CN103114880B - 带冷却水套的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮增压器。一种带冷却水套的涡轮增压器，包括涡轮机轴、安装在涡轮机轴上的涡轮机涡轮和罩在涡轮机涡轮外的涡轮机涡壳，涡轮机涡壳设有进气口和出气口，涡轮机涡壳内设有水套，水套设有进水孔和出水孔，进水孔位于水套朝向出气口的一侧上，出水孔位于水套朝向进气口的一侧上。本发明旨在提供一种涡轮机涡壳上设有水套且水套内的水同涡轮机涡壳能够进行高效换热的涡轮增压器，解决了现有的涡轮增压器由于涡轮机温度较高而导致的燃油的有效利用率低、以及制约了涡轮机涡壳采用轻质材料进行制造的问题，涡轮机不能采用轻质材料制造会导致涡轮增压器的重量重、从而降低了发动机的有效功。

Description

带冷却水套的涡轮增压器

技术领域

 本发明涉及涡轮增压器，尤其涉及一种带冷却水套的涡轮增压器，属于发动机技术领域。

背景技术

目前涡轮增压器由于涡轮机涡壳结构和材料（一般采用高镍铸铁或者高镍不锈钢）的限制一般要求发动机排气温度不能过高。当前的涡轮增压器涡轮机涡壳材料为高镍铸铁或不锈钢，耐温可以达到950°，材料密度为7.8g/cm3。发动机的排放温度直接影响到燃油的有效利用率，当发动机在低速高负荷和高速时发动机气缸内的温度会很高，由于现有的涡轮增压器不能够将涡轮机的温度有效的降低、而涡轮增压器等零部件能承受的温度有限，而稳定发动机的排气温度不能过高，此时发动机会通过多喷油的方式降低气缸温度和使部分燃油不能充分燃烧，进而降低排温，或者增大点火提前角，使一部分有效功白白浪费掉。由于当前涡轮增压器中的涡轮机的温度较高，决定了涡轮增压器在涡轮机涡壳只能采用高镍铸铁或不锈钢的材料制作，高镍铸铁或不锈钢的密度较大、会使涡轮增压器的重量增加很多，降低了发动机的有效功。

在中国专利申请号为2009102081820、公开日为2010年4月14日、名称为“非对称双流道变截面涡轮增压器”的专利文献中公开了一种涡轮增压器。涡轮增压器主要包括涡轮机轴、连接在涡轮机轴一端上的涡轮机涡轮、连接在涡轮机轴另一端的压气机叶轮、罩在涡轮机叶轮上的涡轮机涡壳、罩在压气机叶轮上的压气机涡壳和将压气机涡壳同涡轮机涡壳连接在一起的中间体，涡轮机涡壳设有进气口和出气口。使用过程中发动机排出的废气经进气口进入涡轮机涡壳驱动涡轮机涡轮转动后从出气口排出，涡轮机转轴带动压气机叶片转动，使得压气机叶片随发动机废气的排出速度而改变发动机的进气量。

现有的涡轮增压器除前述提到的不足之处外还存在以下不足：涡轮机涡壳的表面温度高、不小心触碰到时会产生烫伤事故，故安全性差；涡轮机涡壳的隔音效果差，对环境的噪音污染大。

发明内容

本发明的第一个目的旨在提供一种涡轮机涡壳上设有水套且水套内的水同涡轮机涡壳能够进行高效换热的涡轮增压器，解决了现有的涡轮增压器由于涡轮机温度较高而导致的燃油的有效利用率低、以及制约了涡轮机涡壳采用轻质材料进行制造的问题，涡轮机不能采用轻质材料制造会导致涡轮增压器的重量重、从而降低了发动机的有效功。

本发明的第二个目的旨在提供一种涡轮机涡壳外表面温度低且噪音小的带冷却水套的涡轮增压器，解决了现有的涡轮增压器噪音大的问题和涡轮机涡壳外表面温度高所导致的安全性差的问题。

以上技术问题是通过下列技术方案解决的：一种带冷却水套的涡轮增压器，包括涡轮机轴、安装在涡轮机轴上的涡轮机涡轮和罩在涡轮机涡轮外的涡轮机涡壳，所述涡轮机涡壳设有进气口和出气口，所述涡轮机涡壳的壳体内设有水套，水套设有进水孔和出水孔，进水孔位于水套朝向所述出气口的一侧上，出水孔位于水套朝向所述进气口的一侧上。使用过程中发动机排出的废气经进气口进入涡轮机涡壳后从出气口排出，废气导致涡轮机涡壳温度上升，冷却水从进水孔进入水套后从出水孔排出，起到对涡轮涡壳进行降温的作用。由于涡轮机涡壳的温度被水套有效地降低，在发动机的整个运行过程中可以提高发动机的排气温度，从而省去因要降低排温而多喷的油，提高燃油利用率。涡壳的材料可以使用普通的铝合金来替代原先的高镍铸铁，以降低发动机的重量，减小对稀有金属的依赖性和对环境的污染且发动机的有些功高。

