多渦卷軸流渦輪的制造方法
【專利摘要】本申請涉及多渦卷軸流渦輪機。一種渦輪增壓器，包括渦輪機葉輪，渦輪機葉輪具有不多于60％的轂-尖比和帶有高轉向角的葉片，渦輪機殼體形成一對向內螺旋的主渦卷通道，該通道基本上是會聚的以產生高度加速的以高度周向角度進入渦輪機的空氣流，以及兩側平行壓縮機。壓縮機和渦輪機每一個都基本上不產生軸向力，從而允許使用最小的軸向止推軸承。
【專利說明】多渦卷軸流渦輪機
[0001]本申請要求2012年12月14日提交的美國臨時申請61/797，764的權益，該文獻通過引用并入本文以用以全部目的。
[0002]本發(fā)明概括地涉及渦輪增壓器，并且更具體地涉及具有帶有多個渦卷的高速渦卷形蝸殼的軸流渦輪機。
【背景技術】
[0003]參照圖1，具有徑流渦輪機的典型的渦輪增壓器101包括渦輪增壓器殼體和構造成在渦輪增壓器殼體內沿著轉子旋轉軸線103在止推軸承和兩組軸頸軸承(每個相應的轉子葉輪一組)，或者替換地，其它類似的支撐軸承上旋轉的轉子。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，包含軸承的中間殼體)，該中間殼體連接渦輪機殼體到壓縮機殼體。轉子包括基本上位于渦輪機殼體內的渦輪機葉輪111、基本上位于壓縮機殼體內的壓縮機葉輪113、和軸115，軸沿著轉子旋轉軸線延伸通過軸承殼體以連接渦輪機葉輪到壓縮機葉輪。
[0004]渦輪機殼體105和渦輪機葉輪111形成了渦輪機，其構造成周向地接收來自發(fā)動機的高壓且高溫廢氣氣體流121，例如來自內燃發(fā)動機125的廢氣歧管123。渦輪機葉輪(并且因此轉子)被高壓且高溫廢氣氣體流圍繞轉子旋轉軸線103驅動旋轉，廢氣氣體流將變成低壓且低溫的廢氣氣體流127并且被軸向地釋放到廢氣系統(tǒng)內(未示出)。
[0005]壓縮機殼體107和壓縮機葉輪113形成壓縮機級。壓縮機葉輪由廢氣氣體驅動的渦輪機葉輪111驅動旋轉，并且被構造成壓縮軸向接收的進入空氣(例如，環(huán)境空氣131，或者來自多級壓縮機的之前級的已經(jīng)加壓空氣)形成加壓空氣流133，該加壓空氣流133被周向地從壓縮機噴出。由于壓縮過程，加壓空氣流的特征是比進入空氣的溫度更高的溫度。
[0006]任選地，加壓空氣流可被引導通過對流冷卻充量空氣冷卻器135，該冷卻器被構造成從加壓空氣流消散熱量，從而增加其密度。所得到的冷卻的且加壓的輸出空氣流137被引導進入內燃發(fā)動機上的進氣歧管139，或替換地，進入串聯(lián)壓縮機的后續(xù)級。該系統(tǒng)的操作由E⑶151 (發(fā)動機控制單元)控制，其通過通信連接153連接到該系統(tǒng)的其余部分。
[0007]日期為1989年7月25日的美國專利4850820公開了與圖1中類似的渦輪增壓器，但其具有軸流渦輪機。該專利通過引用并入本文以用于各種目的。軸流渦輪機固有地具有更低的慣性矩，這減少了加速渦輪機所需要的能量的量。如可在該專利的圖2中所見，渦輪機具有渦卷，該渦卷在渦輪機葉片的半徑處周向接收廢氣氣體并且(參照圖1)軸向地限制該流動以將其過渡為軸向流動。因此其沿著大致軸向方向(參照第2欄)撞擊渦輪機葉片的前緣。
