CN101634305B - 旋转扩压壁式可调压气机装置 - Google Patents

旋转扩压壁式可调压气机装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转扩压壁式可调压气机装置，它包括压气机壳，压气机壳内安装有压气机叶轮，所述压气机壳的内壁与压气机叶轮之间设有与压气机叶轮同向旋转的旋转扩压壁和用来支撑旋转扩压壁旋转的支撑装置，本发明通过对可调旋转扩压壁的可调压气机装置的设计开发，有效的解决了目前涡轮增压器结构中叶轮压缩效率低及压气机配合间隙大的问题；采用了压壳旋转扩压壁代替常规的固定扩压壁，来减少气体摩擦损失，通过在压壳旋转扩压壁前端的增压导叶来提升旋转扩压壁的响应速度和拓宽进气流量。

Description

旋转扩压壁式可调压气机装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机增压装置，具体地说涉及一种用于涡轮增压器的高效旋转扩压壁可调压气机装置。
背景技术
近年来，发动机升功率大幅度提高，涡轮增压器的增压压缩比也在不断提升，但受涡轮增压器结构的制约，在增压器压气机增压效率方面遇到了一些新的行业难题，高压比工况下增压器压气机端的流动摩擦损失以及压气机叶片在旋转过程中的配合间隙损失越来越多的制约了增压器效率的提升。随着增压器转速的不断升高，压气机叶轮前缘进气的相对速度和角度不断加大，导致增压器流量受到结构上的限制，增压器与发动机的匹配难度增加。
如图1所示，涡轮增压器的压气机部分包括压气机壳1、压气机叶轮2、气体扩压通道9三个部分，在正常工作下压气机叶轮2在涡轮轴13的带动下高速旋转从压气机进口4吸入洁净的空气进行离心压缩，压缩后的高速增压气体从压气机叶轮出口11处进入气体扩压通道9，动能开始转化为压力能，同时气体在气体扩压通道9的约束下进入压气机壳集气流道14，然后通过与压气机壳1的出气端连接的管路送入发动机燃烧室内部参与燃烧，增压气流在气体扩压通道9中流动时，靠扩压通道扩压壁8和连接盘扩压壁10进行径向约束，同时在扩压通道9中与扩压通道扩压壁8和连接盘扩压壁10产生摩擦阻力，降低了压气机效率。
涡轮增压器增压为了满足发动机的加速性、响应性要求，需要以每分钟几万转、十几万转甚至更高的速度旋转，已知的涡轮增压器压气机因为结构和布局等原因，压气机叶轮2的叶轮外轮廓面6与压气机壳1的压壳进气内轮廓面7必须保留一定的叶轮旋转间隙a1，确保压气机叶轮2在高速旋转时不会出现压气机叶轮2的叶轮前缘外轮廓5与压气机壳1的压壳进气内轮廓面7发生摩擦，避免增压器磨损失效。为保证可靠运转，叶轮旋转间隙a1一般在0.4-0.8mm左右，约占叶轮进气前缘3高度的4％-8％，从叶轮进气前缘3吸入压气机叶轮2中的气体，沿叶轮轮毂轮廓线12和压壳进气内轮廓7进行离心压缩流动，在压缩过程中，从压壳进气内轮廓面7和叶轮外轮廓面6间形成的叶轮旋转间隙a1中出现气流的紊流过程，导致压气机效率快速下降。因此，希望叶轮旋转间隙a1越小越好，直至形成高效率压缩的零间隙状态。
增压器为了拓宽压气机的流量，采用了双进气通道的压气机结构，如图2所示，压气机壳1的进气端包括压气机进口4和压气机外流道进口16两个通道，压气机外流道进口16的端部通过补充进气槽15连通，当压气机叶轮2在涡轮轴13带动下高速旋转，从叶轮进气前缘3进入气体受限制后，从补充进气槽15进入一部分气体，从而起到了拓宽流量的作用，在低速工况下，对增压器的喘振起到了一定的作用，但双进气通道的压气机结构是一种简单的进气调节，改善程度有限，同时因为补充进气槽15的存在产生了额外的间隙损失和气动噪音。
