CN112334634B - 涡轮增压器以及操作涡轮增压器的方法 - Google Patents
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Abstract
用于内燃机的涡轮增压器包括:用于给内燃机的进气增压的压缩机(1),该压缩机(1)包括压缩机轮(3);用于驱动所述压缩机(1)的涡轮机(2),该涡轮机(2)包括涡轮机轮(4)和围绕所述涡轮机轮(4)的涡轮机护罩(5),所述涡轮机轮(4)包括多个轮叶(6)并能借助内燃机的排气流进行旋转;以及轴(7),该轴(7)将所述压缩机轮(3)连接至所述涡轮机轮(4)。所述涡轮增压器还包括空气管道(8,11)和多个空气出口(9,12),用于从所述压缩机(1)将增压空气引入到所述涡轮机护罩(5)和所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)之间的间隙(10)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压器。本发明还涉及一种操作涡轮增压器的方法。
背景技术
实际上,所有大型活塞发动机(如船舶或电厂发动机)都设置有至少一个涡轮增压器。借助涡轮增压器,可以利用热排气中含有的部分能量。涡轮增压器对发动机的效率有显著的影响。因此,涡轮增压器的优化设计对实现发动机的高效率非常重要。例如,涡轮增压器的壳体与涡轮机和压缩机轮之间的空隙应小,以便将排气的能量有效地转化为涡轮增压器轴的旋转,并对引入压缩机中的空气进行有效增压。
涡轮增压器的旋转速度高,并且涡轮机也会因流经涡轮机的排气而经受高温。再加上对高效率的要求,这给涡轮增压器的设计和制造带来了挑战。涡轮增压器设计的一个问题点是涡轮机轮的轮叶和涡轮机轮周围的涡轮机护罩之间的空隙。排气中含有污染物,会导致间隙的污垢。这会导致涡轮机轮的轮叶磨损。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的用于内燃机的涡轮增压器。本发明的另一个目的是提供一种改进的涡轮增压器的操作方法。
根据本发明的涡轮增压器包括:用于给内燃机的进气增压的压缩机,该压缩机包括可旋转的压缩机轮;用于驱动所述压缩机的涡轮机,该涡轮机包括涡轮机轮和围绕所述涡轮机轮的涡轮机护罩,所述涡轮机轮包括多个轮叶并能借助内燃机的排气流进行旋转;以及轴,该轴连接所述压缩机轮和所述涡轮机轮。所述涡轮增压器还包括空气管道和多个空气出口,用于从所述压缩机将增压空气引入所述涡轮机护罩和所述涡轮机轮的所述轮叶之间的间隙中。
在根据本发明的方法中,将增压空气从所述压缩机引入所述涡轮机护罩和所述涡轮机轮的所述轮叶之间的间隙中。
利用根据本发明的所述涡轮增压器和所述方法,减少了涡轮机和涡轮机护罩之间的间隙的污垢。污垢会引起涡轮机护罩和涡轮机轮叶的磨损。减少污垢可使涡轮增压器的公差更小,效率更好。
根据本发明的一个实施方式,空气管道部分地布置在涡轮增压器的轴内。这允许从压缩机到涡轮机的流路短。
根据本发明的一个实施方式,该轴在压缩机轮的后面设置有用于将空气引入空气管道中的钻孔。
根据本发明的一个实施方式,至少一些空气出口布置在涡轮机轮的轮叶中。通过将空气经由涡轮机轮的轮叶引入间隙中,离心力增加了空气流的速度。此外,空气流使涡轮机轮叶冷却。
根据本发明的一个实施方式,涡轮机轮的每个轮叶均设置有空气出口。这确保了涡轮机护罩和涡轮机轮之间的间隙中的均匀空气流。
根据本发明的一个实施方式,所有的空气出口都布置在涡轮机轮的轮叶中。
根据本发明的一个实施方式,至少一些空气出口布置在涡轮机护罩中。
根据本发明的一个实施方式,所有的空气出口都布置在涡轮机护罩中。将空气出口布置在涡轮机护罩中的好处在于,涡轮机轮叶的强度不会因钻孔而降低。
根据本发明的一个实施方式,空气出口构造成以相对于轴的从涡轮机到压缩机的轴向方向的15至75度的角度将空气引导到间隙中。因此,空气流不与排气流相抵触。抵触排气流的流动会降低涡轮增压器的效率。
根据本发明的一个实施方式,空气经由压缩机轮后方的间隙被引入空气管道中。通过调整压缩机轮后方的间隙的宽度,能够调整从压缩机流向涡轮机的空气量。
附图说明
下面参照附图更详细地描述了本发明的实施方式,在附图中:
图1示出了根据本发明的一个实施方式的涡轮增压器的简化剖视图;
图2示出了根据本发明的另一实施方式的涡轮增压器的简化剖视图;
图3示出了图1的细节D的放大图;以及
图4示出了图2的细节E的放大图。
具体实施方式
