專利名稱：一種用于渦輪增壓器的渦輪殼體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種徑流式渦輪殼體，特別是但不限于，裝在排氣渦輪增 壓器中的渦輪。
背景技術(shù)：
眾所周知，渦流增壓器是一種以高于大氣壓的壓力(增壓壓力)為內(nèi) 燃機(jī)進(jìn)氣口送空氣的裝置，其廣泛應(yīng)用于汽車及其它同類物體。圖l所示 為常規(guī)的渦輪增壓器，包括一個(gè)可旋轉(zhuǎn)地安裝于渦輪增壓器軸11 一端的
排氣驅(qū)動(dòng)徑流式渦輪葉輪IO和一個(gè)安裝于該軸另一端的壓縮機(jī)葉輪12。 葉輪10和12分別安裝在具有排氣入口 14和排氣出口 15的渦輪殼體13 和具有空氣入口 17和壓縮空氣出口蝸殼18的壓縮機(jī)殼體16中。在渦輪 殼體內(nèi)流通的排氣用于驅(qū)動(dòng)渦輪葉輪IO旋轉(zhuǎn)，并進(jìn)而帶動(dòng)壓縮機(jī)葉輪12 在其殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而將壓縮空氣送入內(nèi)燃機(jī)的吸入歧管(未顯示)，由 此增加發(fā)動(dòng)機(jī)功率。
徑流式渦輪的渦輪葉輪安裝在渦輪殼體13中(圖2為其外視圖)，從 而在渦輪葉輪10的外周和殼體內(nèi)壁之間形成一個(gè)環(huán)形通道19 (圖1)，和 一個(gè)從渦輪葉輪向外延伸的大致圓筒狀出口 15。環(huán)形通道19與形成于殼 體內(nèi)的入口管20相連，入口管在與環(huán)形通道大致相切的方向上延伸。入 口管20在其開口端有一個(gè)向外延伸的凸緣21，用于與排氣歧管連接。進(jìn) 入入口管20的排氣經(jīng)渦輪葉輪10和環(huán)形通道19流向出口 15，從而驅(qū)動(dòng) 渦輪葉輪IO。入口管20、環(huán)形通道19和出口 15的布置使得渦輪殼體具 有蝸形或螺旋形外觀。
渦輪增壓器工作期間，渦輪殼體不斷地受熱和冷卻。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)從冷卻 狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)，渦輪殼體的溫度基本上與外界一樣，但在正常運(yùn)行過程中其 溫度會(huì)急劇上升，從而導(dǎo)致殼體膨脹。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)掉后，殼體便開始冷 卻和收縮。殼體的重復(fù)膨脹和收縮使其容易產(chǎn)生熱疲勞開裂，尤其是在膨
5脹和收縮率可能不同的地方。圓角22 (圖2)是最需關(guān)注的地方之一，這
里是入口管20和蝸殼的其它部分的連接處，通常被稱作殼體的"下顎"。 因?yàn)閷?shí)際上入口管20易于從蝸殼"展開"，所以在此交叉處形成非常高的 熱應(yīng)力。
延長疲勞壽命最簡單明顯的方法就是增加"下顎"的半徑尺寸，從而 使得蝸殼和入口之間的過渡盡可能緩慢。但由于受空間局限，這種方法往 往不可行。
這種渦輪殼體通常是用帶有矩形開口的鑄模通過澆注操作形成。澆鑄 工藝會(huì)產(chǎn)生進(jìn)料凸臺(tái)23，進(jìn)料凸臺(tái)23由殼體外表面的開口形成在下顎22 附近。人們?cè)噲D用某種材料來對(duì)下顎區(qū)域進(jìn)行填充，例如在凸臺(tái)23和下 顎區(qū)域22處的入口管20外表面之間提供一個(gè)支撐筋板。這種方案可以通 過強(qiáng)化下顎區(qū)域處的殼體減少疲勞開裂，并且優(yōu)點(diǎn)在于，它還提供了一個(gè) 澆鑄"橋"，該澆鑄"橋"作為在澆鑄過程中形成入口管上的凸緣21所需 要的大量熔融材料的直接進(jìn)料路徑。但是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)所需要的材料的全 部體積導(dǎo)致引入的附加應(yīng)力，并且在有些情況下這會(huì)引起凸緣變形和受到 應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于渦輪增壓器的改進(jìn)的渦輪殼體。 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于具有旋轉(zhuǎn)軸線的徑流式渦輪
