CN218780389U - 涡轮机壳体 - Google Patents

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Abstract

本实用新型涉及涡轮机壳体。在扇形分开的双蜗壳涡轮增压器的涡轮机叶轮中的高周疲劳(HCF)，特别是在舌状物与叶片之间的间隙小至叶轮直径的1‑3％的涡轮增压器中，通过局部地增加正好在舌状物上游的蜗壳横截面面积而被减小。由此，可以减小排气压力作用在涡轮机叶片上的力。修改压力如何将其自身呈现给叶轮减少了叶片激励，并且最终减少了涡轮机叶轮的HCF。在本实用新型的另一个方面中，这些舌状物的角度经修改与传统舌状物相比将排气更直接地引导到涡轮机叶轮上。令人惊讶的是，这种方法不仅实现了所需的结果，而且在没有显著损失涡轮机级的效率的情况下做到了这一点。

Description

涡轮机壳体
技术领域
在扇形分开的涡轮机壳体中，两个蜗壳(每个都将排气流馈送到不同的圆周扇形)终止于相应的舌状物(例如第一和第二舌状物)中。当涡轮机叶轮旋转时，每个叶片在其经过第一舌状物时被激励而振动一次，然后在其经过第二舌状物时再次振动。实验已经表明，由于在舌状物处增加的压力差和增加的激励频率，在这种双蜗壳涡轮机壳体中的涡轮机叶轮更容易受到高周疲劳(HCF)的影响。这个问题虽然经常被解决，但是仍然需要一个简单且有效的解决方案。本实用新型提供这种解决方案来延长涡轮机叶轮寿命。
背景技术
在内燃发动机中，膨胀的热燃烧气体推动活塞，并且热能被转换成动能。大多数内燃发动机平均仅有大约20％的热效率。未使用的热能和动能作为废物通过发动机排气和冷却系统释放。
涡轮增压器可以用于捕获这些废能中的一部分。排气以高速和高压被引导到涡轮机叶轮上，以高达300，000RPM的速度驱动叶轮。涡轮机叶轮被联接到压缩机的压缩机叶轮上并且驱动压缩机叶轮。压缩机吸入新鲜空气，对其进行压缩，并且将该压缩空气供应到发动机进气口，允许更多的燃料在气缸中燃烧，从而提高发动机的马力。
在将发动机流体地联接到涡轮增压器的排气歧管将所有排气流收集到单个导管中之后的情况下，排气以相对恒定的压力到达涡轮机，并且涡轮机主要将排气的拥塞压力转换成旋转运动。在已知的“脉冲充电”的替代方案中，气体脉冲中存在的能量被另外利用来驱动涡轮机。
更具体地，在内燃发动机处，排气作为离散脉冲从气缸释放。即，在排气冲程中，当排气口打开时，热排气以脉冲形式被强制排出。脉冲作为动态波沿排气歧管行进，进入涡轮机壳体蜗壳，并且撞击到涡轮机叶轮上 (图1)，在涡轮机叶轮处，排气中的热量和压力被转换成旋转机械能。在动态波中包含额外的压力脉冲，其可以以较小的延迟启动涡轮机旋转，并因此有助于减小涡轮滞后。在脉冲能量驱动的涡轮机中，涡轮机入口处的压力在排气阀打开之后很快升高到高值，然后随着气缸排空而降低到低得多的值，直到另一排气阀打开再次引起压力快速增加。在多气缸发动机中，为了保持“脉冲分离”，发动机气缸被分成子组，每个子组分配有不同的排气歧管。涡轮增压器蜗壳还被分成多个基本上分开的蜗壳，每个歧管部分供应不同的蜗壳部分。
蜗壳的分割可以是子午线(“双蜗壳”)或扇形(如图1所示的“双蜗壳”)。本实用新型涉及具有扇形分开的双蜗壳涡轮机壳体的涡轮增压器，其中每个蜗壳以蜗牛壳的方式变窄，目的是使排气供给围绕其对应的叶轮扇形圆周地均匀分布。两个排气歧管可以从涡轮机壳体的同一侧(图1) 或从涡轮机壳体的相对侧切向地供应排气。每个蜗壳终止于舌状物。当涡轮机叶轮的叶片经过每个舌状物时，它们会因压力不连续性而弯曲或“激励”，从而导致叶片振动，就像音叉在敲击时会振动一样。这被称为“叶片通过激励”。
虽然扇形分开的双蜗壳提供有效的脉冲能量提取，但是双舌状物结构是特定激励问题的来源。当涡轮机叶轮旋转时，每个涡轮机叶片在其经过第一舌状物时被激励而振动一次，然后在其经过第二舌状物时再次振动。如果叶轮不够刚硬而具有高于由第一舌状物引入的激励的共振频率，则由第二舌状物引起的激励可以在其上建立，并增加激励的振幅。利用两个舌状物，不仅涡轮机叶轮每转的激励次数加倍，而且频率也加倍。因此，与单蜗壳涡轮机壳体不同，在单蜗壳涡轮机壳体中每转有一个叶片通过，并且因此a)有更多的时间/旋转来抑制该激励，并且b)将需要更高的旋转速度来激励更高阶的振动，其中两个舌状物使得激励能量和激励频率都加倍。激励频率将在某一点与叶片的共振频率匹配，导致振动的振幅显著增加。当叶片振动或“回荡”时，弯曲的幅度导致应变主要限制在应力应变曲线的弹性部分。叶片可以长时间承受这种交变应力而不断裂，但迟早会失效。这被称为高周疲劳(HCF)。
