CN105715303B - 废气涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有涡轮(10)的废气涡轮增压器，所述涡轮经由轴(12)利用旋转固定地连接至压缩机轮，所述涡轮(10)具有毂(16)、圆盘状轮背衬(18)和多个叶片(20)，所述多个叶片从所述毂(16)径向地延伸，且从所述轮背衬(18)轴向地延伸。在此方面，本发明的本质是，所述涡轮(10)的轮背衬(18)包括轴向厚度(24)减小的至少一个削减区域(22)。

Description

废气涡轮增压器
技术领域
本发明涉及一种具有涡轮的废气涡轮增压器，所述涡轮经由轴利用旋转固定地连接至压缩机轮，涡轮具有毂、盘状轮背衬和多个叶片，该多个叶片从毂径向延伸，并从轮背衬轴向延伸。
背景技术
在汽车扇形齿轮中，该逐渐减小的术语用于降低内燃机的损耗。在此方面，内燃机的扫过体积得到降低，并且另外进行利用超增压装置，例如废气涡轮增压器，以实现所需功率。考虑到降低的节流损失和摩擦损失，由此能改善内燃机的效率。然而，废气涡轮增压器呈现出相对差的响应行为，特别是在内燃机的低旋转速度的情况下，这通常被称作涡轮迟滞。在低功率的事件中，例如在低旋转速度的事件中，或者在空转期间，废气蒸汽中没有足以使涡轮增压器提升至足够的旋转速度的能量，因此增压太低。在内燃机要求的功率增大之后，废气涡轮增压器为达到所需功率需要的转速所需的时间，定义为涡轮迟滞。具体地，在内燃机降速时，其中废气涡轮增压器所实现的功率大幅增大，涡轮迟滞得到特别声明，因为需要相对较大的涡轮增压器，这反过来需要更多的能量来实现适宜的旋转速度。为此原因，必须减少涡轮增压器的惯性矩，由此可改善废气涡轮增压器的响应行为。
作为例示，这可通过使用轻质的高强度材料来实现。因为在排气管中至少废气涡轮增压器的涡轮暴露在非常高的温度下，可用的轻质材料的选择受限。一种可能性在于所谓的钛铝化物合金，这些合金是有温度耐性的，并具有高的特定强度。然而，这种类型的钛铝化物化合物通过高温、离心力以及蠕变的作用在涡轮上显示出可逆的塑性变形。这也可在涡轮中产生不平衡，同时降低涡轮的使用寿命。
此外，涡轮的惯性矩可通过几何形状的目标调整来改善，例如通过使涡轮呈扇形来改善。在此情况下，减少了叶片之间的轮背衬，减轻了远离轴线的涡轮区域中的重量，由此减少了惯性矩。然而，这具有废气可从涡轮叶片后面流动穿过，因此降低涡轮的效率。由此降低废气涡轮增压器的效率。
发明内容
本发明基于为废气涡轮增压器，特别是为废气涡轮增压器的涡轮提供改善的实施方式，或者至少提供另一种实施方式的目的，该实施方式特别区别于以下事实：惯性矩得到改善，且使用寿命得到延长，而不会因此损失效率。
本发明基于以下总体思想：以涡轮的轮背衬中的分量应力减小，导致涡轮使用期间塑性变形减小，由此涡轮上的不平衡减轻的方式，设计由钛铝化物制成的涡轮。这通过利用涡轮的轮背衬具有至少一个轴向厚度减小的削减区域(cut-out region)实现。该削减区域特别径向地位于轮背衬外，使得由此首先降低惯性矩，其次轮背衬上削减的材料不会产生任何离心力，这将必须由轮背衬的材料保持，因此将在材料中产生应力。由此，能将同时减小将导致不平衡的轮背衬中的惯性矩和应力。由此改善废气涡轮增压器的响应行为。此外，减少噪音的产生，并且是废气涡轮增压器的轴承系统的使用寿命延长。
一种有利的可能性提供至少一个削减区域由轮背衬上的肩部形成，所述肩部使至少一个削减区域与轮背衬的其余部分分隔开。因此，轮背衬的其余部分的轴向厚度大于削减区域。
优选的是，轮背衬的其余部分径向地位于至少一个削减区域中。由此轮背衬的其余部分能承受离心力，该离心力出现但不会由此产生过量的惯性矩，此外，外削减区域防止了不需要的废气流动，因此不必要接受削减区域产生的任何效率损失。
在说明书中，肩部应理解成是指表面轮廓以台阶方式中断。特别地，肩部具有至少一个，优选至少两个拐点。作为例示，肩部在表面具有两个扭结，各种情况下它们均可由半径形成，并在表面产生偏移。
