CN101922459B - 电动复合多级离心压气机装置 - Google Patents

电动复合多级离心压气机装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动复合多级离心压气机装置，包括压气机壳，压气机壳上设有压气机壳集气流道和压气机进口，压气机壳内安装有压气机离心叶轮，压气机壳上靠近压气机离心叶轮尾部的位置设有压气机叶轮出口，压气机叶轮出口与压气机壳集气流道之间通过气体扩压通道连通，压气机离心叶轮与压气机壳之间设有压气机旋转壁，压气机旋转壁的前端设有前排叶栅，该前排叶栅与动力驱动装置传动连接；压气机壳内靠近气体扩压通道的位置设有旋转盘，在旋转盘上设有后排叶栅，旋转盘与压气机旋转壁固定连接，本发明在压气机高速工况时，在整体尺寸与传统离心压气机相当且离心叶轮转速相同的情况下，实现了三级做功，达到了有效提升压气机压比的目的。

Description

电动复合多级离心压气机装置
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车用涡轮增压器的电动复合多级离心压气机装置。
背景技术
近年来，随着车用发动机功率的提升，对涡轮增压器离心压气机的增压比提出了更高的要求，但受到涡轮增压器尺寸的制约，传统的涡轮增压器离心压气机仅仅使用一级离心叶轮对吸入的新鲜空气做功，在高速工况下，受到叶轮材料强度的制约，通过提升转速的来达到更高压比的方式受到限制；在低速工况下，压气机响应性较差，压比较低。因此，通过传统离心压气机提升压比，提高发动机进气压力受到了极大限制。
如图1所示，传统的涡轮增压器的离心压气机部分包括压气机壳1、压气机离心叶轮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，部分动能转化为压力能，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。新鲜空气从压气机进口4到压气机壳集气道14的整个流动过程中，仅有压气机离心叶轮2对气体做功，做功能力有限，同时由于尺寸及匹配限制，实施多级增压技术仍有较大难度。因此设计一种压气机装置，在其尺寸与传统压气机相当的前提下，能有效提升压气机增压比，提高低速响应性，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的问题是要提供一种能够有效提升压气机增压比和低速响应性的电动复合多级离心压气机装置。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：
一种电动复合多级离心压气机装置，包括压气机壳，压气机壳上设有压气机壳集气流道和压气机进口，压气机壳内安装有压气机离心叶轮，压气机壳上靠近压气机离心叶轮尾部的位置设有压气机叶轮出口，所述压气机叶轮出口与压气机壳集气流道之间通过气体扩压通道连通，其特征在于：
压气机离心叶轮与压气机壳之间设有压气机旋转壁，所述压气机旋转壁的前端设有前排叶栅，该前排叶栅与动力驱动装置传动连接；
所述压气机壳内靠近气体扩压通道的位置设有旋转盘，在旋转盘上设有后排叶栅，所述旋转盘与压气机旋转壁固定连接。
以下是本发明对上述方案的进一步改进：
所述压气机旋转壁的轴向截面形状为两边大中间小的哑铃状结构。
进一步改进：
所述压气机旋转壁的后部具有旋转壁后部壁面，所述气体扩压通道内具有扩压通道扩压壁，旋转壁后部壁面位于气体扩压通道内并与扩压通道扩压壁的壁面形状一致。
进一步改进：
所述压气机旋转壁与压气机壳之间设设有滑块，所述滑块内具有与压气机旋转壁的外壁弧形一致的弧形滑块内壁，其外侧具有与压气机壳内壁相配合的滑块外壁，所述滑块与压气机壳固定连接。
另一种改进：
动力驱动装置包括安装在压气机进口的电机，电机包括电机转子和电机定子，所述电机定子通过支撑装置固定支撑在压气机进口内，电机转子上设有电机轴。
进一步改进：所述支撑装置包括电机支撑盘和安装在电机支撑盘外侧的电机固定支架，支撑盘的中心设有支撑盘轮毂，电动机定子设置在支撑盘轮毂上。
另一种改进：
所述前排叶栅包括与电机轴传动连接的叶栅轮毂，在叶栅轮毂的外部设有若干片前排轴流叶片，所述前排轴流叶片的另一端与压气机旋转壁固定连接。
