CN114837759A - 用于涡轮机的涡轮的扩散器空间 - Google Patents

用于涡轮机的涡轮的扩散器空间 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种用于涡轮机的涡轮的扩散器空间，以及限定一对蜗壳的涡轮壳体，相应的出口由分隔壁分隔，该涡轮壳体包括在蜗壳与涡轮叶轮之间的气流路径中的扩散器空间。扩散器空间的上游部分具有比扩散器空间的下游部分更小的轴向范围。扩散器空间变宽趋向于将从分隔壁的至少一侧进入扩散空间的排气朝着扩散器空间的对应轴向端引导。因此减小了该气体用来阻断来自另一入口蜗壳的排气流入到扩散器空间中的趋势。

Description

用于涡轮机的涡轮的扩散器空间
本申请是申请日为2020年3月26日、申请号为201880062845.X、题为“用于涡轮机的涡轮的扩散器空间”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种限定两个排气入口蜗壳的涡轮壳体。
背景技术
涡轮机是在转子和流体之间传递能量的机器。例如，涡轮机可从流体到转子传递能量，或者可从转子到流体传递能量。涡轮机的两个示例是：动力涡轮，其使用由流体驱动的转子的旋转能来做有用功(例如，生成电功率)；以及压缩机，其使用转子的旋转能来压缩流体。
涡轮增压器是用于以高于大气压的压力(升压)将空气供应到内燃机的入口的公知的涡轮机。传统涡轮增压器基本上包括安装在连接到发动机出口歧管下游的涡轮壳体内的可旋转轴上的排气驱动涡轮叶轮。涡轮叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴的另一端的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气传送到发动机入口歧管。
涡轮增压器轴传统上由包括适当的润滑系统的径向轴承和推力轴承支撑，径向轴承和推力轴承位于连接在涡轮和压缩机叶轮壳体之间的中央轴承壳体内。
图1示出已知涡轮增压器的示意性横截面。涡轮增压器包括经由中央轴承壳体13结合到压缩机12的涡轮11。涡轮11包括用于在涡轮壳体15内旋转的涡轮叶轮14。涡轮叶轮14具有旋转轴线1(在图平面内)和桨叶9。类似地，压缩机12包括可在压缩机壳体17内旋转的压缩机叶轮16(或“叶轮”)。压缩机壳体17限定主要由压缩机叶轮16填充的压缩机室38，压缩机叶轮16可在压缩机室38内旋转。涡轮叶轮14和压缩机叶轮16安装在穿过中央轴承壳体13延伸的公共涡轮增压器轴18的相对端上。涡轮增压器轴18由轴承壳体13中的轴承组件可旋转地支撑，该轴承组件包括分别朝着轴承壳体13的涡轮端和压缩机端容纳的两个径向轴承34和35。轴承组件还包括推力轴承36。
涡轮壳体15具有围绕涡轮叶轮14环状设置的两个排气入口蜗壳19a、19b以及轴向排气出口10。蜗壳19a、19b在垂直于轴向方向的镜像平面内相对于彼此对称(要注意的是，在其它已知涡轮壳体中，蜗壳是不对称的；此外在“双入口”涡轮中，蜗壳围绕涡轮的旋转轴线1周向间隔开例如180度)。压缩机壳体17具有轴向进气通道31以及围绕压缩机室38环状布置的蜗壳32。蜗壳32与压缩机出口33气流连通。压缩机室38通过径向延伸扩散器空间39(这里也称为“扩散器”)连接到蜗壳32，扩散器空间39是壳体17的径向延伸罩表面25与轴承壳体13的径向延伸轮毂表面26之间的间隙。扩散器39关于轴18的旋转轴线1是旋转对称的。
