CN102667071A - 涡轮机 - Google Patents

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Abstract

根据本发明的第一方面，提供一种可变几何涡轮机，包括：涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在第一和第二进气口侧壁之间限定的环形进气口，环形进气口被分隔成至少两个轴向偏移的进气口部分；圆柱形套筒，其轴向移动跨过环形进气口以便改变通过进气口的进气流动路径的尺寸；其中套筒前端的轴向延伸部分在幅度上沿着套筒的周长变化。轴向延伸部分的变化限定出沿着套筒前端周长定位的多个凹进处和/或多个突起。套筒或其轴向延伸部分没有叶片。

Description

涡轮机
技术领域
本发明涉及适用于涡轮增压器和可变几何涡轮增压器的涡轮，但并不限于上述。
背景技术
涡轮增压器是众所周知的装置，其用于将空气以高于大气压(升压压力)的压力供应给内燃机进气口。传统的涡轮增压器基本上包括其内设置有废气驱动涡轮机叶轮的壳体，该废气驱动涡轮机叶轮安装到连接到发动机排气歧管下游的可旋转轴上。压缩机叶轮安装到所述轴的另一端，这样涡轮机叶轮的旋转带动压缩机叶轮的旋转。在压缩机的这种应用中，压缩机叶轮将压缩空气传送到内燃机进气歧管。动力涡轮还包括安装到轴上的废气驱动涡轮叶轮，但在这种情况下，轴的另一端不连接到压缩机。例如，在涡轮组合式发动机中，两个涡轮机串联设置，两者都由发动机的废气驱动。一个涡轮机驱动压缩机以便将压缩(增压)空气传送给发动机，而另一个涡轮机(“动力涡轮机”)产生额外的动力，然后该动力经由机械连接(诸如齿轮)或经由其它类型的连接(例如，液压或电气连接)传送到其它组件以便将动力传送到发动机曲轴。
发明内容
本发明的目的是消除或减轻与现有涡轮机相关的一个或多个问题。
根据本发明的第一方面，提供一种可变几何涡轮机，其包括：涡轮机叶轮，其安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的且在第一和第二进气口侧壁之间限定的环形进气口，环形进气口被分隔成至少两个轴向偏移的进气口部分；圆柱形套筒，其轴向移动跨过环形进气口以便改变通过进气口的进气流动路径的尺寸；其中套筒前端的轴向延伸部分在幅度上沿着套筒的周长变化。轴向延伸部分的变化限定出沿着套筒前端周长定位的多个凹进处和/或多个突起。套筒或其轴向延伸部分没有叶片。
轴向延伸部分在幅度变化上的最大值可大体上等于：进气口部分的轴向宽度；或进气口部分的轴向宽度加上分隔进气口的隔板的轴向宽度；或通过进气口部分的进气通道的轴向宽度。
轴向延伸部分(程度)的变化使得由套筒前端中的凹进处或在套筒前端的突起之间限定的面积(区域)大体上等于进气口部分的开口面积或通过形成于那些进气口部分内的进气通道的开口面积(区域)。
进气口部分可包括将进气口部分分隔成一个或多个进气通道的一个或多个叶片或其它结构，其中轴向延伸部分在周向方向上的幅度变化与一个或多个叶片或其它结构的位置或在一个或多个叶片或其它结构之间的间距同步。
套筒在径向方向上的厚度可小于环形进气口的轴向宽度，或小于形成于该进气口部分中的进气口部分或进气通道的轴向宽度。
套筒内径可大于进气口部分的外径或外部径向延伸程度。
套筒前端的轴向延伸程度可以下述方式变化：槽形方式，和/或波状方式。上述变化可能是周期性的。
附图说明
从下面的描述将明了本发明的有利和优选特征。
现在将仅仅通过实例的方式参照附图对本发明的具体实施例进行描述，其中：
图1是通过传统涡轮增压器的轴向横截面；
图2是通过根据本发明实施例的涡轮机的涡轮蜗壳和环形进气口的轴向横截面；
图3a至图3c的每一幅图示意性地示出可轴向移动的套筒的前端的不同实施例的侧视图；
图4是根据本发明另一实施例的可轴向移动的套筒的前端的示意性侧视图；
图5是根据本发明另一实施例的可轴向移动的套筒的前端的示意性侧视图。
具体实施方式
