CN103541778B - 排气涡轮的扩散器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种排气涡轮的扩散器，排气涡轮的涡轮扩散器(82)穿过流管道固定在沿径向内置的、限制流管道的壳体件(81)处，该壳体件与转子的组件相关联。这经由特定取向和设计的支柱(83)来实现。这使得能够一起拆除在一个组件中的涡轮扩散器和喷嘴环、转子，而不必拆卸外壳体。

Description

排气涡轮的扩散器

技术领域

本发明涉及利用内燃机的排气来加载的涡轮增压器的领域。

本发明涉及一种带有轴向入流(Anstr?mung)的排气涡轮，其带有可取出的转子体(Rotorblock)。

背景技术

涡轮增压器用于提升活塞式马达的功率。涡轮增压器使用经由轴来驱动压缩机转子的涡轮。在带有轴向流入式排气涡轮(在该文件中此后简称为轴流式涡轮，其中，轴流式涡轮的这种类型恰好由于流出侧的涡轮扩散器(其将流换向到径向方向上)而应不可与燃气涡轮机的单级或者多级的轴流式涡轮相比较)的排气涡轮增压器中，涡轮扩散器机械地－例如经由固定的螺栓连接－与涡轮的气体离开壳体相联结。由此产生这样的必要性，即在拆除涡轮时在朝压缩机的方向上首先将涡轮扩散器从气体离开壳体松开，这尤其在固定器件生锈或者以别的方式卡住时或者仅由于待松开的固定器件的可接近性穿过在支承壳体中的开口而是费劲和耗时的工作。为了简化在维护时拆除排气涡轮增压器的暴露于排气流的所有的部件，致力于如此优化排气涡轮增压器的设计使得整个转子体－即所有的旋转部件和所属的支承区域－连同在排气涡轮上游的导引装置可作为整体一起从涡轮壳体中抽取出。然而对此传统地设计的、在图1中描绘的轴流式涡轮并不适合。

在传统的轴流式涡轮中，在构件气体离开壳体与涡轮扩散器之间的连接通常不经受相对运动且通过金属接触来密封防止气体泄漏。因此涡轮在涡轮扩散器与气体离开壳体之间的主流管道之外不存在泄漏流(涡轮旁路)且因此也不需要用于在该交接区处进行密封的特别的措施。

发明内容

本发明的目的在于在轴向流入式排气涡轮中使涡轮扩散器(其使在涡轮转子叶片下游的排气流从轴向方向换向到径向方向上)在机械方面与涡轮增压器外壳体脱离且代替地使涡轮扩散器和可选地固定在该涡轮扩散器处的喷嘴环与转子组件在机械方面相关联。

根据本发明这由此实现，即涡轮扩散器穿过流管道固定在沿径向内置的、限制流管道的壳体件(在专业术语中称之为罩盖，其与转子的组件相关联)处。这经由特别取向和设计的支柱来实现。因此存在新的组件－所谓的罩盖扩散器。

转变的总体设计使得可一起拆除在一个组件中的涡轮扩散器和喷嘴环、转子，而不必拆卸外壳体。

由此获得较短的拆卸和再安装时间。

此外可最小化外壳体的变形对涡轮转子叶片的径向间隙的影响和因此最小化对涡轮效率的影响，因为涡轮扩散器(包括直接在转子叶片之上的通常被称为盖环的区域)与外壳体在机械方面脱离。这尤其对于在两级增压中的高压涡轮增压器来说可是重要的，因为此处可发生外壳体的显著的变形，如果涡轮扩散器和外壳体固定地相连接，这使得出于安全原因(避免转子叶片触及涡轮扩散器处)需要更大的叶片顶部间隙。

通过将涡轮扩散器连结到转子体处而不是连结到气体离开壳体处来使涡轮扩散器与气体离开壳体在机械方面脱离。为了避免由于在转子组件与外壳体之间的新的交接区而在涡轮的主流管道之外出现泄漏流(涡轮旁路)，根据本发明引入半静态的节流密封部位。

如果将空气管道装入到罩盖扩散器的一个或者多个支柱中，可通过支柱将用于吹入的空气引导到扩散器流中。因此可使扩散器流空气动力学地匹配于运行点，由此可更短地实施扩散器且可降低流损失。

