CN112424449A - 用于涡轮机器的叶片和护罩布置 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于涡轮机器的涡轮机，其中，在涡轮机叶轮(9)的进气口处，叶片(7)从喷嘴环(5)延伸穿过护罩(6)中的狭槽。叶片(7)形成有前部以及后部，该前部布置成接触相应的狭槽的前部，当叶片和狭槽的前部在一起时，该后部被成型为与狭槽的相应后部在室温下保持基大体恒定的间隔。该接触可以是点接触，例如，靠近叶片的前边缘。替代地，叶片可以包括前表面部分，该前表面部分与狭槽中的一个的相应的前表面部分的形状紧密一致。

Description

用于涡轮机器的叶片和护罩布置

技术领域

本发明涉及一种叶片和护罩布置，其用于定位在涡轮机器(诸如涡轮增压器)的进气口处。

背景技术

涡轮增压器是用于以高于大气压力(增压)的压力将空气供应给内燃机的进气口的公知设备。传统的涡轮增压器主要包括安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上的废气驱动的涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机的进气歧管，从而增加发动机功率。涡轮增压器轴通常由轴颈和推力轴承(包括适当的润滑系统)支撑，轴颈和推力轴承位于连接在涡轮机和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。

在已知的涡轮增压器中，涡轮机级包括涡轮机腔室，涡轮机叶轮安装在涡轮机腔室内；环形入口通道，其限定在围绕涡轮机腔室布置的面对的径向壁之间；围绕入口通道布置的入口；以及从涡轮机腔室轴向延伸的出口通道。通道和腔室连通，以使得进入到入口腔室的加压废气经由涡轮机从入口通道流向出口通道，并使涡轮机叶轮旋转。

已知通过在入口通道中设置称为喷嘴叶片的叶片以使流过入口通道的气体朝向涡轮机叶轮的旋转方向偏转来提高涡轮机性能。每个叶片为大体层状，并且定位成具有一个径向外表面，该径向外表面被布置成与入口通道内的废气的运动相对，即入口通道中的废气运动的径向向内分量使得将废气引导到叶片的外表面上，然后将其重新定向为周向运动。

涡轮机可以是固定或可变几何形状类型。可变几何形状类型的涡轮机与固定几何形状涡轮机的不同之处在于，可以改变入口通道的几何形状以在一定质量流量范围内优化气体流速，从而可以改变涡轮机的功率输出以适应变化的发动机需求。

在可变几何形状涡轮增压器的一种形式中，喷嘴环承载有多个轴向延伸的叶片，这些叶片延伸到进气口中，并穿过护罩中的相应孔(“狭槽”)，该护罩形成进气口的径向延伸壁。喷嘴环可通过致动器轴向移动以控制空气通道的宽度。喷嘴环的运动还控制叶片突出穿过相应狭槽的程度。

在图1(a)和图1(b)(来自US 8,172,516)中示出了这种可变几何形状涡轮增压器的示例。所示的可变几何形状涡轮机包括涡轮机壳体1，该涡轮机壳体1限定了入口腔室2，来自内燃机(未示出)的气体被输送至该入口腔室2。废气从入口腔室2经由环形入口通道4流到出口通道3。入口通道4的一侧由构成喷嘴环的可移动环形壁构件5的表面限定，而相对侧由环形护罩6限定，该环形护罩6覆盖面对壁中的环形凹部8的开口。

从入口腔室2到出口通道3的气体流经涡轮机叶轮9，结果扭矩施加到由驱动压缩机叶轮11的轴承组件14支撑的涡轮增压器轴10。压缩机叶轮11绕旋转轴线100的旋转对进气口12中存在的环境空气进行加压，并将加压空气输送至出气口13，从该出气口13将其馈送到内燃机(未示出)。涡轮机叶轮9的速度取决于通过环形入口通道4的气体的速度。对于流入入口通道的固定质量率的气体，气体速度是入口通道4宽度的函数，该宽度可通过控制喷嘴环5的轴向位置进行调节。随着入口通道4的宽度减小，穿过它的气体的速度增加。图1(a)示出了关闭到最小宽度的环形入口通道4，而在图1(b)中示出了入口通道4完全打开。

