CN103277184B - 立式涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种立式涡轮增压器，包括压气机、中间体、转子轴、涡轮、密封环、非液态油润滑轴承，所述转子轴与地面垂直，压气机和涡轮分别设置在转子轴的上端和下端，所述转子轴的下端与涡轮的涡轮壳之间设置有轴向推力轴承，所述压气机和涡轮之间设置有两端分别与压气机和涡轮连接的中间体，所述中间体通过非液态油润滑轴承与转子轴相配合，在中间体靠近涡轮的一端与转子轴之间设置有密封环，所述的压气机和涡轮的进气口和出气口均为径向进气口和径向出气口。本发明消除了转子重力对系统稳定性的影响，提高了所述涡轮增压器的转子动力学性能；提高了气动效率、压比及机械效率。与传统的涡轮增压器相比，结构更加紧凑、气体流动损失小。

Description

立式涡轮增压器

技术领域

本发明属于车辆动力机械领域，具体涉及一种采用非液态油润滑的轴承、涡轮转子轴竖直设置的立式涡轮增压器。

背景技术

涡轮增压是内燃机强化、节能、环保的最重要技术措施之一。发动机的涡轮增压器利用发动机排出的废气能量驱动涡轮带动同轴的压气机对空气做功，将压缩空气送入发动机气缸，在不增加发动机气缸容积的条件下，增加空气充量系数，使发动机喷入更多燃油，从而提高发动机输出功率、改善燃烧，达到强化发动机的目的。与自然进气发动机相比，当代涡轮增压技术能使汽油机节能10%～20%、使柴油机节能20%～40%。因此，涡轮增压器应用日益普及，发展迅猛。

目前，日益严格的汽车节能环保要求，推动涡轮增压器向高转速、高强化、高紧凑性方向发展，这对涡轮增压器轴承-转子系统动力学特性提出了越来越高的要求。当代车用涡轮增压器的主要工作区域在二阶临界转速与三阶临界转速之间，现有的油膜浮动轴承涡轮增压器容易受到油膜力、密封力、不均匀叶尖激振力等多种复杂、非线性激振源的激励，导致油膜振荡、失稳、可靠性降低、增压器失效等问题；球轴承涡轮增压器除非线性激励外、还可能在跨临界转速时振动超阈值使涡轮增压器转子碰摩、导致增压器失效。因为车用涡轮增压器结构紧凑、尺寸小、成本低廉，采用现有技术对增压器油膜浮动轴承与球轴承进行支承特性参数，如刚度、阻尼等的动态调节与控制，实现对转子动力学特性的调节与控制难度很大、成本高。

同时，油膜浮动轴承的润滑和密封方式决定了目前的涡轮增压器只能水平安装，而转子轴水平设置时，转子自身的重力会对转子的运动产生影响，重力会在自转轴线上产生交变力矩，使得转子获得角加速度，进而影响转子的动力学特性，降低涡轮增压器转子的稳定性。即使转子不旋转，由于压气机和涡轮自身的质量的不平衡，转子轴出现静挠曲。

涡轮增压器的涡轮和压气机设计需要充分考虑影响转子振动的不均匀叶尖激振力和由叶轮产生的轴向气动负荷，并尽可能减小。现有的车用涡轮增压器压气机采用离心式压气机，气流为轴向进气、径向出气；涡轮采用径流式涡轮，气流为径向进气，轴向出气，这使得进气的气流方向与出气的气流方向呈90°角，气体流动损失大、降低了气动效率。此外，现有车用涡轮增压器压气机轴向进气、径向出气与涡轮径向进气、轴向出气产生了很大的轴向气动负荷，现有的涡轮增压器必须安装止推轴承承受轴向气动负荷。

随着科技进步与汽车排放法规要求越来越严，由于二级增压系统相对于一级增压系统在高强化、改善加速性能与废气能量利用方面具有优势，因而二级涡轮增压在汽车发动机和特种车辆发动机领域的研究和应用也越来越广泛。最常见的二级增压系统采用两个涡轮增压器和柴油机在气路上串联的结构，总体积大，不利于其在车辆动力舱中布置；并且气流通道复杂、流动损失大，控制系统复杂、成本高、可靠性差。

