帶有表面不連續性的渦輪機輪轂以及結合有其的渦輪增壓器的制造方法
【專利摘要】一種渦輪增壓器(5)包括一個殼體(10)，該殼體包括一個壓縮機護罩(14)和一個渦輪機護罩(12)。該渦輪增壓器(5)還包括一個壓縮機葉輪(18)和一個渦輪機葉輪(116，216，316，416)。該壓縮機葉輪(18)包括一個壓縮機輪轂(44)和從該壓縮機輪轂(44)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的壓縮機葉片(45，46)。該渦輪機葉輪(116，216，316，416)包括一個渦輪機輪轂(124，224，324，424)以及從該渦輪機輪轂(124，224，324，424)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片(126，226，326，426)，該渦輪機輪轂帶有在相鄰葉片(126，226，326，426)之間延伸的一個輪轂表面(125，225，325，425)。該渦輪機葉輪(116，216，316，416)還包括在該渦輪機輪轂表面(125，225，325，425)上的至少一個表面不連續特征(135，235，335，435)。
【專利說明】帶有表面不連續性的渦輪機輪轂以及結合有其的渦輪增壓器
[0001]置量
[0002]當今內燃發動機必須滿足消費者和政府監管機構所要求的愈來愈嚴格的排放標準和效率標準。因此，汽車制造商和供應商在改善內燃發動機的運行的研究和開發技術中耗用大量精力和資金。渦輪增壓器是發動機開發的尤為使人感興趣的一個領域。
[0003]渦輪增壓器使用普通情況下浪費掉的排氣能量來驅動渦輪機。渦輪機被安裝到一個本身又驅動壓縮機的軸上。渦輪機將排氣的熱能和動能轉換成驅動壓縮機的旋轉動力。渦輪增壓器的目的是通過增大進入發動機的空氣的密度來提高發動機的容積效率。壓縮機吸入周圍空氣并且將其壓縮到進氣歧管中并且最終到汽缸中。因此，在每個進氣沖程上有更大量的空氣進入這些汽缸。
[0004]渦輪機能將排氣熱能轉換為旋轉動力的效率越高并且壓縮機可以將空氣推入發動機中的效率越高，發動機的總性能就越高。相應地，希望的是設計出盡可能高效的渦輪機和壓縮機。然而，在傳統渦輪機和壓縮機設計中由于紊流和泄露而固有地存在各種損失。
[0005]雖然傳統的渦輪增壓器壓縮機和渦輪機設計已經以將效率最大化為目標進行了開發，但仍在壓縮機和渦輪機效率方面需要進一步的進步。
[0006]概沭
[0007]在此提供了一種包括渦輪機輪轂的渦輪增壓器渦輪機葉輪，其中該輪轂包括至少一個環圓周延伸的表面不連續特征，該表面不連續特征可操作來激勵與該輪轂相關聯的流體流的邊界層。多個環圓周間隔開的葉片從該輪轂徑向地延伸。
[0008]在此描述的技術的某些方面，該渦輪機葉輪可以包括多個環圓周延伸的表面不連續特征。在一個實施例中，該環圓周延伸的表面不連續特征是處于肋條的形式。該環圓周延伸的肋條可以圍繞該輪轂的整個圓周延伸。在其他實施例中，該環圓周延伸的表面不連續特征是處于凹槽的形式。
[0009]在此描述的技術的其他方面，渦輪增壓器渦輪機葉輪包括一個渦輪機輪轂，該渦輪機輪轂帶有從該渦輪機輪轂徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片，該渦輪機輪轂具有在相鄰葉片之間延伸的一個輪轂表面。該渦輪機葉輪還包括在該表面上的至少一個表面不連續特征。在一個實施例中，該表面不連續特征是處于突出部的形式。在其他實施例中，該突出部可以處于在相鄰葉片之間的肋條的形式或者該表面不連續特征可以處于陷窩的形式。該表面不連續特征還可以處于在相鄰葉片之間延伸的凹槽的形式。