喷嘴环5支撑一阵列的周向且等距的叶片7，叶片7中的每一个在入口通道4上延伸。叶片7定向成使流过入口通道4的气体朝涡轮机叶轮9的旋转方向偏转。当喷嘴环5接近环形护罩6和面对壁时，叶片7穿过护罩6中适当构造的狭槽突出并进入凹部8。每个叶片具有更靠近旋转轴线100的“内”主表面和更远离旋转轴线100的“外”主表面。喷嘴环5和护罩6均处于绕轴线100的固定角度位置。叶片7在图1(a)和图1(b)中示出为具有倒角的端部(朝图的右侧)，但是在大多数现代布置中，叶片在其整个长度上是纵向对称的，或者是由两个区段组成的，其中每个区段都是纵向对称的，但是在轴向方向上观看时具有彼此不同的轮廓。

气动或液压操作的致动器16可操作以经由致动器输出轴(未示出)控制喷嘴环5在由涡轮机壳体的部分26限定的环形腔19内的轴向位置，该致动器输出轴连接到镫形物(stirrup)构件(未示出)。镫形物构件继而接合支撑喷嘴环5的轴向延伸的导向杆(未示出)。因此，通过适当地控制致动器16，可以控制导向杆的轴向位置，并因此可以控制喷嘴环5的轴向位置。应当理解，电气地操作的致动器可以代替气动或液压致动器16使用。

喷嘴环5具有分别轴向延伸的内环形凸缘17和外环形凸缘18，内环形凸缘17和外环形凸缘18延伸到环形腔19中，该环形腔19通过壁27与腔室15分开。分别设置内密封环20和外密封环21以相对于环形腔19的内环形表面和外环形表面密封喷嘴环5，同时允许喷嘴环5在环形腔19内滑动。内密封环20被支撑在腔19的内表面中形成的环形槽22内，并抵靠喷嘴环5的内环形凸缘17，而外密封环21被支撑在设置于喷嘴环5的环形凸缘18内，并抵靠在腔19的径向最外侧的内表面上。应当理解，内密封环20可以安装在凸缘17中的环形槽中(而不是如图所示)，和/或外密封环21可以安装在设置在腔的外表面内的环形凹槽中(而不是如图所示)。第一组压力平衡孔25设置在喷嘴环5中的限定在相邻孔之间的叶片通道内，而第二组压力平衡孔24设置在喷嘴环5中的喷嘴叶片通道的半径之外。

注意，在其他已知的涡轮机器中，喷嘴环轴向固定，并且替代地设置有致动器，以用于沿平行于旋转轴线的方向平移护罩。这被称为“移动护罩”布置。

在使用叶片穿过护罩中的狭槽突出的已知可变几何形状涡轮机器中，在叶片与狭槽的边缘之间设置有间隙，以在涡轮增压器变得更热时允许叶片热膨胀。从轴向方向上观看，叶片和狭槽具有相同的形状，但是叶片小于狭槽。在典型的布置中，叶片以每个叶片的轴向中心线定位在相应狭槽的中心，以使得在远离横向于涡轮机的轴线的中心线的所有方向上，从中心线到叶片的表面的距离与从中心线到相应狭槽的边缘的距离的比例相同。叶片与狭槽之间的间隙通常设置为在室温(此处定义为20摄氏度)下围绕叶片的整个外围的叶片中心距旋转轴线的距离(“喷嘴半径”)的至少约0.5％(例如，对于46.5mm的喷嘴半径，间隙可以为0.23mm或喷嘴半径的0.5％)。这意味着，如果叶片中的每一个垂直于轴向方向逐渐地热膨胀，则叶片的外围周围的所有点将同时接触狭槽上的相应点。在所有较低温度下，叶片的整个外围与相应狭槽的边缘之间都存在间隙。

发明内容

本发明旨在提供用于涡轮机器中的新的和有用的叶片和护罩组件，以及结合有该叶片组件的新的和有用的涡轮机器(特别是涡轮增压器)。

在较早的专利申请(GB1619347.6，其在本申请的优先权日未公开)中，本申请人提出了在一种涡轮机器的涡轮机中，在该种涡轮机器中，叶片在喷嘴环和护罩之间的进气口处从喷嘴通过护罩中的狭槽突出，每个叶片的横向表面(即，横向于旋转轴线)的一个“共形(conformal)”部分大体上与相应狭槽的横向表面的相应“共形”部分的形状一致，以便使表面的相应共形部分相对于彼此放置，并且在它们之间只有很小的间隙。这样做的优点是，可以大大减少叶片表面的相应共形部分与狭槽之间的气体流动。这减少了气体从喷嘴环泄漏到护罩的另一侧上的凹部中或从该凹部泄漏出来。这种泄漏减少了由叶片引起的气体的周向重新定向，并且已经发现会导致效率上的重大损失。