发明内容

为克服现有技术的不足，减少有涡轮增压器中转子重力对系统振动的影响、优化转子轴动力学性能，实现高性能、高强化、高紧凑性目标，本发明提供了一种采用非液态油润滑的轴承、涡轮转子轴竖直设置的立式涡轮增压器。

本发明所述的立式涡轮增压器，包括压气机、中间体、转子轴、涡轮、非液态油润滑轴承，所述转子轴与地面垂直，压气机和涡轮分别设置在转子轴的上端和下端，所述压气机和涡轮之间设置有两端分别与压气机和涡轮连接的中间体，所述中间体通过非液态油润滑轴承与转子轴相配合，在中间体的两端与转子轴之间均密封配合，所述的压气机和涡轮的进气口和出气口均为径向进气口和径向出气口。

优选地，所述压气机的进气口和出气口之间的夹角为α,180°≤α≤360°，所述涡轮的进气口和出气口之间的夹角为β，180°≤β≤360°。

优选地，所述涡轮为一级涡轮，所述一级涡轮的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述涡轮为多级涡轮，所述多级涡轮具有多个依次安装在转子轴上的涡轮叶轮，所述多级涡轮的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述压气机为一级压气机，所述一级压气机的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述压气机为多级压气机，所述多级压气机具有多个依次安装在转子轴上的压气机叶轮，所述多级压气机的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

优选地，所述二次曲线为圆弧、椭圆弧、抛物线或渐开线。

优选地，所述多级压气机的出气口和多级涡轮的进气口采用拉法尔喷管结构，所述拉法尔喷管结构为先收缩后扩张的喉口结构。

优选地，所述非液态油润滑轴承为电磁轴承、空气轴承或脂润滑轴承、气雾润滑球轴承中的一种。

优选地，所述中间体靠近涡轮的一端设置有冷却水腔。

优选地，所述转子轴的下端与涡轮的涡轮壳之间设置有轴向推力轴承，所述转子轴下端的顶部设置为球型顶尖结构、与轴向推力轴承配合。

优选地，在中间体与压气机之间还设置有围绕转子轴设置的电动发电机和离合装置，所述电动发电机能通过离合装置与转子轴的结合与分离。

本发明具有以下有益效果：

（1）本发明所述立式涡轮增压器采用非液态油润滑轴承，如电磁轴承、空气轴承、脂润滑轴承或气雾润滑球轴承，依靠电磁力、空气弹性力、油脂承载力或滚珠支承力将转子悬浮，摩擦损失小、噪声低；适应工作转速范围广、允许高转速。因此，非液态油润滑轴承取代液态油润滑的浮动轴承，使得涡轮增压器竖立安装成为可能。本发明所述立式涡轮增压器的转子轴能够以垂直于地面的方式设置，使得所述涡轮增压器能够使所述立式涡轮增压器的转子重心处于轴心，不产生静挠曲；在转子旋转过程中，转子自身的重力在轴线上的力矩为零，因此，消除重力对涡轮增压器转子转动产生影响，提高涡轮增压器转子的稳定性。同时，非液态油润滑轴承容易对轴承刚度、阻尼特性实施主动调节与控制，实现轴承-转子动力学特性的调节与控制。提高了涡轮增压器的转子动力学性能，增加其寿命和可靠性。

（2）与传统的离心式压气机和径流式涡轮相比，本发明中所采用压气机和涡轮均为径向进气、径向出气，在工作过程中不会产生轴向气动负荷，减轻了轴向摩擦，提高了机械效率，使涡轮增压器中不再需要设置止推轴承，简化了所述涡轮增压器的结构。而且径向进气、径向出气的气体流动方式还减少了气体流动因转弯造成的损失，能够有效提高效率，实现较高的压比。研究表明：径向进气、径向出气的混流涡轮由于气流转弯造成的损失较径流涡轮小，比径流涡轮气动效率高1%～5%。

