CN101929381A - 一种可变进气涡轮增压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于涡轮增压技术领域的能够改变进入压壳内气流方向的涡轮增压器结构，所述的可变进气涡轮增压器结构包括涡壳(1)，中间壳(2)，压壳(3)，所述的涡轮增压器结构的压壳进口(41)位置设置能够改变进入压壳(3)内气流方向的进气调节装置(5)，所述的进气调节装置(5)包括空腔结构的腔体(34)，所述的腔体(34)内设置一个以上片状结构的导叶(44)，所述的进气调节装置(5)还包括带动导叶(44)扭转的驱动机构(49)。本发明的技术方案，能够改变压气机进口气流方向，能够有效降低发生喘振时的流量，提高发生阻塞时的流量，扩大涡轮增压器可以工作的流量范围，同时提高增压器结构的效率和增压比。

Description

一种可变进气涡轮增压器结构 

技术领域

本发明涉及涡轮增压技术领域，更具体的说，是涉及一种能够改变进入压壳内气流方向的涡轮增压器结构。 

背景技术

涡轮增压器普遍运用于内燃机领域，内燃机排出的高温高压高能量的废气推动涡轮增压器涡轮级的涡轮旋转，涡轮再带动与之同轴的压气机级的压叶轮旋转，高速旋转的压叶轮将来自空气滤清器的空气压缩，经过增压后的空气流向发动机进气歧管和发动机气缸。带有涡轮增压器的汽车、特别是运行于城市里的乘用车，发动机负荷变化范围大，这就要求涡轮增压器的压气机级能在较宽的流量范围内运行，并满足发动机的进气需要。 

在涡轮增压器与发动机的匹配及涡轮增压器的设计过程中，通常以与发动机匹配的某一工况点作为涡轮增压器的设计工况点，涡轮增压器在此点的效率一般较高。随着发动机负荷的增大或减小，涡轮增压器压气机的供气量也需要随着增大或减小，当涡轮增压器压气机的流量增大或减小到一定程度时，涡轮增压器的压气机就会发生阻塞或喘振，此时涡轮增压器工作不稳定，效率明显下降。因此，在涡轮增压器的设计及与发动机匹配的过程中，要求涡轮增压器的压气机级在较宽的流量范围内高效运行，同时压气机的尺寸尽可能的小。 

目前常用的涡轮增压器是带旁通阀的涡轮增压器，比较先进的还有可变喷嘴涡轮增压器(VNT)和可变截面涡轮增压器(VGT)。这些增压器都是在涡轮级增设一些控制机构来拓宽涡轮增压器的工作范围，从而满足发动机的需要。另外，这些涡轮增压器也有在压气机级做一些结构更改的，如在压气机壳内靠近叶轮进口的轮廓处开环形槽或者将无叶扩压器改为有叶扩压器。在压气机壳内靠近叶轮进口的轮廓处开环形槽虽然可以减小压气机喘振时的流量，扩大压气机级可以工作的流量范围，但降低了压气机级的效率。有叶扩压器可以提高压 气机级的效率，但减小了压气机级可以工作的流量范围。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种能够改变压气机进口气流方向，保证叶轮进口气流冲角处在理想范围的涡轮增压器结构。 

要解决以上所述的技术问题，本发明采取的技术方案为： 

本发明为一种可变进气涡轮增压器结构，包括涡壳，中间壳，压壳，所述的涡轮增压器结构的压壳进口位置设置能够改变进入压壳内气流方向的进气调节装置，所述的进气调节装置包括空腔结构的腔体，所述的腔体内设置一个以上片状结构的导叶，所述的进气调节装置还包括带动导叶扭转的驱动机构。 

所述的进气调节装置内设置主轴，所述的主轴的一端与压叶轮连接，导叶安装(焊接)在主轴上构成导叶组件，所述的多个导叶设置为夹角布置的结构，所述的导叶为具有弹性和强度的金属薄片。 