进一步改进：
所述前排轴流叶片呈机翼状，前排轴流叶片包括前排叶栅叶片前缘和前排叶栅叶片尾缘，所述前排叶栅叶片前缘沿叶栅轮毂的转动方向前弯设置、前排叶栅叶片尾缘沿叶栅轮毂的轴向平行设置。
另一种改进：
所述后排叶栅包括固定设置在旋转盘上的若干片后排轴流叶片，所述若干片后排轴流叶片呈旋转放射状排列。
进一步改进：
所述后排轴流叶片具有迎风面和背风面两个侧面，迎风面为弧面、背风面为平面结构。
进一步改进：
所述后排轴流叶片包括后排叶栅叶片前缘和后排叶栅叶片尾缘，所述后排叶栅叶片前缘中心和后排叶栅叶片尾缘中心之间的连线与后排叶栅叶片前缘和旋转盘中心之间的连线夹角为30度～70度。
本发明的工作原理是：
前排叶栅在电机带动下将压气机进口的新鲜空气吸入压气机内流道，并实现对新鲜空气的第一级做功，离心叶轮在涡轮轴带动下高速旋转，对经过前排叶栅做功的空气进行第二级做功，并实现了空气由轴向向径向流动的转变，流出离心叶轮的空气经过由电机带动的后排叶栅，实现第三级做功，最终经过三级做功的空气，以较高压力流入内燃机，实现对内燃机增压的目的。
本发明在压气机高速工况时，在整体尺寸与传统离心压气机相当且离心叶轮转速相同的情况下，实现了三级做功，达到了有效提升压气机压比的目的。同时与传统离心压气机相比，若达到相同的压比，则该压气机离心叶轮转速可以相对较低，对于未来高增压领域的叶轮材料强度问题的缓解具有重要意义。
由于本发明前排叶栅和后排叶栅由电机带动旋转，与离心叶轮转动完全独立，因此在内燃机低工况，涡轮无法带动离心叶轮高速旋转的情况下，可以通过控制电机转速，解决内燃机低工况有效增压的难题，同时提升压气机的瞬态响应性。
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是本发明背景技术中涡轮增压器压气机的结构示意图；
附图2是本发明实施例1中电动复合多级离心压气机的结构示意图；
附图3是本发明实施例1中前排叶栅、旋转壁、压气机离心叶轮、后排叶栅和连接盘扩压壁空间结构图；
附图4是本发明实施例1中前排叶栅、旋转壁、后排叶栅、旋转盘空间结构图；
附图5是本发明实施例1中后排叶栅、旋转盘的结构示意图；
附图6是本发明实施例1中前排叶栅、旋转壁和旋转盘结构示意图；
附图7是附图5的后视图；
附图8是本发明实施例2中前排叶栅、旋转壁、压气机离心叶轮、后排叶栅和连接盘扩压壁空间结构图；
附图9是本发明实施例2中前排叶栅、旋转壁、后排叶栅、旋转盘空间结构图。
图中：1-压气机壳；2-压气机离心叶轮；3-凸台；4-压气机进口；5-前排轴流叶片；7-旋转壁后部壁面；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-后排轴流叶片；13-涡轮轴；14-压气机壳集气流道；15-滑块；16-滑块固定螺栓；17-电机转子；18-电机支撑盘；19-定位销；20-电机轴；21-前排叶栅；22-叶栅轮毂；23-电机定子；24-旋转盘；25-后排叶栅；26-滚动轴承；27-电机；28-压气机旋转壁；29-电机固定支架；30-支撑盘轮毂；31-滑块内壁；32-旋转壁前部壁面；33-滑块外壁；34-前排叶栅叶片前缘；35-前排叶栅叶片尾缘；36-后排叶栅叶片前缘；37-后排叶栅叶片尾缘。
具体实施方式
实施例1：如图2所示，电动复合多级离心压气机装置，包括压气机壳1，压气机壳1上设有压气机壳集气流道14和压气机进口4，压气机壳1内安装有涡轮轴13，涡轮轴13上安装有压气机离心叶轮2，压气机壳1上靠近压气机离心叶轮2尾部的位置设有压气机叶轮出口11，所述压气机叶轮出口11与压气机壳集气流道14之间通过气体扩压通道9连通。
压气机离心叶轮2与压气机壳1之间设有轴向截面形状为两边大中间小的哑铃状结构的压气机旋转壁28，所述压气机旋转壁28的前端设有前排叶栅21，该前排叶栅21与动力驱动装置传动连接；
所述压气机壳1内靠近气体扩压通道9的位置设有旋转盘24，在旋转盘24上设有后排叶栅25，所述旋转盘24与压气机旋转壁28固定连接。
所述压气机壳1内靠近气体扩压通道9的位置设有连接盘扩压壁10，所述连接盘扩压壁10靠近气体扩压通道9的一侧具有凹槽，所述旋转盘24设置在该凹槽内。
