CN109072698B - 用于涡轮机的涡轮机叶轮 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮。该涡轮机叶轮具有基部主体和多个涡轮机叶片，该基部主体包括后壁，该多个涡轮机叶片连接至基部主体，分别包括前缘。前缘被设计为成波形。

Description

用于涡轮机的涡轮机叶轮

技术领域

本发明涉及一种用于涡轮机、尤其是废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮，以及具有对应涡轮机的废气涡轮增压器。

背景技术

最新一代的车辆越来越多地配备有涡轮增压器。为了实现目标需求和法律要求，必须促进在完整的传动系中的开发并且还要针对其可靠性和效率优化单个部件以及整个系统。

已知的涡轮增压器具有涡轮机壳体、压缩机壳体、以及轴承壳体，轴承壳体照惯例在涡轮机侧连接至涡轮机壳体并且在压缩机侧连接至压缩机壳体。用于支撑涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴被安装在轴承壳体中。在操作期间，涡轮机叶轮由废气流驱动。压缩机叶轮然后同时地经由轴开始旋转以便使得压缩机叶轮可以压缩进入空气。因而经由蜗壳在涡轮机叶轮的方向上引导废气流。涡轮机叶轮通常包括主体和具有前缘的涡轮机叶片。废气流初始地冲击涡轮机叶片的前缘并且然后沿着涡轮机叶片转向(凭借此使涡轮机叶轮开始旋转)并且然后在轴向方向上离开涡轮机。涡轮机叶轮或者涡轮机叶片及其前缘的形式和布置因而对于涡轮机以及因此废气涡轮增压器的效力和效率具有决定性。

本发明的目的是提供一种用于废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮，其会保证涡轮机的高效率。

发明内容

本发明涉及一种用于涡轮机、尤其是废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮，以及废气涡轮增压器。

根据本发明的涡轮机叶轮具有基部主体和多个涡轮机叶片，该基部主体包括后壁，该多个涡轮机叶片连接至基部主体，其分别包括前缘。前缘被设计为成波形。前缘的波形配置具有如下优点：使废气流的动能可以更有效地用于驱动涡轮机叶轮以及因此同时驱动压缩机。通过该方式，涡轮机以及因此整个废气涡轮增压器的效率增加。

在实施例中，前缘可以被设计成S形。前缘的形状的曲线可以具有至少一个反曲点。前缘可以具有曲线，该曲线始于基部主体的后壁并且具有与涡轮机叶轮的旋转方向相反的正方向，满足如下条件：(i)曲线具有初始梯度；(ii)曲线具有至少一个极端值；以及(iii)曲线具有至少一个反曲点。曲线可以具有初始正梯度并且具有至少一个最大值。至少一个反曲点可以在旋转方向x上被设在最大值之后。曲线此外可以具有在旋转方向上在反曲点之后的最小值。作为初始正梯度的替代，曲线可以具有初始负梯度并且具有至少一个最小值。至少一个反曲点可以在旋转方向上被设在最小值之后。曲线此外可以具有在旋转轴线的方向上在反曲点之后的最大值、第二反曲点和第二最小值。

在可与所有先前描述的实施例进行组合的实施例中，前缘可以被设计为使得前缘的波形可以投射到由关于每个前缘的旋转方向的切线和涡轮机叶轮的旋转轴线限定出的平面中。

在可与所有先前描述的实施例进行组合的实施例中，前缘可以位于假想侧表面中并且每个前缘的轮廓可以在侧表面中具有波形。侧表面可以是圆筒的侧表面。可替代地，侧表面可以是圆锥体的侧表面。圆锥体的直径可以在后壁处最大，其中，圆锥体逐渐减小地从后壁延伸。可替代地，圆锥体的直径可以在后壁处最小，并且圆锥体可以扩大地从后壁延伸。

