CN101421520B - 朝向后方的压缩机转轮的进气道及与之结合的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种涡轮增压器，它包括具有安装在相同轴上的背靠背叶轮(即，朝前叶轮和朝后叶轮)的压缩机转轮。两个叶轮由经分开的进气道的进气独立供应，且向共同涡壳排出增压气体。用于朝后叶轮的进气道包括大致轴向延伸的管状通道，该管状通道具有上游端和下游端，该管状通道在下游端被分叉为一对分隔管道分支，管道分支将流经管状通道的气体流分隔为一对分开的气体流。管道分支径向向内引导气体流，且这样重新合并该气体流并使气体转为轴向进入第二叶轮。

Description

朝向后方的压缩机转轮的进气道及与之结合的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及涡轮增压器，特别涉及具有离心压缩机的涡轮增压器，该离心压缩机包括一对以背靠背构形配置的叶轮，以便气体(或空气)沿第一轴向方向进入一个叶轮，而气体沿与第一轴向方向相反的第二轴向方向进入另一叶轮。

背景技术

传统的涡轮增压内燃机使用具有接纳来自发动机的废气且利用废气驱动以旋转包括单个叶轮的离心压缩机转轮的单涡轮转轮的涡轮增压器。叶轮压缩气体(或空气)且将气体输送给发动机进气系统，在进气系统中气体与燃料混合且供应给发动机气缸用以燃烧。涡轮增压使得发动机能够实现比同排量的非涡轮增压发动机更高的功率输出。

发动机设计中的各种趋势，特别相对柴油发动机，使得利用上述传统的单涡轮增压器来获得足够的涡轮增压性能愈加困难。这些趋势包括增加对发动机动力的需求，以及降低NO_x且特别是颗粒排放的允许限度的政府规定。已经发现单压缩机不能满足目前发展现状的发动机系统所需要的压力比和流量范围。

对该问题的认识导致使用多压缩机级的各种类型涡轮增压系统的发展。例如，串联设置的涡轮增压器已经被研制，其中双涡轮增压器的涡轮串联设置且压缩机也串联设置。虽然这种串联的涡轮增压器能获得高于单涡轮增压器的性能改善，但他们价格昂贵且体积大，因此很难装入空间已经狭小的发动机舱。

对该问题的创造性解决方法公开在授予Arnold等人的共同受让的美国专利No.6948314中。专利‘314描述了具有压缩机转轮的单涡轮增压器，该压缩机转轮包括两个安装在同一轴上且以背靠背构形配置的叶轮。每个叶轮具有自己的进气口，且每个叶轮增压的气体被排入共同的蜗壳中。可动的流量控制部件设置在压缩机转轮和涡壳之间，并且可在两叶轮都向蜗壳排放的第一位置和其中一个叶轮的排放通道被有效关闭使得仅另一叶轮向蜗壳排放的第二位置之间移动。该压缩机的配置相对传统的单压缩机使压缩机流体范围能被延伸，且使压缩机转轮直径能被减小。直径减小导致转子惯性的降低，由此改善涡轮增压器的瞬态反应。该配置也便于压缩机和涡轮之间的匹配。

发明内容

本发明表明是上述专利‘314所公开类型的涡轮增压器的进一步发展。在专利‘314中，气体通过由压缩机壳体的涡壳部分形成的进气道供应给第二叶轮(也就是位于第一叶轮和涡轮转轮之间的叶轮)。因而压缩机壳体是很难铸造的高度复杂的构形。另外，用于第二叶轮的入口气体经过涡壳的壁，且因此存在有从涡壳中高温气体到低温入口气体的不希望的热传递。

按照本发明一实施例，涡轮增压器包括固定在旋转轴的一端且设置在涡轮壳体中的涡轮转轮，该涡轮壳体构形成引导废气从发动机进入涡轮转轮，用来旋转驱动涡轮转轮和轴，该涡轮增压器还包括固定在轴的相对端的压缩机转轮。压缩机转轮包括第一叶轮和第二叶轮，每个叶轮都具有毂和多个从毂大致径向向外延伸的叶片，每个叶轮的叶片在叶轮的前侧确定供气体穿过被吸入叶轮的进口段，每个叶轮具有与前侧相对的后侧。第一(或“朝前”)叶轮的后侧面朝涡轮转轮，而第二(或“朝后”)叶轮的后侧面朝第一叶轮的后侧。压缩机壳体包含压缩机转轮，压缩机壳体确定包围用于接纳从每个叶轮排出的增压气体的压缩机转轮的径向外周而周向延伸的涡壳，压缩机壳体进一步确定管状的第一进气道，该第一进气道设置成引导气体沿第一轴向方向进入第一叶轮的进口段(inducer)。

