CN112334640A - 多级涡轮增压器装置 - Google Patents

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F·胡梅尔
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Abstract

本发明涉及一种多级涡轮增压器装置(1)，其具有高压涡轮机(2)、低压涡轮机(3)、低压压缩机(4)、高压压缩机(5)、第一轴(6)和第二轴(7)，其中，涡轮机中的一个涡轮机和压缩机中的一个压缩机布置在第一轴上，而另一个涡轮机和另一个压缩机布置在第二轴上，这两个轴具有同一转动轴线，这两个轴在轴向方向上依次布置并且这两个轴具有相反的转动方向。

Description

多级涡轮增压器装置
技术领域
本发明涉及一种多级涡轮增压器装置。
背景技术
多级涡轮增压器装置是已知的。与单级涡轮增压器装置相比，借助于这种多级涡轮增压器装置可实现相应被增压的内燃机的输出功率的提高以及燃料消耗的降低。为了使多级涡轮增压器装置的制造成本和运行成本保持得低，多级涡轮增压器装置应紧凑地构建。
由DE 10 2014 202 399 A1已知一种多转子涡轮增压器，该多转子涡轮增压器具有压缩机和涡轮机。压缩机包含多个反向运转的压缩机转子。涡轮机包含多个反向运转的涡轮机转子。这些压缩机转子中的第一压缩机转子经由第一轴与涡轮机转子中的第一涡轮机转子连接。与第一压缩机转子相邻的第二压缩机转子经由第二轴与第二涡轮机转子连接。这两个轴同轴地在彼此中布置并且围绕共同的转动轴线转动。
发明内容
本发明的目的在于说明一种可节省空间地且简单实现的多级涡轮增压器装置，该多级涡轮增压器装置的效率得到改善。
该目的通过带有权利要求1中所说明的特征的多级涡轮增压器装置实现。这种多级涡轮增压器装置具有高压涡轮机、低压涡轮机、低压压缩机、高压压缩机、第一轴和第二轴，其中，涡轮机中的一个涡轮机和压缩机中的一个压缩机布置在第一轴上，而另一个涡轮机和另一个压缩机布置在第二轴上，这两个轴具有同一转动轴线，这两个轴在轴向方向上依次布置并且这两个轴具有相反的转动方向。
根据本发明的一种实施形式，低压涡轮机联接到高压涡轮机的输出端处。
根据本发明的一种实施形式，高压涡轮机和高压压缩机布置在第一轴上，而低压涡轮机和低压压缩机布置在第二轴上。
根据本发明的一种实施形式，高压涡轮机和低压压缩机布置在第一轴上，而低压涡轮机和高压压缩机布置在第二轴上。
根据本发明的一种实施形式，高压涡轮机和低压涡轮机布置在共同的涡轮机壳体中。
根据本发明的一种实施形式，高压涡轮机布置在气体入口壳体中，而低压涡轮机布置在气体出口壳体中，其中，气体入口壳体与气体出口壳体连接。
根据本发明的一种实施形式，高压涡轮机具有导向叶片(Leitschaufel)。
根据本发明的一种实施形式，在低压压缩机与高压压缩机之间布置有中间冷却器(Zwischenkuehler)。
根据本发明的一种实施形式，在高压压缩机的输出端处联接有增压空气冷却器。
附图说明
下文依据根据附图阐述的实施例描述本发明。其中：
图1示出根据针对本发明的第一实施例的多级涡轮增压器装置的示意图，
图2示出根据针对本发明的第二实施例的多级涡轮增压器装置的示意图，
图3示出用于阐明涡轮机级在多级涡轮增压器装置中的居中布置的第一示意图，以及
图4示出用于阐明涡轮机级在另一多级涡轮增压器装置中的居中布置的第二示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，对于相同和起相同作用的部件使用相同的附图标记。
图1示出根据针对本发明的第一实施例的多级涡轮增压器装置的示意图。
图1中所示出的装置是两级涡轮增压器装置，如其可尤其与大型发动机、例如船用发动机相联系而使用的那样。
