CN102478022A - 复合离心压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于涡轮增压器的复合离心压缩机叶轮。所述叶轮包括具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂。所述叶轮还包括设置在所述毂的外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、设置在所述毂的外表面上且沿径向和轴向延伸的弓形离心叶轮片；所述毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

Description

复合离心压缩机叶轮

技术领域

本发明的示例性实施方式涉及在压缩机中使用的离心压缩机叶轮，更具体地涉及在涡轮增压器的压缩机中使用的复合离心压缩机叶轮。

背景技术

离心压缩机在涡轮增压器、机械增压器等中使用。它们包括离心压缩机叶轮，所述离心压缩机叶轮包括由中心毂部分支撑的空气动力学轮廓的叶轮片阵列。所述毂安装在就涡轮增压器来说由涡轮叶片驱动的可旋转驱动轴上。对于涡轮增压器，毂部分大体上包括中心轴线孔，轴延伸进入所述中心轴线孔并且固定到所述毂。可采用任何适当的形式固定-例如使用螺纹轴和毂、带键的毂，或者替代性地轴的凸出部可延伸穿过毂并且使用螺母紧固至所述毂，以便所述毂抵靠肩状部分或其他可与轴一起旋转的直径增大结构被紧固。所述轴从而沿某一方向可旋转地驱动离心压缩机叶轮，以便具有一定轮廓的叶片轴向吸入空气并且将空气以增高的压力水平径向向外排放入压缩机壳体的腔室。加压空气随后从所述腔室供应至内燃发动机的进气歧管，从而以众所周知的方式与燃料混合并燃烧。

通过细致的压缩机设计，尤其是离心压缩机叶轮设计，压缩机技术和设计的改进已经导致压缩机效率、流量范围增加，并导致快速地瞬态响应。例如，叶轮片包括设计成优化操作效率和流量范围的合成的并且高度复杂的弯曲部分。复杂的叶片形状通常通过轻质金属合金-包括各种铝合金来铸造形成，这样选择的原因是它们相对低的密度，以便使旋转惯性降低并且在瞬态操作状况期间提供快速的响应。

尽管是有效的，但是这种类型的铸造离心压缩机叶轮容易遭受金属疲劳，所述金属疲劳限制涡轮增压器的运转寿命。例如，离心压缩机叶轮可以高达大约100000rpm或更大的运转速度旋转。这导致相对较高的径向拉伸载荷，尤其是在必须支撑径向叶轮质量的叶轮的毂部分中。在内燃发动机以及就移动应用来说涡轮增压器被结合到其中的车辆的起动和操作期间，这种径向拉伸载荷实质上也是循环性的。因为毂受到循环应力作用，夹杂物、空隙以及与铸造工序关联的其他缺陷提供导致疲劳过程的应力梯级，所述疲劳过程限制叶轮和包含它们的涡轮增压器的运转寿命。使用锻造或精制材料来改进合金的运转寿命是可能的，但这通常不是十分经济，因为形成与毂和叶片关联的复杂形状需要的机加工成本比较高。

因此，提供所需性能特征的离心压缩机叶轮与铸造叶轮相比较是非常理想的，所述性能特征包括高强度和低旋转惯性以及对疲劳过程的降低的敏感性。

发明内容

在本发明的示例性实施方式中，公开了用于可旋转压缩机的离心压缩机叶轮。离心压缩机叶轮包括具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂。离心压缩机叶轮还包括设置在轴向延伸毂的弓形外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、径向和轴向延伸的、设置在所述弓形外表面上的弓形离心叶轮片；所述轴向延伸毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

方案1. 一种用于内燃发动机的排气驱动的涡轮增压器，所述涡轮增压器具有离心压缩机，所述离心压缩机包括：

具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂；以及

设置在所述轴向延伸毂的弓形外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、径向和轴向延伸的、设置在所述弓形外表面上的弓形离心叶轮片；所述轴向延伸毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

方案2. 如方案1所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合。

方案3. 如方案2所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括环氧树脂、酚醛塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮树脂。

方案4. 如方案1所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述叶轮片和所述轴向延伸毂包括设置在芯上的连续或半连续纤维外层，所述芯包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

