專利名稱：具有平行流壓縮機(jī)的軸流式渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及 渦輪增壓器，更具體地講，涉及具有渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的渦輪增壓器，該渦輪機(jī)和壓縮機(jī)產(chǎn)生最小的軸向力。
背景技術(shù)：
參見圖1，典型的渦輪增壓器101具有徑流式渦輪機(jī)，該增壓器包括一個(gè)渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)成在所述渦輪增壓器殼體內(nèi)在推力軸承和兩套軸頸軸承(各自用于相應(yīng)的轉(zhuǎn)子輪)，或者替換地，在其他類似的支撐軸承上沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線103旋轉(zhuǎn)。所述渦輪增壓器殼體包括渦輪機(jī)殼體105，壓縮機(jī)殼體107，和將所述渦輪機(jī)殼體連接在所述壓縮機(jī)殼體上的軸承殼體109(S卩，容納所述軸承的中央殼體)。所述轉(zhuǎn)子包括大體上位于所述渦輪機(jī)殼體內(nèi)部的渦輪機(jī)葉輪111，大體上位于所述壓縮機(jī)殼體內(nèi)部的壓縮機(jī)葉輪113， 和沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線延伸、穿過所述軸承殼體、將所述渦輪機(jī)葉輪連接在所述壓縮機(jī)葉輪上的軸115。渦輪機(jī)殼體105和渦輪機(jī)葉輪111構(gòu)成了渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)被設(shè)計(jì)成周向接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)，例如，來自內(nèi)燃機(jī)125的排氣歧管123的高壓和高溫廢氣流121。所述渦輪機(jī)葉輪(并因此所述轉(zhuǎn)子)是通過所述高壓和高溫廢氣流驅(qū)動(dòng)而繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線103旋轉(zhuǎn)的，所述高壓和高溫廢氣流變成為低壓和低溫的廢氣流127，并且被軸向釋放進(jìn)入排氣系統(tǒng) (未示出)。壓縮機(jī)殼體107和壓縮機(jī)葉輪113構(gòu)成了壓縮機(jī)級(jí)。通過由廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪111驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉輪被構(gòu)造成將軸向接收的進(jìn)入的空氣(例如，環(huán)境空氣131，或來自多級(jí)壓縮機(jī)的前一級(jí)的已加壓空氣)壓縮成增壓空氣流133，該氣流從所述壓縮機(jī)中周向噴射出。由于所述壓縮過程，所述增壓空氣流的特征在于其溫度高于所述進(jìn)入的空氣。任選地，所述增壓空氣流可被引導(dǎo)通過對(duì)流冷卻充量空氣冷卻器135，該冷卻器被設(shè)計(jì)成消散來自所述增壓空氣流的熱量，從而提高其密度。所得到的冷卻的和增壓的輸出空氣流137被輸送到所述內(nèi)燃機(jī)上的進(jìn)氣歧管139，或者替換地，輸送到串聯(lián)壓縮機(jī)的后續(xù)的級(jí)。該系統(tǒng)的運(yùn)行是通過E⑶151 (發(fā)動(dòng)機(jī)控制器)控制的，該控制器通過通訊連接153 與該系統(tǒng)的其余部分連接。被以全文形式通過引用并入本文的日期為1989年7月25日的美國(guó)專利4，850， 820，披露了一種類似于圖1的渦輪增壓器，不過，它具有軸流式渦輪機(jī)。所述軸流式渦輪機(jī)固有地具有更小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，這減少了加速所述渦輪機(jī)所需的能量。參見圖2，所述渦輪機(jī)具有在所述渦輪機(jī)葉片的半徑處周向接收廢氣并且(參考圖1)軸向限制該流動(dòng)以將其轉(zhuǎn)變成軸流的渦形管(參見圖1)。因此，廢氣沿大體上的軸向方向沖擊所述渦輪機(jī)葉片的前緣 (參見第2欄)。對(duì)于很多感興趣的渦輪機(jī)尺寸來說，軸流式渦輪機(jī)一般以比相當(dāng)?shù)膹搅魇綔u輪機(jī)更高的質(zhì)量流和更低的膨脹比運(yùn)行。