CN116006269A - 涡轮增压器涡轮机叶轮 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括：轮毂，该轮毂包括旋转轴线、后盘以及鼻部，其中该旋转轴线在圆柱坐标系中限定了轴向坐标(z)，该圆柱坐标系包括在围绕该旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标(
Figure DEST_PATH_IMAGE001
)；以及从轮毂向外延伸的叶片，其中每个所述叶片包括进口段部分和出口段部分，其中在进口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个所述叶片包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且其中在出口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个所述叶片包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。

Description

涡轮增压器涡轮机叶轮
技术领域
本文所公开的主题总体上涉及用于内燃机的涡轮增压器涡轮机叶轮。
背景技术
涡轮增压器可包括旋转组，该旋转组包括通过轴彼此连接的涡轮机叶轮和压缩机叶轮。例如，涡轮机叶轮可以焊接或以其他方式连接到轴以形成轴和叶轮组件(SWA)，并且压缩机叶轮可以装配到轴的自由端。作为示例，附接到一个或多个带叶片的叶轮的轴可以由设置在轴承壳体中的一个或多个轴承支撑，该轴承壳体可以形成中心壳体旋转组件(CHRA)。在涡轮增压器的操作期间，根据诸如各种部件的尺寸之类的因素，可以预期SWA以超过200,000 rpm的速度旋转。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种涡轮增压器涡轮机叶轮，包括：
轮毂，其包括旋转轴线、后盘和鼻部，其中所述旋转轴线在圆柱坐标系中限定轴向坐标(z)，所述圆柱坐标系包括在围绕所述旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标( )；以及
从所述轮毂向外延伸的叶片，其中所述叶片中的每一个包括进口段部分和出口段部分，
其中，在所述进口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且
其中，在所述出口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。
根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮增压器，其包括：
压缩机组件；
中心壳体组件，其可操作地联接到所述压缩机组件；以及
涡轮机组件，其可操作地联接到所述中心壳体组件，其中所述涡轮机组件包括涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮包括：
轮毂，其包括旋转轴线、后盘和鼻部，其中所述旋转轴线在圆柱坐标系中限定轴向坐标(z)，所述圆柱坐标系包括在围绕所述旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标()；以及
从轮毂向外延伸的叶片，其中所述叶片中的每一者包括进口段部分和出口段部分，
其中，在所述进口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且
其中，在所述出口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。
附图说明
通过参考在结合附图中所示的示例考虑时的以下具体实施方式，可以更完整地理解本文描述的各种方法、装置、组件、系统、布置等及其等效物，在附图中：
图1是涡轮增压器和内燃机以及控制器的示意图；
图2是涡轮增压器组件的示例的截面图以及轴颈轴承的示例的端视图和截面图；
图3是涡轮增压器的一示例的侧视图；
图4是轴和叶轮组件(SWA)的示例的透视图和放大视图；
图5是涡轮机叶轮的一示例的截面剖视图；
图6是具有径向流入前缘的涡轮机叶轮的叶片的示例的投影视图以及具有混流式流入前缘的涡轮机叶轮的叶片的示例的投影视图；
图7是涡轮机叶轮的一示例的一系列透视图；
图8是图7的涡轮机叶轮的叶片的一系列视图；
图9是涡轮机叶轮的示例的部分的一系列视图；
图10是涡轮机叶轮叶片特性的示例的一系列曲线图；
图11是图7的涡轮机叶轮的一系列透视剖视图；
图12是图7的涡轮机叶轮的一系列平面剖视图；以及
图13是将倾斜角限定为零、正或负的一系列示例性曲线图。
具体实施方式
下面，描述涡轮增压发动机系统的示例，接着描述的是部件、组件、方法等的各种示例。
涡轮增压器经常用于增加内燃机的输出。参考图1，作为示例，系统100可以包括内燃机110和涡轮增压器120。如图1中所示，系统100可以是车辆101的一部分，其中系统100设置在发动机舱中并连接到排气管道103，该排气管道将排气引导到例如位于乘客舱105后面的排气出口109。在图1的示例中，可以提供处理单元107来处理排气(例如，经由分子的催化转化来减少排放等)。
如图1中所示，内燃机110包括：发动机缸体118，所述发动机缸体容纳一个或多个燃烧室，所述燃烧室可操作地驱动轴112 (例如，经由活塞)；和为空气提供到发动机缸体118的流动路径的进气端口114；以及为来自发动机缸体118的排气提供流动路径的排气端口116。
