CN110735666A - 自吸涡旋增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自吸涡旋增压器；通过该增压器设置的部件为增压器装配板、轴向导流板、周向导流板、平衡器、输出口管壁、平衡器固定管，均为静止结构件，且只安装到吸气口部位，材料取材广泛，也可塑料铸造；由于该增压器的轴向导流板、周向导流板安装需要特殊角度，启动时使得气体成涡旋流入，保证了发动机点着就开始增压作用，且随着发动机转速的增加自动成指数增加进气量，由于本身无高速旋转部件因此无转速上限限制，增压转速区域大；该增压器结构简单，设计合理，不仅适合各种燃料的内燃机作增压器，降低发动机氮氧化物排放，降低污染增加燃油做功效率，增加发动机最大扭矩和最大功率。

Description

自吸涡旋增压器

技术领域

本发明提供一种自吸涡旋增压器，属于增压器技术领域。

背景技术

通常的涡轮增压器是利用尾气排气动力带动涡轮高速转动从而主动压缩气体提高发动机进气量的装置，属于平直压缩气体。常见的涡轮增压器主要包括废气驱动的涡轮机叶轮，废气驱动的涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体的回转中心上，涡轮机壳体联接在发动机排气管的出口。来自发动机排气管的废气会驱动涡轮机叶轮旋转，而后涡轮机叶轮的旋转驱动位于压缩机壳体内的安装在涡轮轴另一端的压缩机叶轮旋转，压缩机将空气压缩并输送至发动机的进气管。涡轮轴一般由位于联接涡轮机壳体和压缩机壳体之间的中间壳体内的浮动轴承和止推轴承【包括必要的润滑系统】支撑。

但是，由于涡轮增压技术中存在明显的“滞后响应”，即由于叶轮的惯性作用对油门骤时变化反应迟缓，即使经过改良后的反应时间也要1.7秒，使发动机延迟增加或减少输出功率，这样，如果紧急条件下的急加速，就会感觉发动机使不上劲；而且，发动机长时间高速运转后，有一部分机油供给涡轮增压器转子轴承润滑和用于冷却的，正在运行的发动机突然停机后，机油压力迅速下降为零，增压器涡轮部分的高温传到中间，轴承支承壳内的热量不能迅速带走，而同时增压器转子仍在惯性作用下高速旋转，因此，发动机热机状态下如果突然停机，会引起涡轮增压器内滞留的机油过热而损坏轴承和轴。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题而提供了一种自吸涡旋增压器；通过该增压器设置的部件为增压器装配板、轴向导流板、周向导流板、平衡器、输出口管壁、平衡器固定管，均为静止结构件，且只安装到吸气口部位，材料取材广泛，也可塑料铸造；而且，由于该增压器的轴向导流板、周向导流板安装需要特殊角度，启动时使得气体成涡旋流入，保证了发动机点着就开始增压作用，且随着发动机转速的增加自动成指数增加进气量，由于本身无高速旋转部件因此无转速上限限制，增压转速区域大；另外，该增压器结构简单，设计合理，不仅适合各种燃料的内燃机作增压器，降低发动机氮氧化物排放，降低污染增加燃油做功效率，增加发动机最大扭矩和最大功率，还可以应用到航空发动机的高压压气机尾端，以减少高压压气机级数增加压缩比，以及应用到导弹的冲压发动机里，增加发动机动力和总功率。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术手段实现的：

一种自吸涡旋增压器，它由增压器装配板、轴向导流板、周向导流板、平衡器、平衡器固定管部分组成，其特征是：增压器装配板、轴向导流板、周向导流板组成为一个中心成管状的涡旋发生器，涡旋发生器内为压缩管腔，增压器装配板上设置有若干个周向导流板，相邻周向导流板之间设置有若干个轴向导流板，增压器装配板中部为和压缩管腔等直径的圆孔，增压器装配板前端设置有输出口管壁，输出口管壁通过软管与发动机相连接，涡旋发生器内后端设置有平衡器固定管，平衡器固定管内设置有平衡器。

所述的轴向导流板与涡旋发生器的压缩管腔尾端方向轴成54°夹角【或者轴向导流板与压缩管腔圆周面成36°入射角并指向管口输出端】，轴向导流板的轴向分隔间距【不是轴向导流板间的垂直距离】宜小于等于1/3涡旋发生器的涡管直径距离。