雖然會(huì)損失一些效率和性能，不過常規(guī)軸流式渦輪機(jī)一般提供較低的慣量，其缺陷是不能夠以能用于很多現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的小尺寸高效地生產(chǎn)。例如，這是由于需要異常嚴(yán) 格的公差，由于空氣動(dòng)力學(xué)限制，和/或由于生產(chǎn)小型鑄造部件的尺寸限制。軸流式渦輪機(jī)還不能在較高膨脹比下運(yùn)行良好，通常由于內(nèi)燃機(jī)排氣的脈沖性質(zhì)需要這種能力。另外，常規(guī)軸流式渦輪機(jī)在其葉片上具有明顯的靜壓變化，從而導(dǎo)致在轉(zhuǎn)子的推力軸承上具有明顯的推力載荷，并有可能導(dǎo)致竄漏(blowby)。在某些常規(guī)渦輪增壓器上，渦輪機(jī)和壓縮機(jī)被設(shè)計(jì)成沿相反方向施加軸向載荷， 以便減少必須由所述軸承承載的平均軸向載荷。不過，來自所述渦輪機(jī)和壓縮機(jī)的軸向載荷彼此不是相等地改變，因此可能在差別很大的水平上，所以，所述推力軸承必須被設(shè)計(jì)用于在渦輪增壓器使用期間可能出現(xiàn)的最大的載荷條件。被設(shè)計(jì)成支撐高軸向載荷的軸承， 與相當(dāng)?shù)牡洼d荷軸承相比，會(huì)浪費(fèi)更多的能量，因此，必須支撐較高軸向載荷的渦輪增壓器由于其軸承，會(huì)損失更多的能量。因此，存在對(duì)一種具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的渦輪增壓器的渦輪機(jī)的需求，其特征在于其小尺寸不需要過于嚴(yán)格的公差，同時(shí)，在較小和較大的膨脹比下都具有合理的效率，并且， 具有較小的軸向載荷。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案滿足了上述和其他要求，并且提供了其他相關(guān)的優(yōu)點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
在各種實(shí)施方案中，本發(fā)明解決了上文提到過的某些或所有需求，以便提供了成本效率高的渦輪增壓器的渦輪機(jī)，其特征在于低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并且具有不需要過于嚴(yán)格的公差的小的尺寸，同時(shí)，在較小和較大的膨脹比下都以合理的效率運(yùn)行，并且，僅具有小的靜載荷變化。本發(fā)明提供了一種渦輪增壓器，它被設(shè)計(jì)成接收來自被設(shè)計(jì)成在一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況下運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流，并且將進(jìn)入的空氣壓縮成增壓空氣流。上述渦輪增壓器包括包含渦輪機(jī)殼體的渦輪增壓器殼體，和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)成在所述渦輪增壓器殼體內(nèi)沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線旋轉(zhuǎn)。所述轉(zhuǎn)子包括軸向渦輪機(jī)葉輪，壓縮機(jī)葉輪，和沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線延伸并且將所述渦輪機(jī)葉輪連接在壓縮機(jī)葉輪上的軸。所述渦輪機(jī)葉輪被設(shè)計(jì)成具有輪轂和多個(gè)軸向渦輪機(jī)葉片，這些渦輪機(jī)葉片被設(shè)計(jì)成當(dāng)所述渦輪增壓器從周向方向接收來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流時(shí)，繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子。所述壓縮機(jī)葉輪被設(shè)計(jì)為將進(jìn)入的空氣壓縮成所述增壓空氣流。有利的是，所述渦輪機(jī)殼體形成了向內(nèi)螺旋的渦輪機(jī)主渦形管通道，該通道的特征在于足夠大的徑向收縮以使廢氣加速，以便將渦輪機(jī)接收的廢氣總壓力的很大一部分轉(zhuǎn)化成動(dòng)壓。這使得適當(dāng)設(shè)計(jì)的葉片能夠從所述廢氣提取很大量的能量，而又不會(huì)明顯改變?cè)谒鰷u輪機(jī)葉片上的靜壓力。由于在所述渦輪機(jī)葉片上的大體上未改變的靜壓，所述廢氣流對(duì)所述轉(zhuǎn)子施加的軸向壓力很少或沒有。