涡轮增压器120可用于从排气中提取能量并向进气提供能量，进气可与燃料组合以形成燃烧气体。如图1中所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、用于压缩机叶轮125的压缩机壳体组件124、用于涡轮机叶轮127的涡轮机壳体组件126、另一壳体组件128和排气出口136。壳体组件128可称为中心壳体组件，因为其设置在压缩机壳体组件124与涡轮机壳体组件126之间。
在图1中，轴122可以是包括多种部件的轴组件(例如，考虑轴和叶轮组件(SWA)，其中涡轮机叶轮127被焊接到轴122等)。作为示例，轴122可由设置在壳体组件128中(例如，在由一个或多个孔壁限定的孔中)的轴承系统(例如，（一个或多个）轴颈轴承、（一个或多个）滚动元件轴承等)可旋转地支撑，使得涡轮机叶轮127的旋转引起压缩机叶轮125的旋转(例如，如由轴122可旋转地联接)。作为示例，中心壳体旋转组件(CHRA)可以包括压缩机叶轮125、涡轮机叶轮127、轴122、壳体组件128以及各种其他部件(例如，设置在压缩机叶轮125与壳体组件128之间的轴向位置处的压缩机侧板)。
在图1的示例中，可变几何形状组件129被示出为部分地设置在壳体组件128和壳体组件126之间。这种可变几何形状组件可包括导叶或其他部件，以改变通向涡轮机壳体组件126中的涡轮机叶轮空间的通道的几何形状。作为示例，可以提供一种可变几何形状的压缩机组件。
在图1的示例中，废气门阀(或简称废气门) 135定位成靠近涡轮机壳体组件126的排气入口。废气门阀135可以被控制以允许来自排气端口116的至少一些排气绕过涡轮机叶轮127。各种废气门、废气门部件等可应用于常规的固定喷嘴涡轮机、固定导叶喷嘴涡轮机、可变喷嘴涡轮机、双涡旋涡轮增压器等。作为示例，废气门可以是内部废气门（例如，至少部分地在涡轮机壳体内部）。作为示例，废气门可以是外部废气门(例如，可操作地联接到与涡轮机壳体流体连通的管道)。
在图1的示例中，还示出了排气再循环(EGR)管道115，其可以可选地设置有例如一个或多个阀117，以允许排气流动到压缩机叶轮125上游的位置。
图1还示出了用于使排气流到排气涡轮机壳体组件152的示例性装置150和用于使排气流到排气涡轮机壳体组件172的另一示例性装置170。在装置150中，气缸盖154包括位于其中的通道156，以将排气从气缸引导至涡轮机壳体组件152，而在装置170中，歧管176提供涡轮机壳体组件172的安装，例如，没有任何单独的、中间长度的排气管道。在示例性装置150和170中，涡轮机壳体组件152和172可配置成与废气门、可变几何形状组件等一起使用。
在图1中，控制器190的示例被示为包括一个或多个处理器192、存储器194和一个或多个接口196。这种控制器可以包括诸如发动机控制单元(ECU)的电路的电路。如本文所述，各种方法或技术可以可选地与控制器结合实现，例如，通过控制逻辑。控制逻辑可取决于一个或多个发动机操作条件(例如，涡轮机转速（rpm）、发动机转速、温度、负载、润滑剂、冷却等)。例如，传感器可以经由一个或多个接口196将信息传输到控制器190。控制逻辑可依赖于这种信息，并且控制器190又可输出控制信号以控制发动机操作。控制器190可以被配置为控制润滑剂流量、温度、可变几何形状组件(例如，可变几何形状压缩机或涡轮机)、废气门(例如，经由致动器)、电动马达、或与发动机、涡轮增压器(或多个涡轮增压器)等相关联的一个或多个其他部件。作为示例，涡轮增压器120可包括一个或多个致动器和/或一个或多个传感器198，其可例如联接到控制器190的一个或多个接口196。作为示例，废气门135可由控制器控制，该控制器包括响应于电信号、压力信号等的致动器。作为示例，用于废气门的致动器可以是机械致动器，例如，其可以在不需要电力的情况下操作(例如，考虑被配置为响应于经由管道供应的压力信号的机械致动器)。
图2示出了涡轮增压器组件200的示例，该涡轮增压器组件包括由轴颈轴承230支撑的轴220，该轴颈轴承被设置在压缩机叶轮240与涡轮机叶轮260之间的中心壳体280中；注意到，推力间隔件270被示出为相对于背板290的孔定位在压缩机叶轮240与轴220的肩部之间。如图2中所示，肩部由轴220的直径从较小直径到较大直径的台阶形成，形成环形轴向面(例如，压缩机侧面)。在图2的示例中，推力间隔件270在一侧上邻接轴220的轴向面，并且在相对侧上邻接压缩机叶轮240的环形轴向面。轴颈轴承230经由定位销210至少部分地定位在中心壳体280的通孔中。定位销210可以通过被拧入壳体280的承窝285中而被紧固并且可以被轴颈轴承230的孔口235接收，以便由此将轴颈轴承230定位在中心壳体280的通孔中。作为示例，定位销210可将轴颈轴承230轴向地和方位角地定位在中心壳体280的通孔中。
作为示例，轴颈轴承230可在中心壳体280的通孔内径向移动，例如，轴颈轴承230可相对于定位销210的轴线径向上下移动，同时被定位销210轴向地和方位角地限制(例如，轴颈轴承230可以是半浮动轴颈轴承)。