[0008]對于所關心的許多渦輪機尺寸，軸流渦輪機通常以比相當?shù)膹搅鳒u輪機更高的質量流量且更低的膨脹比工作。雖然傳統(tǒng)的軸流渦輪機通常提供了更低的慣量，盡管有一些效率和性能損失，但是它們的缺點是不能被以可用在許多現(xiàn)代內燃發(fā)動機內的小尺寸高效地制造。這例如是由于會被要求的異常緊密的容差，由于空氣動力學限制、和/或由于在建立小鑄造零件時的尺寸限制。軸流渦輪機還缺少以更高膨脹比正常工作的能力，例如由于內燃發(fā)動機的廢氣的脈沖本質通常所需要的更高膨脹比。而且，傳統(tǒng)的軸流渦輪機具有在跨過葉片的靜壓中的顯著變化，這引起了在轉子的止推軸承上的顯著的推力載荷，并且潛在地引起竄漏。
[0009]在一些傳統(tǒng)的渦輪增壓器中，渦輪機和壓縮機被構造成沿相反的方向施加軸向載荷，從而減弱必須由軸承承擔的平均軸向載荷。不過，來自渦輪機和壓縮機的軸向載荷不會彼此同樣地變化并且可能會處于顯著不同的水平，所以止推軸承必須被設計用于在渦輪增壓器使用期間可能發(fā)生的最大載荷條件。被構造成支撐高軸向載荷的軸承浪費了比相當?shù)牡洼d荷軸承更多的能量，并且因此必須支撐更高軸向載荷的渦輪增壓器損失了更多的能量到它們的軸承。
[0010]因此，一直需要一種渦輪增壓器渦輪機，其具有低慣性矩，并且特征在于不要求異常緊密的容差的小尺寸，同時還具有在較低和較高膨脹比處的合理的效率，以及更小的軸向載荷。本發(fā)明的優(yōu)選實施例滿足了這些和其它的需求，并且提供了更多相關的優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0011]在各種不同的實施例中，本發(fā)明解決了上面提及的需要中的一些或全部，通常提供了成本有效的渦輪增壓器渦輪機，其特征在于低慣性矩、并具有不要求異常緊密的容差的小尺寸，同時在較低和較高膨脹比處以合理的效率水平操作，并僅具有在靜態(tài)載荷中的小變化。
[0012]本發(fā)明提供了渦輪增壓器，其構造成從發(fā)動機接收廢氣氣體流，該發(fā)動機被構造成在一定范圍的標準操作條件下操作，并且將進入空氣壓縮成加壓空氣流。渦輪增壓器包括渦輪增壓器殼體，該殼體包括渦輪機殼體；以及轉子，該轉子構造成沿著轉子旋轉軸線在渦輪增壓器殼體內旋轉。轉子包括軸流渦輪機葉輪、壓縮機葉輪、和沿著轉子旋轉軸線延伸并連接渦輪機葉輪到壓縮機葉輪的軸。渦輪機葉輪被構造成帶有轂和多個軸流渦輪機葉片，這些葉片被構造成在渦輪增壓器從周向方向從發(fā)動機接收廢氣氣體流時驅動轉子圍繞轉子旋轉軸線旋轉。壓縮機葉輪被構造成將進入空氣壓縮成加壓空氣流。
[0013]有利地，渦輪機殼體形成多個單獨的(例如，第一和第二)向內螺旋的渦輪機主渦卷通道，這些通道每一個的特征都在于顯著的足夠的徑向減縮以加速廢氣氣體，使得由渦輪機接收的廢氣氣體的總壓的大部分被轉化成動壓。這允許被合適地構造的葉片從廢氣氣體提取大量的能量，而不會顯著地改變橫跨渦輪機葉片的靜壓。在橫跨渦輪機葉片的靜壓基本上不變的情況下，廢氣氣體流施加很少甚至零軸向壓力到轉子。而且，使用多個但更小的渦卷允許更少的空間供廢氣氣體膨脹(以及壓力損失)，并且由此可實現(xiàn)更大的能量提取。
[0014]渦輪機葉輪葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端、和與轂端相對的尖端。后緣的特征在于轂端處的半徑和尖端處的半徑。本發(fā)明的特征是在渦輪機葉輪后緣的轂端處的半徑不多于在渦輪機葉輪后緣的尖端的半徑的60%。其它的特征包括渦輪機葉輪葉片數(shù)量上被限制為16個或更少，并且每一個都以大轉向角為特征。
