CN111042870B - 涡轮 - Google Patents

Abstract

本发明给出一种涡轮，尤其在用于内燃机的增压装置中的涡轮，其中，该涡轮(10)在形成后壁(14)的轮毂(16)上具有多个叶片体(12)，其中，相邻的叶片体(12)形成带有两个迎流边缘(20)的进流面(18)和带有两个出流边缘(24)的基本轴向处于内部的出流面(22)，其中，叶片体(12)的表面(26)能够通过在该迎流边缘(20)与该出流边缘(24)之间并排的多条曲线(30，...，38)由角度(T)和长度(Z0)确定，其中，该角度(T)从该迎流边缘(20)起在长度(Z0)增大的情况下对于这些曲线(30，...，38)中的每条曲线首先增大或保持恒定并且随后减小，从而形成最大值(40，40’，40”)。

Description

涡轮

技术领域

本发明涉及尤其在内燃机用增压装置中的涡轮。

背景技术

由一般的现有技术已知了呈排气涡轮增压器形式的增压装置，其中，涡轮驱动压气机的压气机轮。涡轮和压气机轮布置在共用的转子上，该转子在轴承壳体内可转动地被引导。涡轮被排气流驱动。压气机布置在内燃机的进气区段中。

在这样的增压装置中借助涡轮进行压气机轮的驱动，在这里，该增压装置的功率能力可能受到尤其与叶轮几何形状相关的涡轮设计的影响。

由EP 1 828 543 A1已知了涡轮的一个实例。在那里描述的涡轮包括轮毂、多个叶片和背板。其中的多个叶片包括带有后边缘的出气端部和带有前边缘的进气端部。进气端沿着与既定涡轮转动方向相关的前边缘具有正的局部叶片角，其值从在前边缘的靠近外环端的一点至在后边缘的靠近背板端的一点递增。

由JP-H 11 190 201A已知了发动机的排气在涡轮机壳体内和涡轮机叶轮内流过螺旋结构。在计算点处，排气的相对迎流角与相对于叶轮的进流叶片角重合，从而排气沿叶轮片均匀流动。远离计算点地存在相对迎流角和进流叶片角之差。如果在叶轮前边缘的流动以大的迎流角流动，则源于带有回摆角的外露部分的涡流是螺旋形竖向涡流，其走向平行于该流动，其中，中心轴线平行于所述流动。

鉴于所述现有技术，现在，本发明的目的是提供一种涡轮，尤其在用于内燃机的增压装置中，其允许在内燃机中的增压装置运行时进一步提升效率。

发明内容

该目的通过本发明来实现。本发明的其他有利设计方案可以按照技术上有意义的方式相互组合。此外，尤其与附图相关的说明附加表征并详细说明了本发明。

根据本发明，提供一种涡轮，尤其在用于内燃机的增压装置中，其中，该涡轮在形成后壁的轮毂上具有多个叶片体，其中，相邻的叶片体形成带有两个迎流边缘的进流面和带有两个出流边缘的基本轴向靠内的出流面，其中，叶片体的表面能够通过在该迎流边缘与该出流边缘之间并排的多条曲线由角度和长度确定，其中，该角度从该迎流边缘起在长度增大的情况下针对这些曲线中的每条曲线首先增大或保持恒定并且随后减小，从而形成最大值。

因此，根据本发明提出一种涡轮，其叶片体就其表面而言依据多条并排曲线来确定。在此，这些曲线在固定于轮上的坐标系中由角度和长度来描述，其中，最大值的形成表现为表征特征。所述长度此时跟随在进流面和出流面之间的路径，因此，借助如此形成的叶片体在涡轮的运行中例如在内燃机增压装置中可获得气流加速，其相比于现有技术的涡轮更移近向出流面。通过根据本发明涡轮的几何形状使得其惯性矩减小，这实现了在内燃机起动时更快地加速。此外，本发明涡轮的热动力效率由此改善，这尤其可与在具有可变涡轮几何形状的布置结构中的其他部件配合地来获得。

根据本发明的一个实施方式，该角度作为极角来形成，并且该长度沿着关于转动方向的转动轴线来形成。

根据该做法，固定在轮上的坐标系通过领域常见的方式由极角和沿关于蜗轮转动方向的转动轴线的长度构成。这样的表示在涡轮领域中是常见的，因此也可以与现有技术的涡轮简单比对。