（3）本发明所述立式涡轮增压器能够缩短轴向尺寸，涡轮和压气机为径向进气、径向出气的结构，使得压气机壳和涡轮壳的结构更为简单。

（4）立式涡轮增压器更容易实现二级及以上多级增压，能更充分利用发动机废气能量，极大地提高了发动机效率。

（5）非液态油润滑轴承，如电磁轴承、空气轴承、脂润滑轴承、气雾润滑轴承，动力损失和热量产生小、噪声低，能涡提升轮增压器实现性能，提高了增压器总效率。

附图说明

图1为本发明所述立式涡轮增压器第一实施例的结构图。

图2为本发明所述立式涡轮增压器第二实施例的结构图。

图3为本发明所述立式涡轮增压器第三实施例的结构图。

图4为本发明所述立式涡轮增压器第四实施例的结构图。

图中：1-压气机叶轮，2-压气机背盘，3-中间体，4-轴向电磁轴承，5-轴承挡圈，6-径向电磁轴承，7-冷却水腔，8-涡轮壳，9-球型顶尖，10-轴向推力轴承，11-涡轮叶轮，12-密封环，13-机械密封，14-电动发电机定子，15-线束，16-摩擦片组，17-离合器电磁线圈，18-衔铁、弹簧及导柱，19-空气轴承，20-电动发电机转子。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明的技术方案做进一步进行详细的说明。

本发明所述的立式涡轮增压器采用非液态油润滑轴承，无需润滑和密封。常用的非液态油润滑轴承有电磁轴承、空气轴承、脂润滑轴承、气雾润滑球轴承。其中，电磁轴承是依靠电磁力将转子悬浮，无机械接触、摩擦损失小、噪声低，适应工作转速范围广、允许高转速；空气轴承是利用空气弹性力起支承作用，无机械接触、阻尼小、摩擦损失较小、温升低；脂润滑轴承是利用油脂承载力支承起转子，无机械接触、阻尼较小、摩擦损失较小；气雾润滑球轴承是依靠滚珠支承力承载转子，利用气雾润滑滚珠，阻尼较小、摩擦损失较小、温度较低。非液态油润滑轴承根据所提供支撑力方向的不同，主要分为径向轴承和轴向轴承，分别用于承担径向和轴向载荷。

第一实施例：

图1为本发明所述立式涡轮增压器第一实施例的结构图。本实施例中所采用的非液态油润滑轴承为电磁轴承，包括径向电磁轴承6、轴向电磁轴承4，如图1所示。所述的立式涡轮增压器的转子轴与地面垂直设置，压气机和涡轮分别设置在转子轴的上端和下端，在本发明中，所述转子轴竖直设置，因此转子轴的下端与涡轮的涡轮壳8配合处设置有轴向推力轴承10，用于承载轴向力。较佳地，为了减小转子轴转动时与轴向推力轴承10之间的摩擦力，所述转子轴下端的顶部设置为球型顶尖9结构、与轴向推力轴承10配合。所述轴向推力轴承10也可以省略，通过气动设计平衡轴向推力。在所述压气机和涡轮之间设置有两端分别与压气机和涡轮连接的中间体3，所述中间体3通过径向电磁轴承6、轴向电磁轴承4与转子轴相配合。所述中间体的两端与转子轴之间均密封配合，本实施例中，为了防止涡轮端高温废气对电磁轴承的影响，在靠近涡轮的一端，中间体3与转子轴之间设置有密封环12，用以防止废气向中间体内泄漏；在中间体3靠近压气机的一端与转子轴配合处的密封连接，例如在中间体与转子轴之间设置机械密封13，用以密封增压空气向中间体内泄漏。所述压气机由压气机叶轮1、压气机壳和压气机背盘2构成，所述涡轮由涡轮叶轮11和涡轮壳8构成。所述径向电磁轴承6、轴向电磁轴承4位于中间体3与压气机背盘2和涡轮壳8组成的空间内、并围绕转子轴设置。为了防止所述径向电磁轴承6在轴向方向上的滑动，在所述径向电磁轴承6的一侧设置轴承挡圈5。所述压气机为一级压气机，进气口和出气口均为径向进气口和径向出气口，气体流道的中心线为圆弧、椭圆弧、抛物线等二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状，保证流经压气机的气流为径向进气、径向出气，降低气流能量的损失;同时，为了进一步使压气机的进气口和出气口的夹角为α，180°≤α≤360°，保证通过压气机的气流在压气机中至少绕压气机叶轮1转过180°，提高压气机效率提高压气机的增压比。本实施例中所述涡轮也为一级涡轮，所述涡轮的流道也为的中心线为圆弧、椭圆弧、抛物线等二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。为了充分利用废气的能量，所述涡轮的进气口和出气口也为径向进气口和径向出气口，涡轮的进气口和出气口的夹角为β，180°≤β≤360°为了防止流经涡轮的废气热量对径向电磁轴承6、轴向电磁轴承4的影响，在所述中间体3靠近涡轮的一端设置有冷却水腔7，在工作过程中以水冷的方式降温。