[0015]有利地，這些特征能夠實現(xiàn)從沿高度周向方向接收的高速廢氣氣體中提取大量能量，而不顯著地影響該氣體的靜壓。而且，渦輪機葉輪不要求極端緊密的制造容差或者小葉片尺寸，即使是在葉輪被以相對小的尺寸制造時。[0016]本發(fā)明的特征還在于壓縮機可以是雙側、平行、徑向壓縮機，其包括帶有背靠背定向的葉輪片的壓縮機葉輪，該葉輪片包括第一組軸向背離渦輪機的葉輪片和第二組軸向面對渦輪機的葉輪片。壓縮機殼體被構造成將進入空氣平行地引導到每組壓縮機葉片。有利地，在這個特征下，壓縮機被構造成基本上不產生在轉子上的軸向載荷。結合在轉子上也不產生或產生極少軸向載荷的渦輪機，止推軸承載荷水平可相比傳統(tǒng)渦輪增壓器被大大降低。更低的軸承載荷水平允許使用更高效的止推軸承，并因此增加渦輪增壓器的由此得到的整體效率。
[0017]結合附圖理解下面對優(yōu)選實施例的具體描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得明白易懂，附圖以舉例方式說明了本發(fā)明的原理。如下公開的使本領域技術人員能夠建立并使用本發(fā)明的實施例的對具體優(yōu)選實施例的具體描述不是用于限制編號的權利要求，而是用于作為對所要求保護的發(fā)明的特定示例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是現(xiàn)有技術渦輪增壓內燃發(fā)動機的系統(tǒng)視圖。
[0019]圖2是具體化本發(fā)明的渦輪增壓器的橫截面平面圖。
[0020]圖3是沿圖2的線A-A的圖2中描述的渦輪增壓器的橫截面?zhèn)纫晥D。
[0021]圖4是相對于圖2中描述的渦輪機葉輪的某些關鍵流動位置的平面圖。
[0022]圖5是對圖2中描述的渦輪機葉片的拱曲度的描述。
[0023]圖6是在圖2中描述的渦輪機葉輪的透視圖。
【具體實施方式】
[0024]上面總結的并由編號的權利要求定義的本發(fā)明可通過參考下面的具體描述而被更好地理解，下面的具體描述應該結合附圖來閱讀。下面公開的使本領域技術人員能夠建立并使用本發(fā)明的特定實施方式的對本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例的具體描述不是用來限制編號的權利要求，而是用于提供它們的特定示例。
[0025]本發(fā)明的典型實施例存在于裝備有以汽油為動力的內燃發(fā)動機(ICE)和渦輪增壓器的機動車中。渦輪增壓器裝備有獨特的特征組合，這些特征在各種不同的實施例中可給零反力式渦輪機的空氣動力學益處提供百分之五十反力式渦輪機的幾何益處，和/或以減少軸承要求的方式通過組合更少的高效部件來提供顯著改善的系統(tǒng)效率，并由此形成了具有比相當?shù)奈锤纳葡到y(tǒng)更高的效率的系統(tǒng)。
[0026]渦輪機被構造成在較低和較高膨脹比處都以合理的效率水平操作，在橫跨渦輪機葉輪的靜壓上僅有小變化(并由此較低的轉子推力載荷)，同時其具有低慣性矩，并且特征在于小尺寸，但不要求異常緊密的容差。與此結合，壓縮機的特征還在于低軸向推力載荷，這能使渦輪增壓器要求比用在相當?shù)膫鹘y(tǒng)渦輪增壓器中的止推軸承顯著更高效的止推軸承。
