CN103477050B - 涡轮增压机 - Google Patents
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Abstract
一种涡轮增压机，其压缩内燃机的燃烧用空气，向所述内燃机的燃烧室内强制送入高密度空气，其特征在于，包括：被从内燃机排出的排放气体旋转驱动的涡轮机动叶片；向涡轮机动叶片引导排放气体的涡轮机喷嘴（25），涡轮机喷嘴（25）在其半径方向的途中位置具有分隔涡轮机喷嘴（25）的分隔部件，分隔部件的外周侧（42b）从被涡轮机喷嘴（25）引导的排放气体的上游侧朝向下游侧，并且向涡轮机喷嘴（25）的内周侧倾斜。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压机，其能够与例如船舶用内燃机、发电用内燃机等大型内燃机组合使用。
背景技术
一般，涡轮增压机用于向内燃机强制送入高密度燃烧空气。作为此类涡轮增压机，例如专利文献1公开了一种将被涡轮机喷嘴引导的排放气体在涡轮机喷嘴的整体方向分割引导的方法，其结构简单，且能够减少制造费以及维护费，提高涡轮机的性能。
图2是局部剖面结构图，其表示在专利文献1中公开的涡轮增压机10的涡轮机20侧内部结构示例的剖面。在图2中涡轮机喷嘴25，在其整体的途中位置设有与转轴31大致平行地分割涡轮机喷嘴25的隔壁42。在比该隔壁42更靠涡轮机喷嘴25的外周侧的位置，排放气体从排放气体流路26被引导，在比该隔壁42更靠涡轮机喷嘴25的内周侧的位置，排放气体从排放气体流路36被引导。
排放气体管38与排放气体流路36连接，所述排放气体管38将气体入口外罩27的排放气体流路26之间进行连接，通过根据内燃机（未图示）的负荷控制设置在排放气体管38上的开闭阀41，引导排放气体。
即，在由于低负荷运转，从内燃机排放的排放气体量少的情况下，使开闭阀41处于全闭状态，仅在排放气体流路26引导排放气体，在由于高负荷运转，从内燃机排放的排放气体量多的情况下，使开闭阀41处于全开状态，向排放气体流路26以及排放气体流路36双方引导排放气体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：（日本）特开2010-216468号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，在如图2的情况下，当使开闭阀41处于全闭状态，仅从排放气体流路26将排放气体引导至涡轮机喷嘴25时，排放气体沿着设在涡轮机喷嘴25的隔壁42流向涡轮机喷嘴25的下游侧。因此，从涡轮机喷嘴25导出的排放气体不被引导至涡轮机动叶片30的整体，与在涡轮机喷嘴25不设置隔壁42的涡轮增压机相比，具有效率低下的问题。
本发明鉴于上述问题，旨在提供一种结构简单，且能够提高涡轮机效率的涡轮增压机。
解决技术问题的技术方案
本发明为了解决上述技术问题，采取了以下技术方案。
本发明涉及的涡轮增压机是一种涡轮增压机，其压缩内燃机的燃烧用空气，向所述内燃机的燃烧室内强制送入高密度空气，包括：被从所述内燃机排放的排放气体旋转驱动的涡轮机动叶片；和向该涡轮机动叶片引导所述排放气体的涡轮机喷嘴，该涡轮机喷嘴在其半径方向的途中位置具有分隔该涡轮机喷嘴的分隔部件，该分隔部件的外周侧从被所述涡轮机喷嘴引导的所述排放气体的上游侧朝向下游侧，向所述涡轮机喷嘴的内周侧倾斜。