所述渦輪機(jī)葉輪葉片具有軸向上游邊緣，軸向下游邊緣，輪轂端，和與所述輪轂端相對(duì)的頂端。所述后緣的特征在于所述輪轂端處的半徑和所述頂端處的半徑。本發(fā)明的一個(gè)特征是位于所述渦輪機(jī)葉輪后緣的輪轂端處的半徑不超過所述渦輪機(jī)葉輪后緣的頂端處的半徑的60%。其他特征包括所述渦輪機(jī)葉輪葉片的數(shù)量局限于16個(gè)或更少，并且每一個(gè)都具有大的轉(zhuǎn)角的特征。優(yōu)選的是，以上特征用于從沿高度圓周方向接收的高速廢氣中提取的大量的能量，而又不會(huì)明顯影響所述廢氣的 靜壓。另外，所述渦輪機(jī)葉輪不需要極嚴(yán)格的生產(chǎn)公差或小的葉片尺寸，即使是當(dāng)所述葉輪是以較小的尺寸生產(chǎn)的時(shí)。本發(fā)明的其他特征是，所述壓縮機(jī)可以是雙側(cè)的、平行的、徑向壓縮機(jī)，其包括具有背對(duì)背取向的葉輪片的壓縮機(jī)葉輪，所述葉輪片包括沿軸向方向背離所述渦輪機(jī)的第一組葉輪片和軸向朝向所述渦輪機(jī)的第二組葉輪片。所述壓縮機(jī)殼體被設(shè)計(jì)成將進(jìn)入空氣平行引導(dǎo)至每一組壓縮機(jī)葉片。優(yōu)選的是，在這個(gè)特征下，所述壓縮機(jī)被設(shè)計(jì)成大體上不會(huì)在所述轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生軸向載荷。通過與同樣對(duì)所述轉(zhuǎn)子施加的軸向載荷很少或沒有的渦輪機(jī)組合，推力軸承載荷水平可顯著低于常規(guī)渦輪增壓器。所述較低的軸承載荷水平允許使用更高效的推力軸承，并一次提高所述渦輪增壓器的整體效率。通過結(jié)合附圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施方案所做的以下詳細(xì)說明，可以了解本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖以舉例形式說明了本發(fā)明的原理。下面提供的使得技術(shù)人員能夠構(gòu)建和利用本發(fā)明的實(shí)施方案的對(duì)具體優(yōu)選的實(shí)施方案的詳細(xì)說明，不是用于限定所列舉的權(quán)利要求的，相反，它們是作為要求保護(hù)的發(fā)明的特定例子。


圖1是現(xiàn)有渦輪增壓內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)示意圖。圖2是體現(xiàn)本發(fā)明的一種渦輪增壓器的剖視平面圖。圖3是圖2所示渦輪增壓器沿圖2中線A-A的側(cè)剖視圖。圖4是相對(duì)圖2所示渦輪機(jī)葉輪的某些關(guān)鍵流動(dòng)位置的平面圖。圖5是圖2所示渦輪機(jī)葉片的曲面的示意圖。圖6是圖2所示渦輪機(jī)葉輪的透視圖。
具體實(shí)施例方式通過參考以下詳細(xì)說明，能夠更好地理解上文概括的以及在所列舉的權(quán)利要求中限定的發(fā)明，閱讀以下說明時(shí)應(yīng)當(dāng)結(jié)附圖。下面提供的使得技術(shù)人員能夠構(gòu)建和使用本發(fā)明的具體實(shí)施方式
的本發(fā)明特定的優(yōu)選的實(shí)施方案的詳細(xì)說明不是用于限定所列舉的權(quán)利要求的，相反，意在提供它們的特定例子。本發(fā)明的典型實(shí)施方案在于裝配有汽油動(dòng)力內(nèi)燃機(jī)(“ICE”)和渦輪增壓器的汽車。渦輪增壓器裝配了不同的特征組合，這些特征在各種實(shí)施方案中，可提供具有50%反作用渦輪機(jī)的幾何學(xué)益處的零反作用渦輪機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)益處，和/或通過以減小軸承需求的方式組合效率較低的部件以提供明顯改善的系統(tǒng)，并且因此形成了比相當(dāng)?shù)奈锤纳频南到y(tǒng)具有更高效率的系統(tǒng)。所述渦輪機(jī)被設(shè)計(jì)成在較小和較大的膨脹比下都以合理的效率運(yùn)行，在所述渦輪機(jī)葉輪上僅具有小的靜壓變化(并因此具有小的轉(zhuǎn)子推力載荷)，同時(shí)，它具有低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 并且其特征在于具有小的尺寸，但是不需要特別嚴(yán)格的公差。與此結(jié)合，所述壓縮機(jī)特征也在于低軸向推力載荷，從而使渦輪增壓器能要求這樣的推力軸承該推力軸承比用于相當(dāng)?shù)某Ｒ?guī)渦輪增壓器的推力軸承具有明顯更高的效率。