專利名稱：徑流式渦輪機(jī)葉輪的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種徑流式渦輪機(jī)葉輪，尤其是，涉及一種可以限制由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)張的渦輪機(jī)葉輪，同時(shí)提高了渦輪機(jī)的效率。
背景技術(shù)：
通常，燃?xì)廨啓C(jī)通過一種由一個(gè)燃燒器的燃燒過程產(chǎn)生的高溫高壓的膨脹的工作流體獲得動(dòng)力，從而驅(qū)動(dòng)一個(gè)與該燃?xì)廨啓C(jī)同軸連接的壓縮機(jī)。被壓縮機(jī)壓縮的高壓氣體被供給到一個(gè)內(nèi)燃機(jī)的燃燒缸或者燃燒電池。
圖1為一個(gè)通過燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)的常規(guī)渦輪增壓器的剖視圖。參照圖1，在一個(gè)連接到渦輪增壓器上的內(nèi)燃機(jī)(沒有顯示)的工作過程中，排氣F首先流入渦輪機(jī)的一個(gè)螺旋形流入腔6。排氣F在流入腔6中加速，并且流入到渦輪機(jī)葉輪30。排氣F在渦輪機(jī)葉輪30中膨脹，因此產(chǎn)生一個(gè)輸出，用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸5以及一個(gè)壓縮機(jī)葉輪4。壓縮機(jī)葉輪4壓縮空氣A從而把壓縮空氣供給一個(gè)燃燒缸(沒有顯示)。附圖標(biāo)記C表示旋轉(zhuǎn)軸5的一條中心線。
圖2示出了一種傳統(tǒng)的徑流式渦輪機(jī)葉輪30，該渦輪機(jī)葉輪包括一個(gè)輪轂10以及多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂10形成的渦輪機(jī)葉片20。流入渦輪機(jī)葉輪30的排氣F沿著渦輪機(jī)葉片20流動(dòng)。在該過程中，渦輪機(jī)葉片20在一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向上被排氣F推動(dòng)，從而使渦輪機(jī)葉輪30旋轉(zhuǎn)。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，為了降低燃?xì)廨啓C(jī)的熱應(yīng)力以及重量，渦輪機(jī)葉片20之間的一個(gè)所需部分被切除從而形成扇形凹口60。因此，渦輪機(jī)葉片之間的輪轂后周邊10a具有一個(gè)向內(nèi)的凹陷狀。
然而，這樣的扇形凹口60的過多的形成會(huì)導(dǎo)致渦輪機(jī)效率的惡化。尤其是，參照圖3，當(dāng)扇形凹口被過多的形成(也就是說，周邊10a的一個(gè)外半徑R2相對于渦輪機(jī)葉片20的外半徑R1被顯著地減小)，通過一個(gè)路徑流入渦輪機(jī)葉輪30的排氣可能會(huì)與周邊10a碰撞(用F1表示)或者會(huì)通過渦輪機(jī)葉輪30和壁15之間的間隙朝著后部區(qū)域B泄漏(用F2表示)。因此與周邊10a碰撞的或者朝著后部區(qū)域B泄漏的排氣不會(huì)作為能量來驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪30，因而具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)損失，這將惡化渦輪機(jī)的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以改善渦輪機(jī)效率的徑流式渦輪機(jī)葉輪。
同樣地，本發(fā)明還提供一種可以限制由于熱應(yīng)力而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)張的徑流式渦輪機(jī)葉輪。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種徑流式渦輪機(jī)葉輪，包括一個(gè)輪轂，該輪轂具有從前端向后端逐漸增大的外半徑，在一個(gè)與中心軸線相垂直的平面內(nèi)徑向延伸的輪轂的后周邊；以及多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂形成的渦輪機(jī)葉片，其中通過在渦輪機(jī)葉片之間的輪轂的后周邊處向內(nèi)切割而形成多個(gè)狹縫。
