CN104105884B - 紧凑型多级涡轮泵 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮泵，该涡轮泵具有用于多个压缩机叶轮和多个涡轮机叶轮的共用旋转轴线。涡轮机叶轮和压缩机叶轮中的一个或多个限定了轴向穿过其中的气体通道，所述气体通道与涡轮机叶轮和压缩机叶轮中的另一个相关联。这种设置提供了一种紧凑的多级涡轮增压器。

Description

紧凑型多级涡轮泵
技术领域
本发明涉及一种多级涡轮泵，特别地涉及一种用于内燃发动机的多级涡轮增压器。本发明的方面涉及泵、发动机以及车辆。
背景技术
多年来，特别是在车辆中已经使用了排气驱动式涡轮增压器来改善活塞式内燃发动机的功率和效率。单纯的单级涡轮增压器包括直接驱动同轴的进气压缩机的排气驱动涡轮机，从而相比其他情况允许在每个气缸中的更大体积的充量。
理想地，该排气驱动涡轮机将有效地工作于所有发动机速度和排气流量，但是一般而言，在高发动机速度情况下高效的涡轮机在低发动机速度(低排气流量)情况下略微低效，从而导致了不期望的涡轮迟滞现象。
同样地，在低发动机速度情况下高效的涡轮机在高发动机速度情况下也可能受到限制，从而导致了对应的发动机功率的缺乏。由于旁通阀(排气门)必须打开以使不能被涡轮机处理的排气流转向，因此涡轮增压器的效率也会在高发动机速度情况下减小。
因此，已经提出了包括有低压涡轮机和高压涡轮机的两级涡轮增压器。这些涡轮机可以顺序地或部分地或完全一致地操作以大致在整个发动机速度范围内实现高效的充量压缩。
两级涡轮增压的一种结果在于必须设置分开的进、出涡轮机的每一级的气体通道并且需要流量阀和控制装置以确保涡轮机的每一级在适当的发动机速度范围内操作。
还可以设置两个压缩机等级从而以低空气流率和高空气流率提供更好的充量压缩，并且不可避免地，必须设置分开的气体通道、流量阀以及控制装置。
额外的气体通道和控制阀的结果在于涡轮增压器外形变大且变重，并且相应地难以配装在与发动机排气歧管相邻的有限空间内。这一问题因缩小尺寸的发动机和排气歧管而严重化。另一结果在于大量的热可能从这些通道辐射在涡轮机侧，使得排气催化剂的起燃可能延迟，这不利于满足日益严格的排放法规。
涡轮增压器可以具有三级或更多级，但却不可避免地使包括气体通道的所需的总空间进一步增大。
改善整个发动机速度范围内的涡轮增压器性能的另一方法在于提供一种适于气体输送量的可变几何结构的叶片。这种可变几何结构系统是有效的，但是可能还需要更多的控制和致动装置。
发明内容
鉴于此背景，已经构想出本发明。本发明的实施方式可以提供一种涡轮泵，特别是一种显著地更为紧凑的多级排气驱动式涡轮泵。本发明的其他目的和优点从以下描述、权利要求和附图中将变得显而易见。
就多级涡轮泵而言，指的是具有多个涡轮机叶轮和/或多个压缩机叶轮的涡轮泵，所述多个涡轮机叶轮和/或多个压缩机叶轮设置成使涡轮泵能够在其中有效地工作的发动机速度范围增大。所述多个级在涡轮增压器中大体上结合在紧邻排气歧管或每个排气歧管的下游处的共用组件内，并且包括阀以控制各级的操作以及连续的级之间的交叠。通常设置由用于低气体流率的成对的小直径的涡轮机叶轮和压缩机叶轮、以及用于高气体流率的成对的大直径的涡轮机叶轮和压缩机叶轮构成的两个级。
根据本发明的一方面，提供了一种具有能够在壳体内绕共用轴线旋转的多个压缩机叶轮和多个涡轮机叶轮的涡轮泵，压缩机叶轮或涡轮机叶轮中的一个具有用于将流体供给至压缩机叶轮或涡轮机叶轮中的另一个的轴向通流通道。因此，上游压缩机可以设置有至下游压缩机的进气贯穿路径。上游涡轮机可以通过下游涡轮机排气。
在实施方式中，流至压缩机叶轮或涡轮机叶轮的气流可以驱动该叶轮，以及穿过该叶轮。因此，可以于带孔口的压缩机叶轮的上游侧设置单个供给通道，以及从带孔口的涡轮机叶轮的下游侧起设置单个供给通道。在压缩机侧，穿过一个级的压缩机叶轮的气体与另一级的下游压缩机叶轮相关联。在涡轮机侧，穿过一个级的涡轮机叶轮的气体与另一级的上游涡轮机叶轮相关联。
