CN115066539A

CN115066539A - 涡轮增压组件和将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法

Info

Publication number: CN115066539A
Application number: CN202080092057.2A
Authority: CN
Inventors: 克里斯托夫·马泰
Original assignee: Turbocharging System Switzerland Co ltd
Current assignee: Turbocharging System Switzerland Co ltd
Priority date: 2020-01-07
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2022-09-16
Also published as: WO2021139985A1; EP4088011A1; EP3848560A1; US20230349303A1; KR20220119490A; JP2023509717A

Abstract

描述了一种涡轮增压组件(100)。涡轮增压组件(100)包括具有第一壳体部分(130A)和第二壳体部分(130B)的壳体(130)，所述第一壳体部分用于包围包括与第一压缩机(114)耦接的第一涡轮机(113)，特别是与低压压缩机耦接的低压涡轮机的第一级(110)，特别是低压级，所述第二壳体部分(130B)用于包围第二级(120)，特别是高压级。所述第二壳体部分(130B)包围替代第二涡轮机、特别是高压涡轮机的排气通道单元(140)，排气通道单元(140)配置为用于提供从设置在所述第二壳体部分(130B)中的排气入口(131)到所述第一涡轮机(113)的气体通道的插入件。还描述了一种将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法。

Description

涡轮增压组件和将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法

技术领域

本公开的实施例涉及涡轮增压组件。特别地，本公开的实施例涉及单级和多级涡轮增压组件，例如具有一个或更多个低压级和/或一个或更多个高压级的、特别配置为用于轴向流动的涡轮增压组件。

背景技术

多级涡轮增压器包括单独的单元涡轮增压器组件，这些涡轮增压器组件彼此互连并且互连到发动机增压空气路径(例如，通过中间冷却器和增压空气冷却器)。涡轮机壳体通过允许热空气流动的排气管道连接：将发动机排气首先引导到高压涡轮机的入口，然后将气流通过高压涡轮机的出口引导到低压涡轮机的入口，并且最后通过排气管道通过出口路径进入环境中。这种类型的架构需要在发动机装置上留下大型组件的占地面积(即安装组装单元所需的空间)，以及多个管道连接、波纹管、支撑、联轴器、绝缘和旨在减少管道振动和防止故障模式的结构增强支架。此外，这种布置在部件组装、材料清单和服务方面相当复杂。机载发动机组件，其中间距为基本值，努力减少多级涡轮增压器的总占地面积。此外，由于涡轮机壳体及其相关连接管的温度普遍较高，使用了笨重的隔热罩和绝缘材料。

因此，鉴于上述情况，需要改进的涡轮增压组件，其至少部分地克服现有技术的问题。

发明内容

鉴于上述情况，提供了一种根据独立权利要求1所述的涡轮增压组件。此外，提供了一种根据独立权利要求13的将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法。另外的方面、优点和特征从从属权利要求、描述和附图中是显而易见的。

根据本公开的一个方面，提供了一种涡轮增压组件。涡轮增压组件包括具有用于包围第一级的第一壳体部分的壳体，所述第一级包括与第一压缩机耦接的第一涡轮机。特别地，第一级是低压级，包括与低压压缩机耦接的低压涡轮机。此外，壳体具有用于包围第二级，特别是用于包围高压级的第二壳体部分。第二壳体部分包围排气通道单元。排气通道单元取代了第二涡轮机，特别是高压涡轮机。排气通道单元配置用于提供从设置在第二壳体部分中的排气入口到第一涡轮机、特别是低压涡轮机的气体通道的插入件。

因此，有利地提供了一种涡轮增压组件，其可以作为单级涡轮增压组件或作为多级涡轮增压组件操作。因此，本发明的涡轮增压组件使得客户可以将涡轮增压组件作为单级组件使用，或者采用涡轮增压组件进行多级增压。因此，如本文所述的涡轮增压组件的实施例具有在涡轮增压配置之间互换而不需要替换壳体的能力。换言之，无需更换涡轮增压组件壳体即可实现多级涡轮增压升级。此外，多级配置可以更改为单级配置，而涡轮增压器组件的同一壳体可以用于两种配置。

