CN112096509A - 一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器 - Google Patents

一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，包括流线隧道式涡轮、流线隧道式压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳以及轴，流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮分别安装于所述轴的两端，组成增压器转子。本发明涡轮和压气机轮在结构上均采用流线隧道式，相比于叶片式结构，其强度更大，不易损坏；更高的结构强度还拓宽了材料选用范围，有利于降低成本、控制重量。

Description

一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器领域，特别涉及一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器。
背景技术
与发动机匹配的涡轮增压器可利用废气驱动涡轮并带动同轴的压气机为进气增压，提高发动机进气密度，优化车辆动力性与经济性，同时降低有害气体排放。
对于涡轮端，需要其具有较高的高温持久强度极限以及良好的抗疲劳和抗蠕变性能，且材料需具有良好的铸造性能和高温下组织的稳定性；对于压气机端，需要其重量轻、强度高、易加工、高效率、寿命长。而传统的开式或半开式叶轮结构在一定程度上限制了涡轮和压气机的性能提升。一方面，较薄的叶片与提高结构强度与转速相矛盾；另一方面，叶尖间隙泄漏流影响着压气机和涡轮的效率及寿命。
采用新型流线隧道式涡轮和压气机轮是解决上述问题的一种有效途径，作为一种闭式旋转机械，其强度更高，泄漏损失更小，且具有流线设计优化空间大、泄漏损失小、适应更高转速、应用材料范围宽广等优点，从而可以提高动力机械的功率密度和效率、减小尺寸、降低重量。更高的结构强度还有利于拓宽材料选用范围，例如涡轮的耐高温、高强度、轻量化等需求尤其适应于陶瓷材料的应用，而采用高强度工程塑料的压气机轮可降低重量与成本。随着科学技术的进步，增材制造技术已经成熟，应用三维打印、注射成形等先进制造技术，可以大批量生产这种新型流线隧道式动力机械。
目前，对流线隧道式涡轮增压器的研究很少、且不深入，工程实践中尚无应用实例。
发明内容
本发明旨在提出一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，采用流线隧道式涡轮和压气机轮，并加入外廓式空气轴承支承，可达到提高转速、提高可靠性、降低泄漏损失、减小增压器尺寸等有益效果，如采用陶瓷等材料则可以大幅度降低重量；
为解决上述技术问题，本发明提供以下的技术方案：
本发明提供了一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，
包括流线隧道式涡轮、流线隧道式压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳以及轴，所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮分别安装于所述轴的两端，组成增压器转子。
优选的，所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮为闭式旋转机械，且二者结构相同，通常由多达几十个流线隧道组成，所述流线隧道包括流线隧道中心线，所述流线隧道中心线为三维曲线，所述流线隧道的各处法向截面设置为圆形和/或椭圆中的一种，当所述流线隧道的各处法向截面为椭圆时，椭圆截面的长轴在xy平面且增压器转子轴线为z轴投影与流线隧道的椭圆截面的中心点的半径线垂直，椭圆截面长短轴之比保持不变，根据旋转机械流通特性和速度条件得出流线隧道进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，形成完整流线隧道。
优选的，所述流线隧道可分为多组，且各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于增压器转子轴线中心对称。
优选的，所述轴以一对轴颈动压空气轴承和/或整体式轴颈动压空气轴承支承。
优选的，所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮外廓面为圆锥面与圆柱面的组合，在所述流线隧道式涡轮外廓圆柱面与涡轮壳之间设置有外廓径向动压空气轴承；
在所述流线隧道式压气机轮外廓圆柱面与压气机壳之间设置有外廓径向动压空气轴承；
在所述流线隧道式涡轮轮背面设置有外廓止推动压空气轴承；
在所述流线隧道式压气机轮后侧设置有传统含油止推轴承组件
本发明有益效果
涡轮和压气机轮在结构上均采用流线隧道式，相比于叶片式结构，其强度更大，不易损坏；更高的结构强度还拓宽了材料选用范围，有利于降低成本、控制重量；若使用结构完全相同的涡轮和压气机轮，尤其使用陶瓷复合材料时，可以大幅减少设计及制造成本；本发明充分利用闭式旋转机械特点，使涡轮和压气机轮外廓面作为径向支承轴承的工作面，转子具有高临界转速，产生共振的可能性大大降低。
附图说明
图1为双止推轴承单组流道流线隧道式涡轮增压器结构示意图。
图2为采用传统含油止推轴承组件的单组流道流线隧道式涡轮增压器结构示意图。
图3为采用外廓止推动压空气轴承的单组流道流线隧道式涡轮增压器结构示意图。
图4为整体式轴颈动压空气轴承结构示意图。
图5为紧凑型单组流道流线隧道式涡轮增压器结构示意图。
附图标记说明：1、流线隧道式涡轮；2、流线隧道式压气机轮；3、涡轮壳；4、压气机壳；5、中间壳；6、轴；7、轴颈动压空气轴承；8、流线隧道；9、右外廓径向动压空气轴承；10、左外廓径向动压空气轴承；11、外廓止推动压空气轴承；12、传统含油止推轴承组件；13、整体式轴颈动压空气轴承。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，包括流线隧道式涡轮1、流线隧道式压气机轮2、涡轮壳3、压气机壳4、中间壳5以及轴6；所述流线隧道式涡轮1与流线隧道式压气机轮2分别安装于轴6的两端，组成增压器转子。
所述流线隧道式涡轮1与流线隧道式压气机轮2为闭式旋转机械，且二者结构可以完全相同，通常由多达几十个流线隧道8组成，所述流线隧道8包括流线隧道中心线，各流线隧道中心线为三维曲线，所述流线隧道8的各处法向截面为圆形和/或椭圆中的一种，当所述流线隧道8的各处法向截面为椭圆时，该椭圆截面的长轴在xy平面且增压器转子轴线为z轴投影与该椭圆截面的中心点的半径线垂直，椭圆截面长短轴之比保持不变，根据旋转机械流通特性和速度条件得出流线隧道8进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，形成完整流线隧道。
所述流线隧道8可分为多组，且各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流线隧道周向均布且关于增压器转子轴线中心对称。
所述轴6以一对轴颈动压空气轴承7支承。
所述流线隧道式涡轮1与流线隧道式压气机轮2外廓面为圆锥面与圆柱面的组合，在所述流线隧道式涡轮1外廓圆柱面与涡轮壳3之间设置有外廓径向动压空气轴承9；在所述流线隧道式压气机轮2外廓圆柱面与压气机壳4之间设置有外廓径向动压空气轴承10；在所述流线隧道式涡轮1轮背面设置有外廓止推动压空气轴承11；在所述流线隧道式压气机轮2后侧设置有传统含油止推轴承组件12。
由于除了两轴颈动压空气轴承7外，还采用了两外廓径向动压空气轴承9、10，可提高增压器转子的稳定性，但需考虑更复杂的动力学耦合问题，此外，使用双止推轴承平衡轴向载荷可有效防止转子轴向窜动。
实施例二。
如图2所示，相对于实施例1中，增压器转子以外廓止推动压空气轴承11和传统含油止推轴承组件12双止推轴承平衡轴向载荷，本实施例中，取消了外廓止推动压空气轴承，仅使用传统含油止推轴承组件12平衡轴向载荷，这种方式适用于传统含油止推轴承组件12支承力足够的情况，减少了零件数量，可降低成本。
实施例三。
如图3所示，相对于实施例1中，增压器转子以外廓止推动压空气轴承11和传统含油止推轴承组件12双止推轴承平衡轴向载荷，本实施例中，取消了传统含油止推轴承组件，仅使用外廓止推动压空气轴承11平衡轴向载荷，这种方式适用于外廓止推动压空气轴承11支承力足够的情况，大大降低轴系结构以及中间壳5的复杂程度，降低加工难度与成本。
实施例四。
如图4所示，相对于实施例1～3中，轴6以一对轴颈动压空气轴承7支承，本实施例中，轴6以整体式轴颈动压空气轴承支承，通过这样的方式，可进一步提高增压器转子的稳定性。
实施例五。
如图5所示，相对于实施例1～4中，轴6以一对轴颈动压空气轴承7或整体式轴颈动压空气轴承13支承，本实施例中，取消了轴颈动压空气轴承7或整体式轴颈动压空气轴承13的使用，仅使用右外廓径向动压空气轴承9、左外廓径向动压空气轴承10平衡径向载荷，轴6大幅缩短，这种方式适用于高转速增压器，右外廓径向动压空气轴承9、左外廓径向动压空气轴承10可以形成足够的承载力支承增压器转子，通过这样的方式，增压器体积大幅缩小，功率密度增大。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,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 (5)