的渦輪殼體，該殼體呈大致蝸殼形狀，該殼體具有圍繞軸線延伸的基本 環(huán)形或環(huán)形部分以及從基本環(huán)形或環(huán)形部分延伸的入口管，所述入口管的 第一壁面對(duì)殼體的環(huán)形部分的一部分。該殼體還具有至少兩個(gè)間隔開的筋 板，每個(gè)筋板都從殼體的環(huán)形或基本環(huán)形部分的外表面延伸至第一壁，且 筋板之間限定凹槽。
入口管通過間隔開的筋板連接到蝸殼的其它部分，該連接在不帶來額 外熱應(yīng)力的前提下，使得殼體足夠硬以避免疲勞開裂。
要理解的是可以設(shè)置兩個(gè)以上的筋板。
筋板可以和殼體整體形成，其厚度可以從環(huán)形部分到入口管增加。延 其長度方向，筋板的厚度可以先減小，然后在與入口管連接之前會(huì)增加。它們可以在同一個(gè)方向上發(fā)散。筋板的厚度可以朝向凹槽的底部增加。 凹槽由筋板相對(duì)的表面的弓形斜面限定。 入口管的第一壁可以呈弓形。
在所述第一壁上可以具有從開口的口部延伸到凹槽底部的弓形斜面。 入口的口部可以具有向外延伸的凸緣。筋板可以連接到上述凸緣。 凸緣的外部輪廓大致呈矩形，且筋板大致鄰近該矩形的角部或在包括
該矩形的角部處與凸緣連接。
入口管的第二壁和上述第一壁相對(duì)，兩個(gè)壁具有中心凹部。凸緣也可
具有相應(yīng)的凹部。
筋板可以不具有不連續(xù)性。
筋板可以從澆鑄凸臺(tái)延伸，該凸臺(tái)限定在殼體的環(huán)形部分的外表面的 相鄰部分上。
殼體可以具有從殼體軸向延伸的出口。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提出了一種用于渦輪增壓器的徑流式渦輪， 該渦輪包括旋轉(zhuǎn)安裝于如上限定的殼體中用于沿旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)的渦輪葉 輪。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提出了一種渦輪增壓器，該渦輪增壓器包括 連接到帶有如上限定的殼體的徑流式渦輪的壓縮機(jī)。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提出了一種制造渦輪殼體的方法。該方法包 括如下步驟提供澆注模具，所述模具限定孔口，熔融材料澆入到所述孔 口內(nèi)，該模具形狀形成為形成大致蝸殼形狀的渦輪殼體，所述渦輪殼體具 有基本環(huán)形或環(huán)形部分以及從基本環(huán)形或環(huán)形部分大致成切線延伸的入 口管，該模具具有用于限定入口管的第一壁的第一表面，和第二表面，所 述第二表面用于限定殼體的環(huán)形部分的、面對(duì)入口管的第一壁的相鄰弓形 表面，其中包括構(gòu)造所述模具從而模具具有至少兩個(gè)間隔開的溝道，所述 至少兩個(gè)間隔開的溝道在第一表面和第二表面之間延伸并提供間隔開的 流動(dòng)路徑；將熔融材料通過模具孔口引入到模具內(nèi)，并使一部分材料沿所 述溝道流動(dòng)；以及使得材料固化后將固化的材料從模具中取出。


下文將結(jié)合以下附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行示例性的詳述。 附圖1是可以采用本發(fā)明的渦輪增壓器的徑向剖面圖； 附圖2是應(yīng)用于附圖1所示的渦輪增壓器的常規(guī)渦輪殼體的透視圖； 附圖3是朝向入口管看去的、根據(jù)本發(fā)明的渦輪殼體的第一實(shí)施例的
側(cè)視圖，該殼體適于應(yīng)用于附圖1中所示的渦輪增壓器； 附圖4是從附圖3所示渦輪殼體的一個(gè)側(cè)面的透視圖； 附圖5是從根據(jù)本發(fā)明的所述渦輪殼體的第二實(shí)施例的一個(gè)側(cè)面的
透視圖-,
附圖6對(duì)應(yīng)于附圖2所示的常規(guī)渦輪殼體，但是其標(biāo)示用于顯示在澆 鑄過程中材料在入口管和蝸殼的其它部分之間的流動(dòng)；以及
附圖7和8對(duì)應(yīng)于附圖3和4，但是其表示用于顯示根據(jù)本發(fā)明的、 在澆鑄過程中材料在入口管和蝸殼其它部分之間的流動(dòng)路徑。
