CN110792507B

CN110792507B - 具有集成冷却风扇的涡轮增压器轴

Info

Publication number: CN110792507B
Application number: CN201910499730.3A
Authority: CN
Inventors: A·K·萨契戴夫; T·W·布朗
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2021-06-08
Anticipated expiration: 2039-06-11
Also published as: DE102019114870B4; DE102019114870A1; CN110792507A; US10465603B1

Abstract

涡轮增压器包括压缩机、涡轮机和轴，该压缩机包括从压缩机背面延伸的压缩机主体和从压缩机主体延伸的多个叶片，该涡轮机包括从涡轮机背面延伸的涡轮机主体和从涡轮机主体延伸的多个叶片，该轴在第一端处联接到压缩机背面并且在第二端处联接到涡轮机背面。轴包括从第一端朝向第二端延伸且与压缩机叶片流体连通的内部通道，和设置在内部通道内并且配置为朝向轴的第二端抽吸空气的一个或多个风扇。轴的内部通道经由一个或多个放气通道与压缩机叶片流体连通，一个或多个放气通道可朝向压缩机主体的外径偏置。

Description

具有集成冷却风扇的涡轮增压器轴

技术领域

本发明涉及涡轮增压器，特别是涉及具有集成冷却风扇的涡轮增压器轴。

背景技术

发动机涡轮增压器通常通过铸造和/或锻造工艺由铁或铝合金制成。涡轮增压器材料和设计有助于发动机的整体性能。涡轮增压器由组合以实现这种性能增强的各种部件组成。涡轮机是涡轮增压器的暴露于发动机排气的部分。当排气流过涡轮机或涡轮到达车辆排气时，涡轮机或涡轮旋转。轴从涡轮机的中心部分延伸并与涡轮机一起旋转。压缩机被布置在轴的相对端并且可与其一起旋转。当压缩机旋转时，其将额外的空气和氧气推动到汽缸中，从而允许它们燃烧附加的燃料。

发动机制造商正在遭遇提高发动机效率和性能的增加的需求，包括但不限于提高燃料经济性、提高燃料燃烧、减少油耗以及增加排气温度以在后续用于排气的催化转化。

发明内容

提供了涡轮增压器，该涡轮增压器包括压缩机、涡轮机和轴，该压缩机包括从压缩机背面延伸的压缩机主体和从压缩机主体延伸的多个叶片，该涡轮机包括从涡轮机背面延伸的涡轮机主体和从涡轮机主体延伸的多个叶片，该轴在第一端处联接到压缩机背面并且在第二端处联接到涡轮机背面。轴可以包括从第一端朝向第二端延伸且与压缩机叶片流体连通的内部通道，和设置在内部通道内并且配置为朝向轴的第二端抽吸空气的风扇。风扇可以包括从轴的内部通道的中心径向向外延伸的多个叶片。风扇可以包括在轴的内部通道内轴向延伸的螺旋表面。轴可包括轴向地串联设置在轴的内部通道内的多个风扇。当每个风扇相对于轴的第二端的距离减小时，多个风扇中的每一个朝向轴的第二端抽吸空气的压力可以增加。轴的内部通道可经由一个或多个放气通道与压缩机叶片流体连通。一个或多个放气通道中的每一个可包括朝向压缩机主体的外径偏置的入口。风扇位置可相对于轴固定。轴可进一步包括设置在风扇和涡轮机主体的背面之间的一个或多个空气出口。涡轮机主体可以包括与轴的内部通道流体连通的轴向通道。

提供了涡轮增压器压缩机和轴组件，该组件包括压缩机和轴，该压缩机包括从压缩机背面延伸的压缩机主体和从压缩机主体延伸的多个叶片，该轴在第一端处联接到压缩机背面。轴可以包括从第一端朝向第二端延伸且与压缩机叶片流体连通的内部通道，和设置在内部通道内并且配置为朝向轴的第二端抽吸空气的风扇。风扇可以包括从轴的内部通道的中心径向向外延伸的多个叶片。风扇可以包括在轴的内部通道内轴向延伸的螺旋表面。轴可包括轴向地串联设置在轴的内部通道内的多个风扇。当每个风扇相对于轴的第二端的距离减小时，多个风扇中的每一个朝向轴的第二端抽吸空气的压力可以增加。轴的内部通道可经由一个或多个放气通道与压缩机叶片流体连通。一个或多个放气通道中的每一个可包括朝向压缩机主体的外径偏置的入口。风扇位置可相对于轴固定。轴可进一步包括设置在风扇和涡轮机主体的背面之间的一个或多个空气出口。涡轮机主体可以包括与轴的内部通道流体连通的轴向通道。