[0027]參照圖2和3，在本發(fā)明的第一實施例中，典型的內燃發(fā)動機和E⑶(以及，任選地，中冷器)，例如在圖1中描述的，被提供有渦輪增壓器201，渦輪增壓器201包括渦輪增壓器殼體和構造成沿著轉子旋轉軸線203在一組軸承上在渦輪增壓器殼體內旋轉的轉子。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，包含徑向和止推軸承的中間殼體)，該中間殼體連接渦輪機殼體到壓縮機殼體。轉子包括基本上位于渦輪機殼體內的軸向渦輪機葉輪211、基本上位于壓縮機殼體內的徑向壓縮機葉輪213、和軸215，軸沿著轉子旋轉軸線延伸通過軸承殼體以連接渦輪機葉輪到壓縮機葉輪并且能使渦輪機葉輪驅動壓縮機葉輪繞旋轉軸線旋轉。
[0028]渦輪機殼體205和渦輪機葉輪211形成了渦輪機，該渦輪機被構造成周向地接收來自發(fā)動機的廢氣歧管的高壓且高溫廢氣氣體流(例如，如圖1中描述的，來自廢氣氣體歧管123的廢氣氣體流121)。渦輪機葉輪(并且因此轉子)由作用在渦輪機葉輪的多個葉片231上的高壓和高溫廢氣氣體流驅動圍繞轉子旋轉軸線203旋轉。廢氣氣體流在穿過葉片的同時變成更低總壓的廢氣氣體流，并且接著被通過渦輪機出口 227被軸向地釋放到廢氣系統(tǒng)(未不出)中。
[0029]壓縮機殼體207和壓縮機葉輪213形成徑向壓縮機。壓縮機葉輪，由廢氣氣體驅動的渦輪機葉輪211驅動旋轉，被構造成將軸向接收的進入空氣(例如，環(huán)境空氣，或者來自多級壓縮機中的前面級的已經(jīng)被加壓的空氣)壓縮成加壓空氣流，該加壓空氣流可被周向地從壓縮機噴出并且被轉送到發(fā)動機進口(例如被轉送到發(fā)動機進口 139的加壓空氣流133，如在圖1中所述)。
[0030]渦輪機雙蝸殼
渦輪機殼體205形成了通向第一主渦卷通道219的第一廢氣氣體進入通道217，第一廢氣氣體進入通道217構造成沿著正交于轉子旋轉軸線203并且與其徑向上錯開的方向接收來自發(fā)動機的廢氣氣體流。渦輪機殼體205還形成了通向第二主渦卷通道220的第二廢氣氣體進入通道218，第二廢氣氣體進入通道218構造成沿著與轉子旋轉軸線203正交并且與其徑向上錯開的方向接收來自發(fā)動機的廢氣氣體流。如在圖3中清楚所見，兩個主渦卷通道是旋轉對稱的，并且在它們的下游端連接到彼此。
[0031]主渦卷通道形成螺旋，該螺旋適合于顯著地加速它們各自的氣體流的速度到高度，該高速對于渦輪機(以及其相關的發(fā)動機)的至少一些操作條件來說可以是超音速。更具體地說，兩個主渦卷通道都圍繞轉子旋轉軸線203向內地且軸向上朝著軸向渦輪機葉輪211地使廢氣氣體轉彎，由此實現(xiàn)(對于發(fā)動機的一些標準操作條件)具有下游軸向分量221和下游周向分量223的超音速流。這些超音速速度的實現(xiàn)沒有使用收縮-擴張噴嘴。
[0032]有效地，這個構造利用了角動量守恒(而不是使用收縮擴張噴嘴)來實現(xiàn)高速空氣流，該空氣流在至少一些操作條件下可包括到超音速的無激波過渡。通常，實現(xiàn)這種速度的改變要求以大半徑變化為特征的螺旋，并且即使所得到的空氣流被軸向地轉向到軸向渦輪機葉輪，它仍具有非常高速的周向分量。
[0033]這種周向分量的實現(xiàn)沒有使用轉向葉片，該轉向葉片可引起額外的損失。因此，這個實施例的渦輪機進口是無葉片設計。當與帶有葉片的設計比較時，這種設計有利地是成本高效的，可靠的(因為其從環(huán)境中消除了可能在該環(huán)境中發(fā)生侵蝕的零件)，避免了摩擦壓力損失，并且避免建立在某些操作條件下可能阻塞流動的臨界喉部面積。
