CN111094704B - 废气涡轮的扩散器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种废气涡轮，其包括带有多个工作叶片(8)的涡轮叶轮(7)和废气排出通道(15)，其布置在涡轮叶轮的工作叶片下游。废气排出通道(15)在径向上在外部由轴向的涡轮扩散器(1)而在径向上在内部至少部分地由旋转器(2)来限制。轴向的涡轮扩散器(1)由数量N>1的彼此相继的锥形的扩散器部段来构造。在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A为A>1.0°。在轴向的扩散器部段长度L与废气排出通道(15)的进入高度H之间的比L/H为L/H>0.01。在废气排出通道的进入高度H与旋转器(2)的最大半径S之间的比H/S为H/S>1.0。旋转器(2)由数量P>1的彼此相继的锥形的旋转器部段来构造。在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B为B>1.0°。在轴向的旋转器部段长度M与废气排出通道(15)的进入高度H之间的比M/H为M/H>0.01。

Description

废气涡轮的扩散器
技术领域
本发明涉及用于增压的内燃机的废气涡轮增压器的领域。本发明尤其涉及一种废气涡轮增压器的废气涡轮的轴向扩散器(Diffusor)。
背景技术
为了内燃机的功率提升，当今符合标准地使用废气涡轮增压器，其带有在内燃机的排气系(Abgastrakt)中的涡轮并且带有置于内燃机之前的压缩机。使内燃机的废气在此在涡轮中卸压。在此获得的功借助于轴被传递到压缩机上，其将输送给内燃机的空气压缩。通过应用废气的能量用于压缩输送给内燃机中的燃烧过程的空气，可优化内燃机的燃烧过程和效率。
在由现有技术已知的废气涡轮增压器的废气涡轮中，在废气涡轮出口处的压力回收典型地借助于扩散器来实现，其例如可环形地和以直线的方式锥形地来构造。另外典型地，为了改善压力回收在涡轮叶轮(Turbinenrad)的轮毂处安装有不旋转的、锥状的结构元件。
已表明，在这样的由现有技术已知的废气涡轮的扩散器中压力回收还值得改善。另外表明，传统的扩散器在复杂性、结构空间尺寸和成本方面具有一定的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带有扩散器的废气涡轮，其相对于由现有技术已知的废气扩散器被改善。本发明的目的尤其在于提供一种带有扩散器的废气涡轮，其具有较低的复杂性和改善的压力回收。
为了实现上述目的，提供根据独立权利要求1的废气涡轮。本发明的另外的方面、优点和特征可由从属权利要求、说明书和附图得出。
根据本发明的一方面提供一种废气涡轮。废气涡轮包括带有多个工作叶片(Laufschaufel)的涡轮叶轮和废气排出通道。废气排出通道布置在涡轮叶轮的工作叶片下游。废气排出通道在径向上在外部由轴向的涡轮扩散器而在径向上在内部至少部分地由旋转器(Spinner)来限制。轴向的涡轮扩散器由数量N>1的彼此相继的锥形的扩散器部段来构造。在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A为A≥1.0°。在轴向的扩散器部段长度L与废气排出通道的进入高度H之间的比L/H为L/H≥0.01。在废气排出通道的进入高度H与旋转器的最大半径S之间的比H/S为H/S≥1.0。旋转器由数量P>1的彼此相继的锥形的旋转器部段来构造。在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B为B≥1.0°。在轴向的旋转器部段长度M与废气排出通道的进入高度H之间的比M/H为M/H≥0.01。
因此有利地提供一种带有扩散器的废气涡轮，其相对于由现有技术已知的废气涡轮被改善。尤其通过根据本发明的废气涡轮提供一种带有改善的扩散器设计的废气涡轮，其实现在废气涡轮出口处改善的压力回收。另外提供一种用于废气涡轮的扩散器，其具有较低的复杂性以及较小的结构空间尺寸，由此制造成本有利地更小。
根据本发明的另一方面，提供带有根据本文中所说明的实施形式中的一个的废气涡轮的废气涡轮增压器，从而有利地可提供改善的废气涡轮增压器。
附图说明
另外应根据在附图中所示出的实施例来阐述本发明，从其得到另外的优点和变型。其中：
图1示出了根据本文中所说明的实施形式的废气涡轮的部分区域的示意性纵向剖视图；
