CN103958837B - 尤其用于废气涡轮增压器的、具有倾斜设置的能转动的导向元件的流体能量机械 - Google Patents

尤其用于废气涡轮增压器的、具有倾斜设置的能转动的导向元件的流体能量机械 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种尤其用于汽车的废气涡轮增压器的流体能量机械，所述流体能量机械具有壳体，所述壳体具有用于容纳能围绕沿轴向方向伸展的第一转动轴线(20)相对于壳体转动的叶轮(18)的容纳腔(16)和至少一个能由气体流过的流道，气体能够从流道经由与流道流体连接的输送通道(14)沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的流动方向被引导到容纳腔(16)或者气体能够经由与流道流体连接的输送通道(14)沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的另一流动方向从容纳腔(16)被引导到流道；并且流体能量机械具有至少部分地设置在输送通道(14)中的至少一个导向元件(12)，借助于所述导向元件能够排出流过所述输送通道(14)的所述气体，其中所述导向元件(12)能围绕倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的第二转动轴线(38)相对于壳体转动。

Description

尤其用于废气涡轮增压器的、具有倾斜设置的能转动的导向元件的流体能量机械
技术领域
本发明涉及一种尤其用于废气涡轮增压器的流体能量机械。
背景技术
EP 1 394 359 A1公开了一种用于废气涡轮增压器的涡轮机，其中涡轮机构成为所谓的混流式涡轮机、也称为Mixed-Flow-Turbine。所述涡轮机包括具有容纳腔的涡轮机壳体，涡轮和转动轴线能相对于涡轮机壳体转动地容纳在所述容纳腔中。此外，涡轮机壳体具有至少一个流道，所述流道能够由废气流过。废气能够从流道经由与流道流体连接的输送通道被引导到容纳腔中的涡轮。
因此，涡轮机称作混流式涡轮机，因为从流道经由输送通道引导到容纳腔中或引导到涡轮中的废气具有倾斜于涡轮机的轴向方向以及径向方向伸展的流动方向。也就是说，废气沿所述流动方向迎流涡轮。
在输送通道中在涡轮的上游设置有导向元件，借助于所述导向元件能够导出废气。在此，导向元件相对于涡轮机壳体是固定的。
此外，从废气涡轮增压器的成批生产中已知的是，在用于废气涡轮增压器的径向涡轮机中应用可变的涡轮机几何结构。在此，设置在输送通道中的导向元件能够围绕至少基本上沿轴向方向伸展的转动轴线相对于涡轮机壳体转动。
已经示出的是，这样的可变的涡轮机几何结构不能容易地传递到混流式涡轮机上，因为这能够造成导向元件卡住。为了避免这样的卡住而示出特别大的缝隙尺寸可能造成涡轮机的仅低效率的运行，因为废气经过导向元件进而没有方向性地朝向涡轮流入容纳腔中。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能特别有效地并且功能可靠地运行的流体能量机械。所述目的通过尤其用于汽车的废气涡轮增压器的、根据本发明的流体能量机械来实现。具有本发明的适当的并且不普通的改进方案的有利的设计方案在下文中给出。
这样的尤其用于汽车和尤其轿车的废气涡轮增压器的流体能量机械包括具有容纳腔的壳体。容纳腔用于容纳流体能量机械的叶轮，所述叶轮能围绕沿流体能量机械的轴向方向伸展的第一转动轴线相对于壳体转动。
此外，壳体具有至少一个流道，所述流道能够由气体流过。气体能够从流道经由与流道流体连接的输送通道沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的流动方向被引导到容纳腔。
替选地，可行的是，气体经由与流道流体连接的输送通道沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的另一流动方向从容纳腔被引导到流道。换言之，气体能够经由输送通道从流道沿流动方向流到容纳腔或者从容纳腔沿另一流动方向流到流道。