[0034]參照圖2-4，在每個主渦卷通道的內半徑內的被加速的廢氣氣體流的這種潛在的超音速流動被引導向渦輪機葉輪211。更具體地說，第一主渦卷通道是向內螺旋的通道，其特征在于第一主渦卷進口端口 225，該端口連接第一主渦卷通道到第一廢氣氣體進入通道217，以及第二主渦卷通道是向內螺旋的通道，其特征在于第二主渦卷進口端口 226，該端口連接第二主渦卷通道到第二廢氣氣體進入通道218。每個主渦卷通道基本上形成會聚通道，該通道足夠向內地螺旋并且足夠地會聚以加速廢氣氣體，并且在廢氣氣體向軸向下游轉向并撞擊到葉片231的軸向上游端233時在發(fā)動機(并且因此渦輪增壓器的)的至少一些標準操作條件下實現(xiàn)超音速速度。
[0035]每個主渦卷進口端口 225、226是沿著渦輪機內的通道定位的平坦位置，廢氣氣體在到達渦輪機葉輪之前行進通過該平坦位置。每個主渦卷進口端口的位置是相對于通道內的開口定義的，其特征在于當從正交于轉子旋轉軸線203截取的橫截面中觀察時的舌狀形狀。
[0036]更具體地說，第一舌235和第二舌236的結構每一個在從圖3的橫截面中觀察時都看起來是具有尖部的突出部。應該注意到，在一些實施例中，這個結構在橫截面在不同的軸向位置截取時其形狀不變。在其它實施例中，形成舌235和236的結構被成形為使得舌的尖部的位置在橫截面在不同的軸向位置截取時發(fā)生變化。
[0037]第一和第二主渦卷進口端口 225和226每一個都被定位在它們相應的舌235、236的尖部處。無論每個舌的尖部的周向位置看起來隨著所考慮的橫截面的軸向位置而變化的程度如何，相應的主渦卷進口端口 225、226都被定義在在舌的尖部的最上游位置處，S卩，殼體敞開以使得其不再被徑向地設置在廢氣氣體流和葉片之間的最上游位置(即使葉片與廢氣氣體流軸向地錯開)。出于本申請的目的，第一和第二主渦卷進口端口 225和226每一個都被定義為從相應的廢氣氣體進入通道217、218進入相應的主渦卷通道219、220的在相應的舌的尖部處的最小平坦開口。換句話說，其在相應的廢氣氣體進入通道的下游端的廢氣氣體流能夠到達葉片的位置。
[0038]第一主渦卷通道219開始于第一主渦卷進口端口 225處，并且圍繞著旋轉軸線向內螺旋180度以形成會聚回路，該會聚回路匯入在第二主渦卷進口端口 226中的來流。第二主渦卷通道220開始于第二主渦卷進口端口 226，并且繞著旋轉軸線向內螺旋180度以形成會聚回路，該會聚回路匯入在第一主渦卷進口端口 225內的來流。這些會聚回路周向地加速廢氣氣體并且將其向軸向轉向。在第一和第二主渦卷通道219、220的整個360度上，被加速和轉向的廢氣氣體流撞擊到葉片231上，從葉片之間經(jīng)過并驅動渦輪機葉輪211旋轉。
[0039]總之，用于軸向渦輪機葉輪的殼體形成了一對旋轉對稱的(圍繞轉子旋轉軸線)、向內螺旋的主渦卷通道，該渦卷通道圍繞轉子旋轉軸線。它們每一個都開始于主渦卷進口端口 225、226，該進口端口基本上在葉片的軸向上游端的徑向外部，從而能實現(xiàn)通道向內螺旋并且軸向轉向以加速進入軸向渦輪機葉輪葉片的上游端的廢氣氣體流。使用多個但更小的渦卷允許更少的空間供廢氣歧管和渦輪機之間的廢氣氣體膨脹(以及壓力損失)，并且由此可實現(xiàn)更大的能量提取。
[0040]可注意到，本實施例確切地具有兩個旋轉對稱的主渦卷通道，每一個都周向延伸180度。不過，其它的實施例的特征可在于額外的(即，三個或更多)主渦卷通道，并且主渦卷通道可不是旋轉對稱的(例如，它們可周向延伸不同的角度)。這種構造可被用于適應空間限制、更加高效地適應廢氣歧管構造、或者適應具有奇數(shù)個氣缸的發(fā)動機。