尽管该建议代表了涡轮技术的重大技术进步，但是本发明人发现，实际上其优点可能无法完全实现。首先，叶片和狭槽的形成受公差的影响，因此叶片和狭槽之间的精确一致性可能是不可能的。其次，在涡轮增压器已经使用了一段时间之后，由于废气中的碎屑，叶片易受异物损坏(FOD)，这降低了叶片和狭槽的形状之间的一致性的质量。

一般而言，本发明提出了叶片和狭槽被形成和布置成使得在它们之间在叶片的前表面部分处有接触。远离前表面部分、朝向叶片的后边缘，叶片和狭槽包括各自的后部，该后部例如以大体恒定的量间隔开并且彼此形状一致。

本发明是基于发明人观察到FOD损坏通常不存在于叶片的径向内表面的前部而有动机提出的，因此应该有可能在叶片和狭槽的边缘之间的该区域实现高质量的接触。然而，如果叶片的后部设计为非常靠近狭槽的边缘，则那里的少量FOD损坏或叶片或狭槽的该部分的缺陷可导致叶片的前部与狭槽边缘不利地间隔开。通过形成叶片的与狭槽边缘间隔开的后部，可以减轻这种影响。

形成狭槽和叶片表面的后部可以被认为类似于在物体的机械切割中使用的浮雕切割，这减少了由于物体远离发生切割的部分而阻碍切割的风险。

此外，将叶片和狭槽布置成在它们各自的后部中间隔开，可以减少由于热瞬变而使叶片被捕获在狭槽上的机会。这是因为喷嘴和狭槽的后部的不均匀(differential)的热膨胀不太可能使它们彼此碰撞，即使其导致它们之间的间隙减小。

本发明的具体表达是一种涡轮机，其包括：

(i)涡轮机叶轮，其具有轴线，

(ii)涡轮机壳体，其用于限定用于容纳涡轮机叶轮以使涡轮机叶轮绕轴线旋转的腔室，涡轮机壳体还限定进气口，以及从进气口到腔室的环形入口通道，

(iii)环形护罩，其限定多个狭槽并且围绕轴线，每个狭槽具有狭槽表面；以及

(iv)喷嘴环，其支撑多个叶片，多个叶片从喷嘴环平行于轴线延伸并突出穿过狭槽中的相应狭槽；

叶片中的每一个具有：

轴向延伸的叶片表面，其包括(i)面对相应狭槽的径向外表面的叶片外表面，(ii)面对相应狭槽的径向内表面的相对的叶片内表面，以及

中线，其位于叶片内表面和叶片外表面之间并从叶片的前端延伸到叶片的后端；

叶片可定位成使得叶片内表面的前表面部分接触相应狭槽表面的相应前表面部分；

叶片内表面还包括沿中线的至少33％延伸的后表面部分，并且其在室温下并且当与前表面部分接触时，与狭槽表面的相对的后表面部分以在10微米至250微米的范围内，更优选地至少25微米和/或不超过100微米的距离间隔开。

此间距可在低间距与高间距之间实现有效的折衷，低间距可减少后部之间的气体泄漏，高间距将减少内叶片内表面和狭槽表面的后部中有缺陷的趋势，以使这些表面相遇。

优选地，在室温下，叶片表面的后表面部分和狭槽表面的后表面部分的相应轮廓彼此相差不超过30微米，20微米，或甚至10微米(对于48.1mm的喷嘴半径，它们对应于喷嘴半径的0.05％，0.04％，或甚至0.02％)。

叶片表面和狭槽表面的后表面部分的一致性可以意味着叶片的后表面部分上的每个点与狭槽内表面上的各个相应点间隔开的距离在喷嘴半径的0.1％-0.3％的范围内。对于48.1mm的喷嘴半径，这将是大约0.05mm至0.15mm的距离范围。

在第一种情况下，叶片的前表面部分可以很短(例如，不超过中线长度的5％)，或者甚至是点接触。这可能具有使叶片由于热瞬变而被捕获在狭槽上的风险最小化的优点，因为叶片彼此靠近的区域的尺寸很小。

在第二种情况下，叶片的前表面部分可以更长(例如，沿着中线长度的至少15％延伸)。前表面部分的长度例如可以与从100％减去叶片内表面的后表面部分沿其延伸的中线的百分比小于10％。叶片的前表面部分可以布置成与相应狭槽的前表面部分的形状紧密一致。它们可以设计为具有完全相同的形状。然而，实际上，由于机械加工公差，叶片表面的前表面部分和相应狭槽表面的相应前表面部分的相应轮廓可以在1微米至50微米的范围内，或更优选地在1微米至25微米的范围内的量彼此相差。该差异优选地小于叶片内表面和狭槽表面的后部的最小间隔。