作为优选，所述水套的内周面上设有沿涡轮机涡壳周向延伸的若干第一扰流环。设计扰流环，能提高水套内的水同涡轮机涡壳之间的换热效果。第一扰流环设计在水套的内周面上，能起到增大涡轮机涡壳的散热面积的作用。如果将第一扰流环设计在外周面上则在扰流效果上是一样的，但反而会起到降低涡轮机涡壳的有效散热面积的作用。因热源为发动机排出的废气，废气是位于涡轮机涡壳所围成的空间内的，温度是从水套内周面、冷却水到水套外周面依次降低的，故水套内周面面积的增大能够提高涡壳热量释放的效果，而水套外周面面积的增加会增大涡壳吸热效果即涡壳传给冷却水的热量反而下降。

作为优选，所述第一扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为锐角，所述水套的外周面上设有沿涡轮机涡壳周向延伸的若干第二扰流环，所述第二扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为锐角，所述第一扰流环同所述第二扰流环沿水套的母线延伸方向错开分布。冷却水沿着水套母线方向前行的过程中，在第一扰流环轴向端面和第二扰流环的轴向端面的反射作用下，冷却水在水套内反射式前行而不是沿水套母线延伸路线前行，使得位于水套内周面附件的高温冷却水同位于水套外周面盘的低温冷却水能够充分混合，从而提高冷却水对涡轮机涡壳的冷却效果。

作为优选，相邻的第一扰流环和第二扰流环沿水套的厚度方向重叠。冷却水在水套内前行的过程中，不存在沿水套母线延伸方向直行的分流，扰流效果好，冷却水对涡轮机涡壳的冷却换热效率高。

作为优选，所述第一扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为45°，所述第二扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为45°。冷却水在水套内行走的路径最长，扰流换热效果最佳。

作为优选，所述进水孔的出口位于所述水套的外周面上，所述第一扰流环中的一个扰流环的轴向端面同所述进水孔的出口对齐，所述出水孔的进口位于所述水套的端面上。冷却水进入水套的过程中不会产生回流现象，能提高冷却水进入水套时的流畅性。冷却水离开水套时顺畅，能提高换热冷却效果好和降低促使冷却水循环时的能耗。

作为优选，所述进水孔和所述出水孔各至少有四个，进水孔和出水孔都沿水套的周向均匀分布，所述涡轮机涡壳还设有进水环和出水环，进水孔连通所述进水环和水套，所述出水孔连通所述出水环和水套。位于水套同一截面上的冷却水之间的压力差小，冷却水不会在水套内作周向的无效流动，冷却换热效果好。

作为优选，所述涡轮机涡壳的壳体内设有沿涡轮机涡壳周向延伸的环形隔音绝热腔，所述隔音绝热腔位于所述水套的径向外侧。设置隔音绝热腔，一方面能够降低涡轮机涡壳外表面的温度以提高安全性，同时还能降低涡壳的重量；另一方面能够有效地降低涡轮机内的噪音外传，对环境的噪音污染小。

作为优选，所述隔音绝热腔设有排气孔，所述涡轮机涡壳内表面上设有流道，所述排气孔同所述流道连通，所述排气孔设有朝向所述流道开启的单向阀，所述排气孔同流道内的气流方向的夹角为锐角。发动机排出的废气在流道内流动时，能够在排气孔处产生负压空间（射流原理），如果该负压空间的压力低于隔音绝热腔内的压力、则单向阀开启，使得隔音绝热腔内的压力始终保持在一个历史压力最低值，隔音绝热腔内的气体稀薄，从而起到更好地提高隔音绝热腔的降噪绝热效果的作用。该方式无需对隔音绝热腔进行制作时抽真空，提高了制作时的方便性。

作为优选，所述排气孔设置在流道的进气端。废气流经进气端时的流速快，能使隔音绝热腔内的压力更低，绝热隔噪效果好。

本发明具有下述优点，水套的设置，能有效地降低涡轮机涡壳的温度，能提高发动机燃油的有效利用率低，使得涡轮机涡壳采用轻质材料进行制造得以实现；进水孔位于水套朝向出气口的一侧上，出水孔位于水套朝向进气口一侧上，而冷却水的温度为从进水孔端向出水孔端逐渐降低，涡轮机涡壳的温度是从进气端向出气端逐渐降低，故该位置关系使得水套内各处的冷却水同涡轮机涡壳之间的温差较恒定，且水流同涡轮机涡壳所产生的热流为逆向对流，能提高冷却效果和换热效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的A出的局部放大示意图。

图3为本发明使用状态时的气流水流的流向示意图。

图中：压气机1，涡轮机转轴2，中间体3，涡轮机涡轮4，涡轮机涡壳5，流道51，进气口52，出气口53，进水环54，进水总口541，出水环55，出水总口551，水套56，第一扰流环561, 第二扰流环562， 进水孔563，出水孔564，隔音绝热腔57，排气孔571，单向阀572，水套母线L。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

