CN1175189C - 大型柴油机增压器组 - Google Patents

Abstract

提出了一种大型柴油机的增压器组，包括一个用于压缩作为扫气空气被输入到大型柴油机(10)的气缸(11)内的空气的压气机(2)，所述压气机(2)具有一个压缩空气出口(23)和一个设置在轴(A)上供压缩空气用的转子(21)；还包括一个用以驱动压气机(2)的转子(21)的透平(3)，该透平(3)可由自气缸(11)内排出的废气驱动；还包括一个扩压段(4)，它连于压气机(2)的出口(23)，以降低压缩空气的流速，压气机(2)的出口(23)相对于正常运转方向设置在处于或高于压气机(2)的轴(A)的高度。

Description

大型柴油机增压器组

本发明涉及包括一个用以压缩作为扫气空气而被输入气缸内的空气的压气机的大型柴油机增压器组。

在例如用作船舶主驱动机组或固定发电站的大型柴油机中增压器组用于压缩在扫气和燃烧过程中供给气缸的空气，这种空气被称作扫气或增压空气。

增压器组通常包括一个压气机，其中，新鲜空气由转子吸入，受压缩，并由出口蜗壳排出；一个透平，它驱动压气机的转子；一个增压空气冷却器。该透平由燃烧期间在气缸内产生的热废气驱动。该透平和压气机也被称作透平增压器。压缩空气在其中被冷却的增压空气冷却器安置在该透平增压器之后。这些空气在通过增压空气冷却器后，大部分经称为进气收集器的容器到达各气缸。取决于大型柴油机的型式，空气输入气缸发生在不同的部位。例如，在直流扫气二冲程发动机中，空气经设置在气缸下区的扫气口被引入气缸内。例如在四冲程发动机中，增压空气经一个或多个设置在气缸盖上的进气阀被输入气缸内。

为改善增压效率，一扩压段大致设置在压气机出口和增压空气冷却器之间，在扩压段内，自压气机排出的空气的流速降低，经该扩压段，压力能恢复。该扩压段例如被称作扩张管，空气的流通横截面在其中连续地扩展。

然而，具有压气机、扩压段和增压空气冷却器的已知增压器组的优点是必须保持压气机和增压空气冷却器之间的特定距离，以便在那里设置一个有效的扩压段。这使增压器组的尺寸变大，这跟将大型柴油机设计成尽可能节约空间且理想地利用有效空间的愿望是背道而驰的。

因此，本发明的目的是为大型柴油机提供一种特别紧凑和节约空间的增压器组，而无须牺牲扩压段的效率。该增压器组应确保尽量好的利用有效空间。

满足该目的增压器组是以独立权利要求的特点为特征的。

因此，按照本发明，提出了一种大型柴油机和增压器组，它包括一个压气机，用于压缩作为扫气空气供给大型柴油机气缸的空气，所述压气机有一个压缩空气出口和一个设置在一根轴上用于压缩空气的转子；一个用以驱动压气机转子的透平，该透平可由气缸的废气驱动；一个扩压段，连于压气机的出口，以降低压缩空气的流速。压气机的出口设置在某一高度，相对于正常运转方向处在或高于压气机轴的高度。

通过这一措施，扩压段可侧向安置在压气机上，这样，压气机和随后部位如增压空气冷却器之间的距离能明显缩短，而无须缩短沿流动方向看时扩压段的长度，这一长度对于其有效性是必要的。这允许增压器组的结构特别紧凑，且其可用空间得到完美的利用。

包括压气机和透平的机组被称作透平增压器。该压气机和透平通常被容纳在一公共壳体内。因此，在下文中，“压气机底座平面”和“透平增压器底座平面”要理解成具有同样的意义。

扩压段最好被设计成管形，它沿空气流动方向扩展，基本上相应延伸到压气机或透平增压器的底座平面。该压气机或透平增压器相应安装在一平台上，因此其底平面处在该平台上，由于该扩压段并不分别凸出于压气机或透平增压器底平面下，因此，来自扩压段的空气流入其间的增压空气冷却器可直接安置在该平台底下。这样，增压器组的总结构高度降低了，这对于大型柴油机结构尽可能紧凑是特别重要的。

业已证明当扩压段至少沿其高度的一部分大致成锥形扩展时特别有效，其扩张角的一半小于12°，特别是4°至8°。

此外，若将扩压段设计成相对于空气流动方向至少部分弯曲是有利的。从而扩压段能侧向安置，尽可能邻接压气机，这样，能极充分地利用有效空间。该扩压段在其与压气机出口连接的端部，例如可这样设计，使其形成一连续的出口蜗壳。

若扩压段在其与压气机出口相连的端部，其进气面积至达到该扩压段另一端的出口面积的1/3，则对于扩压段的效能是有利的，通过这一措施，在压气机的出口例如能达到100M/S的空气高流速能在扩压段内下降到足够低的数值，例如在压气机的出口处达到30-40m/s。这样，便能恢复到相当高的压力，从热动力学的观点看，这对于增压效率是特别有利的。