[0041]修正的質量流量
為了在本發(fā)明下能實現(xiàn)廢氣氣體的足夠的加速水平，每個主渦卷通道219、220被構造成帶有大小設置參數(shù)，使得當渦輪機以臨界膨脹比(Era)操作時，渦輪機的修正質量流率表面密度超過臨界構造參數(shù)，即臨界修正質量流率表面密度(Dra)。更具體地，每個渦卷的大小設置參數(shù)包括主渦卷半徑比匕(即，第一主渦卷通道的G1，和第二主渦卷通道的匕2)以及主渦卷進口端口面積％ (即，第一主渦卷通道的an，和第二主渦卷通道的ai2)，并且被選擇為使得當渦輪機以臨界膨脹比Era被操作時，渦輪機的修正的質量流率表面密度超過臨界構造參數(shù)D。,。這些大小設置參數(shù)被相對于每個相應的主渦卷進口端口 225、226定義，進口端口每一個由相應的(第一和第二)端口形心237、238表征。對于要在軸向被充分加速的氣體，這些端口形心將既基本上在每個葉片231的軸向上游端233的徑向外部，又通常在其軸向上游。
[0042]上述各項中的一些的值取決于將驅動渦輪機的廢氣流氣體的類型。這個廢氣流氣體將用玻爾茲曼常數(shù)U)和氣體常數(shù)R-特定(Rsp)來表征。這些常數(shù)依氣體類型而變化，但是對大多數(shù)以汽油為動力的發(fā)動機廢氣氣體，這些差別預計是很小的，從而這些常數(shù)通常在如下量級上4 = 1.3和Rsp = 290.8 J/kg/K。
[0043]在每個主渦卷通道219、220中，渦輪機殼體具有加速由上面記載的兩個大小設置參數(shù)表征的廢氣氣體的能力。對于每個主渦卷通道219、220，第一大小設置參數(shù)，其是主渦卷半徑比或1",2，被定義為在渦輪機葉片231的前緣處的轂上的點239的半徑(B卩，在轉子進口的內邊緣處)，除以相應的端口形心237或238的半徑。第二參數(shù)，其是主渦卷進口端口面積an或ai2，被定義為是相應的主渦卷進口端口 225或226的面積。
[0044]如上所述，渦輪機的該實施例的幾何形狀被相對于在臨界膨脹比Era處的操作參數(shù)定義。該臨界膨脹比是由下式獲得.
【權利要求】
1.一種渦輪增壓器，其構造成從發(fā)動機接收廢氣氣體流，該發(fā)動機被構造成在一定范圍的標準操作條件下操作；并且將進入空氣壓縮成加壓空氣流，包括: 殼體，包括渦輪機殼體；以及 轉子，其被構造成沿著轉子旋轉軸線在殼體內旋轉，轉子包括軸流渦輪機葉輪、壓縮機葉輪、和軸，軸沿著轉子旋轉軸線延伸并將渦輪機葉輪連接到壓縮機葉輪； 其中渦輪機葉輪被構造成帶有轂，并且?guī)в卸鄠€軸流渦輪機葉片，所述葉片構造成在渦輪增壓器從發(fā)動機接收廢氣氣體流時驅動轉子繞轉子旋轉軸線旋轉，葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端、和與轂端相對的尖端； 其中，壓縮機葉輪被構造成當轉子被渦輪機葉輪驅動繞著轉子旋轉軸線旋轉時壓縮進入空氣成為加壓空氣流； 其中，渦輪機殼體形成第一向內螺旋的渦輪機主渦卷通道，該通道的特征在于第一主渦卷進口端口，該進口端口的特征在于第一端口形心，該形心在葉片的軸向上游端的徑向外部；以及 其中，渦輪機殼體形成第二向內螺旋的渦輪機主渦卷通道，該通道的特征在于第二主渦卷進口端口，該進口端口的特征在于第二端口形心，該形心在葉片的軸向上游端的徑向外部。
