压缩机叶轮的制作方法

本发明涉及用于涡轮增压器的压缩机的离心式叶轮，并且特别是涉及在叶轮的叶片的压力表面上具有凹入部分的离心式叶轮。

背景技术：

1、涡轮增压器是用于以高于大气压力的压力(增压压力)向内燃机的进气口供应空气的众所周知的装置。常规的涡轮增压器包括安装在涡轮机壳体内的可旋转轴上的废气驱动的涡轮机叶轮。涡轮机叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内的该轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机的进气歧管，从而增加发动机功率。涡轮增压器轴常规地由轴颈轴承和推力轴承支撑，该轴颈轴承和推力轴承包括适当的润滑系统，位于连接在涡轮机壳体与压缩机壳体之间的中心轴承壳体内。

2、压缩机叶轮可以是离心式或轴流式的。轴流式压缩机叶轮相对于叶轮的旋转轴线(也被称为叶轮轴线)沿轴向方向接纳进气，并且沿叶轮轴线传递压缩空气。轴流式压缩机叶轮包括叶片，该叶片对进气施加力，该力使空气沿叶轮轴线轴向偏转。轴流式压缩机的示例是风扇，例如飞机发动机中的风扇。离心式压缩机叶轮(也被称为径向压缩机叶轮)沿轴的轴线在轴向方向上接纳进气，并且相对于轴的轴线在径向方向上传递压缩空气。离心式压缩机叶轮包括叶片，该叶片对进气施加离心力，该离心力沿径向向外的方向压缩进气。离心式压缩机通常包括限定呈涡壳形状的出口的壳体，以便将压缩空气收集在单个管道中。离心式压缩机的示例是涡轮增压器的压缩机轮。本发明涉及对用于涡轮增压器的这种离心式压缩机叶轮的改进。

3、传统上，离心式压缩机叶轮的叶片被制造成使得每个叶片在垂直于叶轮轴线的平面内被限定为大致平直的轮廓。也就是说，使得每个叶片相对于叶轮轴线的剖面轮廓仅沿径向方向延伸，并且不会偏离该径向方向。有充分的证据表明，这种几何形状提供了高度的压缩(即，高压力比)。此外，由于叶片是平直的，因此几何形状简单且制造便宜。平直的叶片非常适合于如下应用，其中发动机系统在使用期间保持大致恒定的工作速度，并因此传输到压缩机的功率输入保持大致恒定，例如用于飞机或发电装备中。然而，这种平直的叶片几何形状的缺点是压缩机的工作范围(即，本领域中常用的质量流量与压力比的图形比较中喘振线和节流线之间的“映射宽度”)相对较窄。

4、为了增加这种叶轮的工作范围，已知修改叶片的轮廓，使得叶片相对于叶轮的旋转方向“向后扫掠”。也就是说，每个叶片相对于叶轮轴线的剖面轮廓沿与旋转方向相反的方向偏离径向方向。在这种叶轮中，叶片的压力表面(即，面向旋转方向的表面)是凸出形状的，使得它们与旋转方向相比看起来向后扫掠。虽然这种向后扫掠式叶片增加了压缩机的工作范围，但是代价是减小压缩，因此向后扫掠式叶片呈现比平直叶片更低的压缩比。因此，向后扫掠式叶轮最适合用于如下应用中，其中发动机系统横跨宽范围的不同发动机速度工作，并因此在使用期间输送到叶轮的功率会发生变化。这使得这种向后扫掠式叶轮在用于车辆的涡轮增压发动机系统中特别有用，这是因为输送到压缩机的功率将根据内燃机的工作而变化。

5、如上所述，在使用期间，当叶轮旋转时，压力表面对进气施加离心力。进气沿着压力表面沿径向向外的方向行进，并且因此一些进气将被推向叶片末端。为了防止空气溢出越过叶片末端(所谓的越过末端的泄漏)，离心式压缩机叶轮典型地被容纳在包括罩的壳体内，该罩紧密地遵循叶片末端的几何形状。然而，为了使得叶轮在壳体内能够自由地旋转，必须在叶片末端与罩之间提供间隙(即，小空隙)。除了由叶片的压力表面施加的离心力和压缩力之外，吸力表面也将会产生局部低压力区域。在使用期间，叶片的压力侧与吸力侧之间的压力不平衡将导致进气溢出越过叶片末端。此外，已经被沿径向向外推到叶片末端的进气将受到由罩施加的沿与叶轮的旋转方向相反方向的摩擦剪切力。这种摩擦力会导致一些进气溢出越过叶片末端，但是与上面描述的压力不平衡相比，这只是造成越过末端的泄漏的相对较小的贡献因素。溢出的空气不会被压缩到与未溢出的空气相同的程度，并且还会在每对叶片之间的流路中产生湍流，从而阻碍气流通过。因此已知越过末端的泄漏会降低压缩机的效率。

