CN105264177B - 具有径向‑轴向式涡轮机叶轮的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及排气涡轮增压器，其具有带有旋转轴线（30a）的轴（30）、布置在涡轮机壳体（10）内并且以不可旋转的方式连接到所述轴（30）的径向‑轴向式涡轮机叶轮（12）以及邻近涡轮机壳体并且包括面朝向涡轮机壳体的侧壁的轴承壳体（20）。轴承壳体（20）的侧壁的子区域形成涡轮机壳体（10）的后壁的子区域。轴承壳体的所述子区域具有两个分部段，其中一个（TA1）在排气流导入所述涡轮机壳体中的流入方向（ZR）上以与轴的旋转轴线（30a）成对角的方式延伸，以及其第二个（TA2）相对于轴的旋转轴线沿着径向方向并且平行于涡轮机叶轮的所述后壁延伸。这两个分部段（TA1，TA2）经由轴承壳体的排气流分离边缘（35）彼此连接。

Description

具有径向-轴向式涡轮机叶轮的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及排气涡轮增压器，所述排气涡轮增压器具有径向-轴向式涡轮机叶轮。

背景技术

DE 10 2009 056 632 A1公开了排气涡轮增压器，其包括所述类型的径向-轴向式涡轮机叶轮（radial-axial turbine wheel）。在所述已知的排气涡轮增压器的情况下，所述涡轮机壳体具有引导元件，所述引导元件形成倾斜的或偏斜的蜗壳的后壁的至少一部分。

图1显示所述已知的排气涡轮增压器的截面图。在所述截面图中，排气的流入方向和流出方向示意性地并且通过箭头以高度简化的方式示出。已知的排气涡轮增压器1具有带有蜗壳16的涡轮机壳体10。在涡轮机壳体10中，径向-轴向式涡轮机叶轮12安排在轴30上。轴30安装在轴承壳体20上。此外，还提供了引导元件24，其是隔热屏。后者如此设计使其形成蜗壳16的后壁26或者后壁的分区域28，其中，后壁的部分或者后壁沿着轴承壳体的方向以倾斜角β倾斜。形成为蜗壳16或者涡轮机壳体10的后壁26或者后壁的部分的引导元件24的此区域与蜗壳16或者与涡轮机壳体10大致形成无缝过渡，使得排气流引导被削弱尽可能最小的程度。引导元件24在端部区域32中可被推动或者安装到轴承壳体的肩部34上。此外，已知的排气涡轮增压器具有舌状元件14，优选地，所述舌状元件延伸远至接近涡轮机叶轮12的入口边缘18的点，使得舌状元件14与涡轮机叶轮12的入口边缘18之间的间距很小。通过使用所述引导元件24作为涡轮机壳体的流引导部件，有可能使涡轮机壳体的轴向结构空间变得紧凑。由于从舌状元件14至涡轮机叶轮12的入口边缘18之间的间距很小，以及舌状元件角度和叶轮入口边缘的优选平行或大致平行的布置，增加了排气涡轮增压器的效率。

上述排气涡轮增压器的隔热屏24通常由金属板构成。这样具有如下缺点：由于在组装过程期间的压力影响，以及还由于在排气涡轮增压器操作期间的热影响，该隔热屏遭受形变。所述形变能够对流入涡轮机叶轮造成不利影响，并由此对其热动力学特征造成不利影响。此外，所述形变会导致隔热屏与涡轮机叶轮之间的不期望的碰撞。此外，所陈述的形变在排气涡轮增压器的功能性和使用寿命方面导致热机械上的缺点。出于制备上的原因，在隔热屏的位于与涡轮机叶轮的后部最接近的那个点处，形成了拐角半径，其对涡轮机叶轮造成了不利影响，并由此对排气涡轮增压器的热动力学特征造成了不利影响，因为排气流并不干净地分离或分开。此外，在实践中，存在所不期望的流通过涡轮机叶轮的后部与隔热屏之间的腔体，并且这也同样伴随有损失。此外，由于在操作过程期间发生的隔热屏的所述温度诱导的形变，必须提供相对大的叶轮后侧空间。这也会导致操作期间热的排气的强烈且不利的通流。