在一个实施方式中，涡轮泵为多级涡轮增压器，在该多级涡轮增压器中，多对压缩机叶轮和涡轮机叶轮共同操作以大致在整个发动机速度范围内提供有效的充量压缩。
在涡轮增压器的一个实施方式中，压缩机叶轮和涡轮机叶轮允许气体沿轴向穿过其中；所述压缩机叶轮和涡轮机叶轮可以与压缩机的同一级相关联。
在一个实施方式中，带孔口的叶轮或每个带孔口的叶轮的气流通道都是绕旋转轴线而大致共轴的，并且可以具有恒定的横截面。
带孔口的叶轮或每个带孔口的叶轮都可以包括可沿着贯穿通道延伸的翼片。该翼片可以是在轴向上是直的或者成形为影响气流。例如，这种翼片在压缩机叶轮中可以是弓形的以产生适于下游压缩机叶轮的预旋转。在涡轮机侧，翼片可以用于回收部分排气能或用于提高总体效率。
翼片还可以限定将带孔口的叶轮或每个带孔口的叶轮的叶片元件与连接压缩机侧与涡轮机侧的可旋转构件相连接的装置。
在一个实施方式中，带孔口的叶轮或每个带孔口的叶轮都具有相对较大的直径并且沿着旋转轴线处于最外侧。
在一个实施方式中，提供了一种具有带孔口的最外侧涡轮机叶轮和带孔口的最外侧压缩机叶轮的两级涡轮增压器。这种设置允许直接向两个压缩机叶轮供给的单个进气道以及从两个涡轮机叶轮直接馈送的单个排气道。
在相邻的压缩机叶轮之间和/或相邻的涡轮机叶轮之间可以设置定子。定子或每个定子都包括用于使气流重新对准以更好地适合于下游叶轮的轴向翼片，并且可以具有常规的设计。
在本发明的实施方式中，内侧的一对涡轮机叶轮和压缩机叶轮通过管状轴相连接，该管状轴能够相对于连接外侧的一对涡轮机叶轮和压缩机叶轮的心轴而旋转，心轴被支承成在该管状轴中旋转，并且该管状轴被支承成在涡轮增压器壳体中旋转。
压缩机叶轮中的一个可以与压缩机叶轮中的另一个以背对背的方式安装。涡轮机叶轮中的一个可以与涡轮机叶轮中的另一个以背对背的方式安装。在任一种情况下，以背对背的方式设置的涡轮机叶轮或压缩机叶轮中的一个仍可以包括如上所述的轴向通流。在本发明的一个实施方式中，压缩机叶轮和涡轮机叶轮都可以以背对背的方式安装。
壳体可以与另一个外部增压空气装置(即，涡轮增压器或涡轮泵)部分地或者完全地联接。所述壳体可以具有至少一个气体入口或气体出口或排气入口或排气出口，所述至少一个气体入口或气体出口或排气入口或排气出口连接至另一增压空气装置、或中间冷却器装置、或歧管装置中的至少一者。
在本申请的范围内，清楚地意图在前面段落中、在权利要求中和/或在下文的描述以及附图中所述的各个方面、各实施方式、各示例和各替代方案、特别是其各自的特征可以被独立地采用或以任意组合的方式采用。例如，关于一个实施方式所描述的特征能够应用于所有实施方式，除非该特征是不相容的。
附图说明
现在将参照附图仅通过示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中：
图1至图3示意性地示出了常规的两级涡轮增压器的操作；
图4以曲线的方式示出了两级涡轮增压器的性能特点；
图5以截面的方式示出了根据本发明的实施方式的示意性两级涡轮增压器；
图6至图8示出了根据本发明的实施方式的两级涡轮增压器的不同流动路径；
图9至图11示出了根据本发明的实施方式的两级涡轮增压器的流动路径的替代性设置；
图12以截面的方式示出了根据本发明的实施方式的两级涡轮增压器。
具体实施方式
图1至图3示出了常规两级涡轮增压器设置，该常规两级涡轮增压器设置具有大直径涡轮机/压缩机11、小直径涡轮机/压缩机12、以及通道和阀的设置的示例，现在将对该两级涡轮增压器设置进行描述。
图1示出了在1000rpm至3000rpm的范围内的低发动机速度操作。来自发动机排气歧管13的排气流穿过小涡轮机14、随后经由大涡轮机15到达排气道16。旁通阀17、18是闭合的。在该发动机速度范围内，小涡轮机14起作用，而大涡轮机15在某种程度上不起作用。
在压缩机侧，来自进气道21的气体顺序地穿过大压缩机22和小压缩机23到达发动机进气歧管24。卸压阀25是闭合的。在该发动机速度范围内，气体的压缩主要由小压缩机23(其由小涡轮机14驱动)来产生。
