CN1902379A - 涡轮增压器的涡轮、压缩机用的修整轮廓的叶片 - Google Patents

Abstract

提供一个转子(30)和一种包括一转子(30)的设备(10)。例如，该设备(10)可以是有一壳体(12)的涡轮或压缩机，转子(30)在该壳体中转动，而气体在其间循环。转子(30)有多个沿径向伸出的叶片(32)，每个叶片(32)沿至少一个边缘(36，38)限定一个非线性轮廓，使得在运行期间叶片中诱生的应变被减小，同时提供一种制造这样一个转子的方法。

Description

涡轮增压器的涡轮、压缩机用的修整轮廓的叶片

发明领域

本发明总的涉及转动装置，如在一涡轮增压器中使气体循环的涡轮和压缩机，尤其涉及一种带有一个具有沿至少一个边缘限定一非线性轮廓的叶片的转子装置。

发明背景

诸如那些用于涡轮增压器中的径向涡轮和压缩机通常包括一个转子即叶轮，该转子可转动地安装在一个壳体中，并限定靠近该壳体的内表面的沿径向向外伸出的叶片。该壳体限定一个用于接受空气或其它气体的入口和一个使气体经其循环的出口。在涡轮的情况下，该转子是可转动地安装在涡轮壳体中的涡轮。气体如从内燃机出来的废气经围绕该叶轮沿周边伸出的入口流入该壳体，并大体上沿轴向流出。当该气体流过该壳体时，使涡轮叶轮转动。在一典型的涡轮增压器中，该涡轮叶轮通过一轴连接到一压缩机叶轮上，即一个可转动地安装在一压缩机叶轮的壳体中的转子上。该压缩机叶轮的壳体还限定一入口和出口，而该压缩机叶轮包括经该压缩机叶轮壳体输送空气的一些径向叶片。特别是，该压缩机叶轮经该入口沿径向向内抽引空气，并经一个围绕该压缩机叶轮沿周边延伸的扩压器沿径向向外输送空气。

涡轮和压缩机的转子的叶片通常具有安置在壳体紧邻的边缘和其它相对静止的部件。例如，现代涡轮增压器的涡轮和压缩机能够包括在该入口和/或出口处的定子来控制流经该装置的气流。在一涡轮中，该定子可以是在该入口处沿周边设置的导叶，用以限定一静止的或可调节的导流管。该导流管可以选择性地打开或关闭，以便控制流过该涡轮的气流。在压缩机中，这些定子可以是在该出口处沿周边设置的导叶，用以限定一个控制流经该压缩机的空气流的可变的扩压器。由于紧邻这些转子和定子、这些转子的高速转和高工作压力，因此这些转子的叶片受到不稳定的空气动力学的激发力，这些力在叶片中诱生交替的应变和压力。这种不稳定的，即周期性的激发力同样能够由其它静止的或可调节的部件，诸如在跨越该入口自变化的压力下向该入口输送气体的入口导叶或弧形入口歧管产生。例如，入口导叶常常设置在一台压缩机的入口中，以便引导流经其间的空气流。因此，这些叶片在与该转子的转速和这些导叶或其它静止部件的数目及位置相关的频率下周期性地受到应力。这种周期性的应力能导致这些转子的疲劳和损坏。

在设计转动装置如涡轮或压缩机期间可进行一次强迫响应分析来确定由于在转子的谐振频率下产生的任何不稳定的空气动力学激发力所引起的转子上的周期性应力和应变。该转子的不稳定的空气动力学机械响应可以首先这样来分析，例如，通过进行一次计算的流体动力学(CFD)分析来确定不稳定的空气动力学激发力，并通过一次三维有限元法(FEM)分析来确定转子的天然谐振频率。通常，例如通过调节转子或其它装置的构型而使得在该转子的谐振频率出现在运行范围之外，从而调节或修改该装置的转子或其它部件的几何构型，因为这对于减小由于不稳定的空气动力学激发力而产生的转子的应力和应变是实用的。该装置的正常运行范围可以是这样的，就是当受到响应由于与运行转速有关的低转速和低压力而产生的转子的最低谐振频率的周期性空气动力学激发力时，该转子不会受到显著的应力。但是，在涡轮增压器的运行转速范围之外去调节较高的谐振频率常常是不可能的或不实际的。因此，例如，在某些运行时间内，该转子可以受到具有一个等于该转子的第二模式或较高模式的谐振频率的频率的周期性空气动力学激发力。因此，该设计分析可以包括确定在这样的频率下在该转子中产生的应变和应力与验证该转子的预期寿命满足一个最小的设计判据。但是，在某些情况下，该转子可能受到缩短转子的在一最小设计判据以下的预期寿命的另一种应变。