因此，希望设计一种先进的压气机装置，来解决增压器的增压效率问题，解决增压器磨损后出现的划壳故障，延长增压器的使用寿命。同时能够进一步的拓宽压气机流量和增压比，通过增压器扩压机构和进气气流调节机构的设计开发，充分实现提升压气机效率、拓宽流量的目的，从而满足增压发动机对高效压气机的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种旋转扩压壁式可调压气机装置，以有效解决增压气体压缩效率低和无法拓宽涡轮增压器压气机的流量的问题。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：旋转扩压壁式可调压气机装置，包括压气机壳，压气机壳内安装有压气机叶轮，其特征在于：所述压气机壳的内壁与压气机叶轮之间设有与压气机叶轮同向旋转的旋转扩压壁和用来支撑旋转扩压壁旋转的支撑装置。
作为一种具体技术方案：
所述支撑装置包括支撑盘和安装在支撑盘外侧的挡圈，支撑盘的中心设有支撑盘轮毂，支撑盘轮毂两端各设有一个支撑盘内槽，所述支撑盘内槽中装有轴承，支撑盘轮毂内设有连接轴。
作为一种具体技术方案：
所述旋转扩压壁为压壳旋转扩压壁，压壳旋转扩压壁呈圆筒状，压壳旋转扩压壁的一个端面沿径向延伸形成扩压壁外径圆周面，另一个端面沿轴向延伸形成扩压壁引导外径圆周面和扩压壁配合内径圆周面，扩压壁引导外径圆周面的端部内侧设有扩压壁支撑肋板，扩压壁支撑肋板内侧连接有扩压壁轮毂，扩压壁轮毂中心设有扩压壁轮毂内孔，扩压壁轮毂通过扩压壁轮毂内孔与连接轴连接。
所述扩压壁外径圆周面直径为压气机叶轮直径的1.05-1.5倍。
作为一种具体技术方案：
所述旋转扩压壁为导叶旋转扩压壁，导叶旋转扩压壁呈圆筒状，导叶旋转扩压壁的一个端面沿径向延伸形成导叶扩压壁外径圆周面，另一个端面沿轴向延伸形成导叶扩压壁引导外径圆周面和导叶扩压壁配合内径圆周面，导叶扩压壁引导外径圆周面的端部设有导叶扩压壁轮毂，导叶扩压壁轮毂中心设有导叶扩压壁轮毂内孔，导叶扩压壁轮毂设有进气气流调节装置，导叶扩压壁轮毂通过导叶扩压壁轮毂内孔与连接轴连接。
所述导叶扩压壁外径圆周面直径为压气机叶轮直径的1.4-2倍。
作为一种具体技术方案：
所述进气气流调节装置为倾斜安装在导叶扩压壁轮毂上的多个扩压壁导叶。
所述扩压壁导叶呈条形状，扩压壁导叶包括导叶叶片前缘和导叶叶片尾缘，所述导叶叶片尾缘的面向里，导叶叶片前缘的面向外。
作为一种具体技术方案：
所述进气气流调节装置为安装在导叶扩压壁轮毂上的多个动导向叶片和安装在支撑盘上的多个静导向叶片，动导向叶片与静导向叶片间隔排列。
所述动导向叶片包括动导叶进气前缘和动导叶出气尾缘，动导叶出气尾缘水平设置，动导叶进气前缘沿转动方向弯折设置；所述静导向叶片包括静导叶进气前缘和静导叶出气尾缘，静导叶进气前缘水平设置，静导叶出气尾缘沿转动方向弯折设置。
由于采用上述技术方案，具有以下优点：
本发明通过对可调旋转扩压壁的可调压气机装置的设计开发，有效的解决了目前涡轮增压器结构中叶轮压缩效率低及压气机配合间隙大的问题。本发明采用了压壳旋转扩压壁代替常规的固定扩压壁，来减少气体摩擦损失，通过在压壳旋转扩压壁前端的增压导叶来提升旋转扩压壁的响应速度和拓宽进气流量。
该发明中的旋转扩压壁针对目前涡轮增压器的压气机结构，通过采用分体的扩压壁实现了进气气流的有效利用，同时，解决了压气机中叶轮与压壳配合间隙问题，进一步提升了压气机效率。
