CN104334854B - 带有表面不连续性的涡轮机轮毂以及结合有其的涡轮增压器 - Google Patents

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)。该涡轮增压器(5)还包括一个压缩机叶轮(18)和一个涡轮机叶轮(116，216，316，416)。该压缩机叶轮(18)包括一个压缩机轮毂(44)和从该压缩机轮毂(44)径向地延伸的多个环圆周间隔开的压缩机叶片(45，46)。该涡轮机叶轮(116，216，316，416)包括一个涡轮机轮毂(124，224，324，424)以及从该涡轮机轮毂(124，224，324，424)径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片(126，226，326，426)，该涡轮机轮毂带有在相邻叶片(126，226，326，426)之间延伸的一个轮毂表面(125，225，325，425)。该涡轮机叶轮(116，216，316，416)还包括在该涡轮机轮毂表面(125，225，325，425)上的至少一个表面不连续特征(135，235，335，435)。

Description

带有表面不连续性的涡轮机轮毂以及结合有其的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种带有表面不连续性的涡轮机轮毂以及结合有该涡轮机轮毂的涡轮增压器。

背景技术

当今内燃发动机必须满足消费者和政府监管机构所要求的愈来愈严格的排放标准和效率标准。因此，汽车制造商和供应商在改善内燃发动机的运行的研究和开发技术中耗用大量精力和资金。涡轮增压器是发动机开发的尤为使人感兴趣的一个领域。

涡轮增压器使用普通情况下浪费掉的排气能量来驱动涡轮机。涡轮机被安装到一个本身又驱动压缩机的轴上。涡轮机将排气的热能和动能转换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。压缩机吸入周围空气并且将其压缩到进气歧管中并且最终到汽缸中。因此，在每个进气冲程上有更大量的空气进入这些汽缸。

涡轮机能将排气热能转换为旋转动力的效率越高并且压缩机可以将空气推入发动机中的效率越高，发动机的总性能就越高。相应地，希望的是设计出尽可能高效的涡轮机和压缩机。然而，在传统涡轮机和压缩机设计中由于紊流和泄露而固有地存在各种损失。

虽然传统的涡轮增压器压缩机和涡轮机设计已经以将效率最大化为目标进行了开发，但仍在压缩机和涡轮机效率方面需要进一步的进步。

发明内容

在此提供了一种包括涡轮机轮毂的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中该轮毂包括至少一个环圆周延伸的表面不连续特征，该表面不连续特征可操作来激励与该轮毂相关联的流体流的边界层。多个环圆周间隔开的叶片从该轮毂径向地延伸。

在此描述的技术的某些方面，该涡轮机叶轮可以包括多个环圆周延伸的表面不连续特征。在一个实施例中，该环圆周延伸的表面不连续特征是处于肋条的形式。该环圆周延伸的肋条可以围绕该轮毂的整个圆周延伸。在其他实施例中，该环圆周延伸的表面不连续特征是处于凹槽的形式。

在此描述的技术的其他方面，涡轮增压器涡轮机叶轮包括一个涡轮机轮毂，该涡轮机轮毂带有从该涡轮机轮毂径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片，该涡轮机轮毂具有在相邻叶片之间延伸的一个轮毂表面。该涡轮机叶轮还包括在该表面上的至少一个表面不连续特征。在一个实施例中，该表面不连续特征是处于突出部的形式。在其他实施例中，该突出部可以处于在相邻叶片之间的肋条的形式或者该表面不连续特征可以处于陷窝的形式。该表面不连续特征还可以处于在相邻叶片之间延伸的凹槽的形式。

在此还设想了，涡轮增压器包括一个包含压缩机护罩和涡轮机护罩的壳体。该涡轮增压器还包括一个压缩机叶轮和一个涡轮机叶轮。该压缩机叶轮包括一个压缩机轮毂和从该压缩机轮毂径向地延伸的多个环圆周间隔开的压缩机叶片。该涡轮机叶轮包括一个涡轮机轮毂以及从该涡轮机轮毂径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片，该涡轮机轮廓具有在相邻叶片之间延伸的一个轮毂表面。该涡轮机叶轮还包括在该涡轮机轮毂表面上的至少一个表面不连续特征。在一个实施例中，该压缩机轮毂具有在相邻压缩机叶片之间延伸的一个压缩机轮毂表面、以及在该压缩机轮毂表面上的至少一个压缩机表面不连续特征。

