[发明专利]排气涡轮增压器的涡轮机叶轮

说明书

本发明涉及一种排气涡轮增压器(2)的涡轮机叶轮(1)：由铝化钛材料组成；具有一个叶轮背侧(7)，该叶轮背侧从轴向方向(A)来看为闭合构型且具有一个外轮廓(17)；具有一个毂件(3)，该毂件从叶轮背侧(7)延伸并在轴向方向(A)上渐缩；具有多个涡轮机叶片(4)，这些涡轮机叶片从叶轮背侧(7)和从毂件(3)延伸且在径向方向(R)上向外延伸，直到至少在一个连接区域(5)中的连接区域外径(DAB)；叶轮背侧(7)在邻接连接区域(5)的一个外部区域(11)中具有叶轮背侧外径(DRR)，该叶轮背侧外径大于或等于连接区域外径(DAB)。

技术领域

本发明涉及一种用于对燃烧发动机、尤其是内燃发动机增压的涡轮机叶轮。

背景技术

从DE 10 2005 050 707 A1已知所述类型的一种涡轮机叶轮。在所述文件中，已说明该涡轮机叶轮的镍(Ni)基材料对转子(由涡轮机叶轮、压缩机叶轮和轴组成的组件)的加速有不利影响，因为由所述材料组成的涡轮机叶轮有高的质量惯性矩。

作为一种用于降低质量惯性矩的方法，所述文件描述了使用具有较低密度的钛-铝合金，以使得由所述类型的材料组成的涡轮机叶轮的质量惯性矩可以被降低。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种由铝化钛(TiAl)组成的涡轮机叶轮，该叶轮具有简单的尺寸以及因此简单的结构，其中可以实现涡轮机的高效率水平。

由于叶轮背侧外径大于或等于涡轮机叶片的连接区域外径，因此形成了一个封闭式叶轮背侧，从而通风损耗更低。以此方式，由铝化钛材料组成的涡轮机的效率可以被提高。

在一个改进中，叶轮背侧的壁厚与涡轮机叶片的壁厚的比例至少在连接区域附近具有如下壁厚，该壁厚相对于涡轮机叶片的壁厚的比率为1.5:1至2.5:1，尤其为1.7:1至2.3:1，特别优选为1.8:1至2.2:1。

当内燃发动机超速运行时，内燃发动机因其质量惯性仍保持转动。在此期间，没有燃料被喷射，因此冷的排气或空气流动至涡轮增压器，使得涡轮机叶轮相对快速地冷却。涡轮机叶轮的冷却在涡轮机叶轮中产生内应力。在由现有技术的镍基合金材料组成的涡轮机叶轮的情况下，所述的内应力是非关键性的。然而，延展性，也就是说铝化钛材料变形但不受损坏的能力，会随着相关温度范围内温度的下降而降低。此外，由于铝化钛材料的膨胀系数对于温度来说不恒定，更强烈冷却的区域造成高的内应力。在由铝化钛材料组成的涡轮机叶轮的情况下，不恒定的膨胀系数和降低的延展性可能共同使得在涡轮机叶轮中形成裂缝。已经出人意料地发现，如果涡轮机叶片的壁厚相对于叶轮背侧的壁厚的比率就是前一段中提及的比率，就确保提供足够的材料，该材料在超速运行时实现更慢速并因而更均匀的冷却。

在所述比率下，由于铝化钛材料的密度低，涡轮机叶轮的质量惯性仍足够低以使排气涡轮增压器可以实现有利的加速特征。

在一个改进中，一个在轴向方向上延伸的轮毂区域在一个连接半径径向向外不断增加的切角区域中以连续方式合并到叶轮背侧的一个在径向方向上延伸的中间区域中。

前段中描述的叶轮背侧的配置产生高强度的涡轮机叶轮。

在一个进一步的改进中，涡轮机叶片从叶轮背侧和从涡轮机叶轮的毂件以连接半径延伸，该连接半径在涡轮机叶片的整个延伸长度上保持恒定。

由于这一改进，实现了从叶轮背侧和毂件到涡轮机叶片的热传递速率，这一热传递速率在涡轮机叶片的延伸长度上基本保持恒定。以此方式，在冷却过程中，叶轮背侧和毂件可以将其中储存的热量均匀释放至涡轮机叶片，使得沿着延伸长度的非均匀的温度分布以及沿着延伸线的内应力被降低至铝化钛材料可容许的水平。

在进一步的改进中，涡轮机叶片的壁厚与连接区域外径的比率在最高达0.7:40的范围内；特别优选地在0.3:40和0.5:40之间；尤其在0.35:40和0.45:40之间。