CN104854439A - 用于驱动涡轮增压器的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

在实施一种借助从涡轮机入口(12)输入的驱动气体驱动涡轮增压器(1)的方法时，从压缩机出口(18)排出的压缩气体被导入涡轮机(2)的涡轮机辅助入口(15)内，所述涡轮机辅助入口(15)在涡轮机入口(12)的下游在一个位置上接通所述涡轮机腔室(5)，在涡轮机(2)的被驱动状态下在所述位置上的压力小于来自涡轮压缩机(3)的压缩气体的压力。

Description

用于驱动涡轮增压器的方法和装置
本发明涉及一种用于驱动包含涡轮机和涡轮压缩机的涡轮增压器的方法，该涡轮增压器具有壳体，所述壳体具有具备涡轮机入口和涡轮机出口的涡轮机腔室和具备压缩机入口和压缩机出口的压缩机腔室，并且该涡轮增压器具有转子，所述转子具有安置在所述涡轮机腔室内的涡轮和安置在所述压缩机腔室内的压缩机轮，在实施所述方法时，所述转子借助从所述涡轮机入口输入的驱动气体被驱动。本发明还涉及一种用于实施所述方法的装置。
在研发和生产涡轮增压器的过程中，为了特定的测量和测试目的、例如高速均衡，需要涡轮增压器的转子达到最大的运行转速或者近似的高转速。为了达到此目的，由文献DE 10 2009 013 432 A1已知，涡轮增压器的涡轮机被驱动气体加载，并且向转子以此方式输入所需的驱动功率。此外，驱动气体用作压力气体，该压力气体例如可以从压力气体网中获得。为驱动所需的压力气体的量是巨大的，特别是压力气体通常是冷的，也就是说是室温的并且相应地在涡轮机内的焓降较小。压力气体作为能量载体比较昂贵，并且涡轮机用压力气体驱动的能量效率也是不理想的。因此，借助驱动气体将涡轮增压器的转子加速到最大运行转速会导致巨大的费用。
在DE 10 2011 054 236 A1所述的方法中，所提供的类型将从压缩机出口排出的压缩气体导入涡轮机入口中，其中其借助驱动气体的喷射泵混入压缩气体用于驱动涡轮的，驱动气体以与来自压缩机的气体相比更高的压力和更高的流速，以射流的形式被导入涡轮机入口。以这种方式，附加地使用了从涡轮增压器的压缩机侧输送的压缩气体，用于驱动涡轮增压器，并且相应需要较少的驱动气体。为了借助喷射泵进行混合，需要来自压缩机的气体的压力一定程度上小于驱动气体的压力，使得喷射泵保证通过射流实现混合。所述调节的满足取决于涡轮增压器的涡轮机和压缩机的设计，并且不是总能满足条件。因此，这种方法的应用受到限制，其中驱动气体的压力与压缩机的出口处的压力之间的压力差不是非常大。
由文献RU 2 023 248 C1已知一种用于测试增压涡轮压缩机的方法，其中由起动压缩机所产生的高压气体被输入摆动喷嘴，该摆动喷嘴安置在二级喷射器中，该二级喷射器设置在涡轮机的设有扩散器的第一级的后面。为了进行不同的测试，喷嘴可以沿工作介质的运行方向摆动，以产生涡轮机的排气接管内的低压，或者沿相反的方向摆动，以产生涡轮机的排气接管内的过压。
此外，由文献GE 611 528 A已知一种测试装置，其中，待测试的涡轮机通过压力气体驱动并且与压缩机耦连，其中，压缩机出口的压缩气体可以被用于驱动涡轮机，方法是，加热该压缩气体并且在涡轮机入口上增大气体输入。
由文献RU 2 248 910 C1已知一种用于测试涡轮增压器的方法，其中，气体在涡轮机入口和压缩机入口注入，其中，压缩机通过涡轮机转动。在此没有设置压缩气体向涡轮机的入口的回输。
本发明所要解决的技术问题是，提供一种前述类型的改进的方法，该方法减少了用于驱动涡轮增压器的转子的驱动气体的需求。
所述技术问题按照本发明通过权利要求1提供的方法解决。权利要求2提供了一种实施所述方法的有利的装置。
在按照本发明的方法中，从压缩机出口排出的压缩气体被导入涡轮机辅助入口内，所述涡轮机辅助入口在涡轮机入口的下游在一个位置上接通涡轮机腔室，在涡轮机的被驱动状态下在所述位置上的压力小于由压缩机压缩的气体的压力。
通过按照本发明的方法，从涡轮增压器的压缩机输送的压缩气体附加地用于驱动转子，方法是将压缩气体输入涡轮机辅助入口内。当然，从压缩机输送的用于驱动转子的气体是不足够的，因为在涡轮机和压缩机中会产生损失，这必须通过从外部输入驱动气体形式的能量来平衡。此外也需要一种能量过剩，以便短时间内将转子加速到高转速。与仅使用驱动气体实现驱动相比，在按照本发明的方法中仅需要非常少的驱动气体用于转子的驱动，因为来自压缩机的气体所存储的能量能够被回收用于驱动涡轮机。原则上，通过输入的驱动气体只需要补偿涡轮机和压缩机内的能量损失和转子轴承中的损失。因此通过相对简单地实施按照本发明的方法，就可以极大地降低驱动气体的消耗。这也使得用于驱动涡轮增压器的费用相应地下降。