因此，需要一种用于转动装置如涡轮增压器中使用的涡轮和压缩机的改进的转子和一种制造这些装置的方法。最好是，这些装置应当受到减小的应变和应力，由此延长这些装置的运行寿命，而不管周期性的空气动力学激发力，这些力可能在装置的整个运行范围内出现，包括在该装置的转子的一种或多种振动模式下出现的。

附图简述

已经概括地描述了本发明，现在参照不一定按比例绘制的附图，

其中：

图1是例示按照本发明的一个实施例的一种转动装置的截面图；

图2是例示图1的设备的转子的透视图；

图3是例示与传统叶片比较的图2转子的一个叶片的正视图；

图4A是例示按照叶片的第二振动模式的传统叶片的第一侧面上的位移图形的图；

图4B是例示按照叶片的第二振动模式的传统叶片的第二侧面上的位移图形的图；

图5A是例示按照叶片的第二振动模式的图4A的传统叶片的第一侧面上的应变图形的图；

图5B是例示按照叶片的第二振动模式的图4A的传统叶片的第二侧面上的应变图形的图；

图6A是例示按照叶片的第三振动模式的图4A的传统叶片的第一侧面上的应变图形的图；

图6B是例示按照叶片的第三振动模式的图4A的传统叶片的第二侧面上的应变图形的图；

图7A是例示按照本发明的一个实施例的按照叶片的第二振动模式的图3的叶片的第一侧面上的应变图形的图；

图7B是例示按照叶片的第二振动模式的图3的叶片的第二侧面上的应变图形的图；

图8A是例示按照叶片的第三振动模式的图3的叶片的第一侧面上的应变图形的图；

图8B是例示按照叶片的第三振动模式的图3的叶片的第二侧面上的应变图形的图；以及

图9是例示按照本发明的另一实施例的一种转动装置的截面图。

发明详述

现在参照附图更充分地描述本发明，其中示出本发明的一些实施例，但并非全部。事实上，本发明可以用许多不同形式实施而不应当认为是限制于此处提出的实施例；相反，提供这些实施例是为了本发明的公开内容将能满足可以适用的法定要求。所有各图中相同的标号表示相同的部件。

参照图1，图中示出按照本发明的一个实施例的转动装置10。如图1中所示，该转动装置10的结构做成一台涡轮，但在本发明的其它实施例中，该转动装置10也可以用作压缩机。按照本发明的压缩机和涡轮可以包括在一台与燃烧发动机联用的涡轮增压器中。或者是，转动装置10可以用于其它用途，如其中运行状态包括周期变化的压力。

转动装置10包括一个限定一入口14和一出口16的壳体12。在该情况下为涡轮的转子30可以转动地安装在壳体12中，其构型做成与通过壳体12的气体的通道一起转动。这样，沿通常与转子30和轴50的纵向轴线成切向的方向15流动的气体进入入口14并在围绕转子30沿周边伸出的蜗壳18中沿周边流动，然后大体上沿径向向内通过导流管20而流到转子30。气体在转子30上的多个沿径向伸出的叶片32上施加压力，从而使转子30转动。然后气体在壳体12的出口16之外沿大体上轴向的方向17流动。转子30连接在轴50上，使得当转子30转动时轴50也转动。如在一涡轮增压器中使用的，轴50通常穿过一中心壳体(未示出)而伸出，其中轴承可以支承该轴50，而可以提供油来润滑和冷却。与从涡轮10来的中心壳体对置，轴50可以连接在压缩机中的压缩机叶轮(未示出)上，使得当涡轮10使该轴50转动时该压缩机可以转动地运行。