[0010]在此還設想了，渦輪增壓器包括一個包含壓縮機護罩和渦輪機護罩的殼體。該渦輪增壓器還包括一個壓縮機葉輪和一個渦輪機葉輪。該壓縮機葉輪包括一個壓縮機輪轂和從該壓縮機輪轂徑向地延伸的多個環圓周間隔開的壓縮機葉片。該渦輪機葉輪包括一個渦輪機輪轂以及從該渦輪機輪轂徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片，該渦輪機輪廓具有在相鄰葉片之間延伸的一個輪轂表面。該渦輪機葉輪還包括在該渦輪機輪轂表面上的至少一個表面不連續特征。在一個實施例中，該壓縮機輪轂具有在相鄰壓縮機葉片之間延伸的一個壓縮機輪轂表面、以及在該壓縮機輪轂表面上的至少一個壓縮機表面不連續特征。
[0011]在考慮此處的詳細說明和附圖之后，帶有表面不連續特征的渦輪機輪轂以及結合有該輪轂的渦輪增壓器的這些和其他方面將變得清楚。然而，應當理解的是，本發明的范圍應當由所提出的權利要求書來確定而不是由給出的主題是否解決該背景部分中指出的任何或所有問題或者包括在此概述中引用的任何特征或方面來確定。
[0012]MM
[0013]通過參照以下附圖來說明帶有表面不連續特征的渦輪機輪轂以及結合有該輪轂的渦輪增壓器的非限定性的和非窮舉的實施例(包括優選的實施例)，其中貫穿不同視圖，相同的參考數字表示相同的部分，除非另外指明。
[0014]圖1是根據一個示例性實施例的渦輪增壓器的截面中的側視圖；
[0015]圖2是根據第一示例性實施例的渦輪機葉輪的透視圖；
[0016]圖3是圖2所示的渦輪機葉輪的放大的局部透視圖；
[0017]圖4是根據第一示例性實施例的壓縮機葉輪的透視圖；
[0018]圖5是圖4所示的壓縮機葉輪的放大的局部透視圖；
[0019]圖6是代表了圖3所示的渦輪機葉片之一的側視圖圖解；
[0020]圖7A至7D是圍繞圖6中的線7_7截取的渦輪機葉片的局部截面，示出了不同的邊緣離隙構型；
[0021]圖8是根據一個示例性實施例表示出渦輪機葉輪與渦輪機護罩的內表面之間的界面的一個透視圖；
[0022]圖9是根據一個示例性實施例表示出壓縮機葉輪與壓縮機護罩的內表面之間的界面的一個透視圖；
[0023]圖10是一個透視圖，展示了根據第二示例性實施例結合有輪轂表面不連續特征的一個渦輪機葉輪；
[0024]圖11是圍繞圖10中的線11-11截取的渦輪機葉輪的截面中的側視圖；
[0025]圖12是根據第三示例性實施例的渦輪機葉輪的透視圖，展示了一種替代性的表面不連續特征構型；
[0026]圖13是根據第四示例性實施例的渦輪機葉輪的透視圖，展示了另一種替代性的表面不連續特征構型；并且
[0027]圖14是根據第五示例性實施例的渦輪機葉輪的透視圖，展示了又一種替代性的表面不連續特征構型。
[0028]詳細說明
[0029]以下將參照附圖更全面地說明實施例，這些附圖形成本文件的一個部分并且以圖示的方式示出多個具體示例性實施例。這些實施例是以足夠的細節予以披露的從而使本領域技術人員能夠實踐本發明。然而，實施例能夠以不同的形式來實施并且不應解釋為受限于在此闡述的這些實施例。因此，以下詳細說明部分并不是在限制意義上進行的。
[0030]如圖1所示，渦輪增壓器5包括一個支承殼體10，該支承殼體帶有一個渦輪機護罩12和附接至其上的一個壓縮機護罩14。渦輪機葉輪16在渦輪機護罩12內緊鄰渦輪機護罩內表面20進行旋轉。類似地，壓縮機葉輪18在壓縮機護罩14內緊鄰壓縮機護罩內表面22進行旋轉。渦輪增壓器5的構造是本領域熟知的典型渦輪增壓器的構造。然而，渦輪增壓器5包括針對效率的不同改進，在此更全面進行解釋。
[0031]如圖2所示，渦輪機葉輪16包括一個輪轂24，多個葉片26從該輪轂延伸。每個葉片26包括一個前導邊緣30與一個尾隨邊緣32，一個護罩輪廓邊緣34在該前導邊緣與尾隨邊緣之間延伸。該護罩輪廓邊緣在本文中有時被稱為葉片頂端。在傳統的渦輪機葉輪構型中，顯著的渦輪機效率損失是由于跨過渦輪機葉片頂端的泄露。渦輪機葉片之間的流動的物理性質導致葉片的一個表面(壓力側36)暴露于高壓下，而另一側(抽吸側38)暴露于低壓下(參見圖3)。這種壓力差導致了葉片上存在一個力，這個力致使渦輪機葉輪旋轉。再次參見圖1，可以看到，護罩輪廓邊緣34緊鄰著渦輪機護罩內表面20，由此在其間形成了一個空隙。這些高壓和低壓區域致使二次流動從渦輪機葉片的壓力側36經渦輪機葉片頂端34與渦輪機護罩的內表面20之間的該空隙前進到該抽吸側38。這種二次流動對于總體系統是一種損失并且對于渦輪機效率是一種負擔。理想情況下，在該頂端與護罩之間不存在空隙，但空隙對于防止頂端在護罩上摩擦以及補償渦輪機葉片上的熱膨脹和離心加載(這導致葉片徑向地增長)是必要的。