第二实施例：

图2为本发明所述立式涡轮增压器第二实施例的结构图。如图2所示，进一步地，为了解决涡轮增压器“涡轮滞后”的问题，以及提高废气能量利用率、改善发动机的经济性，本实施例在所述立式涡轮增压器的中间体3与压气机之间设置电动发电机和离合装置，所述电动发电机和离合装置均围绕转子轴设置，所述电动发电机能通过离合装置与转子轴的结合与分离。当发动机启动、加速或低速工况时，所述电动发电机转子20通过离合装置与转子轴结合，电动发电机转子20与涡轮一起带动同轴压气机旋转，电动发电机作为电动机带动转子轴转动，解决“涡轮滞后”的问题，提高转子的加速性能。当发动机转速上升到一定程度达到中速工况时，离合装置控制电动发电机与转子轴分离，所述电动发电机处于空载状态。当发动机转速上升到高速工况，废气能量过剩的情况下，离合装置控制电动发电机转子20与转子轴结合，转子轴带动电动发电机转自转动，与电动发电机定子14相互作用，此时电动发电机作为发电机将机械能转化为电能、并通过线束15传送给蓄电池以存储，将多余的废气能量转换成为电能并储存在蓄电池中，提高废气能量利用率，改善发动机的经济性。

具体地，所述离合装置可以采用多种形式的离合装置，例如齿轮离合装置、磁流变离合装置、电磁离合装置等，本实施例以电磁离合装置为了详细说明，所述电磁离合装置由离合器电磁线圈17、衔铁、弹簧及导柱18、摩擦片组16、轴套和空气轴承组成。离合装置由离合器电磁线圈17、衔铁、弹簧及导柱18、摩擦片组16、轴套和空气轴承组成。空气轴承的轴套通过铆钉分别与周向布置的三组衔铁、弹簧及导柱18连接，衔铁上附有摩擦片组16，离合器电磁线圈17固定于所述涡轮增压器的中间体3上。通过电磁离合装置的通、断电实现电动机/发电机转子与所述转子轴的结合与分离。所述电动发电机为直流无刷永磁式电动发电机，包括电动电机转子、电动发电机定子14。所述电动发电机定子14为永磁铁，所述电动电机转子为线圈结构，电动电机转子通过离合装置与转子轴连接、形成轴向磁场，电动发电机定子14以与电动发电机转子20相对的方向安装在涡轮增压器中间体3上，电动发电机定子14与电动发电机转子20之间采用空气轴承19连接。当离合器电磁线圈17通电时，弹簧被压缩，在衔铁的带动下摩擦片组16与所述转子轴分离，达到分离电动发电机转自与所述转子轴分离的目的；当离合器电磁线圈17断电，由于衔铁不再受到电磁力，弹簧恢复至原长，摩擦片组16所述转子轴结合，电动/发电机转子与所述转子轴结合、并在所述转子轴的带动下旋转。

