CN112096510A - 一种流线隧道压气机轮增压器 - Google Patents

一种流线隧道压气机轮增压器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种流线隧道压气机轮增压器，属于车辆动力机械领域，流线隧道压气机轮增压器包括径流式涡轮、流线隧道压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳、轴及轴承；径流式涡轮与流线隧道压气机轮分别通过轴承安装于所述轴的两端，组成增压器转子，流线隧道压气机轮的外部设置有所述压气机壳，径流式涡轮的外部设置有涡轮壳，涡轮壳与所述压气机壳之间设置有中间壳。本发明公开的流线隧道压气机轮增压器具有尺寸小、制作成本低、重量轻、强度高的优点。

Description

一种流线隧道压气机轮增压器
技术领域
本发明涉及车辆动力机械领域，尤其涉及一种流线隧道压气机轮增压器。
背景技术
涡轮增压是内燃机强化、节能减排的最重要技术措施之一。发动机常用的废气涡轮增压器是利用发动机排出的废气能量驱动涡轮带动同轴的压气机对空气做功，将压缩空气送入发动机气缸，在不增加发动机气缸容积的条件下，增加空气充量系数，使发动机喷入更多燃油，从而提高发动机输出功率、改善燃烧，达到强化发动机的目的。与自然进气发动机相比，当代涡轮增压技术能使汽油机节能10％～20％、使柴油机节能20％～40％。因此，涡轮增压器应用日益普及，发展迅猛。
涡轮增压器目前主要采用叶片式向心涡轮和离心压气机。离心式压气机叶轮采用半开式叶轮结构，在高速旋转的过程中受到的机械应力和热应力很大，尤其是叶片根部，低周疲劳是压气机叶轮最重要的失效模式，直接影响了增压器的可靠性与寿命。因此，随着压气机压比和转速的提高，叶轮强度的问题越发突出，尤其对于增压比大于4以上高压比压气机工作温度可达400℃以上，铝合金已经不能满足要求，钛合金、陶瓷等轻量化、耐高温、高强度材料成为优选材料，但这样带来了加工难题。
新型流线隧道式压气机轮相比于传统径流式压气机叶轮，具有对材料强度要求低、流线优化空间大、泄露损失小、可用材料范围广、适应高转速等优点，可提高涡轮增压器的功率密度、减小尺寸、降低重量，进而提高总效率。同时可应用三维打印、注射成形等技术解决钛合金、陶瓷等材料的加工难题，实现批量生产。
国内外极少研究流线隧道式压气机文献，俄罗斯2003年专利RU2014119626在微型燃气轮机上采用了隧道式压气机轮，但其隧道为二维圆形直孔，不能达到“流线形”隧道的效果。
发明内容
为了克服现有技术中压气机轮增压器存在的强度低、易损坏、尺寸大、重量大的缺陷。本发明的目的在于为涡轮增压器提出一种新的结构设计。流线隧道压气机轮根据流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法、设计流线隧道压气机轮，将新型流线隧道压气机轮应用到传统的涡轮增压器，设计新型压气机壳，其它结构尽量不做改变，从而构成流线隧道压气机轮增压器。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供的一种流线隧道压气机轮增压器，包括：
径流式涡轮、流线隧道压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳、轴及轴承；
所述径流式涡轮与流线隧道压气机轮分别通过所述轴承安装于所述轴的两端，组成增压器转子，所述流线隧道压气机轮的外部设置有所述压气机壳，所述径流式涡轮的外部设置有所述涡轮壳，所述涡轮壳与所述压气机壳之间设置有所述中间壳。
优选地，所述轴的压气机端采用流线隧道压气机轮，涡轮端仍采用传统径流式涡轮。
所述流线隧道压气机轮为闭式旋转机械，通常由多达几十个流线隧道组成，各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为圆或椭圆中的一种，当所述流线隧道的各处法向截面为椭圆时，该椭圆截面的长轴在xy平面(转子轴线为z轴)的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。
优选地，所述流线隧道可分为多组，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转子轴线中心对称。
优选地，满足设计参数的基础上可设计为两种压气机壳：一种为基于传统压气机壳结构的设计，一种为简化压气机壳结构。
优选地，流线隧道压气机轮可采用包括金属、陶瓷材料在内的大多数材料制造，采用陶瓷材料时，具有耐高温、成本低、重量轻的优势，可适用于工作温度较高的高增压比压气机。
优选地，所述轴承可以为滚动轴承或者滑动轴承中的任意一种。
本发明的优点是：压气机轮在结构上采用流线隧道式，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，有利于减小尺寸、降低成本、控制重量，提高涡轮增压器的功率密度，进而提高总效率。同时可应用三维打印、注射成形等技术解决钛合金、陶瓷等材料的加工难题，实现批量生产。
附图说明
图1为流线隧道压气机轮的结构示意图；
图2为流线隧道压气机轮增压器(流线隧道压气机)整体结构简图；
图3为简化压气机壳结构简图；
图中：
