CN104956033A - 具有位于蜗壳中的分离叶片的涡轮机壳体 - Google Patents

具有位于蜗壳中的分离叶片的涡轮机壳体 Download PDF

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Abstract

一种涡轮增压器涡轮机(10)，该涡轮增压器涡轮机具有一个涡轮机叶轮(12)和一个涡轮机壳体(14)，该涡轮机壳体带有一个蜗壳(20)。该涡轮机壳体(14)具有位于蜗壳(20)的弯曲部分(22)中、与作为混流式或轴流式的涡轮机(10)一起使用的多个分离叶片(24)。一个阀门(36)控制着在这些分离叶片(24)的两侧上形成的外蜗壳部分(26)与内蜗壳部分(28)中的一者或两者的排气流。

Description

具有位于蜗壳中的分离叶片的涡轮机壳体
相关申请的交叉引用
本申请要求在2012年12月20日提交的并且题为“具有位于蜗壳中的分离叶片的涡轮机壳体”的美国临时申请号61/739,985的优先权及所有权益。
背景
披露领域
本披露涉及具有涡轮机壳体的排气驱动的涡轮增压器，该涡轮机壳体具有位于蜗壳的弯曲部分中的分离叶片。更具体而言，本披露涉及一种具有与混流式或轴流式涡轮机一起使用的多个分离叶片的可变涡轮机涡旋涡轮机壳体。
相关技术的说明
涡轮增压的优点包括功率输出增大、燃料消耗较小以及污染物排放减少。不再主要从高功率性能方面来看发动机的涡轮增压，而是视作一种基于较低二氧化碳(CO2)排放的减少燃料消耗和环境污染的手段。当前，涡轮增压的一个主要原因是使用排气能量来减少燃料消耗和排放。在涡轮增压发动机中，燃烧空气在供应至发动机之前被预先压缩。该发动机与一个自然吸气发动机相比吸入了相同体积的空气燃料混合物，但由于较高的压力，因此较高的密度的更多的空气和燃料质量以一种受控的方式被供给到燃烧室中。因此，可以燃烧更多的燃料，从而相对于速度和排量增大发动机的功率输出。
在排气涡轮增压过程中，使用正常情况下浪费掉的排气能量中的一些排气能量来驱动涡轮机。该涡轮机包括一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮安装在一个轴上并且被排气流可旋转地驱动。涡轮增压器将一些通常被浪费掉的排气能量中的一些能量返回到发动机，从而有助于发动机效率和节省燃料。被涡轮机驱动的一个压缩机吸取经过滤的周围空气、将其压缩、并且然后将它供给到发动机。该压缩机包括一个压缩机叶轮，该压缩机叶轮安装在该同一轴上，从而该涡轮机叶轮的旋转致使压缩机叶轮旋转。
涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该涡轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一个中央轴承壳体。涡轮机壳体限定了一个蜗壳，该蜗壳包围涡轮机叶轮并从发动机接收排气。涡轮机壳体内的涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可旋转地驱动的。
在涡轮增压器中使用的涡轮机有三种主要的涡轮机类型：轴流式、径流式和混流式。在轴流式涡轮机中，排气流只在轴向方向上通过涡轮机叶轮。在径流式涡轮机中，排气进气流是向心的(即在径向方向上从外到内)，并且排气出气流典型地是在轴向方向上。先期排气流垂直于旋转轴线。在混流式涡轮机中，排气流在轴向方向与径向方向之间的方向上接近涡轮机叶轮。
轴流式或混流式涡轮机与径流式涡轮机相比而言典型地具有更低的流动阻力。通常，轴流式涡轮机能够更高效，因为排气直接受到整个涡轮机叶轮的力，而对于径流式涡轮机而言，排气从涡轮机叶轮侧部流出并且随后围绕涡轮机叶轮的周边流动。
已知不同类型的涡轮增压器具有不同的能力、大小、特征和成本。
传统的废气门涡轮增压器通常是以二进制方式工作的，但成本低。涡轮机壳体中的废气门阀组件可包括一个阀门、通风孔和/或能够使部分排气选择性通过涡轮机周围(即旁通)的旁路，用于限制/控制涡轮机做功，因此只利用了一部分可从排气流中提取的可用排气能量。由此，废气门阀组件对排气流进行调节并且确保涡轮机叶轮不会以不希望的速度进行旋转。
可变涡轮几何形状(VTG)涡轮增压器是一种更复杂且昂贵的选择，不使用废气门阀组件。可变涡轮几何形状使得通向涡轮机叶轮的涡轮机通流截面是根据发动机运行点而可变的。这样允许利用整个排气能量，并且可在各个运行点上最佳地设定涡轮机通流截面。因此，涡轮增压器的效率以及因此发动机的效率可以高于废气门阀组件的旁路控制能够达到的效率。涡轮机中的可变导向叶片对加压积聚产生作用，并且因此对涡轮增压器的功率输出产生作用。
本披露把焦点集中在一种用于具有混流式或轴流式涡轮机的涡轮增压器的可变涡轮机涡旋涡轮机壳体。
概述
可变涡轮机蜗壳(VTV)涡轮机壳体是一种中级成本的选择，能够进行排气再循环、并同时支持改善的燃料经济性。VTV涡轮机壳体与传统的废气门阀组件相比而言典型地具有更多的控制。VTV涡轮机壳体与废气门阀组件相比而言增加了背压，使得排气可在必要时再循环。
