CN104204453A - 带横向凹槽的涡轮增压器护罩以及结合有该护罩的涡轮增压器 - Google Patents

带横向凹槽的涡轮增压器护罩以及结合有该护罩的涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

一种涡轮增压器(5)包括一个壳体(10)，该壳体包括一个压缩机护罩(14)和一个涡轮机护罩(12)。一个压缩机叶轮(18)被设置在该压缩机护罩(14)中并且包括多个压缩机叶片(45，46)。每个压缩机叶片(45，46)都包括一个前缘(50，51)和一个压缩机护罩轮廓边缘(54，55)，其中每个压缩机护罩轮廓边缘(54，55)都与该压缩机护罩(14)处于紧密面对的关系。一个涡轮机叶轮(16)被设置在该涡轮机护罩(12)中并且包括多个涡轮机叶片(26)。每个涡轮机叶片(26)都包括一个前缘(30)和一个涡轮机护罩轮廓边缘(34)，其中每个涡轮机护罩轮廓边缘(34)都与该涡轮机护罩(12)处于紧密面对的关系。该压缩机护罩(14)和涡轮机护罩(12)中的至少一个护罩包括相对于相对应的压缩机护罩轮廓边缘或涡轮机护罩轮廓边缘(34，54，55)横向地延伸的多个凹槽(70，72)。

Description

带横向凹槽的涡轮增压器护罩以及结合有该护罩的涡轮增压器
背景
当今的内燃发动机必须满足由消费者和政府监管机构要求的日益严格的排放和能效标准。因此，汽车制造商和供应商在研究和开发技术上花费很大的精力和资金以改善内燃发动机的运行。涡轮增压器是发动机发展的特别具有利益的一个领域。
涡轮增压器使用正常情况下会被浪费的排气能量来驱动一个涡轮机。该涡轮机被安装在一个轴上，该轴进而驱动一个压缩机。该涡轮机将排气的热量和动能转化成驱动压缩机的旋转动力。涡轮增压器的目的是通过增大进入发动机的空气的密度来提高发动机的容积效率。压缩机吸入环境空气并且将其压缩到进气歧管中并且最终到汽缸中。因此，在每个进气冲程较大质量的空气进入这些汽缸。
涡轮机可以越有效地将排气热能转化成旋转动力并且压缩机可以越有效地将空气推进发动机中，则该发动机的整体性能就越有效。相应地，希望的是将涡轮机叶轮和压缩机叶轮设计地尽可能有效率。然而，由于涡流和泄露，传统的涡轮机和压缩机设计中固有多种不同的损失。
虽然传统涡轮增压器的压缩机和涡轮机设计已经朝着使效率最大化的目标发展，对于进一步地增大压缩机和涡轮机的效率仍然存在一种需求。
概述
在此提供了一种包括壳体的涡轮增压器，该壳体包括一个压缩机护罩。一个压缩机叶轮被设置在该压缩机护罩中并且包括多个压缩机叶片。每个压缩机叶片都包括一个前缘和一个护罩轮廓边缘，其中每个护罩轮廓边缘都与该压缩机护罩处于紧密面对的关系。该压缩机护罩包括相对于这些压缩机叶片的护罩轮廓边缘横向地延伸的多个凹槽。
在此披露的技术的某些方面中，这些凹槽是等距地间隔开的。该压缩机护罩包括一个入口区域和一个排出区域，并且这些凹槽从该入口区域延伸至该排出区域。在一个实施例中，这些凹槽从该入口区域至该排出区域成弓形地延伸。例如，这些凹槽可以具有一种矩形截面。
在此还提供了一种包括壳体的涡轮增压器，该壳体包括一个涡轮机护罩。一个涡轮机叶轮被设置在该涡轮机护罩中并且包括多个涡轮机叶片。每个涡轮机叶片都包括一个前缘和一个护罩轮廓边缘，其中每个护罩轮廓边缘都与该涡轮机护罩处于紧密面对的关系。该涡轮机护罩包括相对于这些涡轮机叶片的护罩轮廓边缘横向地延伸的多个凹槽。