可以在导流管20中设置定子如导叶22或其它流动控制装置来控制或调节其间气体的流动。例如，导叶22可以设置在导流管20中周边的间隔处，其构型做成可以转动地调节，由此改变导流管20的几何形状和影响气体的流动。此类可变的导流管20进一步描述于Arnold的美国专利No.6,419,564中，其全部内容参考合并于此。或者是，可以固定叶片22，而可以使用一个沿轴向滑动的活塞(未示出)来改变涡轮导流管的气流面积。可以理解，导流管20的调节可以导致在其整个运行范围内涡轮10的效率的提高。

转子30包括一个连接在轴50上的主体部分34和多个从主体部分34大体上沿径向向外伸出的叶片32。用语“大体上沿径向”意味着叶片32确实沿径向伸出，但也可能沿转子30的轴向伸出。如图2和3中所示，每个叶片32限定一个大体上沿径向伸出的第一边缘36和一个大体上沿轴向伸出的第二边缘38。第一和第二边缘36和38由延伸于其间的屏板部分40连接。边缘36、38的构型通常做成与设备10的其它部分密切相邻。例如，每个叶片32的屏板部分40可以伸出到在壳体12内小于1毫米，而第二边缘38可以延伸到在导流管20的导叶22内几个毫米处。

每个叶片32的第二边缘38或者是叶片32的前缘，或者是其后缘。例如，在涡轮的情况下，每个叶片32的第二边缘38是前缘，而第一边缘36是后缘。也就是，当转子30转动时，第二边缘38接触流入壳体12的气体，其后气体流向第一边缘36。同时，当转子30转动时，每个叶片32通过一个离开每个导叶22的后缘或导流管20的周面周围限定的其它细部的气流场。该气流场相对于运动的叶片32是不均匀和不稳定的。结果，每个叶片32上的相反表面42、44上的压力周期地增大和减小。其次，整个叶片32上的应变也以对应于转子30的转速与导叶22或其它细部的数目和位置的频率而周期地增大和减小。通常，叶片32的整个表面42、44上的压力和应变的瞬时变化是不均匀的。

叶片32上的压力和应变的变化也可能来自壳体12中的其它几何形状不均匀性或来自影响气流通过其间的壳体12外面的细部。例如，流入设备10的入口14的气体可以通过一个进气歧管而供应。进气歧管中的弯曲部可能阻挡通过其间的气流，使得进入设备10的气体在入口14的截面上具有不均匀的压力。

最好是，每个叶片32的第二边缘38当投射在子午(径向-轴向或R-Z)平面中时限定一个非线性轮廓。也就是，当投射在R-Z平面中时，第二边缘38的轮廓不是直线的。非线性的第二边缘38可以包括一个或多个线性部分，但边缘38的至少一部分在R-Z平面中是非线性的，例如当投射在R-Z平面中时包括诸如一个弯曲部分或一个角度或其它不连续部分的非线性。例如，图3用图形例示本发明一个实施例的叶片32的外部形状或轮廓。图3-8中示出的轴线对应于转子30的R或径向和Z或轴向。如图3中所示，当投射于R-Z平面中时，第二边缘38的轮廓是非线性的。更明确地说，第二边缘38在R-Z平面中限定一个凹形的轮廓，使得该凹形部分的曲率限定一个在第二边缘38之外沿径向设置的曲率中心。相反，一种传统的涡轮转子叶片32a的第二边缘38a的线性轮廓用虚线表示。有利的是，第二边缘38的非线性构型能够减小由于叶片32上的周期的空气动力学激发力而引起的在叶片32中诱生的应变。最好是，转子30的全部叶片都有轮廓基本上类似的第二边缘38。