狹縫可以具有一個(gè)圓形的內(nèi)端部。狹縫具有至少3mm的深度。
輪轂的后周邊可在渦輪機(jī)葉片之間具有一個(gè)向內(nèi)的凹陷狀。周邊最靠內(nèi)處的外半徑至少為渦輪機(jī)葉片外半徑的75％。


本發(fā)明上述的和其它的特征和優(yōu)點(diǎn)將通過對具體實(shí)施例的詳細(xì)描述和參照附圖變得更清楚，其中圖1為傳統(tǒng)渦輪增壓器的示意剖視圖；圖2為傳統(tǒng)渦輪機(jī)的部分透視圖；圖3為圖2所示渦輪機(jī)的示意剖視圖；圖4為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的渦輪機(jī)葉輪的透視圖；圖5為圖4中所示渦輪機(jī)葉輪的后視圖；
圖6為應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋尺寸變化的圖表；圖7為裂紋尺寸隨著渦輪機(jī)葉輪循環(huán)次數(shù)變化的圖表；圖8為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的渦輪機(jī)葉輪的透視圖；以及圖9為圖8中所示渦輪機(jī)葉輪的后視圖。
發(fā)明的詳細(xì)描述下面將參照附圖詳細(xì)地描述根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的一個(gè)徑流式渦輪機(jī)。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的渦輪機(jī)葉輪130。參照圖4，渦輪機(jī)葉輪130包括一個(gè)輪轂110和多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂110形成的渦輪機(jī)葉片120。
輪轂110具有從前端向后端逐漸增大的外半徑。輪轂110包括在一個(gè)垂直于中心軸線C的平面內(nèi)徑向延伸的后側(cè)周邊110a(此后稱之為后周邊)。一根用于支撐渦輪機(jī)葉輪130的旋轉(zhuǎn)軸(沒有顯示)被插入到輪轂110的中心，旋轉(zhuǎn)動(dòng)能通過旋轉(zhuǎn)軸從渦輪機(jī)葉輪130傳遞到與旋轉(zhuǎn)軸同軸連接的壓縮機(jī)葉輪上。輪轂110支撐多個(gè)圍繞輪轂形成的渦輪機(jī)葉片120。
渦輪機(jī)葉片120把排氣的壓力能轉(zhuǎn)化為渦輪機(jī)葉輪的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能。為了有效地把排氣的壓力能轉(zhuǎn)化到渦輪機(jī)葉輪130上，渦輪機(jī)葉片120在圓周方向上具有所需的曲率，如附圖所示。
扇形凹口(scallop)160形成在渦輪機(jī)葉片120之間，因此輪轂的后周邊形成一個(gè)向內(nèi)的凹陷狀。這樣的扇形凹口160可以通過切割輪轂后部的所需部分形成。通過切割輪轂后部的直接與從燃燒室排出的熱氣體相接觸的部分可以降低熱應(yīng)力，因此阻止由于熱應(yīng)力所導(dǎo)致的裂紋的產(chǎn)生。
支撐渦輪機(jī)葉輪130的旋轉(zhuǎn)軸可能承受由于渦輪機(jī)葉輪130重量的彎曲變形，或者由于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的過程中所產(chǎn)生的離心力(慣性力矩)的彎曲振動(dòng)。彎曲變形或者彎曲振動(dòng)導(dǎo)致對旋轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力。渦輪機(jī)葉輪130的重量通過該實(shí)施例中的扇形凹口被減少從而降低了施加到旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)力。