所述的若干个周向导流板360°均匀分布在增压器装配板上，相邻两片周向导流板的夹角为24°最佳，周向导流板的数量为15片最佳。

所述的周向导流板的周向长度宜大于相邻两板间最小有效截面距的5-10倍。

所述的平衡器呈锥形体结构，其尾端的截面积等于1/2压缩管面积，其尖端延伸到压缩管输出端面【不包括延伸连接管】截面半径为0。

所述的平衡器的锥形体侧弧形是一个1/4周期的正弦曲线，弧侧面锥形体底端有和轴向导向板同样角度的台体封住压缩管腔远端口，并连接一段配合安装直管，这样正弦线型侧弧的中心流速平衡器可以使得负压向远端线性增加，使压缩管腔内的前后气体近似同速输出，大幅度增加输出口气流的速度和流量。

所述的软管的弯曲不超过20°，压缩管腔的轴线与软管中心轴在一条直线上最佳。

所述的增压器装配板、轴向导流板、周向导流板、平衡器、输出口管壁、平衡器固定管的材料可采用为金属、塑料材质。

工作原理：自吸涡旋增加器是利用发动机的吸气动力，通过特殊的结构引导方式使气流自行进行高速旋转来给吸进的气体进行增压，并以一定的轴向进动速度把压缩的气流螺旋状输入发动机。它是利用大气涡旋的原理，可以把周围大量平直的低速气流集中到一狭小的涡旋中以高速度高密度的方式向涡旋的一个方向集中释放出去。

首先，在涡旋发生器的圆管的周向开若干进气口并用轴向导流板对气体进行流向引导，周向导向板在圆管的周向切线上使进入管内的气体沿管圆周运动，同时在轴向上也有若干个气流导板，轴向导向板与管轴成一定的入射夹角并指向输出端一侧，使气流向输出端螺旋进动，整个结构如同周围有若干个矩形面的斜蜂窝围绕在一个管子的周围的结构。

接着，当气体被吸入涡旋发生器内时气体会呈现如弹簧一样的螺旋状流动，如同在压缩管腔内形成高速的龙卷风，高速螺旋状气体有很大的角动量，因此会产生离心增压效应使螺旋气体密度增大，而周围大量的进气口有大量的气体受到压缩管腔内高速螺旋气流的负压引导作用加速流入管内，由于螺旋气流的圆周运动状态使得后流入的直线气流和圆周运动的气流有一定的交叉夹角，因而二者产生合力效果使得管内的螺旋气流速度增加，如此循环螺旋气流从压缩管腔尾端螺旋到压缩管腔输出端的过程中会不断的加速，不断的使气体密度加大，使气流量加大，如同将周围大量的气体螺旋压缩打包后再输入到发动机。

本发明主要具有以下有益效果：

1、该增压器设置的部件为增压器装配板、轴向导流板、周向导流板、平衡器、输出口管壁、平衡器固定管，均为静止结构件，且只安装到吸气口部位，材料取材广泛，也可塑料铸造。

2、由于该增压器的轴向导流板、周向导流板安装需要特殊角度，启动时使得气体成涡旋流入，保证了发动机点着就开始增压作用，且随着发动机转速的增加自动成指数增加进气量，无转速上限限制且增压转速区域大。

3、该增压器结构简单，设计合理，不仅适合各种燃料的内燃机作增压器，降低发动机氮氧化物排放，降低污染增加燃油做功效率，增加发动机最大扭矩和最大功率，还可以应用到航空发动机的高压压气机尾端，以减少高压压气机级数增加压缩比，以及应用到导弹的冲压发动机里，增加发动机动力和总功率。

附图说明

附图1是本发明自吸涡旋增压器的立体结构示意图；

附图2是本发明自吸涡旋增压器的左视结构示意图；

附图3是本发明自吸涡旋增压器的右视结构示意图；

附图4是本发明自吸涡旋增压器的剖视结构示意图；

附图5是本发明自吸涡旋增压器的结构原理示意图；

附图6是本发明自吸涡旋增压器的结构原理示意图；

附图7是本发明自吸涡旋增压器的装配结构示意图；

附图8是本发明自吸涡旋增压器的实施例2立体结构示意图；

附图9是本发明自吸涡旋增压器的实施例2周侧向非全向开口结构示意图；

附图10是本发明自吸涡旋增压器的实施例2左视结构示意图；

附图11是本发明自吸涡旋增压器的实施例2右视结构示意图；

附图12是本发明自吸涡旋增压器的平衡器结构示意图。

如图1-图12所示，图中各个部分由下列阿拉伯数字表示：

增压器装配板-1、轴向导流板-2、周向导流板-3、平衡器-4、输出口管壁-5、平衡器固定管-6、压缩管腔-7。

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的详细说明：

具体实施方式

实施例1

如图1-图7、图12所示，一种自吸涡旋增压器，它由增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3、平衡器4、平衡器固定管6部分组成。