按照本发明的一个实施例，叶片32的构型通过首先测定叶片32上的与运行有关的不稳定压力与限定的叶片32的位移和形变来确定。术语“位移”通常指沿叶片32上该不稳定压力的方向产生的叶片32的位移。然后改变叶片32的轮廓来减小叶片32的暴露于不稳定的高压力的部分和沿该不稳定压力的方向产生的高位移。例如，图3中例示的叶片32的构型可以通过首先提供的第一参数来研制，这些第一参数在尺寸上限定一个叶片，如具有图4A和4B中示出的线性的第二边缘38a的传统的叶片32a。此外，这些第一参数可以限定叶片32a的材料或其它物理特性如叶片32a的强度或硬度。同时提供限定用于传统叶片32a的期望的周期性压力轮廓的第二参数。当叶片32a由于其附近存在叶片或其它细部而在壳体中转动时，这些第二参数可以限定作用在叶片32a的对置的表面42a、44a上的周期性压力的频率和幅度。特别是，这些第二参数可以限定一个在轮廓上不均匀的瞬时压力变化，也即叶片32a的每个表面42a、44a上的不稳定压力的分布，当叶片32a以一种在对应于叶片32a的第二振动模式的频率处出现周期性力的转速下转动时，这种不稳定压力的分布就会产生。也可以确定一种叶片32a的限定的位移轮廓或图形，即在整个叶片32a上限定由该周期性压力产生的位移。同样，可以确定一个应变轮廓来在整个叶片32a上限定由该周期性压力产生的应变。可以用数学方法来确定该压力、位移和应变轮廓，例如利用一个用于按照第一和第二参数以数学方法建立压力、位移和应变的计算机程序。或者是，可以根据经验或通过其它方法来确定叶片32a上的压力、位移、应变和/或应力。

图4A、4B和5A、5B中分别用图形示出传统叶片32a的每个表面42a、44a的位移和应变轮廓。如图4A、4B、5A、5B中所示，例示实施例的最大位移和应变通常出现在叶片32a的第二边缘38a即涡轮叶片的前缘附近。从图4A和4B中可见，最近第二边缘38a的中心的一个部分46a遇到的位移相当地高于叶片32a的邻近部分。如图5A中所示，出现在叶片32a的同一部分46a处的应变也相当地高于叶片32a的邻近部分处的应变。通常，叶片32a的受到高应变或高位移的部分至少与叶片32a的受到高的周期性压力的部分部分地符合。

按照本发明的一个实施例，叶片32的构型是通过调节在几何形状上限定传统叶片32a的第一参数而修改的。更明确地说，第一参数被调节而限定一个非线性边缘和至少部分地移动受到比邻近部分相当地更高的位移的部分46a。这样，图3中示出的叶片32已被修改而排除了传统叶片32a的受到相当高的位移的至少一部分。最好是，叶片32可以被修改而排除传统叶片32a的高位移与高的周期性压力符合一致的部分，也即该处叶片32沿不稳定的周期性压力的方向显著地移动。有利的是，叶片32的轮廓的修改能够减小叶片32的应变和应力。例如，图7A和7B例示像传统的叶片32a一样地在相似的运行参数处运行的叶片32的应变轮廓。叶片32上的最大应变显著地小于图5A和5B中示出的传统叶片32a的最大应变。更明确地说，已经消除了在传统叶片32a的第二边缘38a处出现的最高应变。其次，靠近本发明的叶片32的非线性边缘38的应变小于在传统叶片32a的相应部分中出现的应变。

虽然本发明不限于任何特定的运行理论，但可以相信，叶片32的轮廓中的变化能够导致转子30的模式形状中的变化，以减小由于出现的激发力激发转子30的一种特定模式而产生的位移或应变。也就是，可以相信，叶片32的形状的变化产生模式形状中的相应变化，由此使转子30较少地受激发力的影响。

虽然图7A和7B例示与叶片32的第二振动模式处以激发叶片32的频率出现的一个周期性力有关的应变的减小，但也可以理解，叶片32的非线性轮廓也可以导致在其它运行模式期间在叶片32中出现的应变的减小。例如，图6A和6B例示在以对应于叶片32a的第三振动模式的频率诱生周期性力的转速运行期间传统叶片32a的应变轮廓。同样，图8A和8B例示对于对应于叶片32的第三振动模式的周期性力的本发明的叶片32的应变轮廓。如图所示，在叶片32的非线性边缘38处的应变小于在传统叶片32a的线性边缘38a处的应变。

