CN108625904A - 涡轮机去旋元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括涡轮增压器壳体、转子和防热罩。涡轮增压器壳体包括附接至轴承壳体的涡轮机壳体。转子包括具有轮毂的轴向式涡轮机叶轮和延伸通过轴承壳体的轴。该轮毂限定面向轴承壳体的后盘表面，并且轴承壳体限定面向涡轮机轮毂的外表面。涡轮机壳体形成径向涡旋，并且防热罩形成弯曲部分，该弯曲部分使径向涡旋方向变成轴向方向。该防热罩在轴承壳体涡轮机端壁外表面、涡轮机叶轮后盘表面、防热罩的弯曲部分以及轴的涡轮机端部的柱形外表面之间建立后盘腔体。该防热罩在后盘腔内包括平坦肋部以便阻碍后盘腔体内的排气的周向流动。

Description

涡轮机去旋元件

技术领域

本发明一般地涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及一种具有用于使油从轴承到涡轮机中的泄漏最小化的元件的轴向式涡轮机。

背景技术

参照图1，典型的涡轮增压器101具有涡轮机，该涡轮机包括涡轮增压器壳体和转子，该转子被配置为在油润滑的止推轴承以及两组油润滑的轴颈轴承（其每一个用于一个相应的转子叶轮）上在涡轮增压器壳体内围绕转子旋转轴线103旋转，或者替代地，其它相似的支撑轴承。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体105、压缩机壳体107、以及将涡轮机壳体连接至压缩机壳体的轴承壳体109（即，包含轴承的中心壳体）。转子包括涡轮机叶轮111，该涡轮机叶轮111基本上位于涡轮机壳体内；压缩机叶轮113，该压缩机叶轮113基本上位于压缩机壳体内；以及轴115，该轴115沿着转子旋转轴线延伸通过轴承壳体以将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮。

涡轮机壳体105和涡轮机叶轮111形成涡轮机，该涡轮机被配置为周向地接收来自发动机（例如，来自内燃机125的排气歧管123）的高压且高温的排气流121。涡轮机叶轮（以及因此转子）由高压且高温的排气流驱动围绕转子旋转轴线103旋转，高压且高温的排气流变成低压且低温的排气流127并且被轴向地释放到排气系统（未示出）中。

压缩机壳体107和压缩机叶轮113形成压缩机级。由排气驱动的涡轮机叶轮111驱动的压缩机叶轮被配置为将轴向接收的输入空气（例如，环境空气131，或者来自多级压缩机中的之前级的已加压空气）压缩成加压空气流133，该加压空气流133从压缩机周向地喷出。由于该压缩过程，加压空气流的特征在于高于输入空气温度的升高温度。

可选地，加压空气流可以被引导通过对流冷却的增压空气冷却器135，该增压空气冷却器135被配置为耗散来自加压空气流的热量，从而增加其密度。所产生的冷却且加压的输出空气流137被引导到内燃机的进气歧管139中，或者替代地，被引导到串联式压缩机中的随后级中。系统的操作由ECU 151（发动机控制单元）控制，该ECU 151经由通信连接153连接到系统的其余部分。

2013年6月4日公布的美国专利第8,453,448号（出于所有目的，该案以引用的方式并入本文）公开了一种与图1的涡轮增压器相似、但具有轴向式涡轮机叶轮的涡轮增压器。轴向式涡轮机叶轮固有地具有比等效的径向式涡轮机更低的惯性矩，从而减少使涡轮机加速所需的能量。如从该专利的图2中能够看到，涡轮机具有涡旋通道，该涡旋通道周向地接收排气，并且（参照图1）轴向地限制流动，以将其转变成高度涡旋的轴流。因此，其在大体上轴向和周向的方向上影响涡轮机叶片的前缘。

该专利的涡旋通道的特征在于使排气加速的足够显著的径向减小，使得能够将由涡轮机接收的排气的总压力的大部分转换成动压。这允许适当配置的叶片在不显著地改变涡轮机叶片上的静压的情况下从排气中提取大量的能量，因此，排气流几乎不对转子施加轴向压力。然而，涡旋通道的下游端处的低静压增加了油可能从轴承壳体泄漏到涡轮机壳体中的可能性。

因此，对于具有低惯性矩并且具有油从轴承壳体泄漏到涡轮机壳体中的低可能性的涡轮增压器涡轮机存在需求。本发明的优选实施例满足这些需求以及其它需求，并且提供另外的相关优点。