第二进气道从压缩机壳体分别成形，用来引导气体进入第二叶轮的进口段。第二进气道包括具有上游端和下游端且与第一轴向方向大致平行延伸的管状通道(或管道)。该管状通道在下游端被分叉为一对分开的管道分支，该分开的管道分支将流过管状通道的气体流分隔成为一对分开的气体流，每个管道分支构形成使相应的气体流从第一轴向方向转向与另一管道分支的方向大致相反的径向向内方向。每个管道分支具有径向内端，该径向内端与另一管道分支的径向内端连接以便气体流重新合并，该径向内端构形成使重新合并的气体流转向与第一轴向方向相反的第二轴向方向，且引导重新合并的气体流入第二叶轮的进口段。

在一实施例中，每个管道分支的径向内端具有大约180度的周向范围。两个管道分支彼此镜像反向。

在一实施例中涡轮增压器包括设置在涡轮壳体和压缩机壳体之间的中部壳体，该中部壳体确定中心孔，该中心孔容纳旋转支承从中延伸穿过的轴的轴承。第二进气道的管道分支设置在中部壳体和压缩机壳体之间。

在本发明一实施例中，第二进气道的管状通道径向向外经过压缩机壳体的涡壳的径向外表面。该配置消除或至少大大降低涡壳中高温气体和管状通道中低温气体之间的热传递。

在本发明一些实施例中的涡轮增压器包括位于压缩机转轮和涡壳之间的位置设置在压缩机壳体中的可动的流量控制部件，流量控制部件可移动至各种位置，用以可变地限制进入涡壳的流量。流量控制部件包括滑动设置在由压缩机壳体确定的环形空间中的环形部件，环形部件具有与压缩机壳体的壁轴向间隔开的面，这样在该面和该壁之间形成扩散流体路径，扩散流体路径的流体区域可通过移动环形空间中的环形部件从而调整该面和该壁之间的间隔距离来调节。

附图说明

在已经概括描述本发明的情况下，现在将参考不需要按比例绘制的附图，其中：

图1是按照本发明一实施例的涡轮增压器的沿穿过涡轮增压器转子的旋转轴延伸的第一轴向-径向平面取的剖视图；

图2是用于第二叶轮的第二进气道的等轴测视图；

图3是第二进气道的侧视图；和

图4是第二进气道的端视图(从图3的右向左方向观看)。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些而非全部的实施例。事实上，这些发明可以不同形式实施且不应当解释为限于这里示出的实施例；而且，提供这些实施例以便本公开内容满足现行法律规定。同样的附图标记始终代表同样的部件。

图1示出具有按照本发明一实施例的双叶轮压缩机的涡轮增压器10。涡轮增压器10包括涡轮转轮(turbine wheel)13安装于其一端上的旋转轴12。涡轮增压器10的涡轮部包括确定涡轮蜗壳15的涡轮壳体14，该涡轮蜗壳体布置成将流体引向涡轮转轮。涡轮壳体也确定出口16。来自发动机(未示出)的废气被给送到涡轮蜗壳15。然后，气体经过涡轮并膨胀从而涡轮转轮13被旋转驱动，因而旋转驱动轴12。经膨胀的气体通过出口16排出。涡轮可为辐流式涡轮，其中流体以大致径向向内方向进入涡轮；但是，本发明不限于任何特定涡轮配置。而且，除了用于驱动轴12的涡轮，涡轮增压器可包括例如电动机的装置。

