[發明專利]復合離心壓縮機葉輪

有效

• 申請號: 201110375534.9
• 申請日: 2011-11-23
• 公開（公告）號: CN102478022A
• 公開（公告）日: 2012-05-30
• 發明（設計）人: D.J.霍姆斯;C.E.威廉斯
• 申請（專利權）人: 通用汽車環球科技運作有限責任公司
• 主分類號: F04D29/28
• 分類號: F04D29/28;F04D29/02
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 宋寶庫;楊炯

技術領域

本發明的示例性實施方式涉及在壓縮機中使用的離心壓縮機葉輪，更具體地涉及在渦輪增壓器的壓縮機中使用的復合離心壓縮機葉輪。

背景技術

離心壓縮機在渦輪增壓器、機械增壓器等中使用。它們包括離心壓縮機葉輪，所述離心壓縮機葉輪包括由中心轂部分支撐的空氣動力學輪廓的葉輪片陣列。所述轂安裝在就渦輪增壓器來說由渦輪葉片驅動的可旋轉驅動軸上。對于渦輪增壓器，轂部分大體上包括中心軸線孔，軸延伸進入所述中心軸線孔并且固定到所述轂。可采用任何適當的形式固定-例如使用螺紋軸和轂、帶鍵的轂，或者替代性地軸的凸出部可延伸穿過轂并且使用螺母緊固至所述轂，以便所述轂抵靠肩狀部分或其他可與軸一起旋轉的直徑增大結構被緊固。所述軸從而沿某一方向可旋轉地驅動離心壓縮機葉輪，以便具有一定輪廓的葉片軸向吸入空氣并且將空氣以增高的壓力水平徑向向外排放入壓縮機殼體的腔室。加壓空氣隨后從所述腔室供應至內燃發動機的進氣歧管，從而以眾所周知的方式與燃料混合并燃燒。

通過細致的壓縮機設計，尤其是離心壓縮機葉輪設計，壓縮機技術和設計的改進已經導致壓縮機效率、流量范圍增加，并導致快速地瞬態響應。例如，葉輪片包括設計成優化操作效率和流量范圍的合成的并且高度復雜的彎曲部分。復雜的葉片形狀通常通過輕質金屬合金-包括各種鋁合金來鑄造形成，這樣選擇的原因是它們相對低的密度，以便使旋轉慣性降低并且在瞬態操作狀況期間提供快速的響應。

盡管是有效的，但是這種類型的鑄造離心壓縮機葉輪容易遭受金屬疲勞，所述金屬疲勞限制渦輪增壓器的運轉壽命。例如，離心壓縮機葉輪可以高達大約100000rpm或更大的運轉速度旋轉。這導致相對較高的徑向拉伸載荷，尤其是在必須支撐徑向葉輪質量的葉輪的轂部分中。在內燃發動機以及就移動應用來說渦輪增壓器被結合到其中的車輛的起動和操作期間，這種徑向拉伸載荷實質上也是循環性的。因為轂受到循環應力作用，夾雜物、空隙以及與鑄造工序關聯的其他缺陷提供導致疲勞過程的應力梯級，所述疲勞過程限制葉輪和包含它們的渦輪增壓器的運轉壽命。使用鍛造或精制材料來改進合金的運轉壽命是可能的，但這通常不是十分經濟，因為形成與轂和葉片關聯的復雜形狀需要的機加工成本比較高。

因此，提供所需性能特征的離心壓縮機葉輪與鑄造葉輪相比較是非常理想的，所述性能特征包括高強度和低旋轉慣性以及對疲勞過程的降低的敏感性。

發明內容

在本發明的示例性實施方式中，公開了用于可旋轉壓縮機的離心壓縮機葉輪。離心壓縮機葉輪包括具有入口端、出口端、弓形外表面和軸孔的軸向延伸轂。離心壓縮機葉輪還包括設置在軸向延伸轂的弓形外表面上的葉片陣列，所述葉片陣列包括多個周向間隔的、徑向和軸向延伸的、設置在所述弓形外表面上的弓形離心葉輪片；所述軸向延伸轂和所述葉片陣列包括非織造、不連續且充滿纖維的聚合物母體復合材料。

方案1.?一種用于內燃發動機的排氣驅動的渦輪增壓器，所述渦輪增壓器具有離心壓縮機，所述離心壓縮機包括：

具有入口端、出口端、弓形外表面和軸孔的軸向延伸轂；以及

設置在所述軸向延伸轂的弓形外表面上的葉片陣列，所述葉片陣列包括多個周向間隔的、徑向和軸向延伸的、設置在所述弓形外表面上的弓形離心葉輪片；所述軸向延伸轂和所述葉片陣列包括非織造、不連續且充滿纖維的聚合物母體復合材料。

方案2.?如方案1所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中所述非織造、不連續且充滿纖維的聚合物母體復合材料包括金屬、玻璃、聚合物或碳纖維或它們的組合。

方案3.?如方案2所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中所述非織造、不連續且充滿纖維的聚合物母體復合材料包括環氧樹脂、酚醛塑料、聚酰亞胺、聚酰胺、聚丙烯或聚醚醚酮樹脂。

方案4.?如方案1所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中所述葉輪片和所述軸向延伸轂包括設置在芯上的連續或半連續纖維外層，所述芯包括非織造、不連續且充滿纖維的聚合物母體復合材料。

方案5.?如方案4所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中每個葉輪片都具有葉片表面以及鄰近于所述葉片表面和所述軸向延伸轂表面的外層。

方案6.?如方案5所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中所述軸向延伸轂還包括鄰近所述出口端的底面，并且其中外層也鄰近所述底面。

方案7.?如方案4所述的排氣驅動的渦輪增壓器，其中所述連續或半連續纖維層包括定向成第一方向的多個纖維絲束。