優(yōu)選地限制扇形凹口160的尺寸在一個(gè)所需的范圍內(nèi)。參照圖5，扇形凹口160優(yōu)選地形成以至于周邊的最內(nèi)側(cè)的外半徑R2至少為渦輪機(jī)葉片外半徑R1的75％。如果扇形凹口過大，流入渦輪機(jī)葉輪的氣體可能會(huì)朝著后部區(qū)域泄漏，或者排出的氣體不能平穩(wěn)地流入渦輪機(jī)葉輪。因此，本發(fā)明可以阻止渦輪機(jī)效率的降低。
從圖4可以看出，本發(fā)明的渦輪機(jī)葉輪130具有多個(gè)狹縫(slot)150，這些狹縫向內(nèi)形成在渦輪機(jī)葉片120之間的后周邊110a上。狹縫150以固定間隔徑向形成在渦輪機(jī)葉片120之間。從圖5中可以看出，狹縫150的內(nèi)端部為一個(gè)圓形的形狀，因此施加到端部150a上的應(yīng)力被分散從而阻止由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生的裂紋。
如果狹縫150形成在排氣的燃燒熱量集中處的周邊110a上，就可以抑制由于熱應(yīng)力所導(dǎo)致的裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，該效果現(xiàn)在將參照圖4詳細(xì)地進(jìn)行描述。
在一個(gè)過渡期間中，例如渦輪機(jī)葉輪130的加速期間(也就是說，燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)期間)或者渦輪機(jī)葉輪的減速期間(也就是說，燃?xì)廨啓C(jī)的停止期間)，與排氣直接接觸的渦輪機(jī)葉輪130的后周邊110a與渦輪機(jī)葉輪中心上的輪轂110之間具有很大的溫度差。具體地，在渦輪機(jī)葉輪130的加速期間，流入渦輪機(jī)葉輪130的排氣溫度上升。因此與排氣直接接觸的周邊110a的溫度迅速地上升，但是在渦輪機(jī)葉輪130中心的輪轂110溫度上升之前需要一定的時(shí)間。因此，一個(gè)過渡溫度差在周邊110a和輪轂110之間產(chǎn)生。同樣，在渦輪機(jī)葉輪130的減速期間，流入渦輪機(jī)葉輪130的排氣溫度下降，并且與排氣直接接觸的周邊110a的溫度迅速地下降。然而，在渦輪機(jī)葉輪130的中心輪轂110處，需要一段時(shí)間輪轂110的溫度才會(huì)下降。因此，過渡溫度差發(fā)生在周邊110a和輪轂110之間。
過渡溫度差導(dǎo)致熱膨脹的不同，因此施加熱應(yīng)力(還作為一個(gè)環(huán)向應(yīng)力(hoop stress))在周邊110a上。具體是，在燃?xì)廨啓C(jī)的啟動(dòng)期間，一個(gè)超過渦輪機(jī)葉輪彈性極限的過大的壓縮應(yīng)力被施加到周邊110a上。在燃?xì)廨啓C(jī)停機(jī)期間中，一個(gè)超過該彈性極限的過大的拉伸應(yīng)力施加到周邊110a上。燃?xì)廨啓C(jī)的重復(fù)啟動(dòng)和停機(jī)導(dǎo)致熱應(yīng)力周期性地施加到渦輪機(jī)葉輪130上，因此產(chǎn)生裂紋并且縮短了渦輪機(jī)葉輪的使用壽命。如果渦輪機(jī)葉輪130具有狹縫150，那么對裂紋的抵抗力增大，并且裂紋的增長速度被降低。本發(fā)明的這種效果可以從圖6和圖7所示的計(jì)算機(jī)分析數(shù)據(jù)證實(shí)。
計(jì)算機(jī)分析通過使用有限元分析法計(jì)算出在裂紋頂端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。應(yīng)力強(qiáng)度因子為一個(gè)用于限定在裂紋端部的應(yīng)力分布的系數(shù)，其中靠近裂紋端部的一點(diǎn)上的應(yīng)力由應(yīng)力集中因子以及對裂紋端部的一點(diǎn)的位置決定。這樣的應(yīng)力集中因子的大小由裂紋的尺寸和形狀決定。