2.如權利要求1所述的渦輪增壓器，發(fā)動機廢氣氣體流的特征在于針對氣體的屬性，該屬性包括特定氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中: 第一和第二主渦卷進口端口的特征進一步在于相應的第一和第二端口面積； 渦輪機葉輪葉片的軸向上`游邊緣限定了渦輪機葉輪進口，渦輪機葉輪進口的特征在于面積； 對于每個渦輪機主渦卷通道，組合的渦輪機殼體和渦輪機葉輪的特征在于主渦卷半徑比A，其被定義為在葉片的軸向上游邊緣處的轂的半徑除以相應的主渦卷進口端口的形心的半徑； 對于每個渦輪機主渦卷通道，組合的渦輪機殼體和渦輪機葉輪的特征進一步在于當以臨界膨脹比Era驅動時在相應的主渦卷進口端口處的修正質量流率表面密度； 對于每個渦輪機主渦卷通道，主渦卷半徑比&和相應的主渦卷進口端口面積的大小被設置為使得當以臨界膨脹比Era驅動時在相應的主渦卷進口端口處的相應的修正質量流率表面密度大于臨界修正質量流率表面密度Dra ;以及 對于每個渦輪機主渦卷通道，Dcr和Era的值由下面的方程確定
3.如權利要求2所述的渦輪增壓器，其中，在每個渦輪機葉輪后緣的轂端處的半徑不多于每個渦輪機葉輪后緣的尖端的半徑的60%。
4.如權利要求3所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂處的葉片轉向角大于或等于45度。
5.如權利要求4所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂和尖部之間的中間半徑處的葉片轉向角大于或等于80度。
6.如權利要求3所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂和尖部之間的中間半徑處的葉片轉向角大于或等于80度。
7.如權利要求2所述的渦輪增壓器，其中第一和第二向內螺旋的渦輪機主渦卷通道是無葉片通道。
8.一種渦輪增壓的內燃發(fā)動機系統(tǒng)，包括: 發(fā)動機，其構造成接收加壓空氣流并產生廢氣氣體流，發(fā)動機被構造成在一定范圍的標準操作條件下操作；以及 如權利要求2所述的渦輪增壓器，該渦輪增壓器被構造成接收來自以所述標準操作條件操作時的發(fā)動機的廢氣氣體流，并且壓縮進入空氣成為由發(fā)動機接收的加壓空氣流。
9.如權利要求8所述的渦輪增壓的內燃發(fā)動機系統(tǒng)，其中向內螺旋的第一和第二主渦卷通道基本上形成會聚通道，其軸向向下游轉向并向內螺旋以足以針對所述一定范圍的標準操作條件中的至少一些操作條件使進入空氣在到達渦輪機葉輪葉片的上游邊緣時實現(xiàn)超音速速度。
10.如權利要求1所述的渦輪增壓`器，其中確切地有兩個向內螺旋的渦輪機主渦卷通道。
11.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中渦輪機主渦卷通道是圍繞渦輪機轉子旋轉軸線旋轉對稱的。
12.一種渦輪增壓器，其構造成從發(fā)動機接收廢氣氣體流，該發(fā)動機被構造成在一定范圍的標準操作條件下操作；并且將進入空氣壓縮成加壓空氣流，包括: 殼體，包括渦輪機殼體；以及 轉子，其被構造成沿著轉子旋轉軸線在殼體內旋轉，轉子包括軸流渦輪機葉輪、壓縮機葉輪、和軸，軸沿著轉子旋轉軸線延伸并將渦輪機葉輪連接到壓縮機葉輪； 其中渦輪機葉輪被構造成帶有轂，并且?guī)в卸鄠€軸流渦輪機葉片，所述葉片構造成在渦輪增壓器從發(fā)動機接收廢氣氣體流時驅動轉子繞轉子旋轉軸線旋轉，葉片具有軸向上游邊緣、軸向下游邊緣、轂端、和與轂端相對的尖端； 其中，壓縮機葉輪被構造成當轉子被渦輪機葉輪驅動繞著轉子旋轉軸線旋轉時壓縮進入空氣成為加壓空氣流； 其中渦輪機殼體形成第一向內螺旋的渦輪機主渦卷通道和分開的第二向內螺旋的渦輪機主渦卷通道；以及 其中，渦輪機被構造成限制在葉輪轂附近的葉輪上游的靜壓為不大于針對所述范圍的標準操作條件的渦輪機出口靜壓的120%的值。