发明内容

本发明的目的在于详述一种配有径向-轴向式涡轮机叶轮的排气涡轮增压器，并且在此情况下不会出现上述缺点。

所述目的借助于具有在专利权利要求1中所详述的特征的排气涡轮增压器来实现。本发明的有利的实施例和改进在专利从属权利要求中详述。

具有在权利要求1中所详述的特征的排气涡轮增压器包括具有旋转轴线的轴；布置在涡轮机壳体内并且以共同旋转的方式连接到所述轴的径向-轴向式涡轮机叶轮；以及布置成邻近涡轮机壳体并且具有面朝向所述涡轮机壳体的侧壁的轴承壳体。在此，轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的侧壁的分区域形成了所述涡轮机壳体的后壁的分区域。轴承壳体的形成所述涡轮机壳体的后壁的分区域的所述分区域具有两个分部段，其中第一分部段沿着排气流导入涡轮机壳体的流入方向相对于所述轴的旋转轴线倾斜地延伸，且第二分部段相对于所述轴的旋转轴线以径向方向并且平行于所述涡轮机叶轮的后壁延伸。这两个分部段经由轴承壳体的排气流分离边缘彼此连接。

所述类型的排气涡轮增压器不需要在组装过程期间以及在排气涡轮增压器的运行期间由于压力影响和热影响会以不期望的方式变形的隔热屏。这有利于流入涡轮机叶轮并且改善了其热动力学特征。此外，在具有根据本发明的特征的排气涡轮增压器的情况下，在其运行期间，不会发生与以高速旋转的涡轮机叶轮的不期望的碰撞。这改善了所述排气涡轮增压器的功能性，并且增加了其使用寿命。此外，在具有根据本发明的特征的排气涡轮增压器的情况下，所述涡轮机叶轮的后壁与所述轴承壳体的所述侧壁的相邻分部段之间的腔体（即所述叶轮后侧空间）能够保持很小，使得在所述区域中能够至少极大地降低了排气流的不期望的通流的发生率。

附图说明

本发明的更多有利的特征将基于图2-4从其下列示例性的解释中显现出来，其中：

图2显示根据本发明的示例性实施例的排气涡轮增压器的一部分的截面图，

图3显示图示排气流流入涡轮机叶轮的简图，以及

图4是从图3的细节Z的放大图示。

具体实施方式

图2显示根据本发明的示例性实施例的排气涡轮增压器的一部分的截面图。所述排气涡轮增压器具有带有蜗壳16的涡轮机壳体10，该蜗壳16围绕排气流的流入区域17。在涡轮机壳体10内，在轴30上布置有径向-轴向式涡轮机叶轮12，其以共同旋转的方式连接到所述轴。所述轴30安装在邻近涡轮机壳体10的轴承壳体20中。所述轴承壳体20具有面朝向涡轮机壳体10的侧壁。涡轮机叶轮12具有后壁13和顶侧OS。

轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁的分区域形成涡轮机壳体的后壁的分区域。轴承壳体的形成涡轮机壳体的后壁的分区域的那个分区域具有两个分部段TA1和TA2。第一分部段TA1沿着导入涡轮机壳体的热排气流的流入方向ZR相对于轴30的旋转轴线30a倾斜地延伸。第二分部段TA2相对于轴30的旋转轴线30a以径向方向R并且还平行于涡轮机叶轮12的后壁13延伸。这两个分部段TA1和TA2经由轴承壳体20的排气流分离边缘35来彼此连接。叶轮后侧空间29位于涡轮机叶轮12的后壁13与第二分部段TA2之间，其平行于所述后壁延伸。

在轴承壳体20内布置有水芯36，其与排气流分离边缘35相邻。这具有如下有利的效果：在排气涡轮增压器的运行期间，排气流分离边缘35的区域通过经由水芯36导入的水流来冷却。

此外，在第一分部段TA1和第二分部段TA2的区域中，轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁与保护层对齐。所述保护层优选由（例如）镍的材料构成，所述材料耐高温、耐氧化以及耐腐蚀。由于所述保护层，轴承壳体的所述分部段TA1和TA2以及特别地连接这两个分部段的排气流分离边缘35被保护以防止在排气涡轮增压器的运行期间在所述区域中普遍的高温，使得所述区域变形的可能性降低。

轴30的旋转轴线30a的轴向方向A和轴30的旋转轴线30a的径向方向R也在图2中描绘出。

将排气流分离边缘35设计成设在轴承壳体20上，以使得其能经受住在排气涡轮增压器的运行期间发生的高负荷，并且使得在所述排气流分离边缘的区域产生的所供应的热排气流的湍流保持在低水平，以能够提高排气涡轮增压器的液压效率。这将基于图3和图4在下面更加详细地进行讨论。