具體實(shí)施例方式
參照附圖3和4，澆注應(yīng)用于渦輪增壓器渦輪的第一示例性渦輪殼體 30，所述渦輪殼體30具有大體蝸殼形狀，所述蝸殼形狀限定用于渦輪葉 輪(未顯示)的軸為的中心旋轉(zhuǎn)軸線X，圍繞所述軸線的環(huán)形通道31， 以及從所述環(huán)形通道大致切線延伸的入口管32。環(huán)形通道設(shè)計(jì)成以小的 間隙圍繞渦輪葉輪。圓筒形出口管33從所述殼體的一側(cè)軸向延伸并且與 所述旋轉(zhuǎn)軸線大致同軸線。
入口管32由相對(duì)的側(cè)壁34、 35限定，所述相對(duì)的側(cè)壁34， 35由相 對(duì)的前壁36和后壁37連接。側(cè)壁34、 35大致是直的且平行，而前壁36 和后壁37具有中心凹部38、 39，所述中心凹部向內(nèi)突出到由入口管32 限定的通道40內(nèi)。入口管32的開口端具有向往延伸的凸緣41，所述凸 緣41的形狀與入口管一致，從而開口在其中心的深度降低。凸緣的四個(gè) 角部具有安裝孔42，用于連接到發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管(未顯示)，渦輪增壓 器連接到所述排氣歧管。
在蝸殼的彎曲的外表面上，存在大致矩形的澆注凸臺(tái)43，所述澆注 凸臺(tái)鄰近入口管32但是與入口管32間隔開。與殼體30整體形成的一對(duì) 間隔開的筋板44，從澆注凸臺(tái)43的近角發(fā)散延伸到凸緣41，在凸緣41
8處，筋板44鄰近凸緣角部連接后壁37。每個(gè)筋板44的厚度沿朝向凸緣 41的方向增加，并且它們都向下延伸到限定在入口管和蝸殼的其它部分 之間的"下顎"區(qū)域，然后，厚度增加，從而它們限定具有弓形斜面46 的凹槽45。入口管32的后壁37和凸緣41的表面也呈弓形，從而使得凹 槽45整體看來形成一個(gè)勺狀的凹入部分。每個(gè)筋板44、入口管32的后 壁37、凸緣41和凹槽45的表面都優(yōu)選是光滑的并且沒有不連續(xù)性。
筋板44中從薄的部分到厚的部分的平滑過渡大大降低了疲勞開裂的 風(fēng)險(xiǎn)。
筋板44和中間的凹槽45用來給殼體提供附加的剛性和硬度，從而使 其能夠經(jīng)受由諸如用于可變幾何結(jié)構(gòu)渦輪的排氣閘或電致動(dòng)器等重型附 件施加的高的靜載荷和動(dòng)載荷。殼體的強(qiáng)化使得共振條件高于發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn) 速，并且通常用于不僅避免疲勞開裂，還用于避免因入口管和蝸殼的其它 部分之間的材料的熱慣性而導(dǎo)致的應(yīng)力。
附圖5描述的是該殼體的第二實(shí)施例。與附圖3和4所示的實(shí)施例相 同的部件，其標(biāo)號(hào)是在原標(biāo)號(hào)的基礎(chǔ)上加上100，除非與附圖3和4所示 實(shí)施例有所不同，這些部件將不作進(jìn)一步描述。渦輪殼體130具有一對(duì)入 口 132，其中由壁150分割入口為兩個(gè)部分。入口管132以筋板144的同 樣布置連接到蝸殼的其它部分，所述筋板144在凸緣141和澆注凸臺(tái)143 之間延伸，在筋板144之間同樣形成凹槽145。
附圖6， 7和8顯示了在模鑄過程中材料流動(dòng)的改進(jìn)。附圖6所示為 傳統(tǒng)的渦輪殼體，在附圖6中，如箭頭所示，熔融材料從圍繞蝸殼的環(huán)形 部分的澆注凸臺(tái)23流入，向下流入到下顎區(qū)域22內(nèi)，然后流經(jīng)入口管 20，流向凸緣21。應(yīng)該理解的是，為了形成相對(duì)較厚的凸緣，需要有大 量的材料，而這些材料又必須流經(jīng)形成蝸殼的模具的薄壁通道。對(duì)比而言， 參照附圖7和8，用于生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明的渦輪殼體的模具提供兩個(gè)間隔開 的、發(fā)散溝道，如箭頭所示，所述發(fā)散溝道使得材料可以從蝸殼的環(huán)形部 分的外表面上的澆注凸臺(tái)43直接流向凸緣41和入口管32的前壁36。熔 融材料引入到模具孔口內(nèi)且一部分材料沿所述溝道從所述孔口流向入口 管，從而形成圖中所示的兩個(gè)筋板44。