[0032]然而在這個實施例中，渦輪機葉片26包括沿著該頂端或護罩輪廓邊緣34形成的一個邊緣離隙40。在此情況下，當流動前進經過該空隙時,邊緣離隙40 (relief)在該邊緣離隙中產生了一個高壓區域(相對于壓力側36而言)，這致使該流動停滯。此外，該高壓區域致使跨過該空隙的流動被扼制，由此限制了流量。因此，該二次流動被減少，這提高了渦輪機的效率。可以從圖3中知曉，在此情況下邊緣離隙40沿著護罩輪廓邊緣34的大部分延伸而沒有延伸越過葉片的邊緣的兩端。這產生了一個凹穴或凹窩，這進一步用于在該邊緣離隙中產生相對壓力。
[0033]進一步參見圖6，沿著護罩輪廓邊緣34示意性示出了邊緣離隙40。圖7A所示的葉片26的截面展示了邊緣離隙40的輪廓構型。在此情況下，該邊緣離隙被示出為一個具有內半徑的弓形體。雖然在此以弓形體的形式示出，該邊緣離隙可以被形成為分別如圖7B至7D所示的倒角、半徑、或插孔。如圖7A至圖7D所示，邊緣離隙40被形成在葉片26的壓力側36中。該護罩輪廓邊緣的剩余邊緣材料在圖7A至圖7D中表示為厚度t。已經發現，將剩余頂端的厚度t最小化致使該流動更快速扼制。厚度t可以表示為葉片厚度的百分比。例如，厚度t可以小于葉片厚度的75%并且優選地小于葉片厚度的50%。然而，最小厚度最終是由用于創造該邊緣離隙的技術所決定的。這個離隙可以機加工到或鑄造到葉片的邊緣之中。相應地，該邊緣離隙是用于改善渦輪機葉輪和壓縮機葉輪效率的一種有成本效益的解決方案。
[0034]參見圖4和圖5，可以了解的是，壓縮機葉輪18的葉片45和46也可以分別形成有邊緣離隙61和60。在此情況下，壓縮機葉輪18包括一個輪轂44，多個葉片46從該輪轂徑向地延伸，在這些葉片之間插入了多個較小葉片45。參見圖5，每個葉片46包括一個前導邊緣50、一個尾隨邊緣52、以及在其間延伸的一個壓縮機護罩輪廓邊緣54。以類似的方式，這些較小葉片45包括一個前導邊緣51、一個尾隨邊緣53、以及在其間延伸的一個護罩輪廓邊緣55。邊緣離隙61和60沿著其對應的護罩輪廓邊緣的大部分延伸。如同渦輪機葉輪葉片，這些邊緣離隙是沿著葉片的壓力側形成的。因此，在壓縮機葉片的情況下，邊緣離隙61和60是在壓力側56上形成的，如圖5所示。類似于渦輪機葉片邊緣離隙，壓縮機葉片邊緣離隙減小了從壓力側56到抽吸側58的流動，由此提高了壓縮機葉輪的效率。
[0035]在圖8和圖9中示出了中斷從渦輪增壓器渦輪機葉片和壓縮機葉片的壓力側到抽吸側的流動的另一種方式。如圖8所示，渦輪機護罩內表面20包括相對于渦輪機葉片26的護罩輪廓邊緣34橫向延伸的多個凹槽70。因此，這些凹槽相對于渦輪機葉輪16的軸線A以一個角度G延伸。角度G與壓縮機葉輪或渦輪機葉輪上的葉片數量有關。在一個實施例中，例如，角度G被調節成這些凹槽與不超過兩個相鄰葉片相交。在此情況下，這些凹槽的截面是矩形的并且具有寬度w和深度d。舉例而言，該寬度可以在從大約0.5至2_的范圍內并且該深度可以在從大約0.5至3mm的范圍內。這些凹槽從護罩表面20的入口區域74以弧形延伸至排出區域76。可以了解的是，這些凹槽是圍繞該護罩表面以距離S環圓周地等距間隔開的。然而，在其他實施例中，這個間距可以從凹槽到凹槽發生改變。距離S具有與較低G類似的限制，因為該間距受葉片數量的限制。舉例而言，S可以通過使不超過15個凹槽與單一葉片相交而進行限制。