压气机旋转壁一端向压气机进口4方向渐扩延伸，形成与前排叶栅21相连的旋转壁前部壁面32，另一端沿径向延伸，形成与后排叶栅25对应的旋转壁后部壁面7，旋转壁前部壁面32与前排叶栅21焊接在一起，所述气体扩压通道9内具有扩压通道扩压壁8，旋转壁后部壁面7位于气体扩压通道9内并与扩压通道扩压壁8的壁面形状一致，旋转壁后部壁面7与后排叶栅25叶顶间隙控制在0.4mm以内。
动力驱动装置包括安装在压气机进口4的电机27，电机27包括电机转子17和电机定子23，所述电机定子23通过支撑装置固定支撑在压气机进口4内，电机转子17上设有电机轴20。
电机轴20通过滚动轴承26与电机27相连，滚动轴承26两侧设置轴承挡圈，滚动轴承26设置独立的润滑及密封机构。
为了保证电机转子17的电机轴20与涡轮轴13同轴旋转，支撑装置包括电机支撑盘18和安装在电机支撑盘18外侧的四根电机固定支架29，支撑盘的中心设有支撑盘轮毂30，电动机定子23设置在支撑盘轮毂30上。
支架轮毂30上设置小孔，用于安装螺栓固定电机27。
为了保证有足够的进气通道，压气机进口4直径为压气机离心叶轮2直径的1.5～2倍。
为了保证压气机旋转壁28顺利安装，所述压气机旋转壁28与压气机壳1之间设设有滑块15，滑块分两块，共形成一个圆周，滑块通过滑块固定螺栓16固定在压气机壳1上。
为了保证旋转盘24与涡轮轴13同轴旋转且相对转速较低，连接盘扩压壁10设置凸台3，凸台3呈环柱状。
所述滑块15内具有与压气机旋转壁28的外壁弧形一致的弧形滑块内壁31，其外侧具有与压气机壳1内壁相配合的滑块外壁33，滑块外壁33直径保证不小于压气机旋转壁进口直径。
压气机旋转壁28与滑块内壁31、压气机壳1和压气机离心叶轮2之间分别形成间隙，该间隙尺寸小于0.4mm。
如图3、图4所示，所述前排叶栅21包括与电机轴20传动连接的叶栅轮毂22，在叶栅轮毂22的外部设有若干片前排轴流叶片5，所述前排轴流叶片5的另一端与压气机旋转壁28固定连接。
所述前排轴流叶片5呈机翼状，前排轴流叶片5包括前排叶栅叶片前缘34和前排叶栅叶片尾缘35，所述前排叶栅叶片前缘34沿叶栅轮毂22的转动方向前弯设置、前排叶栅叶片尾缘35沿叶栅轮毂22的轴向平行设置。
如图5所示，所述后排叶栅25包括固定设置在旋转盘24上的若干片后排轴流叶片12，所述若干片后排轴流叶片12呈旋转放射状排列。
如图6所示，旋转盘24外径不小于旋转壁后部壁面7的外径，旋转盘24与压气机旋转壁28之间通过定位销19定位。
为了保证后排叶栅25出口气流绝对速度旋向与离心叶轮2旋转方向相同，电机转速与涡轮轴转速之比限制在0-1/3之间。
如图3所示，涡轮轴13沿Y2方向旋转，前排叶栅21、压气机旋转壁28、后排叶栅25和旋转盘24在电机轴20带动下与涡轮轴13同轴相对旋转，旋转方向为Y1。
所述后排轴流叶片12具有迎风面和背风面两个侧面，迎风面为弧面、背风面为平面结构。
如图5所示，所述后排轴流叶片12包括后排叶栅叶片前缘36和后排叶栅叶片尾缘37，后排叶栅叶片前缘36朝转动方向Y1倾斜设置，所述后排叶栅叶片前缘36中心和后排叶栅叶片尾缘37中心之间的连线与后排叶栅叶片前缘36和旋转盘24中心之间的连线夹角a为30度～70度。
本实施例在现有离心压气机尺寸变化不大的前提下，实现了前排叶栅21与压气机离心叶轮2对转以及压气机离心叶轮2与后排叶栅25对转的结构改进，实现了对新鲜空气两级对转三级做功的目的，有效地提升了压气机的压比。该类型电动复合多级离心压气机工艺简单，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：本实施例与实施例1不同之处在于前排轴流叶片5和后排轴流叶片12的安装角度不同，其余部分相同。
如图7所示，本实施例中前排叶栅21、旋转壁28、后排叶栅25和旋转盘24在电机轴20带动下旋转方向与涡轮轴同向，与之相适应调整了前排叶栅21和后排叶栅25各自叶片的安装角度。其余与实施例一完全相同。
如图8所示，涡轮轴13沿Y2方向旋转，前排轴流叶片5、旋转壁28、后排轴流叶片12和旋转盘24在电机轴20带动下与涡轮轴13同轴同向旋转，旋转方向也为Y2。