综上，采用具有旋转扩压壁的可调压气机装置可以有效改善增压器的压气机气动性能，通过使扩压壁旋转实来现提升压气机效率和拓展压气机流量的目的。同时，有效解决由于压气机叶轮与压壳配合间隙过大导致的压气机效率降低和可靠性下降的问题，满足未来对高效压气机的需求。
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
附图说明
附图1是背景技术中涡轮增压器压气机的结构示意图；
附图1是背景技术中双进口通道涡轮增压器压气机的结构示意图；
附图3是本发明实施例1中压壳旋转扩压壁式可调压气机的结构示意图；
附图4是附图3中压壳旋转扩压壁与压气机叶轮的局部放大图；
附图5是附图3中压壳旋转扩压壁的结构示意图；
附图6是本发明实施例2中导叶旋转扩压壁式可调压气机的结构示意图；
附图7是附图6中导叶旋转扩压壁的结构示意图；
附图8是附图7中导叶旋转扩压壁的M向结构示意图；
附图9是本发明实施例3中动、静导叶的结构示意图。
图中：1-压气机壳、2-压气机叶轮、3-叶轮进气前缘、4-压气机进口、5-叶轮前缘外轮廓、6-叶轮外轮廓面、7-压壳进气内轮廓面、8-扩压通道扩压壁、9-气体扩压通道、10-连接盘扩压壁、11-压气机叶轮出口、12-叶轮轮毂轮廓线、13-涡轮轴、14-压气机壳集气流道、15-补充进气槽、16-压气机外流道进口、17-挡圈、18-锁紧螺母、19-支撑盘内槽、20-轴承、21-支撑盘轮毂、22-连接轴、23-扩压壁轮毂、24-压壳旋转扩压壁、25-扩压壁密封外径圆周面、26-密封环、27-扩压壁配合内径圆周面、28-扩压壁外径圆周面、29-压壳扩压壁内圆周面、30-支撑盘、31-扩压壁密封槽、32-扩压壁引导外径圆周面、33-扩压壁支撑肋板、34-扩压壁轮毂内孔、35-扩压壁导叶、36-扩压壁扩压面、37-导叶扩压壁外径圆周面、38-导叶旋转扩压壁、39-导向叶片前缘、40-导向叶片尾缘、41-静导向叶片、42-静导叶进气前缘、43-静导叶出气尾缘、44-动导叶出气尾缘、45-动导向叶片、46-动导叶进气前缘、47-导叶扩压壁引导外径圆周面、48-导叶扩压壁配合内径圆周面、49-导叶扩压壁轮毂、50-导叶扩压壁轮毂内孔、a1-传统叶轮与压壳配合间隙、b1-发明中叶轮与压壳配合间隙、T1-导叶旋转扩压壁转动方向、X1-静导叶进气方向、X2-动导叶出气方向。
具体实施方式
实施例1：如图3和图5所示，一种旋转扩压壁式可调压气机装置，包括压气机壳1，压气机壳1内安装有压气机叶轮2，所述压气机壳1内壁与压气机叶轮2之间设有与压气机叶轮2同向旋转的旋转扩压壁和用来支撑旋转扩压壁旋转的支撑装置。
为了保证压壳旋转扩压壁24能够围绕增压器中心旋转，支撑装置包括支撑盘30和安装在支撑盘30外侧的挡圈17，支撑盘30安装在压气机壳1的压气机进口4处，支撑盘30的中心设有支撑盘轮毂21，支撑盘轮毂21两端各设有一个支撑盘内槽19，所述支撑盘内槽19中装有轴承20，轴承20为滚珠轴承，支撑盘轮毂21内设有连接轴22。
旋转扩压壁为压壳旋转扩压壁24，压壳旋转扩压壁24呈圆筒状，压壳旋转扩压壁24的一个端面沿径向延伸形成扩压壁外径圆周面28，另一个端面沿轴向延伸形成扩压壁引导外径圆周面32和扩压壁配合内径圆周面27，扩压壁引导外径圆周面32的端部内侧设有扩压壁支撑肋板33，扩压壁支撑肋板33内侧连接有扩压壁轮毂23，扩压壁轮毂23中心设有扩压壁轮毂内孔34，扩压壁轮毂23通过扩压壁轮毂内孔34与连接轴22连接。连接轴22通过扩压壁轮毂内孔34将支撑盘轮毂21和扩压壁轮毂23连接在一起，对旋转扩压壁进行支撑，连接轴22的外端部设有锁紧螺母18。
