CN114704336A

CN114704336A - 一种涡轮增压器及发动机

Info

Publication number: CN114704336A
Application number: CN202210466876.XA
Authority: CN
Inventors: 沃鸣杰; 姚梦云; 金天付; 刘湘
Original assignee: NINGBO WEIFU TIANLI TURBOCHARGING TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: NINGBO WEIFU TIANLI TURBOCHARGING TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2022-07-05

Abstract

本发明提供一种涡轮增压器及发动机。公开的涡轮增压器包括涡轮箱、涡轮和轴承体，涡轮箱形成排气通道、环状的进气通道和位于排气通道与环状的进气通道之间的径向喷流口，所述涡轮安装在所述排气通道中，且其涡轮叶片的外周边缘与所述径向喷流口相对，径向喷流口固定有多个喷嘴叶片，所述喷嘴叶片的外端面与所述径向喷流口外壁面抵触。设置多个喷嘴叶片，可以使进入气流更加均匀。使进气通道的通流截面积、进气通道中心线的半径、和喷嘴叶片的宽度及涡轮的直径保持在适当的范围，并使四者相互配合，可以保证排气均匀性的同时，减少排气沿程损失，保证涡轮的转换效率。

Description

一种涡轮增压器及发动机

技术领域

本发明涉及一种发动机涡轮增压技术，尤其涉及一种涡轮增压器和包括该涡轮增压器的发动机。

背景技术

为了提高发动机效率，设置涡轮增压器成为重要的选择之一。涡轮增压器包括涡轮部和压气部，涡轮部将发动机排出的高温高压气体转换为机械能，为压气部提供动力，压气部在涡轮部驱动下增加发动机进气压力，为提高发动机效率提供前提。涡轮部和压气部之间形成轴承体，中间轴两端贯通轴承体分别压气叶轮和涡轮相连。

涡轮部包括涡轮箱、涡轮。涡轮箱内部与中间部分形成轴向的排气通道，排气通道周转形成环状的进气流道，进气流道与排气通道之间形成径向喷流口。进气流道与发动机排气门相通，以引入发动机的高温高压气体。涡轮安装在排所通道底部，且与压气部的叶轮同轴旋转。涡轮包括多个涡轮叶片，涡轮叶片的外周边缘与径向喷流口相对。高温高压的发动机排气通过环状的进气流道、径向喷流口后形成高速冲击涡轮叶片，使涡轮高速旋转，同步带动压气部叶轮旋转。

为了保证涡轮部效率，现有技术中，在径向喷流口设置有由多个可调节的喷嘴叶片形成的喷嘴环。喷嘴环的喷嘴叶片通常由内部的安装盘和外部的盖板定位。为了兼顾涡轮部大、小流通量的性能，并要实现喷嘴叶片的可转动，喷嘴叶片与安装盘壁面及盖板壁面之间均保持预定的间隙(壁面间隙)。

由于涡轮性能和效率提升受制于排气特性，进入涡轮排气均匀性影响涡轮的稳定性，而要提高排气均匀性就要增加排气流通路程(沿损)，增加沿程就会增加沿程损失，因此，发动机排气在涡轮部流动过程中，提高涡轮性能和效率受致于排气通道结构、径向喷流口压缩限制、喷嘴环的导流多重影响。如何平衡上述矛盾，保证涡轮性能和效率是本领域技术人员努力的方向。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种效率更高的涡轮增压器。

本发明的第二个目的在于提供一种包括上述涡轮增压器的发动机。

本发明提供的涡轮增压器包括涡轮箱、涡轮和轴承体，涡轮箱形成排气通道、环状的进气通道和位于排气通道与环状的进气通道之间的径向喷流口，所述涡轮安装在所述排气通道中，且其涡轮叶片的外周边缘与所述径向喷流口相对，所述径向喷流口固定有多个喷嘴叶片，所述喷嘴叶片的外端面与所述径向喷流口外壁面抵触。设置多个喷嘴叶片，可以使进入气流更加均匀。同时，使涡轮增压器满足B/D＝0.12-0.15，且(A/R)/B＝2.7-3.3；