该角度的零点可以被选择成沿迎流边缘在转动方向的方向上增大。此外，该长度可以沿转动轴线被标准化。

在这种情况下，它也是领域常见的措施，因此尤其在不同形成的叶片体情况下可实现与表征特征相关的对比，在此，对应角度例如与一条曲线的实际起点无关地总在零点开始。因为沿所述曲线的在进流面与出流面之间的行程一般是不同长短的，故建议将长度标准化。也可在替代表示中自该角度计算出对应的金属角，其作为以上限定的角度与子午向轨迹的差别来计算。

根据本发明的另一个实施方式，从叶片体与轮毂之间的过渡部起直至叶片体的外边缘形成多条曲线。该多条曲线在此可以被选择成等距间隔开的。另外，所述多条曲线可以居中地置于叶片体中。

因此，为了确定叶片体的表面，由分别起始于一迎流边缘并延伸至出流边缘的多条曲线形成一个曲线簇。与涡轮热动力学性能相关的区域位于迎流边缘和出流边缘之间，因此叶片体表面的表征在这些点之间就够了。等距间隔可使这些单独曲线例如在出流边缘长度的值0％、25％、50％、75％和100％处作为起点开始并在出流边缘的相应点处结束。位于迎流边缘的0％处的曲线此时通常被称为轮毂部，而在迎流边缘的100％处开始的曲线可被称为外侧部。这些曲线在此被置于吸气侧和压力侧之间的叶片中心。

根据本发明的另一个实施方式，在叶片体与轮毂之间的过渡部处，对应曲线的该角度首先增大，在该长度的40％至50％的范围内具有最大值，并且随后减小。

在此实施方式中，详细说明所谓轮毂部的特征，其中，本发明设计方案的一个特征在于：就角度而言，对应曲线的最大值在进流面与出流面之间在长度的40至50％范围内具有最大值。一般，根据现有技术的涡轮不具有最大值，或者说其就角度而言在整个长度范围内连续减小。

根据本发明的另一个实施方式，在该过渡部处的曲线与该外边缘处的曲线之间的这些曲线的角度相比于该最大值具有较不突显的最大值。在此，对应曲线的角度可以在长度的20％至40％范围内具有各自的最大值。所述最大值可以针对相邻的曲线沿外边缘的方向过渡至平台。

所述实施方式涉及在轮毂部与外侧部之间的对应曲线，即下述曲线，它们例如处于作为起点或终点的迎流边缘或出流边缘长度的25至75％的范围内。在这里，相比于轮毂部的曲线，虽然也形成了最大值，但其不太突显，即，最大值的最大角度具有较小值。此外，该最大值也位移向长度的较小值，或者说在更靠外的曲线情况下、例如在以迎流边缘的75％作为起点的曲线情况下逐渐过渡至一个平台。

在另一个变型中，在过渡部处的曲线与该外边缘处的曲线之间的这些曲线的这些角度各自具有呈平台形式的最大值。

代替上述具有最大值的实施方式，在轮毂部与外侧部之间的曲线也可以设计成不具有明显的极限值，因此所述最大值分别呈平台形式。

根据本发明的另一个实施方式，沿着该叶片体的外边缘，对应曲线的角度在直至该长度的20％的范围内保持恒定或近似恒定并且随后减小，从而形成呈平台形式的对应最大值。

在此实施方式中更详细说明所谓的外侧部即在叶片体外边缘区域内的曲线。在这里，一般不发生利用极限值的设计，而是该最大值几乎达到20％长度地设计成平台形式且随后减小。

在此，对应曲线的角度可以沿着叶片体的外边缘在小于5％长度的范围内具有最大值。

但在其他变型中可以想到以下设计，此时该角度沿着外边缘在长度很小的情况下、一般在曲线长度的百分之几情况下具有极限值，该极限值形成角度的最大值。但该最大值典型地仅为几度。