第三实施例：

在第一实施例和第二实施例中，所述压气机和涡轮分别为一级压气机和一级涡轮，本发明的第三实施例如图3所示。为了提高废气的利用效率，提高压气机的工作效率，本实施例中，所述涡轮为具有两个涡轮叶轮11的二级涡轮，所述的两个涡轮叶轮11依次安装在转子轴上，较佳地，所述的两个涡轮叶轮11一大一小，所述二级涡轮的涡轮壳8内的气体流道的中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。所述压气机为具有两个压气机叶轮1的二级压气机，所述的两个压气机叶轮1依次安装在转子轴上；较佳地，所述的两个压气机叶轮1一大一小，所述二级压气机的压气机壳内的气体流道的中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

在具体应用中，为了提高压气机的增压比、涡轮的膨胀比，所述压气机和涡轮的级数可以增至三级或三级以上的多级。当气体速度达到或超过音速时，所述多级压气机的出气口和多级涡轮的进气口采用拉法尔喷管结构，所述拉法尔喷管结构为先收缩后扩张的喉口结构。同时，所述压气机和涡轮的级数可以对等设计也可以不对等的设计，例如：所述涡轮为二级涡轮，压气机为一级压气机。

另外，本实施例中为了解决“涡轮滞后”的问题，提高能量利用率，在本实施例的结构的基础上，设置电动发电机和离合装置，其结构如图4所示，为本发明的第四实施例。

以上实施例仅为本发明的较佳实施例，并非本发明所有实施方式的穷举，本领域技术人员在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (13)

1.立式涡轮增压器，其特征在于，包括压气机、中间体(3)、转子轴、涡轮、非液态油润滑轴承，所述转子轴与地面垂直，压气机和涡轮分别设置在转子轴的上端和下端，所述压气机和涡轮之间设置有两端分别与压气机和涡轮连接的中间体(3)，所述中间体(3)通过非液态油润滑轴承与转子轴相配合，所述非液态油润滑轴承为电磁轴承，包括径向电磁轴承(6)和轴向电磁轴承(4)，所述径向电磁轴承(6)和轴向电磁轴承(4)位于中间体(3)与压气机背盘(2)和涡轮壳(8)组成的空间内、并围绕转子轴设置，在所述中间体(3)的两端与转子轴之间均密封配合，所述的压气机和涡轮的进气口和出气口均为径向进气口和径向出气口。

2.根据权利要求1所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述压气机的进气口和出气口之间的夹角为α，180°≤α≤360°，所述涡轮的进气口和出气口之间的夹角为β，180°≤β≤360°。

3.根据权利要求2所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮为一级涡轮，所述一级涡轮的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

4.根据权利要求2所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮为多级涡轮，所述多级涡轮具有多个依次安装在转子轴上的涡轮叶轮，所述多级涡轮的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

5.根据权利要求2所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述压气机为一级压气机，所述一级压气机的流道中心线为二次曲线，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

6.根据权利要求2所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述压气机为多级压气机，所述多级压气机具有多个依次安装在转子轴上的压气机叶轮(1)，所述多级压气机的流道中心线为二次曲线或三次曲线及以上曲线，并呈螺旋形向上或向下结构，螺旋升角为γ，180°≤γ≤360°，流道横截面为圆形、双梨形或二次曲线构成的形状。

7.根据权利要求3-6任一项所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述二次曲线为圆弧、椭圆弧、抛物线或渐开线。

8.根据权利要求4所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述多级涡轮的进气口采用拉法尔喷管结构，所述拉法尔喷管结构为先收缩后扩张的喉口结构。

9.根据权利要求6所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述多级压气机的出气口采用拉法尔喷管结构。

10.根据权利要求1所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述非液态油润滑轴承为电磁轴承、空气轴承或脂润滑轴承、气雾润滑球轴承中的一种。

11.根据权利要求1所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述中间体(3)靠近涡轮的一端设置有冷却水腔(7)。

12.根据权利要求1所述的立式涡轮增压器，其特征在于，所述转子轴的下端与涡轮的涡轮壳(8)之间设置有轴向推力轴承(10)，所述转子轴下端的顶部设置为球型顶尖(9)结构、与轴向推力轴承(10)配合。

13.根据权利要求1-6、8-12任一项所述的立式涡轮增压器，其特征在于，在中间体(3)与压气机之间还设置有围绕转子轴设置的电动发电机和离合装置，所述电动发电机能通过离合装置与转子轴的结合与分离。