如图1-图7、图12所示，增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3组成为一个中心成管状的涡旋发生器，涡旋发生器内为压缩管腔7，增压器装配板1上设置有若干个轴向导流板2、周向导流板3，相邻周向导流板3之间设置有若干个轴向导流板2，增压器装配板1中部为圆孔，增压器装配板1前端设置有输出口管壁5，输出口管壁5通过软管与发动机相连接，涡旋发生器内后端设置有平衡器固定管6，平衡器固定管6内设置有平衡器4。

所述的轴向导流板2与涡旋发生器的压缩管腔7尾端方向轴成54°夹角【或者轴向导流板2与压缩管腔7圆周面成36°入射角并指向管口输出端】，轴向导流板2的轴向分隔间距【不是轴向导流板2间的垂直距离】宜小于等于1/3涡旋发生器的涡管直径距离。

所述的若干个周向导流板3以360°均匀分布在增压器装配板1上，相邻两片周向导流板3的夹角为24°最佳，周向导流板3的数量为15片最佳。

所述的周向导流板3长度宜大于相邻两板间最小有效截面距的5-10倍。

所述的平衡器4呈锥形体结构，其尾端的截面积等于1/2压缩管面积，其尖端延伸到压缩管输出端面【不包括延伸连接管】截面半径为0。

所述的平衡器4的锥形体侧弧形是一个1/4周期的正弦曲线，弧侧面锥形体底端有和轴向导向板同样角度的台体封住压缩管腔7远端口，并连接一段配合安装直管，这样正弦线型侧弧的中心流速平衡器可以使得负压向远端线性增加，使压缩管腔7内的前后气体近似同速输出，大幅度增加输出口气流的速度和流量。

所述的软管的弯曲不超过20°，压缩管腔7的轴线与软管中心轴在一条直线上最佳。

所述的增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3、平衡器4、输出口管壁5、平衡器固定管6的材料可采用为金属、塑料材质。

同时，本技术的结构设计在以下几方面体现：

1.轴向导流板2和管轴成一定的夹角，根据周向单口进气效率等于螺旋气流角速度的平方乘以气流入射角的正弦值乘以周向单口有效进气面积的关系式求出轴向导板和压缩管腔7尾端方向轴成54°角为最大值，或者和压缩管腔7的圆周面成36°入射角并指向管口输出端；

2.压缩管腔7截面直径取发动机总进气道中截面积最小的部分，现在电喷发动机取和节气门面积相等的圆面直径；

3.压缩管腔7内的流速平衡增效器是一个锥形体，它是尾端的截面积等于压缩压缩管腔7面积1/2的圆面S1，尖端延伸到压缩管输出端面【不包括延伸连接管】截面半径为0【实际制造中通常赋予尖端一个微小的截面以利于制造】，锥体侧弧形并不是直线而是一个1/4周期的正弦曲线，最高点是圆面S1的半径r，1/4周期长度等于圆面S1中心到管输出端面中心的距离a，即r*sin(a)。弧侧面锥形体底端有和轴向导向板同样角度的台体封住压缩管远端口，并连接一段配合安装直管，这样正弦线型侧弧的中心流速平衡器可以使得负压向远端线性增加，使压缩管腔7内的前后气体近似同时输出，大幅度增加输出口气流的速度和流量；

4.为了增加涡旋压缩管腔7内气流的总动量、总密度和总流量，因此必须要增加涡旋压缩管腔7的长度以保证涡旋管壁周侧总有效进气面积远大于涡旋管截面积，并且至少要保持在2.2倍以上，虽然涡旋压缩管腔7长度增加可以增加管内气流的总动量、总密度、总流量，但是整体体积也会随着增大，因此一般周侧总有效进气面积大约是涡旋压缩管腔7截面积的5.5倍左右所需的管长度也就够了；