考虑到气流在压缩传动过程中的流动损失，减少增压气体通过压壳旋转扩压壁24和压壳进气内轮廓7之间的间隙回流，在压壳旋转扩压壁24的扩压壁密封外径圆周面25上设有扩压壁密封槽31，所述扩压壁密封槽31中装有密封环26，以实现压壳旋转扩压壁24和压壳进气内轮廓面7之间的密封。
为了改善装配工艺，在扩压壁密封外径圆周面25的前端设有扩压壁引导外径圆周面32，所述扩压壁引导外径圆周面32直径略小于扩压壁密封外径圆周面25的直径。压气机叶轮2在工作过程中通过涡轮轴13带动高速旋转，洁净的空气从压气机壳1的压气机进口4进入压壳旋转扩压壁24的内部，然后进入压气机叶轮2后压缩，压缩后的气体通过压气机叶轮出口11进入气体扩压通道9，然后在压壳扩压壁8的约束下进入压气机壳集气流道14，然后进入发动机参与燃烧。
如图4所示，为了提高压壳旋转扩压壁24的响应性，扩压壁外径圆周面28的直径为压气机叶轮2直径的1.3倍。当然，二者的倍数值可以在1.05-1.5的范围之间进行选择，即扩压壁外径圆周面28的直径可调。
压壳旋转扩压壁24由工程塑料制造而成，可以承受150℃的温度，同时扩压壁外径圆周面28位于与之配合的压壳扩压壁内端面29中，以减少流动损失。压气机叶轮2的叶轮外轮廓6与扩压壁配合内径圆周面27之间的配合间隙小于0.4mm，所述压气机叶轮2的叶轮外轮廓6和扩压壁配合内径圆周面27配合形成了本实施例中压气机叶轮2与压气机壳1的配合间隙b1，因为压壳旋转扩压壁24的存在，所以b1间隙小于现有技术中压气机叶轮2与压气机壳1的配合间隙a1，b1越小越好，甚至可以为零。
本实施例针对涡轮增压器提升压气机效率、解决增压器磨损失效的需求，完成了由压壳旋转扩压壁24组成的高效可调压气机的开发，有效的减小了传统压气机壳1和压气机叶轮2存在的安全间隙尺寸，降低了气体在压缩过程中高速旋转的压气机叶轮2和压气机壳1配合壁面的相对速度，大大降低了摩擦损失。该类型可调旋转扩压壁压气机工艺简单，可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。
实施例2：如图6和图7所示，调旋转扩压壁式可调压气机装置，包括压气机壳1、压气机叶轮2和导叶旋转扩压壁38。
为了保证导叶旋转扩压壁38能够围绕增压器中心旋转，支撑装置包括支撑盘30和安装在支撑盘30外侧的挡圈17，支撑盘30安装在压气机壳1的压气机进口4处，支撑盘30的中心设有支撑盘轮毂21，支撑盘轮毂21两端各设有一个支撑盘内槽19，所述支撑盘内槽19中装有轴承20，轴承20为滚珠轴承，支撑盘轮毂21内设有连接轴22。
旋转扩压壁为导叶旋转扩压壁38，导叶旋转扩压壁38呈圆筒状，导叶旋转扩压壁38的一个端面沿径向延伸形成导叶扩压壁外径圆周面37，另一个端面沿轴向延伸形成导叶扩压壁引导外径圆周面47和导叶扩压壁配合内径圆周面48，导叶扩压壁引导外径圆周面47的端部设有导叶扩压壁轮毂49，导叶扩压壁轮毂49中心设有导叶扩压壁轮毂内孔50，导叶扩压壁轮毂49设有进气气流调节装置，导叶扩压壁轮毂49通过导叶扩压壁轮毂内孔50与连接轴22连接。