图2的涡轮增压器组件200可以被油冷却以及例如通过处于具有环境空气或车辆发动机舱空气的环境中而被空气冷却。涡轮增压器可以经由一个或多个机构冷却。例如，涡轮增压器可以经由空气、水、油或其他流体来冷却。关于润滑剂冷却(例如，油，无论是天然的、合成的等)，存在一些折衷。例如，如果碳质润滑剂在太长时间内达到太高的温度(例如，考虑时间-温度依赖性)，则可能发生碳化(例如，也称为焦炭形成或“结焦”)。结焦可通过多种机制中的任一种来加剧热生成和热保留，并且随着时间的推移，焦炭沉积物可缩短润滑轴承系统的寿命。作为示例，焦炭沉积物可能导致热传递的减少和热量产生的增加，这可能导致轴承系统的故障。
为了克服结焦，涡轮增压器可以被配置为改进润滑剂流动。例如，泵可对润滑剂加压以增加流率，从而减少润滑剂在高温区域中的停留时间。然而，润滑剂压力的增加会加剧各种类型的润滑剂泄漏问题。例如，轴承系统的润滑剂压力的增加会导致润滑剂泄漏到排气涡轮机、空气压缩机或两者。经由排气涡轮机的逸出会导致可观察到的水平的烟，而经由空气压缩机的逸出会导致润滑剂进入中间冷却器、燃烧室(例如燃烧气缸)等。
至于在操作期间经历的温度，它们可以取决于流向涡轮增压器的排气涡轮机的排气的温度，这可以取决于内燃机是以汽油还是柴油为燃料的；作为示例，考虑排气可以处于860摄氏度左右的柴油发动机，并且作为示例，考虑排气可以处于1050摄氏度左右的汽油发动机。因此，与以汽油为燃料的内燃机的排气流体连通的涡轮增压器与以柴油为燃料的内燃机相比可以承受更高的温度。此外，考虑图1的示例性装置150和170，其中涡轮机壳体组件152和172紧邻燃烧气缸，这可导致涡轮机壳体组件152和172经历更高的排气温度和/或更高的环境温度。
图3示出了涡轮增压器300的示例，所述涡轮增压器包括具有用于压缩机叶轮的压缩机壳体的压缩机组件340、具有用于涡轮机叶轮的涡轮机壳体的涡轮机组件360、用于一个或多个轴承或轴承组件以可旋转地支撑轴和叶轮组件(SWA)的轴的中心壳体380、以及具有到用于涡轮机组件360的废气门的控制臂组件358的连杆机构354的致动器350。涡轮增压器300可包括图2中所示的一个或多个部件。在图2的视图中，涡轮机组件360的排气入口是不可见的，因为它在相对侧上。空气或排气的大致流动方向由箭头指示。致动器350被示出为安装到压缩机组件340，这可以帮助降低致动器350所经受的温度(例如，与具有安装在涡轮机壳体上的致动器相比)。涡轮增压器300可以是车辆的一部分，所述车辆是诸如例如图1的车辆101。作为示例，涡轮机组件360可任选地布置成诸如图1的示例性装置150或170中的一者。
图4示出了轴和叶轮组件(SWA) 400的透视图。如图所示，SWA 400包括轴420、密封部分440和涡轮机叶轮460，其中涡轮机叶轮460包括鼻部470、后盘480和叶片490。涡轮机叶轮460可以是单个的、整体的材料件，并且被称为单个部件或单件。涡轮机叶轮460的一部分可以被称为轮毂465。例如，后盘480可以是轮毂465的一部分，叶片490从该轮毂延伸。轮毂465可以包括后盘480和鼻部470，并且延伸如由沿着SWA 400的旋转z轴测量的轴向长度ztw指示的涡轮机叶轮的长度。
作为示例，密封部分440可以部分地由涡轮机叶轮460形成并且部分地由轴420形成，可以由轴420形成或者可以由涡轮机叶轮460形成。作为示例，密封部分440可以至少部分地由轴420形成。密封部分440可以由外半径限定。
如图4中所示，SWA 400可以包括从涡轮机叶轮460朝向轴420的肩部或阶梯。例如，肩部可从轴接合部分450的外表面向下阶梯化至（逐渐降低至）外表面455，该外表面的半径可等于或大致等于密封部分440的半径。轴接合部分450可以包括作为可以形成肩部的一部分的环形轴向面的表面。
作为示例，轴接合部分450可包括可部分地由轴接合半径限定的轴接合表面。例如，考虑可用于将轴接合到涡轮机叶轮(例如，经由焊接等)的轴接合表面。在这种示例中，涡轮机叶轮的轴接合表面可以是与轴的涡轮机叶轮接合表面配合的配合表面，其中可以使得两个表面接近或直接接触并且接合(例如，通过焊接)。作为示例，轴接合表面可以是环形表面，其可以焊接到轴的表面以形成SWA (例如，以形成一个或多个焊接件)。
SWA 400可以包括诸如例如压缩机叶轮部分zc和轴承部分zj的轴向尺寸的尺寸，压缩机叶轮部分zc可以包括一个或多个导向表面、一组螺纹等，轴承部分zj可以包括一个或多个轴颈表面(例如，压缩机侧轴颈表面和涡轮机侧轴颈表面等)。
如图4中所示，密封部分440可包括一个或多个环形槽，其可被配置成接收一个或多个密封元件(例如，一个或多个密封环)。如图所示，密封部分440可部分地由轴向尺寸zsp限定。作为示例，密封元件可以是开口环，诸如例如活塞环。如所提到的，SWA可以通过将轴焊接到涡轮机叶轮上形成，使得所得到的SWA具有沿着共同的旋转轴线布置和固定的轴和涡轮机叶轮。
图4示出了SWA 400的一部分、特别是涡轮机叶轮460的放大透视图。作为示例，可使用直径来限定涡轮机叶轮，该直径可为内接涡轮机叶轮的特征的圆。例如，在涡轮机叶轮包括奇数个叶片的情况下，作为线的直径可以不从一个叶片的前缘绘制到另一叶片的前缘。在这种示例中，直径可经由内接叶片的前缘的圆来限定，或者例如在数学上限定为半径的两倍。涡轮机叶轮可由进口段直径(例如，与排气流入相关)和出口段直径(例如，与排气流出相关)限定。作为示例，进口段直径可以超过出口段直径。作为示例，涡轮机叶轮的边缘（trim）可以利用其进口段直径和其出口段直径来限定。在提到直径的情况下，其可指可相对于涡轮机叶轮的特征绘制的圆的直径。作为示例，涡轮机叶轮可在包括轴向、径向和方位角坐标(例如r、z和)的圆柱坐标系中限定。