还想到的是一种包括壳体的涡轮增压器，该壳体包括一个压缩机护罩和一个涡轮机护罩。一个压缩机叶轮被设置在该压缩机护罩中并且包括多个压缩机叶片。每个压缩机叶片都包括一个前缘和一个压缩机护罩轮廓边缘，其中每个压缩机护罩轮廓边缘都与该压缩机护罩处于紧密面对的关系。一个涡轮机叶轮被设置在该涡轮机护罩中并且包括多个涡轮机叶片。每个涡轮机叶片都包括一个前缘和一个涡轮机护罩轮廓边缘，其中每个涡轮机护罩轮廓边缘都与该涡轮机护罩处于紧密面对的关系。该压缩机护罩和涡轮机护罩中的至少一个护罩包括相对于相对应的压缩机护罩轮廓边缘或涡轮机护罩轮廓边缘横向地延伸的多个凹槽。
在考虑本文中的详细说明部分和附图部分之后带有横向凹槽的涡轮增压器护罩和结合有该护罩的涡轮增压器的这些方面和其他方面将变得清楚。然而，应当理解的是，本发明的范围应当由所发布的权利要求书来确定而不是由给出的主题是否解决该背景部分中指出的任何或所有问题或者包括在此概述中引用的任何特征或方面来确定。
附图
通过参照以下附图来说明带有横向凹槽的涡轮增压器护罩和结合有该护罩的涡轮增压器的包括该优选实施例的非限制性和非穷尽的实施例，其中类似的参考号指代所有不同视图中的类似部分，除非另外说明。
图1是根据一个示例性实施例的一个涡轮增压器的一个截面侧视图；
图2是根据第一示例性实施例的一个涡轮机叶轮的一个透视图；
图3是图2中示出的涡轮机叶轮的一个放大的局部透视图；
图4是根据第一示例性实施例的一个压缩机叶轮的一个透视图；
图5是图4中示出的压缩机叶轮的一个放大的局部透视图；
图6是表示图3中示出的涡轮机叶片之一的一个侧视简图；
图7A至图7D是关于图6中线7-7获取的、示出多个不同的边缘凹凸部构形的该涡轮机叶片的局部截面；
图8是表示根据一个示例性实施例的一个涡轮机叶轮和一个涡轮机护罩内表面的界面的一个透视图；
图9是表示根据一个示例性实施例的一个压缩机叶轮与一个压缩机护罩的内表面之间的界面的一个透视图；
图10是根据第二示例性实施例的、结合有多个轮毂表面间断点的一个涡轮机叶轮的一个透视图；
图11是在关于图10中的线11-11获取的该涡轮机叶轮的一个截面侧视图；
图12是根据第三示例性实施例的一个涡轮机叶轮的一个透视图，展示了一种替代性表面间断点构形；
图13是根据第四示例性实施例的一个涡轮机叶轮的一个透视图，展示了另一种替代性表面间断点构形；并且
图14是根据第五示例性实施例的一个涡轮机叶轮的一个透视图，展示了又一种替代性表面间断点构形。
详细说明
以下将参照附图更全面地说明实施例，这些附图形成本文件的一个部分并且以图示的方式示出多个具体示例性实施例。这些实施例被以足够的细节示出以便使得本领域技术人员能够实践本发明。然而，实施例能够以不同的形式来实施并且不应解释为受限于在此列举的这些实施例。因此，以下详细说明部分不应被视为具有限制意义。
如图1中所示出的，涡轮增压器5包括一个轴承壳体10，该轴承壳体具有附接到其上的一个涡轮机护罩12和一个压缩机护罩14。涡轮机叶轮16在涡轮机护罩12内旋转并且非常接近于涡轮机护罩内表面20。类似地，压缩机叶轮18在压缩机护罩14内旋转并且非常接近于压缩机护罩内表面22。涡轮增压器5的构造是现有技术中众所周知的典型的涡轮增压器的构造。然而，涡轮增压器5包括本文中更全面地说明的针对效率的不同改进。
如图2中所示出的，涡轮机叶轮16包括一个轮毂24，多个叶片26从该轮毂延伸。每个叶片26都包括一个前缘30和一个后缘32，一个护罩轮廓边缘34在该前缘与后缘之间延伸。该护罩轮廓边缘有时被称作该叶片的尖端。在传统的涡轮机叶轮构形中，涡轮机效率的明显损失是由于跨过这些涡轮机叶片的尖端的泄露造成的。这些叶片之间的流动的物理特性导致该叶片的一个表面(压力侧36)被暴露于高的压力，而另一侧(吸入侧38)被暴露于低的压力(参见图3)。这种压力差导致一个致使该涡轮机叶轮旋转的力作用于该叶片上。再次参照图1，可以看到的是护罩轮廓边缘34非常接近于涡轮机护罩内表面20，由此在它们之间形成一个间隙。这些高压区域和低压区域导致二次气流从该涡轮机叶片的压力侧36通过涡轮机叶片尖端34与该涡轮机护罩的内表面20之间的间隙行进到吸入侧38。这些二次气流对于整个系统而言是一种损失并且降低涡轮机效率。理想情况下，在该尖端与护罩之间不应存在间隙，但是间隙对于防止该尖端擦到护罩上以及为解决热膨胀和作用于这些涡轮机叶片上的、导致这些叶片径向生长的离心负荷而言是必要的。
