專利名稱：軸向渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明總體上涉及渦輪增壓器，并且更具體地涉及具有高速渦管形渦形(volute) 的軸向渦輪機(軸流式渦輪機)。
背景技術(shù)：
參見圖1，具有徑向渦輪機的典型渦輪增壓器101包括渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子構(gòu)造成在渦輪增壓器殼體中沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103在推力軸承和兩組軸頸軸承(每一組用于各自相應(yīng)的轉(zhuǎn)子輪)或者替代性地在其他類似支撐性軸承上旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器殼體包括渦輪機殼體105、壓縮機殼體107和軸承殼體109 (即，容納軸承的中心殼體)，軸承殼體 109將渦輪機殼體連接到壓縮機殼體。轉(zhuǎn)子包括基本位于渦輪機殼體內(nèi)的渦輪機輪111、基本位于壓縮機殼體內(nèi)的壓縮機輪113以及軸115，軸115沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸通過軸承殼體以將渦輪機輪連接到壓縮機輪。渦輪機殼體105和渦輪機輪111形成渦輪機，該渦輪機構(gòu)造成周向地接收來自發(fā)動機(例如來自內(nèi)燃發(fā)動機125的排氣歧管123)的高壓高溫排氣流121。渦輪機輪(因而轉(zhuǎn)子)被高壓高溫排氣流驅(qū)動圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線103旋轉(zhuǎn)，高壓高溫排氣流變成較低壓較低溫排氣流127并且被軸向地釋放到排氣系統(tǒng)(未示出)中。壓縮機殼體107和壓縮機輪113形成了壓縮機級。壓縮機輪被排氣驅(qū)動的渦輪機輪111驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，并且構(gòu)造成將軸向接收的輸入空氣(例如，外界空氣131，或來自多級壓縮機的前級的已被加壓的空氣)壓縮成加壓空氣流133，加壓空氣流133從壓縮機被周向地排出。由于該壓縮過程，加壓空氣流的特征在于相比輸入空氣更高的溫度。任選地，加壓空氣流可被輸送通過對流冷卻的中冷器135，中冷器135構(gòu)造成從加壓空氣流耗散熱量并使其密度增大。所得到的被冷卻和加壓的輸出空氣流137被輸送到內(nèi)燃發(fā)動機上的進氣歧管139中，或者替代性地被輸送到后級、串聯(lián)壓縮機中。該系統(tǒng)的操作被E⑶151 (發(fā)動機控制單元)控制，E⑶151經(jīng)由連通連接153連接到系統(tǒng)的其余部分。1989年7月25日的美國專利4850820公開了類似于圖1的渦輪增壓器，不過該渦輪增壓器具有軸向渦輪機，該美國專利通過引用并入本文中用于所有目的。軸向渦輪機固有地具有較低的慣性矩，降低了使渦輪機加速所需的能量的量。如在圖2中可看到的，渦輪機具有渦管，該渦管周向地接收渦輪機葉片半徑處的排氣并且(參見圖1)軸向地限制該流以將其轉(zhuǎn)變?yōu)檩S向流。因而其沿大致軸向方向沖擊渦輪機葉片的前緣(參見列2)。對于許多感興趣的渦輪機尺寸，相比可比較的徑向渦輪機(輻流式渦輪機)，軸向渦輪機通常以更高的質(zhì)量流和更低的膨脹比操作。雖然常規(guī)軸向渦輪機通常提供更低的慣性，盡管在效率和性能上有一些損失，但它們無法以許多現(xiàn)代內(nèi)燃發(fā)動機可使用的小尺寸來高效地制造。這是例如由于所可能需要的格外緊的公差，由于空氣動力學(xué)限制，和/或由于在生產(chǎn)小的鑄件時的尺度限制。軸向渦輪機還無法在較高膨脹比時良好地運行，例如通常由于內(nèi)燃發(fā)動機的排氣的脈動本質(zhì)而需要較高的膨脹比。此外，常規(guī)軸向渦輪機在葉片上具有靜壓的顯著變化，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的推力軸承上的顯著推力負載，并且潛在地導(dǎo)致竄漏。