根据本公开的另一方面，提供了一种将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法。该方法包括提供具有第一级、特别是低压级，和第二级、特别是高压级的多级涡轮增压组件。此外，该方法包括从第二级移除第二涡轮机和第二压缩机中的至少一个。特别地，第二涡轮机可以是高压涡轮机并且第二压缩机可以是高压压缩机。此外，该方法包括用排气通道单元替换第二涡轮机。排气通道单元配置用于提供从排气入口到第一级的第一涡轮机的气体通道的插入件。特别地，第一涡轮机可以是低压涡轮机。此外，该方法包括提供用于封闭第二压缩机入口的第一封堵元件、用于封闭第二压缩机出口的第二封堵元件和替换第二压缩机的空气通道单元中的至少一个。

因此，有利地提供了一种方法，该方法为用户提供将涡轮增压组件作为单级或多级涡轮增压器操作的选项。因此，用户可以成本有效地在多级和单级应用之间切换。

附图说明

为了能够详细理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来获得上文简要概括的本公开的更具体的描述。附图涉及本发明的实施例并且描述如下：

图1示出了根据本文所述的实施例的涡轮增压组件的示意图，该涡轮增压组件作为单级涡轮增压组件操作；

图2和图3示出了根据本文所述的另外的实施例的涡轮增压组件的示意图，该涡轮增压组件作为单级涡轮增压组件操作；

图4示出了根据本文所述的实施例的涡轮增压组件的示意性侧视图，以及

图5示出了根据本文所述的实施例的涡轮增压组件的示意图，该涡轮增压组件作为多级涡轮增压组件操作。

具体实施方式

现在将详细参考各个实施例，其一个或更多个示例在每幅图中示出。每个示例都是以解释的方式提供的，并不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可用于或结合任何其他实施例以产生又一实施例。本公开旨在包括这样的修改和变化。

在附图的以下描述中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。通常，仅描述关于各个实施例的不同之处。除非另有说明，一个实施例中的部分或方面的描述同样可以适用于另一实施例中的对应部分或方面。

示例性地参考图1，描述了根据本公开的涡轮增压组件100。图1示出了作为单级涡轮增压组件操作的涡轮增压组件100的示意图。

根据可与本文所述的其他实施例结合的实施例，涡轮增压组件100包括壳体130，该壳体具有用于包围第一级110的第一壳体部分130A，所述第一级包括与第一压缩机114耦接的第一涡轮机113。特别地，第一级110是低压级，包括与低压压缩机耦接的低压涡轮机。此外，壳体130具有用于包围第二级120、特别地用于包围高压级的第二壳体部分130B。第二壳体部分130B包围排气通道单元140。排气通道单元140也可以称为排气整流器。通过比较图1和图5可以看出，排气通道单元140代替了第二涡轮机123，特别地高压涡轮机。排气通道单元140配置为用于提供从设置在第二壳体部分130B中的排气入口131到第一涡轮机113、特别地低压涡轮机的气体通道的插入件。

因此，有利地提供了一种涡轮增压组件，其可以作为单级涡轮增压组件或作为多级涡轮增压组件操作。因此，客户可选择将本文所述的涡轮增压组件用作单级组件，或采用涡轮增压组件进行多级增压。

为了更好地理解，参考图5，描述了根据本文所述实施例的作为多级涡轮增压组件操作的涡轮增压组件100。涡轮增压组件100包括高压级120，该高压级包括与高压压缩机124耦接、特别是机械耦接的高压涡轮机123。此外，多级涡轮增压组件包括低压级110，该低压级包括与低压压缩机114耦接、特别是机械耦接的低压涡轮机113。此外，涡轮增压组件100包括包围高压级120和低压级110的壳体130。特别地，壳体130是单个单元。更具体地，壳体130将高压级110和低压级120的壳体一体化。换言之，壳体130可以是一体的单个单元。壳体130通常包括在高压涡轮机123的高压涡轮机出口122B和低压涡轮机113的低压涡轮机入口111之间的通道133。特别地，通道133是流量优化通道，即，针对从高压涡轮机123的高压涡轮机出口122A到低压涡轮机113的低压涡轮机入口111的流量进行优化。因此，有益地，连接不同级的排气管道可以被消除，从而可以提高气流性能和效率。

根据本公开，多级涡轮增压组件可以理解为具有一个或更多个高压级和/或一个或更多个低压级的涡轮增压组件。一个或更多个高压级具有与高压压缩机耦接的高压涡轮机。一个或更多个低压级具有与低压压缩机连接的低压涡轮机。