在考虑此处的详细说明和附图之后，带有表面不连续特征的涡轮机轮毂以及结合有该轮毂的涡轮增压器的这些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提出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。

附图说明

通过参照以下附图来说明带有表面不连续特征的涡轮机轮毂以及结合有该轮毂的涡轮增压器的非限定性的和非穷举的实施例（包括优选的实施例），其中贯穿不同视图，相同的参考数字表示相同的部分，除非另外指明。

图1是根据一个示例性实施例的涡轮增压器的截面中的侧视图；

图2是根据第一示例性实施例的涡轮机叶轮的透视图；

图3是图2所示的涡轮机叶轮的放大的局部透视图；

图4是根据第一示例性实施例的压缩机叶轮的透视图；

图5是图4所示的压缩机叶轮的放大的局部透视图；

图6是代表了图3所示的涡轮机叶片之一的侧视图图解；

图7A至7D是围绕图6中的线7-7截取的涡轮机叶片的局部截面，示出了不同的边缘离隙构型；

图8是根据一个示例性实施例表示出涡轮机叶轮与涡轮机护罩的内表面之间的界面的一个透视图；

图9是根据一个示例性实施例表示出压缩机叶轮与压缩机护罩的内表面之间的界面的一个透视图；

图10是一个透视图，展示了根据第二示例性实施例结合有轮毂表面不连续特征的一个涡轮机叶轮；

图11是围绕图10中的线11-11截取的涡轮机叶轮的截面中的侧视图；

图12是根据第三示例性实施例的涡轮机叶轮的透视图，展示了一种替代性的表面不连续特征构型；

图13是根据第四示例性实施例的涡轮机叶轮的透视图，展示了另一种替代性的表面不连续特征构型；并且

图14是根据第五示例性实施例的涡轮机叶轮的透视图，展示了又一种替代性的表面不连续特征构型。

具体实施方式

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。这些实施例是以足够的细节予以披露的从而使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阐述的这些实施例。因此，以下详细说明部分并不是在限制意义上进行的。

如图1所示，涡轮增压器5包括一个支承壳体10，该支承壳体带有一个涡轮机护罩12和附接至其上的一个压缩机护罩14。涡轮机叶轮16在涡轮机护罩12内紧邻涡轮机护罩内表面20进行旋转。类似地，压缩机叶轮18在压缩机护罩14内紧邻压缩机护罩内表面22进行旋转。涡轮增压器5的构造是本领域熟知的典型涡轮增压器的构造。然而，涡轮增压器5包括针对效率的不同改进，在此更全面进行解释。

如图2所示，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包括一个前导边缘30与一个尾随边缘32，一个护罩轮廓边缘34在该前导边缘与尾随边缘之间延伸。该护罩轮廓边缘在本文中有时被称为叶片顶端。在传统的涡轮机叶轮构型中，显著的涡轮机效率损失是由于跨过涡轮机叶片顶端的泄露。涡轮机叶片之间的流动的物理性质导致叶片的一个表面（压力侧36）暴露于高压下，而另一侧（抽吸侧38）暴露于低压下（参见图3）。这种压力差导致了叶片上存在一个力，这个力致使涡轮机叶轮旋转。再次参见图1，可以看到，护罩轮廓边缘34紧邻着涡轮机护罩内表面20，由此在其间形成了一个空隙。这些高压和低压区域致使二次流动从涡轮机叶片的压力侧36经涡轮机叶片顶端34与涡轮机护罩的内表面20之间的该空隙前进到该抽吸侧38。这种二次流动对于总体系统是一种损失并且对于涡轮机效率是一种负担。理想情况下，在该顶端与护罩之间不存在空隙，但空隙对于防止顶端在护罩上摩擦以及补偿涡轮机叶片上的热膨胀和离心加载（这导致叶片径向地增长）是必要的。

然而在这个实施例中，涡轮机叶片26包括沿着该顶端或护罩轮廓边缘34形成的一个边缘离隙40。在此情况下，当流动前进经过该空隙时，边缘离隙40（relief）在该边缘离隙中产生了一个高压区域（相对于压力侧36而言），这致使该流动停滞。此外，该高压区域致使跨过该空隙的流动被扼制，由此限制了流量。因此，该二次流动被减少，这提高了涡轮机的效率。可以从图3中知晓，在此情况下边缘离隙40沿着护罩轮廓边缘34的大部分延伸而没有延伸越过叶片的边缘的两端。这产生了一个凹穴或凹窝，这进一步用于在该边缘离隙中产生相对压力。