在一些常規(guī)渦輪增壓器中，渦輪機和壓縮機被構(gòu)造成在相對的方向上施加軸向負載，從而使得軸承所必須承載的平均軸向負載變小。不過，來自渦輪機和壓縮機的軸向負載相互之間不是均勻變化，并且可以以顯著不同的水平變化，所以推力軸承必須設(shè)計成用于在渦輪增壓器使用期間可能出現(xiàn)的最大負載條件。構(gòu)造成支撐高軸向負載的軸承相比可比較的低負載軸承浪費了更多的能量，因此，必須支撐較高軸向負載的渦輪增壓器損失了更多的能量到它們的軸承。因此，需要 一種具有低慣性矩的渦輪增壓器渦輪機，其特征在于不需要格外緊的公差的小尺寸，同時具有在較低和較高膨脹比時的合理效率以及較小的軸向負載。本發(fā)明的優(yōu)選實施例滿足了這些和其他需求，并且提供進一步相關(guān)的優(yōu)點。

發(fā)明內(nèi)容
在各種實施例中，本發(fā)明解決了上述需求中的一些或全部需求，通常提供一種成本有效的渦輪增壓器渦輪機，其特征在于低慣性矩，并且具有不需要格外緊公差的小尺寸， 同時在較低和較高膨脹比時以合理效率操作，并且在靜負載上僅具有小的變化。本發(fā)明提供了一種渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造成從構(gòu)造成在一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件上操作的發(fā)動機接收排氣流并且將輸入空氣壓縮成加壓空氣流。所述渦輪增壓器包括渦輪增壓器殼體，其包括渦輪機殼體；和轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成在所述渦輪增壓器殼體中沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。所述轉(zhuǎn)子包括軸向渦輪機輪、壓縮機輪和軸，所述軸沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸并且將所述渦輪機輪連接到所述壓縮機輪。所述渦輪機輪構(gòu)造有轂和多個軸向渦輪機葉片，所述葉片構(gòu)造成當(dāng)所述渦輪增壓器從所述發(fā)動機從周向方向接收排氣流時驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。所述壓縮機輪構(gòu)造成將所述輸入空氣壓縮成所述加壓空氣流。有利地，所述渦輪機殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道，所述主渦管通道的特征在于足夠顯著的徑向減小以加速排氣，使得由所述渦輪機接收的排氣的總壓力的顯著部分被轉(zhuǎn)化為動壓。這允許適當(dāng)構(gòu)造的葉片從排氣提取顯著量的能量而不顯著改變所述渦輪機葉片上的靜壓。在渦輪機葉片上的實質(zhì)不變的靜壓的情況下，所述排氣流在轉(zhuǎn)子上施加極小或不施加軸向壓力。所述渦輪機輪葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端以及與所述轂端相對的尖端。后緣的特征在于轂端處的半徑以及尖端處的半徑。本發(fā)明的一個特征是渦輪機輪后緣的轂端處的半徑不大于渦輪機輪后緣的尖端處的半徑的60%。進一步的特征包括渦輪機輪葉片的數(shù)量被限制為16個或更少，并且各自的特征在于大轉(zhuǎn)向角。有利地，這些特征使得在不顯著影響氣體的靜壓的情況下，從沿非常周向方向接收的高速排氣中提取顯著量的能量。此外，渦輪機輪不需要極端緊的制造公差或者小葉片尺寸，甚至當(dāng)輪以相對小尺寸制造時亦然。本發(fā)明的進一步特征是壓縮機可以是雙側(cè)、并行、徑向壓縮機，該壓縮機包括壓縮機輪，該壓縮機輪具有背到背取向的葉輪葉片，所述葉輪葉片包括軸向遠離渦輪機面向的第一組葉輪葉片以及軸向朝向渦輪機面向的第二組葉輪葉片。壓縮機殼體構(gòu)造成并行地將入口空氣引導(dǎo)到每組壓縮機葉片。有利地，在該特征下，壓縮機構(gòu)造成基本不在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生軸向負載。與也在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生極小或不產(chǎn)生軸向負載的渦輪機組合起來，推力軸承負載水平可顯著低于常規(guī)渦輪增壓器。較低的軸承負載水平允許使用更高效的推力軸承，并因此增大了所得到的渦輪增壓器的總體效率。