该两级涡轮增压器装置1具有高压涡轮机2、低压涡轮机3、低压压缩机4和高压压缩机5。高压涡轮机2具有气体入口壳体10a。低压涡轮机3具有气体出口壳体10b。低压压缩机4布置在低压压缩机壳体4a中。高压压缩机5布置在高压压缩机壳体5a中。
高压涡轮机2具有输入区域18，未绘出的内燃机的热废气流被供应给该输入区域。所述热废气流经由导向叶片11导引至高压涡轮机2的工作叶片(Laufschaufel)15。所述工作叶片15是高压涡轮机轮31的组成部分，该高压涡轮机轮抗扭地与第一轴6连接或者是该第一轴6的集成的组成部分。高压涡轮机轮31通过所供应的热废气流驱动并且将第一轴6置于转动运动。
第一轴6的沿转动方向29进行的这种转动运动被传递到低压压缩机4的低压压缩机轮13上，该低压压缩机轮同样与第一轴6抗扭地连接或者是第一轴6的集成的组成部分。低压压缩机轮13具有工作叶片17，预压缩的空气从所述工作叶片经由导向叶片4b输出到低压压缩机4的输出区域25中。预压缩的空气经由低压压缩机4的该输出区域25供应给高压压缩机5的输入区域26以用于进一步压缩。在低压压缩机4的输出区域25与高压压缩机5的输入区域26之间可布置有中间冷却器。待压缩的空气经由输入区域24供应给低压压缩机4。
高压压缩机5(预压缩的空气经由该高压压缩机的输入区域26供应给该高压压缩机)具有高压压缩机轮28，该高压压缩机轮配备有工作叶片16。在高压压缩机中被进一步压缩的空气从所述工作叶片16经由导向叶片5b输出到高压压缩机的输出区域27中并且从那出来供应给在图1中未示出的内燃机以提升该内燃机的功率。
高压压缩机轮28抗扭地与第二轴7连接或者是该第二轴7的集成的组成部分。在第二轴7的另一个端部区域中，低压涡轮机3的低压涡轮机轮32抗扭地布置或者是第二轴7的集成的组成部分。低压涡轮机轮32具有工作叶片14。第二轴7沿与第一轴6的转动方向相反的转动方向30转动。两个轴6和7围绕共同的转动轴线8转动。这两个轴6和7在轴向方向9上依次布置。高压涡轮机2的输出区域19形成低压涡轮机3的输入区域20。因而，由高压涡轮机2输出的废气流作为输入废气流提供给低压涡轮机3使用。低压涡轮机的该输入废气流驱动低压涡轮机3的低压涡轮机轮32并且将该低压涡轮机轮置于转动。该转动运动被传递到与低压涡轮机轮32固定连接的第二轴7上，该第二轴由此同样被置于转动。第二轴7的转动运动又驱动与第二轴7抗扭地连接的高压压缩机轮28，该高压压缩机轮-如已经阐述的那样-将供应给高压压缩机5的预压缩的空气进一步压缩并且输出给内燃机以提升该内燃机的功率。
由高压涡轮机2提供的废气流可有利地直接(即在不使用居间布置的导向叶片的情况下)供应给低压涡轮机3的工作叶片14，因为由高压涡轮机2提供的废气流在没有预先变换导引的情况下或在不使用专门的引导元件的情况下适合用于驱动低压涡轮机轮32的工作叶片14。由低压涡轮机轮32输出的废气流被进一步导引到低压涡轮机3的输出区域21中并且从该输出区域以通常的方式输出给废气管。
在上文描述的涡轮增压器装置中，低压压缩机4和高压压缩机5分别具有导向叶片。
一种备选的实施形式在于，实现没有所述导向叶片的低压压缩机4和高压压缩机5。
在上文依据图1描述的涡轮增压器装置中，高压涡轮机2和低压涡轮机3彼此成排布置，其中，高压涡轮机2布置在气体入口壳体10a中，而低压涡轮机3布置在气体出口壳体10b中，并且其中，这两个壳体相互连接、例如相互拧紧。两个涡轮机级到不同壳体上的这种分配出于装配原因和维护原因是有利。
备选于此，高压涡轮机2和低压涡轮机3也可布置在唯一的涡轮机壳体10内，如在图2中阐明以及在图3和4中用虚线表明的那样。在这种情况下，对于低压涡轮机并不需要自有的壳体。由此，为了实现两级涡轮增压器装置所需的构件数量保持得小。由于在壳体中总是还出现能量损耗，因此通过省去用于低压涡轮机的自有壳体也降低了两级涡轮增压器装置的能量损耗并且由此提高了该两级涡轮增压器装置的效率。
此外，通过省去用于低压涡轮机的自有壳体也提高了两级涡轮增压器装置的紧凑性。