在径向-进入-轴向-排气涡轮机中，另一种形式的振动发生在涡轮机叶轮后壁上。在径向进入涡轮机中，叶片之间的轮毂是弯曲的，以帮助将排气流从径向流入方向重定向到轴向流出方向。特别地，在“脉冲涡轮增压”中，涡轮机叶轮在其重定向脉冲能量时经历轴向推回。这可以帮助将激励引入涡轮机叶轮后壁。
随着对涡轮增压器的空气动力学性能改进的追求不断突破机械设计的界限，涡轮机叶轮的HCF失效的风险被放大，并且经常是涡轮增压器的耐久性的限制因素。
一种减小HCF的传统方法涉及增加叶片的质量以用于一般的减振。然而，质量的任何增加都会降低涡轮增压器的性能。使涡轮机叶片变厚增加了惯性滞后并降低了效率和瞬态响应。
JP5870083B提出，考虑到排气脉动，可以通过重新设计涡轮机的涡旋部分来提高涡轮机效率。涡轮机的涡旋部分经配置使得比率A/R在曲线图中至少部分地具有凹形分布，其中水平轴线表示围绕涡轮机转子叶片的轴线的圆周位置并且垂直轴线表示比率A/R。
美国专利10，378，369和10，781，704也教导了一种涡轮机壳体，其中当A是涡旋部分的流动路径横截面面积，并且R是从涡旋部分的流动路径横截面的质心到涡轮机转子叶片的旋转轴线的距离时，涡旋部分经配置使得具有表示涡旋部分的圆周方向上的角位置θ的水平轴线(横坐标) 和表示流动路径横截面面积A与距离R之比A/R的垂直轴线(纵坐标)的第一曲线图至少部分地具有凹形分布。
US 10,513,936教导了一种涡轮增压器系统，包括：涡轮机叶轮，其经配置围绕旋转轴线旋转；以及涡轮机壳体，其容纳涡轮机叶轮，涡轮机壳体限定了具有蜗壳流动通道的至少一个涡旋，蜗壳流动通道具有在围绕旋转轴线的圆周方向上沿流动轴线间隔开的入口和末端；蜗壳流动通道限定了沿流动轴线从入口到末端串联布置的多个横截面，多个横截面是垂直于流动轴线截取的，多个横截面具有面积(A)、与旋转轴线间隔开径向距离(R)的质心、以及侧壁角；蜗壳流动通道具有从入口到末端的至少部分非线性的侧壁角分布；蜗壳流动通道具有从入口到末端的基本上线性的A/R分布；以及蜗壳流动通道具有从入口到末端的至少部分非线性的A 分布。参见该文献的图3，示出了对于从入口到末端的基本上线性的A/R 分布的蜗壳中质心的进展。
采用另一种方法，US 10,487,676(Hughes)教导了一种涡轮机壳体，包括用于涡轮机叶轮的空腔和入口蜗壳，该空腔限定涡轮机轴线，在使用中涡轮机叶轮围绕涡轮机轴线旋转。涡轮机可以用于脉冲充电。舌状物在蜗壳通道的第二末端之间伸出，并用于将蜗壳通道的第二末端从与其直接径向相邻的通道的一部分隔开。舌状物可以被认为至少将通道的径向最内的“线圈”的末端(即，至少通道的第二末端)与倒数第二个线圈分开。舌状物终止于纵向远侧尖端，传统地，其径向地邻近涡轮机叶轮定位以便与其提供最小的间隙，并且用于将该通道的第二末端中的工作流体引导到涡轮机叶轮中。A/R围绕涡轮机轴线线性地减小(参见Hughes图5)。在舌状物尖端区域可能出现问题。当沿蜗壳通道流动的工作流体经过舌状物尖端时，通道的面积和该区域的形状突然增加(因为舌状物不再占据通道中的任何空间)。这会导致A/R突然变化，并因此导致涡流角突然变化。这种涡流角的局部变化会在围绕其圆周的涡轮机叶轮上产生高/低力的局部区域。这又会引起涡轮机叶轮的振动和/或导致过早失效(例如，由于涡轮机上的点在其连续地围绕涡轮机轴线行进并且穿过局部区域时经受增加的循环负载而引起的疲劳)。根据Hughes，舌状物尖端横向中心线应该相对于通道线偏置布置，由此可以减小舌状物尖端的总横截面面积，这又可以减小横跨舌状物的A/R的波动。这可以允许由流体施加到涡轮机上的力更恒定，可以改进涡轮机效率和/或减少涡轮机叶轮疲劳。根据Hughes， A/R围绕涡轮机轴线线性地减小(参见Hughes图5，这里再现为现有技术图4，其中黑线表示传统蜗壳并且虚线表示修改后的蜗壳)。