然而，在这个实施例中，涡轮机叶片26包括沿该尖端或护罩轮廓边缘34形成的一个边缘凹凸部40。在这种情况下，当气流行进通过该间隙时，边缘凹凸部40在该边缘凹凸部中(相对于压力侧36)创造了导致该气流停滞的一个高压区域。除此之外，该高压区域导致跨过该间隙的气流变得被扼制，由此限制了流动速率。因此，减少了二次气流，这提高了该涡轮机的效率。如从图3中可以认识到的，在这种情况下，边缘凹凸部40沿护罩轮廓边缘34的大部分延伸而不延伸超过该叶片边缘的末端。这样创造了进一步地用于在该边缘凹凸部中创造相对压力的一个凹穴或凹处。
进一步地参照图6，沿护罩轮廓边缘34示意性地示出了边缘凹凸部40。图7A中示出的叶片26的截面展示了边缘凹凸部40的断面构形。在这种情况下，该边缘凹凸部被示出为具有一个内半径的一个凹口。尽管在此示出了一个凹口的形式，但该边缘凹凸部还可以被形成为如图7B至图7D中对应地示出的一个斜口、一个圆角、或一个槽口。如图7A至7D所指示的，边缘凹凸部40被形成到叶片26的压力侧36中。该护罩轮廓边缘的其余边缘材料在图7A至图7D中被表示为厚度t。已经发现使其余尖端的厚度t最小化会导致该气流更快地扼流。厚度t可以被表示为叶片厚度的百分比。例如，厚度t应当小于该叶片厚度的75％并且优选地小于该叶片厚度的50％。然而，最小厚度最终是由创造该边缘凹凸部所使用的技术来确定的。该凹凸部可以被机加工或铸造到该叶片的边缘中。相应地，对于改善涡轮机叶轮和压缩机叶轮的效率而言该边缘凹凸部是一种成本有效的解决方案。
参照图4和图5，可以认识到，压缩机叶轮18的叶片45和46还可以对应地与边缘凹凸部61和60一起形成。在这种情况下，压缩机叶轮18包括一个轮毂44，多个叶片46从该轮毂径向地延伸，多个小叶片45被置于这些叶片之间。参照图5，每个叶片46都包括一个前缘50、一个后缘52、以及在该前缘与后缘之间延伸的一个压缩机护罩轮廓边缘54。以类似的方式，小叶片45都包括一个前缘51、一个后缘53、以及在该前缘与后缘之间延伸的一个护罩轮廓边缘55。边缘凹凸部61和60沿它们对应的护罩轮廓边缘的大部分延伸。正如这些涡轮机叶轮叶片，边缘凹凸部是沿该叶片的压力侧形成的。因此，在这些压缩机叶片的情况下，如图5中所示出的，这些边缘凹凸部60和61被形成在压力侧56上。类似于这些涡轮机叶片边缘凹凸部，这些压缩机叶片边缘凹凸部减少了从压力侧56至吸入侧58的流动，由此增大了该压缩机叶轮的效率。
图8和图9中示出了破坏从该压力侧到涡轮增压器涡轮机叶片和压缩机叶片的吸入侧之间流动的另一种方式。如图8中所示出的，涡轮机护罩内表面20包括多个凹槽70，这些凹槽相对于这些涡轮机叶片26的护罩轮廓边缘34横向地延伸。因此，这些凹槽相对于涡轮机叶轮16的轴线A成角度G延伸。角度G与该压缩机叶轮或涡轮机叶轮上的叶片数目有关。在一个实施例中，例如，该角度被调节成使得这些凹槽横过不多于两个的相邻叶片。在这种情况下，这些凹槽的截面是矩形的并且具有宽度w和深度d。作为一个实例，该宽度可以从大约0.5mm变化至2mm，并且该深度可以从大约0.5mm变化至3mm。这些凹槽从入口区域74到护罩表面20的排出区域76成弓形地延伸。如可以认识到的，这些凹槽是关于该护罩表面以距离S在圆周方向上等距地间隔开的。然而，在其他实施例中，该间距相对于各个凹槽而言可以变化。类似于角度G，距离S具有一个极限，因为该间距受限于叶片的数目。作为一个实例，可以通过使不多于15个的凹槽横过一个单一叶片来限制S。