此外，按照本发明的方法还具有的优点是，涡轮增压器的设计和驱动气体的压力之间无相关。驱动气体在涡轮机入口处的压力在涡轮机腔室内下降，直至在涡轮机出口处的大约大气压力。通过在涡轮机入口和涡轮机出口之间为设置辅助入口选择位置，从而可以如此调节在辅助入口的交汇处的压力，使得该压力足够低于涡轮压缩机的输送压力，以便实现对涡轮机驱动有利的、针对来自涡轮压缩机的气体的压力降。
一种用于驱动包含涡轮机和涡轮压缩机的涡轮增压器的装置适用于实施按照本发明的方法，所述装置具有壳体，所述壳体具有具备涡轮机入口和涡轮机出口的涡轮机腔室和具备压缩机入口和压缩机出口的压缩机腔室，并且所述装置还具有转子，所述转子具有安置在所述涡轮机腔室内的涡轮和安置在所述压缩机腔室内的压缩机轮，且所述装置具有能够连接所述涡轮机入口的驱动气体源，其中，所述涡轮机腔室具有涡轮机辅助入口，所述涡轮机辅助入口在涡轮机入口的下游在一个位置上接通所述涡轮机腔室，在涡轮机的被驱动状态下在所述位置上的压力小于由所述涡轮压缩机压缩的气体的压力，并且所述装置具有管路，所述压缩机出口与所述涡轮机辅助入口通过所述管路能够相连，以便将从所述压缩机出口排出的压缩气体导入所述涡轮机辅助入口内。
按照本发明的装置可以简单且低成本地制造并且可简易地操作。为了提高效率，在涡轮机入口和/或涡轮机辅助入口内附加安置导向叶片。
按照本发明的方法可以在完整的涡轮增压器，也可在涡轮增压器集体组件中应用。在涡轮增压器机体组件中，壳体由包含转子轴承的、属于涡轮增压器的组成部件的中间壳体、涡轮机壳体和压缩机壳体组成，涡轮机壳体和压缩机壳体安装在中间壳体上并且构成具有所属入口和出口的涡轮机腔室和压缩机腔室。按照本发明的方法不局限于在涡轮增压器中的应用，而是也可以用于类似装配的机组、如小型燃气轮机的气体发生器组件，以便为了平衡的目的或其它要求进行驱动。
以下结合附图所示的实施例进一步阐述本发明。在附图中示出涡轮增压器的示意图，其具有与之相连的根据本发明的驱动气体驱动装置。
所示的是一种涡轮增压器1，其包含涡轮机2和涡轮压缩机3。涡轮增压器1具有壳体4，该壳体构成涡轮机腔室5和压缩机腔室6以及设置在它们之间的轴承壳体7。在壳体4内，安置有转子8，其具有支承在轴承壳体7内的轴9。在轴9上，涡轮10固定在涡轮机腔室5内并且压缩机轮11固定在压缩机腔室6内。涡轮机腔室5在燃料进入侧设有环形的涡轮机入口12，该涡轮机入口围绕涡轮10并且径向接入涡轮机腔室5内，其中，在交汇口中可以安置导向叶片13。在涡轮10的端侧，涡轮机腔室5接通同轴的涡轮机出口14。在涡轮机入口12和涡轮机出口14之间，涡轮机腔室5具有环形的涡轮机辅助入口15，该涡轮机辅助入口接通涡轮机腔室5并且在交汇口上可以设置具有导向叶片的喷管环16。压缩机腔室6在端侧具有中央的压缩机入口17和环形的压缩机出口18。
为了驱动涡轮增压器1(例如为了测量目的)，压缩机出口18通过管路20与涡轮机辅助入口15相连。此外，涡轮机入口12通过管路21连接在驱动气体存储器22上，该驱动气体存储器通过由马达驱动的压气机23供应驱动气体。在管路21内设有阀门24，用于控制驱动气体的输入。驱动气体具有一个压力，该压力大大高于在最大运行转速时由涡轮压缩机3向压缩机出口15所输送的压缩气体的最大压力。
如果需要驱动转子8并且加速至优选的与最大运行转速相应的转速，则打开阀门24并且将驱动气体导入涡轮机入口12。通过由此流入涡轮机腔室5内的驱动气体，驱动涡轮10并且使转子8转动。随着转子8增大的转速，使涡轮压缩机3的输出率增大，并由此输入涡轮机辅助入口15的体积流中的压缩气体的压力也被增大。在涡轮机辅助入口15上产生一个压缩气体压力和涡轮机腔室5内压力之间的压力降，涡轮机腔室在该位置已经下降到较低的压力。压力降随着转速增大并且产生驱动涡轮10的高流速的气流。涡轮机转速继续增大，直至达到一个出现平衡的值，在这种平衡中从驱动气体存储器22通过驱动气体所输入的能量等于涡轮机2、涡轮压缩机3和转子的轴承内的能量损耗。如果需要进一步升高转子转速，则必须通过对阀门24的相应控制增大输入的驱动气体量。反之，可以通过减少输入的驱动气体量使转子转速下降。
综上，通过从涡轮压缩机3向涡轮机2内输入压缩气体使得所需要的驱动气体量明显下降，并且由此也使用于涡轮增压器1的测量和测试运行的能量和成本耗费明显下降。

