CN104246167B - 减小应力的超级背板叶轮 - Google Patents

Abstract

涡轮增压器的涡轮机叶轮被设计成快速加速并且以非常高的RPM旋转。一个涡轮机叶轮配备有改善的抗低周期疲劳性。根据本发明的涡轮增压器的涡轮机叶轮具有一个超级背板后壁，并且其特征为一个锥形的加强区域和一个平坦的后壁区域，其中该锥形区域与该平坦的后壁区域之间的过渡是由一个圆弧来描述的，该圆弧具有对应于该涡轮机叶轮直径的至少10%的一个半径。该叶轮可以通过常规方法来平衡。

Description

减小应力的超级背板叶轮

发明领域

本发明涉及在被设计成快速加速以及以非常高的RPM旋转的叶轮（例如涡轮增压器的涡轮机叶轮）中的应力减少。

发明背景

涡轮增压器从车辆排气中吸取能量以用于驱动压缩机将高密度的空气传送到发动机进气管，从而允许燃烧更多的燃料，进而增加发动机的马力。发动机排气污染物的愈来愈严历的法规已引起人们对能够传送更高压力比的增压装置的兴趣。实现这个目标的一种方法是以更高的叶片端速来驱动压缩机叶轮，通常根据压缩机叶轮的直径转换成80,000每分钟转速（RPM）至300,000 RPM。不仅高的旋转速度还有使压缩机叶轮快速加速的轴的力造成了压缩机叶轮的高拉伸载荷。这个载荷尤其是在孔的附近特别大。常规的是用一个中心凸出部分来加强压缩机叶轮的后壁。

与压缩机叶轮相比，涡轮机叶轮通常是用更高价值的合金制造的、能够耐受高温和多种腐蚀性气体，该涡轮机叶轮被暴露在高温和腐蚀性气体中。涡轮机叶轮还在轴的连接方式上不同于压缩机叶轮，即压缩机叶轮通常具有一个贯穿孔，该压缩机叶轮通过该贯穿孔而被安置在一个轴上、并且借助一个螺母被固定在该轴上，而涡轮机是实心的并且实质上是例如通过焊接或者铜焊被固定在该轴上的。涡轮机叶轮的后壁也不同于压缩机叶轮的后壁。涡轮机叶轮的后壁常规上是基本平坦的。见转让给本申请的受让人的美国专利申请2010/0003132（郝茨舒（Holzschuh）），该专利申请形成了图1和图2的基础。

由于该涡轮机叶轮和压缩机叶轮被固定到同一个轴上，该涡轮机叶轮一定与该压缩机叶轮以同样高的RPM旋转。该涡轮机叶轮还承受着重复应力、并且会经历低循环疲劳故障。因此需要进一步防范涡轮机叶轮中的低循环疲劳故障发生的可能性。

商业化的涡轮增压器行业是成本驱动的。虽然需要降低低循环疲劳故障，但是这个目标一定要经济地实现，即不依靠高成本措施，例如多元合金叶轮制造技术、特殊合金、从坯料开始的五轴铣削、用于除去表面缺陷的耗时的冷加工等等。

最近已经发现配备有一个稍长的、异型轮毂端的压缩机叶轮具有针对低循环疲劳的改善的寿命。具有这种设计的压缩机叶轮被称为“超级背板（superback）”。为了容纳该超级背板压缩机叶轮的增加的长度，本行业发现需要重新设计该涡轮增压器的其他相关联的特征，例如抛油环和散射器。

尽管压缩机叶轮与涡轮机叶轮之间在结构上、冶金学上以及连接上具有显著差异，但诸位发明人研究发现增加的轮毂长度还可以就防止低循环疲劳方面对涡轮机叶轮提供益处。因为涡轮壳体通常被设计成用于接纳带有平坦背部的涡轮机叶轮，并且因为常规实践是通过从该后壁的平坦区域除去材料来平衡多个涡轮机叶轮的，存在关于如何设计一个“超级背板”涡轮机叶轮的问题，该涡轮机叶轮一方面可能提供所希望的益处并且另一方面致使对本行业产生最小的破坏，例如，允许本行业继续使用常规的平衡方法，并且允许本行业对多个协作的涡轮增压器部件进行最少的再设计和再造的情况下结合到涡轮机壳体的可供使用的线路中。