在可与所有先前描述的实施例进行组合的实施例中，涡轮机叶片在旋转方向x上的叶片倾斜角θ的曲线始于基部主体的后壁并且具有与涡轮机叶轮的旋转方向相反的正角，可以满足如下条件：(i)θ(x)具有初始梯度；(ii)θ(x)具有至少一个极端值；以及(iii)θ(x)具有至少一个反曲点。θ(x)可以具有初始正梯度，具有至少一个最大值，并且至少一个反曲点可以在旋转轴线的方向x上被设在最大值之后。θ(x)此外可以具有在旋转轴线的方向x上在反曲点之后的最小值。作为初始正梯度的替代，θ(x)可以具有初始负梯度并且具有至少一个最小值。至少一个反曲点可以在旋转轴线的方向x上被设在最小值之后。在反曲点之后，θ(x)此外可以具有在轴向方向上的最大值、第二反曲点、以及第二最小值。

本发明此外包括一种具有压缩机和涡轮机的废气涡轮增压器，其中，涡轮机具有根据先前描述的实施例中的任一项的涡轮机叶轮。

附图说明

图1示出了根据本发明的涡轮机叶轮的一个实施例的透视图；

图2示出了根据本发明的涡轮机叶轮的一个实施例的涡轮机叶片的侧视图、正视图和顶视图。

具体实施方式

随后通过附图对根据本发明的用于废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮的实施例进行描述。

图1示出了根据本发明的涡轮机叶轮的一个实施例的示意描绘的透视图。涡轮机叶轮10具有带有后壁110的基部主体100。多个涡轮机叶片200被布置在基部主体100上。涡轮机叶片分别具有前缘210。前缘210被设计成波形(见图1和图2的左下)。前缘210指明涡轮机叶片200的外边缘的一部分在安装状态下在径向方向上(在图2中的两个上部视图中的r)在外部并未直接由涡轮机壳体包围，而是与从蜗壳中离开的废气流相反公开地伸展。这意味着前缘210是涡轮机叶片200的面朝流入废气的边缘部段。在图2的左上，前缘210的区域(更具体地是其相对于涡轮机叶轮的旋转轴线x的轴向延伸)用b来指定。前缘210的波形配置具有如下优点：使废气流的动能可以更有效地用于驱动涡轮机叶轮10以及因此也可以用于压缩机的功能。通过该方式，涡轮机以及因此整个废气涡轮增压器的效率增加。

例如，前缘210可以配置成S形。S形尤其表示从涡轮机叶轮10的后壁110开始的没有底切的S形(见图1和图2的左下)。S形前缘210因而无需形成完整的S(没有底切)并且也不需要对称地进行配置。波形或者S形形式也不需要在前缘210的整个长度上延伸。因此，波形或者S形区域也可以包括具有不同形状的区域，例如，具有直线。

如在图1中指出的并且在图2的左下更加清楚地感知到的，前缘210的弯曲形状具有反曲点3。曲线还可以具有多于一个反曲点。图2的左下的前缘210尤其具有曲线，该曲线始于基部主体100的后壁110并且具有与涡轮机叶轮的旋转方向相反的正方向(旋转方向由图1和图2的右上和左下的箭头指示)，并且满足如下条件：

(i)曲线具有初始梯度；

(ii)曲线具有至少一个极端值2；以及

(iii)曲线具有至少一个反曲点3。

在图2中示出的实施例的曲线具有初始正梯度并且具有最大值2。反曲点3在旋转轴线的方向x上被设在最大值2之后。曲线此外具有在前缘210的端部处的最小值。作为初始正梯度的替代，曲线可以具有初始负梯度并且具有至少一个最小值。至少一个反曲点然后在旋转轴线的方向上被设在最小值之后。此外，在反曲点之后，曲线此外可以具有在旋转轴线的方向x上的最大值、第二反曲点、以及第二最小值。