技术实现思路

1、本发明的目的是通过减少越过末端的泄漏来提供更高效的压缩机叶轮。本发明的另一目的是消除或减轻现有技术中明显的一个或多个缺点，无论其是本文或是在其他地方描述的。

2、根据本发明的第一方面，提供了一种用于涡轮增压器的压缩机的离心式叶轮，所述叶轮包括沿叶轮轴线延伸的轮毂以及从所述轮毂延伸的叶片，所述叶片限定压力表面和吸力表面；其中所述压力表面包括凹入部分。

3、在使用期间，当叶轮旋转时，压力表面对进气施加离心力。进气沿着压力表面沿径向向外的方向从叶片根部(即，叶片附接到轮毂的部分)行进到尾边缘。一小部分的进气将进入到叶片末端与罩之间的间隙中。叶片的吸力侧和压力侧之间的压力差以及由罩对空气施加的摩擦力与其在常规的向后扫掠式压缩机叶轮中大致相同。因此，空气倾向于通过该间隙从叶片的压力侧被吸取到吸力侧。然而，由于本发明的叶轮的压力表面包括凹入部分，因此进气的动量沿相对于旋转方向的向前方向被引导。当空气沿径向越过叶片末端并进入叶片末端与罩之间的间隙中时，空气包含大量的向前方向的动量。因此，空气在与溢出相反的方向上的动量增加，并且相应地溢出越过叶片末端的进气量更少。另外，由于压力表面的凹入部分改变了经过该凹入部分的进气的动量方向，因此该凹入部分起到局部地加速该区域中的流动的作用。因此，经过凹入部分的进气的压力降低，从而减轻叶片的压力侧与吸力侧之间的压力不平衡。因此，越过末端的泄漏减少，并且压缩机的整体效率得到提高。

4、术语“轮毂(hub)”涵盖叶片从该处延伸的叶轮的中心部分。轮毂可以形成涡轮增压器轴的一部分或者安装到涡轮增压器轴，该涡轮增压器轴接纳来自涡轮机的旋转输入。术语“压力表面(pressure surface)”涵盖叶片的对进气施加离心压缩力的表面。压力表面特别地是在使用期间叶片面向叶轮的旋转方向的表面。术语“吸力表面(suctionsurface)”涵盖叶片的与压力表面相反的表面，因此在使用期间面向与旋转方向相反的方向。与压力表面相反，在使用期间，吸力表面不会对进气施加离心压缩力，而是形成一小的压力减小区域，该压力减小区域起到从压缩机的入口吸取更多的进气的作用。术语“凹入部分(concave portion)”涵盖叶片的压力表面的相对于该压力表面本身向内弯曲的部分。压力表面的凹入部分可以特别地是压力表面的在一定程度上像碗的底部一样是圆的部分，使得它起到容纳流体和/或使流体朝向叶轮的旋转方向偏转的作用。叶片可以在垂直于叶轮轴线的平面内限定一轮廓，并且凹入部分可以在该平面内是凹入的。也就是说，凹入部分可以在垂直于叶轮轴线的平面内被观察到。

5、所述叶片可以限定头边缘和尾边缘，并且所述压力表面可以限定在所述头边缘与所述尾边缘之间延伸的流向轮廓，所述流向轮廓可以限定流向轮廓长度，并且所述凹入部分可以至少部分地定位在从所述流向轮廓的第一位置延伸到所述流向轮廓的第二位置的区域内，所述流向轮廓的所述第一位置与所述头边缘间隔开所述流向轮廓长度的至少约10％，并且所述流向轮廓的所述第二位置与所述头边缘间隔开所述流向轮廓长度的至多约90％。如此，所述凹入部分被约束到叶片在头边缘与尾边缘之间的流向长度的大致中间部分。这使得叶片的头边缘处的部分和叶片在尾边缘处的部分能够以常规方式制成，并且特别地具有常规的向后扫掠的几何形状。这最大限度减少头边缘和尾边缘处的干扰，同时减少了叶片的中间部分的末端泄漏。