因此，应当理解，如本文所述的涡轮增压组件的壳体130可配置为用于包围一个或更多个低压级110和/或一个或更多个高压级120。

示例性参考图1，根据可与本文所述的其他实施例结合的、单级配置的涡轮增压组件100的实施例，第二壳体部分130B的第二压缩机入口125、特别是高压压缩机入口由第一封堵元件145封闭。此外，第二壳体部分130B的第二压缩机出口126、特别是高压压缩机出口由第二封堵元件147封闭。

因此，应当理解，可以提供一体的涡轮增压组件，省略涡轮增压组件的高压段及其被封堵的相关的空气/气体路径，例如，使用排气通道单元140作为特殊插入件、第一封堵元件145和第二封堵元件147封堵的相关的空气/气体路径。发动机排气可根据多级操作进入涡轮增压组件并通过内部气体通道直接流向单级涡轮机，即第一涡轮机113，如图1示例性所示。

根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例，第二壳体部分130B包围空气通道单元148，如图2示例性所示。空气通道单元148也可以称为空气整流器。通过比较图2和图5可以看出，空气通道单元148代替了第二压缩机124，特别是高压压缩机。例如，排气通道单元148可以配置为提供从设置在第一壳体部分130A中的空气出口116到增压空气冷却器160的空气通道，如图2示例性所示。第二壳体部分130B的第二压缩机入口125，特别是高压压缩机入口可以由第一封堵元件145封闭。

如在图1、2和3中示例性地示出，涡轮增压组件100可包括增压空气冷却器160。此外，如图3示例性所示，可设置中间冷却器150。根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，如图3所示，空气通道单元148可以配置用于提供从中间冷却器150到增压空气冷却器160的空气通道。

根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括在气体通道单元140的出口和第一涡轮机113的第一涡轮机入口111之间的通道133，特别是流量优化通道。特别地，第一涡轮机113是低压涡轮机并且第一涡轮机入口111是低压涡轮机入口。

根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例，如图1、2、3和5示例性所示，壳体130具有内壳134和外壳135。中间空间136设置在内壳134和外壳135之间。通常，中间空间136被配置用于提供冷却剂。例如，壳体130可以包括用于将冷却剂提供到中间空间136中的冷却剂入口137和用于从中间空间136中排出冷却剂的冷却剂出口138。因此，应当理解，壳体可以包括一体的冷却空间以及一个或更多个用于提供冷却剂的一体的冷却通道。因此，有利地，连续冷却系统可以结合到壳体中，例如，通过提供具有用于提供冷却剂套的中间空间的双壁壳体。因此，可以减少或甚至消除在涡轮增压组件运行期间用于从壳体屏蔽热量的额外的热屏蔽。

根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例，壳体130是单个单元或单件结构。在具有内壳134和外壳135的壳体的实施例的情况下，内壳134可以是一体的单个单元。因此，外壳135可以是一体的单个单元。

如本文所指的单个单元或单件结构可以是铸造材料的一体的单件结构。例如，铸造材料可以是铝合金或其他合金。此外，应当理解，壳体可以由其他材料制成，例如钢铸件、灰口铸铁或其他合适的铸造材料。根据示例，如本文所述的壳体是单个铸造壳体，特别是ALFIN壳体，或两种或更多种不同材料的壳体。

根据可以与本文描述的其他实施例结合的实施例，第二壳体部分130B可布置在第一壳体部分130A下方。或者，第一壳体部分130A可以布置在第二壳体部分130B下方。

根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，如图1和3示例性所示，第一壳体部分130A包括第一压缩机出口116，特别是低压压缩机出口，用于向增压空气冷却器160提供低压空气。可替换地，如图2示例性所示，低压空气可以从第一压缩机出口116提供到空气通道单元148。

图4示出了根据本文描述的实施例的涡轮增压组件的示意性侧视图。根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一壳体部分130A包括第一法兰141，用于将消音器、进气壳体或进气管连接到第一压缩机入口115，特别是低压压缩机入口。作为示例，图4显示了连接到第一法兰141的消音器127。

根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，第二壳体部分130B包括第二法兰142，用于将选自第一封堵元件145、入口壳体或入口管，特别是弯头入口壳体或弯头入口管的一个元件，连接到第二压缩机入口125(参见图1)。通常，第二压缩机入口125是第二壳体部分130B的高压压缩机入口。