在使用中，将排气从附接有涡轮增压器的发动机(未示出)的排气歧管(也称为出口歧管)提供给两个排气入口蜗壳19a、19b。入口蜗壳19a、19b由分隔壁20分隔，分隔壁20从涡轮壳体15的径向外壁21径向向内延伸到尖端22。排气通过分隔壁20的尖端22与涡轮11的第一罩表面23之间的间隙离开蜗壳19a。排气通过分隔壁20的尖端22与涡轮11的第二罩表面24之间的间隙离开蜗壳19b。因此，排气从排气入口蜗壳19a、19b经由涡轮叶轮14到达排气出口10，涡轮叶轮14通过排气而旋转。在变型中，第二罩表面24可设置为轴承壳体或一些其它部件的表面，而非涡轮壳体15的表面。
涡轮叶轮14继而使压缩机叶轮16旋转，压缩机叶轮16从而通过压缩机入口31吸入进气，并将升压空气经由扩散器39、蜗壳32然后出口33传送到发动机的入口歧管。
已知的是通过燃烧循环，进入排气入口蜗壳19a、19b的流量变化。将涡轮叶轮14的桨叶9的尖端的速度表示为U，并将排气的喷动速度表示为c，速度比U/c(也称为等熵速度比)也变化。图2示出对于从450至720度的曲柄角的值范围，作为六缸发动机的曲柄角的函数的相应的两个蜗壳19a、19b中的压力3a、3b的变化。由于4冲程发动机的完整发动机循环是曲柄角的720度旋转，并且由于发动机歧管的任一侧存在3个气缸，所以图2中的压力分布的周期性为720/3＝240度。
图3(a)示出当蜗壳19a、19b中的压力相等时从蜗壳19a、19b朝着涡轮叶轮14的流量。参数质量流量比(MFP)被定义为
Figure BDA0003638669700000031
其中m19a是每秒沿着蜗壳19a流动的质量，m19b是每秒沿着蜗壳19b流动的质量。图3(a)显示0.5的MFP，这意味着两个蜗壳对质量流量的贡献相等。相反，图3(b)示出当蜗壳19a中存在压力脉冲时的情况，这意味着压力高于蜗壳19b中。换言之，不相等的排气允许进入蜗壳中。来自蜗壳19a的排气不仅朝着涡轮叶轮14流动，而且流向蜗壳19b(“再循环”)。因此，高压蜗壳19a已完全阻塞低压蜗壳19b，并且MFR大于一。再循环导致能量损失。
减小循环风险的一个方式是形成涡轮壳体，使分隔壁的尖端更靠近涡轮叶轮。然而，这对涡轮壳体的铸造工艺提出了挑战。
发明内容
一般而言，本发明提出了一种限定一对蜗壳的涡轮壳体，相应的出口通过分隔壁被分隔开，该涡轮壳体包括在蜗壳与涡轮叶轮之间的气流路径中的扩散器空间。扩散器空间的下游部分具有比扩散器空间的上游部分更大的轴向范围(即，轴向方向上的长度分量更大)。
在从蜗壳到涡轮叶轮的气流方向上扩散器空间的变宽趋向于将进入扩散空间的排气从分隔壁的至少一侧朝着扩散器空间的对应的轴向端引导。因此减小了该气体阻断来自另一入口蜗壳的排气流入到扩散器空间中的趋势。因此，所提出的几何形状可减小再循环的风险。这特别可取，因为再循环通常发生在发动机循环中最大能量可用于为涡轮叶轮提供动力的点处，因此在这些点处改进效率导致显著的效率优势。
如上所述，涡轮壳体为限定两个排气入口蜗壳的类型。优选地，蜗壳彼此不周向间隔开(即，涡轮是双入口涡轮)。优选地，涡轮壳体为蜗壳相对于垂直于轴向方向的镜像平面对称的类型。
另选地，两个入口蜗壳可为双入口类型，其中蜗壳围绕旋转轴线彼此周向地间隔开例如180度。
扩散器空间的有效性取决于若干数值参数，其现在将定义为：
Ddivider表示从旋转轴线到分隔壁的径向内尖端的距离。
Dwheel表示涡轮叶轮的半径。即，涡轮叶轮上的任何点距旋转轴线的最大距离。
Dmin表示从旋转轴线到限定涡轮叶轮上游的气流通道的扩散器空间的轴向范围最小的径向位置的距离。要注意的是，如果扩散器空间不旋转对称，则Dmin被定义为从旋转轴线到扩散器空间的轴向范围的周向平均最小的径向位置的距离。
可选地，限定涡轮叶轮上游的气流通道的扩散器空间可在分隔器的径向内尖端处具有最小轴向范围。在这种情况下，Ddivider等于Dmin。这允许两个流一相遇就发生扩散，这通常是最优的。