方案5. 如方案4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中每个叶轮片都具有叶片表面以及邻近于所述叶片表面和所述轴向延伸毂表面的外层。

方案6. 如方案5所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述轴向延伸毂还包括邻近所述出口端的底面，并且其中外层也邻近所述底面。

方案7. 如方案4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述连续或半连续纤维层包括定向成第一方向的多个纤维丝束。

方案8. 如方案7所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括弦方向。

方案9. 如方案7所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括横弦方向。

方案10. 如方案4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述连续或半连续纤维层包括定向成第一方向的多个第一纤维丝束以及定向成第二方向的多个第二纤维丝束。

方案11. 如方案10所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括弦方向，而所述第二方向包括横弦方向。

方案12. 如方案10所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述连续或半连续纤维层包括织造织物。

方案13. 如方案12所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述织造织物包括定向成第一方向的多个第一纤维丝束以及定向成第二方向的多个第二纤维丝束，所述第一纤维丝束与所述第二纤维丝束交织。

方案14. 如方案13所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括弦方向，而所述第二方向包括横弦方向。

方案15. 如方案10所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述多个第一纤维丝束和所述多个第二纤维丝束包括金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合，而所述聚合物母体包括环氧树脂、酚醛塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮树脂。

方案16. 如方案4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述轴向延伸毂还包括至少一个包括连续或半连续纤维的内层，所述内层大体上横向于所述轴孔布置。

方案17. 如方案1所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述轴孔完全或部分延伸穿过所述轴向延伸毂。

方案18. 如方案1所述的排气驱动的涡轮增压器，还包括轴孔插入件。

方案19. 一种用于可旋转压缩机的离心压缩机叶轮，所述离心压缩机叶轮包括：

具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂；以及

设置在轴向延伸毂的弓形外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、设置在所述弓形外表面上的沿径向和轴向延伸的弓形离心叶轮片；所述轴向延伸毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

方案20. 如方案19所述的离心压缩机叶轮，其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合，并且其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括环氧树脂、酚醛塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮树脂，并且其中所述叶轮片和所述轴向延伸毂包括设置在芯上的连续或半连续纤维外层，所述芯包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

本发明的上述特征和优点以及其他特征和优点将通过下面结合附图对本发明的详细描述而变得显而易见。

附图说明

在下面对实施方式的详细描述中，仅通过示例来呈现其他目的、特征、优点和细节，所述详细描述参阅附图进行，附图中：

图1是在此公开的复合离心压缩机叶轮的示例性实施方式的立体示意图；

图2是沿切面2-2剖开的图1的复合离心压缩机叶轮的剖视图；

图3是在此公开的复合离心压缩机叶轮的第二示例性实施方式的剖视图；以及

图4是在此公开的复合离心压缩机叶轮的第三示例性实施方式的剖视图。

具体实施方式

下面的描述本质上仅是示例性的，并非旨在限制本发明、其应用或用途。应当理解的是，相应的附图标记在所有附图中指代相同或相应的部件和特征。

如图1-4所示，根据本发明的示例性实施方式，示出了在可旋转的压缩机8中用作离心式叶轮的离心压缩机叶轮10。在可旋转压缩机8的许多应用中，离心压缩机叶轮10适于用作离心叶轮，所述应用包括用于各种排气驱动的涡轮增压器4或类似地用于内燃发动机6的压缩机8。