本 發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將從優(yōu)選實施例的以下詳細描述并結(jié)合附圖而變得明顯，附圖以示例的方式示出了本發(fā)明的原理。具體的優(yōu)選實施例的詳細描述在下面給出以使得人們能夠建造和使用本發(fā)明的實施例，并且該詳細描述不意圖限制所列舉的權(quán)利要求，相反，其意圖用作所請求保護的發(fā)明的具體示例。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機的系統(tǒng)視圖。圖2是具體表現(xiàn)本發(fā)明的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的線A-A剖切的剖視側(cè)面圖。圖4是相對于圖2所示渦輪機輪的一定臨界流位置的平面圖。圖5是圖2所示渦輪機葉片的彎拱的圖示。圖6是圖2所示渦輪機輪的透視圖。
具體實施例方式上面概述的并由所列舉的權(quán)利要求限定的發(fā)明可通過參照以下詳細描述得到更好的理解，所述詳細描述應(yīng)當(dāng)與附圖一同閱讀。本發(fā)明的具體優(yōu)選實施例的該詳細描述在下面給出以使得人們能夠建造和使用本發(fā)明的具體實施方式
，并且該詳細描述不意圖限制所列舉的權(quán)利要求，相反，其意圖提供所述權(quán)利要求的具體示例。本發(fā)明的典型實施例存在于裝備有汽油供能的內(nèi)燃發(fā)動機(“ICE”)和渦輪增壓器的機動車輛中。渦輪增壓器裝備有獨特的特征組合，在各種實施例中，這些特征提供零反作用渦輪機的空氣動力學(xué)益處以及百分之五十反作用渦輪機的幾何益處，和/或提供顯著改善的系統(tǒng)效率，這是通過以降低軸承要求的方式來組合較少的高效部件，并由此形成相比可比較的未改善系統(tǒng)具有較高效率的系統(tǒng)。渦輪機構(gòu)造成在較低和較高膨脹比時以合理效率操作，在渦輪機輪上僅具有小的靜壓變化(由此低的轉(zhuǎn)子推力負載)，同時其具有低慣性矩，并且特征在于小尺寸，但不需要格外緊的公差。與這相結(jié)合的是，壓縮機的特征在于低的軸向推力負載，使得渦輪增壓器所需要的推力軸承相比可比較的常規(guī)渦輪增壓器中使用的顯著地更加高效。參見圖2和圖3，在本發(fā)明的第一實施例中，例如如圖1所示的，典型的內(nèi)燃發(fā)動機和E⑶(以及任選地中冷器)設(shè)置有渦輪增壓器201，該渦輪增壓器201包括渦輪增壓器殼體和轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子構(gòu)造成在渦輪增壓器殼體中沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203在一組軸承上旋轉(zhuǎn)。渦輪增壓器殼體包括渦輪機殼體205、壓縮機殼體207和軸承殼體209 (即，容納徑向和推力軸承的中心殼體)，軸承殼體209將渦輪機殼體連接到壓縮機殼體。轉(zhuǎn)子包括基本位于渦輪機殼體內(nèi)的軸向渦輪機輪211、基本位于壓縮機殼體內(nèi)的徑向壓縮機輪213以及軸215，軸215 沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸通過軸承殼體以將渦輪機輪連接到壓縮機輪，并且使得渦輪機輪驅(qū)動壓縮機輪圍繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。渦輪機殼體205和渦輪機輪211形成渦輪機，該渦輪機構(gòu)造成周向地接收來自發(fā)動機的排氣歧管的高壓高溫排氣流(例如來自排氣歧管123的排氣流121，如圖1所示)。渦輪機輪(因而轉(zhuǎn)子)被作用在渦輪 機輪的多個葉片231上的高壓高溫排氣流驅(qū)動圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203旋轉(zhuǎn)。排氣流變成較低總壓的排氣流，同時通過葉片，并且隨后經(jīng)由渦輪機出口 227被軸向地釋放到排氣系統(tǒng)(未示出)中。壓縮機殼體207和壓縮機輪213形成了徑向壓縮機。壓縮機輪(經(jīng)由軸215)被排氣驅(qū)動的渦輪機輪211驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，并且構(gòu)造成將軸向接收的輸入空氣(例如，外界空氣，或來自多級壓縮機的前級的已被加壓的空氣)壓縮成加壓空氣流，該加壓空氣流可從壓縮機被周向地排出并被送至發(fā)動機入口(例如被送至發(fā)動機入口 139的加壓空氣流133，如圖1 所示)。渦輪機渦形
