CN101598038B - 涡轮增压器双层流道变截面涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，包括涡轮壳、涡壳扩压通道、动力涡轮，所述涡轮壳空腔内设有涡壳进气流道分隔壁，涡壳进气流道分隔壁将涡轮壳空腔分隔成涡壳进气外流道和与涡壳扩压通道连通的涡壳进气流道，所述涡壳进气外流道套装在涡壳进气流道的外侧，本发明采用了内外双层的进气通道组合，形成了不同的通流截面，有效的分段利用发动机的废气能量。通过改进传统流道实现了变截面涡轮机的功能，同时兼顾了常规的无叶扩压器的具有较宽流量范围的优点。本发明中的变截面涡轮机继承性好、结构简单，产品容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。

Description

涡轮增压器双层流道变截面涡轮机
技术领域
本发明涉及高转速增压发动机采用的一种废气涡轮增压器，具体的说涉及一种能够有效兼顾发动机高低速增压需求，具有双层进气流道的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，属于内燃机领域。
背景技术
随着国家排放法规和用户需求的不断发展，发动机尤其是柴油发动机的增压技术也有了长足的进步，废气涡轮增压器的结构从传统的固定截面发展到了能够兼顾发动机低速扭矩的废气旁通结构增压器，到了国III排放法规实施以后，人们对于能够兼顾发动机高低速性能的发动机增压器的需求越来越强烈，可变截面涡轮增压器成为了国内外研发的重点，目前普遍采用了涡轮机内部增加旋转的喷嘴叶片的结构满足变截面的要求。
如图1、图2所示，旋叶式可变涡轮增压器1的涡轮机部分包括涡轮壳5、涡壳扩压通道7、动力涡轮9三部分，在正常工作下发动机排出的废气通过涡轮壳5进行收集，通过涡壳进气流道11按照规律流动，然后通过涡壳扩压通道7分布到动力涡轮9的周边，推动动力涡轮9高速旋转，在中间壳3内部浮动轴承12的支撑下，通过涡轮转子轴13带动压气机叶轮14高速旋转，实现最终压缩气体的目的，压缩后的气体通过压气机壳2收集后送入发动机参与燃烧，起到增压的目的。
为了使增压器能够起到兼顾高低速工况的目的，旋叶式可变涡轮增压器1的涡轮机内部在涡壳扩压通道7内部设置了喷嘴叶片8，喷嘴叶片8分布在动力涡轮9的周边的喷嘴环支撑盘6上，通过传动机构4调整开度a1，从而改变涡壳扩压通道7的实际通流面积，来改变动力涡轮9的旋转速度，发动机的高温气体在动力涡轮9内部做完功后，通过涡壳出气口10排到发动机排气管路中。
旋叶式可变涡轮增压器1通过改变喷嘴叶片8之间的开度a1来改变流通通道，控制方便。但发动机排出的废气具有600左右的排气温度，并且有进一步提升的趋势，排气高温对于喷嘴叶片8、传动机构4、喷嘴环支撑盘以及外部的控制系统都有严格的要求，成本及使用寿命限制了该类型可变截面涡轮增压器的市场，仅仅被用在了高端发动机增压领域，市场推广压力大。
因此，希望设计一种能够改变通流截面的涡轮增压器的涡轮机，来解决目前旋转喷嘴叶片结构的可变截面增压器在可靠性、价格成本方面存在的问题。通过设计的涡轮壳流道的结构，改变涡轮机内部高温气体的流动组织形式，简单有效的实现发动机对可变截面涡轮机的需要，以满足在不同工况下发动机对增压压力的需要。
发明内容
本发明所要解决的问题是针对传统可变截面涡轮增压器的局限性，提供一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，能够有效解决传统增压器固定截面的使用缺陷，同时减少旋叶式可变截面涡轮增压器的复杂的调节结构。
为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：
一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，包括涡轮壳、涡壳扩压通道、动力涡轮，所述涡轮壳空腔内设有涡壳进气流道分隔壁，涡壳进气流道分隔壁将涡轮壳空腔分隔成涡壳进气外流道和与涡壳扩压通道连通的涡壳进气流道，所述涡壳进气外流道套装在涡壳进气流道的外侧。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