根据可以与本文所述的其他实施例组合的实施例，第一壳体部分130A包括第三法兰143，用于连接排气出口132，用于将来自第一涡轮机113、特别是低压涡轮机的排气提供到壳体130的外部。特别地，排气出口132是第一涡轮机出口112。

根据可以与本文所述的其他实施例结合的实施例，第二壳体部分130B包括第四法兰144，用于连接排气入口131，用于将来自发动机170的排气提供到在第二壳体部分130B内的气体通道单元140(参见图1至3)或第二涡轮机123(见图5)。特别地，排气入口131可以是第二涡轮机入口121。

根据本公开的另一方面，提供了一种将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法。该方法包括提供具有第一级110，特别是低压级，和第二级120，特别是高压级的多级涡轮增压组件。另外，该方法包括从第二级120移除第二涡轮机123和第二压缩机124中的至少一个。具体地，第二涡轮机123可以是高压涡轮并且第二压缩机124可以是高压压缩机。此外，该方法包括用排气通道单元140代替第二涡轮机123。气体通道单元140被配置用于提供从排气入口131到第一级110的第一涡轮机113的气体通道。特别地，第一涡轮机113可以是低压涡轮。

此外，该方法包括提供用于封闭第二压缩机入口125的第一封堵元件(firstblanking element)145、用于封闭第二压缩机出口126的第二封堵元件(second blankingelement)147和替代第二压缩机124的空气通道单元148中的至少一个(将图2和图3与图5进行比较)。例如，在图1所示的实施例中，提供了用于封闭第二压缩机入口125的第一封堵元件145和用于封闭第二压缩机出口126的第二封堵元件147。在如图2所示的实施例中，设置了空气通道单元148和用于封闭第二压缩机入口125的第一封堵元件145。图3示出了一个实施例，其中来自中间冷却器150的空气通过第二压缩机入口125提供给空气通道单元148，并且在空气通道单元148之后，空气通过第二压缩机出口提供给增压空气冷却器160。

因此，应当理解，排气通道单元148可以配置为提供从设置在第一壳体部分130A中的空气出口116到增压空气冷却器160的空气通道(见图2)或用于提供从中间冷却器150到增压空气冷却器160的空气通道(见图3)。此外，应当理解，如本文所述的方法可通过使用如本文所述的涡轮增压组件100来实施。

鉴于本公开，应当理解，如本文所述的实施例提供了一种涡轮增压组件，该涡轮增压组件可以作为单级涡轮增压组件或多级涡轮增压组件操作。因此，客户可选择将本文所述的涡轮增压组件用作单级组件，或采用涡轮增压组件进行多级增压。从多级切换到单级的应用或从单级切换到多级的应用允许用户拥有一个涵盖两个涡轮增压要求的组件单元。为多级涡轮增压器组件壳体提供单级涡轮增压选项，可以通过更换内部组件来经济高效地快速将现有和已安装的壳体从单级涡轮增压升级到多级涡轮增压。

有益地，根据本文描述的实施例的涡轮增压组件被配置为一体的单元，其提供了减少的组件的占地面积(即，用于安装组装的单元所需的空间)。此外，与最先进的管道连接相比，可以减少甚至消除波纹管、支撑件、耦接件、绝缘和结构增强支架(旨在减少管道振动和防止故障模式)。此外，本公开的实施例提供了实施一体冷却的可能性，即液体冷却壳体，从而最大限度地减少了使用笨重的隔热罩和/或绝缘体的需要。