參見圖2和3，在本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施方案中，為如圖1所示的典型的內(nèi)燃機(jī)和 ECU (以及任選的中間冷卻器)，設(shè)置有渦輪增壓器201，它包括渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)成在所述渦輪增壓器殼體內(nèi)沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線203在一組軸承上旋轉(zhuǎn)。所述渦輪增壓器殼體包括渦輪機(jī)殼體205，壓縮機(jī)殼體207，和連接渦輪機(jī)殼體與壓縮機(jī)殼體的軸承殼體209 (即，容納徑向和推力軸承中間殼體)。所述轉(zhuǎn)子包括大體上位于所述渦輪機(jī)殼體內(nèi)部的軸向渦輪機(jī)葉輪211，大體上位于所述壓縮機(jī)殼體內(nèi)部的徑向壓縮機(jī)葉輪213，和沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線延伸、穿過所述軸承殼體、將所述渦輪機(jī)葉輪連接在所述壓縮機(jī)葉輪上并且使所述渦輪機(jī)葉輪能驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)葉輪繞所述旋轉(zhuǎn)的軸線 旋轉(zhuǎn)的軸215。渦輪機(jī)殼體205和渦輪機(jī)葉輪211構(gòu)成了渦輪機(jī)，渦輪機(jī)被設(shè)計(jì)成周向接收來自內(nèi)燃機(jī)的排氣歧管的高壓和高溫廢氣流(如來自廢氣歧管123的廢氣流121，參見圖1)。所述渦輪機(jī)葉輪(及該轉(zhuǎn)子)被作用在所述渦輪機(jī)葉輪的多個(gè)葉片231上的高壓和高溫廢氣流驅(qū)動(dòng)，繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線203旋轉(zhuǎn)。所述廢氣流在通過所述葉片的同時(shí)變?yōu)榈涂倝簭U氣流，隨后通過渦輪機(jī)出口 227軸向釋放到排氣系統(tǒng)(未示出)。壓縮機(jī)殼體207和壓縮機(jī)葉輪213構(gòu)成了徑向壓縮機(jī)。被廢氣驅(qū)動(dòng)的渦輪機(jī)葉輪 211 (通過軸軸215)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉輪，被設(shè)計(jì)成將軸向接收的進(jìn)入的空氣(例如，環(huán)境空氣，或來自多級(jí)壓縮機(jī)的前一級(jí)的業(yè)已增壓的空氣)壓縮成增壓空氣流，該氣流可以從所述壓縮機(jī)中周向噴出，并且輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)入口(如增壓空氣流133被輸送到發(fā)動(dòng)機(jī)入口 139，參見圖1)。渦輪機(jī)蝸殼
渦輪機(jī)殼體205構(gòu)成了通向主渦形管通道219的廢氣進(jìn)入通道217，主渦形管通道被設(shè)計(jì)成沿垂直于、并且徑向偏離于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203的方向接收來自所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流。 所述主渦形管通道形成了適合將所述廢氣流加速至高速度的螺旋形，該高速至少在所述渦輪機(jī)(及其相關(guān)的發(fā)動(dòng)機(jī))的某些運(yùn)行狀況下是超音速。更具體地講，所述主渦形管通道使所述廢氣同時(shí)繞旋轉(zhuǎn)軸線203向內(nèi)地且朝向軸向渦輪機(jī)葉輪211軸向地轉(zhuǎn)向，以便實(shí)現(xiàn)(對(duì)于所述發(fā)動(dòng)機(jī)的某些標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況而言)具有下游軸向分量221和下游周向分量223的超聲速流。這種構(gòu)造有效利用角動(dòng)量守恒(而不是縮放噴嘴)來獲高速空氣流，至少在某些運(yùn)行狀況下該高速空氣流可無激波地過渡到超音速速度。一般地，需要以大的半徑變化為特征的螺旋形來實(shí)現(xiàn)這種速度變化，并且即使所得到的空氣流被轉(zhuǎn)向成軸向進(jìn)入軸向渦輪機(jī)葉輪，它也具有極高速度的周向分量。這種周向分量是在不使用導(dǎo)向葉片的情況下獲得的，導(dǎo)向葉片會(huì)導(dǎo)致額外的損失。