此外，由于所提及的省去了用于低压涡轮机3的自有壳体，省去了在不同涡轮机壳体之间的连接线路，这更进一步提高了涡轮增压器装置的紧凑性并且更进一步减少了为了实现涡轮增压器装置所需的构件数量。
由于此外在低压涡轮机3的输入区域中不需要导向叶片，因此进一步提高了在两个上文提及的情况下涡轮增压器装置的紧凑性并且进一步降低了为了实现涡轮增压器装置所需的构件数量。
由于这两个轴6和7在轴向方向9上依次布置、具有相反的转动方向并且由高压涡轮机输出的废气流可直接供应给低压涡轮机，因此所描述的两级涡轮增压器装置也能够以简单的方式制造。在此，尤其重要的是，不需要对同轴地在彼此中伸延的轴的支承和稳定引导。轴6的支承能够以传统的方式在支承壳体22中进行，轴7的支承以相应的方式在支承壳体23中进行。
如由依据图1和2所描述的实施例可看出的，两级涡轮增压器装置的两个涡轮机布置在不同轴上。在第一轴6上(高压涡轮机2的高压涡轮机轮31抗扭地布置在该第一轴上)-如在图1中所示-此外布置着低压压缩机4的低压压缩机轮13。在第二轴7上(低压涡轮机3的低压涡轮机轮32抗扭地布置在该第二轴上)-如同样在图1中所示-此外布置着高压压缩机5的高压压缩机轮28。
备选于此，根据另一种实施例，在第一轴6上(高压涡轮机2的高压涡轮机轮31抗扭地布置在该第一轴上)，此外也可布置着高压压缩机5的高压压缩机轮28。在这种情况下，在第二轴7上(低压涡轮机3的低压涡轮机轮32抗扭地布置在该第二轴上)，此外布置着低压压缩机4的低压压缩机轮13。
在所有上文提及的情况下，提供带有高效率的节省空间的且可简单实现的多级涡轮增压器装置。
此外，在所有上文提及的情况下，涡轮机级居中布置在涡轮增压器装置中，而两个压缩机级定位在涡轮增压器装置的外端部处。这随后依据图3和4详细阐述，所述图示出多级涡轮增压器装置的示意图，在所述多级涡轮增压器装置中涡轮机级居中布置。
图3示出用于阐明涡轮机级在多级涡轮增压器装置中的居中布置的第一示意图。
在图3中示出的涡轮增压器装置1具有高压涡轮机2、低压涡轮机3、低压压缩机4和高压压缩机5。
给高压涡轮机2供应内燃机34的热废气。该热废气驱动高压涡轮机2的高压涡轮机轮。高压涡轮机轮与第一轴6固定连接，在该第一轴上此外抗扭地布置着高压压缩机5的高压压缩机轮。第一轴6具有转动方向29。通过热废气驱动的高压涡轮机轮将第一轴6置于转动运动，该转动运动经由第一轴6传递到高压压缩机轮上，从而该高压压缩机轮同样被置于转动。通过高压压缩机轮的这种转动，供应给高压压缩机5的预压缩的空气(该预压缩的空气由低压压缩机4经由中间冷却器12提供)被进一步压缩。存在于高压压缩机5的输出端处的经压缩的空气经由增压空气冷却器33供应给内燃机34以提升该内燃机的功率。
由高压涡轮机2输出的废气直接提供给低压涡轮机3，该低压涡轮机的低压涡轮机轮通过由高压涡轮机2输出的废气来驱动。低压涡轮机轮抗扭地布置在第二轴7上并且将其转动运动传递到第二轴7上。沿与第一轴6相反的转动方向30转动的第二轴7此外与低压压缩机4的低压压缩机轮抗扭地连接。因而，第二轴7的转动运动传递到低压压缩机轮上，从而该低压压缩机轮同样被置于转动。通过低压压缩机轮的该转动运动，由新鲜空气源35提供的新鲜空气在低压压缩机4中被预压缩。该预压缩的空气经由中间冷却器12供应给高压压缩机5。
中间冷却器12优选是热交换器，该热交换器利用如下水来运行，该水将来自低压压缩机4的预压缩的空气流冷却。
在此，在低压压缩机4中被预压缩的空气经由管路系统供应给中间冷却器12。在中间冷却器12中冷却的预压缩的空气同样经由管路系统进一步导引到高压压缩机5处。
图3中所示的涡轮增压器装置根据所有这些是两级涡轮增压器系统，该两级涡轮增压器系统具有在轴向方向上依次布置的、彼此反向转动的两个轴，并且该两级涡轮增压器系统具有居中布置的涡轮机级，其中，由高压涡轮机输出的废气驱动低压涡轮机的涡轮机轮。