另选地，Dmin可小于Ddivider。尽管这意味着扩散器空间不那么大，但仍可存在沿着气流方向在分隔壁径向向内的位置(Dmin)处开始的扩散器空间的轴向范围增加的价值。
为了确保分隔器空间具有足够的有价值的径向延伸，数值模拟已表明，可取的是Dmin大于Dwheel+(0.5*(Ddivider-Dwheel)。
原则上，Ddivider可另选地小于Dmin。在这种情况下，分隔壁突出到Dmin径向向内，但这目前不是优选的，因为其可能降低扩散器空间的有效性。特别是，目前认为，不可取的是Dmin大于Ddivider+(0.2*(Ddivider-Dwheel)。
要注意的另外的参数是：
Wthroat被称为叶轮入口喉口宽度，并且称为到旋转轴线的径向位置(Dwheel)处的罩表面的轴向间距。
Wtip表示涡轮叶轮的桨叶的尖端的轴向范围(即，各个尖端的长度的轴向分量)。在许多实施例中，这基本上等于Wthroat，即，它是Wthroat减去非常小的余隙(例如，不超过10微米)，该余隙足以确保它们之间不会由于机加工或铸造公差而存在摩擦。
Wmin表示距旋转轴线的径向位置Dmin处的扩散器空间的轴向宽度。
Winlet表示在分隔壁的内边缘(即，径向位置Ddivider)处测量的蜗壳的相应的轴向宽度之和。因此，Winlet表示从分隔壁的尖端到分隔壁的任一侧的涡轮壳体的罩的轴向距离之和。
如果Ddivider等于Dmin，则Winlet等于Wmin。即使在不是这种情况的实施例中，可取的是Wmin至少等于Winlet*0.7，更优选地至少Winlet*0.8或者甚至Winlet*0.9。
要注意的是，参数Ddivider、Wthroat、Wmin和Winlet中的每一个被定义为围绕旋转轴线的周向位置上的平均值(即，“周向平均”)。
在一些实施例中，在机加工和/或铸造公差内，涡轮壳体关于旋转轴线圆对称。在这种情况下，Ddivider、Wthroat、Wmin和Winlet是在围绕旋转轴线的所有周向位置中相同的量的周向平均。
然而，在其它实施例中，不是这种情况。在混流/不对称涡轮中尤其可能如此。
在任一种情况下，由于Ddivider、Wthroat、Wmin和Winlet被定义为周向平均量，所以可使用它们来近似表示涡轮壳体的某些区域。例如，扩散器空间的入口区域近似为2πDdividerWinlet。
壳体分隔壁比被定义为
Figure BDA0003638669700000051
已发现，此比率优选在1.05至1.2的范围内，并且可大于1.1。分隔壁距涡轮叶轮的此间距通常使得分隔壁可通过传统铸造形成。
喉口与入口比被定义为
Figure BDA0003638669700000052
此比率可在1.05至1.3的范围内。更优选地，此比率至少为1.1，和/或不大于1.2。
CAhousing表示壳体的临界面积。
CAwheel表示叶轮的临界面积。
壳体与叶轮面积比被定义为
Figure BDA0003638669700000053
此参数通常在0.9至1.3的范围内，优选介于1.1和1.3之间。此参数对于具有高脉冲的应用特别重要。
可选地，如在某些已知涡轮中，可提供基本上穿过扩散器空间轴向延伸的叶片。可选地，一些或所有叶片可在轴向方向上具有可控的位置(在这种情况下，如果涡轮是涡轮增压器的一部分，则涡轮增压器被称为“可变几何形状涡轮增压器”)。另选地，一些或所有叶片可关于限定扩散器空间的表面固定。
如果存在叶片，则扩散器空间的另一参数是Dnozzle，其表示叶片的径向内边缘的半径。叶片的内边缘可被定义为叶片的表面上在叶轮旋转的周向方向上最远的轴向指向线。Dnozzle可以是从叶片上的任何点到旋转轴线的最小距离。喷嘴至叶轮LE(前缘)比被定义为
Figure BDA0003638669700000061