渦輪機殼體205形成排氣進入通道217，排氣進入通道217通向主渦管通道219，主渦管通道219構(gòu)造成沿正交于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203并從轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線203徑向偏離的方向接收來自發(fā)動機的排氣流。主渦管通道形成螺旋，其適于顯著地將氣流速度加速到高速，對于渦輪機(及其相關(guān)的發(fā)動機)的至少一些操作條件，所述高速可以是超音速。更具體地，主渦管通道使排氣轉(zhuǎn)向，即向內(nèi)圍繞旋轉(zhuǎn)軸線203又軸向朝向軸向渦輪機輪211，由此實現(xiàn)(對于發(fā)動機的一些標(biāo)準(zhǔn)操作條件)具有下游軸向分量221和下游周向分量223的超音速流。實際上，該構(gòu)造利用角動量守恒(而非收縮擴張噴嘴)來實現(xiàn)高速空氣流，對于至少一些操作條件，該高速空氣流可包括至超音速的無沖擊過渡。通常，需要特征在于大直徑變化的螺旋來實現(xiàn)速度上的這種變化，并且即使所得到的空氣流被軸向轉(zhuǎn)向到軸向渦輪機輪中，其仍具有非常高速的周向分量。該周向分量是在不使用轉(zhuǎn)向翼的情況下實現(xiàn)的，而轉(zhuǎn)向翼可導(dǎo)致附加的損耗。因此，該實施例的渦輪機入口具有無翼設(shè)計。與具有翼的設(shè)計相比，有利地，這種設(shè)計是成本高效且可靠的(因為其從環(huán)境中消除了部件，這些部件在環(huán)境中很可能遭受侵蝕)，避免了摩擦壓力損耗，并且避免建立在一些操作條件中可能對流形成阻塞的臨界推力區(qū)域。參見圖2-4，主渦管通道的內(nèi)徑中的加速排氣流的該潛在地超音速流被引導(dǎo)到渦輪機輪211中。更具體地，主渦管通道是向內(nèi)螺旋的通道，其特征在于將主渦管通道連接到排氣進入通道217的主渦管入口端口 225。主渦管通道實質(zhì)上形成收縮通道，其足夠地向內(nèi)螺旋并且足夠地收縮以使排氣加速，并且對于發(fā)動機(因此渦輪增壓器)的至少一些標(biāo)準(zhǔn)操作條件而言，隨著排氣向下游軸向轉(zhuǎn)向并沖擊在葉片231的軸向上游端233上而實現(xiàn)超音速。主渦管入口端口 225是定位成沿渦輪機中的通道的平面位置，排氣在到達渦輪機輪之氣行進通過該端口。主渦管入口端口的位置關(guān)于通道中的開口而限定，其特征在于當(dāng)在正交于旋轉(zhuǎn)軸線203剖切的截面中看時類似舌頭的形狀。更具體地，當(dāng)在圖3的截面中看時，舌部235的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為具有尖端的突起。應(yīng)當(dāng)注意，在一些實施例中，當(dāng)在不同的軸向位置剖切截面時，該結(jié)構(gòu)的形狀不變。在其他實施例中，形成舌部235的該結(jié)構(gòu)的形狀可使得當(dāng)在不同的軸向位置剖切截面時，舌部尖端的位置改變。主渦管入口端口 225位于舌部235的尖端處。對于舌部尖端的周向位置表現(xiàn)為隨所考慮截面的軸向位置變化的任何程度，主渦管入口端口 225被限定為位于舌部尖端的最上游位置，即殼體開口處的最上游位置，使得其不再徑向地位于排氣流和葉片之間(即使所述葉片從排氣流軸向偏離)。為了該應(yīng)用的目的，主渦管入口端口 225被限定為從排氣進入通道217到主渦管通道219中在舌部尖端處的最小平面開口。換句話說，其位于排氣進入通道的下游端，位于流向葉片打開的位置。主渦 管通道219在主渦管入口端口 225處開始，并且圍繞旋轉(zhuǎn)軸線向內(nèi)螺旋360 度以形成收縮環(huán)路，該收縮環(huán)路將進入主渦管入口端口 225的流再聚合起來。該收縮環(huán)路使排氣周向加速并使其軸向轉(zhuǎn)向。遍及主渦管通道219的360度，被加速且轉(zhuǎn)向的排氣流沖擊在葉片231上，在葉片之間通過并且驅(qū)動渦輪機輪211旋轉(zhuǎn)?？傊S向渦輪機輪的殼體形成了向內(nèi)螺旋的、圍繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線的主渦管通道。 其在主渦管入口端口 225處開始，主渦管入口端口 225基本位于葉片軸向上游端的徑向外部，使得通道向內(nèi)螺旋并且軸向轉(zhuǎn)向以使排氣流加速進入軸向渦輪機輪葉片的上游端。校正質(zhì)量流