尤其，前缘210被设计为使得前缘210的波形可以投射到平面中，该平面是由关于每个前缘210的旋转方向的切线和涡轮机叶轮10的旋转轴线x限定。图2的左下的描绘与前缘在该投影中的视图相对应：限定出相应平面(每个叶片的对应平面)的坐标系具有沿着涡轮机叶轮10的旋转轴线x的第一轴线和沿着旋转方向(见图2的左下的箭头)的相应切线的第二轴线，该第一轴线具有在涡轮机叶片的方向上源于后壁110的正方向，该第二轴线的正方向与涡轮机叶轮10的旋转方向相反。换言之：涡轮机叶轮10的前缘210具有波形，当在流动方向上看时，其垂直于旋转方向，并且垂直于涡轮机叶轮10的旋转轴线x。

同时地可替代地，前缘210的形状和定向可以满足如下条件：前缘210位于假想侧表面中并且每个前缘210在侧表面中的轮廓可以具有波形。例如，侧表面可以是圆筒的侧表面。可替代地，前缘210所处的侧表面可以是圆锥体的侧表面。在图2的左上示出的前缘210的示例中，侧表面是圆锥形的并且圆锥体的直径在后壁110处最小。圆锥体扩大地从后壁110延伸(在图2的左上：前缘210在区域b中在侧视图投影中沿着旋转轴线x的正增加)。可替代地，圆锥体的直径可以在后壁110处最大，其中，圆锥体逐渐减小地从后壁110延伸。当投射到由旋转轴线x和径向方向r(平行于后壁)限定出的侧视图平面中时，前缘因此可以平行于旋转轴线x伸展或者向旋转轴线x倾斜(如在图2中示出的)。倾斜曲线表示，当在侧视图平面中看时，前缘210初始地从后壁增加或者减小(见图2中的左上的描绘，其示出了前缘210的增加曲线)。

换言之，前缘210的形状和定向也可以使用用于涡轮机叶轮200在旋转轴线的方向x上的叶片倾斜角θ的曲线(作为坐标轴线见图2的右上和左下)的如下条件来限定，其在基部主体100的后壁110处开始并且具有与涡轮机叶轮10的旋转方向相反的正角：

(i)θ(x)具有初始梯度；

(ii)θ(x)具有至少一个极端值2；以及

(iii)θ(x)具有至少一个反曲点3。

叶片倾斜角θ描述了涡轮机叶片200在涡轮机叶片200的任意点处关于例如涡轮机叶片200从后壁110的原点位置的倾斜。围住叶片倾斜角θ的两个支腿可以被限定为如下：第一固定支腿由第一直线G1限定(在图2的右上描绘图中与r一致)，第一直线G1垂直于涡轮机叶轮10的旋转轴线x，其中，第一直线G1将旋转轴线x连接至前缘210与后壁110的交叉点(在图2的左下描绘图中的点1)。第二支腿是由第二直线G2在垂直于旋转轴线x伸展的平面中的投影来确定，并且第一固定支腿位于该平面中。第二直线G2又垂直于旋转轴线x并且将旋转轴线连接至每个涡轮机叶片200的径向外边缘上的任意选择点。像这样得到的两个支腿然后在选择点处并且关于固定第一支腿(前缘210与后壁110的交叉点)限定出涡轮机叶片200的叶片倾斜角θ。因此，可以针对叶片边缘的整个曲线上的任意点(并且不仅是针对前缘210的区域b)确定出叶片倾斜角θ。在图2中，在右上描绘图中，在旋转轴线x的方向上针对涡轮机叶片200的径向外边缘的最外点绘制出了角度θ。左下描绘图示出了在旋转轴线x上绘制出的角度θ的曲线。该曲线代表θ(x)。在图2中，在左下示出了涡轮机叶轮10的实施例，其具有在叶片200的区域b中的前缘210，前缘210具有在点1处的原点(来自后壁110)，并且θ(x)在初始正梯度之后具有在点2处的(局部)最大值并且具有在点3处的转折。在前缘的端部处指出了最小值。

作为初始正梯度的替代，θ(x)可以具有初始负梯度以及至少一个最小值。反曲点然后在旋转轴线的方向x上被设在最小值之后。在反曲点之后，θ(x)此外可以具有在轴向方向上的最大值、第二反曲点、以及第二最小值。