叶片表面的前表面部分可沿着中线的长度的15-20％或中线的长度的15-25％延伸。

叶片的前表面部分可包括中线与叶片的前边缘相交的点。实际上，当叶片表面和狭槽表面的前表面部分接触时，叶片表面和狭槽表面可进一步在叶片的径向外表面上的至少一个点处彼此接触。

叶片表面的后部可以延伸中线的长度的至少50％，至少60％或至少70％。

在该文献中，叶片内表面和狭槽表面的后表面部分的间隔开一定距离范围的陈述是指从后表面部分中的每个点到后狭槽表面的后表面部分的相应最近点的相应距离在此范围内。该陈述指的是与狭槽表面轴向对齐的叶片内表面的部分。

在本文档中，两条线彼此相差不超过一定距离x的陈述可理解为意味着可以放置线，以使得线不交叉，并且沿线中任何一条的点都不会比距另一条线的距离x远。叶片表面的前表面部分和狭槽表面的相应前表面部分彼此相差不超过特定距离x的陈述是指叶片表面的前表面部分和狭槽表面的前表面部分的部分彼此轴向对齐，并且在轴向方向上观察时显示为相应的线。以这种观点，这些线彼此相差不超过距离x。

优选地，涡轮机是其中叶片和狭槽的径向内表面处于比径向外表面低的压力的类型。

涡轮机可以包括旋转机构，该旋转机构在将叶片和狭槽的相应前表面部分一起推动的意义上用于产生用于促使喷嘴环相对于护罩旋转的旋转扭矩。在一些布置中，该旋转机构仅是废气施加在叶片上的力。

附图说明

现在将参考以下附图，仅出于示例的目的描述本发明的实施例，其中：

图1由图1(a)和图1(b)组成，图1(a)是已知的可变几何形状涡轮机的轴向横截面，图1(b)是图1(a)的涡轮机的部分的横截面；

图2是可用于图1的已知布置中的喷嘴环的轴向视图；

图3是可用于图1的已知布置中的护罩的轴向视图；

图4示出了图2的喷嘴环和图3的护罩之间的位置关系；

图5示出了叶片与相应狭槽之间的可能的位置关系；

图6示出了在涡轮机叶片上异物损坏的形成；

图7示出了叶片的外表面的不受异物损坏的区域；

图8示出了如何由于异物损坏而修改图5的位置布置；

图9示出了本发明的第一实施例中的叶片和相应狭槽的位置关系；

图10由图10(a)和图10(b)组成，其示出了本发明的第一实施例中的狭槽的轮廓；以及

图11示出了本发明的第二实施例中的叶片和相应狭槽的位置关系。

具体实施方式

参照图2，示出了可用于图1的已知涡轮增压器中的喷嘴环。喷嘴环是在图1(a)中所示的轴向方向上的右侧(此方向也在此处称为“从涡轮增压器的涡轮机端”)从在喷嘴环5和护罩6之间的位置观看的。

涡轮机叶轮9(图2中未示出，但在图1(a)中可见)和压缩机叶轮11(图2中也未示出，但在图1(a)中可见)绕其旋转的轴线表示为100。

在该轴向方向上观察，大体平面的环形喷嘴环5围环绕轴线100。叶片7从喷嘴环5沿轴向方向突出。通过限定居中地位于轴线100上并穿过叶片7的轮廓的中心的圆70，我们可以将喷嘴半径71限定为圆70的半径。气体在喷嘴环5和护罩6之间的间隙中径向向内移动。

喷嘴环5通过致动器16(在图2中未示出，但在图1(a)中可见)在由涡轮机壳体的部分60限定的环形腔(在图2中也未示出，但在图1(a)中可见)内轴向移动。每个叶片7可选地是纵向对称的(也就是说，沿轴向方向看，其轮廓在所有轴向位置上可以相同)，尽管在一些实施例中，只有叶片7的部分是纵向对称的。沿着纵向轴线看，叶片(或其纵向对称部分)的轮廓是细长的，其具有两个端部，其中中线在这些端部之间延伸。在中线的任一侧是叶片的主表面，其中轮廓具有相对较低的曲率，而位于中线的任一端处的轮廓的曲率较高。