参照图9，压缩机护罩表面22还包括形成在压缩机护罩14的内表面22中的多个凹槽72。凹槽72对应地相对于叶片46和45的护罩轮廓边缘54和55横向地延伸。在这种情况下，这些凹槽从入口区域73到护罩表面22的排出区域77成弓形地延伸。虽然这些凹槽70和72在此被示出具有矩形截面，但其他的截面同样可以起作用，例如圆形或V形截面。由于每个叶片的护罩轮廓边缘穿过这些横向定向的凹槽，跨过该尖端或护罩轮廓边缘的气流被这些凹槽中产生的涡流破坏(停滞)。
作为提高涡轮机叶轮和压缩机叶轮的效率的又一种方式，这些叶轮可以围绕该轮毂包括一个表面间断点。如图10至图14中示出的，该涡轮机叶轮可以包括围绕该涡轮机叶轮的轮毂形成的一个表面间断点以将能量给予到与该轮毂相关联的一个流体流的边界层中。例如，图10展示了具有带一对周向延伸的肋135的一个轮毂124的一个涡轮机叶轮116的示例性实施例，这对肋可操作成对与轮毂124相关联的一个流体流F的一个边界层给予能量。这些叶片126围绕涡轮机轮毂124是周向间隔开的，其中一个轮毂表面125在相邻的叶片之间延伸。在这种情况下，每个表面125都包括以肋135为形式的至少一个表面间断点。如图11中所示出的，该轮毂的截面指示出一个凹形的外表面125在每个带有表面间断点的叶片或者从这些叶片伸出的肋135之间延伸。在这种情况下，这些肋用于使气流F在每个肋上加速，由此对于该轮毂相关联的流体流的边界层给予能量，以便破坏影响涡轮机效率的旋涡的形成。图12展示了根据另一个示例性实施例的一个涡轮机叶轮216。在这种情况下，涡轮机叶轮216包括一个轮毂224，多个叶片226从该轮毂径向地延伸。一个轮毂表面225在每个相邻的涡轮机叶片226之间延伸。在这种情况下，这些表面间断点是多个凸出部235的形式。这些凸出部可以是隆起物、盘、肋、三角形等形式。如图13和图14中所示出的，这些涡轮机叶轮包括陷窝或凹槽形式的表面间断点。例如，图13展示了在相邻的涡轮机叶片326之间延伸的轮毂表面325并且包括以陷窝335为形式的多个表面间断点。陷窝335可以类似于在高尔夫球上发现的那些陷窝。在图14中，涡轮机叶轮416包括一个轮毂424，该轮毂具有在相邻的叶片426之间延伸的轮毂表面425。在这种情况下，这些表面间断点是围绕轮毂424周向地延伸的凹槽435的形式。
相应地，已经通过指向这些示例性实施例的一定程度的特殊性说明了带有横向凹槽的涡轮增压器护罩。然而，应当认识到本发明时由按照现有技术解释的以下权利要求书来限定，从而对这些示例性实施例可以作出修改会改变而不脱离在此包含的发明概念。

Claims (15)

1.一种涡轮增压器(5)，包括：
一个壳体(10)，该壳体包括一个压缩机护罩(14)；
一个压缩机叶轮(18)，该压缩机叶轮被设置在该压缩机护罩(14)中并且包括多个压缩机叶片(45，46)，每个压缩机叶片(45，46)都包括一个前缘(50，51)和一个护罩轮廓边缘(54，55)，其中每个护罩轮廓边缘(54，55)都与该压缩机护罩(14)处于紧密面对的关系；并且