作为示例，平衡过程可例如经由去除材料来改变涡轮机叶轮的一个或多个尺寸。例如，考虑从SWA 400的涡轮机叶轮460的鼻部470去除材料。如图所示，鼻部470的外径（外直径）小于后盘480的外径（外直径）。另一选择可以是从后盘480去除材料。作为示例，可从轴接合部分450去除材料。在这种示例中，材料去除可对后盘480在其支撑叶片490的能力方面具有最小的影响。
如图4的示例中所示，排气涡轮增压器涡轮机叶轮460可以包括：轮毂465，该轮毂包括鼻部470、后盘480、轴接合部分450 (例如，作为后盘480的一部分)以及旋转轴线(z轴线)；叶片490，其从轮毂465延伸以限定排气流动通道，其中叶片490中的每一者包括前缘、后缘、轮毂轮廓、护罩轮廓、压力侧和吸力侧；其中后盘480包括从轮毂465的旋转轴线测量的外周半径和在轴接合部分450的外周处从轮毂465的旋转轴线测量的中间半径。
至于轴接合部分450，其示出为基本上圆柱形。作为示例，后盘480可限定为轮毂465的下部部分，其包括轴接合部分450的至少一部分并向外延伸到后盘480的最大外周长。
如所解释的，轴接合部分450可接合密封部分440，其可以是轴420的整体部分。作为示例，密封部分440可以被焊接到轴接合部分450以形成焊接接头，该焊接接头永久地接合轴420和涡轮机叶轮460以形成轴和叶轮组件(SWA) 400。
参考图2，密封部分被示出为轴220的一部分并且被接合到涡轮机叶轮260以形成SWA。密封部分可包括如图2中所示的一个或多个环形槽，其中一个或多个相应的密封元件(例如密封环)可至少部分地设置在其中，以在中心壳体280的润滑剂区域与涡轮机叶轮260设置在其中的排气区域之间形成一个或多个密封件。如图所示，中心壳体280包括涡轮机侧孔，密封部分和密封件安置在该涡轮机侧孔中。孔包括孔壁，密封件可以在该孔壁处接触孔壁(例如，将活塞环视为开口环，该开口环可以在安装期间被压缩，并且然后一旦安装就膨胀以形成密封件)。
作为示例，轴可由与涡轮机叶轮的材料相同或与涡轮机叶轮的材料不同的材料制成。在材料不同的情况下，材料通常可以适合于焊接，以便可以形成SWA。如所提到的，压缩机叶轮可由与涡轮机叶轮的材料相比比重更小的材料制成。通常，压缩机叶轮经受的操作温度低于涡轮机叶轮的操作温度。作为示例，涡轮机叶轮可由镍合金制成。例如，考虑NiCrFe基合金(例如，HASTALLOYTM材料，INCONELTM材料等)或另一合金。相反，压缩机叶轮可以由较轻的材料制成，诸如例如铝或铝合金。涡轮机叶轮材料的比重可以是铝的比重(大约2.7，而INCONELTM 625材料的比重为大约8.4)的两倍或两倍以上。
在图2中，旋转组件可以包括作为SWA的轴220和涡轮机叶轮260以及压缩机叶轮240和螺母(例如，用于具有通孔的压缩机叶轮)。作为示例，可以使用所谓的无孔压缩机叶轮，其中压缩机叶轮可以接合到轴上而不使用端部螺母。
旋转组件可具有由构成旋转组件的部件的单独质量之和限定的质量。如所提到的，流向设置在涡轮机壳体中的排气涡轮机的排气流可以是用于旋转组件的旋转的驱动器，其中质量和其他因素可以确定在旋转开始之前必须流动多少排气。
图5以截面剖视图示出了示例性涡轮机叶轮460。图5示出了具有肩部452和表面453、455和457的轴接合部分450。如图所示，表面457可以是作为用于将轴接合到涡轮机叶轮460的轴接合部分450的配合表面的表面。如所提到的，轴接合部分450在表面455处的外径可以与密封部分(例如，参见密封部分440)的外径大致相同。
如图5的示例中所示，涡轮机叶轮460包括各种叶片特征，诸如前缘491 (或进口段边缘)、后缘499 (或出口段边缘)、前缘491的后盘点492、前缘491的末端点493、后缘499的轮毂点494以及后缘499的顶点495。如图所示，涡轮机叶轮460具有在前缘491(例如，进口段边缘)的末端点493 处的叶片外径；在后缘499 (例如出口段边缘)的末端点495处的另一叶片外径；以及后缘499 (例如出口段边缘)处轮毂点494处的叶片直径。
如所提到的，圆可内接叶片特征以限定直径。在图5中，直径Dle (直径前缘)和Dte(直径后缘)未示出为对应于圆，而是对应于特定的截面，其中一个圆将具有比Dle稍大的直径，而另一圆将具有比Dte稍大的直径。
如图5的示例中所示，虚线表示叶片490-5的轮毂轮廓496，而实线498表示叶片490-5的护罩轮廓的至少一部分。
图6示出了叶片490的示例的平面图，以及关于图5描述的多个点和轮廓。图6还示出了指示从前缘491到后缘499的排气流的预期方向的箭头，其中两个相邻叶片限定用于排气的流动通道(例如，排气流动通道)。如所提到的，叶片的一侧可被定义为压力侧，而叶片的相对侧可被定义为吸力侧。图6的平面图是投影视图，使得叶片490的凹形和凸形形状不可见。在图6中，叶片490可相对于径向和轴向坐标来限定。作为示例，极角图（polar angleplot）可用于提供限定叶片490的附加信息。例如，考虑沿着弧线的包角（wrap angle）的曲线图。作为示例，叶片490可使用翼型件或轮叶的一个或多个方程、参数等来限定。
作为示例，涡轮机叶轮可以是径流式涡轮机叶轮(例如，径向入口流)或者可以是混流式涡轮机叶轮(例如，混合入口流)，其中角度可以限定前缘的至少一部分，使得进入的排气具有径向分量和轴向分量。图6示出了混流式涡轮机叶轮叶片4090的示例，其中前缘4091相对于r轴成除90度之外的角度并且相对于z轴成除0度之外的角度(例如，大约1度至大约89度)。作为示例，涡轮机叶轮叶片可径向堆叠或不径向堆叠(例如，非径向堆叠)。