图4示出用于阐明涡轮机级在其他的多级涡轮增压器装置中的居中布置的第二示意图。
图4中所示的涡轮增压器装置1具有高压涡轮机2、低压涡轮机3、低压压缩机4和高压压缩机5。
给高压涡轮机2供应内燃机34的热废气。该热废气驱动高压涡轮机2的高压涡轮机轮。高压涡轮机轮与第一轴6固定连接，在该第一轴上此外抗扭地布置着低压压缩机4的低压压缩机轮。第一轴6具有转动方向29。通过热废气驱动的高压涡轮机轮将第一轴6置于转动运动，该转动运动经由第一轴6传递到低压压缩机轮上，从而该低压压缩机轮同样被置于转动。通过低压压缩机轮的这种转动，在低压压缩机4中将由新鲜空气源35供应的新鲜空气预压缩。经预压缩的空气经由中间冷却器12导引至高压压缩机5并且由该高压压缩机进一步压缩。存在于高压压缩机5的输出端处的被压缩的空气经由增压空气冷却器33供应给内燃机34以提升该内燃机的功率。
由高压涡轮机2输出的废气直接提供给低压涡轮机3，该低压涡轮机的低压涡轮机轮通过由高压涡轮机2输出的废气驱动。低压涡轮机轮抗扭地布置在第二轴7上并且将其转动运动传递到第二轴7上。沿与第一轴6相反的转动方向30转动的第二轴7此外与高压压缩机5的高压压缩机轮抗扭地连接。因而，第二轴7的转动运动传递到高压压缩机轮上，从而该高压压缩机轮同样被置于转动。通过高压压缩机轮的这种转动运动，由低压压缩机4预压缩的空气被进一步压缩。该被进一步压缩的空气经由增压空气冷却器33供应给内燃机34以提升该内燃机的功率。
中间冷却器12优选是热交换器，该热交换器利用如下水来运行，该水将来自低压压缩机4的预压缩的空气流冷却。
在此，在低压压缩机4中被预压缩的空气经由管路系统供应给中间冷却器12。在中间冷却器12中冷却的预压缩的空气同样经由管路系统进一步导引到高压压缩机5处。
图4中所示的涡轮增压器装置也是两级涡轮增压器系统，该两级涡轮增压器系统具有在轴向方向上依次布置的、彼此反向转动的两个轴，并且该两级涡轮增压器系统具有居中布置的涡轮机级，其中，由高压涡轮机输出的废气驱动低压涡轮机的涡轮机轮。
下面描述本发明的一些方面。这些方面能够与每个其他方面和实施形式相组合。
根据本发明的一方面，提供一种多级涡轮增压装置，该多级涡轮增压装置具有高压涡轮机、低压涡轮机、低压压缩机、高压压缩机、第一轴和第二轴。在此，涡轮机中的一个涡轮机和压缩机中的一个压缩机布置在第一轴上，而另一个涡轮机和另一个压缩机布置在第二轴上。这两个轴在轴向方向上依次布置并且具有同一转动轴线。这两个轴不在彼此中伸延或者说轴向地彼此间隔开。这两个轴具有相反的转动方向。
根据一方面，高压涡轮机的输出区域形成低压涡轮机的输入区域，从而给低压涡轮机提供由高压涡轮机输出的废气流作为输入流。在此，由高压涡轮机提供的废气流可有利地直接(即在不使用居间布置的专门的引导元件的情况下)供应给低压涡轮机的工作叶片。
根据一方面，涡轮增压器装置具有多级压缩机装置，其中，由低压压缩机预压缩的空气流(可选地经由中间冷却器)供应给高压压缩机。
根据一方面，所述两个涡轮机级轴向居中地布置在涡轮增压器装置中，而所述两个压缩机级定位在涡轮增压器装置的轴向的外端部处。根据一方面，所述两个压缩机级轴向地从两个相对而置的侧面包围所述两个涡轮机级。
涡轮增压器装置的两个涡轮机优选是轴向涡轮机，也就是说是如下涡轮机，所述涡轮机的工作轮相应地沿轴向方向被入流。根据一方面，两个涡轮机的相应的工作叶片覆盖重叠至少50%、优选至少80%的径向区域，其中，径向区域涉及工作叶片的输入区域的在横截面中测量的径向距离。
涡轮增压器装置的两个轴的支承能够以传统的方式进行。关于所述支承不存在特别要求。
关于压缩机级的布置存在如下灵活性，即，低压压缩机可布置在与高压涡轮机的同一轴上或者可布置在与低压涡轮机的同一轴上。高压压缩机布置在与低压压缩机相应不同的轴上。
根据一方面，高压涡轮机与低压压缩机经由第一轴连接。根据一方面，低压涡轮机与高压压缩机经由第一轴连接。
