具有噪聲控制的渦輪增壓器葉輪的製作方法

2023-07-09 09:59:36 1

具有噪聲控制的渦輪增壓器葉輪的製作方法
【專利摘要】本發明涉及具有噪聲控制的渦輪增壓器葉輪。渦輪增壓器渦輪葉輪包括一個輪轂和多個葉片。輪轂的質心和多個葉片的質心都在旋轉軸線上。葉片圓周地間隔開，使得它們是旋轉地不對稱的。每對連續的葉片以間隔角度為特徵。與旋轉軸線相交並正交於旋轉軸線的線限定對稱面，並且間隔角度橫跨對稱面是對稱的。
【專利說明】具有噪聲控制的渦輪增壓器葉輪
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用於渦輪增壓器的葉輪，更具體地涉及一種汽車渦輪增壓器葉輪，其具有以限制可聽範圍內的噪聲的生成的角度間隔開的葉片。
【背景技術】
[0002]徑流式汽車渦輪機通常配置有入口蝸殼，廢氣流在該入口蝸殼中盤旋，以驅動渦輪機葉輪的葉片。在圍繞其中排氣流首先對渦輪機葉輪放開的蝸殼的位置，存在其中葉片從緊靠周圍的蝸殼壁轉到遠離蝸殼壁的結構特徵。由於該特徵在截面中的外觀，所以有時它被稱為舌部。
[0003]汽車渦輪增壓器常常具有大約七到十八個渦輪機葉片。在較低的葉片數量範圍內，並且在典型的渦輪機旋轉速率時，葉片可以在人類可聽範圍內的頻率經過舌部。這產生不合需要的嗡嗡噪聲。
[0004]該問題的一個解決方案是增加葉片的數量，諸如對於較小的汽車渦輪增壓器從十一到十三個葉片。這使葉片在典型的操作速度時以高於人類可聽範圍的頻率經過舌部。不幸的是，葉片數量的增加可導致數個不合需要的後果。例如，葉片的增加可導致製造更昂貴的葉輪(由於材料的增加和由於加工成本的增加)。此外，由於在每個葉片的基部存在較小空間用於圓角，所以葉片支撐被削弱，導致不太耐用的渦輪機葉輪。此外，由於葉輪可能具有較大的轉動慣量，所以諸如在發動機瞬態操作狀況期間對排氣壓力的變化不太響應。
[0005]存在對耐用的有成本效益的渦輪機葉輪的需求，其使不合需要的噪聲最小。本發明的優選實施例滿足這些及其他的需求，並提供另外的相關的優點。

【發明內容】

[0006]在各種實施例中，本發明解決上述需求中的有些或全部需求，以提供使不合需要的噪聲最小的耐用的有成本效益的渦輪機葉輪。
[0007]用作轉子組的一部分的渦輪增壓器葉輪，例如渦輪機葉輪，包括一個輪轂和多個葉片。渦輪機葉輪的特徵在於具有限定旋轉軸線的線。輪轂的質心(「CM」)和多個葉片的CM在旋轉軸線上。多個葉片圍繞輪轂圓周地間隔開，使得葉片圍繞旋轉軸線旋轉地不對稱。有利地，該不對稱將葉片經過蝸殼舌部所生成的聲能散布在一個範圍的不同頻率上，從而減少在任何一個頻率處的聲能。這反過來提供了汽車渦輪機葉輪用比可能另外地對於旋轉對稱的葉片想要的更少的葉片製成，該旋轉對稱的葉片將聲能集中在人類可聽到的頻率。
[0008]每對連續的葉片以該對連續的葉片之間的間隔角度為特徵。可迭代地計算滿足所有要求的一組間隔角度。在另外的特徵中，渦輪增壓器葉輪，例如渦輪機葉輪，以第二條線為特徵，該第二條線與限定旋轉軸線的線相交並正交於該線。限定旋轉軸線的線和第二條線通過沿著平面延伸並被包含在平面內來限定對稱面，並且多個葉片的間隔角度橫跨對稱面是對稱的。有利地，該平面對稱提供利用顯著減少的變量數以及因此減少的計算次數來迭代計算角度。[0009]結合作為示例圖示本發明的原理的附圖，本發明的其他特徵和優點將從優選實施例的以下詳細說明變得顯而易見。如以下陳述以使得人們能夠建立並使用本發明的實施例的，特定的優選實施例的詳細說明不用於限制枚舉的權利要求，而是它們確定為用作要求保護的本發明的特定示例。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是根據本發明的渦輪增壓內燃機的實施例的系統視圖。
[0011]圖2是用於圖1所描繪的渦輪增壓內燃機的渦輪機的橫截面視圖。
[0012]圖3是具有對稱平面的一組葉片間隔角度的描繪。
