.8 J/kg/K的量级。

涡轮机壳体能够使排气加速，排气的特征在于上述的两个校准参数。第一校准参数是主涡管半径比r_r，其被限定为涡轮机叶片231的前缘处的毂处的点239的半径除以主涡管入口端口225的平面区域的质心237的半径。第二校准参数是主涡管入口端口面积a_i，其被限定为主涡管入口端口225的面积。

如上所述，该涡轮机实施例的几何被关于临界膨胀比E_cr时的操作参数来限定。该临界膨胀比从下式得出

并且是气体特定的玻尔兹曼常数k的函数。E_cr的典型值为1.832。

如上所述，该实施例的主涡卷通道219的尺度受限于主涡卷半径比r_r和主涡卷入口端口面积a_i，其导致涡轮机的校正质量流率表面密度超过临界校正质量流率表面密度D_cr。该临界校正质量流率表面密度从下式得出

其随着主涡卷半径比r_r变化。

对于任何给定的涡轮机，对于给定出口静压的确切一个稳态入口条件（即一个入口总压力）将以诸如临界膨胀比E_cr的给定膨胀比驱动涡轮机。涡形的几何中的变化，例如半径比r_r和/或主涡卷入口端口面积a_i的变化可改变将以给定临界膨胀比驱动涡轮机的稳态质量流率，并因而将影响相关的校正质量流率表面密度。

如果主涡卷半径比和主涡卷入口端口面积被恰当地选择，则其将导致主涡卷入口端口225处当以临界膨胀比E_cr被驱动时的校正质量流率表面密度大于临界校正质量流率表面密度D_cr。虽然主涡卷半径比、主涡卷入口端口面积和主涡卷入口端口处的校正质量流率表面密度之间的关系是复杂的，并且虽然它们将通常通过实验方法研究，但应当注意，总体上对于同样的端口面积，较高的半径比将导致较高的校正质量流率表面密度。

在本发明下设计涡轮机的迭代方法中，本领域技术人员可首先选择将要从发动机接收的排气的成分，（从气体性质的现有来源）查找相关的玻尔兹曼常数k和气体常数R_sp，并且计算临界膨胀比E_cr。

于是设计出涡轮机的第一构造。该涡轮机包括如上所述的涡形，具有向内螺旋的通道和轴向涡轮机轮，该通道从切向方向转向到轴向方向。该设计的特征在于第一主涡卷半径比r_r1和第一主涡卷入口端口面积a_i1。

建造一个原型，放上气台（gas stand），并且使用选定的排气来运行。输入总压力增加直到计算的膨胀比达到临界膨胀比E_cr。从入口处的总压力和出口处的静压计算该膨胀比。测量稳态质量流率m、总涡轮机入口温度T和总入口压力p_i。

从测量的数据并利用下式来计算校正质量流率表面密度：

其中，a_i是入口端口面积。该计算的校正质量流率表面密度D_ca与临界校正质量流率表面密度D_cr比较，使用前面指出的公式来计算临界校正质量流率表面密度D_cr。如果校正质量流率表面密度超过或等于临界校正质量流率表面密度，则完成了本发明的实施例的设计。如果校正质量流率表面密度小于临界校正质量流率表面密度，则该设计被认为不足以产生本发明下所需的高速周向空气流，并且完成设计的另一次迭代和测试步骤。

在该下一次迭代中，主涡卷半径比r_r和/或主涡卷入口端口面积a_i被适当地调节（例如，减小），以增大当在临界膨胀比E_cr处所取的校正质量流率表面密度。重复该过程，直到找到一个设计，其中当在临界膨胀比E_cr处所取的校正质量流率表面密度超过或等于临界校正质量流率表面密度。

在上述迭代设计方法的潜在替代性决策过程中，改变校准参数r_r和a_i中的一个或两个的决策是基于测试在临界操作条件（即导致在临界膨胀比E_cr处发生操作的条件）上由排气导致的涡轮机轮的轴向负载（或者导致轴向负载的静压比）。如果轴向力不低于阈值，则进行另一次迭代，所述阈值例如为当轮上游接近轮毂处的静压大于涡轮机出口静压的120％时的负载条件，即压力至多相差出口压力的20％。