如图9所示，前排叶栅21叶片呈机翼型，前排轴流叶片5包括前排叶栅叶片前缘34和前排叶栅叶片尾缘35，所述前排叶栅叶片前缘34沿叶栅轮毂22的转动方向前弯设置、前排叶栅叶片尾缘35沿叶栅轮毂22的轴向平行设置。
所述后排轴流叶片12具有迎风面和背风面两个侧面，迎风面为弧面、背风面为平面结构。
后排叶栅叶片前缘36朝转动方向Y2倾斜设置，所述后排叶栅叶片前缘36中心和后排叶栅叶片尾缘37中心之间的连线与后排叶栅叶片前缘36和旋转盘24中心之间的连线夹角β为30度～70度。
本实施例在现有离心压气机尺寸变化不大的前提下，实现了前排叶栅21、压气机离心叶轮2以及后排叶栅25三级做功的目的，有效地提升了压气机的压比。该类型电动复合多级离心压气机工艺简单，可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。

Claims (5)

1.一种电动复合多级离心压气机装置，包括压气机壳(1)，压气机壳(1)上设有压气机壳集气流道(14)和压气机进口(4)，压气机壳(1)内安装有涡轮轴(13)，涡轮轴(13)上安装有压气机离心叶轮(2)，压气机壳(1)上靠近压气机离心叶轮(2)尾部的位置设有压气机叶轮出口(11)，所述压气机叶轮出口(11)与压气机壳集气流道(14)之间通过气体扩压通道(9)连通，其特征在于：
压气机离心叶轮(2)与压气机壳(1)之间设有轴向截面形状为两边大中间小的哑铃状结构的压气机旋转壁(28)，所述压气机旋转壁(28)的前端设有前排叶栅(21)，该前排叶栅(21)与动力驱动装置传动连接；
所述压气机壳(1)内靠近气体扩压通道(9)的位置设有旋转盘(24)，在旋转盘(24)上设有后排叶栅(25)，所述旋转盘(24)与压气机旋转壁(28)固定连接；
所述压气机旋转壁(28)的后部具有旋转壁后部壁面(7)，所述气体扩压通道(9)内具有扩压通道扩压壁(8)，旋转壁后部壁面(7)位于气体扩压通道(9)内并与扩压通道扩压壁(8)的壁面形状一致；
所述动力驱动装置包括安装在压气机进口(4)的电机(27)，电机(27)包括电机转子(17)和电机定子(23)，所述电机定子(23)通过支撑装置固定支撑在压气机进口(4)内，电机转子(17)上设有电机轴(20)；
所述后排叶栅(25)包括固定设置在旋转盘(24)上的若干片后排轴流叶片(12)，所述若干片后排轴流叶片(12)呈旋转放射状排列；
所述后排轴流叶片(12)具有迎风面和背风面两个侧面，迎风面为弧面、背风面为平面结构；
所述压气机旋转壁(28)与压气机壳(1)之间设有滑块(15)，所述滑块(15)内具有与压气机旋转壁(28)的外壁弧形一致的弧形的滑块内壁(31)，其外侧具有与压气机壳(1)内壁相配合的滑块外壁(33)，所述滑块(15)与压气机壳(1)固定连接；
压气机旋转壁(28)与滑块内壁(31)、压气机壳(1)和压气机离心叶轮(2)之间分别形成间隙，该间隙尺寸小于0.4mm。
2.根据权利要求1所述的电动复合多级离心压气机装置，其特征在于：所述前排叶栅(21)包括与电机轴(20)传动连接的叶栅轮毂(22)，在叶栅轮毂(22)的外部设有若干片前排轴流叶片(5)，所述前排轴流叶片(5)的另一端与压气机旋转壁(28)固定连接。
3.根据权利要求2所述的电动复合多级离心压气机装置，其特征在于：所述前排轴流叶片(5)呈机翼状，前排轴流叶片(5)包括前排叶栅叶片前缘(34)和前排叶栅叶片尾缘(35)，所述前排叶栅叶片前缘(34)沿叶栅轮毂(22)的转动方向前弯设置、前排叶栅叶片尾缘(35)沿叶栅轮毂(22)的轴向平行设置。
4.根据权利要求1所述的电动复合多级离心压气机装置，其特征在于：所述后排轴流叶片(12)包括后排叶栅叶片前缘(36)和后排叶栅叶片尾缘(37)，所述后排叶栅叶片前缘(36)中心和后排叶栅叶片尾缘(37)中心之间的连线与后排叶栅叶片前缘(36)和旋转盘(24)中心之间的连线夹角为30度～70度。
5.根据权利要求1所述的电动复合多级离心压气机装置，其特征在于：所述支撑装置包括电机支撑盘(18)和安装在电机支撑盘(18)外侧的电机固定支架(29)，支撑盘的中心设有支撑盘轮毂(30)，电动机定子(23)设置在支撑盘轮毂(30)上。
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