流体能量机械包括至少一个导向元件、尤其导向叶片，所述导向元件至少部分地设置在输送通道中。借助于导向元件能够引导流过输送通道的气体。在此，导向元件能够围绕第二转动轴线相对于壳体转动。在此，导向元件的第二转动轴线倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向进而倾斜于第一转动轴线伸展。
通过第二转动轴线的这种设置或定向，流动能量机械能够设有由至少一个导向元件示出的可变的流动几何形状进而以气体的不同的质量流或体积流匹配于不同的运行点。因此，能够特别有效地驱动根据本发明的流体能量机械。流体能量机械也具有特别高的功能实现可靠性，因为能够避免例如呈夹住导向元件的形式的功能故障或者这样的功能故障的危险是特别小的。
通过将导向元件围绕第二转动轴线转动能够调节输送通道的进而流体能量机械的有效流动横截面进而匹配于气体的不同的质量流或体积流，使得由此能够有效率地且有效地由气体驱动和/或由气体迎流叶轮。
根据本发明的流体能量机械的另一优点是导向元件简单地匹配于叶轮。第二转动轴线相对于第一转动轴线倾斜地构成。换言之，在第一转动轴线和第二转动轴线之间构成交点。通过在第一转动轴线上移动所述交点能够以简单的方式能够变化在第一转动轴线和第二转动轴线之间构成的角的大小，所述角尽可能对应于叶轮的前缘或后缘的倾角。如果例如涡轮具有相对于涡轮的对应于第一转动轴线的转动轴线以相应的角度构成的后缘作为叶轮，那么导向叶片能够通过在第一转动轴线上移动交点根据流体能量机械的要求来调节。因此，不需要其他耗费的构造措施。
根据本发明的流体能量机械例如能够构成为用于废气涡轮增压器的混流式涡轮机。在混流式涡轮机中，废气作为气体从流道经由输送通道流到容纳腔并且驱动设置在容纳腔中并且构成为涡轮的叶轮。在此，废气被导向元件转向，使得气体流动有利地迎流进而能够有效率地驱动涡轮。
在此，废气沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向的流动方向进而仅轴向地或仅径向地迎流涡轮。涡轮的这样的混合式迎流尤其在轿车应用中是有利的，因为混流式涡轮机具有特别有利的且稳定的性能进而能够实现相关联的内燃机特别良好的运行性能。
根据本发明的流体能量机械也能够构成为混流式压缩机。在此，空气从容纳腔经由输送通道流到流道。换言之，空气从容纳腔经由输送通道和流道引出并且例如输送到汽车的进气管段。
在此，空气沿至少基本上倾斜于轴向方向并且至少基本上倾斜于径向方向的另一流动方向迎流构成为压缩机轮的叶轮并且借助于导向元件流动有利地被转向。在此，压缩机轮用于压缩空气进而用压缩的空气供应内燃机。
在本发明的特别有利的实施形式中，流体能量机械的在第一侧上对输送通道限界的第一壁区域和在与第一侧相反置的第二侧上对输送通道限界的第二壁区域以及导向元件的对置于第一壁区域的第一导向元件区域和对置于第二壁区域的第二导向元件区域关于第一转动轴线与第二转动轴线的交点至少基本上球缺形地构成。
壁区域的和导向元件区域的球缺形的设计方案含有的优点是，即使在高温下导向元件能够不被夹住地进而功能可靠地围绕第二转动轴线运动，同时实现尤其在导向元件和输送通道的壁区域之间的仅非常小的缝隙尺寸。因此，根据本发明的流体能量机械具有特别高的功能实现可靠性并且同时能够根据需要有效地匹配于不同的运行点。
在其他的有利的设计方案中，输送通道至少局部地借助于独立于壳体构成的并且容纳在壳体中的插入元件被限界。由此，流体能量机械、尤其其壳体能够时间有利并且成本有利地例如借助于铸造法制造。随后，能够时间有利且成本有利地安装插入元件。在此，能够提出，借助于插入元件构成至少一个对输送通道限界的壁区域。
在本发明的另一有利的实施形式中提出，导向元件能够围绕第二转动轴线转动地安装在插入元件上，使得获得导向元件的明显改进的功能。借助于能转动的导向元件能够为不同的运行状态设定流到涡轮上的废气量的迎流，使得能够得到相应优选的涡轮效率。
能够仅在一侧上围绕第二轴线能转动地安装导向元件。在本发明的特别有利的实施形式中提出，在第一导向元件侧上并且在背离第一导向元件侧的导向元件侧上能围绕第二转动轴线转动地安装导向元件。因此，在两侧上进而特别限定地安装导向元件，使得功能故障的危险是小的。这特别有利于根据本发明的流体能量机械的功能实现可靠性。