参见图1，一种带冷却水套的涡轮增压器，包括压气机1、驱动压气机的涡轮机转轴2、安装固定涡轮机转轴的中间体3。涡轮机轴2的右端固定连接有涡轮机涡轮4。涡轮机涡轮4外罩有涡轮机涡壳5。

涡轮机涡壳5同中间体3固接在一起。涡轮机涡壳5的内表面上设有流道51。涡轮机涡壳5的左端设有进气口52，涡轮机涡壳5的右端设有出气口53。

涡轮机涡壳5内设有进水环54、出水环55、水套56和隔音绝热腔57。隔音绝热腔57为沿涡轮机涡壳5周向延伸的环形结构。隔音绝热腔57位于水套56的径向外侧。

参见图2，水套56的内周面上设有沿涡轮机涡壳5周向延伸的多个第一扰流环561。第一扰流环561轴向两端的端面即图中左右端面同水套母线L的夹角都为45°的锐角。水套56的外周面上设有沿涡轮机涡壳5周向延伸的多个第二扰流环562。第二扰流环562轴向两端的端面同水套母线L的夹角都为45°的锐角。第一扰流环561同第二扰流环562沿水套母线L的延伸方向错开分布。相邻的第一扰流环和第二扰流环沿水套56的厚度方向重叠。

水套56的右端设有进水孔563。进水孔563有四个。四个进水孔563沿水套的周向均匀分布。进水孔563的出口位于水套56的外周面上。第一扰流环561中的一个扰流环的轴向端面同进水孔563的出口对齐。进水孔563连通进水环54和水套56。进水环54上设有进水总口541。

水套56的左端设有出水孔564。出水孔564有四个。四个出水孔564沿水套的周向均匀分布。出水孔564的进口位于水套56的端面上。出水孔564连通出水环55和水套56。出水环55上设有出水总口551。

隔音绝热腔57设有排气孔571。排气孔571同流道51连通。排气孔571设有单向阀572。单向阀572朝向流道51开启。排气孔571设置在流道51的进气端。

参见图3并结合图1，本发明的工作过程为：

发动机排出的废气6经进气口52进入流道51驱动涡轮机涡轮4转动后从出气口53排出。涡轮机涡轮4通过涡轮机轴2驱动压气机1。由于排气孔571同废气6的流动方向成锐角，在废气6流动时所产生的射流作用下，排气孔571位于单向阀572和流道51之间的部分产生负压，如果该部分的压力低于隔音绝热腔57内的气体压力，单向阀57开启而使得隔音绝热腔57内的压力进一步降低而变得稀薄，起到提高隔音绝热效果的作用，且隔音绝热腔57内的压力为历史最低值。

冷却水7经进水总口541进入进水环54，进水环54内的冷却水经进水孔563进入水套56，在第一扰流环561和第二扰流环562的作用下，冷却水7在水套内震荡前行，水套56外周面附件的冷却水和水套56内周面上的冷却水充分混合换热，冷却水7再经出水孔564进入出水套55，最后从出水总口551流出。

Claims (8)

1.一种带冷却水套的涡轮增压器，包括涡轮机轴、安装在涡轮机轴上的涡轮机涡轮和罩在涡轮机涡轮外的涡轮机涡壳，所述涡轮机涡壳设有进气口和出气口，其特征在于，所述涡轮机涡壳的壳体内设有水套，水套设有进水孔和出水孔，进水孔位于水套朝向所述出气口的一侧上，出水孔位于水套朝向所述进气口的一侧上；所述涡轮机涡壳的壳体内设有沿涡轮机涡壳周向延伸的环形隔音绝热腔，所述隔音绝热腔位于所述水套的径向外侧，所述隔音绝热腔设有排气孔，所述涡轮机涡壳内表面上设有流道，所述排气孔同所述流道连通，所述排气孔设有朝向所述流道开启的单向阀，从排气孔进入流道的气流方向同流道内的气流方向的夹角为锐角。

2.根据权利要求1所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述水套的内周面上设有沿涡轮机涡壳周向延伸的若干第一扰流环。

3.根据权利要求2所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述第一扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为锐角，所述水套的外周面上设有沿涡轮机涡壳周向延伸的若干第二扰流环，所述第二扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为锐角，所述第一扰流环同所述第二扰流环沿水套的母线延伸方向错开分布。

4.根据权利要求3所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，相邻的第一扰流环和第二扰流环沿水套的厚度方向重叠。

5.根据权利要求3或4所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述第一扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为45°，所述第二扰流环轴向两端的端面同水套母线的夹角都为45°。

6.根据权利要求2或3或4所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述进水孔的出口位于所述水套的外周面上，所述第一扰流环中的一个扰流环的轴向端面同所述进水孔的出口对齐，所述出水孔的进口位于所述水套的端面上。

7.根据权利要求6所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述进水孔和所述出水孔各至少有四个，进水孔和出水孔都沿水套的周向均匀分布，所述涡轮机涡壳还设有进水环和出水环，进水孔连通所述进水环和水套，所述出水孔连通所述出水环和水套。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的带冷却水套的涡轮增压器，其特征在于，所述排气孔设置在流道的进气端。