CN105074161B - 排气涡轮增压器的涡轮机叶轮 - Google Patents

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Abstract

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)。

Description

排气涡轮增压器的涡轮机叶轮
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。
已发现，在所述比率下，可以形成足够稳定的涡轮机叶片。
附图说明
本发明进一步的细节、特征和优点，通过参照附图在多个示例性实施例的以下说明中变得清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明的一种排气涡轮增压器的大大简化的示意图示，
图2示出了根据本发明的一个涡轮机叶轮的第一实施例的侧视图，
图3是穿过根据本发明的涡轮机叶轮的第二实施例的一个截面图解，其中只有涡轮机叶轮的上半部分在图3所选择的展示中被示出，并且
图4是根据图1示出的本发明的涡轮机叶轮的实施例的一个截面图解。
具体实施方式
图1是根据为一台内燃发动机(未示出)增压的本发明的一种排气涡轮增压器2的高度简化的示意图示，所述排气涡轮增压器具有被安排在涡轮机壳体12中的涡轮机叶轮1。涡轮机叶轮1被固定于轴14的一端，在轴14的另一端安装了被安排在压缩机壳体16中的压缩机叶轮15。涡轮机叶轮1、轴14和压缩机叶轮15形成了一个组件，该组件也被称为转子。轴14安装在一个被安排在压缩机壳体16与涡轮机壳体12之间的轴承壳体13里。
图2示出了根据由铝化钛(TiAl)材料组成的本发明的涡轮机叶轮1的第一实施例。涡轮机叶轮1可在铸造过程中由钛铝合金铸造而成。涡轮机叶轮1也可由锻造的铝化钛坯件铣制而成。
涡轮机叶轮1具有圆形的外轮廓17和毂件3，该毂件上面安排了多个涡轮机叶片，其中一个叶片作为所有涡轮机叶片的代表，用参考符号4表示。涡轮机叶片4沿着延伸长度L延伸。每个涡轮机叶片4有一个连接区域5，在这个连接区域中围绕涡轮机叶片4在其径向外部顶端画的一个假想的圆具有外径DAB。连接区域5是与涡轮机叶片4的一个出口区6邻接的，在图2实施例的情况下，该出口区具有比连接区域5更小的外径。
涡轮机叶轮1也有一个叶轮背侧7，该叶轮背侧邻接连接区域5且形成于毂件3上，如从图2中可见。
叶轮背侧7在一个外部区域11中具有外径为DRR，该外径至少基本与外径DAB相对应，但优选地具有与直径DAB相同的值。
此外，叶轮背侧7具有壁厚WRR。涡轮机叶轮叶片具有壁厚WTS，其中图2通过例子示出了涡轮机叶片4的两个区域，其中指示了所述的壁厚区域WTS。叶轮背侧7被略微增厚，并且至少在连接区域5附近具有壁厚WRR，该壁厚相对于涡轮机叶片4的壁厚WTS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。由于略微增厚，确保降低了涡轮机叶轮1在内燃机正常或提速的发动机负载期间之后的超速运行期间的冷却速度。在由铝化钛组成的涡轮机叶轮的情况下，已证明缓慢冷却对长的使用寿命来说是有利的。这一原因可从以下事实看出：在达到铝化钛材料延展性降低的温度时，可能因非均匀冷却而在涡轮机叶轮1内产生的高的内应力可以被消除或至少降低至一个容许的水平。
图3示出了根据本发明的涡轮机叶轮1的第二实施例，在这一实施例中所有与图2的元件对应的元件都用相同的参考符号表示，以使得在这方面可以参考以上关于图2的说明。
根据图3的实施例的涡轮机叶轮1是一种所谓的“混合流动的涡轮机叶轮”，如在图2的实施例的情况下一样，该叶轮的连接区域5具有的外径DAB对应叶轮背侧7的外径DRR。如图3示出，出口区6在径向方向R向上延伸，从而产生混合流动的涡轮机叶轮的特殊几何形状，该涡轮机叶轮可被相对于轴向方向A倾斜地撞击在涡轮机叶轮1上的排气流驱动。
此外，图3和4以截面示出了叶轮背侧7的设计，其中在轴向方向A上延伸的轮毂区域8在一个具有连接半径A(R)的、圆化的切角区域9中合并到叶轮背侧7的一个中间区域10中，该中间区域在径向方向R上延伸。这里，连接半径AR(R)随着从旋转轴线A向外延伸的距离增加而连续增加。这产生了一个刚性并因而尺寸稳定的涡轮机叶轮1，该叶轮储存热量并在一段相对较长的时间内向叶轮背侧7的外部区域11释放所述热量。以此方式，在外部区域11和邻接所述外部区域的涡轮机叶片4的多个区域中的叶轮背侧7都在超速运行时相应地更慢速地冷却。
图4以与图3相对应的仅上部区域(也就是说纵轴线A上部的区域)的截面图示出了根据图1示出的本发明的涡轮机叶轮1的实施例。该实施例涉及一个径向叶轮，该径向叶轮邻接连接区域5具有一个外径与连接区域5的外径相同的出口区6。
除以上书面说明外，特此明确地参考在图1至图4中对本发明的图形展示，用于本发明的补充。
参考符号列表
1 涡轮机叶轮
2 排气涡轮增压器
3 毂件
4 涡轮机叶片
5 连接区域
6 出口区
7 叶轮背侧
8 轮毂区域
9 切角区域
10 中间区域
11 外部区域
12 涡轮机壳体
13 轴承壳体
14 轴
15 压缩机叶轮
16 压缩机壳体
17 外轮廓
DAB 连接区域外径
DRR 叶轮背侧外径
A 轴向方向/纵轴
AR(R) 连接半径
TA 涡轮机叶片连接半径
R 径向方向
WRR 叶轮背侧的壁厚
WTS 涡轮机叶片的壁厚