图2示出了根据本文中所说明的实施形式的废气涡轮的废气排出通道的示意性剖视图；
图3示出了根据本文中所说明的另外的实施形式的废气涡轮的废气排出通道的示意性剖视图；
图4示出了根据本文中所说明的实施形式的废气涡轮的旋转器的详细的剖视图。
具体实施方式
图1示出根据本文中所说明的实施形式的废气涡轮的部分区域的示意性纵向剖视图。
图1尤其示出带有轴向旋转轴线6的涡轮叶轮7，涡轮叶轮围绕该旋转轴线可旋转地来支承。涡轮叶轮7典型地具有多个工作叶片8。其中，在图1中所示出的截段中示例性地示出仅仅一个工作叶片8。本文中所说明的扩散器设计可被运用于混流式涡轮、径向涡轮和轴向涡轮，然而不限于混流式涡轮、径向涡轮和轴向涡轮。
涡轮叶轮7的工作叶片8典型地包括前棱9和后棱10。就此而言应注意的是，工作叶片8的前棱9是工作叶片的在废气涡轮的运行中废气流入的棱边。工作叶片8的后棱10是工作叶片的在废气涡轮的运行中废气流出的棱边。废气的流动方向5在图1中以箭头绘出。
如在图1中示例性所示，根据本发明的废气涡轮包括废气排出通道15，其布置在涡轮叶轮7的工作叶片8下游。废气排出通道15在径向上在外部由轴向的涡轮扩散器1来限制。另外，废气排出通道15在径向上在内部至少部分地由旋转器2来限制。根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，轴向的涡轮扩散器1静止(不转动)地来实施。另外旋转器2能够可旋转地来实施。
如在图1中示例性所示，涡轮扩散器1典型地包括径向向内指向的扩散器轮廓3。如由图1得知的那样，径向向内指向的扩散器轮廓3是废气排出通道15的在径向上在外部的限制。旋转器典型地包括径向向外指向的旋转器轮廓4。如由图1得知的那样，径向向外指向的旋转器轮廓4是废气排出通道15的在径向上在内部的限制。径向在图1-3中通过箭头r示例性地示出。“径向向内指向”意味着朝向废气排出通道的对称轴线或旋转轴线6指向。“径向向外指向”意味着远离废气排出通道的对称轴线或旋转轴线6指向。
根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，旋转器2可实施为涡轮叶轮7的整体的构件，如其例如在图1中所示。换言之，旋转器可以是涡轮叶轮的整体的组成部分。备选地，旋转器2例如可实施为单独的构件，其可与涡轮叶轮相连接，如其例如在图4中所示。相应地，旋转器2可在废气涡轮的运行中与涡轮叶轮7一起转动，并且因此以与涡轮叶轮相同的旋转速度转动。
在本文中所说明的实施形式中(在其中旋转器实施为单独的构件)，旋转器2在中央与涡轮叶轮7相连接。换言之，旋转器2与涡轮叶轮相连接成使得废气排出通道的对称轴线以及旋转轴线6是旋转器的对称轴线，如其例如在图中所示。
根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，旋转器2可构造为单独的模制件(Formteil)，如其例如在图4中所示。构造为单独的模制件的旋转器例如可以是单独的铸件。备选地，构造为单独的模制件的旋转器可以是深冲板元件(Tiefziehblechelement)或车削件(Drehteil)。
如在图4中示例性所示，构造为单独的模制件的旋转器2可借助于连接元件18(例如螺栓)与涡轮叶轮7相连接。旋转器2例如可具有用于连接元件18的下沉部(Versenkung)19。
根据一备选的实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，构造为单独的模制件的旋转器可具有集成的内螺纹而涡轮叶轮可具有对应的外螺纹并且带有集成的内螺纹的模制件可拧到涡轮叶轮的对应的外螺纹上。
备选地，构造为单独的模制件的旋转器可热压配合(aufschrumpfen)到涡轮叶轮上。根据另一备选方案，构造为单独的模制件的旋转器可借助于焊接连接与涡轮叶轮相连接。另外，构造为单独的模制件的旋转器可借助于填缝(Verstemmung)或者借助于滚花(Raendelung)与涡轮叶轮相连接。
为了更精确地阐述根据本发明的废气涡轮，在图2中示出根据本文中所说明的实施形式的废气排出通道15的示意性剖视图。
图2尤其示出布置在涡轮叶轮的工作叶片下游的废气排出通道15。废气排出通道15在径向上在外部由轴向的涡轮扩散器1来限制。另外，废气排出通道15在径向上在内部至少部分地由旋转器2来限制。