[0013]圖4是設計和產生用於產生渦輪增壓器葉輪的渦輪增壓器葉輪加工的方法的實施例。
[0014]圖5是一組葉片的旋轉中心與CM之間的偏移的描繪。
[0015]圖6是具有對稱平面並具有奇數個葉片的一組葉片間隔角度的描繪。
[0016]圖7是具有對稱平面並具有偶數個葉片的一組葉片間隔角度的描繪。
【具體實施方式】
[0017]通過參考以下應與附圖一起閱讀的詳細說明可更好地理解以上概括的並由枚舉的權利要求限定的本發明。本發明的特定優選實施例的該詳細說明，在下面被陳述以使人們能夠建立並使用本發明的特定實現，不用於限制枚舉的權利要求，而是其用於提供它們的特定示例。
[0018]本發明的典型實施例在於配備有內燃機(「ICE」)和渦輪增壓器的機動車輛。渦輪增壓器配備有以獨特葉片構造為特徵的渦輪機葉輪，該獨特葉片構造提供耐用性、低的轉動慣性矩和在人類聽覺範圍內的安靜操作。
[0019]參考圖1，具有徑流式渦輪機和離心式壓縮機的渦輪增壓器101的典型實施例包括渦輪增壓器殼體和轉子組，該轉子組構造成在推力軸承和兩組軸頸軸承(一組用於一個相應的轉子葉輪)上、或者替代性地在其他相似的支撐軸承上於渦輪增壓器操作期間圍繞旋轉軸線103在渦輪增壓器殼體內旋轉。渦輪增壓器殼體包括渦輪機殼體105、壓縮機殼體107和軸承殼體109 (即，包含軸承的中心殼體)，該軸承殼體109將渦輪機殼體連接至壓縮機殼體。轉子組包括:徑流式渦輪機葉輪111，其大致位於渦輪機殼體內；離心式壓縮機葉輪113，其大致位於壓縮機殼體內；和軸115，其沿著旋轉軸線延伸通過軸承殼體，以將渦輪機葉輪連接至壓縮機葉輪。
[0020]渦輪機殼體105和渦輪機葉輪111形成渦輪機，該渦輪機構造成從發動機、例如從內燃機125的排氣歧管123圓周地接收高溫高壓廢氣流121。渦輪機葉輪(以及從而轉子組)由高溫高壓廢氣流驅動圍繞旋轉軸線103旋轉，該高溫高壓廢氣流變成低溫低壓廢氣流127並被軸向地釋放到排氣系統(未示出)中。
[0021]壓縮機殼體107和壓縮機葉輪113形成壓縮機級。由廢氣驅動的渦輪機葉輪111驅動旋轉的壓縮機葉輪構造成將軸向接收的輸入空氣(例如，環境空氣131，或者來自多級壓縮機中的前一級的已加壓空氣)壓縮成加壓空氣流133，該加壓空氣流133從壓縮機被周向地排出。由於壓縮過程，所以加壓空氣流以高於輸入空氣的溫度的提高的溫度為特徵。[0022]可選擇地，加壓空氣流可被引導通過對流冷卻增壓空氣冷卻器135，該對流冷卻增壓空氣冷卻器135構造成從加壓空氣流耗散熱，以提高其密度。所得到的冷卻加壓的輸出空氣流137被引導到內燃機上的進氣歧管139，或者替代性地被引導到後一級的串聯壓縮機中。系統的操作由經由通信連接而連接至系統的其餘部分的ECU151 (發動機控制單元)控制。
[0023]渦輪機
參考圖1和2，渦輪機殼體105形成通向主渦形通路219的廢氣進入通路217，該廢氣進入通路217構造成在與轉子組旋轉軸線103正交並從轉子組旋轉軸線103徑向偏移的方向上從發動機接收廢氣流。主渦形通路大致形成會聚通路，該會聚通路向內螺旋並會聚成足以使廢氣223加速，以漏鬥狀地將該廢氣223引導成撞擊渦輪增壓器渦輪機葉片231的軸向上遊端275，然後穿過葉片之間的間隙。
[0024]在廢氣進入通路217通向主渦形通路219的位置，存在以當在圖2的橫截面中(即，與轉子組旋轉軸線103正交)觀察時的舌狀形狀為特徵的結構。更具體地，舌部235的結構呈現為具有尖端的突出物。
[0025]對於典型的汽車渦輪增壓器合乎需要的是具有大約十一個渦輪機葉片231，並且常常具有在12mm與75mm之間的半徑。在典型的十一個葉片的汽車渦輪機內，並且在典型的汽車渦輪機旋轉速率時，葉片在人類可聽範圍內的頻率經過舌部235。這產生不合需要的嗡嗡噪聲。