所述的进气调节装置的腔体由前盖板，左盖板，右盖板配合安装而成，所述的左盖板和右盖板靠近前盖板的一端设置凹下的前台面，所述左盖板和右盖板靠近压壳的一端设置凹下的后台面，所述的导叶组件靠近压壳的一端安装在后台面上，所述的导叶组件的另一端与圆环状的转动环连接，转动环活动嵌装在三个滚轮的沟槽内，所述的三个滚轮套装在三个限位销上，所述的转动环上设置凹槽，前台面侧边上设置摇臂，摇臂一端卡装在凹槽内，摇臂另一端穿过前台面与控制摇臂摆动的驱动机构连接。 

所述的导叶组件与压板连接的一端为出口边，所述的导叶组件与转动环连接的一端为进口边，所述的出口边和进口边上分别设置出口边外延段和进口边外延段，所述的出口边外延段和进口边外延段上分别设置后槽口和前槽口，所述的转动环上设置嵌装进口边外延段的前嵌槽。 

所述的后台面上设置后环形槽和呈间隔布置的后嵌槽，所述的出口边外延段插入后嵌槽内，并通过后卡环将导叶组件出口边外延段固定在后台面上的后环形槽内，压板压在后台面上的导叶组件的出口边外延位置上。 

所述的转动环上设置一个以上的滚轮，所述的滚轮是中空结构，两端设置为凸台，中间设置为沟槽，所述的滚轮设置为在前台面内滑动的结构，所述的摇臂的一端与曲柄轴连接，曲柄轴穿过导向衬套，所述的导向衬套穿过左盖板，并与左盖板固定安装在一起。 

所述的后台面和转动环上的后嵌槽和前嵌槽，分别设置为在后台面和环形的转动环上均匀布置的结构。 

所述的导叶组件设置为由6-16个导叶组成的结构。 

所述的压板上设置定位销，压壳上设置定位销孔，所述的压板通过定位销和定位销孔与压壳定位安装。 

所述的涡轮增压器结构的进气调节装置通过螺栓孔与压壳固定连接。 

采用本发明的技术方案，能得到以下的有益效果： 

本发明的技术方案，在涡轮增压器的压壳内设置若干数量的导叶，通过调节装置调节导叶组件预旋的方向和大小，进而能够改变压气机进口气流方向。只要导叶数量设置合理，导叶组件预旋角度合适，就可保证叶轮进口气流冲角在一个理想的范围，这就能够有效降低发生喘振时的流量，提高发生阻塞时的流量，扩大了涡轮增压器可以工作的流量范围，同时提高了增压器结构的效率和增压比。 

附图说明

下面对本说明书各附图所表达的内容及图中的标记作出简要的说明： 

图1为本发明所述的涡轮增压器结构的外部结构示意图； 

图2为图1所示的涡轮增压结构的爆炸结构示意图； 

图3为本发明的进气调节装置的前视结构示意图； 

图4为本发明的进气调节装置的后视结构示意图； 

图5为本发明的导叶组件的一个具体实施例的结构示意图； 

图6为本发明的滚轮的一个具体实施例的结构示意图； 

图7为本发明的驱动机构的一个具体实施例的结构示意图； 

图8为在涡轮增压器设计工况附近时压气机进口速度三角形的示意图； 

图9小流量工况压气机进口速度三角形示意图； 

图10大流量工况压气机进口速度三角形示意图； 

图11小流量工况进气预旋时压气机进口速度三角形示意图； 

图12大流量工况进气预旋时压气机进口速度三角形示意图； 

图13导叶组件预旋角与压气机级绝热效率的关系曲线示意图； 

图14导叶组件预旋角与压气机级增压比的关系曲线示意图； 

图中标记为：1、涡壳，2、中间壳，3、压壳，4、压壳出口，5、进气调节装置，6、前盖板进口，7、前盖板，8、前卡环，9、转动环，10、滚轮，10A、凸台，10B、沟槽，11、限位销，12、摇臂，13、左盖板，14、右盖板，15、导叶组件，16、后卡环，17、定位销，18、压板，19、压壳定位销孔，20、锁紧螺母，21、螺栓孔，22、导向衬套，23、曲柄轴，24、螺栓螺母，25、导叶组件出口边，26、后槽口，27、主轴，28、前槽口，29、导叶组件进口边，30、进口边外延段，31、出口边外延段，32、前嵌槽，33、前环形槽，34、腔体，35、凹槽，36、前台面，37、腔体内端面，38、后嵌槽，39、后台面，40、压叶轮，41、压壳进口，42、后台面定位销孔，43、后环形槽，44、导叶，45、曲柄总成，46、推杆，47、调节螺母，48、支架，49、驱动机构，50、气嘴。 

