[发明专利]轴流式涡轮机叶轮

说明书

技术领域

本发明总体上涉及涡轮增压器，更具体地，涉及具有低毂尖比的轴流式涡轮机。

背景技术

参考图1，典型的具有径流式涡轮机的涡轮增压器101包括涡轮增压器壳体和构造为在涡轮增压器壳体内沿转子旋转轴线103在止推轴承和两组轴颈轴承上转动的转子(每个相应的转子叶轮对应一组轴颈轴承)，或者替选地，在其它类似的支撑轴承上转动。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105，压缩机壳体107，以及将涡轮机壳体连接至压缩机壳体的轴承壳体109(也就是容纳轴承的中心壳体)。转子包括基本上位于涡轮机壳体内的涡轮机叶轮111，基本上位于压缩机壳体内的压缩机叶轮113，以及沿转子旋转轴线延伸并穿过轴承壳体以将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮的轴115。

涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成这样一种涡轮机，其构造为沿周向接收来自发动机例如来自内燃机125中排气歧管123的高压和高温排气流121。高压和高温的排气流驱动涡轮机叶轮(以及转子)绕转子旋转轴线103旋转，其变成低压和低温的排气流127并沿轴向释放到排气系统(未示出)中。

压缩机壳体107和压缩机叶轮113形成压缩机级。由被排气驱动的涡轮机叶轮111驱动旋转额压缩机叶轮被构造为将轴向接收到的进气(例如环境空气131，或来自多级压缩机中前级的已压缩空气)压缩成加压气流133，该加压气流133从压缩机的周向排出。由于该压缩过程，加压气流的特征在于温度高于输入空气的温度。

任选地，加压空气流可被引导通过对流冷却进气空气冷却器135，冷却器135构造成用于消散加压气流的热量，增加其密度。得到的经冷却和加压的输出气流137被导入内燃机上的进气歧管139，或者替选地，被导入串连压缩机的下一级。该系统的运行由ECU 151(发动机控制单元)控制，其经由通信线路153连接至该系统的其余部分。

事实上通过引用并入本文的日期为1989年7月25日的美国专利US4,850,820公开了一种类似于图1但是具有轴流式涡轮机的涡轮增压器。轴流式涡轮机本身具有较小的转动惯量，这节省了加速涡轮机所需能量。如图2所示，涡轮机具有涡形管，其沿周向在涡轮机叶片半径处接收排气并(参见图1)并且在轴向上限制气流转变为轴向流动。从而它基本上沿轴向撞击涡轮机叶片的前边缘(参见第2栏)。

对于许多所感兴趣的涡轮机尺寸，与相当的径流式涡轮机相比，轴流式涡轮机通常以更高的质量流量和更小的膨胀比运行。虽然常规的轴流式涡轮机尽管具有一些效率和性能损失，通常还是提供了较小的惯性，但是它们不能高效地被制造成能在众多现代内燃机上使用的小尺寸。更确切地说，例如，由于所需要的特别严格的公差，由于空气动力学限制，和/或由于生产小型铸件的尺寸限制。轴流式涡轮机也没有能力很好地以较高的膨胀比运行，而这些较高的膨胀比是由于内燃机的排气的脉冲特性而通常需要的。此外，常规轴流式涡轮机的横过叶片的静压具有显著变化，从而引起很大的推力负载作用在转子的止推轴承上，并有可能引起窜气。

在一些常规的涡轮增压器中，涡轮机和压缩机被构造为沿相反的方向施加轴向负载从而减少必须由轴承承载的平均轴向负载。然而，来自涡轮机和压缩机的轴向负载彼此间并不均匀变化，有可能以显著不同的水平变化，因此必须以涡轮增压器使用期间可能发生的最大负载状态设计止推轴承。配置为承受高负载的轴承比相当的低负载轴承浪费更多的能量，因此必须承受更高轴向负载的涡轮增压器被它们的轴承夺去更多的能量。

因此，需要这样一种涡轮增压器涡轮机，其具有低转动惯量，以不需要特别严格的公差的小尺寸为特征，同时在较低和较高膨胀比时都具有合理的效率，并具有较小的轴向负载。本发明的优选实施例满足这些和其它需要，并进一步提供相关优点。

发明内容

在不同的实施例中，本发明解决了上面提到的一些或全部需求，通常提供了一种节约成本的涡轮增压器涡轮机，其以低转动惯量为特征，并且具有不需要特别严格的公差的小尺寸，同时在较低和较高膨胀比时都具有合理的效率水平，且静态负载只有小的变化。

本发明提供这样一种涡轮增压器，其构造为从发动机接收排气流并将进气压缩为加压气流，其中所述发动机被构造为在标准运行工况范围内运转。该涡轮增压器包括包括涡轮机壳体的涡轮增压器壳体，以及构造为在涡轮增压器壳体内沿转子旋转轴线转动的转子。该转子包括轴流式涡轮机叶轮，压缩机叶轮，和沿转子旋转轴线延伸连接涡轮机叶轮和压缩机叶轮的轴。涡轮机叶轮具有毂，和多个构造为当涡轮增压器从周向接收来自发动机的排气流时驱动转子绕转子旋转轴线转动的轴流式涡轮机叶片。压缩机叶轮构造为将进气压缩成加压气流。