轴12穿过涡轮增压器的中部壳体17。如下面进一步描述的，中部壳体将涡轮壳体14与涡轮增压器的压缩机壳体组件28连接。中部壳体包含用于轴12的轴承18。

安装在涡轮轴12的离开涡轮的相对端上的是压缩机转轮(compressor wheel)，其包括第一叶轮(first impeller)24和第二叶轮(second impeller)26。压缩机壳体组件28围绕压缩机转轮。压缩机壳体组件的前部确定通向第一级叶轮24的第一进气道30。该第一进气道具有中空的柱状或管状构形。该压缩机壳体组件确定包围用于接纳来自叶轮24、26的增压气体的压缩机转轮的径向外周的蜗壳32。

第一叶轮24具有毂24h和多个从毂大致径向向外延伸的叶片24b。第一叶轮叶片在它们的导向边缘部确定进口段24i，气体从第一进气道30沿第一轴向方向(图1中左向右方向)被吸入进口段。进口段24i确定第一叶轮24的上游或前侧。第一叶轮具有相对侧或后侧，且第二叶轮26也具有朝向第一叶轮的后侧的后侧。第二叶轮进一步包括在它们的导向边缘部确定进口段26i的毂26h和叶片26b。第二叶轮26相对第一叶轮24的相互取向(或相对定向)(这里指与朝前第一叶轮相反的“朝后”)，这意味着第二叶轮的进口段26i沿与用于第一叶轮的第一轴向方向相反的第二轴向方向(图1中右向左)将气体轴向吸入进口段。

叶轮24，26可彼此分别形成，或可替代地一起形成为整体的一单件结构。各叶轮可以各种方式固定于轴12上。在图2所示的实施例中，每个毂24h、26h具有整体穿过所述毂延伸的孔，且轴穿过各叶轮的所述孔。将螺母(未示出)螺纹旋拧到轴的一端上，该轴穿过第一叶轮从所述孔的前侧突伸出。另一个方案是，轴的一端部形成有螺纹且能与第一叶轮中的所述孔的内螺纹部分接合。而再一个替代方案是使用所谓“无孔”连接；在分别形成叶轮的情况下，孔整体穿过第二叶轮延伸，且盲孔部分穿过第一叶轮，而轴形成有螺纹并与在盲孔中的内螺纹接合。在为整体单件压缩机转轮的情况下，盲孔部分穿过转轮延伸且通过螺纹固定其上。

压缩机确定穿过第一叶轮24的第一流体路径，该第一流体路径形成于毂24h和由压缩机壳体组件28的一部分形成的第一护罩34之间。叶轮叶片24b的径向外部顶端紧邻第一护罩34设置。第二流体路径穿过第二叶轮26，形成于毂26h和由压缩机壳体组件的一部分形成的第二护罩36之间。每个叶轮24，26的叶片压缩沿各自的流体路径流动的气体。在每个叶轮的径向外周，气体被排入共同的扩散器38中，且气体穿过扩散器流入涡壳32中。

扩散器38具有用于调节气体流(或空气流)入涡壳32的可变几何形状。更具体地，扩散器38部分地由包括第二护罩36的径向向外延伸部的压缩机壳体组件的固定壁40来确定。扩散器38的相对壁由可动流量控制部件44的面42来确定。在所示实施例中，可动流量控制部件44包括设置在由压缩机壳体组件28确定的环形空间46中的环形部件。环形空间46与轴12的旋转轴线同心，且处于涡壳32径向向内位置。流量控制部件44在空间46中可沿轴向方向滑动，且密封件(未示出)设置在部件44和空间46内壁之间，以便阻止增压气体在其之流动。流量控制部件44可运动至不同位置，用以调节轴向宽度，且因此调节扩散器流体路径的流动区域(或流动面积)，基本上如结合于此作为参考的美国专利NO.6948314所描述的那样。因此流量控制部件使压缩机的流动特性能根据操作要求以各种方式进行调节。