本实用新型的目的是提供一种减少涡轮机叶轮的HCF的方法。
实用新型内容
本实用新型是基于以下发现：以反直觉的方式修改多蜗壳涡轮机壳体的蜗壳的设计实际上可以减少涡轮机叶轮的激励并且解决HCF的问题。
即，传统观点认为，当排气在蜗壳中围绕涡轮机的圆周流动时，它应该从蜗壳均匀且一致地馈送到涡轮机叶轮，并且这应该通过在蜗壳围绕涡轮机叶轮盘旋时均匀且一致地减小蜗壳的横截面面积来实现，即，A/R围绕涡轮机轴线线性减小。在本领域中工作的人将会预期，通过“膨胀”正好在舌状物上游的蜗壳的体积而偏离该设计将产生不一致性，并且增加舌状物处的压力差，因为，首先，舌状物将流动引导到涡轮机叶轮上的角度将更大，并且其次，在蜗壳的膨胀的终端部分中增加的气体体积将被预期以与具有线性减小的A/R的传统蜗壳不同的速率馈送喉部。
然而，本发明人已经发现，通过局部地增加正好在这些舌状物上游的蜗壳的横截面面积，令人惊讶地，导致在舌状物附近的涡轮机叶轮叶片上的排气压力的力函数的减小，并且因此导致叶片的激励的减小。
通过本实用新型的蜗壳几何形状的改变，可以减小涡轮机叶轮叶片在经过这些舌状物时经受的压力波动。这将减少临界频率处的激励，否则将导致HCF失效。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种涡轮机壳体，包括：用于涡轮机叶轮的空腔，所述空腔限定涡轮机叶轮旋转轴线，以及至少第一和第二入口蜗壳，每个包括：蜗壳通道，其围绕所述涡轮机轴线从第一末端径向向内盘旋至第二末端并且具有流动轴线；舌状物，其在所述蜗壳通道的所述第二末端的径向外部部分与所述空腔之间伸出，所述舌状物终止于远侧舌状物尖端，其中对于每个蜗壳，当A是垂直于所述流动轴线截取的以 mm2为单位的蜗壳的流动路径横截面面积，并且R是以mm为单位的从所述蜗壳的蜗壳横截面的质心到所述涡轮机叶轮旋转轴线的距离，所述蜗壳经配置使得当A/R被绘制在具有表示所述蜗壳的圆周方向上的角位置θ的水平轴线和表示所述流动路径横截面面积A与所述距离R的比率A/R的垂直轴线的曲线图上时：在包含所述涡轮机轴线和所述舌状物尖端的平面中的最大A/R在0°的角位置θmax A/R处被绘制为100％，所述蜗壳长度被绘制为所述水平轴线上的点，所有蜗壳长度的总计等于360°，从θmax A/R到代表蜗壳长度的所述点画出直线，在蜗壳长度减去蜗壳长度的10％处画出垂直线，在所述垂直线上，所述蜗壳的A/R比所述直线处的所述A/R增加2.5％至20％。
优选地，在θmin A/R减去20°处，所述A/R比所述直线大4％至18％。
优选地，在θmin A/R减去20°处，所述A/R比所述直线大5％至15％。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种涡轮机壳体，包括：用于涡轮机叶轮的空腔，所述空腔限定涡轮机叶轮旋转轴线，以及至少第一和第二入口蜗壳，每个包括：蜗壳通道，其围绕所述涡轮机轴线从第一末端径向向内盘旋至第二末端并且具有流动轴线；舌状物，其在所述蜗壳通道的所述第二末端的径向外部部分与所述空腔之间伸出，所述舌状物终止于远侧舌状物尖端，其中对于每个蜗壳，当A是垂直于所述流动轴线截取的以 mm2为单位的蜗壳的流动路径横截面面积，并且R是以mm为单位的从所述蜗壳的蜗壳横截面的质心到所述涡轮机叶轮旋转轴线的距离，所述蜗壳经配置使得当A/R被绘制在具有表示所述蜗壳的圆周方向上的角位置θ的水平轴线和表示所述流动路径横截面面积A与所述距离R的比率A/R的垂直轴线的曲线图上时：在包含所述涡轮机轴线和所述舌状物尖端的平面中的最大A/R在0°的角位置θmax A/R处被绘制为100％，所述蜗壳长度被绘制为所述水平轴线上的点，所有蜗壳长度的总计等于360°，从θmax A/R到代表蜗壳长度的所述点画出直线，在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，画出垂直线，并且使所述垂直线上的所述A/R比所述直线处的最大A/R大2.5％至20％。