6、术语“流向轮廓(stream-wise contour)”涵盖叶片的压力表面的从头边缘延伸到尾边缘的轮廓线。凹入部分可以完全被包含在从流向轮廓的第一位置延伸到流向轮廓的第二位置的区域内。所述流向轮廓的所述第一位置可以与所述头边缘间隔开所述流向轮廓长度的至少约20％或约30％，并且所述流向轮廓的所述第二位置可以与所述头边缘间隔开所述流向轮廓长度的至多约70％或约80％。可选地，所述叶片的所述压力表面没有任何部分在所述流向轮廓的所述第一位置与所述头边缘之间是凹入的，并且可选地，所述压力表面没有任何部分在所述流向轮廓的所述第二位置与所述尾边缘之间是凹入的。在其他实施例中，所述叶片的所述压力表面的在流向轮廓的第一位置与头边缘之间的至少一部分是向后扫掠的，并且所述叶片的所述压力表面的在流向轮廓的第二位置与尾边缘之间的至少一部分是向后扫掠的。

7、所述叶片可以限定叶片根部和叶片末端，并且所述压力表面可以限定在所述叶片根部与所述叶片末端之间延伸的展向轮廓，所述展向轮廓限定展向轮廓长度；并且所述凹入部分可以至少部分地定位在从所述展向轮廓的第一位置延伸到所述叶片末端的区域内，所述展向轮廓的第一位置与所述叶片根部间隔开所述展向轮廓长度的至少约40％。因此，与叶片根部相比，凹部被定位成更临近叶片末端。如此，凹部能够使经过压力表面的进气在叶片末端处朝向旋转方向偏转。术语“叶片根部(blade-root)”涵盖叶片的附接至轮毂的部分。术语“叶片末端(blade-tip)”涵盖叶片的在头边缘与尾边缘之间延伸的径向最外侧部分。凹入部分可以完全被包含在从展向轮廓的第一位置延伸至叶片末端的区域内。所述展向轮廓的第一位置可以与所述叶片根部间隔开所述展向轮廓长度的至少约50％或约60％。可选地，所述压力表面没有任何部分在所述叶片根部与所述展向轮廓的第一位置之间是凹入的。在其他实施例中，所述叶片的压力表面的在叶片根部与展向轮廓的第一位置之间的至少一部分是向后扫掠的。

8、所述叶片可以限定叶片根部和叶片末端，并且可以进一步限定在垂直于所述叶轮轴线的平面内的轮廓，并且所述轮廓可以限定在所述叶片的所述压力表面上的点的切线与起始于所述叶轮轴线的径向方向之间所测量的倾斜角度的分布，所述倾斜角度在所述叶轮的旋转方向上为正，并且在与所述叶轮的所述旋转方向相反的方向上为负，并且所述倾斜角度的所述分布可以从所述叶片根部处的负方向过渡到所述叶片末端处的正方向。也就是说，叶片根部处的倾斜角度可以为负，并且叶片末端处的倾斜角度可以为正。从叶片根部到叶片末端沿着轮廓的倾斜角度从负过渡到正。由于叶片根部处的倾斜角度为负，因此轮廓的最临近轮毂的部分是大致向后扫掠的。这提供了与常规的向后扫掠式叶轮相同的优点，例如提高了工作范围(压缩机映射宽度)。因此，该叶轮适用于需要宽的工作范围的应用中的用途，例如用于涡轮机增压的车辆发动机系统。然而，由于叶片末端处的倾斜角度为正，叶轮呈现减少的越过末端的泄漏，因此比常规的向后扫掠式叶轮呈现更高的效率。所述倾斜角度可以介于正方向的约3°到正方向的约10°之间，或者更优选地介于正方向的约5°到正方向的约8°之间，或者更优选地介于正方向的约6°到正方向的约7°之间，或者最优选地为正方向的约6.5°。