此值优选在1.05至1.3的范围内。
本发明可从包括该涡轮壳体的涡轮方面，并且从包括该涡轮的诸如涡轮增压器的涡轮机方面表述。
附图说明
现在将参照附图仅为了示例起见描述本发明的非限制性实施例，附图中：
图1是已知涡轮增压器的横截面图；
图2示出图1的涡轮增压器的两个排气蜗壳中的压力随时间的变化；
图3由图3(a)和图3(b)组成，并且示意性地示出从图1的涡轮增压器的蜗壳穿过涡轮叶轮的气流；
图4是本发明的第一实施例的示意性横截面图；
图5是本发明的第二实施例的示意性横截面图；
图6是本发明的第三实施例的示意性横截面图；
图7是本发明的实施例中可用于限定扩散器空间的元件的横截面。
具体实施方式
现在将参照图4描述本发明的实施例。在此图中，与图1的相应的元件对应的元件由标号100以上表示。实施例是具有两个对称排气入口的涡轮壳体和涡轮叶轮。气体入口从发动机的排气歧管的相应的出口(例如，从发动机的相应的组的一个或更多个气缸)接收排气。图4是涡轮的一部分的横截面图。涡轮叶轮被布置为绕轴线101旋转，该轴线101位于横截面平面中，在图4中是水平方向。这被称为“轴向方向”。涡轮叶轮包括桨叶109。入口将排气馈送到按双蜗壳配置布置的两个相应的蜗壳119a、119b。蜗壳具有通向限定在两个罩表面123、124之间的扩散器空间140中的相应的开口。蜗壳119a、119b和扩散器空间140可关于轴线101基本上旋转地对称。
扩散器空间140朝着轴线101径向向内延伸，并限定从蜗壳119a、119b到涡轮叶轮的气流路径。在以下描述中，气流方向被假设为在扩散器空间140中径向向内，但实际上，它也可包括横向于图4的平面的方向上的周向分量。
蜗壳119a、119b由具有径向向内尖端122的分隔壁120分隔。尖端122在距轴线101距离Ddivider处。此径向位置处的扩散器空间140的轴向范围被表示为Winlet。此轴向范围是此径向位置处的罩表面123、124之间的间隙。事实上，径向位置Ddivider恰巧是扩散器空间140的轴向范围最小的径向位置。罩表面123、124限定与分隔壁120的尖端122径向配准的相应的角部123a、123b(如在横截面中看到的)。
涡轮叶轮的各个桨叶109延伸到具有由Dwheel表示的距轴线101最大距离的相应的尖端。此径向位置处的罩表面123、124之间的间隙的轴向范围由Wthroat表示。桨叶的尖端的轴向范围由Wtip表示(要注意的是，桨叶的尖端还可具有周向方向和/或径向方向上的纵向分量)。这在图4中示出为显著小于Wthroat，但在其它实施例中，Wthroat和Wtip可基本上相等。例如，Wtip可比Wthroat小一定量(例如，小于10微米)，该量被选择为尽管有形成涡轮壳体和涡轮叶轮时的机加工和铸造公差，但确保桨叶109与表面123、124之间存在余隙。
Wthroat的值大于Winlet，优选在1.05至1.3范围内，更优选1.1至1.2范围内的因子。值
Figure BDA0003638669700000071
的值在1.05至1.2的范围内。在数值模拟中已发现，特别是当满足此条件时，从相应的蜗壳119a、119b进入扩散器空间140的气流被抽吸到扩散器空间140的轴向端，并且与已知涡轮壳体相比(在已知涡轮壳体中，不存在扩散器空间，或者扩散器空间在涡轮叶轮与蜗壳之间的所有径向位置处具有基本上相同的轴向范围)具有彼此干扰降低的风险。
要注意的是，在此实施例中，如在横截面中看到的，在介于相应的角部123a、124a与距轴线101的径向位置Dwheel之间的径向位置的范围内，罩表面123、124二者基本上平坦。在径向位置的此范围内，罩表面123、124在径向向内方向上(即，在径向气流的方向上)发散。罩表面123、124二者向径向方向倾斜(即，与径向方向成大于零度(例如，至少2度)的角度)。