如在图2中示例性所示，轴向的涡轮扩散器1由数量N>1的彼此相继的锥形的扩散器部段来构造。在图2中示例性示出了三个扩散器部段，其通过点线来表示。就此而言应指出的是，在图2中示出的带有三个扩散器部段的实施形式不应理解为限制性的，而是原则上可选择大于值1的任意数量N(N>1)的扩散器部段。扩散器部段的数量N尤其可以是N≥2或N≥3。
另外，在图2中示出在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A。如由图2得出的那样，在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A可理解成在相邻的扩散器部段之间的过渡处所产生的角度。典型地，在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A为A≥1.0°、尤其A≥2.5°的值。对于在相邻的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A的值可以是恒定的或者具有不同的值。例如，在彼此相继的扩散器部段之间的扩散器开口角度A的值可在流动方向5上增大。
如在图2中示例性所示，旋转器2由数量P>1的彼此相继的锥形的旋转器部段来构造。在图2中示例性示出三个旋转器部段，其通过点线来表示。就此而言应指出的是，在图2中示出的带有三个旋转器部段的实施形式不应理解为限制性的，而是原则上可选择大于值1的任意数量P(P>1)的旋转器部段。旋转器部段的数量P尤其可以是P≥2或P≥3。
另外，在图2中示出在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B。如由图2所得出的那样，在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B可理解成在相邻的旋转器部段之间的过渡处所产生的角度。
典型地，在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B为B≥1.0°、尤其B≥2.5°的值。对于在相邻的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B的值可以是恒定的或者具有不同的值。例如，在彼此相继的旋转器部段之间的旋转器开口角度B的值可在流动方向5上增大。
另外，在图2中绘出轴向的扩散器部段长度L、废气排出通道15的进入高度H、旋转器2的最大半径S和轴向的旋转器部段长度M。就此而言应注意的是，轴向的扩散器部段长度L典型地是恒定的。备选地，轴向的扩散器部段长度L可在流动方向5上增大或者在流动方向5上减小。同样典型地，轴向的旋转器部段长度M是恒定的。备选地，轴向的旋转器部段长度M可在流动方向5上增大或者在流动方向5上减小。
在轴向的扩散器部段长度L与废气排出通道15的进入高度H之间的比L/H典型地具有L/H≥0.01、尤其L/H≥0.05的值。
在废气排出通道的进入高度H与旋转器2的最大半径S之间的比H/S典型地具有H/S≥1.0、尤其H/S≥1.3的值。
在轴向的旋转器部段长度M与废气排出通道15的进入高度H之间的比M/H典型地具有M/H≥0.01、尤其M/H≥0.05的值。
根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，在进入废气排出通道处扩散器轮廓3的起始点16与旋转器轮廓4的起始点17相比可具有轴向偏移V，如其例如在图2和3中所示。扩散器轮廓3的起始点16相对于旋转器轮廓4的起始点17的轴向偏移V可逆着流动方向5来设置，如其例如在图2和3中所示。备选地，扩散器轮廓3的起始点16相对于旋转器轮廓4的起始点17的轴向偏移V可在流动方向5上来设置(未明确示出)。偏移V尤其可小于或等于废气排出通道的进入高度的一半，也就是说V≤H/2。
因此有利地提供带有改善的扩散器设计的废气涡轮，该扩散器设计实现在废气涡轮出口处改善的压力回收。
尤其在废气涡轮下游的压力回收或静态压力的提升通过在涡轮叶轮出口处的静止的(不转动)的轴向的扩散器和旋转的旋转器来改善，其中，不仅扩散器轮廓而且旋转器轮廓设计成使得排出区域、尤其废气排出通道逐渐增大，由此可有利地实现在废气涡轮下游静态压力的逐渐提高。这具有该优点，即可降低在废气涡轮的出口处的流动速度和动能损失。根据本发明的废气涡轮尤其具有该优点，即可消除膨胀损失(如其例如在由现有技术已知的废气涡轮中由于不连续的且未引导的面积变化在废气排出区域中出现的那样)并且使废气流动正常化。另外应注意的是，在根据本发明的废气涡轮中可实现的降低的排出流动速度此外有利地可导致在下游的导管系统中压力损失的减小。