因此，該實(shí)施方案的渦輪機(jī)入口是無導(dǎo)向葉片設(shè)計(jì)。與有導(dǎo)向葉片的設(shè)計(jì)相比，這種設(shè)計(jì)有利地是成本效率高的、可靠的(因?yàn)樗嗽诃h(huán)境中容易腐蝕的某些部件)，避免了摩擦壓力損失，并且避免形成在某些運(yùn)行狀況下可能阻塞所述氣流的喉部臨界截面積。參見圖2-4，在所述主渦形管通道的內(nèi)徑中的所述被加速的廢氣流的可能的超音速流被導(dǎo)入渦輪機(jī)葉輪211。更具體地講，所述主渦形管通道是內(nèi)向螺旋的通道，其特征在于將主渦形管通道連接在廢氣進(jìn)入通道217上的主渦形管入口 225。所述主渦形管通道大體上形成了收斂的通道，該通道向內(nèi)充分螺旋，并且充分收斂，以便將所述廢氣加速，并且， 當(dāng)所述廢氣向軸向下游轉(zhuǎn)向并且沖擊在葉片231的軸向的上游端233時(shí)，至少在所述發(fā)動(dòng)機(jī)(以及所述渦輪增壓器)的某些標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況下獲得超音速。主渦形管入口 225是沿所述渦輪機(jī)內(nèi)的通道定位的平坦位置，所述廢氣通過該通道運(yùn)動(dòng)后到達(dá)所 述渦輪機(jī)葉輪。所述主渦形管入口的位置是關(guān)于該通道中的開口確定的， 該開口的特征在于從沿垂直于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203的剖開的剖面上看具有舌樣的形狀。更具體地講，從圖3所示剖面上看，舌235的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為具有頂端的突出部。應(yīng)當(dāng)指出的是，在某些實(shí)施方案中，當(dāng)所述截面取在不同的軸向位置形成時(shí)，該結(jié)構(gòu)的形狀不會(huì)改變。在其他實(shí)施方案中，形成舌235的結(jié)構(gòu)可以成形為，以便當(dāng)在不同的軸向位置形成的截面內(nèi)觀察時(shí)，所述舌頂端的位置發(fā)生改變。主渦形管入口 225位于舌235的頂端。不管所述舌的頂端的周向位置在何種程度上隨著所考慮的截面的軸向位置而改變，主渦形管入口 225都限定在所述舌的頂端的最上游位置，即，所述殼體處于開放的最上游位置，以便它不再徑向介于所述廢氣流和葉片之間 (即使所述葉片是軸向偏離于所述廢氣流的)。對(duì)于本申請(qǐng)的目的來說，主渦形管入口 225 被限定為位于所述舌的頂端的、從廢氣進(jìn)入通道217進(jìn)入主渦形管通道219的最小的平面開口。換句話說，它在所述廢氣進(jìn)入通道的下游端位于所述氣流能夠接觸到所述葉片的位置。主渦形管通道219始于主渦形管入口 225，并且繞所述旋轉(zhuǎn)軸線向內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°， 以便形成再結(jié)合進(jìn)入主渦形管入口 225的氣流的收斂回路。該收斂回路對(duì)所述廢氣進(jìn)行周向加速，并使之轉(zhuǎn)向?yàn)檩S向。在主渦形管通道219的整個(gè)360°范圍內(nèi)，所述加速的并轉(zhuǎn)向的廢氣流沖擊在葉片231上，從所述葉片之間通過，并且驅(qū)動(dòng)所述渦輪機(jī)葉輪211旋轉(zhuǎn)。總之，所述軸向渦輪機(jī)葉輪的殼體形成了環(huán)繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線的向內(nèi)螺旋的主渦形管通道。它始于大體上位于所述葉片的軸向上游端的徑向外部的主渦形管入口 225， 使得通道能向內(nèi)螺旋并轉(zhuǎn)向成軸向，從而對(duì)進(jìn)入所述軸向渦輪機(jī)葉輪葉片上游端的廢氣流進(jìn)行加速。校正的質(zhì)量流量
在本發(fā)明中為了實(shí)現(xiàn)對(duì)所述廢氣的適當(dāng)?shù)募铀偎?，主渦形管通道219被設(shè)計(jì)成具有這樣的尺寸參數(shù)，使得當(dāng)所述渦輪機(jī)以臨界膨脹比(Era)運(yùn)行時(shí)，所述渦輪機(jī)的校正的質(zhì)量流率表面密度超過臨界配置參數(shù)，即，臨界校正的質(zhì)量流率表面密度(Dra)。更具體地講，所述渦形管尺寸參數(shù)包括主渦形管半徑比(G)和主渦形管入口面積(ai)，并且將這些參數(shù)選擇為使得當(dāng)所述渦輪機(jī)以臨界膨脹比(Ect)運(yùn)行時(shí)，所述渦輪機(jī)的校正的質(zhì)量流率表面密度超過臨界配置參數(shù)Dra。