参照图1，涡轮增压器包括经由中央轴承座3连接到压缩机2的涡轮机1。涡轮机1包括用于在涡轮机壳体5内旋转的涡轮机叶轮4。类似的，压缩机2包括压缩机叶轮6，其可以在压缩机壳体7内旋转。涡轮机叶轮4和压缩机涡轮6安装在同一涡轮增压器轴8的相对两端上，该涡轮增压器轴8延伸通过中央轴承座3。
涡轮机壳体5具有废气进气口蜗壳9(环绕涡轮机叶轮4定位)和轴向废气出口10。压缩机壳体7具有轴向进气通道11和环绕压缩机叶轮6设置的压缩空气出口蜗壳12。涡轮增压器轴8在分别朝向轴承座3的涡轮机端和压缩机端封装(housed)的径向滑动轴承13和14上转动。压缩机端轴承14还包括推力轴承15，其与包括挡油环16的油封总成交互。油通过进油口17从内燃机油系统供应给轴承座，且通过油通道18供应给轴承组件。
在使用时，涡轮机叶轮4通过从环形废气进气口9到废气排气口10的废气通道旋转，涡轮机叶轮4依次使得压缩机叶轮6旋转，由此压缩机叶轮6通过压缩机进气口11抽吸进气，且通过压缩机排气口蜗壳12将升压空气传送到内燃机(未示出)的进气口。
在图2中示出根据本发明实施例的涡轮机22的涡轮蜗壳20和环形进气口21。两个环形隔板23a、23b跨过进气口21将进气口21均等间隔开，连同进气口的内外侧壁24、25限定三个具有同等轴向宽度的轴向偏移的环形进气口部分26a、26b、26c。相应环形阵列的叶片27a、27b、27c轴向延伸跨过三个进气口部分26a、26b、26c的每一个。叶片27a、27b、27c是可选的，且在其它实施例中可能不会存在于所有的进气口部分26a、26b、26c内。叶片27a、27b、27c将每个相应的进气口部分26a、26b、26c进行分隔以便形成每个进气口部分26a、26b、26c中的进气通道。圆柱形套筒28被提供为可轴向移动跨过环形进气口21以便改变通过进气口21的气体流动路径的尺寸(即改变涡轮机的几何形状)。例如，圆柱形套筒28可进行运动，以便关闭或至少部分关闭、或开放或至少部分开放一个或多个进气口部分26a、26b、26c。
还示出涡轮机22包括涡轮机叶轮29，其安装到涡轮轴30上以便围绕涡轮轴旋转。
虽然在图2中看不到，但是套筒28的前端(其包括前边缘或前面)轴向延伸部分(程度)在幅度上沿套筒28的周长变化。图3a至图3c示出这种变化的不同实例。
图3a示出套筒40的实施例。套筒40的前端42的轴向延伸部分(程度)在幅度上沿套筒40的周长变化。上述变化具有槽形构造。槽形构造可替换地或另外地被描述为以方波状方式的轴向变化。
图3b示出套筒50的另一实施例。套筒50的前端52的轴向延伸部分(程度)在幅度上沿套筒50的周长变化。上述变化具有槽形构造。在该实施例中，槽形构造不成严格意义上的角度，而是涉及槽形构造的侧边缘和底边缘的曲率。槽形构造可替换地或另外地被描述为以波状方式的轴向变化。
图3c示出套筒60的另一实施例。套筒60的前端62的轴向延伸部分(程度)在幅度上沿套筒60的周长变化。上述变化具有波状性质，例如以正弦方式变化。由于套筒前端的轴向延伸部分(程度)在幅度上沿套筒的周长变化，因此不以苛刻的逐步方式打开或关闭进气口部分，就像如果套筒前端的轴向延伸部分(程度)在幅度上没有变化而以苛刻的逐步方式打开或关闭进气口部分的情况那样。这整体上可能会导致涡轮机性能的相关或相关逐步进行的特点。相反，轴向变化确保进气口部分的打开或关闭更加逐步地进行，从而消除或减轻这种逐步进行的特性。
参考图3a至图3c，轴向延伸部分在幅度变化上的最大值70可大体上等于：进气口部分的轴向宽度；或进气口部分的轴向宽度加上分隔进气口的隔板的轴向宽度；或通过进气口部分的进气通道的轴向宽度。当套筒轴向移动时，这可能有利于通过进气口部分的气体流动的平稳变化或过渡。
进气口部分可包括将进气口部分分为一个或多个进气通道的一个或多个叶片或其它结构。轴向延伸部分在周向方向上的幅度(例如节距或波长72)变化与一个或多个叶片或其它结构的位置或在一个或多个叶片或其它结构之间的间距在某种程度上同步。上述同步可沿着套筒的周长扩展或继续。例如，同步可以使得幅度变化与叶片或其它结构的位置同相。可选的或另外的，在最大和最小轴向延伸程度之间限定的面积(区域)可等于在变化附近的叶片或其它结构之间限定的面积(区域)。换言之，由套筒前端的凹进处(或换言之，突起之间)限定的面积可等于通过那些进气口部分的进气口部分或进气通道的开口或开放面积。这可确保当套筒前端前缘与分隔进气口的隔板对齐时，将通过由套筒部分封闭的进气口部分的气流进行优化。可将上述的关于轴向延伸程度的幅度变化的最大值的理念与同步结合使用。