而且，轴流式或混流式涡轮机与径流式涡轮机相比而言提供了更低的惯性(是一个关键优势)，但它降低了经过涡轮机的流动阻力，从而使得难以进行排气再循环。对于典型的轴流式或混流式涡轮机而言，解决了不能对经过涡轮机的气流进行调节以及驱动排气再循环的能力下降的问题。
对于将VTV涡轮机壳体适用于轴流式涡轮机，提出了特殊要求。对于轴流式涡轮机而言，典型使用的穿过叶片的平行壁造成了空间上和铸造上的困难。叶片可相对于旋转轴线倾斜，从而允许相对壁上的用于热生长和叶片尖端密封的表面。
本披露还提供了用于与混流式或轴流式涡轮机一起使用的、具有位于蜗壳的弯曲部分中的分离叶片的VTV涡轮机壳体。这可将适合的气流输送至非径向涡轮机叶轮。具有位于弯曲部分中的分离叶片的蜗壳与轴流式涡轮机的组合有助于提高排气输送。
VTV涡轮机壳体与轴流式或混流式涡轮机组合。出于轴流式或混流式涡轮机的空间需求，VTV涡轮机壳体将分离叶片引入蜗壳。轴流式和混流式涡轮机最好不使用现有技术的具有叶片的平板，因为其壳体直径可能太大。与具有叶片的平板相比，VTV涡轮机壳体可在更小的空间内工作。
当前披露的在弯曲部分中具有分离叶片的可变涡轮机涡旋涡轮机壳体改进了作为混流式或轴流式涡轮机的一部分的排气再循环，同时保持了较低惯性的益处。
附图的简要说明
本披露的优点将是容易了解的，因为这些优点通过参照以下详细说明在结合附图考虑时将变得更好理解，在附图中：
图1是涡轮机壳体的一个截面视图，该涡轮机壳体具有位于入口处的阀门、以及位于内蜗壳部分与外蜗壳部分之间的多个分离叶片；
图2是涡轮机壳体的一个截面视图，该涡轮机壳体具有一个附接在内蜗壳部分与外蜗壳部分之间的轮毂侧上的分离叶片；并且
图3是涡轮机壳体的一个截面视图，该涡轮机壳体具有一个附接在内蜗壳部分与外蜗壳部分之间的护罩侧上的分离叶片。
实施方式的详细说明
涡轮增压器是为人熟知的并且包括一个涡轮机10和一个压缩机，其中压缩机叶轮是经由一个轴被涡轮机叶轮12可旋转地驱动的。该轴穿过了涡轮机壳体14与压缩机壳体之间的轴承壳体。
可变涡轮机涡旋(VTV)涡轮机壳体14能够进行排气流的控制输送。在轴流式涡轮机中，气流只在轴向方向上通过涡轮机叶轮12。对于混流式涡轮机而言，气流在轴向方向与径向方向之间的方向上接近涡轮机叶轮12。这两种涡轮机叶轮12都是非径向的。
涡轮机10由涡轮机叶轮12和VTV涡轮机壳体14组成。涡轮机10将发动机排气转化成机械能来驱动压缩机。排气在蜗壳入口16与一个出口之间施加压力和温降。涡轮机10将这种压力转化成能量来驱动涡轮机叶轮12。
VTV涡轮机壳体14包括具有弯曲部分22的螺旋形的蜗壳20，该蜗壳的大小从蜗壳入口16朝向涡轮机叶轮12减小。蜗壳20围绕着涡轮机叶轮12的外部圆周。
VTV涡轮机壳体14具有位于蜗壳20的弯曲部分22中的多个分离叶片24，这些分离叶片与混流式或轴流式涡轮机10一起使用，用以向非径向涡轮机叶轮12输送适合的气流。在弯曲部分22中具有分离叶片24的蜗壳20与轴流式或混流式涡轮机10的组合有助于提高排气输送。这些分离叶片24可以限定外蜗壳部分26和内蜗壳部分28。
这些分离叶片24可以被铸造在蜗壳20的两侧。图2示出了从轮毂侧的壁34延伸的分离叶片24。该分离叶片24的远端自由端30邻近于一个护罩壁32以及一个示例的混流式涡轮机叶轮112。图3示出了从护罩壁32延伸的多个分离叶片24，并且其远端自由端30邻近于轮毂侧的壁34和示例的轴流式涡轮机叶轮212。在第二种情况中，可将密封表面设计成隔热屏，该隔热屏包括一个多件式隔热屏，当这些分离叶片24压在隔热屏上时该多件式隔热屏可折曲并由于温度上升而膨胀。应该理解，非径向涡轮机叶轮12可以是轴流式涡轮机叶轮112或混流式涡轮机叶轮212与壁32或壁34上的这些分离叶片24的组合。
这些分离叶片24可相对于旋转轴线倾斜，从而允许相对壁上的用于热生长和叶片尖端密封的表面。
可将阀门36引入蜗壳入口16用以控制排气流，主要是相对于外蜗壳部分26而言，如图1所示。阀门36优选地与涡轮机壳体14铰接而在其上枢转，用以在关闭时将气流只引导到内蜗壳部分28，而在打开时将气流引导到内蜗壳部分28和外蜗壳部分26二者。阀门36还可结合作为位于蜗壳入口16的分离叶片24的第一叶片的一部分。只流向内蜗壳部分28或流向内蜗壳部分28和外蜗壳部分26两者的排气的流量影响涡轮机叶轮12的旋转速度。
当前披露的在弯曲部分22具有分离叶片24的VTV涡轮机壳体14控制了排气流、并且改进了作为混流式或轴流式涡轮机10的一部分的排气再循环，同时保持了较低惯性的益处。而且，具有位于蜗壳20的弯曲部分22中的分离叶片24的VTV涡轮机壳体14容纳了一个较小的整体涡轮机10。
已经以展示性的方式描述了本发明，并且应理解的是，所使用的术语旨在本质上是描述词语而非限制词语。鉴于以上的传授内容，本发明的许多修改和变体都是可能的。因此应理解的是，在所附权利要求书的范围内，可以按照与在本说明内具体列举的不同方式来实践本发明。