虽然关于锂电池和有线充电系统描述了许多实施例，但由有线和非有线系统充电的各种化学物质电池与本文的公开密切相关。示例性实施例的其它目的、优点和新颖特征将从以下对示例性实施例和附图的详细描述中变得更加显而易见。

附图说明

图1示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的截面透视图；

图2示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的截面侧视图；

图3A示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的透视图；

图3B示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的透视图；以及

图3C示出了根据一个或多个实施例的涡轮增压器的透视图。

具体实施方式

本文描述本公开的实施例。然而，应当理解的是，所公开的实施例仅仅是示例，并且其他实施例可以采取各种形式和替代形式。附图不一定按比例绘制；可放大或最小化一些特征以显示特定部件的细节。因此，在本文公开的特定结构和功能性细节不应解释为限制，而是仅仅解释为用于教导本领域技术人员以各种方式利用本发明的代表性基础。如本领域普通技术人员所理解，参照附图中的任何一个示出和描述的各种特征可以与在一个或多个其他附图中示出的特征结合以产生未明确示出或描述的实施例。所示出的特征的组合提供典型应用的代表性实施例。然而，符合本公开的教导的特征的各种组合和变型可期望用于特定应用或实施方式。

图1示出了涡轮增压器1的透视剖视图，涡轮增压器1包括设置在涡轮机壳体16内的涡轮机10和设置在压缩机壳体26内的压缩机20。涡轮机10和压缩机20经由延伸穿过轴承壳体38的公共可旋转轴30机械地联接。在操作中，涡轮机10经由涡轮机排气进气口17接收例如从发动机（未示出）排出的排气。进气口17可将排气传送到周向蜗壳或蜗卷19，该蜗壳或蜗卷19接收排气并将其引导至涡轮机10。此后，排气经由排气导管18从涡轮机壳体16排出。涡轮机10捕获来自排气的动能，并且经由公共轴30旋转压缩机20。涡轮机壳体16内的排气的容积限制将热能转换成类似地由涡轮机10捕获的附加动能。例如，蜗壳19可特别优化以实现热能到动能的转换。压缩机20经由公共轴30的旋转通过压缩机进气口27抽吸空气，该空气被压缩并经由导管28传递至例如发动机进气歧管（未示出）。涡轮增压器1通过增加传递至发动机的一个或多个汽缸的每单位体积的空气的氧浓度来增加附属发动机的功率输出和/或容积效率。压缩空气可在进入进气歧管之前穿过下游空气冷却器（未示出），以使输送至其的每单位体积的空气的氧气浓度最大化。

公共轴30由设置在轴承壳体38内的一个或多个轴承37支撑。一个或多个轴承37和/或涡轮增压器1的其它旋转部件由流体（诸如油）润滑，以确保涡轮增压器的有效操作并且防止对其部件的磨损或损坏。公共轴30和/或轴承37通常被冷却（例如，液体冷却），以便防止对部件的损坏并且防止从涡轮增压器1的涡轮机10侧到压缩机20侧的不期望的热传递。

本文提供的是涡轮增压器，该涡轮增压器各自包括中空公共轴，该中空公共轴具有设置在其中并且配置为通过轴朝向涡轮机抽吸压缩机空气的一个或多个风扇。这样的涡轮增压器最小化或防止不期望的热量从涡轮增压器的涡轮机侧传递到压缩机侧，从而增加从压缩机20排出（例如，经由导管28）的每单位体积的压缩空气的氧气浓度。本文描述的涡轮增压器的冷却效果进一步减小了与轴和/或轴承冷却系统和下游压缩机空气冷却器相关的部件的尺寸和重量，以及这种冷却系统的功率需求（例如，由附属车辆发动机承担的）。类似地，减少或消除对液体冷却系统的需要减少了对集成散热器的需求。因此，提高了附属发动机和车辆的性能。

