[发明专利]具有弯曲的前边缘的轴向涡轮机叶轮

说明书

技术领域

本发明一般涉及涡轮增压器，并且更特别地涉及轴向涡轮机，该轴向涡轮机具有低的轮毂到末端比和弯曲的前边缘。

背景技术

参考图1，具有径向涡轮机的典型涡轮增压器101包括涡轮增压器外壳和转子，该转子构造成在推力轴承和两组轴颈轴承（一组轴颈轴承用于每一个相应的转子叶轮）或者替代地其它类似地支撑性轴承上沿转子旋转轴线103在涡轮增压器外壳内旋转。涡轮增压器外壳包括涡轮机外壳105，压缩机外壳107，和轴承外壳109（即，包含轴承的中心外壳），该轴承外壳将涡轮机外壳连接到压缩机外壳。该转子包括基本上位于涡轮机外壳内的涡轮机叶轮111，基本上位于压缩机外壳内的压缩机叶轮113，和轴115，该轴沿转子旋转轴线延伸，通过轴承外壳，以将涡轮机叶轮连接到压缩机叶轮。

涡轮机外壳105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，该涡轮机构造成从发动机，例如从内燃机125的排气歧管123周向地接收高压且高温的排气流121。涡轮机叶轮（并且因此该转子）被高压且高温的排气流驱动绕转子旋转轴线103旋转，该高压且高温的排气流变成较低压力且较低温度的排气流127并且被轴向地释放到排气系统（未示出）中。

压缩机外壳107和压缩机叶轮113形成压缩机级。被排气驱动的涡轮机叶轮111驱动旋转的压缩机叶轮构造成将接收的输入空气（例如，周围的空气131，或来自多级压缩机中的先前的级的已经加压的空气）轴向地压缩成加压的空气流133，该加压的空气流从压缩机被周向地喷出。由于该压缩过程，加压的空气流的特征在于，超过输入空气的温度的增加的温度。

任选地，加压空气流可以被输送过对流冷却的增压空气冷却器135，该对流冷却的增压空气冷却器构造成从加压空气流耗散热，增加其密度。作为结果的冷却的且加压的输出空气流137被输送到内燃机上的进气歧管139中，或者替代地被输送到后续级串联压缩机中。该系统的操作由ECU 151（发动机控制单元）控制，该ECU通过通信连接153连接到该系统的其余。

通过引用并入这里以便所有目的的日期为1989年7月25日的美国专利No. 4,850,820公开一种涡轮增压器，该涡轮增压器类似于图1的涡轮增压器，但它具有轴向涡轮机。轴向涡轮机固有地具有较低的惯性矩，减小加速该涡轮机所需的能量的量。如在图2中可以看到的，该涡轮机具有涡卷，该涡卷在涡轮机叶片的半径处周向地接收排气，并且（参考图1）轴向地限制该流动以使它转变到轴向流动。因此，它沿基本上轴向的方向冲击涡轮机叶片的前边缘（参考第2栏）。

对于许多感兴趣的涡轮机尺寸，与可比较的径向涡轮机相比，轴向涡轮机典型地以较高的质量流量和较低的膨胀比进行操作。虽然常规轴向涡轮机通常提供较低的惯性，尽管具有效率和性能的一些损失，但它们遭受于不能被高效地制造成可用于许多现代内燃机的小的尺寸。这是例如由于将需要的特别紧密的公差，由于空气动力学限制，和/或由于对产生小的铸造部件的尺寸限制。轴向涡轮机也缺乏在较高的膨胀比下良好地运行的能力，诸如，典型地由于内燃机的排气的脉动性质而需要这种能力。此外，常规轴向涡轮机具有跨越叶片的静态压力的显著变化，在转子的推力轴承上引起显著的推力载荷，并且潜在地引起窜漏。

在一些常规涡轮增压器中，涡轮机和压缩机构造成沿相反的方向施加轴向载荷以便减小必须由轴承承载的平均轴向载荷。然而，来自涡轮机和压缩机的轴向载荷不彼此均衡地变化并且可能处于显著不同的水平，因此推力轴承必须被设计用于涡轮增压器使用期间可能出现的最大载荷条件。构造成支撑高的轴向载荷的轴承比可比较的低载荷轴承浪费更多能量，并且因此必须支持较高轴向载荷的涡轮增压器失去更多能量到它们的轴承。

因此，已经需要一种涡轮增压器涡轮机，该涡轮增压器涡轮机具有低的惯性矩，并且其特征在于不需要格外紧密的公差的小的尺寸，同时在较低和较高膨胀比下具有合理的效率，和较小的轴向载荷。本发明的优选实施例满足这些和其它需要，并且提供另外的相关优点。

发明内容

在各种实施例中，本发明解决上面提及的需要的一些或全部，典型地提供成本划算的涡轮增压器涡轮机，该涡轮增压器涡轮机的特征在于低的惯性矩，并且具有不需要特别紧密的公差的小的尺寸，同时在较低和较高膨胀比下以合理的效率水平操作，并且仅仅具有小的静态载荷变化。