所述尺寸參數(shù)是相對(duì)主渦形管入口 225定義的，它被描述為質(zhì)心 237。為了對(duì)所述氣體進(jìn)行軸向足夠加速，該質(zhì)心大體上位于每一個(gè)葉片231的軸向上游端 233的徑向外部，并且，一般位于其軸向的上游。上面提及的某些項(xiàng)目的值取決于用于驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)的廢氣體流的類型。該廢氣體流用Boltzmarm常數(shù)(k)，和氣體常數(shù)R-specific (Rsp)來表征。所述常數(shù)根據(jù)氣體類型改變，但對(duì)于大部分汽油發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣來說，預(yù)計(jì)差別很小，所述常數(shù)通常在k = 1.3和Rsp = 290.8 J/kg/K的數(shù)量級(jí)上。能夠加速所述廢氣的所述渦輪機(jī)殼體由上述兩種尺寸參數(shù)表征。第一種尺寸參數(shù)，是主渦形管半徑比被定義為位于渦輪機(jī)葉片231的前緣(即，位于轉(zhuǎn)子入口的內(nèi)緣) 的輪轂上的點(diǎn)239的半徑，除以主渦形管入口 225的平面面積的質(zhì)心237的半徑。第二種尺寸參數(shù)，是主渦形管入口面積ai;被定義為主渦形管入口 225的面積。如上文所述，渦輪機(jī)的該實(shí)施方案的幾何形狀是相對(duì)臨界膨脹比Ect下的工作參數(shù)確定的。該臨界膨脹比是通過以下公式獲得的 I
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器，其被構(gòu)造成接收來自發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流，和接收來自空氣源的進(jìn)入空氣，包括渦輪增壓器殼體，其包括渦輪機(jī)殼體和壓縮機(jī)殼體；和轉(zhuǎn)子，其被構(gòu)造成沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線在所述殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括渦輪機(jī)葉輪、 壓縮機(jī)葉輪、和沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線延伸并且將所述渦輪機(jī)葉輪連接在壓縮機(jī)葉輪上的軸；其中，所述渦輪機(jī)葉輪和所述渦輪機(jī)殼體形成構(gòu)造為從所述廢氣流提取能量的渦輪機(jī)，并且該渦輪機(jī)因此構(gòu)造為繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線驅(qū)動(dòng)所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)；其中，所述壓縮機(jī)葉輪和所述壓縮機(jī)殼體形成壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)構(gòu)造為當(dāng)所述轉(zhuǎn)子被所述渦輪機(jī)葉輪繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，將所述進(jìn)入空氣壓縮成所述增壓空氣流；其中，所述渦輪機(jī)構(gòu)造為至少在一些運(yùn)行狀況下，將所述葉輪上游的該葉輪的輪轂附近的靜壓限制為不超過該渦輪機(jī)的出口靜壓的120%的值；和其中，所述壓縮機(jī)構(gòu)造為在所述轉(zhuǎn)子上基本上不產(chǎn)生軸向載荷。
2.如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機(jī)構(gòu)造為在所述轉(zhuǎn)子上基本上不產(chǎn)生軸向載荷。
3.如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其中所述壓縮機(jī)葉輪包括背對(duì)背定向的葉輪片，所述葉輪片包括軸向背離所述渦輪機(jī)的第一組葉輪片和軸向面對(duì)所述渦輪機(jī)的第二組葉輪片；所述壓縮機(jī)殼體構(gòu)造成將進(jìn)入空氣平行地引導(dǎo)到每一組壓縮機(jī)葉片。