[0036]參見圖9，壓縮機護罩表面22還包括在壓縮機護罩14的內表面22中形成的多個凹槽72。凹槽72相對于葉片46和45的對應護罩輪廓邊緣54和55橫向延伸。在此情況下，這些凹槽從護罩表面22的入口區域73以弧形延伸至排出區域77。雖然凹槽70和72在此顯示為具有矩形截面，但其他截面也是可以的，例如圓形或V形的截面。當每個葉片的護罩輪廓邊緣經過這些橫向定向的凹槽時，跨過該頂端或護罩輪廓邊緣的流動被這些凹槽中產生的紊動所中斷(停滯)。
[0037]作為提高渦輪機葉輪和壓縮機葉輪的效率的又一種方式，這些葉輪可以包括圍繞輪轂的一個表面不連續特征。如圖10至圖14所示，該渦輪機葉輪可以包括圍繞渦輪機葉輪的輪轂形成的表面不連續特征，以將能量傳遞到與該輪轂相關聯的流體流的邊界層中。例如，圖10展示了渦輪機葉輪116的一個示例性實施例中，該渦輪機葉輪具有一個輪轂，該輪轂帶有多對環圓周延伸的肋條135，這些肋條可操作來激勵與輪轂124相關聯的流體流F的邊界層。這些葉片126是圍繞渦輪機輪轂124環圓周地間隔開的，該渦輪機輪轂具有在相鄰葉片之間延伸的一個輪轂表面125。每個表面125包括至少一個表面不連續特征，在此情況下是處于肋條135的形式。如圖11所示，該輪轂的截面指示了在各個帶有從其上突出的表面不連續特征或肋條135的葉片之間延伸的一個凹狀外表面125。在此情況下，這些肋條用于加速每個肋條上的流動F，由此激勵與該輪轂相關聯的流體流的邊界層，以便中斷會影響渦輪機效率的漩渦的形成。圖12展示了根據另一個示例性實施例的渦輪機葉輪216。在此情況下，渦輪機葉輪216包括一個輪轂224，多個葉片226從該輪徑向地延伸。一個輪轂表面225在各個相鄰渦輪機葉片226之間延伸。在此情況下，這些表面不連續特征是處于多個突出部235的形式。這些突出部可以處于鼓包、圓盤、肋條、三角形等的形式。如圖13和14所示，渦輪機葉輪包括處于陷窩或凹槽形式的表面不連續特征。例如，圖13展示了在相鄰渦輪機葉片326之間延伸的輪轂表面325以及處于陷窩335形式的多個表面不連續特征。陷窩335可以類似于在高爾夫球上存在的。在圖14中，渦輪機葉輪416包括一個輪轂424，該輪轂帶有在相鄰葉片426之間延伸的多個輪轂表面425。在此情況下，這些表面不連續特征是處于圍繞輪轂424環圓周地延伸的多個凹槽435的形式。
[0038]相應地，已經針對這些示例性實施例在某種詳細程度上對渦輪增壓器壓縮機葉輪和渦輪機葉輪進行了描述。然而，應當認識到本發明是由按照現有技術解釋的以下權利要求書來限定，從而對這些示例性實施例可以作出修改或改變而不脫離在此包含的發明概念。
【權利要求】
1.一種渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，包括: 一個渦輪機輪轂(124，424)，其中該輪轂(124，424)包括至少一個環圓周延伸的表面不連續特征(135，435)，該表面不連續特征可操作來激勵與該輪轂(124，424)相關聯的流體流(F)的邊界層；以及 從該輪轂(124，424)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片(126，426)。
2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，包括多個環圓周延伸的表面不連續特征(135，435)。
3.根據權利要求1所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，其中，該環圓周延伸的表面不連續特征(135，435)是處于肋條(135)的形式。
4.根據權利要求3所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，其中，該環圓周延伸的肋條(135)圍繞該輪轂(124，424)的整個圓周延伸。
5.根據權利要求3所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，包括多個環圓周延伸的肋條(135)。