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理等作进一步的详细说明： 

如附图1所示，本发明为一种可变进气涡轮增压器结构，包括涡壳1，中间壳2，压壳3，所述的涡轮增压器结构的压壳进口41位置设置能够改变进入压壳3内气流方向的进气调节装置5，所述的进气调节装置5包括空腔结构的腔体34，所述的腔体34内设置一个以上片状结构的导叶44，所述的进气调节装置5还包括带动导叶44扭转的驱动机构49。 

所述的近期调节装置5内设置主轴27，所述的主轴27的一端与压叶轮40连接，导叶44安装在主轴27上构成导叶组件15，所述的多个导叶44之间设置为夹角布置的结构，所述的导叶44为具有弹性和强度的金属薄片。 

所述的进气调节装置5的腔体34由前盖板7，左盖板13，右盖板14配合安装而成，所述的左盖板13和右盖板14靠近前盖板7的一端设置凹下的前台面36，所述左盖板13和右盖板14靠近压壳3的一端设置凹下的后台面39，所述的导叶组件15靠近压壳3的一端安装在后台面39上，所述的导叶组件15的另一端与圆环状的转动环9连接，转动环9活动嵌装在三个滚轮10的沟槽10B内，所述的三个滚轮套在三个限位销11上，所述的转动环9上设置凹槽35，前台面36侧边上设置摇臂12，摇臂12一端卡装在凹槽35内，摇臂12另一端穿过前台面36与控制摇臂12摆动的驱动机构49连接。 

所述的导叶组件15与压板18连接的一端为出口边25，所述的导叶组件15与转动环9连接的一端为进口边29，所述的出口边25和进口边29上分别设置出口边外延段31和进口边外延段30，所述的出口边外延段31和进口边外延段30上分别设置后槽口26和前槽口28，所述的转动环9上设置嵌装进口边外延段30的前嵌槽32。 

所述的后台面39上设置后环形槽43和呈间隔布置的后嵌槽38，所述的出口边外延段31插入后嵌槽38内，并通过后卡环16将导叶组件出口边外延段31固定在后台面39上的后环形槽43内，压板18压在后台面39上的导叶组件15的出口边外延31位置上。 

所述的转动环9上设置一个以上的滚轮10，所述的滚轮10是中空结构，两端设置为凸台10A，中间设置为沟槽10B，所述的滚轮10设置为在前台面36内滑动的结构，所述的摇臂12的一端与曲柄轴23连接，曲柄轴23穿过导向衬套22，所述的导向衬套22穿过左盖板13，并与左盖板13固定安装在一起。 

所述的后台面39和转动环9上的后嵌槽38和前嵌槽32，分别设置为在后台面39和环形的转动环9上均匀布置的结构。 

所述的导叶组件15设置为由6-16个导叶44组成的结构。 

所述的压板18上设置定位销17，压壳3上设置定位销孔19，所述的压板18通过定位销17和定位销孔19与压壳3定位安装。 

所述的涡轮增压器结构的进气调节装置5通过螺栓孔21与压壳3固定连接。 

本发明专利的结构如附图1至附图6所示。附图1是可变进气涡轮增压器的外部结构示意图，中间壳2连接着涡壳1和压壳3，进气调节装置5通过三个螺栓孔21连接在压壳3的进口处，锁紧螺母20用于锁紧增压器的压叶轮40(螺母内螺纹与穿过压叶轮的旋转轴上的外螺纹逆向旋紧，主要是防止压叶轮轴向蹿动)。外界气流从进气调节装置5的盖板进口6进入压壳3，经过增压后的空气从压壳出口4流向发动机。 