优选地，在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，所述A/R 比所述直线大4％至18％。
优选地，在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，所述A/R 比所述直线大5％至15％。
参考以下附图、描述和权利要求，本实用新型的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。
附图说明
在下文中将结合以下附图来描述本实用新型，其中相同的数字表示相同的元件，并且其中：
图1示出了直列四气缸内燃发动机，其中通过排气歧管到具有线性减小的A/R的脉冲驱动扇形分开的双蜗壳涡轮机壳体的排气流分离被维持；
图2示出了涡轮机叶轮，其中在叶片前缘和叶轮后壁处具有过度的振动；
图3示出了A、质心和R的测量；
图4是根据现有技术的线性减小的A/R的曲线图；
图5是根据现有技术的线性减小和根据现有技术的凹形减小的A/R的曲线图；
图6示出了现有技术的双蜗壳涡轮机壳体，其中具有叶轮的旋转轴线、蜗壳质心以及在这两者之间测量的半径；
图7示出了与标准蜗壳相比，蜗壳在舌状物附近的创造性修改；
图8是本实用新型的双蜗壳涡轮机壳体的A/R对θ的曲线图；以及
图9示出了修改涡轮机设计的过程中的初始步骤。
具体实施方式
在下文中，将更具体地讨论一个具体的双蜗壳涡轮机叶轮和涡轮机壳体，因为它涉及一个具体的设计，但是将清楚的是，本实用新型适用于可替代的发动机配置、叶轮系列和涡轮机壳体。
如图1中示意性地示出的，本实用新型涉及用于如图1中示出的排气涡轮增压器系统(1)的扇形分开的涡轮机壳体(4)(双涡旋、双舌状物) 中的涡轮机叶轮(2)中的HCF的减小。在该说明性实施例中，发动机(8) 具有四个气缸(C1，C2，C3，C4)，这四个气缸将排气脉冲释放到双排气歧管(7)中。在典型的直列四气缸发动机中，点火顺序为1-3-4-2，这意味着第一气缸C1首先燃烧，然后第三气缸C3第二燃烧，然后第四气缸C4第三燃烧，第二气缸C2第四燃烧。两个气缸(C1，C4)流体地联接到第一排气歧管管道(9)，并且两个气缸(C2，C3)流体地联接到第二排气歧管(10)。这些排气歧管具有凸缘(11，13)，这些排气歧管经由这些凸缘联接到涡轮增压器涡轮机壳体凸缘(13)上，同时保持分开的排气流动通道的连续性并且因此分开排气脉冲(15)。通过将第一和第四气缸(C1，C4)流体地联接在一起并且将第二和第三气缸(C2，C3)联接在一起，从每个气缸释放的排气脉冲被分离最大量以用于配置。换言之，在来自第一气缸C1的排气脉冲进入第一排气歧管管道(9)之后，在来自第四气缸C4的排气脉冲进入第一排气歧管管道(9)之前存在暂停，因为来自第三气缸C3的排气脉冲首先进入第二排气歧管(10)。类似地，在来自第四气缸C4的排气脉冲进入第一排气歧管管道(9)之后，在来自第一气缸C1的排气脉冲进入第一排气歧管管道(9)之前存在暂停，因为来自第二气缸C2的排气脉冲首先进入第二排气歧管(10)。这些暂停导致排气歧管(9，10)中的脉冲能量之间的分离，使得歧管中的相邻排气脉冲之间的干扰减小。来自第三和第四气缸(C3，C4)的脉冲被类似地分离。涡轮机壳体(4)具有至少两个对称或不对称的流动通道(5，6)，这些流动通道是基本上流体分开的并且可以被排气流动穿过。这两个歧管优选地递送相反且相等的点火脉动 (15)以改进涡轮机效率并且降低歧管复杂性。可旋转地容纳在涡轮机壳体(4)中的涡轮机叶轮(2)可以由撞击在具有外径(14)的涡轮机叶轮上的排气驱动。双涡旋涡轮系统可以在低rpm下具有较高的背压(这可以帮助涡轮起转)并且在高rpm下具有较低的背压(这可以帮助高端性能)。
多个蜗壳(5，6)引导排气，使得排气沿涡轮机叶轮(2)的外径(14) 大致均匀地引入并且在涡轮机叶轮中膨胀，由此涡轮机叶轮可以将排气转换成旋转机械能。压力和温降被转换成动能。