為了在本發(fā)明下提供排氣的充分程度的加速，主渦管通道219構(gòu)造有校準(zhǔn)參數(shù) (sizing parameter),使得當(dāng)以臨界膨脹比(E。,)操作時，渦輪機的校正質(zhì)量流率表面密度超過臨界構(gòu)造參數(shù)，即臨界校正質(zhì)量流率表面密度(D )。更特別地，用于渦管的校準(zhǔn)參數(shù)包括主渦管半徑比(G)和主渦管入口端口面積(ai)，并且被選擇成使得當(dāng)渦輪機以臨界膨脹比Ect操作時，渦輪機的校正質(zhì)量流率表面密度超過臨界構(gòu)造參數(shù)D 。這些校準(zhǔn)參數(shù)關(guān)于主渦管入口端口 225被限定，主渦管入口端口 225的特征在于質(zhì)心237。對于將被充分地軸向加速的氣體，該質(zhì)心將基本位于每個葉片231的軸向上游端233的徑向外部，并通常位于該軸向上游端233的軸向上游。上述項中的一些的值取決于將要驅(qū)動渦輪機的排氣流的類型。該排氣流的特征在于玻爾茲曼常數(shù)(k)以及氣體常數(shù)R-specific (Rsp)0這些常數(shù)根據(jù)氣體類型變化，但是對于大多數(shù)汽油供能的發(fā)動機的排氣，可預(yù)料差異是很小的，所述常數(shù)通常為k = 1. 3和Rsp =290. 8 J/kg/K 的量級。渦輪機殼體能夠使排氣加速，排氣的特征在于上述的兩個校準(zhǔn)參數(shù)。第一校準(zhǔn)參數(shù)是主渦管半徑比r,，其被限定為渦輪機葉片231的前緣處的轂處的點239的半徑除以主渦管入口端口 225的平面區(qū)域的質(zhì)心237的半徑。第二校準(zhǔn)參數(shù)是主渦管入口端口面積 ， 其被限定為主渦管入口端口 225的面積。如上所述，該渦輪機實施例的幾何被關(guān)于臨界膨脹比Era時的操作參數(shù)來限定。該臨界膨脹比從下式得出
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并且是氣體特定的玻爾茲曼常數(shù)k的函數(shù)。Ect的典型值為1. 832。如上所述，該實施例的主渦卷通道219的尺度受限于主渦卷半徑比&和主渦卷入口端口面積其導(dǎo)致渦輪機的校正質(zhì)量流率表面密度超過臨界校正質(zhì)量流率表面密度 Dcr0該臨界校正質(zhì)量流率表面密度從下式得出
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J288 Rsp \ ik + 1) —/ 也十 1 其隨著主渦卷半徑比&變化。
對于任何給定的渦輪機，對于給定出口靜壓的確切一個穩(wěn)態(tài)入口條件(即一個入口總壓力)將以諸如臨界膨脹比Ect的給定膨脹比驅(qū)動渦輪機。渦形的幾何中的變化，例如半徑比G和/或主渦卷入口端口面積 的變化可改變將以給定臨界膨脹比驅(qū)動渦輪機的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流率，并因而將影響相關(guān)的校正質(zhì)量流率表面密度。如果主渦卷半徑比和主渦卷入口端口面積被恰當(dāng)?shù)剡x擇，則其將導(dǎo)致主渦卷入口端口 225處當(dāng)以臨界膨脹比Ect被驅(qū)動時的校正質(zhì)量流率表面密度大于臨界校正質(zhì)量流率表面密度D 。雖然主渦卷半徑比、主渦卷入口端口面積和主渦卷入口端口處的校正質(zhì)量流率表面密度之間的關(guān)系是復(fù)雜的，并且雖然它們將通常通過實驗方法研究，但應(yīng)當(dāng)注意，總體上對于同樣的端口面積，較高的半徑比將導(dǎo)致較高的校正質(zhì)量流率表面密度。