Claims (7)

1.一种使用排气再循环的涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个涡轮机(10)，该涡轮机具有一个非径向涡轮机叶轮(12)和一个可变涡轮机涡旋壳体(14)，该可变涡轮机涡旋壳体带有一个弯曲部分(22)，该弯曲部分(22)与多个分离叶片(24)结合而形成一个内蜗壳部分(28)和一个外蜗壳部分(26)；以及
一个阀门(36)，该阀门对用于与作为混流式或轴流式的涡轮机(10)一起使用的内蜗壳部分(28)与外蜗壳部分(26)中的一者或两者的排气流进行控制。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该排气流在轴向方向上接近该涡轮机叶轮(12)。
3.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中该内蜗壳部分(28)和该外蜗壳部分(26)是由一个轮毂侧的壁(34)和一个护罩壁(32)限定。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中这些分离叶片(24)从该轮毂侧的壁(34)延伸并且具有与该护罩壁(32)相邻的自由远端(30)。
5.如权利要求3所述的涡轮增压器，其中这些分离叶片(24)从该护罩壁(32)延伸并且具有与该轮毂侧的壁(34)相邻的自由远端(30)。
6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中这些分离叶片(24)是相对于该非径向涡轮机叶轮(12)的一个旋转轴线倾斜的。
7.一种使用排气再循环的涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个轴流式涡轮机(10)，该轴流式涡轮机具有一个非径向涡轮机叶轮(12)和一个可变涡轮机涡旋壳体(14)，该可变涡轮机涡旋壳体带有一个弯曲部分(22)，该弯曲部分与从一个壳体壁(32或34)延伸的多个分离叶片(24)结合，并且各分离叶片(24)具有一个远端自由端(30)，这些分离叶片(24)形成一个内蜗壳部分(28)和一个外蜗壳部分(26)；以及
一个枢转阀(36)，该枢转阀控制着用于与该轴流式涡轮机(10)一起使用的该内蜗壳部分(28)与该外蜗壳部分(26)中的一者或两者的排气流，其中该排气流在轴向方向上接近该非径向涡轮机叶轮(12)。
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