致动器经由两个轴向延伸的导向杆在喷嘴环5上施加力。在图2中，省略了喷嘴环5的部分32，使得可以看到喷嘴环5与导向杆中的第一个之间的连接。未示出导向杆，但是其中心位于标记为61的位置。导向杆与托架33(通常称为“脚”)一体形成，该托架33从导向杆周向延伸到任一侧。托架33包括两个圆形孔62、63。喷嘴环5的背向护罩6的表面形成有从喷嘴环6突出的两个凸台34、64。每个凸台34、64具有圆形轮廓(在轴向方向上观察)。凸台34、64分别插入孔62、63中，并且凸台34、64的尺寸使得凸台34大体上充满孔62，而凸台64比孔63窄。凸台34和孔62之间的连接将喷嘴环5的周向位置相对于托架33固定(在典型的实现中，喷嘴环5和护罩6围绕轴线100的相对周向运动不大于0.05度)。但是，如果导向杆由于热膨胀而径向分开，则凸台64和孔63之间的间隙允许托架33围绕凸台34略微旋转。因此，将凸台34称为“枢轴”。

沿轴向方向看，导向杆中的第二个连接到喷嘴环5的位置被示为31。喷嘴环5和第二导向杆之间的连接是由于第二托架(在图2中不可见)一体地附接到第二导向杆。第二托架以与托架33相同的方式附接到喷嘴环5的后表面。第二托架的枢轴位于位置35。

孔24、25是设置在喷嘴环5中用于平衡压力的平衡孔。提供了它们以在喷嘴环5上获得期望的轴向负载(或力)。

面向喷嘴环5的是图3所示的护罩6。图3是从喷嘴环5朝着护罩6看的视图(即，朝向图1的右侧)。护罩限定用于接收叶片7中的相应的一个的狭槽30(也就是说，通孔)。每个狭槽的边缘是面向内的横向(即，横向于轴线100)狭槽表面。注意，在图3中，狭槽30未示出为具有与图2的叶片7相同的轮廓，但是尽管狭槽的尺寸大于叶片的尺寸，但是通常各个轮廓确实具有大体相同的形状。

图4是沿轴向方向从喷嘴环5朝着护罩6的另一视图(即，朝向图1(a)的右侧)，其示出了插入到相应的代表性狭槽30中的代表性叶片7。叶片7具有大体弓形(新月形)的轮廓，尽管在其他形式中，叶片为大体平面。

具体地，叶片7具有更靠近叶轮的叶片内表面41。叶片内表面41通常在轴向方向上为凹形，但是可替代地可以是平面的。叶片7还具有叶片外表面42，该叶片外表面42更靠近涡轮机的排气入口。叶片内表面和外表面41、42中的每一个是叶片的主表面。叶片外表面42在轴向方向上通常是凸形的，但是也可以是平面的。叶片7的主表面41、42面向大体相反的方向，并通过两个轴向延伸的端面43、44连接，在轴向方向上观察，该端面43、44的曲率半径小于两个表面41、42中的任一个的曲率半径。端面43、44分别称为前边缘表面43和后边缘表面44。

在大多数布置中，叶片外表面42布置为与入口通道中的废气的运动相反，即，废气在入口通道中的运动使得废气引导到叶片外表面上。因此，叶片外表面42通常处于比叶片内表面41更高的压力，并且被称为“高压”(或简称为“压力”)表面，而叶片内表面41被称为“低压”(或“抽吸”)表面。这些相对的面向内表面的相应部分限定了狭槽30的边缘，并被赋予相同的相应名称。

沿轴向方向看，每个叶片7具有中线51，该中线从叶片的一端延伸到另一端(沿轴向方向看时，叶片内表面和外表面41、42之间的一半距离)，并且该中线同时具有径向分量和周向分量。我们将叶片内表面41面向的狭槽表面称为狭槽内表面46，并将叶片外表面42面向的狭槽表面称为狭槽外表面47。如图4所示，在叶片7的外围与狭槽30的表面之间存在具有大体恒定的宽度的间隙。该间隙包括四个部分：在叶片内表面41与狭槽内表面46之间；在叶片外表面42与狭槽外表面47之间；以及在叶片的前边缘表面43和后边缘表面44与狭槽边缘的相应前部49和后部59之间。表面46、47、49和59一起构成限定狭槽的面向内的狭槽表面。