从能量提取的角度来看，希望将舌状物(16，17)与涡轮机叶轮之间的间隙保持得尽可能小。然而，当旋转涡轮机叶轮的每个叶片靠近由舌状物(16，17)形成的流动障碍物经过时，压力变化将激励施加给叶片，致使叶片振动，就像音叉在敲击时会振动一样。如果舌状物(16，17)被定位成更靠近涡轮机叶轮，则压力变化增加，导致更大的激励并且因此导致叶片的更大的振动。而且，利用两个舌状物，每个叶片每转将经历两次这样的激励。
如图2所示，在这种具有扇形分开的双蜗壳涡轮机壳体的涡轮增压器中，当空气动力作用在涡轮机叶片(20)上时，这些叶片从它们的静止形状偏转、向后和向前弯曲。在没有适当耗散机制的情况下，振动能量的积累会导致振动幅度的增加。反复弯曲或偏转导致材料疲劳、开裂和最终断裂，称为高周疲劳(HCF)失效。HCF的特征在于低振幅高频弹性应变。HCF是在失效发生之前在大量循环下由小弹性应变引起的一种疲劳。
特别地，在“脉冲涡轮增压”中，涡轮机叶轮在其重定向脉冲能量时经历轴向推回。这可以帮助将激励引入涡轮机叶轮后壁(21)中。根据本实用新型的涡轮机和涡轮机叶轮经特别设计利用脉冲能量并将其转换成旋转速度。因此，对于分开的涡轮机壳体中的脉冲流涡轮机叶轮，来自排气的压力和速度的转换大于从稳态排气流到涡轮机叶轮速度的压力和速度的转换。
本实用新型是基于这样的发现，即恰好在舌状物的上游“膨胀”蜗壳通道的体积-可能预期在舌状物处产生增加的压力差的修改-实际上导致在舌状物附近的涡轮机叶轮叶片上的排气压力的力函数的减小，并且因此导致叶片的激励的减小。
现在将更详细地讨论用于定义本实用新型的基本术语。
虽然在技术上术语“蜗壳”可以指涡轮机壳体的部件的物理结构，或者排气流通过的结构内的空间，但是本文使用的术语“蜗壳”或“蜗壳通道”将指结构内的空间。
为了简单起见，首先使用如图3所示的单蜗壳涡轮机壳体来解释术语“A/R”。在单蜗壳解释的基础上，本实用新型将关于图6所示的双蜗壳涡轮机壳体进行说明。
在图3中，现有技术的涡轮机壳体在涡轮机底座处与排气管道流体配合。涡轮机壳体底座通常采用标准设计，因为它与许多发动机的排气歧管相配合。底座可以位于与蜗牛壳状“蜗壳”成任何角度或相对于蜗牛壳状“蜗壳”定位。从底座气体通道25到蜗壳的过渡以提供最佳空气动力学和机械折衷的方式执行。穿过底座通道过渡到蜗壳中的通道的横截面显示为“A”。涡轮机壳体包括适于容纳围绕旋转轴线22可旋转的涡轮机叶轮2 的空腔。蜗壳包括蜗壳通道，其围绕涡轮机轴线从第一末端到第二末端径向向内盘旋。蜗壳经设计用于将来自发动机的排气流以均匀的方式从蜗壳递送到以涡轮机叶轮轴线为中心的涡流。蜗壳通道终止于舌状物，其终止于舌状物尖端。蜗壳通道和舌状物尖端共同限定了将排气馈送到涡轮机叶轮的叶片的入口区域。
当用于限定涡轮机壳体时，广泛使用的术语A/R表示蜗壳入口切片“A”处的面积除以R的比率，R是从阴影流动面积23的质心(以mm2为单位) 到涡轮机叶轮旋转轴线22的距离(以mm为单位)。例如，具有509.27mm2的面积和48.5的半径的蜗壳的截面将具有509.27/48.5＝10.5的A/R。考虑到涡轮机叶轮直径，该公式可以替代地写为A/R/D或A/(R·D)；然而，当仅讨论一个特定的叶轮直径时，仅需要参考A/R，然后简单地将该值除以叶轮直径以达到该值的无量纲形式。
为了保持附接到蜗壳壁上的流动并且保持蜗壳的形状适合于蜗壳的功能，绘制了用于图3的涡轮机壳体的A/R进度表，如图4所示，以确保在截面中不存在不适当的变化。根据传统的理解，蜗壳的横截面面积在舌状物的径向向外的入口处是最大的，该入口是垂直于或垂直于流动方向测量的，并且该横截面面积应该逐渐地并且连续地减小直到当舌状物终止于叶轮附近时其变得最小(考虑到在舌状物与涡轮机叶轮之间提供的小空间以防止接触)。舌状物在蜗壳通道的第二末端与入口或底座通道的直接径向邻近的部分之间伸出，并用于将其分隔开。舌状物终止于纵向远侧尖端，该纵向远侧尖端传统地径向地邻近涡轮机叶轮定位以便与其提供最小的间隙，并且用于将通道的第二末端中的工作流体引导到涡轮机叶轮中。当沿蜗壳通道流动的排气通过舌状物尖端时，通道的面积和该区域的形状突然增加(因为舌状物不再占据通道中的任何空间)。这导致如图的左侧部分所示的A/R突然变化(参见图4，黑线)。此后，A/R围绕涡轮机轴线线性地减小。即，随着从舌状物的角位移增加，A/R直接成比例地减小。