另一有利的可能性提供，在至少一个削减区域的径向的外区域中，轮背衬具有小于涡轮直径的十三分之一，优选小于十四分之一，且更优选小于十五分之一的轴向厚度。
特别有利的可能性提供了，至少一个削减区域形成在轮背衬的远离流向的后侧上。以此方式，至少一个削减区域的形成不会影响涡轮的流动性能，因此不会损害废气涡轮增压器的效率。
另一特别有利的可能性提供了，肩部以圆形方式，相对于旋转轴线共轴地在轮背衬的后侧上延伸。因此，至少一个削减区域可以非常简单的方式形成，而不会产生不平衡。
一个有利的方案提供了，至少一个削减区域以环形方式在第一直径和第二直径之间延伸，所述第一直径对应于轮背衬的直径。由此，在涡轮的轮背衬的外部形成至少一个削减区域。在外部可实现节约的重量减轻使得对减小惯性矩特别有利。
进一步优选的方案提供，涡轮具有平衡区域，这在涡轮的后侧具有大致平面的环形表面，在该环形表面处的材料可被去除，以使涡轮平衡。因为废气涡轮增压器的涡轮在运行期间几乎达到了最高旋转速度，如果涡轮可被平衡则它是有利的。
特别有利的方案提供了，平衡区域位于第二直径和第三直径之间，第一直径大于第二直径，且第二直径大于第三直径。因此，上述至少一个削减区域径向位于平衡区域外部，因此在所述削减区域内的厚度降低可对涡轮的惯性矩具有特别有利的作用。此外，平衡区域以径向邻接的方式位于上述至少一个削减区域中。由此，平衡区域在径向位于足够远至使得涡轮可通过去除平衡区域中的材料而有效地平衡。
有利的变体提供了至少一个削减区域形成在轮背衬的流动侧。以此方式，能更弹性地调整轮背衬的轴向厚度。
另一有利的变体提供了，所述削减区域位于叶片之间。所述削减区域可以特别有利的方式布置在该位置，由此，不会在为实现涡轮稳定性需要高轴向厚度的区域削弱轮背衬。
特别有利的变体提供，肩部在削减区域和轮背衬的其余部分之间以弧形延伸，所述肩部距离两个叶片之间中心旋转的轴线的距离小于紧邻叶片的区域的距离。以此方式，至少一个削减区域能以有利的方式布置，而对废气流没有不利影响。
一种有利的可能性提供，肩部具有圆弧形式的轮廓。这种肩部的轮廓在几何学方面易于制造。
一种特别有利的可能性提供，涡轮包括钛铝化物，特别是γTiAl。钛铝化物是轻质的耐热性材料，因此适用于废气涡轮增压器的涡轮。通过轮背衬的设计减小的涡轮内的应力，特别是轮背衬内的减小的应力在涡轮由钛铝化物制成的情况下具有特别有利的作用。
本发明的其它重要特征和优点由附图，以及基于附图的各个图的相关附图说明变得明显。
上述特征以及下文将要解释的特征不仅能以分别列举的组合使用，还能以其它组合使用，或单独使用，而不背离本发明的范围。
附图说明
本发明的优选示例性实施方式示于以下附图中，并将在以下说明书中得到更详细地解释，相同的附图标记指代相同的或者相似的组件或功能相同的组件。
附图中，均示例性地：
图1示出了根据本发明的涡轮的侧视图；
图2示出了从上方斜视的图1中所示涡轮的透视图，使得涡轮的轮背衬是可见的；
图3示出了根据第二实施方式的涡轮的侧视图；
图4示出了图3中所示涡轮的前视图，涡轮的流动侧可见。
具体实施方式
涡轮增压器(未示出)包括涡轮10，涡轮经由轴12利用旋转固定地连接至压缩机轮(未示出)，该压缩机轮围绕旋转轴线14可旋转地安装，并通过废气蒸汽驱动。涡轮10具有毂16、轮背衬18和多个叶片20，该叶片在流动侧41上从毂16径向地向外延伸，并从轮背衬18轴向地延伸。因此，叶片20在毂16和轮背衬18转过的区域中延伸。在此方面，叶片20以弧形走向，使得来自废气蒸汽的流动能量可被转化成由叶片20引起的涡轮10的旋转运动。由此，涡轮10，由此还有废气涡轮增压器的压缩机轮可通过废气蒸汽驱动。在远离流动的轮背衬18的后侧23上没有布置叶片20，因此后侧23具有低的耐流动性。