本发明也包括尤其用于汽车的内燃机的、具有至少一个根据本发明的流体能量机械的废气涡轮增压器。在此，流体能量机械能够是废气涡轮增压器的能由内燃机的废气驱动的涡轮机。
替选地或附加地，根据本发明的能量流体机械能够是废气涡轮增压器的压缩机，借助于所述压缩机能够将待输送的空气输送到内燃机。在此，能够特别有效率地运行废气涡轮增压器，这造成仅具有低的CO2排放的内燃机的燃料低耗费的运行。
从优选实施例的下面的描述中以及根据附图得到本发明的其他优点；特征和细节。在上文中所述的特征和特征组合以及在下文中在附图说明中所述的和/或在附图中仅示出的特征和特征组合能够不仅以分别给出的组合形式，而是也以其他的组合形式或以单独形式应用，而不脱离本发明的范围。
附图说明
附图示出：
图1示出用于废气涡轮增压器的混流式涡轮机的可变的涡轮机几何结构的示意侧视图；以及
图2示出根据图1的可变的涡轮机几何形状的示意纵剖图。
具体实施方式
图1和2示出废气涡轮增压器的在图1和2中局部地示出的涡轮机的整体用10表示的可变的涡轮机几何结构。然而，可变的涡轮机几何结构的设计方案也能够易于应用到另外的流体能量机械例如废气涡轮增压器的压缩机上，因此所述压缩机设有可变的流动几何形状。
可变的涡轮机几何结构10包括多个导向叶片12，在图2中代表性地仅示出其中一个。导向叶片12设置在涡轮机的输送通道14中，其中输送通道14也称作喷嘴。
涡轮机包括在图1和2中未示出的具有至少一个流道的涡轮机壳体。流道能够由与涡轮机相关联的内燃机的废气流过并且将废气引导到输送通道14。
输送通道14一方面与流道流体连接。输送通道另一方面通到涡轮机的容纳腔16中。在容纳腔16中能围绕转动轴线20相对于涡轮机壳体转动地容纳有示意示出的涡轮18。涡轮18由从流道经由输送通道14流到容纳腔16中的废气驱动，使得所述涡轮围绕转动轴线20转动。在此，废气借助于导向叶片12转向，使得废气能够流动有利地迎流涡轮18或涡轮18的叶轮叶片。由此，能够借助于导向叶片12产生入流涡旋，借助于入流涡旋能够有效率地驱动涡轮18。
输送通道14一方面借助于涡轮机的第一插入元件22并且另一方面借助于涡轮机的第二插入元件24被限界。插入元件22、24至少局部地容纳在涡轮机壳体中。
借助于第一插入元件22构成第一壁区域26，所述第一壁区域在第一侧28上对输送通道14限界。借助于第二插入元件24构成第二壁区域30，所述第二壁区域在与第一侧28相对置的第二侧32上对输送通道14限界。
导向叶片12分别具有第一导向叶片区域34，所述第一导向叶片区域对置于第一壁区域26。此外，导向叶片12分别具有第二导向叶片区域36，所述第二导向叶片区域对置于第二壁区域30。
为了能够将涡轮机根据需要匹配于内燃机的不同的运行点进而匹配于废气的不同的质量流，导向叶片12分别能围绕第二转动轴线38相对于涡轮机壳体以及相对于插入元件22、24转动地安装在插入元件22、24上。通过围绕相应的第二轴线38转动导向叶片12能够可变地调节、也就是说流体地放大或相反地流体地缩小输送通道14的有效流动横截面。因此，能够根据废气当前的质量流有效率地驱动涡轮18。借助于对导向叶片12的长度或高度的确定，输送通道14的有效流动横截面已经匹配于相应的运行。根据导向叶片12的长度，尤其在导向叶片12的封闭的状态中能够实现相邻的导向叶片12的更大的覆盖或者能够减少导向叶片12的数量。也就是说，同样能够通过改变导向叶片12的长度或高度来将流量匹配于期望的运行。
如图2中能看到的，在此不仅在第一插入元件22的侧上以及在第二插入元件24的侧上进而在两侧上安装导向叶片12。在未详细示出的实施例中，导向叶片12在一侧上安装在第一插入元件22中。第二插入元件24与未详细示出的涡轮机壳体近似一件式地构成。换言之，第二插入元件24借助于涡轮机壳体构成。在另一未详细示出的实施例中，导向叶片12在一侧上安装在第二插入元件24中。第一插入元件22与未详细示出的涡轮机壳体近似一件式地构成。换言之，第一插入元件22借助于涡轮机壳体构成。