图7示出了涡轮机叶轮760的示例的两个透视图，其中该示例涡轮机叶轮760包括十二个叶片，这些叶片之一被标记为叶片790；注意，涡轮机叶轮可包括多个叶片，例如，在从大约5个叶片到大约30个叶片的范围内。在图7的示例中，涡轮机叶轮760可以是混流式涡轮机叶轮；注意，涡轮机叶轮可以是径流式涡轮机叶轮。
图8示出了涡轮机叶轮760的放大侧视图以及一个叶片（诸如叶片790）的视图和一个叶片（诸如叶片790）的投影视图，以及气体流动的总体方向。在投影视图(右下)中，虚线表示在轮毂轮廓与护罩轮廓之间从前缘(L.E.)延伸至后缘(T.E.)的子午线。作为示例，叶片的一个或多个特征可关于子午线（meridional line）、子午坐标等来描述。例如，考虑归一化子午坐标系，其在前缘处为零，并且在后缘处为一(1)。在图8中，可以参照图5和图6的点492、493、494和495理解各点792、793、794和795。可以利用参照图4、图5和图6描述的各种其它特征来描述图7的涡轮机叶轮760的各种特征。
在图8的示例中，叶片790可以部分地相对于前角（倾角，rake angle）(左下)限定，该前角可以使用后盘平面限定，其中涡轮机叶轮760的旋转轴线垂直于该后盘平面。如图所示，前角可经由叶片790的前缘上的点792和793 (例如，以及点792和点793之间的点)来限定。如图所示，该前角小于90度，这样使得点793在预期的旋转方向上从点792偏置。
作为示例，涡轮机叶轮可包括诸如特殊的非径向元件和θ分布的特征。这些特征可以提供性能的显著提高(例如，效率的提高)。如所解释的，涡轮机叶轮可以预期在可超过100,000 rpm、200,000 rpm或更高的高旋转速度下操作。在这种条件下，涡轮机叶轮的机械性能预期是可接受的(例如，低周疲劳(LCF)和高周疲劳(HCF))，特别是在存在（一个或多个）非径向元件的情况下。
作为示例，涡轮机叶轮可包括叶片，其中各叶片包括最大径向元件角，其在前缘处小于大约10度，而后缘处减小大约0度至-10度，其中例如跨度分布可为线性和/或非线性。
作为示例，叶片的后缘处的倾斜角可在从大约-10度到大约0度的范围内，其中，例如跨度分布可为线性和/或非线性的。
作为示例，在叶片的前缘的前角可以在从大约25度到大约80度的范围内。作为示例，在叶片的前缘处的前角可在从大约30度到大约70度的范围内，其中，例如，跨度分布可为线性的和/或非线性的。
作为示例，涡轮机叶轮可包括叶片，其中每个叶片包括在进口段部分内大约-10度至10度范围内的轮毂-护罩倾斜角分布，其中例如跨度分布可以是线性和/或非线性的。在这种示例中，叶片在进口段部分中包括负倾斜角和正倾斜角两者。
作为示例，涡轮机叶轮可以包括叶片，其中每个叶片包括在出口段部分内的大约-10度到10度范围内的轮毂-护罩倾斜角分布，其中例如跨度分布可以是线性的和/或非线性的。在这样的示例中，叶片在出口段部分包括负的和正的倾斜角两者。
作为示例，涡轮机叶轮可包括叶片，其中各叶片包括最大径向元件角(例如，θ差)，其在叶片的前缘处小于或等于大约10度，在后缘处减小到大约0度至大约-10度，其中例如跨度分布可为线性和/或非线性。这种涡轮机叶轮可以是工具可拉出的。
图9示出了作为包括多个叶片的涡轮机叶轮的一部分的叶片990的示例。如图所示，叶片990包括可在圆柱坐标系中限定的各点992、993、994和995。在图9的示例性叶片990中，示出了标记为r1、r2和r3的三条径向线，其具有对应的轴向坐标z1、z2和z3，其中三条径向线中的每一条可以被称为径向纤维（径向细丝，radial fiber）。在图9中，在z1、z2和z3处的三个不同的r、平面处，示出了轮毂和叶片990的截面区域和形状。作为示例，叶片可部分地由厚度限定，该厚度可示出为在特定轴向尺寸和特定径向尺寸处的厚度ThB (z,r)。叶片厚度可以是叶片的压力表面(例如，压力侧)和吸力表面(例如，吸力侧)之间的距离。在图9的示例中，叶片990可具有在不同区域中不同的厚度。作为示例，叶片可在护罩边缘处(例如，沿护罩轮廓)较薄，而在轮毂边缘处(例如，沿轮毂轮廓)较厚。如图9中所示，轮毂在半径方面可以变化，其中轮毂可以在鼻部附近具有较小半径，并且在基部附近(例如，在叶片990接合后盘的位置)具有较大半径。
如图所示，叶片990是径向堆叠的(RS)，因为径向线可在z1、r1处从轮毂绘制到前缘，在z2、r2处从轮毂绘制到护罩边缘，并且在z3、r3处从轮毂绘制到护罩边缘。在图9中，径向线具有沿着z轴的原点，z轴是包括叶片990的涡轮机叶轮的旋转轴线。径向堆叠对于涡轮机叶轮的应力可能是有益的，因为径向堆叠有助于减小高旋转速度(例如，超过10,000rpm、100,000 rpm、200,000 rpm或更高的旋转速度)下的过大叶片应力。
在图9中，叶片990的径向线也是等分线，因为每条径向线在叶片990的吸力侧和压力侧之间居中。可用来描述叶片的另一类型的线是弧线(或弧面曲线，camberline)，其是从前缘延伸到后缘、在压力侧(压力表面)和吸力侧(吸力表面)之间的中途的叶片轮廓的等分线。在图9的示例性叶片990中，一个或多个弧线可形成从叶片990的前缘延伸到后缘的弧形片材或弧形表面，其中，在每个轴向位置处，径向线从轮毂轮廓延伸到弧形表面的护罩轮廓。例如，径向线r1、r2和r3在轮毂轮廓与前缘、护罩边缘和后缘之间的部分都在叶片990的弧形表面中。对于给定的叶片，其中在轮毂轮廓和前缘、护罩轮廓或后缘之间的轴向位置处的径向线不与弧形表面重合，该叶片不是径向堆叠的。