根据本发明还提供一种增压装置，具有用于内燃机的可变的涡轮机几何结构，该增压装置在轴承壳体内在轴上具有压气机轮以及在具有可变的涡轮机几何结构的布置结构中具有驱动该压气机轮的涡轮，其中，该涡轮在形成后壁的轮毂上具有多个叶片体，其中，相邻的叶片体形成带有两个迎流边缘的进流面和带有两个出流边缘的基本轴向靠内的出流面，其中，叶片体的表面能够通过在该迎流边缘与该出流边缘之间并排的多条曲线由角度和长度确定，其中，该角度从该迎流边缘起在长度增大的情况下对于这些曲线中的每条曲线首先增大或保持恒定并且随后减小，从而形成最大值。

所述表征的涡轮设计允许气体的加速在流过涡轮时相对推迟地在增压装置中加速，从而因为涡轮惯性矩的减小并且因为改善的热动力效率而可以实现增压装置的效率提升。

附图说明

以下，结合附图来详述几个实施例。在附图中：

图1以局剖视图示意性示出用于内燃机的增压装置，

图2以透视性侧视图示出根据本发明的一个实施方式的涡轮，

图3以俯视图示出图2的涡轮连同坐标系一起，

图4以侧视图示出图2的涡轮连同根据现有技术的涡轮一起，图5A-E各自示出用于说明本发明涡轮的曲线图。

具体实施方式

在附图中，相同的或功能上起相同作用的零部件带有相同的附图标记。

以下首先结合图1来示意性说明增压装置1，在增压装置中优选可安装有本发明的涡轮设计。图1此时以剖视图仅非常粗略地示出增压装置1以便能够示出一些零部件的位置。这样的增压装置1本身是从现有技术已知的。

图1示出了本发明的增压装置1的局剖所示的透视图。增压装置1具有涡轮机壳体2和通过轴承壳体4与之相连的压气机壳体3。涡轮机壳体2、压气机壳体3和轴承壳体4沿轴线Z布置。涡轮机壳体2在局剖视图中被示出。在此，轴5将涡轮10联接至压气机轮6。在涡轮机侧，借助叶片支承环7布置可变涡轮机几何结构，其具有许多沿周向分布且具有相应转动轴线的调节叶片8。由此形成喷口横截面，其根据调节叶片8的位置增大或减小，且居中安置在轴线Z上的涡轮10或多或少地接受经进气道11输入且经中央管接口排走的发动机排气，以便通过涡轮10驱动压气机轮6。为了控制调节叶片8的运动或位置，设有操纵机构或致动器，其例如可设计成电动调节器或控制气压盒。操纵机构将安置在叶片支承环7后的调节环9置于轻微转动运动。

不言自喻的是，如图1中示意性所示的增压装置1通常还包括其他部件以便能被安装在内燃机中。这样的增压装置1也被称为VTG增压器。以下，现将详细说明根据本发明的可被安装在增压装置1中的涡轮10设计。

图2中以示意性侧视图示出了涡轮10。可以看到涡轮10优选具有多个等距间隔的叶片体12，叶片体安置在形成后壁14的轮毂16上。在相邻的叶片体12之间形成由两个迎流边缘20界定的进流面18。进流面18此时径向靠外地布置在周边侧。此外，设有基本轴向靠内的出流面22，出流面形成在相邻的叶片体12的两个出流边缘24之间。

因此，在涡轮10中，气体从进流面18流向出流面22，在这里如此选择叶片体12的表面26，即气体在进流面18和出流面22之间可以经历加速，使涡轮10被置于转动运动，如在图2中用转动方向R标示的那样。叶片体12的自后壁14经迎流边缘20且自出流边缘24朝向轮毂16末端所限定的区域在以下例子中被称为外边缘28。

根据本发明，现在如此选择叶片体12的表面26设计，即相比于现有技术的涡轮出现就质量惯性和热动力效率而言的进一步改善。对本发明设计方案的说明在此可通过不同的方式进行。一方面，可尝试显示就热动力有效面积而言在进流面18和出流面22之间的子午向变化过程，以便能描绘出气体加速。但因为根据存在的压力状况或转速的不同而会出现不同的热动力学状况，故只能困难地实现本发明的涡轮10的设计方案的有利作用。