在本發(fā)明下設(shè)計渦輪機的迭代方法中，本領(lǐng)域技術(shù)人員可首先選擇將要從發(fā)動機接收的排氣的成分，(從氣體性質(zhì)的現(xiàn)有來源)查找相關(guān)的玻爾茲曼常數(shù)k和氣體常數(shù)Rsp， 并且計算臨界膨脹比Ε 。于是設(shè)計出渦輪機的第一構(gòu)造。該渦輪機包括如上所述的渦形，具有向內(nèi)螺旋的通道和軸向渦輪機輪，該通道從切向方向轉(zhuǎn)向到軸向方向。該設(shè)計的特征在于第一主渦卷半徑比和第一主渦卷入口端口面積an。建造一個原型，放上氣臺(gas stand)，并且使用選定的排氣來運行。輸入總壓力增加直到計算的膨脹比達到臨界膨脹比Era。從入口處的總壓力和出口處的靜壓計算該膨脹比。測量穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流率m、總渦輪機入口溫度T和總?cè)肟趬毫i。從測量的數(shù)據(jù)并利用下式來計算校正質(zhì)量流率表面密度
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造成從構(gòu)造成在一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件上操作的發(fā)動機接收排氣流并且將輸入空氣壓縮成加壓空氣流，包括殼體，其包括渦輪機殼體；和轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成在所述殼體中沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括軸向渦輪機輪、壓縮機輪和軸，所述軸沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸并且將所述渦輪機輪連接到所述壓縮機輪；其中，所述渦輪機輪構(gòu)造有轂并且構(gòu)造有多個軸向渦輪機葉片，所述葉片構(gòu)造成當(dāng)所述渦輪增壓器從所述發(fā)動機接收所述排氣流時驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端以及與所述轂端相對的尖端；其中，所述壓縮機輪構(gòu)造成當(dāng)所述轉(zhuǎn)子被所述渦輪機輪驅(qū)動繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時將所述輸入空氣壓縮成所述加壓空氣流；并且其中，所述渦輪機殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道，所述主渦管通道的特征在于主渦管入口端口，所述主渦管入口端口的特征在于位于所述葉片的軸向上游端的徑向外部的質(zhì)心。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪增壓器，所述發(fā)動機排氣流的特征在于氣體特定的屬性， 包括特定的氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中所述主渦管入口端口的進一步特征在于面積；所述渦輪機輪葉片的軸向上游邊緣限定了渦輪機輪入口，所述渦輪機輪入口的特征在于面積；組合的渦輪機殼體和渦輪機輪的特征在于主渦管半徑比A，其被限定為所述葉片的軸向上游邊緣處的轂的半徑除以所述主渦管入口端口的質(zhì)心的半徑；組合的渦輪機殼體和渦輪機輪的進一步特征在于當(dāng)以臨界膨脹比Ect被驅(qū)動時所述主渦管入口端口處的校正質(zhì)量流率表面密度；所述主渦管半徑比G和所述主渦管入口端口面積的大小設(shè)置為使得當(dāng)以所述臨界膨脹比Era被驅(qū)動時所述主渦管入口端口處的所述校正質(zhì)量流率表面密度大于臨界校正質(zhì)量流率表面密度Dct ；并且Dcr和Ect的值由下式確定n — y 10132s Z1 {k-t)(rrr ^ltJ fLJ ζ- ρ — ι -- I Jl---- Ii-r- J288 Rsp \ ψ + / 德 + ι禾口Fcr =幽電
3.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其中，每個渦輪機輪后緣的所述轂端處的半徑不大于每個渦輪機輪后緣的所述尖端處的半徑的60%。