转向图5，示出本发明的第二实施例。与图4的那些对应的元件由标号100以上表示。与第一实施例相反，罩表面224在角部224a与距轴线201的径向位置Dwheel之间为径向的(即，不包括横向于旋转轴线201的分量)。图4和图5的实施例之间的另一不同在于，在图5的实施例中，桨叶209的尖端在扩散器空间240的整个轴向范围上延伸。即，Wtip基本上等于Wthroat，没有小余隙空间。尽管在此实施例中，仅罩表面223向径向方向倾斜，但与已知布置相比(在已知布置中，不存在扩散器空间，或者扩散器空间在不同的径向位置具有不变的轴向范围)，此扩散器空间240趋向于减小从相应的蜗壳219a、219b向着分隔壁220的尖端222的任一侧进入扩散器空间的气体的气流路径之间的相互作用。
图6示出本发明的第三实施例。与图4的那些对应的元件由标号200以上表示。罩表面323、324在距旋转轴线301距离Dmin处具有最小相互间距(由Wmin表示)。与图4和图5的实施例相反，Dmin不同于(在这种情况下，小于)Ddivider。即，具有最小径向范围的扩散器空间340的径向部分比分隔壁320的尖端322更靠近涡轮叶轮。
Wmin至少等于Winlet*0.7，更优选至少Winlet*0.8，或者甚至至少Winlet*0.9。可取的是Dmin大于Dwheel+(0.5*(Ddivider-Dwheel)。实际上，在第三实施例的变型中，Dmin可大于Ddivider。
另外，与图4和图5相反，罩表面323和324是弯曲的，而非具有尖锐角部。从相应的蜗壳319a、319b进入扩散器空间的气流随着它们到达距轴线301小于Dmin的径向位置而被分开，因此干扰的风险降低。
在图4至图6的所有实施例中，扩散器空间140、240、340具有最大轴向范围的径向位置是距旋转轴线101、201、301距离Dwheel处的位置。因此，此最大轴向范围等于Wthroat。然而，并非如此的实施例也是可能的。换言之，扩散器空间可(在朝着涡轮叶轮的径向向内方向上)首先变宽，然后变窄。
在全部第一至第三实施例中，我们可定义：
表示壳体的临界面积的CAhousing，
表示叶轮的临界面积的CAwheel；以及
壳体与叶轮面积比被定义为
Figure BDA0003638669700000091
此参数通常在0.9至1.3的范围内，优选介于1.1和1.3之间。此参数对于具有高脉冲的应用特别重要。
图7描绘了在本发明的实施例中可用于限定罩表面的元件400的一部分。与图4的相应的元件对应的元件给予300以上的标号。元件400为环形(环状)，并且关于对称轴线圆对称(除了下面提及的支撑元件之外)，该对称轴线在使用中被定位成与涡轮壳体的旋转轴线重合。图7示出围绕元件400的对称轴线在一个角位置(即，一个周向位置)处穿过元件400的横截面。在此角位置，元件400具有径向范围LP。
元件400具有作为相应的壁423b、424b的内表面的两个内罩表面423、424。在罩表面423、424之间限定扩散器空间440。元件400还包括构成分隔壁的部分420。要注意的是，部分420和壁423b、424b通过支撑元件维持在图6所示的相对配置，这些支撑元件在图7中不可见，因为它们不在横截面平面中。
图7示出元件400的各种数值参数。背向涡轮的旋转轴线的轴向范围FP的开口被布置为从相应的蜗壳接收排气。面向元件400的对称轴线的轴向范围FT的开口被布置为将排气朝着涡轮叶轮传输。距离FM对应于Wmin。距离FE表示从分隔壁420的尖端422到分离开距离Wmin的表面423、424上的相应的点的距离。这些点分别距元件400在该角位置处的部分的径向内端和外端相应的距离LD和LN，其中LN+LD＝LP。