所述涡壳进气外流道内设有流道肋板，涡壳进气流道分隔壁通过流道肋板与涡轮壳的壳体一体连接。
进一步改进：
所述的涡壳进气外流道靠近涡壳扩压通道的出口部分设有气流内导向面和气流外导向面，所述气流内导向面和外导向面形成的出口为缩口状，气流外导向面，与涡壳进气流道外壁的气流内导向面形成合适的气流入射角。所述涡壳进气流道外壁同时为涡壳进气外流道的内壁。
所述涡壳进气外流道位于涡壳进气流道外侧，涡壳进气外流道不单独工作，与涡壳进气流道一起满足发动机中高转速下大流量功率段的增压需求。
更进一步改进：
所述涡壳进气流道为单流道，所述的涡壳进气流道位于涡轮壳最内侧，截面固定，满足发动机中低转速增压需求，确保发动机有好的加速性能。
作为另一种改进：
为保证增压器不超速，在涡轮壳上设有与涡壳进气外流道连通的涡壳进气外流道旁通孔，涡壳进气外流道旁通孔通过旁通阀门打开或关闭，在发动机排量超出涡壳进气流道和涡壳进气外流道调节能力后，通过旁通阀门进行增压器的自我保护。
气体沿涡壳进气流道周向尾缘进入动力涡轮前的定压内流道扩压宽度小于涡壳进气外流道周向尾缘进入动力涡轮前的定压外流道扩压宽度，以保证气体流动过程的动力和效率。
作为更进一步改进：
所述涡壳进气流道内设有脉冲内流道肋板，脉冲内流道肋板将涡壳进气流道间隔成左侧脉冲内流道和右侧脉冲内流道。
所述脉冲内流道肋板在涡壳进气流道内纵向设置，呈悬垂状。
脉冲内流道肋板的顶部与涡壳进气流道分隔壁一体连接，其下部设置在靠近涡壳扩压通道的位置。
通过脉冲内流道肋板将涡壳进气流道间隔成左侧脉冲内流道和右侧脉冲内流道，充分利用发动机在中低速范围内排气系统的脉冲能量，可以广泛应用于四缸以上的多缸发动机需求。
气体沿左侧脉冲内流道和右侧脉冲内流道周向尾缘进入动力涡轮前的脉冲内流道扩压宽度小于涡壳进气外流道周向尾缘进入动力涡轮前的脉冲外流道扩压宽度，以保证气体流动过程的动力和效率。
本发明通过对涡轮增压器涡轮机进气通道的设计开发，有效的解决了目前旋叶式可变截面涡轮增压器的调节部分的可靠性及较高的成本问题。本发明中的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机通过对传统涡轮壳的结构设计，采用了内外双层的进气通道组合，形成了不同的通流截面，有效的分段利用发动机的废气能量。该发明中的双层流道变截面涡轮机充分利用了常规的涡轮增压器结构，通过改进传统流道实现了变截面涡轮机的功能，同时兼顾了常规的无叶扩压器的具有较宽流量范围的优点。本发明中的变截面涡轮机继承性好、结构简单，产品容易升级切换、成本低，容易快速实现工程化。
综上，采用具有双层流道的变截面涡轮机可以有效满足发动机全工况范围的增压需求，同时不需要设置复杂的旋叶式气动调节结构，产品简单、可靠。该发明通过对发动机排出的废气能量的分段利用，实现了相同的变截面涡轮机功能。该类型增压器整体结构不发生大的变化，成本低，容易实现，具有广阔的市场推广价值，能取得良好的应用效果。
下面结合附图和实施例对本发明专利作进一步的说明：
附图说明
附图1是背景技术中旋叶式可变截面涡轮增压器的结构示意图；
附图2是背景技术中旋叶式可变截面涡轮增压器的旋叶调节结构示意图；
附图3是本发明实施例1的结构示意图；
附图4是本发明实施例1中涡轮壳进气法兰的结构示意图；
附图5是本发明实施例2的结构示意图；
附图6是本发明实施例3的结构示意图；
附图7是本发明实施例3中涡轮壳进气法兰的结构示意图。
图中：1-旋叶式可变涡轮增压器；2-压气机壳；3-中间壳；4-传动机构；5-涡轮壳；6-喷嘴环支撑盘；7-涡壳扩压通道；8-喷嘴叶片；9-动力涡轮；10-涡壳出气口；11-涡壳进气流道；12-浮动轴承；13-涡轮转子轴；14-压气机叶轮；16-气流内导向面；17-流道肋板；18-气流外导向面；19-涡壳进气外流道；20-涡壳进气外流道内壁；21-涡壳进气流道分隔壁；22-定压涡壳进气法兰；23-定压涡壳进气法兰面；24-定压涡壳进气流道配合端面；26-涡壳进气外流道旁通孔；27-旁通阀门；29-左侧脉冲内流道；30-脉冲内流道肋板；31-右侧脉冲内流道；32-脉冲涡壳进气法兰；33-脉冲涡壳进气法兰面；34-脉冲进气内流道配合端面；a1-开度；b1-定压内流道扩压宽度；b2-定压外流道扩压宽度；c1-脉冲内流道扩压宽度；c2-脉冲外流道扩压宽度。