因此，以下参照图3选择另一种方法。涡轮10与一个固定不动的坐标系相关联，其中，在这里选择与极坐标系相似的表示。角度T(θ)在此被选择成在转动方向R的方向上增大，其中，为了描绘轮廓而沿迎流边缘20选择不同的初始值。在沿迎流边缘20的每个起点，角度T分别设定为零。在许多应用场合中也从角度T推导出金属角，从而可以与实际存在的热动力学状况无关地确定与叶片体12的表面轮廓的关系。

为了完整起见而还要说明，并未恰好在表面26上勾画出叶片体12的轮廓。事实证明合适的是选择叶片中心作为参考平面。叶片中心也可以被称为吸气和压力侧的中心。

在转动轴线方向上的沿叶片体12的轮廓线以下被称为Z方向，其中，它们均被标准化，因为根据在迎流边缘20上的所选起点或在出流边缘24上的终点的不同而得到不同的轮廓线长度。要说明的是，这样的表述在涡轮领域是常用的，其中，开篇所引用的美国文献选择了相似的做法。

现在，图4中以侧视图示出涡轮10，其中，不同的轮廓线在此作为曲线30、32、34、36和38来绘制。在此，在叶片体12和轮毂16之间的过渡部处选择第一曲线30。其他曲线32、34和36此时被选择为等距间隔，此时沿迎流边缘20或出流边缘24分别具有更靠内的起点或终点。第五曲线38在此跟随叶片体12的外边缘28。因此，利用所示曲线30、32、34、36、38簇可描绘出叶片体12的轮廓。在这里要再次说明的是，通常在叶片中心勾画出所示的曲线30至38。

现在，对于每条上述曲线30至38，在图5A至5E中以曲线形式画出角度T随标准化的z方向Z0的变化过程。虚线所绘的曲线在此对应于就像利用现有技术的涡轮获得的表面轮廓。沿方向Z0的角度T参数的确定在此以相同方式进行，其中，为了对比叶片体形状而在图4中画出另一个涡轮10’，在带有本发明涡轮10的后壁上示出紧邻后壁以做对比。对比例与上述曲线相关地不具有最大值，因此按照如在图5A至5E中结合虚线所绘的曲线所说明的变化过程。在根据图4的另一个涡轮10’中的迎流边缘20’明显不同地形成。

在叶片体12和轮毂16之间的过渡部区域内，角度T从迎流边缘20起在长度Z0增大情况下对于曲线30首先增大，从而产生最大值40，如图5A所示。随后，角度T值随着长度Z0增大又减小。

对于更远离叶片体12与轮毂16之间过渡部处的曲线32、34、36，根据图5B至5D的表示也形成最大值40’，其中，对于朝向外边缘28更远的曲线，最大值不太突显，或者说位移向长度Z0的较小值。

对于如图5E所示的最后的曲线38仅形成一种平台40”，从而角度T因此在长度Z0增大情况下先保持恒定且随后减小。术语“平台”在本文中并非仅指角度T的准确水平变化过程，因为角度T肯定也可出现达到几度的偏差。

第一曲线30的最大值40此时在长度Z0的40％至50％的范围内。曲线32、34和36的最大值40’一般在长度Z0的20％至40％的范围内。但在其他的设计中也可以已经针对曲线36或曲线34和曲线36以及针对所有的曲线32、34、36存在带平台的变化过程，如根据图5E针对曲线38所示出的那样。

根据本发明的叶片体12的设计允许涡轮10具有减小的质量惯性，因为其形状由关于子午线运动轨迹相对延迟地被加速的气流决定。将本发明的涡轮10装入增压装置1减小其惯性矩，由此可在内燃机起动时获得更快加速。由此也提高在增压装置1中的本发明的涡轮10的热动力效率，这尤其可与具有可变的涡轮机几何结构的布置结构中的其他部件相互配合地来获得。

之前所述的以及可从图中看到的特征优选不仅可以单独地、也可以在不同的组合中实现。本发明不局限于所述的实施例，而是可以在技术人员能力范围内以各种各样的方式来改变。

附图标记清单：

1 增压装置

2 涡轮机壳体

3 压气机壳体

4 轴承壳体

5 轴

6 压气机轮

7 叶片支承环

8 调节叶片

9 调节环

10，10’ 涡轮

11 进气道

12 叶片体

14 后壁

16 轮毂

18 进流面

20，20’ 迎流边缘

22 出流面

24 出流边缘

26 表面

28 外边缘

30-38 曲线

40 最大值

40’ 最大值

40” 最大值

Claims (13)