雖然在附圖中沒有顯示，計(jì)算機(jī)分析使用了一個(gè)有限元模型，該模型具有從輪轂的后周邊朝著渦輪機(jī)葉片之間的輪轂的內(nèi)側(cè)切割的裂紋以及扇形凹口。作為參考，有限元分析法可以計(jì)算應(yīng)力強(qiáng)度因子，而不會(huì)受到裂紋形狀的限制。在一定的載荷條件下輸入的渦輪機(jī)葉輪應(yīng)力分布可以從一個(gè)在過渡狀態(tài)下的溫度分布的分析結(jié)果獲得。尤其是，渦輪機(jī)葉輪的溫度分布可以通過對從啟動(dòng)到停機(jī)過程中的渦輪機(jī)葉輪的溫度分布分析獲得，并且計(jì)算應(yīng)力分布被疊加到載荷條件下。
圖6示出了應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂紋尺寸的變化。參照圖6，如果裂紋尺寸小于3mm，那么隨裂紋的尺寸增大，應(yīng)力強(qiáng)度因子也增大。然而，如果裂紋的尺寸大于3mm，則隨裂紋尺寸增大，應(yīng)力強(qiáng)度因子減小。應(yīng)力強(qiáng)度因子的減小表示作用在裂紋端部的應(yīng)力的減小從而減低裂紋的增長速度，優(yōu)選地，在圖6中所示的分析結(jié)果的基礎(chǔ)上從周邊向內(nèi)的狹縫的切割深度‘d’(圖5)被設(shè)計(jì)為至少為3mm以上。
裂紋的擴(kuò)張可以通過下述的巴黎(Paris)方程式計(jì)算，該方程式為一個(gè)偏微分方程式(疲勞設(shè)計(jì)機(jī)器部件的壽命，Eliahu Zahavi，CRC Press，pp.163-166，1996)。
dαdN=C×(ΔKm)]]>其中， 為一個(gè)循環(huán)變化中的裂紋尺寸的變量，其中循環(huán)表示渦輪機(jī)葉輪的從啟動(dòng)到停機(jī)的一系列操作過程。還有，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子的變量，應(yīng)力強(qiáng)度因子相對于裂紋尺寸的變量值可以從圖6所示的結(jié)果獲得。此外，C和m為常量，它們可以從試驗(yàn)的測試結(jié)果獲得。
對于每一個(gè)循環(huán)的裂紋尺寸可以通過對巴黎方程式求積分進(jìn)行計(jì)算，該結(jié)果顯示在圖7中。一個(gè)初始的狀態(tài)被設(shè)想為在運(yùn)行300循環(huán)之后初始的裂紋尺寸為0.5mm，其中裂紋的通常產(chǎn)生狀態(tài)得到了反映。
參照圖7，當(dāng)循環(huán)增加時(shí)，也就是說，裂紋增長，裂紋的增長速度被降低。尤其是，裂紋在300循環(huán)至900循環(huán)中迅速增長。當(dāng)裂紋的尺寸在900循環(huán)時(shí)變?yōu)?mm。當(dāng)高于900循環(huán)(也就是說，裂紋的尺寸大于5mm)，裂紋的增長速度降低。尤其是，在5000循環(huán)后，裂紋尺寸到達(dá)8.6mm，裂紋的增長速度被顯著地降低。因此，當(dāng)裂紋的尺寸被保持在一個(gè)不變的水平。從上述的分析結(jié)果可以清楚地看出當(dāng)裂紋尺寸大于一個(gè)給定值時(shí)，裂紋的增長速度降低。根據(jù)本發(fā)明，狹縫的切割深度‘d’(圖5)可以在圖7所示的分析結(jié)果上決定。在裂紋的尺寸為5mm的基礎(chǔ)上，裂紋的增長速度開始降低。優(yōu)選地，狹縫的切割深度‘d’為5mm以上。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的渦輪機(jī)葉輪。參照圖8，渦輪機(jī)葉輪230包括一個(gè)接收旋轉(zhuǎn)軸(沒有顯示)的輪轂210，多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂210形成的渦輪機(jī)葉片220。輪轂210還包括多個(gè)在后周邊210a向內(nèi)形成的狹縫250。狹縫250的切割深度‘d’(圖9)以及狹縫端部250a的圓形形狀基本上與第一實(shí)施例中的相同，因此不再重復(fù)描述。