附图2是本发明的可变进气涡轮增压器结构的爆炸结构示意图图，进气调节装置主要由前盖板7、前卡环8、转动环9、左盖板13、右盖板14、导叶组件15、后卡环16和压板18等组成。 

导叶组件15位于左盖板13和右盖板14内构成的腔体34内，左右盖板通过螺栓螺母24连接在一起。导叶组件的详细结构图如附图5所示，导叶组件15的进口边29和出口边25上分别有前槽口28和后槽口26，这两个槽口都位于进口边的外延段30和出口边外延段31上，且没有气流通过，这样可以避免对进出口气流的干扰。进口边外延段30伸入到转动环9内，前卡环8位于转动环9的前环形槽33内并穿过前槽口28，前卡环8的作用是将导叶组件进口边29连接在转动环9上，并限制导叶组件15的径向和轴向移动。 

压板18上的两个定位销17与左右盖板后端的后台面定位销孔42及压壳3进口附近的压壳定位销孔19间隙配合。 

转动环9活动嵌装在三个滚轮10的沟槽10B内，固定在前台面36上的三个限位销11穿过中空的三个滚轮10，前盖板7压在三个限位销11的另一端，三个滚轮10在前台面36和前盖板7之间有一定的轴向运动空间，可以轴向运动及可以绕着限位销11转动的三个滚轮10通过沟槽10B将转动环9约束在前 台面36和前盖板7之间且可以在三个限位销11内旋转。转动环9外侧的凹槽35与摇臂12间隙配合，摇臂12的另一端与曲柄轴23焊接在一起，曲柄轴23经过导向衬套22穿过左盖板13，并最终与驱动机构49的曲柄总成45一端连接在一起，曲柄总成45的另一端套装在推杆46一端的孔内并可以在孔内旋转，调节螺母47用于调节曲柄总成45的初始位置，推杆46的前进和后退通过外界正压和负压气体经过气嘴50作用在驱动机构49内部的橡皮膜片和弹簧实现的。进气调节装置5的前视图如附图3(去掉前盖板)所示。导叶组件15的出口外延段31直接插入左盖板13和右盖板14构成的后台面39上的后嵌槽38内，并通过后卡环16将导叶组件出口边外延伸段31固定在后台面39上的后环形槽43内，最终通过压板18压在导叶组件出口边外延段31来限制导叶组件15的轴向移动，压板18上的两个定位销17与左右盖板后端的后台面定位销孔42及压壳3进口附近的压壳定位销孔19间隙配合，用于定位左盖板13、右盖板14、导叶组件出口边25与压壳间的位置，进气调节装置的后视图如附图4(去掉压板)所示。 

图5中的导叶组件的导叶数量及形状仅是本发明专利导叶组件的一个具体实施例，本发明的导叶数量和形状不仅限于此。导叶组件是具有一定弹性和强度的金属薄片(金属薄片一般采用类似弹簧钢等材料，要求不生锈，疲劳耐久性高，适合反复扭转，在满足上述条件的情况下，厚度越薄越好)，导叶44焊接在中间的主轴27上，导叶组件的扭转是由转动环9带动导叶组件进口边29的旋转实现的。 

图6中的滚轮形状仅是本发明专利滚轮的一个具体实施例，本发明的滚轮形状不仅限于此。滚轮10是中空结构，两端设置为凸台10A，中间设置为沟槽10B。 

图7中的驱动机构仅是本发明专利驱动机构的一个具体实施例，本发明的驱动机构不仅限于此。驱动机构49的曲柄总成45一端与曲柄轴23连接在一起，曲柄总成45的另一端套装在推杆46一端的孔内并可以在孔内旋转，调节螺母 47用于调节曲柄总成45的初始位置，支架48将驱动机构49固定在涡轮增压器上，气嘴50用于连接外部正压和负压气源。 