图2示出了在3000rpm至4000rpm的中间发动机速度范围内的操作。在此速度范围内的排气流使得大涡轮机15做出贡献，并且，旁通阀17开始打开以避免小涡轮机14的超速旋转。在压缩机侧，大压缩机在小压缩机接近最大输出时开始对气体压缩做出贡献。涡轮机和压缩机两者都对充量压缩做出贡献。
图3示出了在4000rpm至6000rpm的高速度范围内的操作。旁通阀17完全打开以避免小涡轮机14的超速旋转，并且旁通阀18在大涡轮机15接近最大速度时也开始打开。
在压缩机侧，卸压阀25打开以为小压缩机23提供旁通，使得大部分充量压缩是通过大压缩机22(由大涡轮机驱动)来实现的。
图4示出了图1至图3的两级涡轮增压器的典型性能特点，并且在图4中，A表示来自小涡轮增压器11的主要贡献，B表示来自大涡轮增压器12的主要贡献，且C表示通过阀17、18、25控制的交叠部分。
在该示例中引用的速度范围是示例说明性的并且将例如根据所使用的燃料的类型而不同，但是所述速度范围大体上指示了两级涡轮增压器能够在整个发动机速度的范围内都提供有效的充量压缩的方式。选择打开及闭合阀17、18、25以提供所需的性能特点。
如将从图1至图3中显现的，需要很多气体通道来联接涡轮增压器11、12的进气部和排气部，以致该设置不可避免地体积大并且难以装在车辆的拥挤发动机室内。在排气(涡轮机)侧，由于排气流必须穿过两个涡轮机和连接通道，因此存在通过传导、对流以及辐射而极大损失的排气的热能。这同时使发动机室的温度升高以及使排气流冷却，使得通常的排气催化剂起燃的时间增加；这进而可能降低使柴油机的柴油颗粒过滤器(DPF)再生的机会。在入口(压缩机)侧，可能存在由于来自发动机室的热传递而显著加热进气，尽管可以在进气道中设置中间冷却器，但是这还是减小了充量压缩的有效性。
图5中示出了本发明的实施方式。
第一两级涡轮增压器31包括壳体32并且限定了连续的各级的涡轮机叶轮和压缩机叶轮绕其旋转的共用的旋转轴线33。第一级包括通过管状轴36连接以共同旋转的内侧涡轮机叶轮34和内侧压缩机叶轮35。设置了示例说明性的支承轴承37。成轴颈式安装在管状轴36内的是将第二级涡轮机叶轮39联接至第二级压缩机叶轮40的第二级轴38。第二级叶轮39、40通过基本上不阻碍通流的成放射状延伸的翼片(未示出)而由轴38支承。该翼片可视为例如允许部分回收涡轮机级上的排气能以及在压缩机侧产生有利的预旋转。
与涡轮增压器的流体连接包括气体入口41、排气出口42、增压空气出口43以及排气歧管联接件44。气流路径由箭头示出。出于示例说明的目的，涡轮增压器内的气体通道在尺寸方面略微变形，而实际上将根据设计要求、以及根据所连接的设备和装置的位置来定位以及定尺寸。
在示出的实施方式中，气体入口41和增压空气出口43对于所有的压缩机叶轮而言是共用的，且排气出口42和排气歧管联接件44对于所有的涡轮机叶轮而言是共用的。在替代性实施方式中，可以设置用于压缩机叶轮或涡轮机叶轮的多个入口或出口，使得例如所述两个压缩机叶轮可以设置有各自的入口或各自的出口。类似地，所述两个涡轮机叶轮可以设置有各自的入口或各自的出口。
另外，出于示例说明的目的，省略了控制阀，但这种控制阀的功能和位置从以下描述中、以及通过参照图1至图3的示意图将是显而易见的。
在使用中，经由联接件44以低流率进入的排气被引导穿过小直径涡轮机34上方的通道51；阀(未示出)可以关闭所连接的排气通道52。第一级涡轮机34的小直径和轻质量使得该第一级涡轮机34以低流率转起来，从而在低发动机速度的情况下起作用。第一级压缩机叶轮35相应地由轴36驱动以对已经穿过第二级压缩机叶轮40的中心的进气进行压缩。此经压缩气体穿过输送通道53到达进气歧管。所连接的进气通道54由阀(未示出)关闭以防止逆流。
涡轮增压由此通过第一级的仅以低气体流率的操作而实现。
在较高的气体流率的情况下，第一级可能接近设计极限，因此，所连接的进气通道52和排气通道54逐渐打开。排气流足以使第二级涡轮机叶轮39旋转，并由此使第二级压缩机叶轮40提供有效的充量压缩。