本发明此外包括一种具有压缩机和涡轮机的废气涡轮增压器，其中，涡轮机具有根据先前描述的实施例中的任一项的涡轮机叶轮10。

尽管已经在上文描述了且在所附权利要求书中限定了本发明，但应理解，可替代地也可以根据如下实施例来限定本发明：

1、一种用于涡轮机、尤其是废气涡轮增压器的涡轮机的涡轮机叶轮10，该涡轮机叶轮10包括：

基部主体100，该基部主体100具有后壁110；以及

多个涡轮机叶片200，该多个涡轮机叶片200连接至基部主体100，分别具有前缘210；

其特征在于：前缘210被设计成波形。

2、根据实施例1的涡轮机叶轮，其特征在于：前缘210被设计成S形。

3、根据实施例1或者实施例2的涡轮机叶轮，其特征在于：前缘210的形状的曲线具有至少一个反曲点3。

4、根据前述实施例中任一项的涡轮机叶轮，其特征在于：前缘210具有曲线，该曲线始于基部主体100的后壁110并且具有与涡轮机叶轮的旋转方向相反的正方向，满足如下条件：

(i)曲线具有初始梯度；

(ii)曲线具有至少一个极端值2；以及

(iii)曲线具有至少一个反曲点3。

5、根据实施例4的涡轮机叶轮，其特征在于：曲线具有初始正梯度，具有至少一个最大值2，并且具有在旋转轴线x的方向上被设在最大值2之后的至少一个反曲点3。

6、根据实施例5的涡轮机叶轮，其特征在于：曲线此外具有在旋转轴线x的方向上在反曲点3之后的最小值。

7、根据实施例4的涡轮机叶轮，其特征在于：曲线具有初始负梯度，具有至少一个最小值，并且至少一个反曲点在旋转轴线的方向x上被设在最小值之后。

8、根据实施例7的涡轮机叶轮，其特征在于：在反曲点之后，曲线此外具有在旋转轴线的方向上的最大值、第二反曲点、以及第二最小值。

9、根据前述实施例中任一项的涡轮机叶轮，其特征在于：前缘210被设计为使得前缘210的波形可以投射到平面中，该平面是由关于相应前缘210的旋转方向的切线和涡轮机叶轮10的旋转轴线限定。

10、根据前述实施例中任一项的涡轮机叶轮，其特征在于：前缘210位于假想侧表面中，并且相应前缘210的轮廓在侧表面中具有波形。

11、根据实施例10的涡轮机叶轮，其特征在于：侧表面是圆筒的侧表面。

12、根据实施例10的涡轮机叶轮，其特征在于：侧表面是圆锥体的侧表面，并且

其中，圆锥体的直径可以在后壁110处最大，并且圆锥体逐渐减小地从后壁110延伸，或者

其中，圆锥体的直径可以在后壁110处最小，并且圆锥体扩大地从后壁110延伸。

13、根据前述实施例中任一项的涡轮机叶轮，其特征在于：涡轮机叶片200的叶片倾斜角θ的曲线始于基部主体100的后壁110在旋转轴线x的方向上伸展并且具有与涡轮机叶轮10的旋转方向相反的正角，满足如下条件：

(i)θ(x)具有初始梯度；

(ii)θ(x)具有至少一个极端值2；以及

(iii)θ(x)具有至少一个反曲点3。

14、根据实施例13的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)具有初始正梯度，具有至少一个最大值2，并且至少一个反曲点3在旋转轴线x的方向上被设在最大值2之后。

15、根据实施例14的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)此外具有在旋转轴线x的方向上在反曲点3之后的最小值。

16、根据实施例13的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)具有初始负梯度，具有至少一个最小值，并且至少一个反曲点在旋转轴线的方向x上被设在最小值之后。

17、根据实施例16的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)此外具有在旋转轴线x的方向上在反曲点之后的最大值。

18、一种包括压缩机和涡轮机的废气涡轮增压器，其特征在于：涡轮机具有根据实施例1至17中任一项的涡轮机叶轮。

Claims (15)