由从属权利要求中得到或者可从实施例的详细的描述中得悉其它的优点。

附图说明

接下来借助附图来详细地阐述本发明的不同的实施形式。其中：

图1显示了沿着轴线引导的、通过根据现有技术的排气涡轮增压器的轴向流入式排气涡轮的截面，

图2显示了沿着轴线引导的、通过带有根据本发明构造的涡轮扩散器的排气涡轮增压器的轴向流入式排气涡轮的截面，

图3根据图2显示了在排气涡轮的扩散器与气体离开壳体之间的、根据本发明在机械方面脱离的区域的放大的示图，

图4根据图3显示了在机械方面脱离的区域中的节流密封部(Drosseldichtung)的示意性的示图，

图5显示了沿着轴线引导的、通过带有带有根据本发明构造的涡轮扩散器的排气涡轮的排气涡轮增压器的截面，以及

图6显示了沿着轴线引导的、通过带有带有带有附加的空气吹入装置(Lufteinblasevorrichtung)的根据本发明构造的涡轮扩散器的排气涡轮的排气涡轮增压器的截面。

附图标记清单

10空气进入壳体

11帽状物(内空气进入壳体)

20空气离开壳体

21集流室

22驶入倾斜部

30涡轮

31涡轮的转子叶片

40涡轮扩散器

50支承壳体

501支承壳体中的空气管道

51罩盖

55阀

60轴

64压缩机转子

641压缩机转子的背部空间

642空气室

65压缩机壳体

67在压缩机扩散器中的导引装置的导引叶片

68在压缩机扩散器中的导引装置的壳体

70导引装置(喷嘴环)

8罩盖扩散器

81罩盖

82涡轮扩散器

821扩散器中的槽口

822曲径式密封部

83支柱

831支柱中的空气管道

832扩散器处的吹入开口

85固定器件(螺栓)

9节流密封部

91密封环

A泄漏流。

具体实施方式

图1显示了如开头提及的那样传统的轴流式涡轮，例如，该轴流式涡轮典型地使用在很大的排气涡轮增压器中。轴流式涡轮为包括涡轮30的排气涡轮，涡轮在轮毂的径向外边缘处具有带有转子叶片31(其暴露于在轴向方向上引导的排气流且将与涡轮相连接的轴60置于旋转运动中)的轮缘。将排气从内燃机的燃烧室经由气体进入壳体10引导至涡轮。气体进入壳体包括帽状物11，利用该帽状物使管状的排气输入管路转换到环形管状的流管道中。

就在转子叶片上游布置有带有多个导引叶片的导引装置70(所谓的喷嘴环)，在这种结构类型的传统的排气涡轮中，喷嘴环或者固定在气体进入壳体10处或者固定在气体离开壳体20处。气体离开壳体除了很大的集流室之外包括扩散器40，该扩散器沿径向向外限制在涡轮转子叶片下游的流管道。在相对而置的侧部上流管道通过固定在支承壳体50处的壳体件(所谓的罩盖51)来限制。因此罩盖和扩散器形成负责将流从轴向方向换向到径向方向上的流管道。为了在涡轮区域的设计方案中可从轴侧拆除暴露于排气流且因此对于维护涡轮来说重要的构件，必须首先松开在喷嘴环与气体进入或者气体离开壳体之间的连接接着拉出涡轮。如上面所提及的那样，如果相应的固定器件生锈、受到污染或者以其它的方式被卡住，这可是很困难的。穿过在涡轮壳体中的狭窄的开口来接近固定器件也是相对很困难的。

由于这个原因，在根据图2的根据本发明的轴流式涡轮中通过以下方式使用于将喷嘴环固定在转子体处的通道变得平整，即在固定在转子体处的罩盖与涡轮扩散器之间使用连接支柱。由此新提供的组件可以罩盖扩散器8来表示。该罩盖扩散器8包括管状的两个区段－沿径向外置在涡轮侧的端部处的扩散器82以及沿径向内置的罩盖。在罩盖扩散器的轴侧的端部处，即在邻接到在气体离开壳体20中的集流室21处的区域处，管状的两个区段具有可比较的径向高度，因此管状的两个区段弯曲且将流管道从就在转子叶片31下游严格轴向的取向转换到径向方向上。罩盖扩散器8的管状的两个区段通过沿着周向分布地布置的多个支柱83来连接。支柱可以拧紧、焊接、钎焊或者直接浇注在扩散器与罩盖之间。整个组件罩盖扩散器8制成为唯一的铸件，这在制造技术方面是有利的。