图5示出了根据现有技术美国专利10，378，369和10，781，704的具有凹形分布的A/R。A是涡旋部分(蜗壳)的流动路径横截面面积，R 是从涡旋部分的流动路径横截面的质心到涡轮机转子叶片的旋转轴线的距离。涡旋部分经配置使得具有表示涡旋部分的圆周方向上的角位置θ的水平轴线(横坐标)和表示流动路径横截面面积A与距离R的比率A/R 的垂直轴线(纵坐标)的第一曲线图至少部分地具有凹形分布。
图6示出了双蜗壳涡轮机壳体，其具有底座通道26、27，其过渡到蜗壳5、6，这些蜗壳具有从舌状物尖端16、17径向向外的最大蜗壳面积A。每个面积A具有质心。随着从蜗壳入口的角位移的增加，可以计算蜗壳横截面面积，并且由此计算质心。蜗壳5的质心28中的一个在图6中示出，并且从涡轮机叶轮2的旋转轴线22到质心28的距离是半径R。示出了蜗壳6的质心29中的一个，并且从涡轮机叶轮2的旋转轴线22到质心29 的距离是半径R。由于A/R的减小是线性的，图示的涡轮机具有传统的蜗壳6、7。
根据如图7所示的本实用新型，与传统的蜗壳相比，正好在舌状物上游的蜗壳的终端部分被“膨胀”。图7示出了标准蜗壳30和正好在舌状物上游的四个创造性蜗壳31、32、33和34的重叠的舌状物和外边界。显然，标准蜗壳30的外壁的距离从该图示的右侧一直到线T逐渐且连续地减小，线T是穿过舌状物16尖端的径向线。双蜗壳通常是不对称的，例如，一个蜗壳围绕涡轮机叶轮延伸175°，而另一个蜗壳围绕涡轮机叶轮延伸 185°。对于其中A/R线性减小的蜗壳，对于175°的蜗壳，这将意味着对于每10％的蜗壳变化，即每17.5°，A/R变化10％。绘制从100％的最大 A/R(在示例中为10.5A/R)到舌状物处的最小A/R的直线，并且将该线作为假想线延续到蜗壳末端处的175°，并且该值对应于最大A/R的0％。在假想线的A/R将是最大A/R的10％的位置处，θ将是175°，或175°减去17.5°，或157.5°上游的总蜗壳角度的10％。参见图9，示出了设计175°蜗壳的过程。在由垂直虚线表示的157.5°(总蜗壳弧减去10％的弧)处，该线在最大A/R的10％处与假想直线(线性级数A/R)相交(在示例中10.5A/R的10％将是1.05A/R)。图9中还示出了157.5°处的曲线的创造性的凸形参考形状，其表示标准A/R+2.5％的最大A/R，或12.5％的总最大A/R，在该示例中为A/R 1.31。图9中还示出了157.5°处的曲线的创造性的凸形参考形状，其表示标准A/R+20％的最大A/R，或30％的总最大A/R，在该示例中为A/R 3.15。
根据本实用新型，可以改变两个关键参数：1)与标准相比局部A/R 增加的量(优选地，作为喉部处总A/R的百分比的A/R增加2.5-20％)，以及2)A/R开始下降的角度，即舌状物接近叶轮的角度。当然，这种A/R 的物理外观表现为蜗壳壁的新颖形状，蜗壳正好在舌状物的上游被“膨胀”。
根据本实用新型，A/R在直线A/R上以两种方式中的一个确定的θ增加至少2.5％，并且增加多达20％。在图7和8中，A/R从直线上的附加 2.5％(因此最大A/R为12.5％)增加到附加10％(因此最大A/R为20％)。增加20％是可能的，但未示出(因此最大A/R为30％)。
首先，计算垂直于流动轴线截取的以mm2为单位的蜗壳的流动路径横截面面积的最大值A。确定以mm为单位的从蜗壳的蜗壳横截面的质心到涡轮机叶轮旋转轴线的距离R。在具有表示从蜗壳的圆周方向上的角位置θ的位移的水平轴线和表示流动路径横截面面积的比率A/R的垂直轴线的曲线图上绘制A/R。将包含涡轮机轴线和舌状物尖端的平面中的最大A/R 绘制为0°角位置θmax A/R处的100％。绘制在θmin A/R处舌状物尖端最接近涡轮机叶轮的空腔的最小A/R，画出从θmax A/R到θmin A/R的直线并且将该线延续到0％A/R，其为蜗壳的假想末端，例如在示例中为175°(这是理论上的而不是实际的，因为舌状物实际上不接触叶轮)。
