[發(fā)明專利]減小應(yīng)力的超級背板葉輪

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201380020478.4
• 申請日: 2013-04-22
• 公開（公告）號: CN104246167B
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R·T·錢拉姆哈南;P·K·安斯切爾
• 申請（專利權(quán)）人: 博格華納公司
• 主分類號: F02B37/00
• 分類號: F02B37/00;F02B39/00;F01D5/26
• 代理公司: 中國國際貿(mào)易促進(jìn)委員會專利商標(biāo)事務(wù)所11038
• 代理人: 曾祥生

發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及在被設(shè)計成快速加速以及以非常高的RPM旋轉(zhuǎn)的葉輪（例如渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪）中的應(yīng)力減少。

發(fā)明背景

渦輪增壓器從車輛排氣中吸取能量以用于驅(qū)動壓縮機(jī)將高密度的空氣傳送到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣管，從而允許燃燒更多的燃料，進(jìn)而增加發(fā)動機(jī)的馬力。發(fā)動機(jī)排氣污染物的愈來愈嚴(yán)歷的法規(guī)已引起人們對能夠傳送更高壓力比的增壓裝置的興趣。實現(xiàn)這個目標(biāo)的一種方法是以更高的葉片端速來驅(qū)動壓縮機(jī)葉輪，通常根據(jù)壓縮機(jī)葉輪的直徑轉(zhuǎn)換成80,000每分鐘轉(zhuǎn)速（RPM）至300,000 RPM。不僅高的旋轉(zhuǎn)速度還有使壓縮機(jī)葉輪快速加速的軸的力造成了壓縮機(jī)葉輪的高拉伸載荷。這個載荷尤其是在孔的附近特別大。常規(guī)的是用一個中心凸出部分來加強(qiáng)壓縮機(jī)葉輪的后壁。

與壓縮機(jī)葉輪相比，渦輪機(jī)葉輪通常是用更高價值的合金制造的、能夠耐受高溫和多種腐蝕性氣體，該渦輪機(jī)葉輪被暴露在高溫和腐蝕性氣體中。渦輪機(jī)葉輪還在軸的連接方式上不同于壓縮機(jī)葉輪，即壓縮機(jī)葉輪通常具有一個貫穿孔，該壓縮機(jī)葉輪通過該貫穿孔而被安置在一個軸上、并且借助一個螺母被固定在該軸上，而渦輪機(jī)是實心的并且實質(zhì)上是例如通過焊接或者銅焊被固定在該軸上的。渦輪機(jī)葉輪的后壁也不同于壓縮機(jī)葉輪的后壁。渦輪機(jī)葉輪的后壁常規(guī)上是基本平坦的。見轉(zhuǎn)讓給本申請的受讓人的美國專利申請2010/0003132（郝茨舒（Holzschuh）），該專利申請形成了圖1和圖2的基礎(chǔ)。

由于該渦輪機(jī)葉輪和壓縮機(jī)葉輪被固定到同一個軸上，該渦輪機(jī)葉輪一定與該壓縮機(jī)葉輪以同樣高的RPM旋轉(zhuǎn)。該渦輪機(jī)葉輪還承受著重復(fù)應(yīng)力、并且會經(jīng)歷低循環(huán)疲勞故障。因此需要進(jìn)一步防范渦輪機(jī)葉輪中的低循環(huán)疲勞故障發(fā)生的可能性。

商業(yè)化的渦輪增壓器行業(yè)是成本驅(qū)動的。雖然需要降低低循環(huán)疲勞故障，但是這個目標(biāo)一定要經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)，即不依靠高成本措施，例如多元合金葉輪制造技術(shù)、特殊合金、從坯料開始的五軸銑削、用于除去表面缺陷的耗時的冷加工等等。