轮叶片

参见图3-5，关于下游轴向流分量221和下游周向流分量223，每个叶片231的特征在于下表面241（即大致周向地面对朝向下游周向流分量的表面）和上表面243（即大致周向地面对远离下游周向流分量的表面）。

叶片231的下表面和上表面在前缘245（即叶片的上游边缘）以及后缘247（即叶片的下游边缘）处相遇。叶片以悬臂构造从中心毂271径向向外延伸。它们沿叶片的径向内毂端273附接到毂，并且延伸到叶片的径向外尖端275。叶片的毂端从前缘的内、毂端延伸到后缘的内、毂端。叶片的尖端从前缘的外、尖端延伸到后缘的外、尖端。

典型轴向涡轮机通常设置有具有叶片长度的叶片，该叶片长度与各自毂的半径相比非常小。与该典型惯例相反，本实施例设置的叶片具有小于或等于0.6的毂到尖的比（即后缘的内、毂端的半径不大于后缘的外、尖端的半径的60％）。

虽然具有高毂到尖的比的常规轴向叶片也需要大数量的叶片来从排气提取任何显著量的能量，但本发明的叶片能够从进入涡轮机轮的高速高度切向流的动压提取非常高的百分比。它们可在相对有限数量的叶片情况下做到这样，由此限制了涡轮机轮的旋转惯性矩，并且从而提供快速的瞬时响应时间。在本发明的多个实施例下，具有20个或更少的叶片，并且对于这些实施例中的多数而言，具有16个或更少的叶片。

在沿叶片的任何给定径向位置处，下表面和上表面各自的特征在于弯拱，并且叶片的特征在于中间弯拱，对于本应用的目的而言，该中间弯拱将被限定为在上表面和下表面之间等距的中间位置从前缘延伸到后缘的中间弯拱曲线249，其中，该中间位置是沿从上弯拱延伸到下弯拱的线251取的，正交于沿中间弯拱曲线的曲线249。

中间弯拱曲线249在前缘245处来到第一端。中间弯拱曲线在前缘处的方向限定了前缘方向253，并且特征在于前缘方向角β₁（即β₁叶片角），其是在前缘方向和一条线之间的角偏离，该线平行于旋转轴线并通过前缘（在与中间弯拱相同的径向位置处），并且从而也平行于超音速流的下游轴向分量221。β₁叶片角在前缘转向周向流分量223中时为正（如图5所示），并且在前缘直接沿轴向流分量221面对时为零。β₁叶片角可在前缘的径向范围上变化。

中间弯拱曲线249在后缘247处来到第二端。中间弯拱曲线在后缘处的方向限定了后缘方向255，并且特征在于后缘方向角β₂（即β₂叶片角），其是在后缘方向和一条线之间的角偏离，该线平行于旋转轴线并通过后缘（在与中间弯拱相同的径向位置处）。β₂叶片角在后缘转向周向流分量223中时为正（如图5所示），并且在后缘直接沿轴向流分量221面对时为零。叶片角β₂可在后缘的径向范围上变化。

在叶片上给定径向位置处的β₁和β₂叶片角的和限定了叶片在该径向位置处的转向角。β₁+β₂转向角可在叶片的径向范围上变化。

虽然主涡卷高效地加速排气流并由此提供排气流动压的实质增加，但其通常不产生具有高度轴向均匀性的流，如可能从带翼的喷嘴看到的。本实施例的叶片并且特别地它们前缘的形状被修整，使得叶片的每个径向部分被最佳地适应于在其径向位置处出现的流。这种类型的修整对于常规轴向涡轮机而言不是典型的，因为它们通常具有带翼的、提供高度流均匀性的喷嘴，并且它们具有高得多的毂到尖的比，其限制了毂和尖流之间的可能变化。

在本实施例下，在每个叶片的前缘的大多数上，叶片角关于旋转轴线周向地面向上游（即，β₁叶片角为正）。而且，β₁叶片角在前缘的毂端以及前缘的中部（即在其毂端和其罩端之间中间位置处的前缘）处均大于或等于20度（并且可能大于或等于30度）。在前缘的罩端处，β₁叶片角大于或等于-20度（并且可能大于或等于-5度）。

另外，在本实施例下，在每个叶片的径向范围的大多数上，β₁+β₂转向角为正。而且，β₁+β₂转向角在每个叶片的毂端处大于或等于45度。转向角在每个叶片的中部处大于或等于80度。在每个叶片的罩端处，β₁+β₂转向角大于或等于45度。