引导从内燃机排出的排放气体的涡轮增压机的涡轮机喷嘴中，在其半径方向的途中位置设置分隔部件，该分隔部件的外周侧从被所述涡轮机喷嘴引导的所述排放气体的上游侧朝向下游侧，向所述涡轮机喷嘴的内周侧倾斜。因此，在比分隔部件靠向半径方向外侧的涡轮机喷嘴流动的排放气体，将沿着分隔部件的外周侧被引导至涡轮机喷嘴的内周侧。由此，能够将从涡轮机喷嘴导出的排放气体引导至涡轮机动叶片的整体。因此与不倾斜分隔部件的外周侧的情况相比，能够提高涡轮机效率。
进而，因为能够将排放气体引导至涡轮机动叶片的整体，与不倾斜分隔部件的外周侧的情况相比，能够降低振动应力。因此，能够提高涡轮增压机的完好性。
发明的效果
引导从内燃机排出的排放气体的涡轮增压机的涡轮机喷嘴中，在其半径方向的途中位置设置分隔部件，该分隔部件的外周侧从被所述涡轮机喷嘴引导的所述排放气体的上游侧朝向下游侧，向所述涡轮机喷嘴的内周侧倾斜。因此，在比分隔部件靠向半径方向外侧的涡轮机喷嘴流动的排放气体，将沿 着分隔部件的外周侧被引导至涡轮机喷嘴的内周侧。由此，能够将从涡轮机喷嘴导出的排放气体引导至涡轮机动叶片的整体。因此，与不倾斜分隔部件的外周侧的情况相比，能够提高涡轮机效率。
进而，因为能够将排放气体引导至涡轮机动叶片的整体，与不倾斜分隔部件的外周侧的情况相比，能够降低振动应力。因此，能够提高涡轮增压机的完好性。
附图说明
[图1]图1是表示本发明的一个实施方式涉及的涡轮增压机的涡轮机喷嘴与分隔板的纵剖面的局部放大图。
[图2]图2是以剖面表示以往的涡轮增压机涡轮机侧的内部结构例的局部剖面结构图。
具体实施方式
下面，参照图1所示的表示本发明的一个实施方式涉及的涡轮增压机的涡轮机喷嘴与分隔板的纵剖面的局部放大图、以及图2所示的表示以往的涡轮增压机涡轮机侧的内部结构的局部剖面结构图，对于本发明的一个实施方式涉及的涡轮增压机的结构进行说明。
在此，图2是以剖面表示同轴设置涡轮机以及增压机的大型内燃机用涡轮增压机的涡轮机侧的内部结构例的、局部剖面结构图。
涡轮增压机（也称为“排气涡轮增压机”）10，压缩内燃机（未图示）的燃烧用空气，向内燃机的燃烧室（未图示）内强制送入高密度燃烧空气。涡轮增压机10具有被从内燃机排放的排放气体旋转驱动的涡轮机动叶片30和向涡轮机动叶片30引导排放气体的涡轮机喷嘴25。
涡轮增压机10通过导入至涡轮机20的内燃机排放气体膨胀而获得的轴输出来旋转同轴31的压缩机（未图示），将压缩为高密度的压缩空气供应至内燃机，例如，轴流式涡轮机。
另外，在图2中以网格状阴影表示的部分，是为了隔热以及防噪声而设置的隔热材料11。
涡轮机20具有气体入口外壳27，该气体入口外壳27将分别形成的内侧外壳21以及外侧外壳22通过联结部（例如，双头螺栓23以及螺母24）一体化，使形成于内侧外壳21与外侧外壳22之间的空间成为将排放气体引导至涡轮机喷嘴25的排放气体流路（主排放气体流路）26。
上述具有二重结构的气体入口外壳27中，排放气体流路26形成于涡轮机20的旋转方向的整周，从气体入口外壳27的气体入口27a如图2中箭头Gi所示被导入的排放气体，通过排放气体流路26被导入至气体出口27b之后，如图2中箭头Go所示，从气体出口外壳28的出口向外部排出。气体出口27b开口设置成遍及旋转方向整周向涡轮机喷嘴25供应排放气体。
图2中符号29是设置于涡轮机动叶片30的下游侧的气体引导筒。