离心压缩机叶轮10包括沿纵向轴线14延伸的轴向延伸毂12。轴向延伸毂12具有入口端16、出口端18、弓形外表面20和轴孔22，并且所述轴向延伸毂12构造为可拆卸地附接至并接合可旋转轴(未示出)-例如涡轮增压器的涡轮轴，所述可旋转轴被从出口端18接纳到轴孔22中。离心压缩机叶轮10还包括图1中设置在轴向延伸毂12的弓形外表面20上的叶片阵列24。叶片阵列24包括多个周向间隔开的、径向和轴向延伸的弓形离心叶轮片(“多个叶轮片”)26。取决于离心压缩机叶轮10的设计需要，任何适当数量的叶轮片26可以在叶片阵列24中被采用。叶轮片26可具有任何适当的周向间隔。类似地，叶轮片26可径向延伸和轴向延伸至任何期望的范围并且具有任何适当的形状，尤其是叶片表面27。叶轮片26包括翼，而叶片表面27包括翼面。在示例性实施方式中，叶轮片26的形状可以通过从轴向延伸毂12的外表面沿图1中的弦方向25向外凸出的多个连接的弦来描述。如在此使用的，弦或弦方向25被用于指代连接曲线的两点的线段并且包括叶轮片26的宽度，或在叶轮片26作为翼的背景中指代连接翼部分的前缘和后缘的直线段。相对于弦方向25大体上横向的方向可限定为横弦方向29并且大体上沿图1中的叶轮片的长度延伸。叶片阵列24可以通过任何适当的方式或方法设置在毂12的弓形外表面20上，但将优选地与轴向延伸毂12一起形成，以便毂12和叶片阵列24包括整体部件，而不使用单独形成的接头或使用单独连接方法来将它们连接。如图1所示，具体叶轮片轮廓通常包括对于至少某些叶轮片14大体上与入口端16相邻的向前的叶片前角56，并且包括至少一些靠近轴向延伸毂12的弓形外表面20的周边的向后弯曲部分58。

由非织造、不连续、充满纤维的聚合物母体复合材料28(“复合材料”)来形成轴向延伸毂12和叶片阵列24。聚合物母体复合材料28可包括任何包括热塑性或热固性聚合物母体30的适当的聚合物母体复合材料28。在示例性实施方式中，聚合物母体30可包括环氧树脂、酚醛塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮树脂。如图2-4所示，聚合物母体30包括作为分散的增强填充材料的多个非织造、不连续纤维32，所述分散的增强填充材料提供加强相以使聚合物母体增强。聚合物母体30还可包括其他适当的填充材料，所述填充材料包括各种有机和无机微粒填充材料，更具体地填充材料包括各种纳米颗粒填充材料，所述纳米颗粒填充材料包括碳纳米颗粒-例如各种类型的含碳纳米管。聚合物母体复合材料28可包括任何适当相对数量的聚合物母体30和纤维32。在示例性实施方式中，纤维32的量将尽可能大，同时仍提供可形成期望的离心压缩机叶轮10的形状的混合物，从而在聚合物母体30内提供最大数量或装载量的纤维32。纤维32可以任何适当的方式-包括均质或非均质分散来分散到聚合物母体30中。

纤维32可由包括各种金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合的任何适当的非织造、不连续纤维材料来形成。纤维32可具有包括长度、横截面形状和横截面大小(例如，柱状纤维的纤维直径)的任何适当的纤维特性，并且可包括具有不同特性的非织造、不连续纤维的混合物。纤维32可包括单纤维、丝束或不连续（例如碎的）纤维或棉线的拆开的束。

离心压缩机叶轮10可通过任何适当的形成方法来形成，但如同在此描述的将优选地通过将叶轮设置成整体部件的方法来形成。在示例性实施方式中，离心压缩机叶轮10可以模制。模制可以使用包括开模方法-例如喷洒或闭模方法-例如压力模制、转移模制或喷射模制的任何适当的方法来执行。纤维树脂聚合物复合模制化合物包括具有随机分散的短纤维32的树脂母体，其类似于塑料模制中使用的树脂母体。在示例性实施方式中，用于复合加工的模制化合物包括热固性聚合物。因为它们被设计用于模制，所以它们必须能够在模具中流动。因此，在构形加工之前它们通常不会被固化或聚合。固化在最终构形期间或之后(或者在最终构形期间和之后)完成，并且可包括在室温或包括在压热器中加热的高温下固化。

在此描述的离心压缩机叶轮10大体上由芯34形成，所述芯34包括由非织造、不连续、充满纤维的聚合物母体复合材料形成的叶轮片26的芯部分和轴向延伸毂12。然而，在另一个示例性实施方式中，无论作为单纤维、粗纱或棉线，还是包括在各种织物或毡中，任何形式的连续或半连续纤维也都可结合芯34使用。