第二边缘38的轮廓的调节不需要精确地符合叶片32a的受到相当高的位移的部分46a。相反，该轮廓的调节也可以考虑叶片32的强度、叶片32的铸造或其它成形方法的容易程度、叶片32以及因而转子30的空气动力学性能及其它因素来确定。例如，该轮廓可以限定一个光滑的曲面，以便尽可能减少尖锐边缘，否则这些尖锐边缘可能集中应力和/或诱生不需要的压力损失。边缘38的轮廓的变化也可能导致转子30的振动质量的减小，后者通常增大转子30的天然振动频率，可能增大超过转子30的运行频率的转子30的一个或多个谐振频率。

此外，叶片32的轮廓的调节或修改可以重复地完成，例如通过重复地确定叶片32的位移和/或应变轮廓与修改叶片32，从而排除受到最高位移的一个或多个部分。

虽然上述讨论已描述了涡轮的涡轮中的转子30，但也可理解，转子30可代之以用于其它用途。例如，如图9中所示，转子30可以是一个压缩机叶轮，而壳体12可以是一台压缩机60的压缩机壳体。在压缩机60的运行期间，压缩机叶轮30可以受到类似于涡轮中产生的压力、位移和应变。特别是，压缩机叶轮30可以受到周期性力，例如，作为密切靠近一个定子如导叶22地转动的叶片32的结果。通常，当用于压缩机中时，每个叶片32的第一边缘36是前缘而第二边缘38是后缘。因此，空气或其它气体沿与上述方向相反的方向流过壳体12，也即空气沿方向15a通过入口14a向着叶片32的第一边缘36沿轴向进入，由叶片32增压，并从那里沿径向向外传送到涡壳18。从涡壳18，该压缩空气通过出口16a沿横向方向17a排放。在压缩机前后，在转子30和涡壳18之间的壳体12的部分通常称为一个扩压器21，其中从压缩机来的空气减慢了转速。可以在扩压器21中设置可以调节的导叶22来控制流过其间的空气的流动。导叶22的构型能够做成与转子30密切相邻，使得当转子30转动时导叶22在转子30的叶片32上诱生一个压力的周期性变化，由此使叶片32遇到一个周期性的空气动力学的激发力。叶片32上的位移和/或应变可以如上所述地建立模型，而叶片32的第二边缘38可以设有非线性轮廓，来使叶片32中的应变减到最小。

在本发明的某些实施例中，叶片32的第一边缘36也可以限定一个非线性的轮廓，以便尽可能减小第一边缘36处及其附近的应变。例如，在转子30于第一边缘36处受到周期性压力变化的场合，对叶片32的第一边缘36限定轮廓可能是有利的。在第一边缘36处的此种变化可以例如由入口导叶(未示出)、由壳体中邻近第一边缘36的几何形状的不均匀性或由壳体外面的限定通过壳体12的不均匀的气流的特点产生。

掌握了上述描述及附图中提供的说明的优点的本发明的该技术的专业人员可以提出本发明的许多修改和其它实施例。因此，可以理解，本发明不限于已公开的特定实施例，而这些修改和其它实施例预期均包括在所附的权利要求书的范围内。虽然此处采用了特定的术语，但它们仅用于通用的描述意义而不用于限制的目的。

Claims (21)

1.一种其构型做成通过一壳体与气流一起转动的转子，该转子包括：

一个其构型做成围绕一根轴线而转动的主体部分；以及

多个从该主体部分沿径向向外伸出的叶片，每个叶片限定一个第一边缘和一个第二边缘，该第一边缘大体上沿径向伸出，而该第二边缘大体上沿轴向伸出；

其中，每个叶片的第二边缘是该叶片的前缘和后缘之一，并在径向-轴向投影中限定一非线性轮廓。

2.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，该转子的构型做成邻近该壳体中的多个叶片而转动。

3.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，该转子是一个连接于一轴上的涡轮叶轮，该涡轮的构型做成由经该壳体的气流转动，从而转动该轴。