图1是根据本发明的一个实施方式的内燃机的涡轮增压器的简化剖视图。涡轮增压器可以用作大型活塞发动机(例如船舶的主发动机或辅助发动机或者发电厂用于发电的发动机)的排气系统的一部分。
涡轮增压器包括压缩机1和涡轮机2。压缩机1构造成增加发动机的进气压力。如果涡轮增压器是发动机的唯一涡轮增压器或两级涡轮增压发动机的低压涡轮增压器,则引入压缩机1中的空气可以处于环境压力下。如果涡轮增压器是两级涡轮增压发动机的高压涡轮增压器,则进气的压力即使在压缩机1之前也可以高于环境压力。
涡轮机2构造成通过将发动机的排气的能量转换为旋转能量来驱动压缩机1。涡轮机2包括可旋转的涡轮机轮4,压缩机包括可旋转的压缩机轮3。压缩机轮3借助轴7与涡轮机轮4连接。压缩机轮3和涡轮机轮4以旋转固定的方式连接至轴7。因此,压缩机轮3、涡轮机轮4和轴7以相同的旋转速度旋转。轴7由轴承14、15支撑。
涡轮机2包括入口16。排气经由入口16沿轴7的轴向方向(如箭头A所示)被引入涡轮机1中。排气经由出口17沿轴7的径向方向(如箭头B所示)排出涡轮机2。涡轮机2具有高压侧和低压侧。涡轮机轮4的上游侧为高压侧,涡轮机轮4的下游侧为低压侧。如箭头C所示,进气在轴7的轴向方向上从相对于排气的相反方向被引入压缩机1中。压缩机1具有低压侧和高压侧。压缩机轮3的上游侧为低压侧,压缩机轮的下游侧为高压侧。
涡轮机轮4包括多个轮叶6,这些轮叶也可以称为叶片。轮叶6从涡轮机轮4的主体18径向向外突出。轮叶6沿主体18的周缘均匀分布。涡轮机轮4被涡轮机护罩5包围。涡轮机护罩5是在涡轮机轮4的整个周缘上沿圆周方向延伸的壳体。涡轮机轮4和涡轮机护罩5之间有环形间隙10。间隙10的大小影响着排气的能量可以如何转化为涡轮机轮4、压缩机轮3和轴7的旋转能量。如果间隙10大,则更大部分的排气可以经由间隙10从涡轮机2的高压侧流向低压侧,并且更多的排气能量被浪费。另一方面,如果间隙10太小,涡轮机护罩5和涡轮机轮叶6的末端的污垢会导致涡轮机护罩5和涡轮机轮叶6的刮伤与磨损。
在根据本发明的涡轮增压器中,来自压缩机1的增压空气被引入涡轮机轮4和涡轮机护罩5之间的间隙10中。增压空气在这里指的是压缩机轮3下游侧的空气。该空气有助于减少间隙10的污垢。在图1的实施方式中,空气经由涡轮机轮4的轮叶6被引入间隙10中。涡轮增压器的轴7设置有空气管道8。空气管道8是与轴7的旋转轴同轴的轴向管道。轴7设置有周向槽20。槽20靠近压缩机轮3布置。槽20在涡轮增压器的压缩机侧轴承14的压缩机轮侧。一个或多个钻孔19从槽20径向延伸到空气管道8,用于将增压空气引入空气管道8中。在压缩机轮3的沿涡轮增压器的轴向方向的后方存在间隙13。增压空气可以经由该间隙13被引入轴7的槽20中。在槽20与压缩机侧轴承14之间绕轴7布置有密封件21。密封件21防止增压空气逃逸到轴承14的另一侧。
涡轮机轮4的至少一些轮叶6设置有空气出口9,增压空气经由空气出口9被引入间隙10中。在图3的放大图中可以看到其中一个空气出口9。空气出口9应沿涡轮机轮4的周缘均匀分布。所有的轮叶6都可以设置有空气出口9,这确保空气均匀地流向间隙10。涡轮机轮4设置有一个或多个空气通道22,用于从轴7的空气管道8向空气出口9供应空气。
空气出口9构造成引导来自空气出口的空气流,使得涡轮增压器的从涡轮机2到压缩机1的轴向方向与空气流方向之间的角度在15至75度的范围内。这样,空气流从涡轮机轮4的径向平面朝压缩机1被引导。这样确保空气流不会对排气流产生反向作用,并且不会降低涡轮增压器的效率。
经由涡轮机轮4的轮叶6将增压空气引入间隙10中的好处在于,离心力增加了空气的流速。此外,空气使涡轮机轮4的轮叶6冷却。
图2的实施方式与图1的实施方式相似。但是,增压空气经由涡轮机护罩5而不是经由涡轮机轮4的轮叶6被引入到涡轮机轮4与涡轮机护罩5之间的间隙10中。涡轮增压器设置有将压缩机1的高压侧连接至涡轮机护罩5的空气管道11,该空气管道11代替了轴7内的空气管道。空气管道11可以包括位于涡轮增压器的壳体外的管。涡轮机护罩5设置有多个空气出口12,增压空气经由这些空气出口12被引入到涡轮机轮4与涡轮机护罩5之间的间隙10中。在图4的放大图中可以看到一个空气出口12。涡轮机护罩5例如可以设置有用于将空气分配到空气出口12的周向槽。
在图2的实施方式中,空气出口12以类似于图1的实施方式的方式构造,以将空气流朝压缩机1引导。因此,增压空气的流动方向与轴7的轴向方向之间的角度可以在15至75度的范围内。