在示例性实施方式中，叶轮片26和轴向延伸毂12包括设置在芯34上的连续或半连续纤维38的外层36，所述外层36包括非织造、不连续的充满纤维的聚合物母体复合材料28。连续或半连续的纤维38可包括任何包括金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合的适当的纤维。外层36可用于加强或硬化离心压缩机叶轮10的外表面41。外层36可设置在离心压缩机叶轮10的芯34的外表面40上。外表面40可包括叶片表面27或轴向延伸毂20的非叶片外表面41，或它们的组合。外层36不必在离心压缩机叶轮10的外表面41处，但也可紧邻外表面41并将优选地充满并且嵌在聚合物母体30内。如在此描述的，连续或半连续纤维38可以任何适当的方向或样式施加在外表面40上。在示例性实施方式中，连续或半连续纤维38的层包括朝向第一方向的多个纤维丝束或粗纱。第一方向可以是图2中大体上弦方向25，或图3中大体上横弦方向29。在另一个示例性实施方式中，连续或半连续纤维38的层包括定向成第一方向的多个第一纤维以及定向成第二方向的多个第二纤维，所述第一纤维包括单纤维、粗纱或棉线或它们的组合，所述第二纤维包括单纤维、粗纱或棉线或它们的组合。例如，第一方向可包括弦方向25，而第二方向可包括横弦方向29。连续或半连续纤维38的弦或横弦布置的任意组合都可用于外层36。连续或半连续纤维38还可定向为其他方向，包括以不同角度从弦25和横弦29方向偏置的方向。

在另一个示例性实施方式中，轴向延伸毂12包括设置在芯34上的连续或半连续纤维38的基底层44，所述基底层44包括非织造、不连续的充满纤维的聚合物母体复合材料28。基底层44可用于加强或硬化离心压缩机叶轮10的底面48。底面48可设置在邻近出口端18的芯34的基底层44上。基底层44不必与离心压缩机叶轮10的底面48设置成一体，但是也可邻近底面48并将优选地充满并且嵌在聚合物母体30内。连续或半连续纤维38的布置的任意组合都可用于基底层44。例如，纤维38可径向或周向定向，或它们的组合，或以其他方向定向-包括以不同角度从径向和周向偏置的方向。如在此描述的，连续或半连续纤维38可以任何适当的方向或样式施加在基底层44上。外层36和基底层44的连续或半连续纤维38(包括在层之间连续延伸或在任何重叠的布置中重叠的纤维)可共同延伸至任何范围，或可非共同延伸(即，两个独立层)。

外层36、基底层44或两者，可包括形成为织造织物或布的连续或半连续纤维38。用于外层36的织物，例如，可包括定向为第一和第二方向的织造纤维38，其中第一方向包括弦方向25，而第二方向包括横弦方向29，或反之亦然。最熟悉的连续纤维形式是织造棉线的布或织物。类似于布的是织造粗纱或丝束，织物由拆开的纤维而非棉线构成。织造粗纱可用两个方向上的不等数量的细条生产，以便它们在一个方向上拥有更大的强度。这种单向织造粗纱经常优选的在层压纤维增强聚合复合物中。连续或半连续纤维38还可以是底垫形式-例如由用粘合剂松散地保持在一起的随机定向的短纤维构成的毡。底垫可作为各种重量、厚度和宽度的垫层来商购得到。如在某些闭模工序中所执行的，底垫可被切割和构形以便使用。在模制期间，用树脂浇注出预成型并随后固化以限定外层36或基底层44。

芯34还可包括至少一个包括连续或半连续纤维38的内层50，所述内层50大体上横向于图4中的纵向轴线14和轴孔22布置。内层50还可包括多个层50。内层50加强和硬化离心压缩机10，尤其是轴向延伸毂12。内层50可以与外层36或基底层44相同的方式由连续或半连续纤维38形成。例如，纤维38可径向或周向定向，或以它们的组合定向，或以其他方向定向-包括以不同角度从径向和周向偏置的方向。纤维38还可包括织造粗纱或织物。