所述导叶旋转扩压壁38前面通过支撑盘30与压气机壳1实现连接，然后通过放在扩压壁密封槽31中的密封环26实现增压气体的回流，密封洁净的空气从压气机壳1的压气机进口4进入导叶旋转扩压壁38的内部，沿扩压壁配合内径27流动，然后进入由涡轮轴13带动的高速旋转的压气机叶轮2后压缩，压缩后的气体通过压气机叶轮出口11进入气体扩压通道9，然后进入压气机壳集气流道14，增压以后的气体进入发动机参与燃烧。
为了进一步减少增压气体在气体扩压通道9中的流动损失，导叶旋转扩压壁38在压气机叶轮出口11一端设有扩压壁扩压面36，所述扩压壁扩压面36整体替代传统的压气机扩压壁，而扩压壁外径圆周面28的直径为压气机叶轮2出口直径的1.7倍，倍数可在范围1.4-2内根据需要选择，即扩压壁外径圆周面28的直径可调。
如图8所示，进气气流调节装置为倾斜安装在导叶扩压壁轮毂49上的多个扩压壁导叶35，扩压壁导叶35呈条形状，扩压壁导叶35包括导叶叶片前缘39和导叶叶片尾缘40，所述导叶叶片尾缘40的面向里，导叶叶片前缘39的面向外。这样可以提高导叶旋转扩压壁的响应速度，实现进气气流对导叶旋转扩压壁的加速功能。
导叶旋转扩压壁38由工程塑料制造而成，可承受150℃的温度，本实施例针对涡轮增压器提升压气机效率、解决增压器磨损失效的需求，完成了由导叶旋转扩压壁组成的高效可调压气机的开发，通过设计加快了导叶速度，有效的降低了气体在压缩过程中高速旋转的压气机叶轮和压气机配合壁面的相对速度，大大降低了摩擦损失。该类型可调旋转扩压壁压气机工艺简单，可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。
实施例3：如图6和图9所示，本实施例与实施例2不同之处在于进气气流调节装置为安装在扩压壁轮毂23上的多个动导向叶片45和安装在支撑盘30上的多个静导向叶片41，其余部分相同。
进气气流调节装置为安装在导叶扩压壁轮毂49上的多个动导向叶片45和安装在支撑盘30上的多个静导向叶片41，动导向叶片45与静导向叶片41间隔排列。
动导向叶片45包括动导叶进气前缘46和动导叶出气尾缘44，动导叶出气尾缘44水平设置，动导叶进气前缘46沿转动方向弯折设置。动导叶进气前缘46沿转动方向成上仰结构，动导叶出气尾缘44成水平出气结构，形成水平的动导叶出气方向X2，可以有效拓展进气流量。
为了进一步改善进气效果，在支撑盘30上设置多个静导向叶片41，静导向叶片41包括静导叶进气前缘42和静导叶出气尾缘43，静导叶进气前缘42水平设置，形成水平的静导叶进气方向X1，静导叶出气尾缘43沿转动方向弯折设置，形成下弯结构，与动导叶进气前缘46的上仰结构配合，形成合理的气流方向，实现拓展流量的目的。
本实施例针对涡轮增压器提升压气机效率、拓展压气机流量的需求，完成了由动、静导叶引导进气的导叶旋转扩压壁组成的高效可调压气机的开发，通过动、静导叶的设计，有效的拓展了高速旋转的压气机的进气流量，大大降低了摩擦损失。该类型旋转扩压壁可调压气机工艺简单，可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。

Claims (10)

1.旋转扩压壁式可调压气机装置，包括压气机壳(1)，压气机壳(1)内安装有压气机叶轮(2)，其特征在于：所述压气机壳(1)的内壁与压气机叶轮(2)之间设有与压气机叶轮(2)同向旋转的旋转扩压壁和用来支撑旋转扩压壁旋转的支撑装置。
2.如权利要求1所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述支撑装置包括支撑盘(30)和安装在支撑盘(30)外侧的挡圈(17)，支撑盘(30)的中心处设有支撑盘轮毂(21)，支撑盘轮毂(21)两端各设有一个支撑盘内槽(19)，所述支撑盘内槽(19)中装有轴承(20)，支撑盘轮毂(21)内设有连接轴(22)。