图5示出了在GB1619347.6中提出的在叶片和护罩狭槽之间的可能的位置布置。涡轮机具有图1和图2所示的形式，不同之处在于，护罩中的叶片和/或狭槽的形状和尺寸不同。在图5中，与图1至图4的元件相对应的元件被赋予附图标记加100。因此，在代表性狭槽130内描绘了代表性叶片107。叶片外表面142面向狭槽外表面147，并且叶片内表面141面向狭缝内表面146。可选地，叶片107可以在其整个长度上是纵向对称的(即沿轴向方向看，在所有轴向位置上的轮廓都相同)。在另一可能性中，只有叶片107的部分可以是轴向对称的，例如包括当叶片107处于其最前进位置时可插入狭槽130的部分。在这种情况下，图5所示的叶片部分是叶片的该轴向对称部分的部分。叶片107与喷嘴环5(例如通过铸造和/或机械加工)一体地形成为单件单元。

与图4的已知叶片相反，图5的叶片107在叶片内表面141和相对的狭槽内表面146之间具有较窄的间隙。相反，在叶片外表面142和狭槽外表面147的相应部分147之间存在更宽的间隙。这意味着，在进入在外部叶片表面142与狭槽外表面147之间的护罩凹部8的废气被大量地防止离开叶片内表面141与狭槽内表面146之间的护罩凹部。

为了进一步实现此效果，叶片表面和狭槽表面形成有共形部分145，该共形部分沿着中线151的长度的至少大约80％延伸。如图5所示，图5中叶片表面的共形部分145包括叶片内表面141的大体上全部。叶片内表面141的轮廓(即，沿轴向方向观察的形状)与狭槽内表面146的对应部分彼此非常相似，因此它们就可以沿着共形部分145的整个长度彼此抵靠放置，其中在它们之间具有很小的间隙。具体地，在室温下，叶片内表面141的轮廓和狭槽内表面146的相应部分使得它们可以彼此抵靠定位，其中在它们之间具有间隙，该间隙(例如横向于中线)不大于喷嘴半径71的0.35％。叶片的前边缘表面143与狭槽130的内表面的相应部分149接触。

如果叶片107和护罩之间存在不均匀的热膨胀(例如，由于它们由不同的材料形成和/或经历不同的温度)，则可以迫使叶片107的共形部分抵靠狭槽内表面146。它们之间的磨擦力然后可以防止叶片相对于护罩的轴向运动。但是，系统中存在一定的自由运动(freeplay)(例如，由于喷嘴环5与杆连接(如图2所示)，喷嘴环可具有一定的固有自由度以绕轴线100旋转)，这允许叶片107从狭槽的共形表面缩回一定程度。

图6和图7示出了在使用图5的涡轮机期间异物损坏(FOD)的形成。大箭头表示进入涡轮机的废气的总体旋转方向以及涡轮机叶轮的旋转方向。图6是护罩在轴向方向上的视图，并且图7是图6的放大部分。护罩限定狭槽130，狭槽130包含相应的叶片107。实验已经发现，对于叶片107中给定的一个(指示为107a)，存在线150，该线150从相邻叶片(指示为107b)的后边缘沿上游方向(即沿叶片107a与图6中的大箭头相反的方向)延伸，使得叶片107b保护叶片107a免受在线150的径向外侧叶片107a的内表面的“前表面部分”160中的FOD。实际上，线150表示仅穿过叶片107b的内端并然后撞击在叶片107a上的碎屑颗粒的轨迹。对叶片107a的所有FOD损坏都在线150与叶片107a的内表面的截距与叶片107a的后边缘165之间。

在喷嘴半径为48.1mm的喷嘴环并且每个叶片具有23mm的长度(即，中线长度)的情况下，已经发现叶片内表面141的未损坏部分从前边缘167处的中线的端部开始延伸中线长度的至少前4mm(即叶片长度的17％)。在4mm至5mm之间，有一些小的撞击坑和小凹痕。在距叶片107a的前边缘167的5mm以外的所有点处，表面具有相同的状况。观察到该效果在涡轮机的所有叶片上均相等。(注意，计算机模拟表明，所有FOD距离前端167至少为5.5262mm，但发现了这被高估了。)

图8示出了在叶片107a的尾部处的FOD的结果。假设在叶片107a的后边缘165附近的点161处，叶片107的内表面存在FOD(例如凸起的陷口)，这导致叶片107a的内表面141靠近损坏的部分与相对的狭槽内表面146间隔0.05mm的距离。已经发现，这可能导致在叶片内表面141上的前边缘167附近的点162处，叶片107a与狭槽内表面146之间具有较大的间隔(例如0.15mm)。气体能够穿过该间隙(从护罩后面的凹部)到达叶片107的低压侧，从而降低了涡轮机的效率。