参考图4，示出结合有切口区域A和B的套筒80的另一实施例，其中在图4只可看见两个切口区域。切口区域A和B的总面积设计成大体上等于由位于套筒径向内侧的叶片所限定的喉区(未在图4中示出)的面积。以该方式，套筒的轴向位置主要控制通过涡轮机进气口而不是叶片喉区的气流量。每个区域A的轴向深度大体上等于在涡轮进气口内的相邻隔板之间的距离。每个区域B的目的是通过允许将更多的圆周区域在区域A开始受到隔板遮挡的点处暴露给气流来尽可能过滤掉或减少对隔板的不良影响，由于该原因，区域B的轴向深度等于每个隔板的轴向厚度。
如果切口的数目大体上等于叶片数目，那么单个叶片喉区与套筒的径向叠加的切口部分的对准是最重要的。应该意识到在所有实施例中并不一定必须都是这种情况。在替代的实施例中，例如可希望存在更多的切口。在这种情况下，可以应用相同的基本理论，即由套筒切口限定的总流通面积应该大体上近似或等于由所有叶片喉区的组合限定的总流通面积。由一个或多个切口部分限定的套筒端部轮廓的形状可定制成满足特定的要求。例如，套筒可设有锯齿，正弦或半圆形轮廓。
参考图5，具有半圆形切口92的套筒90是尤其期望的，因为半圆形切口在流体特性和制造设计之间提供很好的折衷。与一些更复杂的轮廓相比，半圆形轮廓可相对容易地加工，但仍然相对于轴向位置在流通区域中提供周长的增加以从隔板滤出。
在某些实施例中，有利的是套筒切口部分的轴向深度大体上等于在涡轮机进气口内的相邻隔板之间的间距(包括一个隔板的宽度)。在这种实施例中，还有利的是至少一个或多个隔板，更优选最多的隔板，或是所有的隔板应该具有基本相等的轴向间距。
在一些实施例中，套筒端部的所有切口部分没有必要都具有相同的形状，尺寸或具有相等的间距，但通常优选的是，它们的相对于通过涡轮机进气口的气流的总横截面积应该大体等于由叶片限定的至少一个环形阵列的进气通道的喉区的横截面积。
发明还可以现在将论述的一些方式来替代或另外地描述或限定。
套筒前端的轴向延伸程度沿着套筒周长在幅度上变化。这导致沿着套筒前端周长限定若干凹进处和/或突起。凹进处(其可限定为突起之间的间隔)延伸通过整个厚度或延伸通过套筒。在套筒移动时，凹进处和/或突起起到选择性地阻断或暴露(如关闭或打开)进气口部分或由其它结构在那些部分中提供的进气通道的作用。
显然套筒可不具有叶片。已知现有技术提供具有叶片的套筒以便影响气体流过叶片的攻角。然而，重要的是要注意到这种现有技术的套筒是圆柱形的，且该圆柱形套筒设有叶片。换言之，现有技术套筒前端的轴向延伸程度在幅度上不沿着套筒周长变化。在该现有技术的套筒中，沿着套筒前端的周长并没有限定若干凹进处和/或突起。相反，叶片从该套筒的圆形面伸出。
在另一种现有技术的套筒中，套筒的前面部分(即非端部)在轴向方向进一步延伸，这样当套筒进行合适的运动时，另外的相邻部分(例如外径部分)容纳叶片结构。然而，同样的是现有技术套筒前端的轴向延伸程度在幅度上不沿着套筒周长变化。相反，轴向延伸部分限定圆形结构。在该现有技术的套筒中，沿着套筒前端的周长并没有限定若干凹进处和/或突起。
优选的，套筒围绕进气口部分，已发现上述赋予改进的空气动力学性能。换言之，套筒内径大于一个或多个进气口部分的外径(或外部径向延伸程度)。在另一个实施例中，套筒可由进气口部分环绕。换言之，套筒外径可小于一个或多个进气口部分的内径。在另一实施例中，套筒可移动通过一个或多个进气口部分。换言之，套筒直径(如内径或外径，或平均直径)可小于一个或多个进气口部分的外径，但大于一个或多个进气口部分的内径。
套筒在径向方向上的延伸程度(其可描述为套筒的厚度)可是小的以便减少在套筒或其致动器上的气动载荷。“小”可限定为小于环形进气口的轴向宽度，小于进气口部分或通道路径的轴向宽度。套筒的厚度可小于5mm，小于4mm，小于3mm，小于2mm，或小于1mm，例如厚度约为0.5毫米。
