[发明专利]流动热应力涡轮增压器涡轮机壳体分隔壁

说明书

发明领域

本发明是针对于对改进的涡轮增压器分隔式涡轮机壳体设计的需要，以用于减少分隔壁中裂纹萌生和传播的倾向。

发明背景

涡轮增压器是一种强制进气系统。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的质量流量传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。这使得能够使用一台较小的涡轮增压的发动机来替代一个较大物理尺寸的正常吸气的发动机，因此减少了车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器利用来自发动机排气歧管的排气流来驱动位于涡轮机壳体(2)内的一个涡轮机叶轮(10)。一旦该排气已经通过该涡轮机叶轮并且该涡轮机叶轮已经从该排气中提取能量，则用过的排气通过该出口导流器离开涡轮机壳体并且被输送到车辆下行管并且通常输送到后处理装置，如催化转化器、微粒收集器和NO_x收集器。涡轮机叶轮(10)提取的能量被转化为一种旋转运动，这种旋转运动接着驱动一个压缩机叶轮。该压缩机叶轮将空气抽入涡轮增压器中、将该空气压缩、并且将其输送至发动机的进气侧。

发动机排气由稳态压力排气和脉冲式排气的混合物组成，其脉冲可以是同相的、不同相的或随时间变化的。这些脉冲的特性总体上依赖于排气定时、燃烧室排气的流动特性(即，1个或2个阀)、以及发动机的速度。在低速发动机中，这些脉冲可以是相当有差异的。在高速发动机中，朝向速度范围的上端点，这些脉冲合并而产生大部分接近稳态的压力，而在速度范围的下端点处，这些脉冲可能仍是相当有差异的。

涡轮机壳体存在若干基本类型：开放式的，如图2A中所绘；沿子午线分隔的，如图2B中所绘；以及双流式。在开放的涡轮机壳体中，来自发动机排气歧管的这些脉冲被允许混合，从而向涡轮机叶轮提供相对稳态的排气。当燃烧室中产生的脉冲具有显著差异时，例如在低速柴油发动机中，来自发动机的一个部分(例如，六缸发动机的前三个汽缸)的脉冲优选地保持与来自另一个部分(在以上实例中，六缸发动机的后三个汽缸)的脉冲是分离的。这种脉冲能量的分离可以遍及排气歧管到涡轮机壳体的底座得到维持，并且在涡轮机壳体中可以通过使用将涡轮机壳体中的这些蜗壳分开的一个分隔壁来维持这种分离。典型地，这种分离在多个分开的蜗壳中一路维持到涡轮机叶轮的入口附近。

该分隔壁的尾缘与涡轮机叶轮的入口之间的空隙典型地选择为从提取的排气流中收获最大脉冲能量与将对涡轮机叶轮的激励最小化之间的一种折中。典型地，这个空隙是涡轮机叶轮直径的从10％到15％。

当使用一个(沿子午线)分隔的涡轮机壳体时，来自发动机燃烧的脉冲在涡轮机壳体中被维持、然后被涡轮机叶轮吸收、并且最后被转化成旋转能量，该旋转能量最终驱动压缩机级。从这些脉冲中获得的能量是除了在流动为稳态时将吸收的能量之外的能量，因此涡轮机级的效率提高了。同样重要的是要注意，一些涡轮机叶轮的空气动力学设计在将这些排气脉冲转化成旋转能量方面是比其他设计更好的。

该涡轮机壳体的设计在涡轮机级效率方面起到了基础性的作用。对涡轮机级的效率有贡献的特征包括：润湿的表面积(涡轮机壳体的被涡轮机蜗壳中的排气流润湿的那部分)、通向“喷嘴”的壁的轮廓、该分隔壁的设计、该分隔壁相对于“喷嘴”的其他部分的定位、该分隔壁的尾缘到涡轮机叶轮的入口的距离、该分隔壁的尾缘的形状、以及涡轮机壳体的A/R。

涡轮机壳体的物理设计的一部分是一个蜗壳，其功能是用来控制到涡轮叶轮的这些进入状态，这样这些进入流动状态提供了从排气中的能量到由该涡轮机叶轮产生的动力的最有效的动力传递。理论上讲，来自发动机的、进入的排气流是以一种均匀的方式从蜗壳被传送到以涡轮机叶轮轴线为中心的一个涡旋上。为了做到这一点，蜗壳的截面面积逐渐并连续地减少直到它变为零。蜗壳的内边界可以是由基圆定义的一个完美的圆；或者在某些情况下，如一个双蜗壳，它可以描绘一条螺旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的从110％到115％。该蜗壳在通过“X-Y”轴线定义的一个平面中是由蜗壳的外边界的减少的半径以及由如以上说明的内边界定义的，并且在每个位置的截面区域，在穿过“Z”轴线的平面中。“Z”轴线是垂直于由“X-Y”轴线所定义的平面的、并且还是该涡轮机叶轮的轴线。

这种蜗壳的设计发展开始于切面“A”，该切面被定义为对于该蜗壳的角向基准。该基准被定义为高于该涡轮机壳体的“X”轴线的一个“P”度的角度处的切面，该涡轮机壳体包含该蜗壳形状的“X”轴线、“Y”轴线以及“Z”轴线的细节。