[发明专利]涡轮机叶轮、涡轮机及其使用

说明书

技术领域

本发明涉及一种涡轮机叶轮和涡轮机、涡轮复合单元以及包括这种涡轮机叶轮的排气系统。本发明还涉及这些项目中的一个、多个或全部的使用。

背景技术

涡轮机是连接到轴的装置，来自工作流体的能量能够通过涡轮机被转移至轴。在不同类型的涡轮机中，径流式涡轮机是流动沿径向方向进入并在转子通道中转向至沿轴向方向流出的涡轮机。在混流式涡轮机中，流动具有径向分量和轴向分量地进入，但通常主要沿径向方向。径流式和混流式涡轮机的这种特征使其适合于需要压缩式功率源的应用中。其主要应用可以被分成三个主要领域：汽车、航空航天、船舶，用于功率生产以及其他合适的能量回收应用，在这些应用中，径流式涡轮机通常作为涡轮增压器的一部分。

由于涡轮增压器较其他能获得的装置体积更小，重量更轻且价格更低廉，因此涡轮增压技术成为对往复式内燃机增压的最普遍的方式。对内燃机增压的主要目的是提高功率密度。增压可定义为将空气（或空气/燃料混合物）以比环境更高的密度引入发动机气缸。由此，更大数量的燃料能够在一个发动机循环中燃烧，结果导致输出功率的提高。在涡轮增压器应用中，输出功率的提高通过利用燃烧产生的废气驱动涡轮机进而驱动压缩机来实现。由此回收了可能被浪费的废气的能量。

涡轮增压器由三个主要元件构成：压缩机，支撑外壳和涡轮机。图1示出了典型涡轮增压器的设计。该涡轮增压器具有压缩机涡管（CS）、叶轮（I）、轴（S）、涡轮蜗壳（TH）以及涡轮机叶轮（W）。图2示出了涡轮增压器的工作原理，其中示出了发动机（E）、进气歧管（IM）、排气歧管（EM）、涡轮机（T）、压缩机（C）和轴（S）。随着废气快速从发动机汽缸（E）排出并流入排气歧管（EM），废气被导入涡轮机（T）。当该气体流经涡轮外壳（TH）时，其与涡轮机叶轮（W）接触。当气体经该气流路径并流入排气下管时，气体使涡轮机叶轮旋转，将其部分动能分配给涡轮增压器。通过连接轴（S），在膨胀过程中获得的能量被转移至压缩经叶轮（I）进入的空气的压缩机（C）。被压缩的空气然后流入压缩机涡管（CS），在压缩机涡管中被进一步压缩并最终经进气歧管（IM）被挤入发动机气缸。在涡轮机中膨胀后离开涡轮机的废气通常被导入排气尾管并随后排放到周围环境中。但是离开涡轮机的废气仍然具有一部分能量，该能量能够被提取以进一步提高发动机性能。使用进一步的设备以完成该任务通常被称为“涡轮复合技术”。

与涡轮增压器不同（从废气提取的能量被直接转移至压缩机），涡轮复合单元由废气驱动涡轮机构成，该废气驱动涡轮机将从废气中回收的能量直接转移至曲轴（机械涡轮复合）或通过轴转移至供应电池的发电机（电动涡轮复合）。然而，应当理解的是有效的废气对涡轮复合装置的压力并不大，这是因为大部分的膨胀已经在涡轮增压器的涡轮机中发生了。涡轮复合单元必须在非常低的压力比下运行，例如在入口压力与出口压力的比值介于大约1.02和1.2之间的情况下运行。当前市场上可利用的径流式和混流式涡轮机设计为在较高压力比下运行，因此它们通常提供范围在0.9至1.0的最大标准化全静效率。图3对此作了展示，图中示出了用于传统涡轮增压器涡轮机的典型的涡轮机特性曲线（turbine map）。从图3可知，在压力比（PR）大于1.2的区域，涡轮机性能大约为0.9。但是，一旦压力比下降至低于1.2，涡轮机标准化全静效率值急剧下降至0.6以下。该趋势对于当前存在于市场中的所有径流式和混流式涡轮机是普遍的。由于标准化全静效率低于0.6的涡轮机不适合在能量回收应用中使用，因此现存的涡轮机不适合在低压力比下的涡轮复合技术中使用。

因此本发明的目标是解决现有技术中的这个不足。

发明内容

本发明目标在于通过对径流式或混流式涡轮机叶轮提供新的特征组合以解决现有技术的不足。

已经并通过计算分析和实验研究开发并验证了一种提供高性能低压力的涡轮机的方法。

根据本发明的第一部分，提供了一种用于低压力比应用的涡轮机叶轮，其中所述叶轮的出口面积（A2）与所述叶轮的入口面积（A1）的比值小于大约0.4。

所述入口面积可以被限定为通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第一边缘所画出的面积，所述第一边缘是被布置为毗邻入口的边缘。所述出口面积可以被限定为通过围绕涡轮机叶轮的轴线旋转一个涡轮机叶片的第二边缘所画出的面积，所述第二边缘为被布置为毗邻出口的边缘。所述入口和/或出口可以分别是护罩的入口和出口，该护罩至少部分地覆盖涡轮机叶轮。

比值A2/A1可以是介于大约0.3和大约0.4之间。