图3示出根据本文中所说明的另外的实施形式的废气涡轮的废气排出通道15的示意性剖视图。
图3尤其示出，根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，彼此相继的锥形的扩散器部段提供径向向内指向的扩散器轮廓3。如在图3中示例性所示，径向向内指向的扩散器轮廓3可通过第一样条曲线轮廓(Spline-Kontur)11来平滑。由此可改善在废气涡轮下游在涡轮叶轮出口处的压力回收或者静态压力的提升。例如，第一样条曲线轮廓11可通过带有半径R的圆形轮廓来倒圆，其中，半径R小于或等于废气排出通道的进入高度H的两倍(R≤2H)。
另外图3示出，根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，彼此相继的锥形的旋转器部段提供径向向外指向的旋转器轮廓4。如在图3中示例性所示，径向向外指向的旋转器轮廓4可通过第二样条曲线轮廓12来平滑。由此可改善在废气涡轮下游在涡轮叶轮出口处的压力回收或者静态压力的提升。例如，第二样条曲线轮廓12可通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆，其中，半径U小于或等于旋转器的最大半径S(U≤S)。
此外图3示出，根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，在流动方向5上布置的最后的扩散器部段的棱边13可通过带有半径R的圆形轮廓来倒圆。这有利地影响压力回收。典型地，半径R小于或等于废气排出通道的进入高度H的两倍，也就是说R≤2H。
另外图3示出，根据一实施形式(其可与本文中所说明的其它实施形式相组合)，在流动方向5上布置的最后的旋转器部段的棱边14可通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆。这有利地影响压力回收。典型地，半径U小于或等于旋转器的最大半径S，也就是说U≤S。
如由本文中所说明的实施形式所得知的那样，有利地提供带有扩散器的废气涡轮，其相对于由现有技术已知的废气涡轮被改善。尤其通过根据本发明的废气涡轮提供带有改善的扩散器设计的废气涡轮，该扩散器设计实现在废气涡轮出口处改善的压力回收。
有利地，根据本发明的废气涡轮的扩散器实现成使得其与废气涡轮的由现有技术已知的扩散器相比具有较小的复杂性和结构空间尺寸，这正面地影响制造成本。
最后应注意的是，扩散器和旋转器的在本文中所说明的设计可鉴于所要求的尺寸设定相应地来适配。换言之，扩散器和旋转器的在本文中所说明的设计是通用有效的并且可被转换到较小的、中等的和较大的结构空间尺寸上。
附图标记清单：
1 轴向的涡轮扩散器
2 旋转器
3 径向向内指向的扩散器轮廓
4 径向向外指向的旋转器轮廓
5 流动方向
6 废气排出通道的对称轴线以及旋转轴线
7 涡轮叶轮
8 工作叶片
9 涡轮工作叶片的前棱
10 涡轮工作叶片的后棱
11 第一样条曲线轮廓
12 第二样条曲线轮廓
13 在流动方向上布置的最后的扩散器部段的棱边
14 在流动方向上布置的最后的旋转器部段的棱边
15 流动通道
16 扩散器轮廓的起始点
17 旋转器轮廓的起始点
18 连接元件
19 下沉部
r 径向
H 废气排出通道的进入高度
S 旋转器的最大半径S
L 轴向的扩散器部段长度
A 轴向的扩散器开口角度
N 彼此相继的锥形的扩散器部段的数量
R 在流动方向上布置的最后的扩散器部段的棱边的或第一样条曲线轮廓的倒圆半径
M 轴向的旋转器部段长度
B 旋转器开口角度
P 彼此相继的锥形的旋转器部段的数量
U 在流动方向上布置的最后的旋转器部段的棱边的或第二样条曲线轮廓的倒圆半径
V 轴向偏移。

Claims (18)

1.一种废气涡轮，其包括
- 带有多个工作叶片(8)的涡轮叶轮(7)，
- 废气排出通道(15)，其布置在所述涡轮叶轮的工作叶片下游，其中，所述废气排出通道(15)在径向上在外部由轴向的涡轮扩散器(1)而在径向上在内部至少部分地由旋转器(2)来限制，
其中，轴向的所述涡轮扩散器(1)由数量N>1的彼此相继的锥形的扩散器部段来构造，
其中，在彼此相继的扩散器部段之间的轴向的扩散器开口角度A为A≥1.0°，