第二實(shí)施例的一個(gè)特征在于扇形凹口沒有形成在渦輪機(jī)葉片之間，這與第一實(shí)施例不同。換句話說，輪轂210的后周邊210a形成一個(gè)光滑的形狀，因此流入渦輪機(jī)葉輪230的排氣不會(huì)泄漏到一個(gè)后部區(qū)域或者排氣流入部分的擾動(dòng)被降低(參見圖3)，因此改善了渦輪機(jī)葉輪230的工作效率。
通過上述的描述，本發(fā)明的徑流式渦輪機(jī)葉輪可以獲得下述的效果
徑流式渦輪機(jī)葉輪限制扇形凹口在一個(gè)所需的尺寸，以便阻止流入渦輪機(jī)葉輪的排氣的泄漏或者在流入部分的擾動(dòng)。因此，可以阻止渦輪機(jī)效率的下降并且期望增大渦輪機(jī)的工作效率。
此外，徑流式渦輪機(jī)葉輪具有向內(nèi)的切割狹縫，因此抑制由于熱應(yīng)力所導(dǎo)致的裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張。尤其是，本發(fā)明所提供的在狹縫切割深度上的特殊設(shè)計(jì)可以最大程度地抑制裂紋。
雖然本發(fā)明參照渦輪增壓器進(jìn)行了描述，本發(fā)明的特征不僅限于此。本發(fā)明可以應(yīng)用到一個(gè)用于燃料電池或者輔助電力單元上的空氣供給單元上。
當(dāng)本發(fā)明參照附圖中所示的具體實(shí)施例被具體圖示并描述時(shí)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解的是，可以在形式上和細(xì)節(jié)上進(jìn)行各種改變和修改而不會(huì)偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的精神和范圍由要求保護(hù)的內(nèi)容進(jìn)行限定。
權(quán)利要求
1.一種徑流式渦輪機(jī)葉輪，包括一個(gè)輪轂，該輪轂具有從前端向后端逐漸增大的外半徑，輪轂的后周邊在一個(gè)垂直于中心軸線的平面內(nèi)徑向延伸；以及多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂形成的渦輪機(jī)葉片，其中通過在渦輪機(jī)葉片之間的輪轂后周邊上的向內(nèi)切割形成多個(gè)狹縫。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑流式渦輪機(jī)葉輪，其中狹縫具有一個(gè)圓形的內(nèi)端部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑流式渦輪機(jī)葉輪，其中狹縫具有至少3mm的深度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑流式渦輪機(jī)葉輪，其中狹縫具有至少5mm的深度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑流式渦輪機(jī)葉輪，其中輪轂的后周邊在渦輪機(jī)葉片之間具有一個(gè)向內(nèi)的凹陷狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的徑流式渦輪機(jī)葉輪，其中周邊的最內(nèi)側(cè)的外半徑為渦輪機(jī)葉片外半徑的75％以上。
全文摘要
提供一種徑流式渦輪機(jī)葉輪。徑流式渦輪機(jī)葉輪包括一個(gè)具有從前端向后端逐漸增大的外半徑的輪轂，輪轂的后周邊在一個(gè)垂直于中心軸線的平面內(nèi)徑向延伸，多個(gè)以固定間隔圍繞輪轂形成的渦輪機(jī)葉片。多個(gè)狹縫通過在輪軸的渦輪機(jī)葉片之間的輪轂后周邊上的向內(nèi)切割形成。渦輪機(jī)葉輪限制由于熱應(yīng)力引起的裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)張，并且改善渦輪機(jī)的效率。
文檔編號(hào)F01D5/04GK1737378SQ20041009834
公開日2006年2月22日 申請日期2004年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月20日
發(fā)明者金暻熙 申請人:三星Techwin株式會(huì)社