5.在不影响涡旋压缩管腔7周侧总有效进气面的时，周向侧开出的进气口数越多越好同时周向隔板越多越好，但受限于导流板本身的厚度，周向导流板3数量的大量增加，会影响周侧有效进气面积，因此对于360°全开口的情况周向导流板3数量在15片最佳，板间夹角24°【非全侧开口根据侧开角度大小减少片数，但分隔角不变】，在不影响总有效进气面积的情况下轴向导流板2越多越好，涡旋器管越短越好，在不影响强度需要的情况下导流板厚度越薄越好。由于体积设计的需要，侧进气口在周向开口累计角度不小于210°，最佳是360°全侧开口，只是这样会让整个增压结构占有的空间略有增加，具体数值要求，周向导流板3长度宜大于两板间最小有效截面高的5-10倍，轴向导流板2的轴向分隔间距【不是轴向导流板2间的垂直距离】宜略小于等于1/3涡管直径距离；

6.空气滤芯前进气口面积要大于发动机节气门处进气口面积的3.5倍以上，以降低滤芯前进气阻力，如果安装朝向车头方向的进气喇叭口，更有利于高速的进气量；

7.由于经过增压的气体处于压缩状态因此在进入节气门前的输送软管不可以出现大角度弯曲现象，否则螺旋压缩气流会在进入节气门前出现解压缩现象，使流过节气门的气体密度变低而降低进气量，因此，软管弯曲不宜超过20°，涡旋增压器压缩管腔(7)轴和发动机节气门中心轴在一条直线上最佳；

8.由于螺旋气体紧贴着输送软管内壁作高速旋转进动，因此通常的内波纹结构软管不适合增压气体的传输用，而应该用光滑内壁的外波纹软管作为气体传输管。

工作原理：

首先，在涡旋发生器的圆管的周向开若干进气口并用周向导流板3和轴向导流板2对气体进行流向引导，周向导向板在圆管的周向切线上使进入管内的气体沿管圆周运动，同时在轴向上也有若干个气流导板，轴向导向板与管轴成一定的入射夹角并指向输出端一侧，使气流向输出端螺旋进动，整个结构如同周围有若干个长方形斜蜂窝围绕在一个管子的周围的结构。

接着，当气体被吸入涡旋发生器内时气体会呈现如弹簧一样的螺旋状流动，如同在压缩管腔7内形成高速的龙卷风，高速螺旋状气体有很大的角动量，因此会产生离心增压效应使螺旋气体密度增大，而周围大量的进气口有大量的气体受到压缩管腔7内高速螺旋气流的负压引导作用加速流入管内，由于螺旋气流的圆周运动状态使得后流入直线气流和圆周运动的气流有一定的交叉夹角，因而二者产生合力效果使得管内的螺旋气流速度增加，如此循环螺旋气流从压缩管腔7尾端螺旋到压缩管腔7输出端的过程中会不断的加速，不断的使气体密度加大，使气流量加大，如同将周围大量的气体螺旋压缩打包后再输入到发动机。

上述过程中，高速螺旋状气流是首先在输出口附近旋转进动起来的，而高速螺旋进动的气流使得中心位置和螺旋气流后方产生了较高的负压，在此负压下的带动下使得后方进气口周围的气流也高速流入压缩管腔7内进行螺旋运动，这个过程迅速向涡旋压缩管腔7的远端延伸直至末端，由于越远离输出口端负压就会越衰减，而影响了远端的进气速度和进气量，因此在压缩管腔7内增加了一个远端大、输出口端小的特殊锥形体作为压缩管腔7内远近压力和流速的平衡器；平衡器可以使远端的负压增大使得远端气流的螺进速度大于近输出端侧气流的螺进速度，由于输出端螺旋气流速度向远端呈线性增加，因此从远端向输出端加速螺旋过来的气流又增加了对所经过的侧进口气流产生的负压带动作用，增加了总输出气流的动量和密度，同时远端、近端的气流又可以近似同时流向发动机，大幅度增加了进气量，因此流速平衡器中心体直接关系到输出口气流综合性能的好坏在整个结构中非常重要；螺旋气体在高速旋转的同时又具有相当速度的轴向进动，所以被压缩的气体贴着管壁被输送到发动机，又由于进气阀门的结构使得螺旋状气流更容易流过阀门，避免了普通直线气体流在阀门后面形成的紊流阻力，这样解决了气体输出的流畅性。

实施例2

如图8-12所示，一种自吸涡旋增压器，它由增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3、平衡器4、平衡器固定管6部分组成。