图9还示出了非径向堆叠叶片的两个示例，其可由倾斜角限定。如图所示，倾斜角可相对于径向线限定，其中倾斜角可朝向吸力侧或朝向压力侧。作为示例，倾斜角可以被限定为当其朝向吸力侧时为正，而当其朝向压力侧时为负。如图所示，对于径向堆叠的叶片，倾斜角为零。作为示例，叶片可以是非径向堆叠的，并且包括在一些区域中为负的而在一些区域中为正的倾斜角。
作为示例，叶片可由特定z轴位置处的平均倾斜角限定。例如，在叶片弯曲的情况下，倾斜角可相对于径向位置变化。在这样的示例中，倾斜角可以相对于径向位置增大和/或减小。作为示例，叶片可在从叶片的外边缘向内延伸的区域内朝压力侧倾斜，并且然后朝吸力侧倾斜。在这种示例中，叶片可在径向长度上具有正倾斜角，并且然后在径向长度上具有负倾斜角。作为示例，叶片可倾斜，然后返回到径向线。例如，考虑朝向压力侧倾斜并且然后靠近外边缘的叶片沿着径向线。在这种示例中，叶片可具有相对于径向位置的正倾斜角和相对于一个或多个径向位置的零倾斜角。关于平均倾斜角，在这种示例中，对于平均倾斜角为正的相应径向位置，可以使用一系列角度。如所提到的，叶片的特征可在于倾斜角，其可为负、零或正，其中倾斜角可为平均倾斜角，或者例如在偏离径向线的径向位置处的局部倾斜角。
图10示出了对应于示例性叶片790的示例性曲线图1010和示例性曲线图1030。曲线图1010示出了沿着叶片790的投影的轴向轴线和径向轴线的归一化平面的子午线(M)，其中示出了轮毂轮廓和护罩轮廓以及前缘(L.E.)和后缘(T.E.)。如图所示，护罩轮廓可由护罩边缘(S.E.)表示。
曲线图1030关于θ示出了轮毂轮廓和护罩轮廓以及涡轮机叶轮的归一化的z轴向轴线坐标位置，其在从轮毂处的点792到轮毂处的点794的高度被归一化到一，其中高度是关于z轴向轴线坐标(例如，涡轮机叶轮的旋转轴线)测量的。在曲线图1030中，可以限定前缘(L.E.)的轴向高度。
如所提到的，叶片可以包括在进口段部分中的倾斜角，如可以由前缘(L.E.)的轴向高度限定，并且可以包括在出口段部分中的倾斜角，如可以由轴向地在进口段部分上方并且包括后缘(T.E.)的区域限定。
作为示例，进口段部分中的倾斜角可以以零倾斜角度开始，变为正，然后变为负。在这样的示例中，转变点可以被定义为在具有零倾斜角的径向线上的点。在这种示例中，叶片可包括两个零倾斜角，其中一个倾斜角在轮毂轮廓处，而另一个倾斜角在轮毂轮廓和前缘(L.E.)之间(例如，以及可能护罩轮廓，其中进口段部分被限定为轴向延伸高于前缘(L.E.)的高度)。
作为示例，在出口段部分中的倾斜角度可以从零倾斜角度开始，变为负然后变为正。在这样的示例中，转变点可以被定义为在具有零倾斜角的径向线上的点。在这种示例中，叶片可包括两个零倾斜角，其中一个倾斜角在轮毂轮廓处，而另一个倾斜角在轮毂轮廓和护罩轮廓(例如，并且可能地后缘 (T.E.)，其中在后缘(T.E.)的末端在小于所述轮毂处的后缘(T.E.) 的轴向高度处)之间。
如所解释的，涡轮机叶轮可以包括多个叶片，其中这些叶片中的每一个可以包括在进口段部分中的倾斜角，这些倾斜角在零倾斜角开始，变成正的然后变成负的，并且其中这些叶片中的每一个还可以包括在出口段部分中的倾斜角，这些倾斜角在零倾斜角开始，变成负的然后变成正的。如所解释的，进口段部分包括叶片的一部分，该部分具有位于或小于前缘(L.E.)的轴向高度的限定边界并从该边界轴向向下延伸，并且出口段部分包括叶片的一部分，该部分具有位于或大于前缘(L.E.)的轴向高度的限定边界并从该边界轴向向上延伸。作为示例，单个边界可以限定轴向地在边界下方朝向后盘的进口段部分和在边界上方朝向鼻部的出口段部分。
图11示出了涡轮机叶轮760在沿着z轴的不同轴向位置(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8)处的一系列截面剖视图，该z轴是涡轮机叶轮760的旋转轴线。在每个视图中，可以绘制出径向线以确定叶片是否是径向堆叠、非径向堆叠、倾斜或不倾斜，其中倾斜可以由一个或多个倾斜角限定，所述倾斜角包括在至少一个径向位置处的至少一个非零倾斜角。
如图所示，轴向位置Z1更靠近后盘，而轴向位置Z8更靠近鼻部。在每个剖视图中，可以看到叶片厚度，其可以相对于轴向和径向尺寸变化。在每个剖视图中，可以看到由轮毂的一部分和叶片的一部分形成的平坦的平面表面。如关于图9所提到的，轮毂可以部分地由半径(例如，或直径)表示，其中半径可以在从后盘到鼻部的方向(例如，从Z1到Z8)上减小。在各种剖视图中，叶片可看上去从轮毂开始长度增加(例如，随着轮毂半径变小)；注意，过渡可发生在前缘的端部(例如，前缘的末端)，其与护罩边缘相交。作为示例，对于混流式涡轮机叶轮，叶片的前缘可以延伸超过后盘，使得前缘的至少一部分可以具有大于后盘半径的半径。例如，考虑Z6处的剖视图，其中对于混流式涡轮机叶轮，前缘延伸到比后盘的半径大的半径。
图12示出了从后盘侧观察的涡轮机叶轮760的两个截面剖视图，其中，在ZSP的z轴位置处更靠近后盘(参见，例如，图10的曲线1030和大约10%的轴向位置)，叶片在轮毂处具有零倾斜角，然后朝向吸力侧具有正倾斜角，然后零倾斜角，并且然后朝向压力侧具有负倾斜角。在ZPS的z轴位置处更靠近鼻部(例如，见图10的曲线1030和大约60%的轴向位置)，叶片在轮毂处具有零倾斜角，然后朝向压力侧具有负倾斜角，然后是零倾斜角，并且然后朝向吸力侧具有正倾斜角。