在图2的实施方式中,没有利用涡轮机轮4的旋转运动来提高空气流的速度。另一方面,图2的结构更容易实施。
图1和图2的实施方式也可以结合起来。因此,涡轮增压器可以在涡轮机轮4的轮叶6以及涡轮机护罩5两者中都设置有空气出口9、12。一部分增压空气可以经由轴7被引入到涡轮机护罩5和涡轮机轮的轮叶6之间的间隙10中,一部分空气可以经由另一条途径被引入。
本技术领域的技术人员将理解,本发明并不限于上述实施方式,而是可以在所附权利要求的范围内变更。
Claims (10)
1.一种用于内燃机的涡轮增压器,该涡轮增压器包括:
-用于给内燃机的进气增压的压缩机(1),该压缩机(1)包括能够旋转的压缩机轮(3);
-用于驱动所述压缩机(1)的涡轮机(2),该涡轮机(2)包括涡轮机轮(4)和围绕所述涡轮机轮(4)的涡轮机护罩(5),所述涡轮机轮(4)包括多个轮叶(6)并能借助内燃机的排气流进行旋转;以及
-轴(7),该轴(7)将所述压缩机轮(3)连接至所述涡轮机轮(4),
其中所述涡轮增压器包括空气管道(8)和多个空气出口(9,12),用于从所述压缩机(1)将增压空气引入到所述涡轮机护罩(5)和所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)之间的间隙(10)中,其特征在于,所述空气管道(8)部分地布置在所述涡轮增压器的所述轴(7)内,并且至少一些所述空气出口(9)布置在所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)中。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器,其中所述轴(7)在所述压缩机轮(3)后方设置有用于将空气引入所述空气管道(8)中的钻孔(19)。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器,其中所述涡轮机轮(4)的每个轮叶(6)均设置有空气出口(9)。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器,其中所有所述空气出口(9)都布置在所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)中。
5.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器,其中至少一些所述空气出口(12)布置在所述涡轮机护罩(5)中。
6.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器,其中所述空气出口(9,12)构造成以相对于所述轴(7)的从所述涡轮机(2)朝向所述压缩机(1)的轴向方向成15至75度的角度将所述空气引导到所述间隙(10)中。
7.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器,其中所述空气经由所述压缩机轮(3)后方的间隙(13)被引入到所述空气管道(8)中。
8.一种操作内燃机的涡轮增压器的方法,该涡轮增压器包括:
-用于给内燃机的进气增压的压缩机(1),该压缩机(1)包括能够旋转的压缩机轮(3);
-用于驱动所述压缩机(1)的涡轮机(2),该涡轮机(2)包括涡轮机轮(4)和围绕所述涡轮机轮(4)的涡轮机护罩(5),所述涡轮机轮(4)包括多个轮叶(6)并能借助内燃机的排气流进行旋转;以及
-轴(7),该轴(7)将所述压缩机轮(3)连接至所述涡轮机轮(4),
其中所述方法包括将增压空气从所述压缩机(1)引入到所述涡轮机护罩(5)和所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)之间的间隙(10)中的步骤,其特征在于,经由所述涡轮增压器的所述轴(7)并经由所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)将增压空气引入到所述间隙(10)中。
9.根据权利要求8所述的方法,其中经由所述涡轮机轮(4)的所述轮叶(6)将所有所述增压空气引入到所述间隙(10)中。
10.根据权利要求8所述的方法,其中经由所述涡轮机护罩(5)将增压空气引入到所述间隙(10)中。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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