从总蜗壳长度(175°)中减去10％的蜗壳长度(17.5°)并标记该θ(示例中为157.5°)。在蜗壳长度减去10％处画出垂直线。该垂直线将以10％的最大A/R与标准线相交。在该垂直线上将总A/R增加2.5至20％。
确定在哪里绘制本实用新型曲线的点决定因素的第二种方式是画出如上所述的标准线，然后确定直线穿过最大A/R的10％的θ，并且在该θ处将A/R增加最大A/R的2.5-20％。结果将是相同的。
对于关于涡轮增压器涡轮机壳体蜗壳的设计的附加说明，参考美国专利8，585，355和10，301，952，这些专利的公开内容通过引用结合于本文。
现在将使用说明性的具体实施例来解释本实用新型。本实用新型决不限于这些示例。
示例1 12.5％
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000141
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000151
示例2 15％
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000161
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000171
示例3 17.5％
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000181
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000191
示例4 20％
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000201
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000211
对比示例标准
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000221
Figure DEST_PATH_GDA0004002127570000231
参见图7-9。将对比示例(标准蜗壳)绘制为最低线，并且显示为末端点之间的直线。在图9中，仅示出了双蜗壳中的一个。第二蜗壳将具有稍微不同的形状，因为175°的第一蜗壳将由185°的第二蜗壳补充，总共360°。大约相同的值，只是增加了180°。在图8中，示出了两个蜗壳(175°和185°)。蜗壳的精确形状不是最重要的事情，重要的是蜗壳相对于标准蜗壳在舌状物的上游被“膨胀”。为了便于定义A/R的增加，本文将假设标准蜗壳A/R，即计算当前偏差的基线，是直线。本实用新型的偏差是从这样的直线测量的。
应当理解，本文公开的配置和例程本质上是示例性的，并且这些具体实施例不应被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。例如，上述技术可以应用于I-4、I-6、V-6、V-12、对置4和其它发动机类型。而且，上述涡轮机壳体可以与双气缸发动机一起使用，诸如V型双气缸或直列式双气缸发动机，其中来自这两个气缸中的每一个的排气脉冲被引导到这两个蜗壳中的一个。
在至少一个实施例中，上述涡轮机配置可以与具有蜗壳的涡轮机壳体一起使用，该蜗壳是扇形分开的并且是子午线分开的。换言之，涡轮机壳体可以被分成具有周向间隔开的舌状物的两个蜗壳，并且这两个蜗壳中的每一个可以由一个整体壁横向地分开。这种涡轮机壳体将具有四个分开的蜗壳。美国专利第3，218，029号和美国公开第2017/0183975A1号描述了这种涡轮机壳体。这种涡轮机壳体可以有利地应用于四气缸发动机，使得每个气缸的排气脉冲行进通过单独的蜗壳。虽然为了简单起见可以图示和讨论四气缸发动机，但是涡轮机壳体也可以与六气缸发动机、八气缸发动机、十二气缸发动机或十六气缸发动机(或气缸总数为四的整数倍的任何其他发动机)一起使用。