图2示出了涡轮增压器1的截面图，涡轮增压器1包括由公共轴30联接的涡轮机10和压缩机20。涡轮机10、压缩机20和公共轴30被固定地联接，使得它们以相同速度共同旋转。涡轮机10包括从涡轮机背面12延伸的涡轮机主体11和从涡轮机主体11延伸的多个周向布置的叶片13。涡轮机主体11可以是大致圆锥形的，使得其直径在靠近涡轮机背面12的情况下最大。压缩机20包括从压缩机背面22延伸的压缩机主体21和从压缩机主体21延伸的多个周向布置的叶片23。压缩机主体21可以是大致圆锥形的，使得其直径在靠近压缩机背面22的情况下最大。涡轮机10、压缩机20和轴30可以是一件式构造，或者轴30可以在第一端处联接到压缩机背面22并且在第二端处联接到涡轮机背面12。例如，轴30可分别经由相应的套环31和32联接到涡轮机10和压缩机20，或分别直接联接到涡轮机背面12和压缩机背面。应理解，可利用许多几何构造和制造方法来联接涡轮机10、压缩机20和公共轴30。出于本公开的目的，从其相应背面朝向轴30延伸的涡轮机10或压缩机20的任何部分应当被认为是轴30的一部分。

轴30通常包括从轴30的第一端朝向轴30的第二端延伸的内部通道34。轴30进一步包括设置在内部通道34内的风扇33。风扇可以相对于轴30固定在内部通道34内。内部通道34与压缩机叶片23流体连通（即，与经由压缩机进气口27传递至压缩机20的空气流体连通），使得当轴30旋转并且因此压缩机20旋转时，风扇33朝向轴的第二端抽吸空气。风扇33配置为相对于轴30的轴线具有比压缩机20较高的空气抽吸能力，使得期望量的空气被抽吸到内部通道34中（即，而不是通过导管28压缩和排出）。朝向轴的第二端抽吸的空气将轴和附属部件（诸如轴承37）冷却。内部通道34可经由一个或多个放气通道24与压缩机叶片23流体连通。放气通道24可形成在压缩机主体21内并且包括入口25。因为压缩机20周围的空气压力在压缩机主体21的外径附近最大，所以在一些实施例中，放气通道24入口25朝向压缩机主体21的外径偏置，如所示。另外地或可选地，如图2所示，一个或多个放气通道24可靠近压缩机背面22出现，以进一步帮助冷却压缩机20。另外地或可选地，入口25的其它取向在本公开的范围内。例如，入口25可设置成靠近压缩机主体21的轴线。

轴30可进一步包括设置在风扇33和涡轮机主体11的背面12之间的一个或多个空气出口。轴30可以包括一个或多个径向通风口35，其例如可以通过轴承壳体38排出通过内部通道34经由风扇33抽吸的空气。另外地或可选地，轴30可包括在轴30的第二端处、靠近涡轮机的背面12的轴向通风口36。轴向通风口36可以与轴向涡轮机通道15流体连通，轴向涡轮机通道15配置为轴向地排出通过轴30经由风扇33抽吸的空气。轴向涡轮机通道15居中地设置在涡轮机主体11内，以便最小化涡轮机10或附近排气的不期望冷却。

如图2所示的风扇33包括从轴30的内部通道34的中心轴线径向向外延伸的多个叶片。图3A-C示出了附属于涡轮增压器1的轴30和风扇33的各实施例。图3A示出了包括轴向地串联设置在轴30的内部通道34内的多个风扇33A、33B的涡轮增压器1。通常，对于包括多个风扇的涡轮增压器，当每个风扇相对于轴的第二端的距离减小时，多个风扇中的每一个朝向轴的第二端（即，朝向涡轮机10）抽吸空气的压力增加。因此，在这样的实施例中，风扇33B的抽吸能力大于风扇33A。例如，可基于各个风扇叶片的间距或角度来控制每个风扇的压力产生（即，抽吸）能力。例如，当叶片平面的角取向偏离相对于轴30的轴线的垂直取向时，风扇的抽吸能力增加。