4.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，该转子是一个连接地一轴上的压缩机叶轮，该叶轮的构型做成与该轴一起转动，从而压缩该气体并将其经该壳体而传送。

5.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，该第二边缘在径向-轴向投影中限定一个凹形轮廓。

6.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，该第一边缘在径向-轴向投影中限定一个非线性轮廓。

7.一种按照权利要求1的转子，其特征在于，所有叶片基本上是相似的。

8.一种其构型做成使气体循环的转动装置，该装置包括：

一个限定一入口和一出口的壳体；

一个设置在该壳体内并其构型做成与经该壳体的气流一起转动的转子，该转子有一个其构型做成围绕一轴线转动的主体部分和多个从该主体部分沿径向向外伸出的叶片，每个叶片限定成一第一边缘和一第二边缘，该第一边缘大体上沿径向伸出，而该第二边缘大体上沿轴向伸出；

其中每个叶片的第二边缘是该叶片的前缘和后缘之一，并在径向-轴向投影中限定一个非线性轮廓。

9.一种按照权利要求8的设备，其特征在于，还包括多个导叶，这些导叶设置在该壳体中沿周边逐渐增加的位置，在该转子叶片的第二边缘的径向向外处，使得在该转子转动期间当其叶片经过这些导叶附近时这些叶片受到周期性变化的空气动力学的力，由此使这些叶片周期性地受到压力。

10.一种按照权利要求9的设备，其特征在于，这些导叶可以调节，由此控制通过该壳体的气流。

11.一种按照权利要求8的设备，其特征在于，该壳体限定自该转子沿径向向外的入口，该转子是一个连接在一轴上的涡轮叶轮，其构型做成由经该壳体的气体的循环所转动，并由此使轴转动。

12.一种按照权利要求8的设备，其特征在于，该壳体限定一个自该转子沿径向向外的扩压器，该转子是一个连接在一轴上的压缩机叶轮，其构型做成由该轴转动，由此压缩该壳体内的气体，并将该气体经该出口输送到该扩压器。

13.一种按照权利要求8的设备，其特征在于，每个叶片的第二边缘在径向-轴向投影中限定一个凹形轮廓。

14.一种按照权利要求9的设备，其特征在于，每个叶片的第一边缘在径向-轴向投影中限定一个非线性的轮廓。

15.一种按照权利要求8的设备，其特征在于，所有叶片基本上是相似的。

16.一种制备转子的方法，该转子的结构做成能利用经一壳体的气流来转动，该方法包括：

规定限定从该转子沿径向伸出的叶片的一几何构型和限定一边缘的第一参数；

规定该转子在该壳体内转动期间在该叶片上限定一种预期的周期性压力分布的第二参数；

确定承受由该预期的周期性压力分布产生的比该叶片的邻近部分相对更大位移的该叶片的大位移部分；

调节这些第一参数来从该叶片中去除该大位移部分的至少一部分，使得该叶片的该边缘在径向-轴向投影中是非线性的；以及

其后按照这些第一参数来限定该叶片。

17.一种按照权利要求16的方法，其特征在于，还包括限定具有多个从其沿径向向外伸出的叶片的转子，每个叶片限定一个基本上相似的几何构型。

18.一种按照权利要求16的方法，其特征在于，所述调节步骤包括这样调节该第一参数，使得该边缘在径向-轴向投射中限定一个凹形轮廓。

19.一种按照权利要求16的方法，其特征在于，还包括在所述调节步骤之后重复所述确定步骤，由此反复地调节该第一参数。

20.一种按照权利要求16的方法，其特征在于，还包括规定多个靠近这些叶片边缘的导叶。

21.一种按照权利要求16的方法，其特征在于，所述第一规定步骤包括这样规定第一参数，使得该叶片限定一个第二边缘，而且其中所述调节步骤包括调节该第一参数来去除该叶片的邻近该第二边缘的至少一部分，使得该叶片的第二边缘在径向-轴向投影中是非线性的。

Images