涡轮机20具有设在转轴31的一端部的转盘32和在该转盘32的周边部沿着周向安装的多个涡轮机动叶片30。涡轮机动叶片30被设置成接近作为涡轮机喷嘴25的出口的下游侧。而且，通过从涡轮机喷嘴25喷出的高温排放气体通过涡轮机动叶片30而膨胀，使转盘32以及转轴31旋转。
在上述具有二重结构的气体入口外壳27，内侧外壳21的一端部通过联结部（例如，双头螺栓23以及螺母24）被固定支承在外侧外壳22的一端部。即，内侧外壳21处于凸缘面21a与凸缘面22a重合的状态，在该重合状态下通过紧固联结部（例如，螺母24）而被固定支承，凸缘面21a形成在作为转盘32的相反侧的纸面右侧外壳端部上，凸缘面22a位于与该凸缘面21a相对而形成的外侧外壳22上，。上述凸缘面21a、22a中任一个都是与转轴31的轴向正交的面，该转轴31与转盘32一体地旋转。
内侧外壳21的另一端（转盘32侧的端部）内周部（另一端部内周侧）形成为中空圆筒状的部件33经由螺栓34结合（安装）的结构，在部件33的端面（转盘32侧的端面）经由螺栓35结合（安装）有作为形成涡轮机喷嘴25的环状部件的喷嘴环的内周侧部件25a。通常，形成被称为喷嘴环的涡轮机喷嘴25的环状部件形成为，以隔壁（分隔部件）42连结具有规定间距的内周侧部件25a以及外周侧部件25b的环部件之间的双重环结构。
形成涡轮机喷嘴25的喷嘴环的外周侧部件25b，其气体入口侧（气体出口27b侧）的端部内周面25c以喇叭形状被扩径。此外，在外侧外壳22的转盘32侧的端部设置形成有台阶部22b，以使外侧外壳22的内周面朝向转盘32的方向弯曲。该台阶部22b与设在喷嘴环的气体入口侧端部的台阶部25d在轴向卡合（嵌合）。
进而，在喷嘴环的外周侧部件25b，在成为气体出口侧（涡轮机动叶片 30侧）的端部连结有气体引导筒29。喷嘴环的外周侧部件25b与气体引导筒29之间的连结部，成为相互嵌合彼此端部的配合结构。
在内侧外壳21的内周侧（半径方向内侧），在涡轮机20的旋转方向的全周形成有在排放气体流路26的途中分岔且将排放气体引导至涡轮机喷嘴25的内周侧（半径方向内侧）的排放气体流路（副排放气体流路）36。该排放气体流路36设在排放气体流路26的内周侧（半径方向内侧），排放气体流路26与排放气体流路36被形成内侧外壳21的隔壁37分隔。
内侧外壳21的一端内周部（一端部内周侧）设有用于连接配管38的凸缘39，在配管38的途中位置连接有由控制装置40自动开闭的开闭阀（例如，蝶阀）41。在排放气体流路26的途中分岔的排放气体，通过凸缘39以及配管38被引导至排放气体流路36。
涡轮机喷嘴25在其半径方向的途中位置具有分隔涡轮机喷嘴25的隔壁42。即，在涡轮机喷嘴25的根端侧（喷嘴环的内周侧部件25a侧），其内周面（半径方向内侧的表面）42a与隔壁37的内周面（半径方向内侧的表面）37a形成同一平面，并且，设有分隔涡轮机喷嘴25的内周侧与外周侧的隔壁42。
图1表示本实施方式的喷嘴环与隔壁42的纵剖面的局部放大图。
如图1所示，隔壁42的内周面42a与隔壁37的内周面（半径方向内侧的表面）37a形成同一平面，并且，与转轴31（参照图2）以及喷嘴环的内周侧部件25a大致平行。