离心压缩机叶轮10还包括轴孔22。轴孔22可完全延伸(图1-3)或部分延伸(图4)穿过轴向延伸毂12。轴孔22的大小可设置为容纳驱动轴(未示出)。离心压缩机叶轮10还可包括轴孔插入件52。轴孔插入件52加强轴孔22。在某些实施方式中，轴孔插入件还可以是带螺纹的以接合螺纹驱动轴(未示出)-例如涡轮轴。轴孔插入件52可包括任何适当的插入件材料。在示例性实施方式中，轴孔插入件52可包括金属-例如铝或铝合金。轴孔插入件52可接近轴孔22延伸，或可仅在轴孔22内部分延伸。同样地，轴孔插入件52可沿纵向轴线14比轴孔22延伸得更远。所描述的构造提供了重量轻并且具有用于响应于瞬态状况而快速运转的相对低的旋转惯性的离心压缩机叶轮10。

根据叶轮片26的优选的空气动力学轮廓，在没有牺牲效率和流量范围的情况下，本发明的复合离心压缩机叶轮10可提供对用于涡轮增压器、机械增压器等的常规离心压缩机叶轮类型的疲劳寿命的实质性改进。这种叶片轮廓包括复杂并且复合的叶片弯曲部分，从而有效地使通过除了模制工序外的任何手段制造叶片变得不可能。替代性地说，这种复杂的叶片轮廓使得其他成形技术-例如锻造、机加工等不可能完成或经济上不可行。相应地，在过去，用于涡轮增压器的离心压缩机叶轮通过整体铸造形成，其中叶片与叶轮毂铸造成一体，通过钻孔形成的中心轴线孔穿过所述叶轮毂，以容许所述叶轮毂以众所周知的方式安装至涡轮增压器等的旋转轴。为了使离心压缩机叶轮的旋转惯性最小化，并且从而实现对瞬态运转状况的期望的快速响应，铸造的叶轮通常由铝或轻质金属合金形成。

当离心压缩机叶轮10旋转时，它的每个内部增量都受到根据叶轮的旋转速度并且进一步根据从该增量径向向外设置的叶轮质量来改变量值的径向拉伸载荷。通过由充满非织造、不连续的纤维32的聚合物母体材料30形成轴向延伸毂12的高应力区域，本发明提供了实质性改进的离心压缩机叶轮10。

虽然已经参照示例性实施方式描述了本发明，但是所属领域技术人员将会理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可对本发明做出各种改变并且可用等同元件来代替本发明的元件。另外，在不偏离本发明的实质范围的情况下，可做出多种改型以使本发明的教导适应特定情况或材料。因此，本发明将不局限于作为用于实施本发明的最佳模式而构想并公开的特定实施方式，相反，本发明将包括落入本申请的范围内的所有实施方式。

Claims (10)

1.一种用于内燃发动机的排气驱动的涡轮增压器，所述涡轮增压器具有离心压缩机，所述离心压缩机包括：

具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂；以及

设置在所述轴向延伸毂的弓形外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、径向和轴向延伸的、设置在所述弓形外表面上的弓形离心叶轮片；所述轴向延伸毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

2.如权利要求1所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括金属、玻璃、聚合物或碳纤维或它们的组合。

3.如权利要求2所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料包括环氧树脂、酚醛塑料、聚酰亚胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮树脂。

4.如权利要求1所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述叶轮片和所述轴向延伸毂包括设置在芯上的连续或半连续纤维外层，所述芯包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

5.如权利要求4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中每个叶轮片都具有叶片表面以及邻近于所述叶片表面和所述轴向延伸毂表面的外层。

6.如权利要求5所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述轴向延伸毂还包括邻近所述出口端的底面，并且其中外层也邻近所述底面。

7.如权利要求4所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述连续或半连续纤维层包括定向成第一方向的多个纤维丝束。

8.如权利要求7所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括弦方向。

9.如权利要求7所述的排气驱动的涡轮增压器，其中所述第一方向包括横弦方向。

10.一种用于可旋转压缩机的离心压缩机叶轮，所述离心压缩机叶轮包括：

具有入口端、出口端、弓形外表面和轴孔的轴向延伸毂；以及

设置在轴向延伸毂的弓形外表面上的叶片阵列，所述叶片阵列包括多个周向间隔的、设置在所述弓形外表面上的沿径向和轴向延伸的弓形离心叶轮片；所述轴向延伸毂和所述叶片阵列包括非织造、不连续且充满纤维的聚合物母体复合材料。

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