如图2中还能看到的，第二转动轴线38倾斜于轴向方向并且倾斜于涡轮机的径向方向伸展并且与至少基本上沿轴向方向伸展的第一转动轴线20在交点40相交。在此，交点40是虚线示出的第一部分圆42的以及虚线示出的第二部分圆44的中心。换言之，部分圆42、44的中心彼此同心地设置。
壁区域26、30以及导向叶片区域34、46现在关于交点40至少基本上球缺形地构成。换言之，壁区域26、30以及导向叶片区域34、36关于交点40进而关于部分圆42、44的中心被球形地设置或构造。球缺的、也就是说壁区域26、30和导向叶片区域34、36的相应的半径在此通过涡轮18的几何结构预设。
通过所述球缺形的设计方案可行的是，能够不受限制地并且不被夹住地转动导向叶片12并且同时实现在导向叶片12和插入元件22、24之间的仅非常小的缝隙尺寸。由此，二次流损耗能够保持低，使得废气借助于导向叶片12定向地流到涡轮18上并且废气的仅非常小的部分绕流导向叶片12并且能够无定向地迎流涡轮18。
用于围绕第二转动轴线38转动导向叶片12的操作装置在此能够设置在涡轮机侧上或压缩机侧上。
第一插入元件22在未详细示出的实施例中借助于间隔元件与第二插入元件24连接。这具有如下优点，即包括多个导向叶片12的可变的涡轮机几何结构10能够以预先安装的构件组的形式插入到涡轮机壳体中。间隔元件本身用于在第一插入元件22和第二插入元件24之间的可靠的间距，使得多个导向叶片12在每个运行状态中能转动。换言之，借助于在第一侧28和第二侧32之间的间隔元件，在可变的涡轮机几何形状10的整个周向上、然而至少在第一导向叶片区域34和第二导向叶片区域36之间的区域中确保在第一插入元件22和第二插入元件24之间的均匀的间距。
同样，也能够在涡轮机壳体中悬浮地安装第一插入元件22。也就是说，第一插入元件22能运动地容纳在涡轮机壳体中。

Claims (5)

1.一种用于汽车的废气涡轮增压器的流体能量机械，所述流体能量机械具有壳体，所述壳体具有用于容纳能围绕沿轴向方向伸展的第一转动轴线(20)相对于所述壳体转动的叶轮(18)的容纳腔(16)和至少一个能由气体流过的流道，所述气体能够从所述流道经由与所述流道流体连接的输送通道(14)沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的流动方向被引导到所述容纳腔(16)或者所述气体能够经由与所述流道流体连接的所述输送通道(14)沿倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的另一流动方向从所述容纳腔(16)被引导到所述流道；并且所述流体能量机械具有至少部分地设置在所述输送通道(14)中的至少一个导向元件(12)，借助于所述导向元件能够排出流过所述输送通道(14)的所述气体，其中所述导向元件(12)能围绕倾斜于轴向方向并且倾斜于径向方向伸展的第二转动轴线(38)相对于所述壳体转动，其中所述导向元件(12)能围绕所述第二转动轴线(38)转动地安装，其中所述安装在第一导向元件侧上和在背离第一导向元件侧的第二导向元件侧上构成。
2.根据权利要求1所述的流体能量机械，
其特征在于，
所述流体能量机械的在第一侧(28)上对所述输送通道(14)限界的第一壁区域(26)和在与所述第一侧(28)相对置的第二侧(32)上对所述输送通道(14)限界的第二壁区域(30)以及所述导向元件(12)的对置于所述第一壁区域(26)设置的第一导向元件区域(34)和对置于所述第二壁区域(30)设置的第二导向元件区域(36)关于所述第一转动轴线(20)与所述第二转动轴线(38)的交点(40)至少基本上球缺形地构成。
3.根据上述权利要求中任一项所述的流体能量机械，
其特征在于，
所述输送通道(14)至少局部地借助于与所述壳体分开构成的并且容纳在所述壳体中的至少一个插入元件(22，24)限界。
4.根据权利要求3所述的流体能量机械，
其特征在于，
所述导向元件(12)能围绕所述第二转动轴线(38)转动地安装在所述插入元件(22，24)上。
5.一种用于内燃发动机的废气涡轮增压器，所述废气涡轮增压器具有至少一个根据权利要求1或2所述的流体能量机械。
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