最初的涡轮机叶轮超级背板的设计在一个长形的焊接轮毂与该涡轮机叶轮的平坦后壁之间提供了一个总体上呈锥形的过渡（图2）。这种涡轮机叶轮超级背板设计进行了商业测试并且被发现是满足期望的。尽管如此，诸位发明人还是进行了研究以便看出是否可以实现更大的改进。诸位发明人考虑了不同的合金、机械表面处理、化学表面处理、涂料、热处理以及其他多种选择。

发明概述

出人意料地发现进一步提高涡轮机叶轮的抗低循环疲劳性能不在于复杂的、增加成本的常规技术而在于该超级背板整体设计的进一步改进。通过这个看起来小的改变，变得可能的是在没有额外支出的情况下提供一个通过常规可供使用的技术能够继续容易地平衡而不易受应力和低循环疲劳故障影响的涡轮机叶轮。

本发明是通过一个涡轮增压器的涡轮机叶轮实现的，该涡轮机叶轮具有一个超级背板后壁，其特征为在焊接轮毂与平坦后壁区域之间的一个锥形区域，其中该超级背板后壁在截面上是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及描述该锥体的表面的线（L2）组成的，其中描述该锥体表面的线（L2）与定义该后壁平面区域的线（L1）相交于一点，该点位于轴线（1）与涡轮机叶轮外径之间的距离的50%和90%之间，其中该三角形的源于该旋转轴线的边的长度至少是该涡轮机叶轮的该直径的2%，其中在该锥形区域与该平坦后壁区域之间的过渡是通过一个圆弧描述的，该圆弧具有对应于该涡轮机叶轮的直径的至少10%的半径，优选是该涡轮机叶轮的直径的至少15%，最优选是该涡轮机叶轮的直径的20%与30%之间。

附图简要说明

本发明是通过举例而非限制的方式展示在这些附图中，其中类似的参考数字表示相似的部分，并且在这些附图中：

图1 描绘了一个典型的旋转组件的截面；

图2 描绘了还没有根据本发明修改的一个超级背板后壁；并且

图3 描绘了带有根据本发明修改的后壁的一个旋转组件。

本发明的详细说明

一个常规的涡轮机叶轮（10）在图1中是以截面形式示出的。在叶轮的后壁（13）与轴（6）和叶轮（10）之间的接点（A）之间是一个轴颈或焊接轴衬（17）。该叶轮在接点（A）处被融合到轴（6）上以便形成一个轴与叶轮的组件，该轴与叶轮的组件围绕轴线（1）旋转。

径流式涡轮机叶轮可以归类到“扇形后壁”（其中从叶片之间除去一些轮毂材料以便减少该涡轮机叶轮的惯性）和“完整后壁”（其中没有轮毂材料被除去，从而提供更高的效率）。然而，该完整后壁盘的额外的材料引起该涡轮机背面的应力升高。这些增大的应力能够引起低循环疲劳寿命的可测量的减少，从而使寿命减少到低于典型的商业柴油机应用中所要求的寿命。本发明对该完整后壁涡轮机叶轮提供了最大的益处，但是也可以应用于扇形后壁涡轮机叶轮。

本发明还可以应用到混合流式（其中气流径向和轴向地撞击该涡轮机叶轮）涡轮机，其中该后壁和轮毂不会一直延伸到轮缘直径处。

文档的图1示出了一个扇形背板的涡轮机叶轮，图1的上半部是在后壁是完整的一点处的截面，因此该截面可以表示一个完整背板。图1的下半部示出了穿过该扇形区域的一个截面。

根据本发明，如果该后壁强化是基于一个锥体（其表面的截面是由一条线限定的）而不是一个钟状物（其截面形成一条连续曲线）的原理设计的，则涡轮机叶轮可以被标识为一个“超级背板”。更确切地说，观察截面时，沿着该涡轮机叶轮后壁的常规平面区域的一条延长线被定义为线L1。该后壁的锥形加强区段是由第二条线L2限定的。该轴线定义了第三条线。为了成为一个超级背板，该三角形沿着该轴线的边的长度必须是涡轮机叶轮直径的至少2%、优选2%至10%、最优选是3%至6%。