1、中间壳；2、压气机壳；3、阶梯式迷宫密封结构；4、流线隧道压气机轮；5、轴；6、轴承；7、径流式涡轮；8、涡轮壳；9、进气圆管；10、出口扩压管；11、进口延长段；12、出口延长段；13、迷宫密封结构；14、迷宫密封结构；15、传统含油止推轴承组件。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明首先采用流线隧道式旋转流体机械流道设计与成形方法，根据相关约束参数得到实际中心线的方程，进而构成完整流道，形成流线隧道压气机轮。
如图2所示，本发明在传统涡轮增压器结构的基础上，将流线隧道压气机与传统径流式涡轮相匹配，采用传统轴承和密封环，得到流线隧道压气机轮增压器(流线隧道压气机轮)整体结构，包括隧道式压气机轮4和传统径流式涡轮7，所述隧道式压气机轮4和传统径流式涡轮7通过轴5和轴承6连接；在隧道式压气机轮背后侧设置有传统含油止推轴承组件15，压气机壳2和涡轮壳8通过中间壳1连接；所述流线隧道压气机轮4外表面可设置篦齿结构，所述压气机壳2经特殊设计，二者在间隙处形成阶梯式密封结构3。
如图3所示，本发明公开的一种简化压气机壳，进气口可简化为进气圆管，可随安装要求弯曲、延长、缩短，出口可设计为扩压管，此种结构可省去传统子午面处的密封结构。进气圆管9与出口扩压管10相配合。此时，所述流线隧道式压气机轮进、出口设置延长段11、12，所述进气圆管9与进口延长段相连11，并设置迷宫密封结构13；所述出口扩压管10与出口延长段相连12，并设置迷宫密封结构14。
本发明公开公开的流线隧道压气机轮增压器包括径流式涡轮、流线隧道压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳、轴及轴承；径流式涡轮与流线隧道压气机轮分别通过轴承安装于轴的两端，组成增压器转子，流线隧道压气机轮的外部设置有压气机壳，径流式涡轮的外部设置有涡轮壳，涡轮壳与压气机壳之间设置有中间壳。
进一步地，轴的压气机端采用流线隧道压气机轮，涡轮端仍采用传统径流式涡轮。流线隧道压气机轮为闭式旋转机械，通常由多达几十个流线隧道组成，各流线隧道中心线为三维曲线，流线隧道的各处法向截面为圆或椭圆中的一种，当流线隧道的各处法向截面为椭圆时，该椭圆截面的长轴在xy平面(转子轴线为z轴)的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。
进一步地，流线隧道可分为多组，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转子轴线中心对称。
进一步地，满足设计参数的基础上可设计为两种压气机壳：一种为基于传统压气机壳结构的设计，一种为简化压气机壳结构。
进一步地，流线隧道压气机轮可采用包括金属、陶瓷材料在内的大多数材料制造，采用陶瓷材料时，具有耐高温、成本低、重量轻的优势，可适用于工作温度较高的高增压比压气机。
进一步地，轴承可以为滚动轴承(例如：球轴承、滚子轴承等)或者滑动轴承(例如：油润滑轴承、脂润滑轴承、水润滑轴承、气体轴承、固体润滑轴承、磁流体轴承和电磁轴承等)中的任意一种。
本发明是通过优选实施例进行描述的，本领域技术人员知悉，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，其他落入本申请的权利要求内的实施例都属于本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于，包括：
径流式涡轮、流线隧道压气机轮、涡轮壳、压气机壳、中间壳、轴及轴承；
所述径流式涡轮与流线隧道压气机轮分别通过所述轴承安装于所述轴的两端，组成增压器转子，所述流线隧道压气机轮的外部设置有所述压气机壳，所述径流式涡轮的外部设置有所述涡轮壳，所述涡轮壳与所述压气机壳之间设置有所述中间壳。
2.根据权利要求1所述的一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于：
所述轴的压气机端采用流线隧道压气机轮，涡轮端仍采用传统径流式涡轮。
所述流线隧道压气机轮为闭式旋转机械，通常由多达几十个流线隧道组成，各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为圆或椭圆中的一种，当所述流线隧道的各处法向截面为椭圆时，该椭圆截面的长轴在xy平面(转子轴线为z轴)的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所述的一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于：
所述流线隧道可分为多组，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转子轴线中心对称。
4.根据权利要求1所述的一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于：
满足设计参数的基础上可设计为两种压气机壳：一种为基于传统压气机壳结构的设计，一种为简化压气机壳结构。
5.根据权利要求1所述的一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于：
流线隧道压气机轮可采用包括金属、陶瓷材料在内的大多数材料制造，采用陶瓷材料时，具有耐高温、成本低、重量轻的优势，可适用于工作温度较高的高增压比压气机。
6.根据权利要求1所述的一种流线隧道压气机轮增压器，其特征在于：
所述轴承可以为滚动轴承或者滑动轴承中的任意一种。
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