最近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)配備有一個稍長的、異型輪轂端的壓縮機(jī)葉輪具有針對低循環(huán)疲勞的改善的壽命。具有這種設(shè)計的壓縮機(jī)葉輪被稱為“超級背板（superback）”。為了容納該超級背板壓縮機(jī)葉輪的增加的長度，本行業(yè)發(fā)現(xiàn)需要重新設(shè)計該渦輪增壓器的其他相關(guān)聯(lián)的特征，例如拋油環(huán)和散射器。

盡管壓縮機(jī)葉輪與渦輪機(jī)葉輪之間在結(jié)構(gòu)上、冶金學(xué)上以及連接上具有顯著差異，但諸位發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)增加的輪轂長度還可以就防止低循環(huán)疲勞方面對渦輪機(jī)葉輪提供益處。因為渦輪殼體通常被設(shè)計成用于接納帶有平坦背部的渦輪機(jī)葉輪，并且因為常規(guī)實踐是通過從該后壁的平坦區(qū)域除去材料來平衡多個渦輪機(jī)葉輪的，存在關(guān)于如何設(shè)計一個“超級背板”渦輪機(jī)葉輪的問題，該渦輪機(jī)葉輪一方面可能提供所希望的益處并且另一方面致使對本行業(yè)產(chǎn)生最小的破壞，例如，允許本行業(yè)繼續(xù)使用常規(guī)的平衡方法，并且允許本行業(yè)對多個協(xié)作的渦輪增壓器部件進(jìn)行最少的再設(shè)計和再造的情況下結(jié)合到渦輪機(jī)殼體的可供使用的線路中。

最初的渦輪機(jī)葉輪超級背板的設(shè)計在一個長形的焊接輪轂與該渦輪機(jī)葉輪的平坦后壁之間提供了一個總體上呈錐形的過渡（圖2）。這種渦輪機(jī)葉輪超級背板設(shè)計進(jìn)行了商業(yè)測試并且被發(fā)現(xiàn)是滿足期望的。盡管如此，諸位發(fā)明人還是進(jìn)行了研究以便看出是否可以實現(xiàn)更大的改進(jìn)。諸位發(fā)明人考慮了不同的合金、機(jī)械表面處理、化學(xué)表面處理、涂料、熱處理以及其他多種選擇。

發(fā)明概述

出人意料地發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步提高渦輪機(jī)葉輪的抗低循環(huán)疲勞性能不在于復(fù)雜的、增加成本的常規(guī)技術(shù)而在于該超級背板整體設(shè)計的進(jìn)一步改進(jìn)。通過這個看起來小的改變，變得可能的是在沒有額外支出的情況下提供一個通過常規(guī)可供使用的技術(shù)能夠繼續(xù)容易地平衡而不易受應(yīng)力和低循環(huán)疲勞故障影響的渦輪機(jī)葉輪。

本發(fā)明是通過一個渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪實現(xiàn)的，該渦輪機(jī)葉輪具有一個超級背板后壁，其特征為在焊接輪轂與平坦后壁區(qū)域之間的一個錐形區(qū)域，其中該超級背板后壁在截面上是由一個三角形限定的，該三角形的邊是由源于該旋轉(zhuǎn)軸線（1）的線、該后壁的平面區(qū)域的線（L1）以及描述該錐體的表面的線（L2）組成的，其中描述該錐體表面的線（L2）與定義該后壁平面區(qū)域的線（L1）相交于一點(diǎn)，該點(diǎn)位于軸線（1）與渦輪機(jī)葉輪外徑之間的距離的50%和90%之間，其中該三角形的源于該旋轉(zhuǎn)軸線的邊的長度至少是該渦輪機(jī)葉輪的該直徑的2%，其中在該錐形區(qū)域與該平坦后壁區(qū)域之間的過渡是通過一個圓弧描述的，該圓弧具有對應(yīng)于該渦輪機(jī)葉輪的直徑的至少10%的半徑，優(yōu)選是該渦輪機(jī)葉輪的直徑的至少15%，最優(yōu)選是該渦輪機(jī)葉輪的直徑的20%與30%之間。