可选地，在涡轮扩散器82的面向涡轮的端部处固定有喷嘴环70。因此在拆除现在还包括涡轮扩散器的转子组件时可同样将喷嘴环与涡轮盘(Turbinenscheibe)一起从涡轮壳体中移开。可选地，可将喷嘴环附加地与内涡轮壳体(所谓的帽状物)相连接使得其也可在拆除时与转子组件一起从涡轮壳体中被拉拔。备选地，可使固定在涡轮扩散器处的喷嘴环在机械方面与内涡轮壳体脱离，在这种情况下，如果在喷嘴环处设置有阻碍泄漏流通过喷嘴环的沿径向内部的区域的器件，例如闭合圆面的壳体盖，这可是有利的。

支柱的数量决定由支柱引起的转子叶片的振动激励(在转子面之后的压力场中的干扰)的激励系统(Erregerordnung)。在此激励系统应如此高使得已经在低转速范围中实现第一固有频率的激励而不在很高的、对于运行来说重要的、接近全负荷转速的运行范围中来实现。这以至少七个支柱数量来保证。

有利地，支柱具有用于降低流损失的滴状截面。在此滴状轮廓应布置成旋转对称且径向地取向使得镜象对称的滴状件的轮廓弦平行于涡轮增压器的矢径伸延，而没有调整角。由于在涡轮的设计点中来自扩散器的无旋流的排流(Abstr?mung)，这导致最小的损失。反之如果应如此设计涡轮使得存在受限定的离开旋流，则必须在滴状件的轮廓弦与矢径之间限定相应的调整角。支柱的横截面应足够大以便整个构件的固有频率处在涡轮增压器转速之上。由于受限制的径向结构高度，轮廓截面不可任意变大，因为轮廓弦的长度固定。仅通过加厚滴状件轮廓可提高刚性。任何加厚与流损失的提高相联系。上界限是圆形的截面。

关于支柱的周向位置有利的是至少七个支柱中的一个关于在气体离开壳体20中的开口布置在中心。在于涡轮增压器的设计点中运行时且在因此与之相关的无旋流的来自涡轮的排流的情况下在气体离开壳体中形成两个涡流尾痕(Wirbelzopf)，其在气体离开壳体的开口的中部中在气体离开壳体的出口凸缘的方向上合流。以这样的布置方案来最小化流损失。

有利地，支柱83平行于涡轮增压器轴线取向且布置在面向在气体离开壳体中的集流室的端部处，而不是沿径向直接布置在涡轮的转子面之后作为出口导向器(Nachleitrad)。该措施也导致流损失的最小化，因为支柱因此安装在带有最小可能的速度的位置处。虽然更靠近涡轮转子面且(在更确切地说径向的实施方案中)将带来关于组件罩盖扩散器的刚性的某些优点，然而对此必须承受更高的流损失，因为此处在流方面的速度更高。附加地可预料到的是转子叶片的更高的振动激励。

根据图5，为了将罩盖扩散器固定在支承壳体50(其同样属于可从涡轮壳体中作为一个单元拆除的转子组件)处，根据本发明以尽可能大的径向高度(即在罩盖81的外边缘的区域中)将多个固定器件85(例如螺栓)从压缩机侧穿过在支承壳体50中的孔引导至罩盖扩散器处的相应的孔中。如果固定器件85以足够大的径向高度来布置，除了罩盖扩散器的由此获得的最大可能的刚性之外，在拆除转子组件时随时提供至固定器件(螺栓头)的可接近性，即使压缩机转子64未从轴移开。由此可在需要时－例如为了清洁或者为了更换－将罩盖扩散器从转子组中松开，而不必首先移开其它的构件。为了在运行中防止污染和不负面地妨碍在压缩机扩散器中的流，固定器件靠着在压缩机扩散器中的流管道被遮盖。可选地，适合作为遮盖件的是在压缩机扩散器中的导引装置(喷嘴环)的环状的壳体68，在其处固定有单个的导引叶片67。可选地，位于遮盖部之后的空腔借助于环绕的密封环来相对于压缩机的流管道进行密封以便防止侵入可能受污染的流介质。