Claims (13)

1.一种排气涡轮增压器(2)的涡轮机叶轮(1)，由铝化钛材料组成，
·所述涡轮机叶轮具有一个叶轮背侧(7)，从轴向方向(A)来看所述叶轮背侧为闭合构型，且所述叶轮背侧具有一个外轮廓(17)，并且
·所述涡轮机叶轮具有一个毂件(3)，所述毂件从叶轮背侧(7)延伸且所述毂件沿着所述轴向方向(A)渐缩，
·所述涡轮机叶轮具有多个涡轮机叶片(4)，这些涡轮机叶片从所述叶轮背侧(7)和从所述毂件(3)延伸且这些涡轮机叶片在径向方向(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)，
·所述叶轮背侧(7)在一个邻接所述连接区域(5)的外部区域(11)中具有叶轮背侧外径(DRR)，所述叶轮背侧外径大于或等于所述连接区域外径(DAB)，
其中所述叶轮背侧(7)至少在所述连接区域(5)附近具有如下的壁厚(WRR)，所述壁厚相对于所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)的比率为1.5:1至2.5:1。
2.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中在所述轴向方向(A)上延伸的一个轮毂区域(8)在一个连接半径(AR(R))径向向外不断增加的切角区域(9)中以连续方式合并到所述叶轮背侧(7)的一个在所述径向方向(R)上延伸的中间区域(10)中。
3.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中这些涡轮机叶片(4)从所述叶轮背侧(7)和从所述涡轮机叶轮的毂件(3)以涡轮机叶片连接半径(TA)延伸，所述涡轮机叶片连接半径(TA)在所述涡轮机叶片(4)的整个延伸长度(L)上基本恒定。
4.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)与所述连接区域外径(DAB)的比率在最高达0.7:40的范围内。
5.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶轮形成为锻造或铣制的涡轮机叶轮。
6.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶轮形成为铸造的涡轮机叶轮。
7.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶轮能够被在所述径向方向(R)上向内流动的排气流驱动。
8.如权利要求1至2中任一项所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶轮能够被在所述径向方向(R)和所述轴向方向(A)上都倾斜地流动的排气流驱动。
9.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中所述叶轮背侧(7)的所述壁厚(WRR)相对于所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)的比率为1.7:1至2.3:1。
10.如权利要求1所述的涡轮机叶轮，其中所述叶轮背侧(7)的所述壁厚(WRR)相对于所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)的比率为1.8:1至2.2:1。
11.如权利要求4所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)与所述连接区域外径(DAB)的比率在0.3:40和0.5:40之间。
12.如权利要求4所述的涡轮机叶轮，其中所述涡轮机叶片(4)的壁厚(WTS)与所述连接区域外径(DAB)的比率在0.35:40和0.45:40之间。
13.一种用于对内燃发动机增压的排气涡轮增压器(2)，具有如权利要求1至12中任一项所述的涡轮机叶轮(1)。
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