涡轮增压器10进一步包括与压缩机壳体组件28分开成形的第二进气道50，且特别地与涡壳32分开成形，用于引导气体进入第二叶轮26。第二进气道50在图2至4中独立地示出。第二进气道包括具有上游端54和下游端56的管道52。当第二进气道装配到涡轮增压器上时，管道52与沿气体被吸入第一叶轮24的第一轴向方向大致平行延伸。位于管道52的下游端56的第二进气道分叉为一对管道分支58a和58b，管道分支58a和58b将流过管道52的气体流分为一对分开的气体流。每个管道分支构形成使相应的气体流从第一轴向方向转向为与另一管道分支的气体流大致相反的径向向内方向，如图4最明显地示出。每个管道分支58a，58b具有与另一管道分支结合的径向内端60a，60b，这样气体流被重新合并，各径向内端构形成将重新合并的气体流转向到与第一轴向方向反向的第二轴向方向，且引导重新合并的气体流进入第二叶轮的进口段。

更具体地，每个管道分支58a，58b在管道52的下游端56处最初具有大致轴向延伸的管状构形，且随后转为朝向与另一管道分支的方向大致相反的圆周方向。在每个管道分支58a，58b中气体流的轴向前进由端壁62a，62b停止，各端壁与管道52沿其延伸的第一轴向方向大致垂直。每个管道分支具有处于与端壁62a，62b相对的位置且与之轴向间隔开的相对端壁64a，64b。相应的分开的气体流沿端壁62a，b和64a，b之间确定的空间大致径向向内流动。管道分支的每个径向内端60a，60b在圆周范围内延伸大约180度。如图2中最清楚地示出的，径向内端60a，60b与短轴向范围(或长度)的360度管状出气口66结合，该出气口构形成引导气体沿第二轴向方向进入第二叶轮26。

如图1所示，第二进气道50构形成使得管道部分安装在压缩机壳体组件28和中部壳体17之间。更具体地，管道分支58a，b从管道52在压缩机壳体组件和中部壳体之间径向向内延伸。端壁64a，b邻接压缩机壳体组件28且利用适当的带螺纹的紧固件68或类似物固定于其上，且端壁62a，b邻接中部壳体17并利用适当的带螺纹的紧固件70或类似物固定于其上。管道52径向向外穿过涡壳32的径向外表面。这样，与如前所述的美国专利No.6948314中描述的，其中用于第二叶轮的涡壳和进气道共用一共同壁的涡轮增压器相比，有大大减少涡壳32中的高温气体和管道52中的低温气体之间的热传递。单独行形成的第二进气道50的设置相对专利‘314的内容也简化了压缩机壳体。

第二进气道50的管道分支向绕圆周大致径向且大致均匀的出气口66提供流入气体。因此，在气体通过出口66转向在第二轴向方向上流动后，进入第二叶轮26的流体实质上不具有速度的涡旋分量，且这样在第二进气道中需要非涡旋轮叶。这是性能优势，因为非涡旋轮叶代表降低全部压缩机效率的附加损失源。

本领域技术人员将会想到这里所述的本发明的许多改进和其他实施例，这些发明对于本领域技术人员来说属于具有前述说明和附图示出的教导的利益。因此，可以理解本发明不限于所公开的特定实施例和改进，且其他实施例也包含于所附的权利要求的范围内。虽然这里应用特定术语，但他们仅是一般的使用和描述，而不用于限定目的。

Claims (15)

1.一种涡轮增压器，它包括：

涡轮转轮，所述涡轮转轮固定于旋转轴的一端，且设置在构形成将废气从发动机引导进入所述涡轮转轮用以旋转驱动所述涡轮转轮和所述轴的涡轮壳体中；

压缩机转轮，所述压缩机转轮固定于所述轴的相对端，所述压缩机转轮包括第一叶轮和第二叶轮，每个所述叶轮都设有毂和多个从所述毂大体径向向外延伸的叶片，每个所述叶轮的所述叶片在所述叶轮的前侧确定进口段，气体穿过所述进口段被吸入所述叶轮内，每个所述叶轮都具有与所述前侧相对的后侧，所述第一叶轮的所述后侧面朝所述涡轮转轮，而所述第二叶轮的所述后侧面朝所述第一叶轮的所述后侧；

容纳所述压缩机转轮的压缩机壳体，所述压缩机壳体限定周向延伸的涡壳，所述涡壳包围所述压缩机转轮的径向外周边，用以接纳从每个所述叶轮排出的增压气体，所述压缩机壳体进一步确定管状第一进气道，所述管状第一进气道设置为沿第一轴向方向将气体引导到所述第一叶轮的所述进口段内；以及