图3B示出了包括具有螺旋主体的风扇33的涡轮增压器1，该风扇在轴30的内部通道34内轴向延伸。图3C示出包括轴30的涡轮增压器1，轴30的直径基本上等于涡轮机10和/或压缩机20的最大直径。在一些实施例中，涡轮增压器1包括轴30，轴30的直径基本上等于涡轮机10的最大直径和/或压缩机20的最大直径中的较小者。轴30的直径可被选择使得该组件可以构造成一体件。较宽直径轴30以及相应的内部通道34减小了内部通道34内的空气流的速度，但是增加了其中的空气的体积流量。相反地，较窄内部通道34减小了内部通道34内的空气的体积流量，但是增加了其中的空气流的速度。轴30和内部通道34的直径可以被优化以满足特定涡轮增压器1和附属部件的性能需要。

在示例性实施例中的涡轮增压器部件可以在增材制造工艺期间用钢材料制造，或者可以被设计为具有上面呈现的具有替代钢的替代材料的许多特征。因此，应当清楚的是，该描述在本质上仅仅是示例性的，并且因此，不脱离本公开的主旨的变型旨在落入本公开的范围内。这样的变化不被认为脱离了本公开的精神和范围。虽然以上描述了示例性实施例，但这些实施例并非旨在描述权利要求所涵盖的所有可能形式。说明书中使用的词汇是描述性而非限定性词汇，应当理解，可以作出各种变化而不脱离本公开的精神和范围。如前所述，各实施例的特征可以进行组合以进一步形成可能未明确描述或示出的本发明的其他实施例。虽然各实施例可以描述为关于一个或多个期望特点提供优点或优于其他实施例或现有实施方式，但本领域普通技术人员将认识到一个或多个特征或特点可以折中以获得期望总体系统属性，该期望总体系统属性取决于具体应用或实施方式。这些属性可包括但不限于成本、强度、耐久性、寿命周期成本、适销性、外观、包装、尺寸、可用性、重量、可制造性、易组装性等。照此，描述为关于一个或多个特征比其他实施例或现有实施方式不太合意的实施例不在本公开的范围外且可以是特定应用所需要的。

Claims

1.一种涡轮增压器，包括：

压缩机，所述压缩机包括从压缩机背面延伸的压缩机主体和从所述压缩机主体延伸的多个叶片；

涡轮机，所述涡轮机包括从涡轮机背面延伸的涡轮机主体和从所述涡轮机主体延伸的多个叶片；和

轴，所述轴在第一端处联接到所述压缩机背面并且在第二端处联接到所述涡轮机背面，其中所述轴包括：

内部通道，所述内部通道从所述第一端朝向所述第二端延伸，与所述压缩机叶片流体连通，和

风扇，所述风扇设置在所述内部通道内并且配置为朝向所述轴的所述第二端抽吸空气，

其中所述轴的所述内部通道经由一个或多个放气通道与所述压缩机的叶片流体连通，并且所述轴包括设置在所述风扇和所述涡轮机背面之间的一个或多个空气出口。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述风扇包括在所述轴的所述内部通道内轴向延伸的螺旋表面。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述轴包括轴向地串联设置在所述轴的所述内部通道内的多个风扇。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述风扇包括从所述轴的所述内部通道的中心径向向外延伸的多个叶片。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述一个或多个放气通道形成在压缩机主体中，并且所述一个或多个放气通道中的每一个包括朝向所述压缩机主体的外径偏置的入口。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述风扇位置相对于所述轴固定。

7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述涡轮机主体包括与所述轴的所述内部通道流体连通的轴向通道。

8.一种涡轮增压器压缩机和轴组件，所述组件包括：

压缩机，所述压缩机包括从压缩机背面延伸的压缩机主体和从所述压缩机主体延伸的多个叶片；和

轴，所述轴在第一端处联接到所述压缩机背面并在第二端处联接到涡轮机背面，并且包括：

内部通道，所述内部通道从所述轴的所述第一端朝向第二端延伸，与所述压缩机叶片流体连通，和

9.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述风扇包括在所述轴的所述内部通道内轴向延伸的螺旋表面。

10.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述轴包括轴向地串联设置在所述轴的所述内部通道内的多个风扇。

11.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述风扇包括从所述轴的所述内部通道的中心径向向外延伸的多个叶片。

12.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述一个或多个放气通道形成在压缩机主体中，并且所述一个或多个放气通道中的每一个包括朝向所述压缩机主体的外径偏置的入口。

13.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述风扇位置相对于所述轴固定。

14.根据权利要求8所述的涡轮增压器压缩机和轴组件，其中所述涡轮机主体包括与所述轴的所述内部通道流体连通的轴向通道。