发明内容

在各种实施例中，本发明解决了上面提到的需求中的一些或者全部，从而通常提供了一种成本有效的涡轮增压器涡轮机，该涡轮增压器涡轮机的特征在于惯性矩小并且油从轴承壳体泄漏到涡轮机壳体中的可能性低。

本发明提供了一种涡轮增压器，该涡轮增压器被配置为接收来自发动机的排气流并且将输入空气压缩成加压空气流。涡轮增压器包括涡轮增压器壳体；转子，该转子可旋转地安装在涡轮增压器壳体内以便围绕转子旋转轴线旋转（即，该转子在除了围绕转子旋转轴线旋转之外的全部自由度上被固定）；以及防热罩。涡轮增压器壳体包括附接至轴承壳体的涡轮机壳体，并且涡轮机壳体形成朝向转子旋转轴线向内引导排气流的径向涡旋。

转子包括轴向式涡轮机叶轮、压缩机叶轮和轴，该轴沿着转子旋转轴线延伸并且通过轴承壳体将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮。涡轮机叶轮被配置有轮毂和多个轴向式涡轮机叶片。轮毂限定面向轴承壳体的涡轮机叶轮后盘表面，并且轴承壳体限定面向涡轮机轮毂的涡轮机端壁外表面。

涡轮增压器包括防热罩，该防热罩形成弯曲部分，该弯曲部分使排气流的径向涡旋方向从径向方向变成以轴向和周向分量朝向多个轴向式涡轮机叶片流动的轴向方向。防热罩在轴承壳体涡轮机端壁外表面、涡轮机叶轮后盘表面、防热罩的弯曲部分以及轴的涡轮机端部的柱形外表面之间建立涡轮机叶轮后盘腔体。

有利地，本发明包括一个或者多个去旋（de-swirl）元件，该一个或者多个去旋元件延伸通过涡轮机叶轮后盘腔体，去旋元件的大小、形状和位置被设计成位于涡轮机叶轮后盘腔体内以便阻碍涡轮机叶轮后盘腔体内的排气的周向流动。这些去旋元件显著地减少了涡轮机叶轮后盘腔体内的排气流的周向流动，从而将涡轮机叶片后盘腔体内的具有高动压和低静压的排气流转换成具有低动压和高静压的排气流。因此，涡轮机叶轮后盘腔体与轴承壳体的内部之间的压力差不太可能将油从轴承壳体抽出并使其进入涡轮机叶片后盘腔体中。

通过结合附图的优选实施例的以下详细描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，这些附图通过示例的方式图示了本发明的原理。如下文阐述的使得能够构建和使用本发明的实施例的特定的优选实施例的详细描述并非旨在限制所列举的权利要求，而是相反地旨在用作所要求保护的发明的特定示例。

附图说明

图1是现有技术的涡轮增压内燃机的系统视图。

图2是体现本发明的涡轮增压器的横截面正视图。

图3是图2中描绘的涡轮增压器的涡轮机侧部分的横截面正视图。

图4是图3中描绘的涡轮机侧部分的横截面图，其中，该图围绕转子旋转轴线从图3的正视图旋转，使得在横截面中示出防热罩的去旋叶片。

图5是在图3中描绘的涡轮增压器的涡轮机侧部分中描绘的防热罩的透视图。

图6是图5中描绘的防热罩的侧视图。

图7是图5中描绘的防热罩的横截面图，其中，该图围绕转子旋转轴线从正视图旋转，使得在横截面中示出防热罩的去旋叶片。

具体实施方式

通过参考应该与附图一起阅读的以下详细描述，可以更好地理解上文概述的并且由所列举的权利要求限定的本发明。下面阐述的使得能够构建和使用本发明的具体实施方式的本发明的特定优选实施例的详细描述不旨在限制所列举的权利要求，而是旨在提供它们的特定示例。

本发明的典型实施例存在于装配有汽油提供动力的内燃机和涡轮增压器的机动车辆中。该涡轮增压器装配有可以降低油从轴承壳体到涡轮机中的泄漏的可能性的独特元件。

参照图2，在本发明的第一实施例中，诸如，在图1中描绘的典型的内燃机和ECU（以及可选地中冷器）设置有涡轮增压器201，该涡轮增压器包括涡轮增压器壳体和转子，该转子可选择地安装在涡轮增压器壳体内，该转子被配置为在一组轴承上沿着并且围绕转子旋转轴线203在涡轮增压器壳体内旋转。涡轮增压器壳体包括涡轮机壳体205、压缩机壳体207、以及将涡轮机壳体连接至压缩机壳体的轴承壳体209。轴承包括油润滑的止推轴承和两组油润滑的轴颈轴承。