翼弦线261（即连接前缘和后缘的线）关于下游轴向分量221具有正的攻角，即，即使前缘方向关于旋转轴线周向地面向上游，翼弦线自身仍然关于旋转轴线周向地向下游成角度。换句话说，前缘在后缘的周向下游。这可在其他实施例中改变。

该实施例的叶片的下表面241构造成在叶片的基本整个翼弦上是凹面的。而且，在径向位置的大多数处，下表面是弯曲的，使得其具有在前缘和后缘周向下游的一系列位置263。

静压降

本发明当前实施例的关键特征是其提供典型轴向涡轮机轮的惯性优点（相比等同的径向涡轮机轮具有更低的旋转惯性矩），同时其极大地增强了轴向涡轮机提取排气流能量的能力。为了实现这一点，如前面提议的，本实施例所设置的涡形利用角动量守恒来高效地加速排气流并将排气流中的总压力的显著部分从静压转化为动压，并且进一步将被加速的排气流以显著角提供到轴向涡轮机轮。

涡轮机叶片构造成从流提取动压的能量的显著部分，但是不显著地改变流的静压。作为将静压的显著部分转化为动压的涡形的结果，以及作为提取大多数动压而不改变空气流的静压的轮的结果，涡轮机提取排气流中的能量的大的百分比，而不接收显著的轴向负载。本发明的典型实施例的特征将在于，对于一系列标准操作条件中的至少一些操作条件，涡轮机轮叶片上的静压变化小于涡轮机上的静出口涡轮机压力的±20％，由此导致向涡轮机轮施加非常小的轴向力。更具体地，涡轮机构造成将轮上游接近轮毂处的静压限制为不大于涡轮机出口静压的120％的值，即压力的差异至多为出口压力的20％。本发明的一些实施例的特征在于转子上基本没有静压降，由此导致涡轮机轮上仅有可忽略的轴向力。

轮毂

参见图5和图6，涡轮机轮毂271的径向尺寸沿叶片内毂端273从每个叶片231的前缘245到每个叶片的后缘247变化，并且其围绕圆周是均匀的。更具体地，毂在前缘处比其在后缘处径向更大，并且毂在前缘和后缘之间的中间轴向位置处比其在前缘或后缘处径向更大。厚度上的这种增大形成了平滑连续的隆起277，其轴向接近叶片下表面241上的一系列位置263，所述一系列位置263在前缘和后缘的周向下游（即中间弯拱平行于流的轴向分量的地方）。

隆起277设置在显著扩散发生的位置，并且其防止扩散超过临界水平，在该临界水平时可发生流分离。该问题的可能性是独特实质性的，这是因为叶片的独特尺寸和形状以及流的高水平动能。由于隆起的使用帮助避免了流分离，该隆起相对于没有隆起的类似轮提供改善的效率。

轴向平衡的压缩机

参见图2，压缩机壳体207和压缩机轮213形成双、并行、径向压缩机。更具体地，压缩机轮具有背到背取向的叶轮叶片。第一组叶轮叶片301以常规构造取向，具有轴向向外面向（远离涡轮机）的入口以从该方向接收空气。第二组叶轮叶片303以反转构造取向，具有轴向向内面向（朝向涡轮机）的入口以接收被切向带入并且转向轴向行进到第二组叶轮叶片中的空气。第一和第二组叶轮叶片可按照单一、整体轮的形式制造，例如如所示的，或者可包括多个部件的组件。

压缩机壳体207构造成将入口空气并行地引导到每一组压缩机叶片。并且从每个压缩机引导加压气体的通道。在该实施例中，压缩机壳体包括两个分离的轴向定位空气入口，即第一空气入口通道305和第二空气入口通道307，第一空气入口通道305定位成邻近压缩机壳体的端部以将入口空气沿轴向方向传送到第一压缩机叶片301，第二空气入口通道307与第一空气入口通道305分离。压缩机轮213提供的加压空气被从每组叶轮叶片301和303通过单一通道311径向引导到压缩机涡形313。

该双路径、并行、径向压缩机构造尽管通常比可比较的单路径径向压缩机效率更低，但是将以更高的速度操作并且在稳态操作时可基本不产生轴向负载。更高的操作速度将通常更好地匹配轴向涡轮机的操作速度。