具体实施方式
实施例1，如图3、图4所示，一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，包括涡轮壳5、涡壳扩压通道7、动力涡轮9，涡轮壳5空腔内设有涡壳进气流道分隔壁21，涡壳进气流道分隔壁21将涡轮壳5空腔分隔成涡壳进气外流道19和与涡壳扩压通道7连通的涡壳进气流道11，涡壳进气外流道19套装在涡壳进气流道11的外侧，涡壳进气流道11为单流道，涡壳进气外流道19内设有流道肋板17，涡壳进气流道分隔壁21通过流道肋板17与涡轮壳5的壳体一体连接。
涡壳进气流道11在发动机全工况范围内应用，涡壳进气外流道19在发动机中高转速端通过涡轮壳5的定压涡壳进气法兰22开启使用，涡壳进气流道分隔壁21设有涡壳进气外流道内壁20，涡壳进气外流道内壁20满足涡壳外部进气流道19的气体流动性能，涡壳进气外流道19的尾缘部分设有气流内导向面16和气流外导向面18，气流内导向面16和外导向面18出口形成缩口状。从涡壳进气流道11和涡壳进气外流道19中通过的高温废气，通过涡壳扩压通道7进入并推动动力涡轮9旋转做功，为保证有足够的动力和气动效率，气体沿涡壳进气流道11周向尾缘进入动力涡轮9前的定压内流道扩压宽度b1小于涡壳进气外流道19周向尾缘进入动力涡轮9前的定压外流道扩压宽度b2。
发动机排出的废气能量通过定压涡壳进气法兰22进入涡轮机工作，定压涡壳进气法兰22设有定压涡壳进气法兰面23和定压涡壳进气流道配合端面24，定压涡壳进气法兰面23和定压涡壳进气流道配合端面24与气流调节机构实现端面配合，调节结构通过在涡壳进气外流道19中的轴向运动控制外流道的开启和通流面积，实现变截面涡轮机的功能。从涡壳进气流道11和涡壳进气外流道19进入涡轮壳5中的高温气体，沿涡壳周向分布到涡壳扩压通道7的周边，然后进入动力涡轮9做功。
实施例2，如图5所示，考虑到发动机超速工况下的安全性，上述实施例中，还可以在涡壳进气外流道19上增加了涡壳进气外流道旁通孔26，涡壳进气外流道旁通孔26通过旁通阀门27打开或关闭，从而控制涡壳进气外流道19内部气流的压力，实现保护增压器的目的。
本发明专利针对涡轮增压器对变截面涡轮机的需要，完成了由双层涡壳进气流道完成的定压增压变截面涡轮机的开发，有效的利用了废气能量，兼顾了发动机低速和高速工况下的增压需求。该类型具有双层涡壳进气流道的涡轮增压器变截面涡轮机可以采用同类增压器使用的现有的铸造及加工技术完成。
实施例3，如图6、图7所示，一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，包括涡轮壳5、涡壳扩压通道7、动力涡轮9，涡轮壳5空腔内设有涡壳进气流道分隔壁21，涡壳进气流道分隔壁21将涡轮壳5空腔分隔成涡壳进气外流道19和与涡壳扩压通道7连通的涡壳进气流道，涡壳进气外流道19套装在涡壳进气流道的外侧，涡壳进气外流道19内设有流道肋板17，涡壳进气流道分隔壁21通过流道肋板17与涡轮壳5的壳体一体连接。
涡壳进气流道内设有脉冲内流道肋板30，脉冲内流道肋板30将涡壳进气流道间隔成左侧脉冲内流道29和右侧脉冲内流道31。脉冲流道充分利用发动机中低速工况下的排气系统能量，涡壳进气外流道19位于左侧脉冲内流道29和右侧脉冲内流道31的外侧，涡壳进气外流道19在发动机中高转速端通过涡轮壳5的脉冲涡壳进气法兰32开启使用并通过调节机构调节通流面积，涡壳进气外流道19的尾缘部分设有气流内导向面16和气流外导向面18，气流内导向面16和外导向面18出口形成缩口状。从左侧脉冲内流道29、右侧脉冲内流道31和涡壳进气外流道19中通过的高温废气，通过涡壳扩压通道7进入并推动动力涡轮9旋转做功，为保证有足够的动力和气动效率，气体沿左侧脉冲内流道29和右侧脉冲内流道31周向尾缘进入动力涡轮9前的脉冲内流道扩压宽度c1小于涡壳进气外流道19周向尾缘进入动力涡轮9前的脉冲外流道扩压宽度c2。