13.如權利要求12所述的渦輪增壓器，發(fā)動機廢氣氣體流的特征在于針對氣體的屬性，該屬性包括特定氣體常數(shù)Rsp和玻爾茲曼常數(shù)k，其中:渦輪機殼體形成第一向內螺旋的渦輪機主渦卷通道，其形成了第一主渦卷進口端口，該進口端口的特征在于第一端口面積和第一端口形心； 渦輪機殼體形成第二向內螺旋的渦輪機主渦卷通道，其形成了第二主渦卷進口端口，該進口端口的特征在于第二端口面積和第二端口形心； 渦輪機葉輪葉片的軸向上游邊緣限定了渦輪機葉輪進口，渦輪機葉輪進口的特征在于面積； 對于每個渦輪機主渦卷通道，組合的渦輪機殼體和渦輪機葉輪的特征在于主渦卷半徑比其被定義為在葉片的軸向上游邊緣處的轂的半徑除以相應的主渦卷進口端口的形心的半徑； 對于每個渦輪機主渦卷通道，組合的渦輪機殼體和渦輪機葉輪的特征進一步在于當以臨界膨脹比Era驅動時在相應的主渦卷進口端口處的修正質量流率表面密度； 對于每個渦輪機主渦卷通道，主渦卷半徑比&和相應的主渦卷進口端口面積的大小被設置為使得當以臨界膨脹比Era驅動時在相應的主渦卷進口端口處的相應的修正質量流率表面密度大于臨界修正質量流率表面密度Dra ；以及 對于每個渦輪機主渦卷通道，Dcr和Era的值由下面的方程確定

14.如權利要求13所述的渦輪增壓器，其中，在每個渦輪機葉輪后緣的轂端處的半徑不多于每個渦輪機葉輪后緣的尖端的半徑的60%。
15.如權利要求14所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂處的葉片轉向角大于或等于45度。
16.如權利要求15所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂和尖部之間的中間半徑處的葉片轉向角大于或等于80度。
17.如權利要求14所述的渦輪增壓器，其中渦輪機葉片每一個的特征在于在轂和尖部之間的中間半徑處的葉片轉向角大于或等于80度。
18.如權利要求13所述的渦輪增壓器，其中第一和第二向內螺旋的渦輪機主渦卷通道是無葉片通道。
19.一種渦輪增壓的內燃發(fā)動機系統(tǒng)，包括: 發(fā)動機，其構造成接收加壓空氣流并產生廢氣氣體流，發(fā)動機被構造成在一定范圍的標準操作條件下操作；以及 如權利要求13所述的渦輪增壓器，該渦輪增壓器被構造成接收來自以所述標準操作條件操作時的發(fā)動機的廢氣氣體流，并且壓縮進入空氣成為由發(fā)動機接收的加壓空氣流。
20.如權利要求19所述的渦輪增壓的內燃發(fā)動機系統(tǒng)，其中第一和第二向內螺旋的主渦卷通道基本上形成會聚通道，其軸向向下游轉向并向內螺旋以足以針對所述一定范圍的標準操作條件中的至少一些操作條件使進入空氣在到達渦輪機葉輪葉片的上游邊緣時實現(xiàn)超音速 速度。
【文檔編號】F01D25/26GK103867234SQ201310677878
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月13日 優(yōu)先權日:2012年12月14日
【發(fā)明者】V.卡列斯, J.A.羅特曼 申請人:霍尼韋爾國際公司