6.根據權利要求1所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，其中，該環圓周延伸的表面不連續特征(135，435)是處于凹槽(435)的形式。
7.根據權利要求6所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，其中，該環圓周延伸的凹槽(435)圍繞該輪轂(124，424)的整個圓周延伸。
8.根據權利要求6所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，416)，包括多個環圓周延伸的凹槽(435)。
9.一種渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，216，316，416)，包括: 一個渦輪機輪轂(124，224，324，424)； 從該渦輪機輪轂(124，224，324，424)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片(126，226，326，426)，在相鄰葉片(126，226，326，426)之間有一個輪轂表面(125，225，325，425)延伸；以及 在該表面(125，225，325，425)上的至少一個表面不連續特征(135，235，335，435)。
10.根據權利要求9所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，216，316，416)，其中，該表面不連續特征(135，235，335，435)是處于突出部(135，235)的形式。
11.根據權利要求10所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，216，316，416)，其中，該突出部(135，235)是處于在相鄰葉片(126)之間延伸的肋條(135)的形式。
12.根據權利要求9所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，216，316，416)，其中，該表面不連續特征(135，235，335，435)是處于陷窩(335)的形式。
13.根據權利要求9所述的渦輪增壓器渦輪機葉輪(116，216，316，416)，其中，該表面不連續特征(135，235，335，435)是處于在相鄰葉片(426)之間延伸的凹槽(435)的形式。
14.一種渦輪增壓器(5)，包括: 一個殼體(10)，該殼體包括一個壓縮機護罩(14)和一個渦輪機護罩(12)； 一個壓縮機葉輪(18)，該壓縮機葉輪包括: 一個壓縮機輪轂(44);以及 從該壓縮機輪轂(44)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的壓縮機葉片(45，46);以及 一個渦輪機葉輪(116，216，316，416)，該渦輪機葉輪包括: 一個渦輪機輪轂(124，224，324，424)； 從該渦輪機輪轂(124，224，324，424)徑向地延伸的多個環圓周間隔開的葉片(126，226，326，426)，在相鄰葉片(126，226，326，426)之間有一個輪轂表面(125，225，325，425)延伸；以及 在該渦輪機輪轂表面(125，225，325，425)上的至少一個表面不連續特征(135，235，335,435)。
15.根據權利要求14所述的渦輪增壓器(5)，其中，該表面不連續特征(135，235，335，435)是處于突出部(135，235)的形式。
【文檔編號】F01D5/00GK104334854SQ201380018193
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年4月11日 優先權日:2012年4月23日
【發明者】S·德克斯特雷茲 申請人:博格華納公司