其中该压缩机护罩(14)包括相对于这些压缩机叶片(45，46)的护罩轮廓边缘(54，55)横向地延伸的多个凹槽(72)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(72)是等距地间隔开的。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器(5)，其中该压缩机护罩(14)包括一个入口区域(73)和一个排出区域(77)，并且这些凹槽(72)从该入口区域(73)延伸至该排出区域(77)。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(72)从该入口区域(73)至该排出区域(77)成弓形地延伸。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(72)具有一种矩形截面。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器(5)，其中该压缩机护罩(14)包括一个入口区域(73)和一个排出区域(77)，并且其中这些凹槽(72)是等距间隔开的并且从该入口区域(73)延伸至该排出区域(77)。
7.一种涡轮增压器(5)，包括：
一个壳体(10)，该壳体包括一个涡轮机护罩(12)；
一个涡轮机叶轮(16)，该涡轮机叶轮被设置在该涡轮机护罩(12)中并且包括多个涡轮机叶片(26)，每个涡轮机叶片(26)都包括一个前缘(30)和一个护罩轮廓边缘(34)，其中每个护罩轮廓边缘(34)都与该涡轮机护罩(12)处于紧密面对的关系；并且
其中该涡轮机护罩(12)包括相对于这些涡轮机叶片(26)的护罩轮廓边缘(34)横向地延伸的多个凹槽(70)。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器(5)，其中该多个凹槽(70)是等距地间隔开的。
9.根据权利要求7所述的涡轮增压器(5)，其中该涡轮机护罩(12)包括一个入口区域(74)和一个排出区域(76)，其中这些凹槽(70)从该入口区域(74)延伸至该排出区域(76)。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(70)从该入口区域(74)至该排出区域(76)成弓形地延伸。
11.根据权利要求7所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(70)具有一种矩形截面。
12.根据权利要求7所述的涡轮增压器(5)，其中该涡轮机护罩(12)包括一个入口区域(74)和一个排出区域(76)，并且其中这些凹槽(70)是等距间隔开的并且从该入口区域(74)延伸至该排出区域(76)。
13.一种涡轮增压器(5)，包括：
一个壳体(10)，该壳体包括一个压缩机护罩(14)和一个涡轮机护罩(12)；
一个压缩机叶轮(18)，该压缩机叶轮被设置在该压缩机护罩(14)中并且包括多个压缩机叶片(45，46)，每个压缩机叶片(45，46)都包括一个前缘(50，51)和一个压缩机护罩轮廓边缘(54，55)，其中每个压缩机护罩轮廓边缘(54，55)都与该压缩机护罩(14)处于紧密面对的关系；
一个涡轮机叶轮(16)，该涡轮机叶轮被设置在该涡轮机护罩(12)中并且包括多个涡轮机叶片(26)，每个涡轮机叶片(26)都包括一个前缘(30)和一个涡轮机护罩轮廓边缘(34)，其中每个涡轮机护罩轮廓边缘(34)都与该涡轮机护罩(12)处于紧密面对的关系；并且
其中该压缩机护罩(14)和涡轮机护罩(12)中的至少一个护罩包括相对于相对应的压缩机护罩轮廓边缘或涡轮机护罩轮廓边缘(34，54，55)横向地延伸的多个凹槽(70，72)。
14.根据权利要求13所述的涡轮增压器(5)，其中该多个凹槽(70，72)是等距地间隔开的。
15.根据权利要求13所述的涡轮增压器(5)，其中这些凹槽(70，72)具有一种矩形截面。
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