为了降低涡轮10的惯性矩和涡轮10的轮背衬18中的应力，涡轮10的轮背衬18具有削减区域22，这具有相对于轮背衬的其余部分的轴向厚度26相比减小了的轴向厚度24。为了减小轮背衬18中的应力，如果轮背衬的其余部分的轴向厚度26为削减区域22中的轴向厚度24的2.5倍。
在此情况下，轮背衬18被定义为正交于轴12走向的圆盘，该圆盘则由两个独立的圆盘形成，第一圆盘28具有第一直径30，该第一直径大于第二圆盘34的第二直径32。在此情况下，第一直径30对应于轮背衬18的直径。第一圆盘28被布置在流动侧上，第二圆盘34以远离流体的方式布置，因此，削减区域22以环形方式在第一直径30和第二直径32之间形成在远离流体的轮背衬18的后侧23上。削减区域22内的轴向厚度24以第一圆盘28的轴向厚度提供，且轮背衬的其余部分的轴向厚度26以第一圆盘28和第二圆盘34的轴向厚度的总和提供。
削减区域22通过肩部40与轮背衬18的其余部分分隔开。肩部40利用轮背衬18的第二圆盘34形成为与第二直径32齐平，轮背衬18的第二圆盘34仅仅延伸至肩部40。由此，肩部40以环形方式相对于旋转轴线14同轴走向。此外，肩部40导致削减区域22中轴向厚度24的减小。
肩部40例如可通过斜面形成。作为替代方式或者除此之外，还提供一个或多个辐射部分，相对于削减区域22中的轮背衬18的表面，这在轮背衬18的表面内产生第二直径32内的偏移。
在轮背衬18的后侧23上布置具有大致平面的环形表面37的平衡区域36。为了使涡轮10平衡，可从表面37去除材料。平衡区域36在第二直径32和第三直径38之间径向延伸。平衡区域36通过肩部40与削减区域22至外部径向地分隔开。由此。平衡区域36仍然位于远离轴线的区域中，因此涡轮10中的不平衡可被平衡区域36中的材料去除来补偿。
第三直径38的特征在于在轮背衬18的后侧23上从平衡区域36中的平面表面37过渡为弯曲表面39，该弯曲表面在远离流体的轮背衬18的后侧23上形成向毂16的过渡。
图3和图4中示出的废气涡轮增压器的第二实施方式与图1和图2中示出的废气涡轮增压器的第一实施方式的不同在于，在轮背衬18的流动侧41上布置有至少一个削减区域22。由此，利用轮背衬18的流动侧41的表面沿后侧23的方向轴向偏移的事实减小了削减区域22的减小的轴向厚度24。
削减区域22在流动侧41上的叶片20间走向。具体地，削减区域22在两个叶片20之间的每个中间区域中走向。削减区域22优选在两个叶片22之间居中地延伸，并在圆周方向具有至多对应于与第一直径30齐平的叶片20之间距离的宽度42。然而，削减区域22的宽度42小于两个叶片20之间的距离，使得削减区域22不延伸如叶片20一样远。
削减区域22具有径向深度44。也就是说，削减区域22从涡轮10的外边缘46向内径向延伸。因此，使削减区域22与涡轮10的其余部分分隔开的肩部40必需以弧形走向，作为例示，肩部40以圆形区段的形式走向。然而，肩部40的轮廓以及由此削减区域22的形状不限于圆形区段形式的轮廓。相似地，舌形形状的轮廓是可想到的，使得在涡轮10的叶片20之间可形成更大的区域作为削减区域22。由此，还能节约更多的材料和重量。
对于轮背衬18中的分量应力，如果轮背衬18的轴向厚度26为至少一个削减区域22的轴向厚度24的1.5倍是有利的。
在根据第二实施方式的涡轮10的情况下，平衡区域36在第一直径30和第三直径38之间走向。
对于其余部分，在结构和功能方面，图3和图4中示出的废气涡轮增压器的第二实施方式对应于图1和图2中示出的涡轮增压器的第一实施方式，在此方面，参照第一实施方式的上述说明。
废气涡轮增压器的第三实施方式(未示出)与图1和图2中示出的废气涡轮增压器的第一实施方式的不同在于，除了布置在后侧23上的削减区域22之外，以对应于图3和图4中所示的废气涡轮增压器的第二实施方式的方式，涡轮10在流动侧41上具有至少一个其它削减区域22，在此方面参见第二实施方式的上述说明。