发动机排出的废气能量通过脉冲涡壳进气法兰32进入涡轮机工作，脉冲涡壳进气法兰32设有脉冲涡壳进气法兰面33和脉冲进气内流道配合端面34，脉冲涡壳进气法兰面33和脉冲进气内流道配合端面34与气流调节机构实现端面配合，调节结构通过在涡壳进气外流道19中的轴向运动控制外流道的开启和通流面积，实现变截面涡轮机的功能。内部进气流道通过脉冲内流道肋板30分成左右两部分，从左侧脉冲内流道29、右侧脉冲内流道31和涡壳进气外流道19进入涡轮壳5中的高温气体，沿涡壳周向分布到涡壳扩压通道7的周边，然后进入动力涡轮9做功。
本发明专利针对涡轮增压器对变截面涡轮机的需要，完成了由双层涡壳进气流道完成的脉冲增压变截面涡轮机的开发，有效的利用了发动机的废气能量，兼顾了发动机低速和高速工况下的增压需求。该类型具有双层涡壳进气流道的涡轮增压器变截面涡轮机可以采用同类增压器使用的现有的铸造及加工技术完成。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，包括涡轮壳(5)、涡壳扩压通道(7)、动力涡轮(9)，其特征是：所述涡轮壳(5)空腔内设有涡壳进气流道分隔壁(21)，涡壳进气流道分隔壁(21)将涡轮壳(5)空腔分隔成涡壳进气外流道(19)和涡壳进气流道(11)，所述涡壳进气外流道(19)套装在涡壳进气流道(11)的外侧。
2.根据权利要求书1所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：所述涡壳进气外流道(19)内设有流道肋板(17)，涡壳进气流道分隔壁(21)通过流道肋板(17)与涡轮壳(5)的壳体一体连接。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：所述的涡壳进气外流道(19)靠近涡壳扩压通道(7)的出口部分设有气流内导向面(16)和气流外导向面(18)，所述气流内导向面(16)和外导向面(18)形成的出口为缩口状。
4.根据权利要求2或3所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：所述涡壳进气流道(11)为单流道。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：在涡轮壳(5)上设有与涡壳进气外流道(19)连通的涡壳进气外流道旁通孔(26)，涡壳进气外流道旁通孔(26)通过旁通阀门(27)打开或关闭。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：气体沿涡壳进气流道(11)周向尾缘进入动力涡轮(9)前的定压内流道扩压宽度(b1)小于气体沿涡壳进气外流道(19)周向尾缘进入动力涡轮(9)前的定压外流道扩压宽度(b2)。
7.根据权利要求2或3所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：所述涡壳进气流道内设有脉冲内流道肋板(30)，脉冲内流道肋板(30)将涡壳进气流道间隔成左侧脉冲内流道(29)和右侧脉冲内流道(31)。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：所述脉冲内流道肋板(30)在涡壳进气流道内纵向设置，呈悬垂状。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：脉冲内流道肋板(30)的顶部与涡壳进气流道分隔壁(21)一体连接，其下部设置在靠近涡壳扩压通道(7)的位置。
10.根据权利要求9所述的涡轮增压器双层流道变截面涡轮机，其特征是：气体沿左侧脉冲内流道(29)和右侧脉冲内流道(31)周向尾缘进入动力涡轮(9)前的脉冲内流道扩压宽度(c1)小于气体沿涡壳进气外流道(19)周向尾缘进入动力涡轮(9)前的脉冲外流道扩压宽度(c2)。
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