1.一种涡轮机叶轮(10)，用于废气涡轮增压器的涡轮机，所述涡轮机叶轮(10)包括：

基部主体(100)，所述基部主体(100)具有后壁(110)；以及

多个涡轮机叶片(200)，所述多个涡轮机叶片(200)连接至所述基部主体(100)，分别具有前缘(210)；

其中所述前缘(210)被设计成波形，

其特征在于，所述前缘(210)具有曲线，所述曲线在一坐标系中满足如下条件，所述坐标系具有沿着所述涡轮机叶轮(10)的旋转轴线(x)的第一轴线和沿着所述涡轮机叶轮(10)的旋转方向的相应切线的第二轴线，所述第一轴线具有在涡轮机叶片的方向上源于所述基部主体(100)的后壁(110)的正方向，所述第二轴线的正方向与所述涡轮机叶轮(10)的旋转方向相反：

(i)所述曲线具有初始梯度；

(ii)所述曲线具有至少一个极端值(2)；以及

(iii)所述曲线具有至少一个反曲点(3)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述曲线开始时具有正梯度，具有至少一个最大值，并且所述至少一个反曲点(3)在旋转轴线(x)的方向上被设在所述最大值之后。

3.根据权利要求2所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述曲线此外具有在所述旋转轴线(x)的方向上在所述反曲点(3)之后的最小值。

4.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述曲线开始时具有负梯度，具有至少一个最小值，并且所述至少一个反曲点在旋转轴线(x)的方向上被设在所述最小值之后。

5.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述前缘(210)被设计为使得所述前缘(210)的所述波形能够投射到平面中，所述平面是由关于所述前缘(210)的所述旋转方向的切线和所述涡轮机叶轮(10)的旋转轴线限定。

6.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述前缘(210)位于假想侧表面中，并且所述前缘(210)的轮廓在所述侧表面中具有所述波形。

7.根据权利要求6所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述侧表面是圆筒的侧表面。

8.根据权利要求6所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述侧表面是圆锥体的侧表面，以及

其中，所述圆锥体的直径在所述后壁(110)处最大，并且所述圆锥体逐渐减小地从所述后壁(110)延伸，或者

其中，所述圆锥体的直径在所述后壁(110)处最小，并且所述圆锥体扩大地从所述后壁(110)延伸。

9.根据权利要求1所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述涡轮机叶片(200)的叶片倾斜角(θ)的曲线始于所述基部主体(100)的所述后壁(110)在旋转轴线(x)的方向上伸展并且具有与所述涡轮机叶轮(10)的所述旋转方向相反的正角，满足如下条件：

(i)θ(x)具有初始梯度；

(ii)θ(x)具有至少一个极端值(2)；以及

(iii)θ(x)具有至少一个反曲点(3)。

10.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)具有初始正梯度，具有至少一个最大值，并且所述至少一个反曲点(3)在所述旋转轴线(x)的方向上被设在所述最大值之后。

11.根据权利要求10所述的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)此外具有在所述旋转轴线(x)的方向上在所述反曲点(3)之后的最小值。

12.根据权利要求9所述的涡轮机叶轮，其特征在于：θ(x)具有初始负梯度，具有至少一个最小值，并且所述至少一个反曲点在所述旋转轴线(x)的方向上被设在所述最小值之后。

13.根据权利要求4所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述反曲点是第一反曲点，并且其中在所述第一反曲点之后，所述曲线此外具有在所述旋转轴线(x)的方向上的第一最大值、第二反曲点、以及第二最大值。

14.根据权利要求12所述的涡轮机叶轮，其特征在于：所述反曲点是第一反曲点，所述最小值是第一最小值，并且其中在所述第一反曲点之后，θ(x)此外具有在所述旋转轴线(x)的方向上的最大值、第二反曲点、以及第二最小值。

15.一种包括压缩机和涡轮机的废气涡轮增压器，其特征在于：所述涡轮机具有根据权利要求1至14中任一项所述的涡轮机叶轮。

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