在本发明的范围内，实施例的许多变型是可能的。例如，蜗壳无需彼此对称。
在另一示例中，扩散器空间可包括从一个罩表面朝着另一个罩表面伸出穿过扩散器空间的叶片。可选地，在图7的元件400的情况下，叶片可用作维持分隔壁420和壁423b、424b的相对轴向位置的支撑元件。另选地，在上述所有实施例中，叶片可相对于罩表面123、124、223、224、323、324、422、424轴向可移动，以在致动器机构的控制下选择性地打开和关闭扩散器空间。

Claims (8)

1.一种涡轮，包括：
具有轴线的涡轮叶轮；
限定两个蜗壳的涡轮壳体，蜗壳具有通过径向延伸的分隔壁分开的相应的径向内开口，涡轮叶轮被定位在涡轮壳体内以绕着所述轴线旋转，并且涡轮壳体包括限定在两个罩表面之间并在蜗壳和涡轮叶轮之间提供气流路径的扩散器空间；
其中，扩散器空间包括在第一径向位置的第一部分，扩散器空间的第一部分的周向平均轴向范围低于扩散器空间在第二径向位置的第二部分的周向平均轴向范围，扩散器空间的第二部分比扩散器空间的第一部分更靠近旋转轴线，
其中，将从旋转轴线到分隔壁的径向内尖端的周向平均距离表示为Ddivider，由Dwheel表示涡轮叶轮的半径，并且由Dmin表示从所述轴线到扩散器空间内扩散器空间的周向平均轴向范围最小的径向位置的距离，Dmin大于Dwheel+(0.5*(Ddivider-Dwheel)。
2.一种涡轮，包括：
具有轴线的涡轮叶轮；
限定两个蜗壳的涡轮壳体，蜗壳具有通过径向延伸的分隔壁分开的相应的径向内开口，涡轮叶轮被定位在涡轮壳体内以绕着所述轴线旋转，并且涡轮壳体包括限定在两个罩表面之间并在蜗壳和涡轮叶轮之间提供气流路径的扩散器空间；
其中，扩散器空间包括在第一径向位置的第一部分，扩散器空间的第一部分的周向平均轴向范围低于扩散器空间在第二径向位置的第二部分的周向平均轴向范围，扩散器空间的第二部分比扩散器空间的第一部分更靠近旋转轴线，
其中，由Winlet表示在分隔壁的径向内尖端处测量的蜗壳的周向平均相应的轴向宽度之和，并将涡轮叶轮的径向最外部分处的罩表面的轴向间距表示为Wthroat，定义为
Figure FDA0003638669690000011
的喉口与入口比在1.05至1.3范围内。
3.根据权利要求2所述的涡轮，其中，喉口与入口比至少为1.1。
4.根据权利要求2所述的涡轮，其中，喉口与入口比至多为1.2。
5.根据权利要求2所述的涡轮，其中，由Wmin表示在扩散器空间的周向平均轴向范围最小的径向位置处扩散器空间的周向平均轴向范围，Wmin至少等于Winlet*0.7。
6.一种涡轮，包括：
具有轴线的涡轮叶轮；
限定两个蜗壳的涡轮壳体，蜗壳具有通过径向延伸的分隔壁分开的相应的径向内开口，涡轮叶轮被定位在涡轮壳体内以绕着所述轴线旋转，并且涡轮壳体包括限定在两个罩表面之间并在蜗壳和涡轮叶轮之间提供气流路径的扩散器空间；
其中，扩散器空间包括在第一径向位置的第一部分，扩散器空间的第一部分的周向平均轴向范围低于扩散器空间在第二径向位置的第二部分的周向平均轴向范围，扩散器空间的第二部分比扩散器空间的第一部分更靠近旋转轴线，
其中，由CAhousing表示壳体的临界面积，并由CAwheel表示叶轮的临界面积，定义为
Figure FDA0003638669690000021
的壳体与叶轮面积比介于1.1和1.3之间。
7.根据权利要求1、权利要求2或权利要求6所述的涡轮，其中，蜗壳在垂直于轴向方向的镜像平面中相对于彼此对称。
8.一种涡轮增压器，包括根据权利要求1、权利要求2或权利要求6所述的涡轮。
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