其中：A为进气通道的通流截面积；

R为进气通道中心线的半径；

B为所述喷嘴叶片的宽度；

D为涡轮的最大直径。

使进气通道通流截面积A、进气通道中心线的半径R、和喷嘴叶片的宽度B及涡轮的直径(如最大直径D)保持在适当的范围，并使四者相互配合，可以保证排气均匀性的同时，减少排气沿程损失，保证涡轮的转换效率。

可选技术方案中，多个喷嘴叶片固定，且喷嘴叶片的外端面与径向喷流口内壁面相抵触，减少外端面间隙造成的气流分离，减少能量损失，进而有利于涡轮增压器效率提高。

进一步的技术方案中，所述涡轮箱包括盖板，所述喷嘴叶片的外端面与所述盖板内壁面抵触，或者所述盖板的内壁面与所述喷嘴叶片的外端面密封配合。通过设置与所述喷嘴叶片外端面配合的盖板，可以进一步减少外端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。

进一步的技术方案中，涡轮增压器还包括与所述轴承体固定的安装底盘，所述喷嘴叶片的内端面与所述安装底盘的外表面抵触，或者使所述喷嘴叶片的内端面与所述安装底盘的外表面密封配合。也可以减少喷嘴叶片内端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。

可选技术方案中，涡轮增压器还包括喷嘴环基板和弹簧件，所述喷嘴叶片固定在所述喷嘴环基板上；所述涡轮箱形成基板腔；所述喷嘴环基板的周面与所述涡轮箱基板腔的内壁面配合；所述弹簧件支撑在所述轴承体和所述喷嘴环基板之间，使所述喷嘴叶片的外端面与所述径向喷流口外壁面抵触。优选方案中，使所述喷嘴环基板为环状，其内周壁面与所述涡轮的涡轮叶片外周边缘形成间隙配合。一方面可以在涡轮叶片外周边缘形成适合的配合间隙，以保证涡轮能量转换效率；另一方面可以减少喷嘴叶片内端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。

本发明还提供一种发动机，包括发动机本体和配合的涡轮增压器，所述涡轮增压器为上述任一种涡轮增压器。由于上述涡轮增压器具有上述技术效果，包括该涡轮增压器的发动机也具有相应技术效果。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书示出了本发明的示例性、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1为本发明实施例一提供的涡轮增压器的立体图，该图主要示意了涡轮部分结构。

图2为图1中所示涡轮增压器的爆炸图。

图3示意了实施例中，喷嘴环的多个喷嘴叶片的分布位置。

图4本发明具体实施例实验数据性能图。

图5为对比实施例(现有涡轮增压器)实施数据性能图。

图6为本发明实施例二提供的涡轮增压器的剖视结构示意图。

图7为图6中Y部分放大图，示意了喷嘴环的定位原理。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或者相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或者说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或者好于其他实施例。

除非结合上下文有其他表示或有特别说明，本文件中，“周向”、“轴向”、等方位词，是以涡轮增压器中，涡轮的旋转轴线为基础确定的；“外”、“内”是以涡轮部中排气通道中主要气体的流动方向为基础确定，与流动方向一致，为“前”，与流动方向相反，为后。

请参考图1和图2，图1为本发明实施例一提供的涡轮增压器的立体图，该图主要示意了涡轮部分结构。图2为图1中所示涡轮增压器涡轮部分爆炸图。图1和图2主要示意了涡轮部分的结构。

本发明实施例一提供的涡轮增压器包括涡轮箱100、涡轮200和轴承体400。涡轮箱100形成排气通道101和进气通道102。所述进气通道102围绕排气通道101形成的，为环状结构。排气通道101与环状的进气通道102之间通过环状的径向喷流口103相通。