9、所述叶片可以限定叶片末端和叶片根部以及在垂直于所述叶轮轴线的平面内的轮廓；所述凹部的轮廓可以限定在垂直于所述叶轮轴线的所述平面内的深度，所述深度是在弦与所述凹部的底部之间在垂直于切线的方向上测量的，所述弦与所述叶片末端和所述压力表面的相对于所述叶轮绕所述叶轮轴线的旋转方向的最前点相互成切线；并且所述凹部的所述深度可以为垂直于所述叶轮轴线的所述平面内的所述轮廓的长度的至多约7％或约5％或约4％，所述轮廓的长度是从所述叶片根部到所述叶片末端测量的。在这种背景下，凹部的底部是凹部在垂直于叶轮轴线的平面中距离切线最远的点。已经发现，通过控制凹部的深度使得其在上述范围内，可以降低或避免经过压力表面的边界层与压力表面分离的风险。

10、所述叶片的所述吸力表面可以包括凸出部分。吸力表面可以与压力表面对应地成形，使得吸力表面的凸出部分与压力表面的凹入部分大致成镜像。由于吸力表面和压力表面具有对应的形状，因此叶片不会减小凹入部分的区域中的厚度。这避免了局部薄弱区域，并且确保了叶片在工作期间被诱导产生的内部应力得到更好地分布，并且提高了叶片的寿命。

11、所述叶轮可以限定导入部和导出部，并且所述叶片可以是从所述导入部延伸到所述导出部的主叶片。在这种背景中，这种“主叶片”涵盖具有限定叶轮的叶片的最上游点的头边缘的叶片。也就是说，主叶片是相对于流动方向从叶轮的最前部延伸到叶轮的最后部的叶片。叶轮可以包括多个主叶片。所述叶轮还可以包括从所述轮毂延伸的分流叶片，所述分流叶片可以包括压力表面和吸力表面，并且所述分流叶片的压力表面可以包括凹入部分。在这种背景中，“分流叶片”可以是比主叶片更短的叶片，使得它不像主叶片那样横跨叶轮的大部分延伸。特别地，分流叶片可以是具有位于相邻的主叶片的头边缘下游的头边缘的叶片。主叶片的尾边缘和分流叶片的尾边缘可以相对于流过叶轮的流定位在相同位置，即定位在导出部。

12、所述分流叶片可以限定头边缘和尾边缘，并且所述分流叶片的压力表面可以限定在所述分流叶片的头边缘与所述分流叶片的尾边缘之间延伸的流向轮廓，所述分流叶片的流向轮廓限定流向轮廓长度，并且所述分流叶片的凹入部分可以至少部分地定位在从所述分流叶片的头边缘延伸到所述分流叶片的流向轮廓的第一位置的区域内，所述分流叶片的流向轮廓的第一位置与所述分流叶片的头边缘间隔开所述分流叶片的流向轮廓长度的至多约80％。所述凹入部分可以完全被包含在从分流叶片的头边缘延伸到流向轮廓的第一位置的区域内。

13、所述分流叶片可以限定叶片根部和叶片末端，并且所述分流叶片的压力表面可以限定在所述分流叶片的叶片根部与所述分流叶片的叶片末端之间延伸的展向轮廓，并且所述分流叶片的凹入部分可以至少部分地定位在从所述展向轮廓的第一位置延伸到所述分流叶片的叶片末端的区域内，所述展向轮廓的第一位置与所述分流叶片的叶片根部间隔开所述展向轮廓长度的至少约50％。所述分流叶片的凹入部分可以完全被包含在从展向轮廓的第一位置延伸到分流叶片的叶片末端的区域内。

14、所述叶轮可以包括相对于所述叶轮轴线等间距分布的多个主叶片和相对于所述叶轮轴线等间距分布的多个分流叶片，所述主叶片和所述分流叶片以交替方式布置。

15、根据本发明的第二方面，提供了一种用于涡轮增压器的压缩机，所述压缩机包括根据本发明的第一方面的叶轮。

16、根据本发明的第三方面，提供了一种包括计算机可执行指令的计算机程序，所述计算机可执行指令当由处理器执行时促使所述处理器控制增材制造设备来制造根据本发明的第一方面的叶轮。

17、根据本发明的第四方面，提供了一种通过增材制造来制造根据本发明的第一方面的叶轮的方法，所述方法包括：获取表示根据本发明的第一方面的叶轮的几何形状的电子文件；以及控制增材制造设备通过一个或多个增材制造步骤根据所述电子文件中规定的所述几何形状制造所述叶轮。