线L2与线L1相交于一点，该点在从轴线到叶轮外径的路径的50%与90%之间，优选是在55%与75%之间，最优选是在60%与70%之间。

根据本发明，线L2沿一条圆弧过渡到线L1，该圆弧具有对应于涡轮机叶轮的直径的至少10%的半径，优选是该叶轮的直径的至少15%，最优选是该叶轮的直径的20%与30%之间。

回到图1，在该轮毂上提供了远离该后壁（13）的多个叶片（5）。清楚的是，该后壁是基本上平面的，没有以本发明的超级背板设计为特征的加强锥形区段。

图2示出了还没有根据本发明修改的一个超级背板后壁。L1与L2之间的过渡是由一个圆弧限定的，该圆弧半径具有的长度小于该后壁直径的5%的长度。

图3示意性地示出了由线（1）、线L1和线L2三条线形成的三角形。图3与图2的不同之处在于线L1沿一条圆弧过渡到线L2，该圆弧具有对应于涡轮机叶轮的直径的至少10%并且至多40%的半径，优选是涡轮机叶轮的直径的至少15%并且至多35%，最优选是涡轮机叶轮的直径的20%至30%。

对应于线L1的“平坦”后壁的最小量是能够提供一个用于平衡运行的表面的量。

可任选的是，该涡轮机叶轮可以具有一个浇铸成该涡轮机叶轮的后壁的基准环。该基准环的轴向伸出表面（背向该涡轮机叶轮的叶片）是用来在几何学上轴向地将该旋转组件的空气动力学部分（压缩机叶片和涡轮机叶片）定位在压缩机盖件和涡轮机壳体中所希望的位置上，因此它是一个临界表面。然而，本发明的涡轮机叶轮并不需要一个基准环。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器的涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮具有一个超级背板后壁，其特征为一个锥形的加强区域和一个平坦的后壁区域，其中该锥形区域与该平坦的后壁区域之间的过渡是由一个圆弧来描述的，该圆弧具有对应于该涡轮机叶轮直径的至少10%的一个半径。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器的涡轮机叶轮，其中该锥形区域与该平坦的后壁区域之间的过渡是由一个圆弧描述的，该圆弧具有对应于该涡轮机叶轮直径的至少15%的一个半径。

3.如权利要求1所述的涡轮增压器的涡轮机叶轮，其中该锥形区域与该平坦的后壁区域之间的过渡是由一个圆弧来描述的，该圆弧具有在该涡轮机叶轮直径的20%与30%之间的一个半径。

4.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中该超级背板后壁的截面是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该涡轮机叶轮的旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及限定了该锥形的加强区域的线（L2）组成的，并且其中，限定了该锥形的加强区域的线（L2）与定义该后壁的平面区域的线（L1）相交于一点，该点位于轴线（1）与涡轮机叶轮外径之间的距离的50%与90%之间。

5.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中该超级背板后壁的截面是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该涡轮机叶轮的旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及限定了该锥形的加强区域的线（L2）组成的，并且其中，限定了该锥形的加强区域的线（L2）与定义该后壁的平面区域的线（L1）相交于一点，该点位于轴线（1）与涡轮机叶轮外径之间的距离的55%与75%之间。

6.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中该超级背板后壁的截面是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该涡轮机叶轮的旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及限定了该锥形的加强区域的线（L2）组成的，并且其中，限定了该锥形的加强区域的线（L2）与定义该后壁的平面区域的线（L1）相交于一点，该点位于轴线（1）与涡轮机叶轮外径之间的距离的60%与70%之间。

7.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中该超级背板后壁的截面是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该涡轮机叶轮的旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及限定了该锥形的加强区域的线（L2）组成的，并且其中该三角形的源于该旋转轴线的边的长度是该涡轮机叶轮的直径的至少2%。

8.如权利要求7所述的涡轮机叶轮，其中该三角形的源于该旋转轴线的边的长度是在该涡轮机叶轮的直径的2%与10%之间。

9.如权利要求7所述的涡轮机叶轮，其中该三角形的源于该旋转轴线的边的长度是在该涡轮机叶轮的直径的3%与6%之间。

10.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中该后壁是一个完整背板。