图8是在涡轮增压器设计工况附近时压气机进口的速度三角形。 

叶片角是叶轮进口切线方向与旋转轴沿流动方向的夹角，气流角是空气相对速度W1与旋转轴沿流动方向的的夹角，压气机叶轮的冲角等于气流角减去叶片角。在综合考虑涡轮增压器的运行特点后，压气机叶轮的冲角在设计工况时一般为某一正的角度，这样既可以保证压气机以较高效率运行，又可以兼顾涡轮增压器的其它运行工况。当流量减小时，压气机进口空气的绝对速度V1减小，此时叶片表面空气的相对速度W1的大小和方向也随着改变，使得气流角增加，从而增加了压气机的冲角，如图9所示；当冲角增加到一定程度，气流将在叶轮的吸力面产生流动分离，最终导致压气机喘振。当流量增大时，情况正好与流量减小时相反，随着进口空气绝对速度的增加，气流角将减小，当气流角小于叶片角时，冲角将由原来的正冲角变为负冲角，如图10所示；当冲角减小的一定程度，气流将在叶轮的压力面产生流动分离，并最终导致压气机阻塞。 

为了减小压气机发生喘振时的流量和增加压气机发生阻塞时的流量，扩大涡轮增压器压气机级可以工作的流量范围，同时保证压气机以较高的效率运行，本发明专利提供一种带进气调节装置的涡轮增压器。进气调节装置位于压气机壳进气管内压叶轮的前方，进气调节装置包括由若干导叶构成的导叶组件以及控制导叶组件扭转的驱动机构。 

涡轮增压器小流量工况，通过驱动机构扭转导叶组件使压气机进气向叶轮旋转方向预旋；此时压气机进口速度三角形如图11所示，叶轮的冲角比没有预旋时的叶轮冲角减小；只要预旋角度合适，将有效避免气流在叶轮吸力面产生流动分离，从而减小压气机的喘振流量。 

在涡轮增压器大流量工况，通过驱动机构扭转导叶组件使压气机进气向叶轮旋转的反方向预旋；此时压气机进口速度三角形如图12所示，叶轮的冲角比没有预旋时的叶轮冲角增大，并由负冲角增大到正冲角；只要预旋角度合适， 将有效避免气流在叶轮压力面产生流动分离，从而增大压气机的阻塞流量。 

在涡轮增压器设计工况，导叶组件不扭转，此时的导叶组件将起着导流作用。 

导叶组件的数量根据压气机进口面积大小确定，导叶组件的进口边连接在可以旋转的转动环上，驱动机构驱动转动环并带动导叶组件进口边旋转，出口边固定不旋转，通过导叶组件的扭转来改变压气机进气的预旋方向。 

本发明专利中的进气调节装置可以作为一个独立的装置，用于已有增压器或类似流体机械的改造升级。 

本发明专利的进气调节装置不仅适用于空气、二氧化碳等气体介质，还可以适用于水、油等液体介质。 

图13和图14是在一定的流量和转速下，某一型号的涡轮增压器在压气机进口设置不同数量导叶及不同预旋角度时用计算流体动力学(CFD)软件计算出的结果。根据CFD计算结果，设置12个导叶时压气机级的增压比和绝热效率比设置6个或16个导叶时增压比和绝热效率均明显提高。此外，不同的预旋角对压气机级的增压比和绝热效率特别是对压气机级的绝热效率有不同程度影响。在增压器的某一流量和转速下，当导叶为12个时，随着预旋角度的增加，压气机级的绝热效率逐渐提高，当导叶组件预旋的角度增加到32.4时，压气机级的绝热效率达到最高，此时压气机级的绝热效率比未预旋时的压气机绝热效率提高了1.5％以上，而且压气机级的增压比还略有提高。 

由上可知，对于某一型号的涡轮增压器，在不同的转速和流量下，导叶组件预旋角都存在一个最优值。在涡轮增压器每一工况下导叶组件的最优预旋角都可以根据压气机进口速度三角形通过理论计算并结合试验得到，此最优预旋角可以预置于发动机电控单元(ECU)内，作为ECU根据接收的压气机进口流量信号和增压器转速信号来控制导叶组件预旋角的目标值。 