[0026]根據本發明的第一實施例，作為轉子組的一部分的渦輪機葉片111以限定旋轉軸線103的線(即，軸線 與該線共線)為特徵。渦輪機葉輪可包括旋轉對稱的輪轂241 (可能以圍繞轉子旋轉軸線的球形對稱為特徵)。渦輪機輪轂支撐多個葉片。輪轂的質心(「CM」)在旋轉軸線上，並且多個葉片的CM同樣在旋轉軸線上。
[0027]不同於現有技術的渦輪機葉輪，多個葉片231以變化的角度圍繞輪轂圓周地隔開，使得葉片圍繞旋轉軸線103旋轉地不對稱。對該申請來說，應理解的是，術語「旋轉地不對稱」被定義為意味著葉輪不能圍繞旋轉軸線(以除了 360度的整數倍之外的任何量)旋轉至結構大致相同(即，在功能合理的測量公差水平內相同)的位置。
[0028]在該特定的實施例中，渦輪機葉輪111僅由輪轂241和多個葉片231組成，並且輪轂圍繞轉子組旋轉軸線旋轉地對稱。應理解的是，葉片包括將葉片根應力分布到輪轂的圓角。
[0029]參考圖1至3，為了使葉片231旋轉地不對稱，每對連續的葉片的特徵在於具有在該對連續的葉片之間的間隔角度301 Sn。間隔角度可從連續葉片上的任何參考點(即，任何軸向、徑向和圓周位置)開始測量，只要從每個葉片上的相同參考點起一致地進行即可。例如，可從葉片的前緣起測量間隔角度，其中在每個葉片上前緣連接至輪轂。替代性地，可從每個葉片的CM起測量間隔角度，這可簡化整組葉片的CM的計算。間隔角度SnF會以產生旋轉對稱的圖案周期性地改變。
[0030]避免葉輪111 (以及，更具體地，葉片231)的旋轉對稱並且還具有在轉子組旋轉軸線103上的CM的該組間隔角度301的計算是複雜的數學問題。可通過允許葉片的間隔具有對稱面而基本上簡化該問題。更具體地，渦輪機葉輪(以及，更具體地，多個渦輪機葉片)以第二條線303為特徵，該第二條線303與限定轉子旋轉軸線103的線正交並相交。旋轉軸線和第二條線通過沿著平面延伸並被包含在平面內來限定對稱面，並且多個葉片的間隔角度橫跨對稱面是對稱的(即，如圖3所指示的，它們是鏡像的)。在一個間隔角度橫跨對稱面延伸的情況下，它被平面二等分，使得該間隔角度的一半在平面的每一側上。
[0031]如先前所指示地，該問題的現有技術的解決方案是將葉片的數量增加至嗡聲頻率在人類聽覺範圍外的點(例如，高於20，OOOHz)。該解決方案的缺點之一是葉片擁擠限制了圓角的尺寸，並因此限制葉片根應力的散布。因此，對於使嗡嗡聲在人類聽覺範圍外所需的最少葉片數量(例如，13)和可能較大的數量(例如，18)，優選地至少將葉片間隔角度301Sn限制到均勻隔開的葉片之間的葉片間隔的最小尺寸，只要葉片根應力在可接受的水平內即可。如以上所暗示地，找到一系列良好的葉片間隔角度301的問題是困難的優化問題。該問題可通過利用迭代的計算機化軟體系統解決。該系統被編程以實現一種設計和產生用於產生具有η個不對稱隔開的葉片和旋轉軸線的渦輪機葉輪的渦輪機葉輪加工的方法。
[0032]參考圖3至5，多個步驟被認為用以提供設計和產生用於產生具有η個不對稱隔開的葉片和旋轉軸線的渦輪增壓器葉輪的渦輪增壓器葉輪加工的方法。必須首先確立葉片的數量和對於每對連續的葉片的初始間隔角度SIN。葉片的數量典型地基於諸如渦輪機的預期操作速度的所期望的渦輪機參數和空氣動力學的考慮因素由設計團隊選擇。可以各種不同的方式設定初始間隔角度。例如，平均間隔角度可隨機改變，或者設計團隊可任意地選擇數量。典型地，合乎需要的是，使用 從一個葉片間隔角度到下一葉片間隔角度顯著改變的初始間隔角度301的值。對此的一個例外是對於具有奇數個葉片的葉輪和在兩個連續的間隔角度之間的線上的對稱面，其中，在該平面的緊鄰相對側上的間隔角度將固有地相同。