隔壁42的外周面（外周侧）42b在形成喷嘴环的涡轮机喷嘴25的入口侧与隔壁37的外周面（半径方向外侧的表面）37b形成同一平面。隔壁42的外周面42b形成为锥面形状，该锥面形状是从将来自排放气体流路26而被外周侧的涡轮机喷嘴25引导的排放气体的上游侧朝向下游侧（在图1中从右侧向左侧）向涡轮机喷嘴25的内周侧倾斜的锥面形状。
引导至外周侧的涡轮机喷嘴25的排放气体的上游侧朝向下游侧形成锥面形状的隔壁42的外周面42b，其锥面角度例如是20°的程度。
在将位于涡轮机喷嘴25的根端的位置（与内周侧部件25a接合的位置）认为是整体的0%，位于涡轮机喷嘴25的前端的位置（与外周侧部件25b接合的位置）认为是整体的100%的情况下，隔壁42的排放气体的上游侧位置被设在位于整体的约10%的位置。
对在具有上述结构的涡轮增压机10（参照图2）中的排放气体的流动进行说明。
例如，在内燃机的负荷低，排放气体量少的情况下，开闭阀41处于全闭状态，在内燃机的负荷高，排放气体量多的情况下，开闭阀41处于全开状态。
即，在内燃机的负荷低，排放气体量少的情况下，从气体入口外壳27的气体入口27a导入的排放气体全部通过排放气体流路26被引导至气体出口27b。被引导至气体出口27b的排放气体，从气体出口27b被引导至涡轮机喷嘴25的外周侧（被外周侧部件25b与隔壁42分隔的空间内）。
因为设在涡轮机喷嘴25的隔壁42的外周面42b（参照图1）形成为，从被涡轮机喷嘴25引导的排放气体的上游侧朝向下游侧下降倾斜的锥面形状，所以被引导至涡轮机喷嘴25的外周侧的排放气体沿着锥面形状的隔壁42的外周面42b向涡轮机喷嘴25的内周侧流动。因此，从涡轮机喷嘴25的下游侧导出的排放气体被引导至遍及涡轮机动叶片30（参照图2）的整体。被引导至涡轮机动叶片30的整体的排放气体，在通过涡轮机动叶片30的时候膨胀从而使转盘32以及转轴31旋转。
另一方面，在内燃机的负荷高，排放气体量多的情况下，从气体入口外壳27的气体入口27a导入的排放气体的大半（约70～95%）通过排放气体流路26被引导至气体出口27b，从气体入口外壳27的气体入口27a导入的排放气体的一部分（约5～30%）通过凸缘39、配管38、开闭阀41、排放气体流路36被引导至气体出口36a。被引导至气体出口27b的排放气体，遍及旋转方向的整周，从开口的气体出口27b被引导至涡轮机喷嘴25的外周侧（被外周侧部件25b与隔壁42分隔的空间内）。
因为设在涡轮机喷嘴25的隔壁42的外周面42b（参照图1）形成为，朝向涡轮机喷嘴25的下游侧下降倾斜的锥面形状，所以被引导至涡轮机喷嘴25的外周侧的排放气体沿着锥面形状的隔壁42的外周面42b流动。因此，从涡轮机喷嘴25的下游侧导出的排放气体被引导至遍及涡轮机动叶片30（参照图2）的整体。被引导至涡轮机动叶片30的整体的排放气体，在通过涡轮机动叶片30的时候膨胀从而使转盘32以及转轴31旋转。
进而，被引导至气体出口36a的排放气体，遍及旋转方向的整周，从开口的气体出口36a被引导至涡轮机喷嘴25的内周侧（被内周侧部件25a与隔壁42分隔的空间内）。
被引导至涡轮机喷嘴25的内周侧的排放气体沿着设在涡轮机喷嘴25的隔壁42的内周面42a流动。因此，从涡轮机喷嘴25的下游侧导出的排放气体被导入至涡轮机动叶片30的内周侧。这样被导入至涡轮机动叶片30的内周侧的排放气体，在通过涡轮机动叶片30时膨胀从而使转盘32以及转轴31旋转。
以上述方式，排放气体通过涡轮机动叶片30时膨胀从而使转盘32以及转轴31旋转，使设在转轴31的另一端部的压缩机被驱动，压缩向内燃机供应的空气。