應(yīng)該理解的是，在不超出本發(fā)明權(quán)利要求所限定范圍的前提下，該技術(shù)方案可以做很多修改。例如，在沒有澆注凸臺(tái)的情況下，在適當(dāng)位置， 筋板可以就從殼體的彎曲表面延伸，并且筋板可以在凸緣的角部處或凸緣 的角部附近與凸緣連接。另外，要理解的是，本發(fā)明可以應(yīng)用于渦輪增壓 器以外的、在其它應(yīng)用中使用的其它徑流式渦輪。此外，可以設(shè)想實(shí)施 例中也可以有三個(gè)或更多筋板，這些筋板構(gòu)造成在相鄰筋板之間存在凹
B盡管已經(jīng)在附圖中以及前面的描述中詳盡地圖示和描述了本發(fā)明，但 是，這些附圖以及前面的描述被認(rèn)為是說明性的，而不是在文字上進(jìn)行限 定。應(yīng)該理解的是，僅僅示出和描述了優(yōu)選的實(shí)施例，并且在本發(fā)明精神 指引下所做的任何變動(dòng)和改進(jìn)均落入保護(hù)范圍。應(yīng)該理解的是，本說明書 中所采用的"優(yōu)選的"、"優(yōu)選地"、或"更優(yōu)選的"等詞語，只表示所描 述的特征可能是更適合的，但不表示該特征是必須的，且缺少該特征的實(shí) 施例也可能落入由本發(fā)明的權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍內(nèi)。權(quán)利要求書中出 現(xiàn)的"一個(gè)"、"至少一個(gè)"或"至少一部分"等詞語，均非只限定保護(hù)一 個(gè)物體，除非在權(quán)利要求中專門說明。當(dāng)使用"至少一部分"和/或"一 部分"時(shí)，物體可以包括一部分和/或整體，除非有明確的相反的意思表
權(quán)利要求
1.一種用于具有旋轉(zhuǎn)軸線的徑流式渦輪的渦輪殼體，該殼體呈大致蝸殼形狀，該殼體具有圍繞所述軸線延伸的基本環(huán)形部分以及從所述基本環(huán)形部分延伸的入口管，所述入口管的第一壁面對(duì)所述殼體的所述環(huán)形部分的外表面的一部分；至少兩個(gè)間隔開的筋板，每個(gè)筋板都從所述殼體的所述基本環(huán)形部分的外表面的一部分延伸至所述第一壁，且所述筋板之間限定凹槽。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪殼體，其中所述筋板與所述殼體的 其它部分形成為整體。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的渦輪殼體，其中所述筋板的厚度從 所述殼體的所述基本環(huán)形部分向所述入口管的所述第一壁增加。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的渦輪殼體，其中所述筋板在從 所述殼體的所述基本環(huán)形部分到所述入口管的所述第一壁的方向上發(fā)散。
5. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中所述筋板的厚度 在朝向所述凹槽的底部的方向上增加。
6. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中每個(gè)筋板包括至 少一個(gè)面對(duì)表面，且其中所述凹槽由所述筋板的所述面對(duì)表面的弓形斜面 限定。
7. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中所述入口管的所 述第一壁是弓形的。
8. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中在所述第一壁上 具有從所述入口的口部延伸至所述凹槽底部的弓形斜面。
9. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中所述入口具有口 部，所述口部具有向外延伸的凸緣。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的渦輪殼體，其中所述筋板連接到所述凸緣。
11. 根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪殼體，其中所述凸緣的輪廓大致 為矩形，且每個(gè)筋板大致鄰近所述凸緣的角部與凸緣連接。
12. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中所述入口管具有與所述第一壁相對(duì)的第二壁，所述第一壁和所述第二壁都具有中心凹部。
13. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中所述筋板不存在 不連續(xù)性。
14. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中澆注凸臺(tái)限定在 所述殼體的所述環(huán)形部分的所述外表面上。
15. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的渦輪殼體，其中所述筋板從所述澆注 凸臺(tái)延伸。
16. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，還包括從所述殼體軸向 延伸的出口。
17. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中每個(gè)筋板從所述 殼體的所述基本環(huán)形部分的所述外表面的鄰近部分延伸。
18. 根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體，其中存在多于兩個(gè)的 所述筋板和限定在所述筋板之間的多個(gè)凹槽。
19. 一種渦輪，包括設(shè)置在上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體中的渦 輪葉輪。
20. —種渦輪增壓器，包括連接到具有根據(jù)上述任一權(quán)利要求所述的渦輪殼體的渦輪的壓縮機(jī)。
21.—種鑄造渦輪殼體的方法，包括以下步驟提供澆注模具，所述模具限定孔口，熔融材料澆入到所述孔口內(nèi)，該 模具形狀形成為形成大致蝸殼形狀的渦輪殼體，所述渦輪殼體具有基本環(huán) 形部分以及從所述基本環(huán)形部分大致成切線延伸的入口管，該模具具有用 于限定所述入口管的第一壁的第一表面、和第二表面，所述第二表面用于 限定所述殼體的所述基本環(huán)形部分的、面對(duì)所述入口管的所述第一壁的相 鄰弓形表面，其中包括構(gòu)造所述模具從而所述模具具有至少兩個(gè)間隔開的 溝道，所述至少兩個(gè)間隔開的溝道在所述第一表面和所述第二表面之間延 伸并提供間隔開的流動(dòng)路徑；將熔融材料通過模具孔口弓I入到模具內(nèi)，并使一部分材料沿所述溝道流動(dòng)；以及使所述材料固化并然后將固化的材料從模具中取出。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的鑄造渦輪殼體的方法，還包括步驟-提供所述溝道使得材料沿著所述孔口和限定在所述入口管上的凸緣 之間的兩個(gè)流動(dòng)路徑流動(dòng)。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21或22所述的鑄造方法，其中所述流動(dòng)路徑是發(fā)散的。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21或22或23所述的鑄造方法，其中溝道的寬 度在從所述第一表面到所述第二表面的方向上增加。
全文摘要
一種用于徑流式渦輪，特別是用于排氣渦輪增壓器中的渦輪，的渦輪殼體(13)。該殼體具有大致蝸殼形狀，并且所述殼體具有圍繞軸線延伸的基本環(huán)形部分以及從基本環(huán)形部分延伸的入口管(20)，所述入口管(20)的第一壁面對(duì)所述殼體的環(huán)形部分的外表面的一部分；兩個(gè)間隔開的筋板(44)，每個(gè)筋板都從所述殼體的基本環(huán)形部分的外表面延伸至第一壁，且所述筋板在所述筋板之間限定凹槽(45)。這種布置提高了殼體的強(qiáng)度，且不易形成疲勞開裂。
文檔編號(hào)F01D25/24GK101558219SQ200780035100
公開日2009年10月14日 申請(qǐng)日期2007年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月20日
發(fā)明者喬治娜·趙, 克萊夫·羅伯特·馬丁, 約翰·馬丁·奧爾波特 申請(qǐng)人:康明斯渦輪增壓技術(shù)有限公司