1.一种涡轮，其中，该涡轮(10)在形成后壁(14)的轮毂(16)上具有多个叶片体(12)，其中，相邻的叶片体(12)形成带有两个迎流边缘(20)的进流面(18)和带有两个出流边缘(24)的轴向处于内部的出流面(22)，其中，叶片体(12)的表面(26)能够通过在该迎流边缘(20)与该出流边缘(24)之间并排的多条曲线(30，...，38)由角度(T)和长度(Z0)确定，其中，该角度(T)从该迎流边缘(20)起在长度(Z0)增大的情况下对于这些曲线(30，...，38)中的每条曲线首先增大或保持恒定并且随后减小，从而形成最大值(40，40’，40”)，其中，该角度(T)形成为极角，并且该长度沿着关于涡轮(10)的转动方向(R)的转动轴线(Z)来形成，该角度(T)的零点被选择成沿该迎流边缘(20)在该转动方向(R)的方向上增大，且该长度(Z0)沿该转动轴线(Z)被标准化。

2.根据权利要求1所述的涡轮，其中，多条曲线(30，...，38)从叶片体(12)与轮毂(16)之间的过渡部起直到该叶片体(12)的外边缘(28)地形成。

3.根据权利要求2所述的涡轮，其中，所述多条曲线(30，...，38)被选择为等距地间隔开。

4.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，所述多条曲线(30，...，38)被选择为居中地处在该叶片体(12)中。

5.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，在叶片体(12)与该轮毂(16)之间的过渡部处，对应曲线(30)的该角度(T)首先增大，在长度(Z0)的40％至50％的范围内具有该最大值(40)并且随后减小。

6.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，在该过渡部处的曲线(30)与该外边缘(28)处的曲线(38)之间的这些曲线(32，34，36)的角度(T)相比于最大值(40)具有较不突显的最大值(40’)。

7.根据权利要求6所述的涡轮，其中，对应曲线(32，34，36)的这些角度(T)在长度(Z0)的20％至40％范围内具有各自的最大值(40’)。

8.根据权利要求6所述的涡轮，其中，这些最大值(40’)针对相邻的曲线(32，34，36)沿该外边缘(28)的方向过渡至平台。

9.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，在过渡部处的曲线(30)与该外边缘(28)处的曲线(38)之间的这些曲线(32，34，36)的这些角度(T)各自具有呈平台形式的最大值。

10.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，沿着该叶片体(12)的外边缘(28)，对应曲线(38)的该角度(T)在直至该长度(Z0)的20％的范围内保持恒定并且随后减小，从而形成呈平台形式的最大值(40”)。

11.根据权利要求2或3所述的涡轮，其中，沿着该叶片体(12)的该外边缘(28)，对应曲线(38)的角度(T)在小于该长度(Z0)的5％的范围内具有最大值(40”)。

12.根据权利要求1所述的涡轮，其中，所述涡轮是在用于内燃机的增压装置中的涡轮。

13.一种增压装置，具有用于内燃机的可变的涡轮机几何结构，该增压装置在轴承壳体(4)内在轴(5)上具有压气机轮(6)以及在具有可变的涡轮机几何结构的布置结构中具有驱动该压气机轮(6)的涡轮(10)，其中，该涡轮(10)在形成后壁(14)的轮毂(16)上具有多个叶片体(12)，其中，相邻的叶片体(12)形成带有两个迎流边缘(20)的进流面(18)和带有出流边缘(24)的轴向处于内部的出流面(22)，其中，叶片体(12)的表面(26)能够通过在该迎流边缘(20)与该出流边缘(24)之间并排的多条曲线(30，...，38)由角度(T)和长度(Z0)来表征，其中，该角度(T)从该迎流边缘(20)起在长度(Z0)增大的情况下针对这些曲线(30，...，38)中的每条曲线首先增大或保持恒定并且随后减小，从而形成最大值(40，40’，40”)。