在压缩机被压缩的空气，通过过滤器（未图示）被吸入，在涡轮机动叶片30膨胀的排放气体被引导至气体出口引导筒29以及气体出口外壳28，向外部流出。
开闭阀41，例如，在从压缩机送出（排出）的空气压力，或者向内燃机的燃烧室供应的空气压力的绝对压力比0.2MPa（2bar）低的情况下，即，在内燃机低负荷运转的情况下，处于全闭状态，在从压缩机送出（排出）的空气压力，或者向内燃机的燃烧室供应的空气压力的绝对压力在0.2MPa（2bar）以上的情况下，即，在内燃机高负荷运转的情况下，处于全开状态。
如上所述，本实施方式涉及的涡轮增压机10具有下述作用效果。
在引导从内燃机（未图示）排出的排放气体的涡轮压缩机10的涡轮机喷嘴25，在其半径方向的途中位置设置隔壁（分隔部件）42，该隔壁42的外周面（外周侧）42b从被涡轮机喷嘴25引导的排放气体的上游侧朝向下游侧，向涡轮机喷嘴25的内周侧倾斜。因此，在比隔壁42靠向半径方向外侧的涡轮机喷嘴25流动的排放气体，将沿着隔壁42的外周面42b被引导至涡轮机喷嘴25的内周侧。由此，能够将从涡轮机喷嘴25导出的排放气体引导至涡轮机动叶片的整体。因此与不倾斜隔壁42的外周面42b的情况相比，能够提高涡轮机效率。
进一步地，因为能够引导排放气体至涡轮机动叶片30的整体，与不倾斜隔壁42的外周面42b的情况相比，能够降低振动应力。因此，能够提高涡轮增压机10的完好性。
在本实施方式中，虽然说明了隔壁42的外周面42b的锥面角度为20°左右，但本发明并不限于此，只要是从涡轮机喷嘴25的下游侧引导至涡轮机动叶片30的排放气体能够被引导至涡轮机动叶片30的整体的角度即可。
此外，在本实施方式中，说明喷嘴环的隔壁42的外周面42b从涡轮机喷嘴25的上游侧朝向下游侧逐渐下降倾斜的锥面形状，但也可以是当开闭阀41关闭时向下游侧将排放气体流动引导至涡轮机喷嘴25的内周侧的形状，例如圆锥面状、曲面状，只要是通过涡轮机喷嘴25的排放气体能够被引导至涡轮机动叶片30的根端侧的形状即可。
在本实施方式中，虽然利用轴流涡轮机进行了说明，但也能够适用于离心式/斜流式的涡轮机、发电涡轮机等旋转机械。
符号说明
10涡轮增压机 25涡轮机喷嘴 30涡轮机动叶片
40分隔部件（隔壁） 42b外周侧（外周面）
Claims (1)
1.一种增压涡轮机，其压缩内燃机的燃烧用空气，向所述内燃机的燃烧室内强制送入高密度空气，包括：
被从所述内燃机排出的排放气体旋转驱动的涡轮机动叶片；
向该涡轮机动叶片引导所述排放气体的涡轮机喷嘴，
该涡轮机喷嘴在其半径方向的途中位置具有分隔该涡轮机喷嘴的分隔部件，
该分隔部件的外周侧从被所述涡轮机喷嘴引导的所述排放气体的上游侧朝向下游侧，向所述涡轮机喷嘴的内周侧倾斜，该分隔部件的内周侧与转轴平行，
在所述内燃机的负荷低的情况下，从所述内燃机排出的所述排放气体全部被引导至被所述涡轮机喷嘴的外周侧部件与所述分隔部件分隔的空间，
在所述内燃机的负荷高的情况下，从所述内燃机排出的所述排放气体被引导至被所述涡轮机喷嘴的外周侧部件与所述分隔部件分隔的空间，并且从所述内燃机排出的所述排放气体的一部分被引导至被所述涡轮机喷嘴的内周侧部件与所述分隔部件分隔的空间内。
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