[0033]接下來，在計算機上運行迭代優化電腦程式403。程序構造成利用以下步驟解決受約束的優化問題:(I)計算整組葉輪231或整個葉輪111的質心501 (B卩，表示葉片關於轉子旋轉軸線的CM的CM) 405 ；⑵迭代地調整間隔角度407，使得計算的質心與葉輪旋轉軸線之間的距離減小，並且間隔角度根據一組一個或多個約束條件和目標變量而改變，以便限制在人類可聽到的任何一個頻率處產生的聲能；和(3)繼續迭代409，直到計算的CM有效地在旋轉軸線上，並且使連續的間隔角度的變化優化，以便以連續的次序確立一組最終的間隔角度Sf為止。由於為計算機編製程序以迭代地優化變量的領域是已知的，所以不需要優化電腦程式的更多細節。
[0034]計算的質心與葉輪旋轉軸線之間的距離是相對直接的計算。然而，各種不同的約束條件和/或目標變量可用於限制在任何一個頻率處生成的聲能。每組一個或多個約束條件和目標變量具有強度和弱點，諸如在表示最優聲學解決方案中需要的計算時間和/或精度。這樣的約束條件和目標變量可包括連續的葉片角度的比較和所有葉片角度相互的比較，以及其它選項。
[0035]作為上述第一類型的約束和目標變量的示例，在葉片角度被約束在最小和最大角度內的同時，可使用的目標變量使每個連續的葉片角度的變化最大。作為上述第二類型的約束條件和目標變量的示例，在葉片角度被約束在最小與最大角度之間的同時，可使該組所有葉片角度的標準偏差最大。
[0036]對該申請來說，當優化電腦程式迭代地達到目標變量的最優水平時，連續的間隔角度的變化被認為是最優化的(例如，每對連續的葉片角度的變化被最大化)。應指出的是，當使用不同的約束和/或目標角度時，優化的間隔角度可能是不同的。可使用的其他目標變量包括:目標標準偏差水平(而不是最大值)、目標角度變化(而不是最大值)、在某一範圍內的角度變化等。
[0037]迭代調整間隔角度的步驟407優選地通過增大連續的間隔角度的變化而進行。應指出的是，可使用各種技術，以確立連續的間隔角度的變化水平。例如，可計算每對連續的間隔角度之間的差的絕對值的和。該數越大，則被認為在所有這樣的連續間隔角度之間的變化越大。
[0038]應指出的是，在解決方案的迭代期間，除非間隔角度被認為是每個葉片的CM之間的間隔，否則不將CM限制於對稱面。
[0039]一旦優化程序以連續次序確立一組最終間隔角度Sf，就形成加工411。加工構造成產生可用於產生以具有連續次序的該組最終間隔角度Sf為特徵的渦輪機葉輪的空隙。
[0040]如以上所討論的，當葉片間隔角度橫跨對稱面是對稱的時，優化問題被簡化。為了實施它，在確立初始間隔角度的步驟401中,初始間隔角度Sin被選擇為橫跨對稱面是對稱的421，該對稱面包含限定旋轉軸線的線並部分地由限定旋轉軸線的線限定。另外，在運行迭代優化電腦程式的步驟403中，間隔角度的迭代調整維持間隔角度橫跨對稱面的對稱423。有利地，這減少了變量的數量。
[0041]如先前所討論地，優選的是設定考慮到良好的機械和空氣動力學特性的最小間隔角度。因此，在迭代地調整間隔角度的步驟中，將每個間隔角度約束為大於最小間隔角度Smin，例如20.0或27.7度(與均勻間隔開的葉片的18或13個葉片的間隔對應)。
[0042]參考圖6和7，應指出的是，可對於奇數個葉片或偶數個葉片實現利用對稱面的計算簡化的程序。如圖6所示，為了提供奇數個葉片，考慮第一葉片601的參考點在對稱面303上，並且在葉輪的相對側上的相對的間隔角度603被對稱面二等分。這樣做的一個副作用是(在第一葉片的任一側上)具有相同的兩個相鄰的葉片間隔角度。如圖7所示，為了提供偶數個葉片，考慮沒有葉片參考點在對稱面上，並且在葉輪的相對側上的兩個相對的間隔角度701每個都被對稱面二等分。在任一情況下，不需要為了 CM計算的目的使用被平分的角度中的一個，但優選的是將其用於間隔角度變化計算。
[0043]應理解的是，本發明包括用於設計和用於生產渦輪機葉片的設備和方法，以及渦輪機葉片的設備本身。這些實施例的替代變化可包括其他類型的葉片構造。此外，儘管本發明被描述成用於渦輪機葉輪，但壓縮機葉輪同樣可在本發明的範圍內，然而可能存在較大的流動不穩定問題的風險。總之，在本發明的預期範圍內，以上公開的特徵可在各種各樣的構造中被結合。