进一步参见图6，沿着护罩轮廓边缘34示意性示出了边缘离隙40。图7A所示的叶片26的截面展示了边缘离隙40的轮廓构型。在此情况下，该边缘离隙被示出为一个具有内半径的弓形体。虽然在此以弓形体的形式示出，该边缘离隙可以被形成为分别如图7B至7D所示的倒角、半径、或插孔。如图7A至图7D所示，边缘离隙40被形成在叶片26的压力侧36中。该护罩轮廓边缘的剩余边缘材料在图7A至图7D中表示为厚度t。已经发现，将剩余顶端的厚度t最小化致使该流动更快速扼制。厚度t可以表示为叶片厚度的百分比。例如，厚度t可以小于叶片厚度的75%并且优选地小于叶片厚度的50%。然而，最小厚度最终是由用于创造该边缘离隙的技术所决定的。这个离隙可以机加工到或铸造到叶片的边缘之中。相应地，该边缘离隙是用于改善涡轮机叶轮和压缩机叶轮效率的一种有成本效益的解决方案。

参见图4和图5，可以了解的是，压缩机叶轮18的叶片45和46也可以分别形成有边缘离隙61和60。在此情况下，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，在这些叶片之间插入了多个较小叶片45。参见图5，每个叶片46包括一个前导边缘50、一个尾随边缘52、以及在其间延伸的一个压缩机护罩轮廓边缘54。以类似的方式，这些较小叶片45包括一个前导边缘51、一个尾随边缘53、以及在其间延伸的一个护罩轮廓边缘55。边缘离隙61和60沿着其对应的护罩轮廓边缘的大部分延伸。如同涡轮机叶轮叶片，这些边缘离隙是沿着叶片的压力侧形成的。因此，在压缩机叶片的情况下，边缘离隙61和60是在压力侧56上形成的，如图5所示。类似于涡轮机叶片边缘离隙，压缩机叶片边缘离隙减小了从压力侧56到抽吸侧58的流动，由此提高了压缩机叶轮的效率。

在图8和图9中示出了中断从涡轮增压器涡轮机叶片和压缩机叶片的压力侧到抽吸侧的流动的另一种方式。如图8所示，涡轮机护罩内表面20包括相对于涡轮机叶片26的护罩轮廓边缘34横向延伸的多个凹槽70。因此，这些凹槽相对于涡轮机叶轮16的轴线A以一个角度G延伸。角度G与压缩机叶轮或涡轮机叶轮上的叶片数量有关。在一个实施例中，例如，角度G被调节成这些凹槽与不超过两个相邻叶片相交。在此情况下，这些凹槽的截面是矩形的并且具有宽度w和深度d。举例而言，该宽度可以在从大约0.5至2 mm的范围内并且该深度可以在从大约0.5至3 mm的范围内。这些凹槽从护罩表面20的入口区域74以弧形延伸至排出区域76。可以了解的是，这些凹槽是围绕该护罩表面以距离S环圆周地等距间隔开的。然而，在其他实施例中，这个间距可以从凹槽到凹槽发生改变。距离S具有与较低G类似的限制，因为该间距受叶片数量的限制。举例而言，S可以通过使不超过15个凹槽与单一叶片相交而进行限制。