上述涡轮机也可以用于具有不均匀气缸数的内燃发动机，诸如三气缸发动机或五气缸发动机。在这种配置中，与第二蜗壳相比，更多数量的气缸将排放到第一蜗壳。例如，在三气缸发动机中，气缸1和2可以排放到第一蜗壳(5)，气缸3可以排放到第二蜗壳(6)。同样地，在五气缸发动机中，气缸1、3和4可以排放到第一蜗壳(5)，而气缸2和5可以排放到第二蜗壳(6)。为了适应由排放到两个蜗壳的不同数量的气缸引起的不同体积流速，两个蜗壳(5，6)可以具有不同的横截面流动面积。在上述三气缸和五气缸发动机的示例中，第二蜗壳(6)可以具有比第一蜗壳(5) 更小的横截面面积，因为更少的排气穿过第二蜗壳(6)。
本说明书中提及的所有上述美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利公开通过引用整体并入本文。
虽然已经示出和描述了本实用新型的特定元件、实施例和应用，但是当然应当理解，本实用新型不限于此，因为本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，特别是根据前述教导进行修改。

Claims (6)

1.一种涡轮机壳体，其特征在于包括
用于涡轮机叶轮的空腔，所述空腔限定涡轮机叶轮旋转轴线，以及
至少第一和第二入口蜗壳，每个包括：蜗壳通道，其围绕所述涡轮机轴线从第一末端径向向内盘旋至第二末端并且具有流动轴线；
舌状物，其在所述蜗壳通道的所述第二末端的径向外部部分与所述空腔之间伸出，所述舌状物终止于远侧舌状物尖端，
其中对于每个蜗壳，当A是垂直于所述流动轴线截取的以mm2为单位的蜗壳的流动路径横截面面积，并且R是以mm为单位的从所述蜗壳的蜗壳横截面的质心到所述涡轮机叶轮旋转轴线的距离，所述蜗壳经配置使得当A/R被绘制在具有表示所述蜗壳的圆周方向上的角位置θ的水平轴线和表示所述流动路径横截面面积A与所述距离R的比率A/R的垂直轴线的曲线图上时：
在包含所述涡轮机轴线和所述舌状物尖端的平面中的最大A/R在0°的角位置θmax A/R处被绘制为100％，
所述蜗壳长度被绘制为所述水平轴线上的点，所有蜗壳长度的总计等于360°，
从θmax A/R到代表蜗壳长度的所述点画出直线，
在蜗壳长度减去蜗壳长度的10％处画出垂直线，
在所述垂直线上，所述蜗壳的A/R比所述直线处的所述A/R增加2.5％至20％。
2.根据权利要求1所述的涡轮机壳体，其特征在于，在θmin A/R减去20°处，所述A/R比所述直线大4％至18％。
3.根据权利要求1所述的涡轮机壳体，其特征在于，在θmin A/R减去20°处，所述A/R比所述直线大5％至15％。
4.一种涡轮机壳体，其特征在于包括
用于涡轮机叶轮的空腔，所述空腔限定涡轮机叶轮旋转轴线，以及
至少第一和第二入口蜗壳，每个包括：蜗壳通道，其围绕所述涡轮机轴线从第一末端径向向内盘旋至第二末端并且具有流动轴线；
舌状物，其在所述蜗壳通道的所述第二末端的径向外部部分与所述空腔之间伸出，所述舌状物终止于远侧舌状物尖端，
其中对于每个蜗壳，当A是垂直于所述流动轴线截取的以mm2为单位的蜗壳的流动路径横截面面积，并且R是以mm为单位的从所述蜗壳的蜗壳横截面的质心到所述涡轮机叶轮旋转轴线的距离，所述蜗壳经配置使得当A/R被绘制在具有表示所述蜗壳的圆周方向上的角位置θ的水平轴线和表示所述流动路径横截面面积A与所述距离R的比率A/R的垂直轴线的曲线图上时：
在包含所述涡轮机轴线和所述舌状物尖端的平面中的最大A/R在0°的角位置θmax A/R处被绘制为100％，
所述蜗壳长度被绘制为所述水平轴线上的点，所有蜗壳长度的总计等于360°，
从θmax A/R到代表蜗壳长度的所述点画出直线，
在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，画出垂直线，并且使所述垂直线上的所述A/R比所述直线处的最大A/R大2.5％至20％。
5.根据权利要求4所述的涡轮机壳体，其特征在于，在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，所述A/R比所述直线大4％至18％。
6.根据权利要求4所述的涡轮机壳体，其特征在于，在所述直线与最大A/R的10％相交的所述θ处，所述A/R比所述直线大5％至15％。
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