涡轮箱100整体为蜗壳状，具有进气口，以将发动机排气引入环状的进气通道102，使排气再通过径向喷流口101进入排气通道101，冲击涡轮200的涡轮叶片。

涡轮200作为涡轮部的转子部分，安装中间轴上，且位于排气通道101的后，涡轮200的涡轮叶片的外周边缘与所述径向喷流口103相对，以接收发动机排气，并在发动机排气冲击下旋转。

本实施例中，径向喷流口103固定有多个喷嘴叶片310，所述喷嘴叶片310的外端面310a与所述径向喷流口103外壁面抵触。多个喷嘴叶片310可以围绕涡轮200的旋转轴线均匀布置，且相对固定，形成完速的喷嘴环。

设置多个喷嘴叶片130，对进入涡轮200的排气进行引导、分配，可以使进入气流更加均匀；且多个喷嘴叶片固定，且喷嘴叶片310的外端面310a与径向喷流口103内壁面相抵触，进而可以减少外端面间隙造成的气流分离，减少能量损失，进而有利于涡轮增压器效率提高。

同时，该涡轮增压器满足B/D＝0.12-0.15，且(A/R)/B＝2.7-3.3的条件。其中：A为进气通道102通流截面积；

R为进气通道102中心线的半径；

B为所述喷嘴叶片310的宽度；

D为涡轮的最大直径。

使进气通道102通流截面积A、进气通道102中心线的半径R、和喷嘴叶片310的宽度B及涡轮的直径(如最大直径D)保持在适当的范围，并使四者相互配合，可以保证排气均匀性的同时，减少排气沿程损失，保证涡轮的转换效率。

如图1和2所示，涡轮箱100包括盖板110。喷嘴叶片310的外端面310a与所述盖板110内壁面抵触。盖板110作为单独部件进行加工，可以保证喷嘴叶片310的外端面310a与所述盖板110内壁面配合。优选方案中，喷嘴叶片310可以通过槽、孔、销等方式定位在盖板110上，或与盖板110固定。同时，可以使盖板101的内壁面与喷嘴叶片310的外端面310a密封配合。

通过设置与所述喷嘴叶片310外端面配合的盖板110，可以进一步减少外端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。相应地，涡轮增压器还包括与所述轴承体400固定的安装底盘120，喷嘴叶片310的内端面(图中未指示)与所述安装底盘120的外表面抵触，或者使所述喷嘴叶片310的内端面与所述安装底盘120的外表面密封配合；这样也可以减少喷嘴叶片310内端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。

可以理解，盖板110与涡轮箱100本体以现有的方式定位和固定。

请参考图3，该图示意了实施例一中喷嘴叶片310的分布位置。相对于径向方向，喷嘴叶片310与径向保持适当的角度，一方面能够使进入涡轮200的排气效率，同时平衡排气损失。优选技术方案中，进口导向角C1为55度至60度，所述出口导向角为70度至75度。具体实施例中，进口导向角C1为55度，所述出口导向角为75度。

是相同流通量特性下，将现有涡轮增压器和本发明实施例中涡轮增压器进行的实验检测对比。本发明具体实施例中，选用B/D＝0.12，(A/R)/B＝2.7、涡轮最大直径44.0，A/R＝27.464。现有涡轮增压器(对比实施例)为相同流通量特性的涡轮增压器，选用B/D＝0.1，A/R＝12,(A/R)/B＝1.35。

参数选择考虑到：

1、涡轮部分的流通量取决于进气通道102的通流截面积A与进气通道102中心线的半径R的比值；在流量和进气压气确定的情形下，进气通道102通流截面积A影响涡轮箱的总压损失。

2、喷嘴叶片310的宽度B，配合A/R的比值，理论上决定了排气进入径向喷流口103的气流角度。

3、排气的三维特性，径向喷流口103的气流角无论周向和径向都具有不均匀性。

本发明具体实施例的实验数据：

对比实施例(现有的涡轮增压器)实施数据：

上述表格中：

根据上述实验数据形成的性能图参见附图4和图5，可以看到对比例与本发明实施例相比，本发明具体实施例效率提高较多。根据上述数据，可以相应扩展，可以确定，B/D＝0.12-0.15，(A/R)/B＝2.7-3.3也具有提升涡轮效率的效果。