4.如權(quán)利要求3所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
5.如權(quán)利要求4所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂和所述尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
6.如權(quán)利要求3所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂和所述尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
7.如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，其中，所述向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道是無翼通道。
8.一種渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)，包括發(fā)動機，其構(gòu)造成接收加壓空氣流并且產(chǎn)生排氣流，所述發(fā)動機構(gòu)造成在一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件上操作；和如權(quán)利要求2所述的渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造成當(dāng)以所述標(biāo)準(zhǔn)操作條件操作時從所述發(fā)動機接收所述排氣流，并且將輸入空氣壓縮成由所述發(fā)動機接收的所述加壓空氣流。
9.如權(quán)利要求8所述的渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述向內(nèi)螺旋的主渦管通道實質(zhì)上形成收縮通道，所述收縮通道足夠地向下游軸向轉(zhuǎn)向并且向內(nèi)螺旋，以對于所述一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件中的至少一些操作條件，導(dǎo)致所述輸入空氣當(dāng)?shù)竭_所述渦輪機輪的上游邊緣時實現(xiàn)超音速。
10.一種渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造成從構(gòu)造成在一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件上操作的發(fā)動機接收排氣流并且將輸入空氣壓縮成加壓空氣流，包括殼體，其包括渦輪機殼體；和轉(zhuǎn)子，其構(gòu)造成在所述殼體中沿轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述轉(zhuǎn)子包括軸向渦輪機輪、壓縮機輪和軸，所述軸沿所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線延伸并且將所述渦輪機輪連接到所述壓縮機輪；其中，所述渦輪機輪構(gòu)造有轂并且構(gòu)造有多個軸向渦輪機葉片，所述葉片構(gòu)造成當(dāng)所述渦輪增壓器從所述發(fā)動機接收所述排氣流時驅(qū)動所述轉(zhuǎn)子繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，所述葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端以及與所述轂端相對的尖端；其中，所述壓縮機輪構(gòu)造成當(dāng)所述轉(zhuǎn)子被所述渦輪機輪驅(qū)動繞所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)時將所述輸入空氣壓縮成所述加壓空氣流；其中，所述渦輪機殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道；并且其中，對于所述一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件中的至少一些操作條件，所述渦輪機構(gòu)造成將所述輪上游接近所述輪轂處的靜壓限制為不大于所述渦輪機出口靜壓的120%的值。