转到图9，示出了本发明的第一实施例的部分。该实施例包括具有平行于轴线100纵向对称的至少一部分的代表性叶片207，以及具有沿方向100纵向对称的代表性狭槽230。图9的视图平行于方向100观看，并且在横截面中示出了纵向对称叶片207(叶片207的纵向对称的部分)。叶片207具有相对的主表面(内表面和外表面)，其中中线(未示出)在它们之间的中间，并从叶片207的前边缘延伸到后边缘。在中线的任一侧是叶片的主表面，其中轮廓具有相对低的曲率，并且在中线的任一端的轮廓的曲率高于在主表面上的曲率。

该实施例是一种涡轮机，其具有与图1-3的已知系统的涡轮机相同的构造(并且因此，与图5-8的叶片和狭槽的相应元件相对应的元件被赋予附图标记加100)，其中唯一的区别是叶片207的径向内表面241(叶片内表面)和/或狭槽230的狭槽内表面246具有与图1-3的已知系统不同的相应轮廓。

首先，在叶片207的前表面部分260中，叶片内表面241和狭槽内表面246彼此紧密贴合。特别地，它们可以设计为具有完全相同的形状，但实际上彼此相差1微米至50微米，或更优选地为1微米至25微米。

其次，当叶片内表面241和狭槽内表面246在前部260中彼此接触时，在叶片内表面241上的比前部260更靠近后边缘265的所有位置处(这组位置被称为叶片内表面241的“后表面部分”266)，叶片内表面241与狭槽内表面246间隔开。大体上所有后表面部分266中的间隔可以为至少0.05mm，在喷嘴半径为48.1mm的喷嘴环的情况下，其大约为喷嘴半径的0.1％。实际上，叶片207或狭槽230的制造公差会导致该间距减小。此外，在使用中，由于叶片内表面241上的陷口损坏，该间隔在后表面部分266内的隔离位置处减小。

然而，即使在后表面部分266中存在FOD，其导致叶片内表面241的表面升高0.05的高度，这也不会导致叶片内表面241在后表面部分266中冲击狭槽内表面246，并且因此不会导致叶片内表面241与前表面部分260中的狭槽内表面246间隔开。

类似地，如果由于叶片207和/或狭槽230的制造中的公差而在后表面部分266中叶片207的内表面241恰好在朝着狭槽内表面246的方向上变形了0.05mm的距离，这将不会导致叶片内表面241撞击叶片内表面241的后表面部分中的狭槽内表面246，因此，它不会使内表面241与前表面部分260中的狭槽内表面246间隔开。实际上，叶片207和狭槽230的制造公差可高达0.1mm，因此0.05mm的间隔仅减小了叶片内表面241与前表面部分260中的狭槽内表面246间隔开的机会。因此，可能优选在至少大部分后表面部分266中在叶片内表面241和狭槽内表面246之间提供较大的间距，例如0.1mm的间距。

叶片内表面241和狭槽内表面246之间的后表面部分266中的间隔具有进一步的优点，即降低了叶片207由于热瞬变而粘附到护罩上的风险。

在图9中，示出了叶片狭槽和狭槽表面的接触部分的范围包括直到叶片207的前端267的叶片的所有径向内表面，但是不包括叶片207的任何径向外表面。然而，在该实施例的变型中，靠近叶片207的前缘的叶片207的径向外部可以接触狭槽表面(以图7所示的方式)。

图10(a)示出了不存在叶片的狭槽230的轮廓。该视图平行于旋转轴线100，并且该狭槽在此方向上纵向对称。狭槽内表面246包括前表面部分2461，当存在叶片207时，前表面部分2461沿着叶片内表面241的前表面部分260放置。狭槽内表面246还包括后表面部分2462，该后表面部分2462在使用中与叶片内表面241的对应的后表面部分间隔开。如图10(b)所示，其是图10(a)的部分的放大图，在狭槽内表面246的前表面部分2461和后表面部分2462之间存在过渡区域2463，其包括表面246的凸形部分2464和表面246的凹形部分2465。沿着部分2461的叶片的长度可以是大约5.33mm，并且部分2464、2465中的每一个的曲率半径可以是约0.5mm(即降低约10倍)。