在这种涡轮机叶轮中，叶片在从后盘轴向移动到涡轮机叶轮的鼻部时过渡，其中过渡发生在轴向范围内，该轴向范围可以由前缘(L.E.)的高度限定。
图13示出了倾斜角分布与跨度关系的两个示例性曲线1310和1320，其中曲线1310对应于进口段部分，并且其中曲线1320对应于出口段部分。作为示例，从进口段部分到出口段部分的过渡可以在轮毂轮廓的最大轴向高度的大约20%到大约80%的轴向高度范围内。
如曲线图1310中所示，倾斜角的范围可从大约+10度至大约-10度，其中倾斜角分布包括两个0度倾斜角，其中0度倾斜角中的一个在轮毂处，而另一个在跨度(例如，径向跨度)的大约20%至大约80%的范围内。
如曲线图1320所示，倾斜角的范围可以从大约-10度到大约+10度，其中倾斜角分布包括两个0度倾斜角，其中一个0度倾斜角在轮毂处，而另一个在跨度(例如，径向跨度)的大约20%到大约80%的范围内。
如所提到的，涡轮机叶轮、轴和叶轮组件(SWA)、涡轮机叶轮叶片等可关于图1至图13的一个或多个中所示的特征进行描述。例如，涡轮机叶轮可包括叶片，其中涡轮机叶轮可包括图4至图13中所述的一个或多个特征。示例涡轮机叶轮760包括从轮毂向外延伸的叶片，其中每个叶片包括护罩边缘(例如，S.E.)、前缘(例如，L.E.)、后缘(例如，T.E.)、压力侧(例如，P.S.)和吸力侧(例如，S.S.)，其中护罩边缘包括护罩边缘与前缘相遇的最小轴向坐标位置，和护罩边缘与后缘相遇的最大轴向坐标位置。
如所解释的那样，涡轮机叶片传统上径向地堆叠，意味着在给定的经向位置（meridional location）处，从轮毂到护罩的倾斜角是恒定的(可由直的径向线表示)，这样做是为了最小化叶片和叶片根部圆角处的应力，以及便于可制造性。然而，通过使用非径向堆叠的叶片，可以在空气动力学性能方面获得增益。
作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括：轮毂，该轮毂包括旋转轴线、后盘以及鼻部，其中该旋转轴线在圆柱坐标系中限定了轴向坐标(z)，该圆柱坐标系包括在围绕该旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标()；以及从轮毂向外延伸的叶片，其中每个叶片包括进口段部分和出口段部分，其中在进口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个叶片包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且其中在出口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个叶片包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。在这样的示例中，负倾斜角可以小于或等于-10度和/或正倾斜角小于或等于+10度。作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括多个叶片，其中每个叶片可以包括小于或等于-10度的负倾斜角以及小于或等于+10度的正倾斜角。在这种示例中，每个叶片包括至少一个小于零度的负倾斜角和至少一个大于零度的正倾斜角。
作为示例，涡轮机叶轮的每个叶片在进口段部分中可以包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且在出口段部分中可以包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。在这种示例中，零倾斜角可在每个叶片的径向跨度的大约20%至大约80%的范围内。
作为示例，涡轮机叶轮可以包括在进口段部分和出口段部分之间的过渡，该过渡可以在从每个叶片的沿轮毂的最低点到每个叶片的沿轮毂的最高点的轴向跨度的大约20%到大约80%的范围内。
作为示例，进口段部分包括叶片的前缘的至少一部分。作为示例，出口段部分包括叶片的后缘的至少一部分。
作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括混合入口流叶片和/或径向入口流叶片。
作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括多个叶片，其中这些叶片中的每一个部分地由前角限定。例如，考虑至少30度和/或小于或等于70度的前角。
作为示例，正倾斜角可朝向叶片吸力侧，而负倾斜角可朝向叶片压力侧。
作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括多个叶片，其中这些叶片中的每一个包括护罩边缘、前缘、后缘、压力侧以及吸力侧，其中该护罩边缘包括该护罩边缘与该前缘相交的最小轴向坐标位置以及该护罩边缘与该后缘相交的最大轴向坐标位置。
作为示例，涡轮增压器涡轮机叶轮可以包括多个叶片，其中这些叶片的数目是选自3个叶片到30个叶片的范围。