11.如權(quán)利要求10所述的渦輪增壓器，所述發(fā)動機排氣流的特征在于氣體特定的屬性，包括特定的氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中其中，所述渦輪機殼體形成向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道，所述主渦管通道形成主渦管入口端口，所述主渦管入口端口的特征在于面積和質(zhì)心；所述渦輪機輪葉片的軸向上游邊緣限定了渦輪機輪入口，所述渦輪機輪入口的特征在于面積；組合的渦輪機殼體和渦輪機輪的特征在于主渦管半徑比A，其被限定為所述葉片的軸向上游邊緣處的轂的半徑除以所述主渦管入口端口的質(zhì)心的半徑；組合的渦輪機殼體和渦輪機輪的進一步特征在于當(dāng)以臨界膨脹比Ect被驅(qū)動時所述主渦管入口端口處的校正質(zhì)量流率表面密度；所述主渦管半徑比G和所述主渦管入口端口面積的大小設(shè)置為使得當(dāng)以所述臨界膨脹比Era被驅(qū)動時所述主渦管入口端口處的所述校正質(zhì)量流率表面密度大于臨界校正質(zhì)量流率表面密度Dct ；并且Dcr和Ect的值由下式確定
12.如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其中，每個渦輪機輪后緣的所述轂端處的半徑不大于每個渦輪機輪后緣的所述尖端處的半徑的60%。
13.如權(quán)利要求12所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于45度。
14.如權(quán)利要求13所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂和所述尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
15.如權(quán)利要求12所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪機葉片各自的特征在于在所述轂和所述尖之間的中間半徑處的葉片轉(zhuǎn)向角，該葉片轉(zhuǎn)向角大于或等于80度。
16.如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，其中，所述向內(nèi)螺旋的渦輪機主渦管通道是無翼通道。
17.—種渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)，包括發(fā)動機，其構(gòu)造成接收加壓空氣流并且產(chǎn)生排氣流，所述發(fā)動機構(gòu)造成在一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件上操作；和如權(quán)利要求11所述的渦輪增壓器，所述渦輪增壓器構(gòu)造成當(dāng)以所述標(biāo)準(zhǔn)操作條件操作時從所述發(fā)動機接收所述排氣流，并且將輸入空氣壓縮成由所述發(fā)動機接收的所述加壓空氣流。
18.如權(quán)利要求17所述的渦輪增壓的內(nèi)燃發(fā)動機系統(tǒng)，其中，所述向內(nèi)螺旋的主渦管通道實質(zhì)上形成收縮通道，所述收縮通道足夠地向下游軸向轉(zhuǎn)向并且向內(nèi)螺旋，以對于所述一系列標(biāo)準(zhǔn)操作條件中的至少一些操作條件，導(dǎo)致所述輸入空氣當(dāng)?shù)竭_所述渦輪機輪的上游邊緣時實現(xiàn)超音速。
全文摘要
本發(fā)明涉及軸向渦輪機，具體地，一種渦輪增壓器包括渦輪機輪，其具有不大于60％的轂到尖的比以及具有高轉(zhuǎn)向角的葉片；渦輪機殼體，其形成向內(nèi)螺旋的主渦管通道，該主渦管通道實質(zhì)性地收縮以產(chǎn)生以高周向角進入渦輪機的高度加速的空氣流；以及雙側(cè)并行壓縮機。該壓縮機和渦輪機各自基本不產(chǎn)生軸向力，從而允許使用最小軸向推力軸承。
文檔編號F02C6/12GK102220904SQ20111009647
公開日2011年10月19日 申請日期2011年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者J.A.羅特曼, V.凱爾斯 申請人:霍尼韋爾國際公司