转子包括轴向式涡轮机叶轮211，该轴向式涡轮机叶轮211基本上位于涡轮机壳体内；径向压缩机叶轮213，该径向压缩机叶轮213基本上位于压缩机壳体内；以及轴215，该轴215沿着转子旋转轴线延伸通过轴承壳体以便将涡轮机叶轮连接至压缩机叶轮，并且使得涡轮机叶轮驱动压缩机叶轮围绕旋转轴线旋转。

涡轮机壳体205和涡轮机叶轮211形成涡轮机，该涡轮机被配置为周向地接收来自发动机的排气歧管的高压且高温的排气流（诸如，如图1所描绘的，来自排气歧管123的排气流121）。涡轮机叶轮（以及因此转子）由作用在安装于涡轮机叶轮的轮毂218上的多个叶片217上的高压且高温的排气流驱动而围绕转子旋转轴线203旋转。排气流在通过叶片时变成较低总压力的排气流，并且随后经由涡轮机出口轴向地释放到排气系统（未示出）中。

压缩机壳体207和压缩机叶轮213形成径向压缩机。由排气驱动的涡轮机叶轮211（经由轴215）驱动而旋转的压缩机叶轮被配置为将轴向接收的输入空气（例如，环境空气，或者来自多级压缩机中的之前级的已加压空气）压缩成加压空气流，该加压空气流可以从压缩机周向地喷出并且被发送到发动机进口上（诸如，如图1所描绘的，发送到发动机进口139上的加压空气流133）。

涡轮机蜗壳

涡轮机壳体205形成一个或者多个排气入口通道，每个排气入口通道通向一个或者多个主涡旋通道219，该一个或者多个主涡旋通道219被配置为在与转子旋转轴线203垂直并且从转子旋转轴线203径向地偏移的方向上接收来自发动机的排气流。一个或者多个主涡旋通道分别形成适于使气流的速度显著加速到高速的螺旋形部，其可以是用于涡轮机（及其相关发动机）的至少一些操作状况的超音速。

参照图2至图7，一个或者多个主涡旋通道219的（多个）下游端将加速的排气引导到转向通道221中。形成转向通道的内侧（相对于旋转轴线203）的是防热罩231，该防热罩在涡轮机壳体205与轴承壳体209之间被保持就位。防热罩包括凸缘部分261和弯曲部分263。

外部转体233形成转向通道的外侧（相对于旋转轴线203）。（多个）主涡旋通道使（多个）主涡旋通道中的排气围绕旋转轴线203向内转向。转向通道使排气向内并且轴向地朝向轴向式涡轮机叶轮211转向，由此实现（对于发动机的一些标准运行条件）具有与旋转轴线203平行的下游轴向分量和下游周向分量的超音速流动。

有效地，这种配置利用角动量守恒（而不是会聚-发散喷嘴）来实现高速气流，该高速气流可以包括用于至少一些操作状况的超音速的无冲击转变。通常，需要以大半径变化为特征的主涡旋通道219来实现这种速度变化，并且即使所产生的气流轴向地转向至轴向式涡轮机叶轮中，这种配置也具有非常高速的周向分量和非常低的静压。

涡轮机轮毂218限定面向轴承壳体209的涡轮机叶轮后盘表面243。轴承壳体限定具有面向涡轮机轮毂的涡轮机端壁外表面241的涡轮机端壁239。涡轮机叶轮后盘腔体245被限定在涡轮机叶轮后盘表面、涡轮机端壁外表面、防热罩231的弯曲部分263以及轴215的涡轮机端部249的柱形外表面247之间。涡轮机叶轮后盘表面和涡轮机端部的柱形外表面随着轴旋转，而涡轮机端壁外表面和防热罩的弯曲部分相对于壳体保持静止。

在远端上，轴215的涡轮机端部249附接至涡轮机叶轮轮毂218。轴的涡轮机端部的近端延伸通过穿过轴承壳体涡轮机端壁239并且延伸到轴承壳体209中的孔。在该孔内，通过使用一个或者多个活塞环251形成涡轮机侧油密封件。依靠该油密封件来防止轴承油从轴承壳体209流到涡轮机叶轮后盘腔体245，并且随后流过防热罩231（该防热罩是静止的）与涡轮机叶轮后盘243（使该涡轮机叶轮后盘旋转）之间的小间隙255。这样的流动会使燃烧过的油弄脏涡轮机叶片，并且会放掉用于轴承操作所需的油。