1.一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，其特征在于，
包括流线隧道式涡轮、流线隧道式压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳以及轴，所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮分别安装于所述轴的两端，组成增压器转子。
2.根据权利要求1所述的一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，其特征在于，
所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮为闭式旋转机械，且二者结构相同，通常由多达几十个流线隧道组成，所述流线隧道包括流线隧道中心线，所述流线隧道中心线为三维曲线，所述流线隧道的各处法向截面设置为圆形和/或椭圆中的一种，当所述流线隧道的各处法向截面为椭圆时，椭圆截面的长轴在xy平面且增压器转子轴线为z轴投影与流线隧道的椭圆截面的中心点的半径线垂直，椭圆截面长短轴之比保持不变，根据旋转机械流通特性和速度条件得出流线隧道进出口面积，截面面积沿流道中心线均匀变化，形成完整流线隧道。
3.根据权利要求2所述的一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，其特征在于，
所述流线隧道可分为多组，且各组之间流道进出口可分布在不同的半径上，多个流道周向均布且关于增压器转子轴线中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，其特征在于，
所述轴以一对轴颈动压空气轴承和/或整体式轴颈动压空气轴承支承。
5.根据权利要求1所述的一种采用外廓式空气轴承的流线隧道式涡轮增压器，其特征在于，
所述流线隧道式涡轮与所述流线隧道式压气机轮外廓面为圆锥面与圆柱面的组合，在所述流线隧道式涡轮外廓圆柱面与涡轮壳之间设置有外廓径向动压空气轴承；
在所述流线隧道式压气机轮外廓圆柱面与压气机壳之间设置有外廓径向动压空气轴承；
在所述流线隧道式涡轮轮背面设置有外廓止推动压空气轴承；
在所述流线隧道式压气机轮后侧设置有传统含油止推轴承组件。
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