转到图11，示出了本发明的第二实施例的视图。与第一实施例的元件具有相同含义的元件被赋予附图标记加100。该实施例包括叶片307，其具有平行于轴线100纵向对称的至少一部分，以及狭槽330，该狭槽330在方向100上纵向对称。如在第一实施例中那样，叶片307具有相对的主表面(内表面和外表面)，其中中线位于它们之间的中间，并从叶片的前边缘延伸到后边缘。图11的视图是平行于方向100观看的，并且在截面中示出了纵向对称的叶片307(叶片307的纵向对称的部分)。叶片内表面341的后表面部分366(再次是叶片的低压侧)与狭槽内表面346的后表面部分3461共形。两个后表面部分稍微间隔开，例如，在它们之间具有大体恒定的间距。该间隔通常在10微米至250微米的范围内，并且更优选地为至少25微米和/或不大于100微米。然而，叶片内表面341还包括与狭槽内表面346的前表面部分3462相对的前表面部分368，其逐渐接近叶片内表面341，直到两者在接触点3463处彼此接触。接触点3463可以在线3464上，该线3464与叶片307的轮廓相切并穿过位于护罩的中心的旋转轴线100。选择该位置以最小化(或大体消除)在叶片和护罩之间传递的径向力。

从点3463朝向叶片307的前边缘367，叶片的前边缘表面343与狭槽330的内表面346的相对的相应部分349间隔开。接触点3463与叶片的前边缘367的距离可能小于中线长度的10％，或甚至小于5％。叶片307和狭槽330的内表面之间的接触沿着其相对的主表面之间的叶片的中线的远小于5％的方向延伸，例如沿中线长度的小于1％，或甚至沿中线长度的0.1％。

由于狭槽内表面346的后表面部分3461与叶片内表面341的后表面部分366间隔开，因此由于机械加工公差和/或由于对叶片307的FOD而在后表面部分上的缺陷不会导致后表面部分彼此接触。因此，在使狭槽内表面346和叶片内表面341在其相应的前表面部分368、3462中分开的后表面部分之间没有产生力，以使得失去了在接触点3463处的接触。

由于叶片307和狭槽330之间的所有接触都在狭窄的接触点3463上，因此几乎没有叶片307被锁定在狭槽330上的风险，使得叶片307在轴向方向上的滑动运动被削弱。

Claims (8)

1.一种涡轮机，包括：

(i)涡轮机叶轮，其具有轴线，

(ii)涡轮机壳体，其用于限定腔室，其用于接收所述涡轮机叶轮以使所述涡轮机叶轮绕所述轴线旋转，所述涡轮机壳体还限定进气口以及从所述进气口到所述腔室的环形入口通道，

(iii)环形护罩，其限定多个狭槽并且围绕所述轴线，每个狭槽具有狭槽表面；以及

(iv)喷嘴环，其支撑多个叶片，所述多个叶片从所述喷嘴环平行于所述轴线延伸并突出穿过所述狭槽中相应的狭槽；

所述叶片中的每一个具有：

轴向延伸的叶片表面，其包括(i)面向相应的所述狭槽的径向外表面的叶片外表面，(ii)面向相应的所述狭槽的径向内表面的相对的叶片内表面，以及

中线，其位于所述叶片内表面和所述叶片外表面之间并从所述叶片的前端延伸到所述叶片的后端；

所述叶片可定位成使得所述叶片内表面的前表面部分接触相应狭槽表面的相应前表面部分；

所述叶片内表面还包括沿所述中线的至少33％延伸的后表面部分，其在室温下并且当与所述前表面部分接触时，与所述狭槽表面的相对的后表面部分以在10微米至250微米的范围内的距离间隔开。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，在室温下并且当与所述前表面部分接触时，所述后表面部分以在25微米至100微米的范围内的距离间隔开。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的涡轮机，其中，所述叶片表面的所述后部沿所述中线的长度的至少50％，并且更优选地至少60％、至少70％或至少80％延伸。

4.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的涡轮机，其中，所述叶片的所述前表面部分沿所述中线的长度的至少15％延伸，所述叶片表面的所述前表面部分和相应狭槽表面的相应前表面部分的相应轮廓彼此相差不超过1微米至50微米，或更优选地1微米至25微米。

5.根据权利要求4所述的涡轮机，其中，所述前边缘部分包括所述中线与所述叶片的所述前边缘相交的点。

6.根据权利要求1或权利要求2或权利要求3所述的涡轮机，其中，所述叶片的所述前表面部分沿小于所述中线的长度的5％延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，在使用中，所述叶片和狭槽的所述表面的径向内部分处于比所述叶片和狭槽的所述表面的径向外部分低的压力。

8.一种涡轮增压器，其包括根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机。

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