虽然前述内容针对实施例，但在不脱离基本范围的情况下可以设计其他和另外的实施例，并且该范围由所附权利要求确定。

附图标记

100 涡轮增压组件

110 第一级/低压级

111 第一涡轮机入口/低压涡轮机入口

112 第一涡轮机出口/低压涡轮机出口

113 第一涡轮机/低压涡轮机

114 第一压缩机/低压压缩机

115 第一压缩机入口/低压压缩机入口

116 第一压缩机出口/低压压缩机出口

120 第二级/高压级

121 第二涡轮机入口/高压涡轮机入口

122A 排气通道单元出口

122B 第二涡轮机出口/高压涡轮机出口

123 第二涡轮机/高压涡轮机

124 第二压缩机/高压压缩机

125 第二压缩机入口/高压压缩机入口

126 第二压缩机出口/高压压缩机出口

127 消音器

130 壳体

130A 第一壳体部分

130B 第二壳体部分

131 排气入口

132 排气出口

133 通道

134 内壳

135 外壳

136 中间空间

137 冷却液入口

138 冷却液出口

140 排气通道单元

141 第一法兰

142 第二法兰

143 第三法兰

144 第四法兰

145 第一封堵元件/板

146 弯头出水管

147 第二封堵元件/板

148 空气通道单元

150 中间冷却器

160 增压空气冷却器

170 发动机

Claims

1.一种涡轮增压组件(100)，包括具有第一壳体部分(130A)和第二壳体部分(130B)的壳体(130)，所述第一壳体部分(130A)用于包围第一级(110)，所述第一级包括与第一压缩机(114)耦接的第一涡轮机(113)，所述第一涡轮机特别是与低压压缩机耦接的低压涡轮机，所述第一级特别是低压级，所述第二壳体部分(130B)用于包围第二级(120)，所述第二级特别是高压级，

其中，所述第二壳体部分(130B)包围替代第二涡轮机，特别是高压涡轮机的排气通道单元(140)，排气通道单元(140)配置为用于提供从设置在所述第二壳体部分(130B)中的排气入口(131)到所述第一涡轮机(113)的气体通道的插入件。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压组件(100)，其中，

所述第二壳体部分(130B)的第二压缩机入口(125)，特别是高压压缩机入口，由第一封堵元件(145)封闭，并且其中所述第二壳体部分(130B)的第二压缩机出口(126)，特别是高压压缩机出口，由第二封堵元件(147)封闭。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压组件(100)，其特征在于，所述第二壳体部分(130B)包围代替第二压缩机(124)、特别是高压压缩机的空气通道单元(148)，所述排气通道单元(148)配置为用于提供从设置在所述第一壳体部分(130A)中的空气出口(116)到增压空气冷却器(160)的空气通道。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压组件(100)，其中，

所述第二壳体部分(130B)的第二压缩机入口(125)，特别是高压压缩机入口，由第一封堵元件(145)封闭。

5.根据权利要求3所述的涡轮增压组件(100)，还包括中间冷却器(150)，其中，所述空气通道单元(148)配置为用于提供从所述中间冷却器(150)到所述增压空气冷却器(160)的空气通道。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述壳体(130)包括位于所述气体通道单元(140)的出口和所述第一涡轮机(113)的第一涡轮机入口(111)、特别是低压涡轮机的低压涡轮入口之间的通道(133)，所述通道特别是流量优化通道。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述壳体(130)包括内壳(134)和外壳(135)，其中，在所述内壳(134)和所述外壳(135)之间提供中间空间(136)，并且其中所述中间空间(136)配置为提供冷却剂。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述壳体(130)包括用于将冷却剂提供到所述中间空间(136)中的冷却剂入口(137)和用于从所述中间空间(136)中排出冷却剂的冷却剂出口(138)。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述壳体130是单件结构，特别是铸造材料的一体式单件结构。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述第二壳体部分(130B)布置在所述第一壳体部分(130A)下方，或者所述第一壳体部分(130A)布置在所述第二壳体部分(130B)下方。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮增压组件(100)，其中，所述第一壳体部分(130A)包括第一压缩机出口(116)，特别是低压压缩机出口，特别是用于向增压空气冷却器(160)和/或空气通道单元(148)提供低压空气。

12.一种将多级涡轮增压组件作为单级涡轮增压器操作的方法，包括：

-提供具有第一级(110)、特别是低压级，和第二级(120)、特别是高压级的多级涡轮增压组件；

-从所述第二级(120)移除第二涡轮(123)和第二压缩机(124)中的至少一个，特别是移除高压涡轮机和高压压缩机中的至少一个，以及

-用排气通道单元(140)代替第二涡轮机(123)，排气通道单元(140)配置为用于提供从排气入口(131)到所述第一级(110)的第一涡轮机(113)，特别是低压涡轮机的气体通道的插入件，

-以及提供用于封闭第二压缩机入口(125)的第一封堵元件(145)、用于封闭第二压缩机出口(126)的第二封堵元件(147)和替代第二压缩机(124)的空气通道单元(148)中的至少一个。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述空气通道单元(148)被配置用于提供从设置在所述第一壳体部分(130A)中的空气出口(116)到增压空气冷却器(160)的空气通道，或者其中排气通道单元(148)被配置用于提供从中间冷却器(150)到增压空气冷却器(160)的空气通道。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述方法通过使用根据权利要求1至11中任一项所述的涡轮增压组件(100)来进行。