4.如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成在一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況下運(yùn)行，其中所述渦輪機(jī)葉輪構(gòu)造成帶有輪轂，并帶有多個(gè)軸向渦輪機(jī)葉片，所述渦輪機(jī)葉片構(gòu)造成在所述渦輪增壓器從所述發(fā)動(dòng)機(jī)接收所述廢氣流時(shí)繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所述渦輪機(jī)葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、輪轂端、和與所述輪轂端相對(duì)的頂端；禾口所述渦輪機(jī)殼體形成了向內(nèi)螺旋的渦輪機(jī)主渦形管通道，該通道的特征在于主渦形管入口，所述主渦形管入口由位于所述渦輪機(jī)葉片的軸向上游端的徑向外側(cè)的質(zhì)心表征。
5.如權(quán)利要求4的渦輪增壓器，其中，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流由氣體特定屬性表征，所述氣體特定屬性包括個(gè)別氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中所述主渦形管入口還由面積表征；所述渦輪機(jī)葉輪的葉片的所述軸向上游邊緣限定渦輪機(jī)葉輪的入口，所述渦輪機(jī)葉輪的入口由面積表征；組合的渦輪機(jī)殼體和渦輪機(jī)葉輪由主渦形管半徑比G表征，主渦形管半徑比&定義為在所述葉片的所述軸向上游邊緣處的所述輪轂的半徑除以所述主渦形管入口的所述質(zhì)心的半徑；組合的渦輪機(jī)殼體和渦輪機(jī)葉輪還由當(dāng)被以臨界膨脹比Ect驅(qū)動(dòng)時(shí)在所述主渦形管入口處的修正的質(zhì)量流率表面密度表征；所述主渦形管半徑比G和所述主渦形管入口的面積的大小設(shè)置為使得當(dāng)被以臨界膨脹比Era驅(qū)動(dòng)時(shí)在所述主渦形管入口處的修正的質(zhì)量流率表面密度大于臨界修正的質(zhì)量流率表面密度Dct ；和所述Dra和Era的值由以下方程確定
6.如權(quán)利要求5的渦輪增壓器，其中，位于每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的輪轂端的半徑不超過每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的頂端的半徑的60%。
7.如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，所述發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造成在一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況上運(yùn)行，其中所述渦輪機(jī)葉輪構(gòu)造成帶有輪轂，并帶有多個(gè)軸向渦輪機(jī)葉片，所述渦輪機(jī)葉片構(gòu)造成在所述渦輪增壓器從所述發(fā)動(dòng)機(jī)接收所述廢氣流時(shí)繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的軸線驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，所述渦輪機(jī)葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、輪轂端、和與所述輪轂端相對(duì)的頂端；禾口所述渦輪機(jī)殼體形成了向內(nèi)螺旋的渦輪機(jī)主渦形管通道。
8.如權(quán)利要求7的渦輪增壓器，所述發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流由氣體特定屬性表征，所述氣體特定屬性包括個(gè)別氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中其中所述渦輪機(jī)殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機(jī)主渦形管通道，該通道形成由面積和質(zhì)心表征的主渦形管入口；所述渦輪機(jī)葉輪的葉片的所述軸向上游邊緣限定渦輪機(jī)葉輪的入口，所述渦輪機(jī)葉輪的入口由面積表征；組合的渦輪機(jī)殼體和渦輪機(jī)葉輪由主渦形管半徑比G表征，主渦形管半徑比&定義為在所述葉片的所述軸向上游邊緣處的所述輪轂的半徑除以所述主渦形管入口的所述質(zhì)心的半徑；組合的渦輪機(jī)殼體和渦輪機(jī)葉輪還由當(dāng)被以臨界膨脹比Ect驅(qū)動(dòng)時(shí)在所述主渦形管入口處的修正的質(zhì)量流率表面密度表征；所述主渦形管半徑比G和所述主渦形管入口的面積的大小設(shè)置為使得當(dāng)被以臨界膨脹比Era驅(qū)動(dòng)時(shí)在所述主渦形管入口處的修正的質(zhì)量流率表面密度大于臨界修正的質(zhì)量流率表面密度Dct ；和所述Dra和Era的值由以下方程確定