作为示例，涡轮增压器可包括：压缩机组件；中心壳体组件，其可操作地联接到所述压缩机组件；以及涡轮机组件，其可操作地联接到中心壳体组件，其中涡轮机组件包括涡轮机叶轮，涡轮机叶轮包括：轮毂，轮毂包括旋转轴线、后盘和鼻部，其中旋转轴线在圆柱坐标系中限定轴向坐标(z)，圆柱坐标系包括在围绕旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标()；以及从所述轮毂向外延伸的叶片，其中每个叶片包括进口段部分和出口段部分，其中在进口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个叶片包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且其中在出口段部分中，在从轮毂向外的方向上，每个叶片包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。
尽管已经在附图中示出并在前述具体实施方式中描述了方法、装置、系统、布置等的一些示例，但是将理解，所公开的示例实施例不是限制性的，而是能够进行许多重新布置、修改和替换。

Claims (17)

1. 一种涡轮增压器涡轮机叶轮，包括：
轮毂，其包括旋转轴线、后盘和鼻部，其中所述旋转轴线在圆柱坐标系中限定轴向坐标(z)，所述圆柱坐标系包括在围绕所述旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标( )；以及
从所述轮毂向外延伸的叶片，其中所述叶片中的每一个包括进口段部分和出口段部分，
其中，在所述进口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且
其中，在所述出口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述负倾斜角是小于或等于-10度。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述正倾斜角是小于或等于+10度。
4.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述负倾斜角是小于或等于-10度，并且其中所述正倾斜角是小于或等于+10度。
5.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述零倾斜角是在所述叶片中的每一者的径向跨度的大约20%至大约80%的范围内。
6.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述进口段部分与所述出口段部分之间的过渡是在从所述叶片中的每一者沿着所述轮毂的最低点到所述叶片中的每一个沿着所述轮毂的最高点的轴向跨度的大约20%到大约80%的范围内。
7.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述进口段部分包括所述叶片中的每一者的前缘的至少一部分。
8.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述出口段部分包括所述叶片中的每一者的后缘的至少一部分。
9.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述叶片包括混合入口流叶片。
10.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述叶片包括径向入口流叶片。
11.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述叶片中的每一者部分地由前角限定。
12.如权利要求11所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述前角是至少30度。
13.如权利要求12所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述前角是小于或等于70度。
14.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中正倾斜角是朝向叶片吸力侧，并且其中负倾斜角是朝向叶片压力侧。
15.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述叶片中的每一者包括护罩边缘、前缘、后缘、压力侧以及吸力侧，其中所述护罩边缘包括其中所述护罩边缘与所述前缘相交的最小轴向坐标位置以及其中所述护罩边缘与所述后缘相交的最大轴向坐标位置。
16.如权利要求1所述的涡轮增压器涡轮机叶轮，其中所述叶片的数目是选自3个叶片至30个叶片的范围。
17.一种涡轮增压器，包括：
压缩机组件；
中心壳体组件，其可操作地联接到所述压缩机组件；以及
涡轮机组件，其可操作地联接到所述中心壳体组件，其中所述涡轮机组件包括涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮包括：
轮毂，其包括旋转轴线、后盘和鼻部，其中所述旋转轴线在圆柱坐标系中限定轴向坐标(z)，所述圆柱坐标系包括在围绕所述旋转轴线的预期旋转方向上的径向坐标(r)和方位角坐标()；以及
从轮毂向外延伸的叶片，其中所述叶片中的每一者包括进口段部分和出口段部分，
其中，在所述进口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括正倾斜角、零倾斜角和负倾斜角，并且
其中，在所述出口段部分中，在从所述轮毂向外的方向上，所述叶片中的每一者包括负倾斜角、零倾斜角和正倾斜角。
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