协同作用

本实施例的构造由于多个原因是重要的，并且对于克服效率限制是尤其有效的，所述效率限制限制了小型汽油供能的发动机上的涡轮增压器的有效性，常规轴向涡轮机的实际限制使得它们对于实际和高效使用而言相对不那么有效。

本发明提供了具有大叶片的有效涡轮机，该大叶片可被高效地制造，即使在小尺寸时也如此。当更小的叶片可能对于常规铸造技术而言太小时，相对大尺寸和小数量的轴向涡轮机叶片非常适合于以小尺寸铸造。当应用于非常小的涡轮机时，高速流和大叶片不需要可以是限制性的制造公差。

明显地，无轴向负载涡轮机或无轴向负载压缩机的使用比它们的常规轴向负载对应物效率较低。而且，涡轮机和压缩机通常构造成具有部分偏离的轴向负载。尽管这些负载远未到完美的匹配，但它们确实提供了轴向负载的至少一些减轻。如果仅仅一个部件（即涡轮机或压缩机）不产生轴向负载，则来自另一个部件的其余负载未被部分偏离，并且甚至出现更大的轴向负载，从而需要甚至更大的推力轴承。

在本发明中，无轴向负载压缩机与无轴向负载涡轮机组合，允许使用更加高效的推力轴承。应当相信，在一些实施例中，推力负载需求可能小至常规对应物的仅20％。构造成承载这种小负载的轴承可适于实质上更加能量高效。结果，不管一些系统部件的潜在较低效率，涡轮增压器的总体系统效率可显著高于常规对应物。

其他方面

虽然许多常规涡轮增压器被设计为不产生下游旋涡，本发明的一些实施例可构造有产生负或正旋涡的叶片。在设计本发明下的涡轮机时，相比高效提取能量同时产生很小或不产生轴向负载，下游旋涡的产生可被认为引起较少的兴趣。

应当理解，本发明包括用于设计和生产插入物（insert）以及用于涡轮机和涡轮增压器自身的设备和方法。另外，本发明的各种实施例可包含上述特征的各种组合。简而言之，在本发明的预期范围内，上面公开的特征可按照各种构造来组合。

例如，虽然上述实施例构造为顺流涡轮增压器（即排气流流动通过涡轮机轮从而轴向地流出涡轮增压器的端部），但其他实施例可构造成具有逆流，其中，排气流沿朝向压缩机的方向通过涡轮机轮。这种构造尽管可能不适合于分配给内燃发动机涡轮增压器的标准空间，但使得轴承壳体暴露给较少的热量和压力。而且，虽然所述实施例所使用的轮具有悬臂（即端部自由的）叶片，所述叶片被不动的壳体罩径向包围，但采用带罩轮（即具有整体式罩的轮，该罩包围叶片并随它们旋转）的其他实施例也在本发明的范围内。

虽然已经示出和描述了本发明的具体形式，明显的是，在不偏离本发明精神和范围的情况下可作出各种修改。因此，尽管已经仅参照优选实施例详细描述了本发明，但本领域普通技术人员将意识到在不偏离本发明范围的情况下可作出各种修改。因此，本发明并不意图受限于上述讨论，而是参照所附权利要求来限定。

Claims

1.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成从构造成在一系列标准操作条件上操作的发动机接收排气流并且将输入空气压缩成加压空气流，包括：

壳体，其包括涡轮机壳体；和

转子，其构造成在所述壳体中沿转子旋转轴线旋转，所述转子包括轴向涡轮机轮、压缩机轮和轴，所述轴沿所述转子旋转轴线延伸并且将所述涡轮机轮连接到所述压缩机轮；

其中，所述涡轮机轮构造有毂并且构造有多个轴向涡轮机叶片，所述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转子旋转轴线旋转，所述叶片具有轴向上游边缘、轴向下游边缘、毂端以及与所述毂端相对的尖端；

其中，所述压缩机轮构造成当所述转子被所述涡轮机轮驱动绕所述转子旋转轴线旋转时将所述输入空气压缩成所述加压空气流；并且

其中，所述涡轮机壳体形成向内螺旋的涡轮机主涡管通道，所述主涡管通道的特征在于主涡管入口端口，所述主涡管入口端口的特征在于其质心位于所述叶片的轴向上游端的径向外部。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，所述发动机排气流的特征在于气体特定的属性，包括特定的气体常数R_sp和玻尔兹曼常数k，其中：