第二进气道，所述第二进气道与压缩机壳体分别形成，用于引导气体进入所述第二叶轮的所述进口段，所述第二进气道包括具有上游端和下游端且与所述第一轴向方向大致平行延伸的管状通道，所述管状通道在所述下游端分叉为一对分开的管道分支，所述分开的管道分支将流过所述管状通道的气体流分隔成一对分开的气体流，每个所述管道分支构形成将相应的气体流从所述第一轴向方向转换成与另一管道分支的方向大致相反的径向向内的方向，每个所述管道分支具有径向内端，所述径向内端与另一管道分支的径向内端结合，以便气体流重新合并，所述径向内端构形成将重新合并的气体流转换成与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向，且将所述重新合并的气体流引导到所述第二叶轮的所述进口段。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：每个所述管道分支的所述径向内端具有大约180度的周向范围。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：其还包括设置在所述涡轮壳体和所述压缩机壳体之间的中部壳体，所述中部壳体确定容纳轴承的中心孔，所述轴承转动支承从中延伸穿过的所述轴。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于：所述第二进气道的所述管道分支设置在所述中部壳体和所述压缩机壳体之间。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：所述第二进气道的所述管状通道径向向外穿过所述压缩机壳体的所述涡壳的径向外表面。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：两个所述管道分支彼此镜像相对。

7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：其还包括可移动的流量控制部件，所述流量控制部件在位于所述压缩机转轮和所述涡壳之间的位置设置在所述压缩机壳体中，所述流量控制部件可移动至不同位置，用来可变地限制进入所述涡壳的流量。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于：所述流量控制部件包括滑动地设置在由所述压缩机壳体确定的环形空间中的环形部件，所述环形部件具有与所述压缩机壳体的壁轴向间隔开的面，从而在所述面和所述壁之间形成扩散流体路径，所述扩散流体路径的流动区域通过移动所述环形空间中的所述环形部件从而调整所述面和所述壁之间的间隔距离来调节。

9.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于：所述第二进气道不设有非涡旋轮叶。

10.一种进气道，所述进气道用于在具有第一和第二叶轮的离心压缩机中将气体引导到所述第二叶轮的进口段，其中所述第一和第二叶轮以背对背构形布置，从而进入所述第一叶轮的进口段的气体在第一轴向方向流动，而进入所述第二叶轮的所述进口段的气体在与所述第一轴向方向相反的第二轴向方向流动，所述进气道包括：

管状通道，所述管状通道具有上游端和下游端，且与所述第一轴向方向大致平行的延伸，所述管状通道在所述下游端被分叉为一对分开的管道分支，所述分开的管道分支将流过所述管状通道的气体流分隔为一对分开的气体流，每个所述管道分支构形成将相应的气体流从所述第一轴向方向转换为与另一管道分支的方向大致相反的径向向内方向，每个所述管道分支具有径向内端，所述径向内端与另一管道分支的径向内端结合，这样气体流重新合并，所述径向内端构形成将重新合并的气体流转换为所述第二轴向方向，且引导所述重新合并的气体流进入所述第二叶轮的所述进口段。

11.根据权利要求10所述的进气道，其特征在于：每个所述管道分支的所述径向内端具有大约180度的周向范围。

12.根据权利要求10所述的进气道，其特征在于：两个所述管道分支彼此镜像相对。

13.根据权利要求10所述的进气道，其特征在于：每个所述管道分支在所述管状通道的所述下游端处最初具有大致轴向延伸的管状构形，且随后转为朝向与另一管道分支的方向大致相反的周向方向。

14.根据权利要求13所述的进气道，其特征在于：每个所述管道分支具有第一端壁，所述第一端壁与所述第一轴向方向大致垂直，且停止所述管道分支中的气体流轴向前进，每个所述管道分支进一步具有处于与所述第一端壁相对的位置且与之轴向间隔开的相对的第二端壁，所述管道分支中相应的分开的气体流沿所述第一和第二端壁之间确定的空间大致径向向内流动。

15.根据权利要求14所述的进气道，其特征在于：所述管道分支的所述径向内端与管状出口结合，所述管状出口构形成引导气体沿所述第二轴向方向进入所述第二叶轮。

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