[0044]儘管已圖示並描述了本發明的特定形式，但顯而易見的是，在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可作出各種變型。因此，儘管僅參考優選實施例詳細描述了本發明，但本領域的技術人員應意識到的是，在不偏離本發明的範圍的情況下可作出各種變型。因此，本發明確定為不受以上討論限制，並且參考所附的權利要求被限定。
【權利要求】
1.一種供轉子組使用的渦輪增壓器葉輪，包括: 輪轂；以及 多個葉片； 其中，所述渦輪增壓器葉輪的特徵在於具有旋轉軸線； 其中，所述輪轂的質心在所述旋轉軸線上； 其中，所述多個葉片的質心在所述旋轉軸線上；並且 其中，所述多個葉片圍繞所述輪轂圓周地間隔開，使得所述多個葉片是圍繞所述旋轉軸線旋轉地不對稱的。
2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器葉輪，其中，所述葉輪僅由所述輪轂和所述多個葉片組成，並且其中，所述輪轂是旋轉地對稱的。
3.根據權利要求1所述的渦輪增壓器葉輪，其中: 所述多個葉片的每對連續的葉片的特徵在於具有在所述對連續的葉片之間的間隔角度； 對稱面部分地由所述旋轉軸線限定，所述旋轉軸線沿著所述對稱面延伸；並且 所述多個葉片的所述 間隔角度橫跨所述對稱面是對稱的。
4.根據權利要求1所述的渦輪增壓器葉輪，其中，所述葉輪具有12_與75_之間的半徑。
5.根據權利要求4所述的渦輪增壓器葉輪，其中: 所述每對連續的葉片的特徵在於具有在所述對連續的葉片之間的間隔角度；並且 所述每個間隔角度大於20.0度。
6.根據權利要求1所述的渦輪增壓器葉輪，其中: 所述每對連續的葉片的特徵在於具有在所述對連續的葉片之間的間隔角度；並且 所述每個間隔角度大於20.0度。
7.一種設計和產生用於產生具有η個葉片和旋轉軸線的渦輪增壓器葉輪的渦輪增壓器葉輪加工的方法，包括: 為每對連續的葉片確立初始間隔角度Sin ； 在計算機上運行迭代優化電腦程式，所述程序構造成利用以下步驟解決優化問題: 計算表示所述多個葉片關於所述旋轉軸線的質心的質心， 迭代地調整所述間隔角度，使得所述計算的質心與所述葉輪轉子旋轉軸線之間的距離減小，並且所述間隔角度改變成足以限制在人類可聽到的任何一個頻率處產生的聲能；和繼續所述迭代，直到所述計算的質心實際上在所述旋轉軸線上，並且使所述間隔角度的變化最優化以便以連續的次序確立一組最終的間隔角度Sf ;以及 一旦所述優化程序已經確立一組最終間隔角度Sf，就形成加工，所述加工構造成產生可用於產生以具有連續次序的該組最終間隔角度Sf為特徵的渦輪增壓器葉輪的空隙。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，在繼續所述迭代的步驟中，迭代地調整所述間隔角度，使得所述連續的間隔角度的變化最優化。
9.根據權利要求7所述的方法，其中: 在確立的步驟中，所述初始間隔角度Sin被選擇為橫跨部分地由所述旋轉軸線限定的對稱面是對稱的，所述旋轉軸線沿著所述對稱面延伸；以及在運行迭代優化電腦程式的步驟中，所述間隔角度的迭代調整維持所述間隔角度橫跨所述對稱面的對稱。
10.根據權利要求9所述的方法，其中，在繼續所述迭代的步驟中，迭代地調整所述間隔角度，使得所述連續的間隔角度的變化最優化。
11.根據權利要求7所述的方法，其中，所述每個間隔角度被約束為大於最小間隔角度Smin。
12.根據權利要 求11所述的方法，其中，所述最小間隔角度Smin為20.0度。
【文檔編號】F01D5/14GK104018886SQ201410061139
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年2月24日 優先權日:2013年2月25日
【發明者】W.J.史密斯, A.穆罕默德, W.馬加爾黑斯 申請人:霍尼韋爾國際公司