上面结合附图对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进， 或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均在本发明的保护范围内。 

Claims (10)

1.一种可变进气涡轮增压器结构，包括涡壳(1)，中间壳(2)，压壳(3)，其特征在于：所述的涡轮增压器结构的压壳进口(41)位置设置能够改变进入压壳(3)内气流方向的进气调节装置(5)，所述的进气调节装置(5)包括空腔结构的腔体(34)，所述的腔体(34)内设置一个以上片状结构的导叶(44)，所述的进气调节装置(5)还包括带动导叶(44)扭转的驱动机构(49)。

2.根据权利要求1所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的进气调节装置(5)设置主轴(27)，所述的主轴(27)的一端与压叶轮(40)，导叶(44)安装在在主轴(27)上构成导叶组件(15)，所述的多个导叶(44)设置为夹角布置的结构，所述的导叶(44)为具有弹性和强度的金属薄片。

3.根据权利要求1或2所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的进气调节装置(5)的腔体(34)由前盖板(7)，左盖板(13)，右盖板(14)配合安装而成，所述的左盖板(13)和右盖板(14)靠近前盖板(7)的一端设置凹下的前台面(36)，所述左盖板(13)和右盖板(14)靠近压壳(3)的一端设置凹下的后台面(39)，所述的导叶组件(15)靠近压壳(3)的一端安装在后台面(39)上，所述的导叶组件(15)的另一端与圆环状的转动环(9)连接，转动环(9)活动嵌装在三个滚轮(10)的沟槽(10B)内，所述的三个滚轮套在三个限位销(11)上，所述的转动环(9)上设置凹槽(35)，前台面(36)侧边上设置摇臂(12)，摇臂(12)一端卡装在凹槽(35)内，摇臂(12)另一端穿过前台面(36)与控制摇臂(12)摆动的驱动机构(49)连接。

4.根据权利要求3所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的导叶组件(15)与压板(18)连接的一端为出口边(25)，所述的导叶组件(15)与转动环(9)连接的一端为进口边(29)，所述的出口边(25)和进口边(29)上分别设置出口边外延段(31)和进口边外延段(30)，所述的出口边外延段(31)和进口边外延段(30)上分别设置后槽口(26)和前槽口(28)，所述的转动环(9)上设置嵌装进口边外延(30)的前嵌槽(32)。

5.根据权利要求4所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的后台面(39)上设置后环形槽(43)和呈间隔布置的后嵌槽(38)，所述的出口边外延段(31)插入后嵌槽(38)内，并通过后卡环(16)将导叶组件出口边外延段(31)固定在后台面(39)上的后环形槽(43)内，压板(18)压在后台面(39)上的导叶组件(15)的出口边外延(31)位置上。

6.根据权利要求5所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的转动环(9)上设置一个以上的滚轮(10)，所述的滚轮(10)是中空结构，两端设置为凸台(10A)，中间设置为沟槽(10B)，所述的滚轮(10)设置为在前台面(36)内滑动的结构，所述的摇臂(12)的一端与曲柄轴(23)连接，曲柄轴(23)穿过导向衬套(22)，所述的导向衬套(22)穿过左盖板(13)，并与左盖板(13)固定安装在一起。

7.根据权利要求6所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的后台面(39)和转动环(9)上的后嵌槽(38)和前嵌槽(32)，分别设置为在后台面(39)和环形的转动环(9)上均匀布置的结构。

8.根据权利要求7所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的导叶组件(15)设置为由6-16个导叶(44)组成的结构。

9.根据权利要求8所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的压板(18)上设置定位销(17)，压壳(3)上设置定位销孔(19)，所述的压板(18)通过定位销(17)和定位销孔(19)与压壳(3)定位安装。

10.根据权利要求9所述的可变进气涡轮增压器结构，其特征在于：所述的涡轮增压器结构的进气调节装置(5)通过螺栓孔(21)与压壳(3)固定连接。

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