图3显示图示热排气流流入排气涡轮增压器的涡轮机叶轮的简图。在所图示的示例性实施例中，热排气流进入形成在轴承壳体20的侧壁与轴承壳体（未显示）之间的管嘴，并且沿着分部段TA1被供应至涡轮机叶轮12或者其导叶。以此方式，涡轮机叶轮和轴30一起开始旋转，其中，所述旋转围绕着旋转轴线30a进行。在第一分部段TA1和第二分部段TA2之间，轴承壳体20具有排气流分离边缘35。

所述排气流分离边缘35和与其相邻的涡轮机叶轮12如此设计并且相对于彼此如此布置，以使得在排气流分离边缘35的区域中产生的排气流的湍流保持在低水平，并使得排气流分离边缘35经受住在所述排气涡轮增压器的运行期间发生的负荷。这也归功于水芯36，该水芯位于排气流分离边缘35附近，并且在排气涡轮增压器的运行期间通过该水芯导入冷却水，其中冷却水冷却排气流分离边缘35的区域。

在图3中突出的分区域Z在图4中以放大的比例尺图示出，其包括排气流分离边缘35以及与所述排气流分离边缘相邻的涡轮机叶轮12的组成部分。

从图4能够看出，如从径向方向所观察的，涡轮机叶轮12在其后壁13的上端处具有拐角E2，涡轮机叶轮的顶侧OS或者其叶片的顶侧从该拐角E2斜向上地延伸。涡轮机叶轮12的后壁13的拐角E2在径向方向上相对于轴承壳体20的排气流分离边缘35的拐角E1具有间距b，后者拐角E1在径向方向上布置在前者拐角E2上方。涡轮机叶轮12的顶侧OS在排气流的流入方向ZR上相对于轴承壳体的排气流分离边缘35的拐角E1具有间距c。涡轮机叶轮12的后壁13相对于第二分部段TA2具有间距a，该第二分部段TA2相对于所述后壁平行延伸。轴承壳体20的第一分部段TA1在排气流的流入方向ZR上类似地延伸，相对于径向方向R具有角度β，且终止在轴承壳体的排气流分离边缘35的拐角E1处。

在排气流分离边缘35的拐角E1与第二分部段TA2之间设有侧翼F，其从拐角E1开始，并且通过弯曲形式的过渡区域U与第二分部段TA2相连。侧翼F与涡轮机叶轮12的顶侧OS平行延伸。第一分部段TA1和侧翼F在排气流分离边缘35的拐角E1处包围拐角角度α。

在排气涡轮增压器的运行期间通过其来冷却水的水芯36延伸到排气流分离边缘35的直接邻近区域中，使得在运行期间后者通过冷却水来冷却，而不会由于过热而被损坏。

此外，为了防止排气流分离边缘35的过热，情况是在轴承壳体20的面朝向涡轮机壳体10的那个侧壁在第一分部段TA1、第二分部段TA2和侧翼F的区域中设有保护层。所述保护层优选由（例如）镍的材料构成，其耐高温、耐氧化并且耐腐蚀。

在排气流分离边缘35的拐角E1与涡轮机叶轮12的后壁13的上端区域的拐角E2之间在径向方向上的间距b是相对于涡轮机叶轮12的后壁13的在径向方向R上所测量的直径DTR的限定的比值。优选地，其符合以下关系式：

0.005 ≤ b/DTR ≤ 0.025。

类似地，在涡轮机叶轮12的后壁13与第二分部段TA2之间的间距a是相对于涡轮机叶轮12的后壁13的在径向方向上所测量的直径DTR的限定的比值。在这种情况下，优选地，也符合以下关系式：

0.005 ≤ a/DTR ≤ 0.025。

总而言之，本发明提供了装有径向-轴向式涡轮机叶轮的排气涡轮增压器，并且在这种情况下，涡轮机壳体内的排气流通过管嘴被引导至涡轮机叶轮，而不需使用单独的引导元件。所述管嘴的一个侧壁由轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁的第一分部段形成，所述第一分部段在排气流的流入方向上延伸。管嘴的其它侧壁由涡轮机壳体的壁形成。轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁的第一分部段TA1经由排气流分离边缘35与第二分部段TA2相连，所述第二分部段TA2与涡轮机叶轮的后壁平行地延伸。

轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁的此类设计创造了对于轴承壳体的排气流分离边缘经受住在排气涡轮增压器的运行期间产生的高负荷所必需的条件，使得能够提高排气涡轮增压器的热动力学效率。如果除了轴承壳体的面朝向涡轮机壳体的那个侧壁的此实施例以外，还使用了在从属权利要求中详述的一个或更多个特征，则进一步增强了排气涡轮增压器在运行期间的功能性。这尤其归功于轴承壳体在排气流分离边缘的区域中的形状、水芯的定位、保护层的使用以及上述间距a和b的尺寸。

实验已经显示，在运行期间根据本发明的排气涡轮增压器的功能性甚至在存在大于1050℃的高排气入口温度时也能实现。

Claims (10)

1.一种排气涡轮增压器，其具有轴（30）、径向-轴向式涡轮机叶轮（12）以及轴承壳体（20），所述轴（30）具有旋转轴线（30a），所述径向-轴向式涡轮机叶轮（12）布置在涡轮机壳体（10）内并且以共同旋转的方式连接到所述轴（30），所述轴承壳体（20）布置成邻近所述涡轮机壳体（20）并且包括面朝向所述涡轮机壳体的侧壁，其特征在于，

- 涡轮机叶轮（12）具有后壁（13），后壁（13）在其外边缘处包围拐角（E2），在径向方向看，涡轮机叶轮（12）的叶片的顶侧从该拐角（E2）倾斜地向外延伸，

- 所述轴承壳体（20）的面朝向所述涡轮机壳体的所述侧壁的分区域形成所述涡轮机壳体（10）的后壁的分区域，

- 所述轴承壳体的形成所述涡轮机壳体的所述后壁的分区域的那个分区域具有第一分部段（TA1）和第二分部段（TA2），其中

- 所述第一分部段（TA1）在排气流导入所述涡轮机壳体中的流入方向（ZR）上相对于所述轴（30）的所述旋转轴线（30a）倾斜地延伸，

- 所述第二分部段（TA2）相对于所述轴（30）的所述旋转轴线（30a）沿着径向方向（R）并且平行于所述涡轮机叶轮（12）的所述后壁（13）延伸，以及

- 所述第一分部段（TA1）和所述第二分部段（TA2）经由所述轴承壳体（20）的排气流分离边缘（35）彼此连接，

其中，所述排气流分离边缘（35）具有拐角（E1），所述拐角（E1）经由侧翼（F）连接至所述第二分部段（TA2），从而包围拐角角度（α）和设置在所述第二分部段（TA2）与所述侧翼（F）之间的弯曲过渡区域（U），

其中，所述排气流分离边缘（35）的所述拐角（E1）在径向方向（R）上与所述后壁（13）的拐角（E2）具有第一间距（b），以及

其中，所述排气流分离边缘（35）的所述拐角（E1）在排气流的流入方向（ZR）上与所述涡轮机叶轮（12）的叶片的顶侧（OS）具有第二间距（c），以及

所述侧翼（F）与所述涡轮机叶轮（12）的叶片的所述顶侧（OS）平行地延伸。

2.根据权利要求1所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述第一分部段（TA1）终止在所述拐角（E1）处。

3.根据权利要求2所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述第一分部段（TA1）具有直线形式。

4.根据权利要求2所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述第一分部段（TA1）具有弯曲形式。

5.根据权利要求4所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮机叶轮（12）的所述后壁（13）与所述第二分部段（TA2）具有第三间距（a）。

6.根据权利要求5所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述第三间距（a）与所述涡轮机叶轮（12）的所述后壁（13）的直径（DTR）的比值在0.005与0.025之间的范围内。

7.根据权利要求1所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述第二间距（b）与所述涡轮机叶轮（12）的所述后壁（13）的直径（DTR）的比值在0.005与0.025之间的范围内。

8.根据权利要求1-7中一项所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述轴承壳体（20）具有水芯（36），所述水芯布置成邻近所述排气流分离边缘（35）。

9.根据权利要求1-7中一项所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述轴承壳体（20）的面朝向所述涡轮机壳体（10）的那个侧壁在所述第一分部段（TA1）、所述第二分部段（TA2）和所述侧翼（F）的区域中设有保护层。

10.根据权利要求9所述的排气涡轮增压器，其特征在于，所述保护层由耐高温、耐氧化以及耐腐蚀的材料构成。