3.如权利要求1或2所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述旋转扩压壁为压壳旋转扩压壁(24)，压壳旋转扩压壁(24)呈圆筒状，压壳旋转扩压壁(24)的一个端面沿径向延伸形成扩压壁外径圆周面(28)，另一个端面沿轴向延伸形成扩压壁引导外径圆周面(32)和扩压壁配合内径圆周面(27)，扩压壁引导外径圆周面(32)的端部内侧设有扩压壁支撑肋板(33)，扩压壁支撑肋板(33)内侧连接有扩压壁轮毂(23)，扩压壁轮毂(23)中心处设有扩压壁轮毂内孔(34)，扩压壁轮毂(23)通过扩压壁轮毂内孔(34)与连接轴(22)连接。
4.如权利要求3所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述扩压壁外径圆周面(28)的直径为压气机叶轮(2)直径的1.05-1.5倍。
5.如权利要求1或2所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述旋转扩压壁为导叶旋转扩压壁(38)，导叶旋转扩压壁(38)呈圆筒状，导叶旋转扩压壁(38)的一个端面沿径向延伸形成导叶扩压壁外径圆周面(37)，另一个端面沿轴向延伸形成导叶扩压壁引导外径圆周面(47)和导叶扩压壁配合内径圆周面(48)，导叶扩压壁引导外径圆周面(47)的端部设有导叶扩压壁轮毂(49)，导叶扩压壁轮毂(49)中心处设有导叶扩压壁轮毂内孔(50)，导叶扩压壁轮毂(49)设有进气气流调节装置，导叶扩压壁轮毂(49)通过导叶扩压壁轮毂内孔(50)与连接轴(22)连接。
6.如权利要求5所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述导叶扩压壁外径圆周面(37)直径为压气机叶轮(2)直径的1.4-2倍。
7.如权利要求5所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述进气气流调节装置为倾斜安装在导叶扩压壁轮毂(49)上的多个扩压壁导叶(35)。
8.如权利要求7所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述扩压壁导叶(35)呈条形状，扩压壁导叶(35)包括导叶叶片前缘(39)和导叶叶片尾缘(40)，所述导叶叶片尾缘(40)的面向里，导叶叶片前缘(39)的面向外。
9.如权利要求5所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述进气气流调节装置为安装在导叶扩压壁轮毂(49)上的多个动导向叶片(45)和安装在支撑盘(30)上的多个静导向叶片(41)，动导向叶片(45)与静导向叶片(41)间隔排列。
10.如权利要求9所述的旋转扩压壁式可调压气机装置，其特征在于：所述动导向叶片(45)包括动导叶进气前缘(46)和动导叶出气尾缘(44)，动导叶出气尾缘(44)水平设置，动导叶进气前缘(46)沿转动方向弯折设置；所述静导向叶片(41)包括静导叶进气前缘(42)和静导叶出气尾缘(43)，静导叶进气前缘(42)水平设置，静导叶出气尾缘(43)沿转动方向弯折设置。
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