如图8-12所示，增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3组成为一个中心成管状的涡旋发生器，涡旋发生器内为压缩管腔7，增压器装配板1上设置有若干个轴向导流板2、周向导流板3，相邻周向导流板3之间设置有若干个轴向导流板2，增压器装配板1中部为圆孔，增压器装配板1前端设置有输出口管壁5，输出口管壁5通过软管与发动机相连接，涡旋发生器内后端设置有平衡器固定管6，平衡器固定管6内设置有平衡器4。

所述的轴向导流板2与涡旋发生器的压缩管腔7尾端方向轴成54°夹角【或者轴向导流板2与压缩管腔7圆周面成36°入射角并指向管口输出端】，轴向导流板2的轴向分隔间距【不是轴向导流板间的垂直距离】宜小于等于1/3涡旋发生器的涡管直径距离。

所述的若干个周向导流板3以240°均匀分布在增压器装配板1上，相邻两片周向导流板3的夹角为24°最佳，周向导流板3的数量为11片最佳。

所述的周向导流板3的周向长度宜大于相邻两板间最小有效截面距的5-10倍。

所述的平衡器4呈锥形体结构，其尾端的截面积等于1/2压缩管面积，其尖端延伸到压缩管输出端面【不包括延伸连接管】截面半径为0。

所述的平衡器4的锥形体侧弧形是一个1/4周期的正弦曲线，弧侧面锥形体底端有和轴向导向板同样角度的台体封住压缩管腔7远端口，并连接一段配合安装直管，这样正弦线型侧弧的中心流速平衡器可以使得负压向远端线性增加，使压缩管腔7内的前后气体近似同速输出，大幅度增加输出口气流的速度和流量。

所述的软管的弯曲不超过20°，压缩管腔7的轴线与软管中心轴在一条直线上最佳。

所述的增压器装配板1、轴向导流板2、周向导流板3、平衡器4、输出口管壁5、平衡器固定管6的材料可采用为金属、塑料材质。

需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例，不能一次限定本发明的实施范围。因此，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自吸涡旋增压器，它由增压器装配板(1)、轴向导流板(2)、周向导流板(3)、平衡器(4)、平衡器固定管(6)部分组成，其特征是：增压器装配板(1)、轴向导流板(2)、周向导流板(3)组成为一个中心成管状的涡旋发生器，涡旋发生器内为压缩管腔(7)，增压器装配板(1)上设置有若干个周向导流板(3)，相邻周向导流板(3)之间设置有若干个轴向导流板(2)，增压器装配板(1)中部为和压缩管腔等直径的圆孔，增压器装配板(1)前端设置有输出口管壁(5)，输出口管壁(5)通过软管与发动机相连接，涡旋发生器内后端设置有平衡器固定管(6)，平衡器固定管(6)内设置有平衡器(4)。

2.根据权利要求1所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：轴向导流板(2)与涡旋发生器的压缩管腔(7)尾端方向轴成54°夹角【或者轴向导流板(2)与压缩管腔(7)圆周面成36°入射角并指向管口输出端】，轴向导流板(2)的轴向分隔间距【不是轴向导流板间(2)的垂直距离】宜小于等于1/3涡旋发生器的涡管直径距离。

3.根据权利要求1所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：若干个周向导流板(3)以360°均匀分布在增压器装配板(1)上，相邻两片周向导流板(3)的夹角为24°最佳，周向导流板(3)的数量为15片最佳。

4.根据权利要求3所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：周向导流板(3)的周向长度宜大于相邻两板间最小有效截面距的5-10倍。

5.根据权利要求1所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：平衡器(4)呈锥形体结构，其尾端的截面积等于1/2压缩管面积，其尖端延伸到压缩管输出端面【不包括延伸连接管】截面半径为0。

6.根据权利要求5所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：平衡器(4)的锥形体侧弧形是一个1/4周期的正弦曲线，弧侧面锥形体底端有和轴向导向板同样角度的台体封住压缩管腔(7)远端口，并连接一段配合安装直管，这样正弦线型侧弧的中心流速平衡器可以使得负压向远端线性增加，使压缩管腔(7)内的前后气体近似同速输出，大幅度增加输出口气流的速度和流量。

7.根据权利要求1所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：软管的弯曲不超过20°，压缩管腔(7)的轴线与软管中心轴在一条直线上最佳。

8.根据权利要求1所述的一种自吸涡旋增压器，其特征是：增压器装配板(1)、轴向导流板(2)、周向导流板(3)、平衡器(4)、输出口管壁(5)、平衡器固定管(6)的材料可采用为金属、塑料材质。

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