Claims (4)

1.一种用于驱动包含涡轮机(2)和涡轮压缩机(3)的涡轮增压器(1)的方法，该涡轮增压器具有壳体(4)，所述壳体(4)具有具备涡轮机入口(12)和涡轮机出口(14)的涡轮机腔室(5)和具备压缩机入口(17)和压缩机出口(18)的压缩机腔室(6)，该涡轮增压器具有转子(8)，所述转子(8)具有安置在所述涡轮机腔室(5)内的涡轮(10)和安置在所述压缩机腔室(6)内的压缩机轮(11)，在实施所述方法时，所述转子(8)借助从所述涡轮机入口(12)输入的驱动气体被驱动，其特征在于，从所述压缩机出口(18)排出的压缩气体被导入涡轮机辅助入口(15)内，所述涡轮机辅助入口(15)在涡轮机入口(12)的下游在一个位置上接通所述涡轮机腔室(5)，在涡轮机(2)的被驱动状态下在所述位置上的压力小于由所述涡轮压缩机(3)压缩的气体的压力。
2.一种用于驱动包含涡轮机(2)和涡轮压缩机(3)的涡轮增压器(1)的装置，所述装置具有壳体(4)，所述壳体(4)具有具备涡轮机入口(12)和涡轮机出口(14)的涡轮机腔室(5)和具备压缩机入口(17)和压缩机出口(18)的压缩机腔室(6)，并且所述装置还具有转子(8)，所述转子(8)具有安置在所述涡轮机腔室(5)内的涡轮(10)和安置在所述压缩机腔室(6)内的压缩机轮(11)，并且所述装置具有能够连接所述涡轮机入口(12)的驱动气体源，其特征在于，所述装置具有涡轮机辅助入口(15)，所述涡轮机辅助入口(15)在涡轮机入口(12)的下游在一个位置上接通所述涡轮机腔室(5)，在涡轮机(2)的被驱动状态下在所述位置上的压力小于由所述涡轮压缩机(3)压缩的气体的压力，并且所述装置具有管路(20)，所述压缩机出口(15)与所述涡轮机辅助入口(15)通过所述管路(20)能够相连，以便将从所述压缩机出口(18)排出的压缩气体导入所述涡轮机辅助入口(15)内。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述涡轮机入口和/或涡轮机辅助入口内安置导向叶片(13)。
4.如权利要求2或3所述的装置，其特征在于，通过阀门(24)能够控制驱动气体的输入。
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