参见图9，压缩机护罩表面22还包括在压缩机护罩14的内表面22中形成的多个凹槽72。凹槽72相对于叶片46和45的对应护罩轮廓边缘54和55横向延伸。在此情况下，这些凹槽从护罩表面22的入口区域73以弧形延伸至排出区域77。虽然凹槽70和72在此显示为具有矩形截面，但其他截面也是可以的，例如圆形或V形的截面。当每个叶片的护罩轮廓边缘经过这些横向定向的凹槽时，跨过该顶端或护罩轮廓边缘的流动被这些凹槽中产生的紊动所中断（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，这些叶轮可以包括围绕轮毂的一个表面不连续特征。如图10至图14所示，该涡轮机叶轮可以包括围绕涡轮机叶轮的轮毂形成的表面不连续特征，以将能量传递到与该轮毂相关联的流体流的边界层中。例如，图10展示了涡轮机叶轮116的一个示例性实施例中，该涡轮机叶轮具有一个轮毂，该轮毂带有多对环圆周延伸的肋条135，这些肋条可操作来激励与轮毂124相关联的流体流F的边界层。这些叶片126是围绕涡轮机轮毂124环圆周地间隔开的，该涡轮机轮毂具有在相邻叶片之间延伸的一个轮毂表面125。每个表面125包括至少一个表面不连续特征，在此情况下是处于肋条135的形式。如图11所示，该轮毂的截面指示了在各个带有从其上突出的表面不连续特征或肋条135的叶片之间延伸的一个凹状外表面125。在此情况下，这些肋条用于加速每个肋条上的流动F，由此激励与该轮毂相关联的流体流的边界层，以便中断会影响涡轮机效率的漩涡的形成。图12展示了根据另一个示例性实施例的涡轮机叶轮216。在此情况下，涡轮机叶轮216包括一个轮毂224，多个叶片226从该轮径向地延伸。一个轮毂表面225在各个相邻涡轮机叶片226之间延伸。在此情况下，这些表面不连续特征是处于多个突出部235的形式。这些突出部可以处于鼓包、圆盘、肋条、三角形等的形式。如图13和14所示，涡轮机叶轮包括处于陷窝或凹槽形式的表面不连续特征。例如，图13展示了在相邻涡轮机叶片326之间延伸的轮毂表面325以及处于陷窝335形式的多个表面不连续特征。陷窝335可以类似于在高尔夫球上存在的。在图14中，涡轮机叶轮416包括一个轮毂424，该轮毂带有在相邻叶片426之间延伸的多个轮毂表面425。在此情况下，这些表面不连续特征是处于围绕轮毂424环圆周地延伸的多个凹槽435的形式。

相应地，已经针对这些示例性实施例在某种详细程度上对涡轮增压器压缩机叶轮和涡轮机叶轮进行了描述。然而，应当认识到本发明是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或改变而不脱离在此包含的发明概念。

Claims (5)

1.一种涡轮增压器涡轮机叶轮（116，416），包括：

一个涡轮机轮毂（124，424），其中该轮毂（124，424）包括至少一个环圆周延伸的表面不连续特征（135，435），该表面不连续特征可操作来激励与该轮毂（124，424）相关联的流体流（F）的边界层；以及

从该轮毂（124，424）径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片（126，426），

其中，该环圆周延伸的表面不连续特征（135，435）是处于肋条（135）的形式，所述肋条（135）围绕该轮毂（124，424）的整个圆周延伸并且被布置成用于激励与该轮毂（124，424）相关联的流体流的边界层，以便中断会影响涡轮机效率的漩涡的形成。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮（116，416），包括多个环圆周延伸的表面不连续特征（135，435）。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮（116，416），包括多个环圆周延伸的肋条（135）。

4.一种涡轮增压器涡轮机叶轮（116，216，316，416），包括：

一个涡轮机轮毂（124，224，324，424）；

从该涡轮机轮毂（124，224，324，424）径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片（126，226，326，426），在相邻叶片（126，226，326，426）之间有一个轮毂表面（125，225，325，425）延伸；以及

在该涡轮机轮毂表面（125，225，325，425）上且与这些叶片分开的至少一个突出的表面不连续特征（135，235，335，435），

其中，该表面不连续特征（135，235，335，435）是处于突出部（135，235）的形式，并且该突出部（135，235）是处于在相邻叶片（126）之间延伸的肋条（135）的形式，所述肋条（135）被布置成用于激励与该涡轮机轮毂（124，224，324，424）相关联的流体流的边界层，以便中断会影响涡轮机效率的漩涡的形成。

5.一种涡轮增压器（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），该压缩机叶轮包括：

一个压缩机轮毂（44）；以及

从该压缩机轮毂（44）径向地延伸的多个环圆周间隔开的压缩机叶片（45，46）；以及

一个涡轮机叶轮（116，216，316，416），该涡轮机叶轮包括：

一个涡轮机轮毂（124，224，324，424）；

从该涡轮机轮毂（124，224，324，424）径向地延伸的多个环圆周间隔开的叶片（126，226，326，426），在相邻叶片（126，226，326，426）之间有一个轮毂表面（125，225，325，425）延伸；以及

在该涡轮机轮毂表面（125，225，325，425）上且与这些叶片分开的至少一个突出的表面不连续特征（135，235，335，435），

其中，该表面不连续特征（135，235，335，435）是处于突出部（135，235）的形式，并且该突出部（135，235）是处于在相邻叶片（126）之间延伸的肋条（135）的形式，所述肋条（135）被布置成用于激励与该涡轮机轮毂（124，224，324，424）相关联的流体流的边界层，以便中断会影响涡轮机效率的漩涡的形成。