其中，在轴向的扩散器部段长度L与所述废气排出通道(15)的进入高度H之间的比L/H为L/H≥0.01，
其中，在所述废气排出通道的进入高度H与所述旋转器(2)的最大半径S之间的比H/S为H/S≥1.0，
其中，所述旋转器(2)由数量P>1的彼此相继的锥形的旋转器部段来构造，
其中，在彼此相继的旋转器部段之间的轴向的旋转器开口角度B为B≥1.0°，
其中，在轴向的旋转器部段长度M与所述废气排出通道(15)的进入高度H之间的比M/H为M/H≥0.01。
2.根据权利要求1所述的废气涡轮，其中，轴向的所述涡轮扩散器(1)静止地来实施，并且其中，所述旋转器可旋转地来实施。
3.根据权利要求1或2所述的废气涡轮，其中，彼此相继的锥形的所述扩散器部段提供径向向内指向的扩散器轮廓(3)，并且其中，彼此相继的锥形的所述旋转器部段提供径向向外指向的旋转器轮廓(4)。
4.根据权利要求3所述的废气涡轮，其中，所述扩散器轮廓(3)的起始点(16)相对于所述旋转器轮廓(4)的起始点(17)具有轴向偏移V，其中，所述轴向偏移小于或等于所述废气排出通道的进入高度H的一半(V≤H/2)。
5.根据权利要求4所述的废气涡轮，其中，所述扩散器轮廓(3)的起始点(16)相对于所述旋转器轮廓(4)的起始点(17)的轴向偏移V逆着流动方向(5)设置，或者其中，所述扩散器轮廓(3)的起始点(16)相对于所述旋转器轮廓(4)的起始点(17)的轴向偏移V在所述流动方向(5)上设置。
6.根据权利要求1或2所述的废气涡轮，其中，在流动方向(5)上布置的最后的所述扩散器部段的棱边(13)通过带有半径R的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径R小于或等于所述废气排出通道的进入高度H的两倍(R≤2H)。
7.根据权利要求3所述的废气涡轮，其中，在流动方向(5)上布置的最后的所述扩散器部段的棱边(13)通过带有半径R的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径R小于或等于所述废气排出通道的进入高度H的两倍(R≤2H)。
8.根据权利要求1或2所述的废气涡轮，其中，在流动方向(5)上布置的最后的所述旋转器部段的棱边(14)通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径U小于或等于所述旋转器的最大半径S(U≤S)。
9.根据权利要求3所述的废气涡轮，其中，在流动方向(5)上布置的最后的所述旋转器部段的棱边(14)通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径U小于或等于所述旋转器的最大半径S(U≤S)。
10.根据权利要求3所述的废气涡轮，其中，径向向内指向的所述扩散器轮廓(3)通过第一样条曲线轮廓(11)来平滑。
11.根据权利要求4所述的废气涡轮，其中，径向向内指向的所述扩散器轮廓(3)通过第一样条曲线轮廓(11)来平滑。
12.根据权利要求3所述的废气涡轮，其中，径向向外指向的所述旋转器轮廓(4)通过第二样条曲线轮廓(12)来平滑。
13.根据权利要求5所述的废气涡轮，其中，径向向外指向的所述旋转器轮廓(4)通过第二样条曲线轮廓(12)来平滑。
14.根据权利要求10所述的废气涡轮，其中，径向向外指向的所述旋转器轮廓(4)通过第二样条曲线轮廓(12)来平滑。
15.根据权利要求10所述的废气涡轮，其中，所述第一样条曲线轮廓(11)通过带有半径R的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径R小于或等于所述废气排出通道的进入高度H的两倍(R≤2H)。
16.根据权利要求12所述的废气涡轮，其中，所述第二样条曲线轮廓(12)通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径U小于或等于所述旋转器的最大半径S(U≤S)。
17.根据权利要求15所述的废气涡轮，其中，径向向外指向的所述旋转器轮廓(4)通过第二样条曲线轮廓(12)来平滑，并且其中所述第二样条曲线轮廓(12)通过带有半径U的圆形轮廓来倒圆，其中，所述半径U小于或等于所述旋转器的最大半径S(U≤S)。
18.一种废气涡轮增压器，其带有根据权利要求1至17中任一项所述的废气涡轮。
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