第三实施方式由此是第一实施方式和第二实施方式的组合，其中在各种情况下，在涡轮10的流动侧41和后侧23上布置有至少一个削减区域22。
对于其余部分，在结构和功能方面，废气涡轮增压器的第三实施方式对应于图1和图2中示出的涡轮增压器的第一实施方式，在此方面，参照第一实施方式的上述说明。

Claims (10)

1.一种具有涡轮(10)的废气涡轮增压器，所述涡轮经由轴(12)利用旋转固定地连接至压缩机轮，所述涡轮(10)具有毂(16)、圆盘状轮背衬(18)和多个叶片(20)，所述多个叶片从所述毂(16)径向地延伸，且从所述轮背衬(18)轴向地延伸；
其特征在于，所述涡轮(10)的轮背衬(18)包括轴向厚度(24)减小的至少一个削减区域(22)；
所述至少一个削减区域(22)由所述轮背衬(18)上的肩部(40)界定，所述肩部使轴向厚度(24)减小的至少一个削减区域(22)与轴向厚度(26)不减小的轮背衬(18)的其余部分分隔开；
所述至少一个削减区域(22)形成在所述轮背衬(18)的流动侧(41)上；
所述削减区域(22)具有径向深度(44)，削减区域(22)从涡轮(10)的外边缘(46)向内径向延伸，使削减区域(22)与涡轮(10)的其余部分分隔开的肩部(40)必须以弧形走向。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，在所述至少一个削减区域(22)的径向的外区域中，所述轮背衬(18)具有小于所述涡轮(10)的直径(30)的十三分之一，优选小于十四分之一，且更优选小于十五分之一的轴向厚度(24)。
3.根据权利要求1或2所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述至少一个削减区域(22)形成在所述轮背衬(18)的远离流体的后侧(23)上。
4.根据权利要求3所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述至少一个削减区域(22)以环形方式在第一直径(30)和第二直径(32)之间延伸，所述第一直径(30)对应于所述轮背衬(18)的直径。
5.根据权利要求4所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮(10)具有平衡区域(36)，所述平衡区域(36)在所述涡轮(10)的后侧具有大致平面的环形表面(37)，在所述环形表面处的材料能被去除，以使所述涡轮(10)平衡。
6.根据权利要求5所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述平衡区域(36)位于所述第二直径(32)和第三直径(38)之间，所述第一直径(30)大于所述第二直径(32)，且所述第二直径(32)大于所述第三直径(38)。
7.根据权利要求1所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述削减区域(22)位于所述叶片(20)之间。
8.根据权利要求1或7所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述肩部(40)在所述削减区域(22)和所述轮背衬(18)的其余部分之间以弧形延伸，所述肩部(40)距离两个叶片(20)之间居中旋转的轴线(14)的距离小于紧邻所述叶片(20)的区域的距离。
9.根据权利要求8所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述肩部(40)具有圆弧形式的轮廓。
10.根据权利要求1，2，7至9中任一项所述的废气涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮(10)包括钛铝化物，特别是γTiAl。
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