9.如權(quán)利要求8的渦輪增壓器，其中，位于每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的輪轂端的半徑不超過每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的頂端的半徑的60%。
10.如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其中，位于每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的輪轂端的半徑不超過每個(gè)渦輪機(jī)葉輪后緣的頂端的半徑的60%。
11.如權(quán)利要求10的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機(jī)葉片各自的特征在于在所述輪轂處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45°。
12.如權(quán)利要求11的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機(jī)葉片各自的特征在于在所述輪轂和所述頂端之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80°。
13.如權(quán)利要求10的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機(jī)葉片各自的特征在于在所述輪轂和所述頂端之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80°。
14.渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)，其構(gòu)造為接收增壓空氣流并產(chǎn)生廢氣流，所述發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造為在一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況上運(yùn)行；和如權(quán)利要求1的渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造為當(dāng)以所述標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況運(yùn)行時(shí)從所述發(fā)動(dòng)機(jī)接收所述廢氣流，并且將進(jìn)入空氣壓縮成為由所述發(fā)動(dòng)機(jī)接收的所述增壓空氣流。
15.如權(quán)利要求14的渦輪增壓的內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，其中所述向內(nèi)螺旋的主渦形管通道大體上形成收斂通道，該收斂通道向軸向下游轉(zhuǎn)向并向內(nèi)螺旋從而足以對(duì)于所述一定范圍的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行狀況中的至少一些運(yùn)行狀況使所述進(jìn)入空氣在到達(dá)所述渦輪機(jī)葉輪的葉片的所述上游邊緣時(shí)達(dá)到超音速速度。
全文摘要
一種渦輪增壓器，包括渦輪機(jī)葉輪，其輪轂-到-頂端比不超過60%，并且葉片具有大轉(zhuǎn)向角，渦輪機(jī)殼體形成了向內(nèi)螺旋的主渦形管通道，該通道顯著收縮，以產(chǎn)生以大周向角進(jìn)入所述渦輪機(jī)的高度加速的空氣流，還包括兩個(gè)側(cè)面平行的壓縮機(jī)。所述壓縮機(jī)和渦輪機(jī)各自基本上不產(chǎn)生軸向力，允許使用最少的軸向推力軸承。
文檔編號(hào)F02B37/00GK102220881SQ201110096468
公開日2011年10月19日 申請(qǐng)日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者D·圖列塞克, J·A·羅特曼, J·費(fèi)爾達(dá), M·內(nèi)耶德利, T·貝倫, V·凱爾斯, V·豪斯特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司