在最高的气体流率的情况下，输送通道53和排气通道51可以关闭或节流以防止相应的压缩机叶轮和涡轮机叶轮的超速旋转。本领域的技术人员将设置适当的阀以确保在压缩机侧产生的压力保持在安全极限内，并且还可以在排气侧设置排气门。第一级与第二级可以在较高的流率的情况下顺序地操作、或者一起操作，并且可能期望部分交叠。
图6至图8示出了各种流动路径的选项。在图6中，第一级或初级57处于操作中。在分流阀61在排气侧确保了气流仅在初级涡轮机叶轮34之上穿过的同时，进气侧的分流阀60阻止向第二级压缩机叶轮40的流动。由此仅初级压缩机叶轮35起作用。
在图7中，初级57和次级58两者都操作，并且进气分流阀60允许气体流动至次级压缩机叶轮40和初级压缩机叶轮35。分流阀61根据所需的涡轮增压器特性来调节排气流以向各个涡轮机叶轮传送所需的比例。
在图8中，分流阀61将排气流中的大部分送到第二级涡轮机叶轮39，并通过压力平衡而送到第一级涡轮机叶轮34。因此，大部分压缩都是由第二级压缩机叶轮40实现的，进气分流阀60允许进入的空气流动穿过该进气分流阀60。
可以使用许多其他的阀设置来代替所描述的分流阀以使气流通道以适当的方式打开及关闭。在较高的气体流率的情况下，第一级涡轮机叶轮34可以被完全阻止或者可以以能够有效地驱动第一级压缩机叶轮35的速度操作。
在所有实施方式中，都可以向次级涡轮机的排气流动路径添加常规设计的常规旁通阀(排气门)。
气体通道的数目和长度方面的减少获得了在排气侧的更少的热量损失，并且由此可使排气催化系统较快地起燃。在进气侧，对进气的加热减少，因此能减小中间冷却器的尺寸或者在保持相同尺寸的情况下改善发动机的性能。
本发明还使得涡轮增压器的旋转部件在发动机运转的同时不停滞，这可以更好地提供涡轮增压器流动路径的良好密封以及轴承表面的润滑。
在图9至图11中示出了替代性设置。
图9与图6相对应，只是将分流阀60a置于进气导管中而非第二级压缩机叶轮40的进气道中。涡轮机侧与图6相对应，并且与图6至图8的实施方式共用的部件被给予相同的附图标记。
在图9中，分流阀60a阻止向第二级压缩机叶轮40的流动。排气侧的分流阀61将所有排气流都送到初级涡轮机34。在这种设置中仅初级57起作用。
在图10中，分流阀60a打开以允许向初级压缩机叶轮(35)和次级压缩机叶轮(40)两者的流动。排气流由阀61引导至初级涡轮机叶轮(34)和次级涡轮机叶轮(39)两者。涡轮增压器在两级并行的情况下操作。
在图11中仅第二级起作用，并且分流阀60a阻止向初级压缩机叶轮35的流动。基本上所有的排气流都被引导至第二级涡轮机叶轮39，并且小部分到达初级涡轮机叶轮以确保初级涡轮机叶轮的怠速旋转。
在本发明的改型中，在涡轮机侧的初级与次级之间和/或在压缩机侧的初级与次级之间设置有定子。该定子通常包括这样的部件：该部件安装在涡轮泵壳体中并具有绕共用的旋转轴线的叶片的圆形阵列以将气流重新引导至相应的下游的压缩机叶轮/涡轮机叶轮。
图12示出了第二两级涡轮增压器131。图12中的第二两级涡轮增压器131与图5中的第一两级涡轮增压器31相似，并且类似的组件以相同的附图标记来标记。该两级涡轮增压器131包括壳体32并且限定了连续的各级的涡轮机叶轮和压缩机叶轮绕其旋转的共用的旋转轴线33。第一级包括通过管状轴36连接以共同旋转的内侧涡轮机叶轮34和内侧压缩机叶轮135。成轴颈式安装在管状轴36内的是将第二级涡轮机叶轮39联接至第二级压缩机叶轮140的第二级轴38。
每个涡轮机叶轮和每个压缩机叶轮都包括绕叶轮的预期旋转轴线成大致放射状设置的多个叶片。这些叶片由支撑构件支承。由此，每个叶轮都被设计为具有前部和后部，气体或者在前部处行进进入叶片中并沿大致径向方向离开该叶片、或者从大致径向方向行进进入叶片中并在前部处离开该叶片。内侧压缩机叶轮135和第二级压缩机叶轮140设置成使得内侧压缩机叶轮135的后部面向第二级压缩机叶轮140的后部。
与涡轮增压器的流体连接包括气体入口141、排气出口42、增压空气出口43以及排气歧管联接件44。穿过排气歧管联接件44和增压空气出口42的气流路径如图5中所示。穿过气体入口141和增压空气出口43的气流路径由箭头示出，并且气体入口141成形为将气流供给至第二级压缩机叶轮140和内侧压缩机叶轮135二者的前部。