附图标记列表：
1 多级涡轮增压器装置
2 高压涡轮机
3 低压涡轮机
4 低压压缩机
4a 低压压缩机壳体
4b 导向叶片
5 高压压缩机
5a 高压压缩机壳体
5b 导向叶片
6 第一轴
7 第二轴
8 转动轴线
9 轴向方向
10 共同的涡轮机壳体
10a 高压涡轮机的气体入口壳体
10b 低压涡轮机的气体出口壳体
11 导向叶片
12 中间冷却器
13 低压压缩机轮
14 低压涡轮机的工作叶片
15 高压涡轮机的工作叶片
16 高压压缩机的工作叶片
17 低压压缩机的工作叶片
18 高压涡轮机的输入区域
19 高压涡轮机的输出区域
20 低压涡轮机的输入区域
21 低压涡轮机的输出区域
22 支承壳体
23 支承壳体
24 低压压缩机的输入区域
25 低压压缩机的输出区域
26 高压压缩机的输入区域
27 高压压缩机的输出区域
28 高压压缩机轮
29 第一轴6的转动方向
30 第二轴7的转动方向
31 高压涡轮机轮
32 低压涡轮机轮
33 增压空气冷却器
34 内燃机
35 新鲜空气源。

Claims (10)

1.多级涡轮增压器装置(1)，所述多级涡轮增压器装置具有高压涡轮机(2)、低压涡轮机(3)、低压压缩机(4)、高压压缩机(5)、第一轴(6)和第二轴(7)，其中，所述涡轮机中的一个涡轮机和所述压缩机中的一个压缩机布置在所述第一轴(6)上，而另一个涡轮机和另一个压缩机布置在所述第二轴(7)上，这两个轴(6,7)具有同一转动轴线(8)，这两个轴(6,7)在轴向方向(9)上依次布置并且这两个轴(6,7)具有相反的转动方向(29,30)。
2.根据权利要求1所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述低压涡轮机(3)联接到所述高压涡轮机(2)的输出端处。
3.根据权利要求2所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述高压涡轮机(2)和所述高压压缩机(5)布置在所述第一轴(6)上，而所述低压涡轮机(3)和所述低压压缩机(4)布置在所述第二轴(7)上。
4.根据权利要求2所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述高压涡轮机(2)和所述低压压缩机(4)布置在所述第一轴(6)上，而所述低压涡轮机(3)和所述高压压缩机(5)布置在所述第二轴(7)上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述高压涡轮机(2)和所述低压涡轮机(3)布置在共同的涡轮机壳体(10)中。
6.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述高压涡轮机(2)布置在气体入口壳体(10a)中，而所述低压涡轮机(3)布置在气体出口壳体(10b)中，并且所述气体入口壳体(10a)与所述气体出口壳体(10b)连接。
7.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述高压涡轮机(2)具有导向叶片(11)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，所述低压涡轮机(3)不具有导向叶片。
9.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，在所述低压压缩机(4)与所述高压压缩机(5)之间布置有中间冷却器(12)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的多级涡轮增压器装置，其中，在所述高压压缩机(5)的输出端处联接有增压空气冷却器(33)。
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