[发明专利]减小应力的超级背板叶轮

说明书

发明领域

本发明涉及在被设计成快速加速以及以非常高的RPM旋转的叶轮（例如涡轮增压器的涡轮机叶轮）中的应力减少。

发明背景

涡轮增压器从车辆排气中吸取能量以用于驱动压缩机将高密度的空气传送到发动机进气管，从而允许燃烧更多的燃料，进而增加发动机的马力。发动机排气污染物的愈来愈严历的法规已引起人们对能够传送更高压力比的增压装置的兴趣。实现这个目标的一种方法是以更高的叶片端速来驱动压缩机叶轮，通常根据压缩机叶轮的直径转换成80,000每分钟转速（RPM）至300,000 RPM。不仅高的旋转速度还有使压缩机叶轮快速加速的轴的力造成了压缩机叶轮的高拉伸载荷。这个载荷尤其是在孔的附近特别大。常规的是用一个中心凸出部分来加强压缩机叶轮的后壁。

与压缩机叶轮相比，涡轮机叶轮通常是用更高价值的合金制造的、能够耐受高温和多种腐蚀性气体，该涡轮机叶轮被暴露在高温和腐蚀性气体中。涡轮机叶轮还在轴的连接方式上不同于压缩机叶轮，即压缩机叶轮通常具有一个贯穿孔，该压缩机叶轮通过该贯穿孔而被安置在一个轴上、并且借助一个螺母被固定在该轴上，而涡轮机是实心的并且实质上是例如通过焊接或者铜焊被固定在该轴上的。涡轮机叶轮的后壁也不同于压缩机叶轮的后壁。涡轮机叶轮的后壁常规上是基本平坦的。见转让给本申请的受让人的美国专利申请2010/0003132（郝茨舒（Holzschuh）），该专利申请形成了图1和图2的基础。

由于该涡轮机叶轮和压缩机叶轮被固定到同一个轴上，该涡轮机叶轮一定与该压缩机叶轮以同样高的RPM旋转。该涡轮机叶轮还承受着重复应力、并且会经历低循环疲劳故障。因此需要进一步防范涡轮机叶轮中的低循环疲劳故障发生的可能性。

商业化的涡轮增压器行业是成本驱动的。虽然需要降低低循环疲劳故障，但是这个目标一定要经济地实现，即不依靠高成本措施，例如多元合金叶轮制造技术、特殊合金、从坯料开始的五轴铣削、用于除去表面缺陷的耗时的冷加工等等。

最近已经发现配备有一个稍长的、异型轮毂端的压缩机叶轮具有针对低循环疲劳的改善的寿命。具有这种设计的压缩机叶轮被称为“超级背板（superback）”。为了容纳该超级背板压缩机叶轮的增加的长度，本行业发现需要重新设计该涡轮增压器的其他相关联的特征，例如抛油环和散射器。

尽管压缩机叶轮与涡轮机叶轮之间在结构上、冶金学上以及连接上具有显著差异，但诸位发明人研究发现增加的轮毂长度还可以就防止低循环疲劳方面对涡轮机叶轮提供益处。因为涡轮壳体通常被设计成用于接纳带有平坦背部的涡轮机叶轮，并且因为常规实践是通过从该后壁的平坦区域除去材料来平衡多个涡轮机叶轮的，存在关于如何设计一个“超级背板”涡轮机叶轮的问题，该涡轮机叶轮一方面可能提供所希望的益处并且另一方面致使对本行业产生最小的破坏，例如，允许本行业继续使用常规的平衡方法，并且允许本行业对多个协作的涡轮增压器部件进行最少的再设计和再造的情况下结合到涡轮机壳体的可供使用的线路中。

最初的涡轮机叶轮超级背板的设计在一个长形的焊接轮毂与该涡轮机叶轮的平坦后壁之间提供了一个总体上呈锥形的过渡（图2）。这种涡轮机叶轮超级背板设计进行了商业测试并且被发现是满足期望的。尽管如此，诸位发明人还是进行了研究以便看出是否可以实现更大的改进。诸位发明人考虑了不同的合金、机械表面处理、化学表面处理、涂料、热处理以及其他多种选择。

发明概述

出人意料地发现进一步提高涡轮机叶轮的抗低循环疲劳性能不在于复杂的、增加成本的常规技术而在于该超级背板整体设计的进一步改进。通过这个看起来小的改变，变得可能的是在没有额外支出的情况下提供一个通过常规可供使用的技术能够继续容易地平衡而不易受应力和低循环疲劳故障影响的涡轮机叶轮。

本发明是通过一个涡轮增压器的涡轮机叶轮实现的，该涡轮机叶轮具有一个超级背板后壁，其特征为在焊接轮毂与平坦后壁区域之间的一个锥形区域，其中该超级背板后壁在截面上是由一个三角形限定的，该三角形的边是由源于该旋转轴线（1）的线、该后壁的平面区域的线（L1）以及描述该锥体的表面的线（L2）组成的，其中描述该锥体表面的线（L2）与定义该后壁平面区域的线（L1）相交于一点，该点位于轴线（1）与涡轮机叶轮外径之间的距离的50%和90%之间，其中该三角形的源于该旋转轴线的边的长度至少是该涡轮机叶轮的该直径的2%，其中在该锥形区域与该平坦后壁区域之间的过渡是通过一个圆弧描述的，该圆弧具有对应于该涡轮机叶轮的直径的至少10%的半径，优选是该涡轮机叶轮的直径的至少15%，最优选是该涡轮机叶轮的直径的20%与30%之间。