如果通过以下方式使涡轮扩散器与气体离开壳体在机械方面脱离，即例如涡轮扩散器如上面所描述的那样连结到转子组件处而不是连结到气体离开壳体处，则在涡轮扩散器与气体离开壳体之间提供新的交接区。在该两个构件之间产生作为围绕涡轮级的泄漏路径起作用的间隙。存在这样的危险，即在涡轮的主流管道之外形成泄漏流A(涡轮旁路)，其对涡轮效率有负面作用。

由于在运行中在涡轮扩散器与气体离开壳体之间的相对运动，间隙在瞬态运行中具有可随时间改变的几何尺寸。为了限制在涡轮效率方面由于可能的泄漏流的损失，必须在所有的重要的运行状态中对间隙进行充分地密封。对此根据本发明设置有半静态的密封部。特别适合的是基于活塞环或者备选地基于薄片环(Lamellenringen)的密封部。两种密封部类型都是节流密封部且通常插入在同心的柱状面之间，而没有径向的相对运动和轴向偏移(偏心)。然而对于此处当前的使用目的必须考虑在运行中在柱状面之间(涡轮扩散器和气体离开壳体)带有强烈的径向相对运动和偏心。在传统地应用这种节流密封部时未提出的其它的问题是由于来自重油燃烧的排气残留的污染。

借助图3和图4阐述的根据本发明的节流密封部包括在涡轮扩散器82的外径上的槽口821中的金属密封环91(活塞环、薄片环或者相似的元件)的组件。在此如此选择槽口宽度，即永不发生由于在活塞环处的起引导作用的构件的径向和轴向的相对运动的夹住。此外，可选地可通过构造倾斜的槽壁来防止在在涡轮扩散器与气体离开壳体之间出现偏心时－即在涡轮扩散器关于气体离开壳体的倾斜状况中－密封环卡住在槽口中。在此，槽壁的斜度(相对于径向方向的角度)有利地相应于在运行中可预料到的倾斜状况。尤其在很紧地(knapp)测量的间隙宽度中倾斜的槽壁有助于防止夹住密封环。

在装配转子时将涡轮扩散器82驶入到气体离开壳体20中(在图3中从左边)。在此通过气体离开壳体的驶入倾斜部22使密封环91靠着气体离开壳体20的内径拉紧。这样在运行中调节密封环朝着气体离开壳体的内径的压紧力，该压紧力由预紧密封环和所引起的沿径向向外作用到密封环上的压力产生。在活塞环中，根据活塞环、槽口和密封间隙的几何结构的径向压力的效果明显是有用的。平的活塞环相对于轴向工作面具有很高的匹配能力且对于振动更少地易受影响，而处于竖立的、狭长的活塞环则设计成针对于在径向和轴向上很高的表面压力。

对于薄片环，由于制造条件决定的结构形式(直径与截面比值)，所引起的径向压力小得可忽略。

图4显示了带有沿径向贴靠的密封环的密封组件的示意性的简图。可选地，组件具有一个或两个密封环。附加地，可可选地使密封空气在密封环上游或者在密封环之间吹入以防止在间隙中由于排气残留的污染。同样为了防止在密封区域中的污染可在密封部位上游设置曲径式密封件822，虽然该曲径式密封件不产生显著的节流效果，但通过换向作用有助于排气残留的分离。侵入到在涡轮扩散器与气体离开壳体之间的间隙中的排气残留可导致卡住密封环。因此必须尽可能地避免密封部分的污染。

备选于密封环可使用预装在气体离开壳体中或在涡轮扩散器中的补偿器板以用于密封间隙。补偿器板在此通过装配预紧贴靠在两个构件处。运行变形可通过板的造型被很好地吸收。

可选地，可根据图6将空气管道831装入到罩盖扩散器的一个或者多个支柱83中。通过空气管道可导引空气以用于吹入到涡轮的扩散器区域中。在此，在所示的实施形式中将空气从压缩机转子的背部空间641中提取出且在聚集在空气室642中。通过在支承壳体中的一个或者多个空气管路501和可选的阀55将空气输送给支柱中的空气管道831。空气管道通到其它的集流室中，输入管路从此处引导至扩散器中的吹气开口832中。

在轴向涡轮增压器中，在涡轮侧上使用涡轮扩散器以用于在涡轮下游损失最小地(verlustoptimal)滞延流。该涡轮扩散器最优地针对额定负荷运行点来设计。在此实现确定的扩散器入口与扩散器出口的面积比且通过选择最优的角度得出所需要的长度。在轴流式涡轮中，涡轮扩散器的轴向长度直接到达到结构长度中且由此直接影响涡轮增压器的紧凑性。为了可避免过长的结构长度，经常在扩散器中在轴向的结构长度与最优的压力恢复之间接受折衷。