通常情况下，废气从周围蜗壳或腔室流向环形进气口。因此环形进气口限定在蜗壳的下游，其中蜗壳的下游端终止于环形进气口的上游端。因此，蜗壳将气体传送到环形进气口，而本发明的一个或多个进气通道或部分接收来自蜗壳的气体。在一些实施例中，限定环形进气口的第一和第二进气口侧壁为限定蜗壳的连续的壁。环形进气口可由位于环形进气口内的一个或多个隔板分隔成至少两个轴向偏移的进气通道或部分，因此上述进气通道或部分位于蜗壳下游。
已经在附图中利用单个流体蜗壳对本发明的涡轮机进行了说明，但它也适用于轴向分隔开的壳体，由此来自发动机的一个或多个汽缸的气体被导引到被分隔的蜗壳之一内，而来自一个或多个其它汽缸的气体被导引到不同的蜗壳内。还可能将涡轮壳体沿周向分隔开以便提供多个周向分隔开的蜗壳，或甚至将涡轮壳体在周向和轴向分隔开。但是应该意识到，应将轴向或周向分隔开的蜗壳与存在于本发明涡轮机中的多个进气通道或部分相区分开。例如，进气通道或部分涉及到喷嘴结构，其布置成使得从蜗壳接收的废气加速流向蜗壳，并且当其加速时任选地调整或控制气体的旋涡角。形成本发明一部分的多个进气通道或部分可进一步与分隔开的蜗壳布置相区分，因为进气通道或部分接收来自蜗壳(或分隔开的蜗壳)的气体，且将气体分隔成引导到涡轮机上的路径阵列，分隔开的蜗壳接收来自废气歧管的气体以便保持由单独的发动机汽缸打开事件导致的气体脉冲的气流速度。
应该意识到轴向偏移的进气通道或部分包括具有不同轴向位置的进气通道或部分，和/或具有不同轴向延伸程度的进气通道与部分。轴向偏移的进气通道或部分可间隔开，相邻或轴向重叠。

Claims (9)

1.一种可变几何涡轮机，包括：
涡轮机叶轮，安装成用于围绕壳体内的涡轮轴旋转，壳体限定环绕涡轮机叶轮的，且在第一和第二进气口侧壁之间限定的环形进气口，环形进气口被分隔成至少两个轴向偏移的进气口部分；
圆柱形套筒，可轴向移动跨过环形进气口以便改变通过进气口的进气流动路径的尺寸；
其中套筒前端的轴向延伸部分在幅度上沿着套筒的周长变化。
2.根据权利要求1所述的可变几何涡轮机，其中轴向延伸部分的变化限定出沿着套筒前端周长定位的多个凹进处和/或多个突起。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的可变几何涡轮机，其中套筒或其轴向延伸部分没有叶片。
4.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中轴向延伸部分在幅度变化上的最大值大体上等于：
进气口部分的轴向宽度；或
进气口部分的轴向宽度加上分隔进气口的隔板的轴向宽度；或
通过进气口部分的进气通道的轴向宽度。
5.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中轴向延伸部分的变化使得由套筒前端中的凹进处或在套筒前端的突起之间限定的面积等于进气口部分的开口面积或通过形成于那些进气口部分内的进气通道的开口面积。
6.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中进气口部分包括将进气口部分分隔成一个或多个进气通道的一个或多个叶片或其它结构，其中轴向延伸部分在周向方向上的幅度变化与一个或多个叶片或其它结构的位置或在一个或多个叶片或其它结构之间的间距同步。
7.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中套筒在径向方向上的厚度小于环形进气口的轴向宽度，或小于形成于该进气口部分中的进气口部分或进气通道的轴向宽度。
8.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中套筒内径大于进气口部分的外径或外部径向延伸程度。
9.根据任一前述权利要求所述的可变几何涡轮机，其中套筒前端的轴向延伸程度可以下述方式变化：
槽形方式；和/或
波状方式。
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