然而，在涡轮机侧油密封件上存在负压梯度的情况下（即，油密封件的涡轮机侧处的压力低于轴承壳体209内的邻接位置257处的压力），油通过涡轮机侧油密封件泄漏是可能的。能够有助于涡轮机侧油密封件上的这种负压梯度的一个因素是在低膨胀率（例如，从1.0到2.0）下操作的涡轮机。在这种操作状况下，由于涡轮机内的基本能量交换，涡轮机叶轮后盘腔体245中的压力趋于非常低。

能够有助于涡轮机侧油密封件上的这种负压梯度的另一因素是涡轮机叶轮后盘腔体245内的高周向速度。涡轮机叶轮后盘腔体内的该周向速度是由转向通道221与后盘腔体之间的切向动量交换（通过防热罩231与涡轮机叶轮后盘243之间的小间隙255）以及旋转的涡轮机叶轮后盘和轴215的涡轮机端部249的旋转的柱形外表面247的粘性影响引起的。这种周向速度的存在意味着后盘腔体中的总压力的较大部分是动压的形式（而不是静压），这有助于在涡轮机侧油密封件上的负压梯度。

还存在同样能够有助于涡轮机侧油密封件上的负压梯度的其它因素。例如，在轴向式涡轮机叶轮入口处的较小的轮毂直径将使得负压梯度恶化。同样地，对于可变喷嘴涡轮机（即，具有涡轮机入口叶片的可变喷嘴涡轮机），压力梯度可能较小，特别是在叶片设置于较小开口的情况下。

为了减少涡轮机侧油密封件上的负压梯度，涡轮增压器在涡轮机叶轮后盘腔体245内设置有一个或者多个静止去旋元件。这些去旋元件被配置为（例如，大小、形状和位置）在涡轮机叶轮后盘腔体上径向地且轴向地延伸以便阻碍涡轮机叶轮后盘腔体内的排气的周向流动，并且由此减小涡轮机叶轮后盘腔体内的高周向速度。

该实施例的去旋元件是整体形成为防热罩231的一部分的多个（例如，12个）肋部253。这些肋部是从防热罩径向向内延伸并且轴向地跨过涡轮机叶片后盘腔体的平坦表面。肋部在安全操作范围（即，接近）内延伸至涡轮机叶片后盘243和轴215的涡轮机端部249的柱形外表面247（这两个表面都是旋转表面）。安全操作范围应该将被理解为防止静止肋部与旋转的涡轮机叶轮后盘之间以及静止肋部与轴涡轮机端部的柱形外表面之间的接触（贯穿涡轮机的操作寿命期间的所有标准操作状况）。这些肋部也靠近或者邻接轴承壳体涡轮机端壁239（其是静止的）延伸。

应该注意的是，去旋元件可以与任何静止部分（例如，轴承壳体209或者防热罩231）形成整体、附接至其或者相对于其保持静止（例如，在结构上被支撑为一个或者多个分离部分）。而且，这些去旋元件可以具有各种形状和定向，只要这些去旋元件阻碍涡轮机叶轮后盘腔体245内的排气的周向流动以便足以防止轴承油大量流入涡轮机叶轮后盘腔体245中并且流过防热罩231与涡轮机叶轮后盘243之间的小间隙255。

通常将期望去旋元件具有简单且结实的几何结构，使得设计和制造可靠的去旋元件是便宜的。

去旋元件的替代实施例可以包括与周向流动方向成角度的肋部，以便将周向流动引导到静止表面中，诸如，肋部被附接至其的主体（例如，如果肋部附接至防热罩，则将周向流动引导到防热罩231中；或者如果肋部附接至轴承壳体，则将周向流动引导到轴承壳体209中）。其它选项（例如，将周向流动引导到其它物体中的成角度的肋部）也在本发明的范围内。可以使用实验验证来确认任意特定的单独配置的成功操作。

顾名思义，去旋元件基本上限制或者防止涡轮机叶轮后盘腔体245内的任何显著的周向流动。因此，动压的全部或者大部分被转换成静压，这防止或者在很大程度上限制负压梯度。因此，基本上限制和/或防止了通过涡轮机侧油密封件（由一个或者多个活塞环251形成）的油的泄漏。而且，因为转向通道221与涡轮机叶轮后盘腔体245之间的相互作用由通过转向通道的流动主导，所以去旋元件对涡轮机叶轮后盘腔体内的流动的影响对通过转向通道的流动不具有显著影响，从而对涡轮机性能不具有负面影响。