此外通过在邻接的工作区域中的运行点上来设计扩散器可在涡轮扩散器中例如由于流在外壁处的分开预料到明显更高的损失。在扩散器中在过高的开口角度的情况下在扩散器管路的外部区域处发生分开。流的分开引起附加的压力损失。该分开主要通过扩散器的非常平的开口角度来避免，这又导致提高的轴向结构长度。通过将空气吹入或者抽吸到扩散器流中可使扩散器在运行中空气动力学地匹配于运行点。由此可或者更短地实施扩散器或者可使流损失降低。普遍已知的是在壁区域中的流性能可在架设行为方面通过吹入或者抽吸空气来影响。(飞机的翼组流、流最优的赛车等)。为了应空气动力学地来匹配涡轮扩散器，在涡轮扩散器处甚至就在分开点或者转变点前的(压缩机背部空间的)空气被吹入以便实现流的贴靠。在此，如果不存在贴靠的流，例如在部分负荷区域中，仅应吹入空气。这可例如通过可切换的阀55来实现。此外还可在两级或者多级涡轮增压系统中使用更高级的热气或者压缩机空气，其例如经由废气门或马达旁路导出。该气体可通过在阀55的区域中的外部的端口来输送(未示出)。用于吹入而使用的气体经由存在于罩盖扩散器中的桥接件引导至吹入地。备选于吹入可实现边界层的抽吸且由此来扩大流的开口角度。为此可在阀55的区域中设置引导来自涡轮增压器的抽吸空气的抽吸管路。

Claims (8)

1.带有轴向入流的排气涡轮增压器的排气涡轮机，包括：涡轮(30)，其带有多个转子叶片(31)、用于使流取向到所述涡轮的转子叶片上的导引装置(70)；以及流管道，其布置在所述涡轮的转子叶片下游以便将所述流从所述转子叶片导引至气体离开壳体且为此具有从轴向方向到径向方向上的弯曲部，其中，所述流管道在沿径向外部由涡轮扩散器(40,82)来限制而在沿径向内部由壳体件(51,81)来限制，其特征在于，所述涡轮扩散器(82)通过交接区与所述气体离开壳体(20)在机械方面脱离，且所述涡轮扩散器(82)通过在所述流管道中的支柱(83)固定在沿径向向内限制所述流管道的所述壳体件(81)处而不是固定在所述气体离开壳体处。

2.根据权利要求1所述的排气涡轮机，其特征在于，所述涡轮扩散器(82)、沿径向向内限制所述流管道的所述壳体件(81)以及所述支柱(83)构造成一体。

3.根据权利要求1或2所述的排气涡轮机，其特征在于，在所述涡轮扩散器(82)与沿径向向内限制所述流管道的所述壳体件(81)之间布置有至少七个支柱(83)。

4.根据权利要求1或2所述的排气涡轮机，其特征在于，所述导引装置(70)固定在所述涡轮扩散器处以便在拆除包括所述涡轮扩散器(82)、沿径向向内限制所述流管道的所述壳体件(81)以及所述支柱(83)的组件(8)时与该组件(8)一起从涡轮的壳体中被拉拔。

5.根据权利要求1所述的排气涡轮机，其特征在于，在所述涡轮扩散器(82)与所述气体离开壳体(20)之间的间隙中布置有节流密封部(9)。

6.根据权利要求1所述的排气涡轮机，其特征在于，通过所述支柱(83)来引导至少一个空气管道(831)，该至少一个空气管道(831)与在所述涡轮扩散器处的吹入开口(832)相连接。

7.根据权利要求5所述的排气涡轮机，其特征在于，所述节流密封部(9)具有布置在所述涡轮扩散器(82)中的槽口(821)中的至少一个密封环(91)。

8.排气涡轮增压器，包括根据权利要求1至7中任一项所述的排气涡轮机以及支承在支承壳体(50)中的轴，该轴带有固定在其上的压缩机转子(64)，其中，包括所述涡轮扩散器(82)、沿径向向内限制所述流管道的壳体件(81)以及所述支柱(83)的组件(8)借助于固定器件(85)从所述支承壳体(50)的压缩机侧固定在所述支承壳体(50)处。