在使用中，排气如同在第一两级涡轮增压器31中那样经由联接件44进入并且经由联接件42离开。内侧压缩机叶轮135和第二级压缩机叶轮140能够相应地由轴36和轴38驱动以对进气进行压缩。

Claims (23)

1.一种涡轮泵，所述涡轮泵具有能够在壳体内绕共用轴线旋转的多个压缩机叶轮和多个涡轮机叶轮，所述压缩机叶轮中的一个具有轴向通流通道以将流体供给至所述压缩机叶轮中的另一个、或者所述涡轮机叶轮中的一个具有轴向通流通道以从所述涡轮机叶轮中的另一个接收流体。
2.根据权利要求1所述的涡轮泵，所述涡轮泵在涡轮机叶轮中以及在压缩机叶轮中限定轴向通流通道。
3.根据权利要求2所述的涡轮泵，其中，每个轴向通流通道都是绕所述共用轴线而同轴的。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，压缩机叶轮和涡轮机叶轮成对地联接。
5.根据权利要求2或权利要求3所述的涡轮泵，其中，所述多个压缩机叶轮是相邻的，并且所述多个涡轮机叶轮是相邻的。
6.根据权利要求5所述的涡轮泵，其中，轴向最外侧的所述涡轮机叶轮和轴向最外侧的所述压缩机叶轮限定有相应的轴向通流通道。
7.根据权利要求6所述的涡轮泵，其中，轴向最外侧的所述涡轮机叶轮和轴向最外侧的所述压缩机叶轮的直径大于任何其他涡轮机叶轮和压缩机叶轮的直径。
8.根据权利要求4所述的涡轮泵，所述涡轮泵包括两个压缩机叶轮和两个涡轮机叶轮。
9.根据权利要求5所述的涡轮泵，所述涡轮泵还包括位于相邻的压缩机叶轮之间的流对准式定子以及位于相邻的涡轮机叶轮之间的流对准式定子。
10.根据权利要求4所述的涡轮泵，其中，一个涡轮机叶轮通过套筒连接至一个压缩机叶轮，并且另一个涡轮机叶轮通过成轴颈式安装在所述套筒中的心轴而连接至另一个压缩机叶轮。
11.根据权利要求10所述的涡轮泵，其中，所述套筒成轴颈式安装在所述壳体中。
12.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述压缩机叶轮和所述涡轮机叶轮中的一个包括在所述轴向通流通道中成放射状延伸的翼片。
13.根据权利要求12所述的涡轮泵，其中，所述翼片是弓形的。
14.根据权利要求12所述的涡轮泵，其中，所述翼片是直的。
15.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述壳体在所述涡轮机叶轮的下游具有单个排气出口。
16.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述壳体在所述涡轮机叶轮的上游具有单个入口。
17.根据权利要求5所述的涡轮泵，所述涡轮泵还包括位于相邻的涡轮机叶轮之间的定子。
18.根据权利要求5所述的涡轮泵，所述涡轮泵还包括位于相邻的压缩机叶轮之间的定子。
19.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，所述涡轮泵包括内燃发动机的排气涡轮增压器。
20.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述压缩机叶轮中的一个与所述压缩机叶轮中的另一个以背对背的方式安装。
21.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述涡轮机叶轮中的一个与所述涡轮机叶轮中的另一个以背对背的方式安装。
22.根据权利要求1至3中的任一项所述的涡轮泵，其中，所述壳体具有至少一个气体入口或气体出口或排气入口或排气出口，所述至少一个气体入口或气体出口或排气入口或排气出口连接至另一个增压空气装置、或中间冷却器装置、或歧管装置中的至少一者。
23.一种具有根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮泵的发动机或车辆。
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