请参考图6和图7、图6为本发明另一个实施例中，涡轮增压器的结构示意图。图7为图6中Y部分放大图，示意了喷嘴环的定位原理。

与第一个实施例相比，该实施例中，涡轮增压器还包括喷嘴环基板320和弹簧件330。喷嘴环基板320和弹簧件330可以与喷嘴叶片310形成完成的喷嘴环。喷嘴叶片310可以固定在所述喷嘴环基板320上。

涡轮箱100形成适当的基板腔。喷嘴环基板320的周面与所述涡轮箱100基板腔的内壁面配合，以实现对喷嘴环基板320及喷嘴叶片310准确定位。弹簧件330可以支撑在所述轴承体400和所述喷嘴环基板320之间，使所述喷嘴叶片310的外端面310a与所述径向喷流口103外壁面抵触。优选方案中，使所述喷嘴环基板320为环状，其内周壁面与所述涡轮200的涡轮叶片外周边缘形成间隙配合。这样，一方面可以在涡轮叶片外周边缘形成适合的配合间隙，以保证涡轮200能量转换效率；另一方面可以减少喷嘴叶片310内端面间隙造成的气流分离，减少能量损失。

本实施例中，弹簧件330可以是包括环状结构的碟形弹簧，以保证密封性能，并使碟形弹簧前表面与涡轮叶片的后边缘保持适合的间隙。可以理解，弹簧件330可以是卡簧、扭簧或其他具有弹性的部件。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种涡轮增压器，包括涡轮箱(100)、涡轮(200)和轴承体(400)，涡轮箱(100)形成排气通道(101)、环状的进气通道(102)和位于排气通道(101)与环状的进气通道(102)之间的径向喷流口(103)，所述涡轮(200)安装在所述排气通道(101)中，且其涡轮叶片的外周边缘与所述径向喷流口(103)相对，所述径向喷流口(103)固定有多个喷嘴叶片(310)；其特征在于，满足B/D＝0.12-0.15，且(A/R)/B＝2.7-3.3；

其中：A为进气通道(102)通流截面积；

R为进气通道(102)中心线的半径；

B为所述喷嘴叶片(310)的宽度；

D为涡轮(200)的最大直径。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述喷嘴叶片(310)的外端面(310a)与所述径向喷流口(103)内壁面抵触。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮箱(100)包括盖板(110)，所述喷嘴叶片(310)的外端面(310a)与所述盖板(110)内壁面抵触。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，所述盖板(101)的内壁面与所述喷嘴叶片(310)的外端面(310a)密封配合。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，还包括与所述轴承体(400)固定的安装底盘(120)，所述喷嘴叶片(310)的内端面与所述安装底盘(120)的外表面抵触。

6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述喷嘴叶片(310)的内端面与所述安装底盘(120)的外表面密封配合。

7.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，还包括喷嘴环基板(320)和弹簧件(330)，所述喷嘴叶片(310)固定在所述喷嘴环基板(320)上；所述涡轮箱(100)形成基板腔；所述喷嘴环基板(320)的周面与所述涡轮箱(100)基板腔内壁面配合；所述弹簧件(330)支撑在所述轴承体(400)和所述喷嘴环基板(320)之间，使所述喷嘴叶片(310)的外端面(310a)与所述径向喷流口(103)外壁面抵触。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其特征在于，所述喷嘴环基板(320)为环状，其内周壁面与所述涡轮(200)的涡轮叶片外周边缘形成间隙配合。

9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其特征在于，相对于径向方向，所述喷嘴叶片(310)进口导向角(C1)为55度至60度，所述出口导向角为70度至75度。

10.一种发动机，包括发动机本体和配合的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器为权利要求1至9任一项所述的涡轮增压器。