在本实施例中，防热罩231由凸缘部分261、弯曲部分263以及形式为肋部253的多个去旋元件组成。凸缘部分形成围绕旋转轴线203旋转对称的直角。这使得防热罩在涡轮机壳体205与轴承壳体209之间在三个平移尺寸和两个旋转尺寸上受到限制，而不需要由紧固件或者任何形式的焊接直接保持。通过凸缘部分与两个壳体（即，涡轮机壳体和轴承壳体）之间的摩擦，防热罩相对于其余的旋转尺寸（即，围绕旋转轴线203）被保持。弯曲部分263提供了转向通道221的内侧（相对于旋转轴线203）。

本发明适用于单涡旋涡轮机和具有多个涡旋的涡轮机（例如，双涡旋涡轮机）二者。这种多涡旋涡轮机可以包括延伸到转向通道221中的延伸分流器。

要理解的是，本发明包括用于设计和制造插入件以及用于涡轮机和涡轮增压器本身的设备和方法。额外地，本发明的各种实施例能够包含上述特征的各种组合。简言之，上文公开的特征能够在本发明的预期范围内以各种配置进行组合。

例如，虽然所描述的实施例使用具有由非移动的壳体护罩径向地环绕的悬臂式（即，自由端）叶片的叶轮，但是采用护罩式叶轮（即，具有环绕叶片并且与叶片一起旋转的整体式护罩的叶轮）的其它实施例在本发明的范围内。

虽然已经图示并且描述了本发明的特定形式，但将明显的是，能够在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明的形式进行各种改进。例如，虽然将涡旋描述为径向涡旋，但本发明也适用于混流涡轮机。因此，尽管已经参照优选实施例详细地描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将意识到的是，能够在不脱离本发明的范围的情况下对本发明进行各种改进。因此，本发明不旨在受到上述描述的限制，而是参照以下权利要求书被限定。

Claims (8)

1.一种被配置为接收来自发动机的排气流并且将输入空气压缩成加压空气流的涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：

涡轮增压器壳体，所述涡轮增压器壳体包括附接至轴承壳体（209）的涡轮机壳体（205），其中，所述涡轮机壳体形成朝向转子旋转轴线（203）向内引导所述排气流的涡旋（219）；

转子，所述转子可旋转地安装在所述涡轮增压器壳体内以便围绕所述转子旋转轴线旋转，所述转子包括轴向式涡轮机叶轮（211）、压缩机叶轮（213）和轴（215），所述轴沿着所述转子旋转轴线延伸并且通过所述轴承壳体将所述涡轮机叶轮连接至所述压缩机叶轮，其中，所述涡轮机叶轮被配置有轮毂（218）和多个轴向式涡轮机叶片（217），所述轮毂限定面向所述轴承壳体的涡轮机叶轮后盘表面（243），以及其中，所述轴承壳体限定面向所述涡轮机轮毂（218）的涡轮机端壁外表面（241）；以及

防热罩（231），所述防热罩（231）形成弯曲部分（263），所述弯曲部分（263）使所述排气流的涡旋方向变成朝向所述多个轴向式涡轮机叶片的轴向方向，所述防热罩在轴承壳体涡轮机端壁外表面（241）、所述涡轮机叶轮后盘表面（243）、所述防热罩（231）的所述弯曲部分以及所述轴（215）的涡轮机端部（249）的柱形外表面（247）之间建立涡轮机叶轮后盘腔体（245）；以及

一个或者多个去旋元件，所述一个或者多个去旋元件延伸通过所述涡轮机叶轮后盘腔体，所述去旋元件的大小、形状和位置被设计成位于所述涡轮机叶轮后盘腔体内以便阻碍所述涡轮机叶轮后盘腔体内的排气的周向流动。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述去旋元件在结构上由所述防热罩支撑。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述去旋元件与所述防热罩形成整体。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述去旋元件在结构上由轴承壳体涡轮机端壁（239）支撑。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述去旋元件与所述轴承壳体涡轮机端壁形成整体。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述去旋元件是多个平坦肋部（253），所述多个平坦肋部（253）在所述涡轮机叶轮后盘腔体上径向地且轴向地延伸。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述肋部在安全操作范围内延伸到所述涡轮机叶轮后盘和所述轴的所述涡轮机端部的所述柱形外表面。

8.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡旋是径向流涡旋。