所述主涡管入口端口的进一步特征在于面积；

所述涡轮机轮叶片的轴向上游边缘限定了涡轮机轮入口，所述涡轮机轮入口的特征在于面积；

组合的涡轮机壳体和涡轮机轮的特征在于主涡管半径比r_r，其被限定为所述叶片的轴向上游边缘处的毂的半径除以所述主涡管入口端口的质心的半径；

组合的涡轮机壳体和涡轮机轮的进一步特征在于当以临界膨胀比E_cr被驱动时所述主涡管入口端口处的校正质量流率表面密度；

所述主涡管半径比r_r和所述主涡管入口端口面积的大小设置为使得当以所述临界膨胀比E_cr被驱动时所述主涡管入口端口处的所述校正质量流率表面密度大于临界校正质量流率表面密度D_cr；并且

D_cr和E_cr的值由下式确定：

和

。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，每个涡轮机轮后缘的所述毂端处的半径不大于每个涡轮机轮后缘的所述尖端处的半径的60％。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于45度。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂端和所述尖端之间的中间半径处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于80度。

6.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂端和所述尖端之间的中间半径处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于80度。

7.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述向内螺旋的涡轮机主涡管通道是无翼通道。

8.一种涡轮增压的内燃发动机系统，包括：

发动机，其构造成接收加压空气流并且产生排气流，所述发动机构造成在一系列标准操作条件上操作；和

如权利要求2所述的涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成当以所述标准操作条件操作时从所述发动机接收所述排气流，并且将输入空气压缩成由所述发动机接收的所述加压空气流。

9.如权利要求8所述的涡轮增压的内燃发动机系统，其中，所述向内螺旋的主涡管通道实质上形成收缩通道，所述收缩通道足够地向下游轴向转向并且向内螺旋，以对于所述一系列标准操作条件中的至少一些操作条件，导致所述输入空气当到达所述涡轮机轮的上游边缘时实现超音速。

10.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成从构造成在一系列标准操作条件上操作的发动机接收排气流并且将输入空气压缩成加压空气流，包括：

壳体，其包括涡轮机壳体；和

其中，所述压缩机轮构造成当所述转子被所述涡轮机轮驱动绕所述转子旋转轴线旋转时将所述输入空气压缩成所述加压空气流；

其中，所述涡轮机壳体形成向内螺旋的涡轮机主涡管通道；并且

其中，对于所述一系列标准操作条件中的至少一些操作条件，所述涡轮机构造成将所述轮上游接近所述轮毂处的静压限制为不大于所述涡轮机出口静压的120％的值。

11.如权利要求10所述的涡轮增压器，所述发动机排气流的特征在于气体特定的属性，包括特定的气体常数R_sp和玻尔兹曼常数k，其中：

其中，所述涡轮机壳体形成向内螺旋的涡轮机主涡管通道，所述主涡管通道形成主涡管入口端口，所述主涡管入口端口的特征在于面积和质心；

D_cr和E_cr的值由下式确定：

和

。

12.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，每个涡轮机轮后缘的所述毂端处的半径不大于每个涡轮机轮后缘的所述尖端处的半径的60％。

13.如权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于45度。

14.如权利要求13所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂端和所述尖端之间的中间半径处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于80度。

15.如权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮机叶片各自的特征在于在所述毂端和所述尖端之间的中间半径处的叶片转向角，该叶片转向角大于或等于80度。

16.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述向内螺旋的涡轮机主涡管通道是无翼通道。

17.一种涡轮增压的内燃发动机系统，包括：

如权利要求11所述的涡轮增压器，所述涡轮增压器构造成当以所述标准操作条件操作时从所述发动机接收所述排气流，并且将输入空气压缩成由所述发动机接收的所述加压空气流。

18.如权利要求17所述的涡轮增压的内燃发动机系统，其中，所述向内螺旋的主涡管通道实质上形成收缩通道，所述收缩通道足够地向下游轴向转向并且向内螺旋，以对于所述一系列标准操作条件中的至少一些操作条件，导致所述输入空气当到达所述涡轮机轮的上游边缘时实现超音速。