在一个特别优先的实施例中，该扩压段被制成一单件。

在另一优先实施例中，该扩压段包括至少两部件，它们相对于空气流动方向依次排列，一补偿段设置在该两部件之间。借助于该补偿器，能补偿扩压段和蜗壳的热膨胀变化。

此外，当扩压段具有一个用以固定扩压段和用以分散作用在扩压段上的力的紧固装置时是有利的，该紧固装置设置在基本上与压气机转子轴同一高度上。由于该扩压器在该高度上还未达到其最大流通横截面，因此，由空气压力产生的力也不那么大。

本发明的增压器组特别适用于希望其结构特别紧凑和节约空间的大型柴油机。

以从属权利要求中得出本发明的其它有利措施和优先实施例。

下面参照示例性实施例和附图说明本发明。这些示意各不是按比例绘制的，其中：

图1表示带有作为本发明示例性实施例的增压器组的大型柴油机；

图2以垂直于转子轴的剖面表示图1示例性实施例的压气机和扩压段；

图3如图2那样，但表示的是作为本发明第二示例性实施例的增压器组。

在下面的说明书中，有关位置的规定，诸如“上，下，在其上，在其下……”与图1-3中所示的正常运转方向有关。此外，在扫气和增压空气之间没有概念上的区别。

图1以局部高度示意图表示大型柴油机示例性实施方案的主要部分，它被设计为一直流扫气二冲程发动机，它整体上用标号10表示。大型柴油机10的普通许多气缸中的一个用标号11表示。

在气缸11内装置一活塞14，它能上、下移动。该活塞经一未示出的活塞杆15连于一未示出的十字头上，十字头在另一端经一推杆连于大型柴油机10的曲轴上。在气缸11的下区内设有若干扫气口16，这些扫气空气口由活塞14盖住或露出，取决于活塞的位置。称作扫气或增压空气的新鲜空气经扫气口16可流入气缸11内，如箭S所示。

在气缸11的上区内设有一个或多个喷咀12，用于将燃料喷入气缸11的燃料室内，还设有一中心布置的排气阀13，在燃烧过程中产生的燃气经该阀作为废气流出。废气经排气阀13邻近的废气连接管件流入废气收集器6内。废气收集器6也以类似的方式连于其它气缸。

在整体上以标号1表示的本发明的增压器组的示例性实施方案备有扫气空气，对气缸11充气。该压压器组1包括一个用以压缩空气的压气机2，一个用以驱动压气机2的透平3，一个配置在压气机2后用以降低压缩空气流速的扩压段4，以及压缩空气在其内受冷却的增压空气冷却器5。将压气机2和透平3安排在一公共的壳体内，构成一透平增压器。

空气自增压空气冷却器5的出口经一压力管路17流到一进气收集器18，扫气空气自该进气收集器到达气缸11的扫气口16。当活塞14露出扫气口16时，扫气空气能流入气缸11内，如图1中箭头S所示。

压气机2(见图2)包括一转子21，它被设置在轴A上，且设有若干叶片或轮叶子11，在所有情况下它自轴A向外延伸。转子21的转动方向由图2中的箭头D指示。沿转子21周围设有一出口蜗壳22。若干静止的第二导叶25以本来已知的方式，按径向方向设置在转子21和出口蜗壳22之间。出口蜗壳22包围第二导叶25的径向外端，并定界当沿转子21的旋转方向D看时径向扩展的螺旋形腔22a，因此，当沿旋转方向D看时，第二导叶25径向外端和出口蜗壳22之间的距离增加。将压气机2的进口这样安排，使吸入的新鲜空气沿轴A的方向流至转子21，如图2中箭头F所示。转子21将新鲜空气推入螺旋腔22a内，压缩空气自螺旋腔到达压气机2的出口23。

在此情况下，由于出口23是指出口蜗壳22的端部，这意指出口蜗壳22的横截面积，它刚好处在螺旋腔22a正好完成其绕轴A的第一转圈360°(一个完整的旋旋圈)。在图2的横剖视图中，螺旋腔22a在用B标记的位置开始，并沿径向扩展一当沿旋转方向D看时。这样，在该图中，出口蜗壳22的外壁给出了一个螺旋线。该螺旋线完成其第一线圈360°的地方是压气机2的出口23。按照图2的表示，出口23的横截面是有轴A至B点连线的径向延伸的延长部分。按照本发明，在图2中所示正常运转方向下压气机2的出口23布置在高于压气机2的轴A的高度。

压气机2或透平增压器2，3的壳体还有一个底座24，它安装在固定于发动机壳体的一个平台19上。底认24的下界面称作压气机2的底座平面24a，底座24用该下界面与平台19接触。

压气机的转子由透平3按本来已知的方式驱动(见图1)。为此，透平3最好安装在与安装转子21的同一轴A上。废气自废气收集器6流出，经一废气管7流至透平3，并驱动使者。在流经透平3后，废气经另一个未示的废气管流出，如图1中箭头G所示。

旋转透平3经轴A驱动压气机2的转子21。后者经进气口吸入新鲜空气，该进气口处在图1中图示平面的后面，因此看不见。新鲜空气自轴A的方向流至转子21，并由其轮叶211推入螺旋腔22a。此后，压缩空气经出口23流出压气机2。

压气机2的出口23连于扩压段4。扩压段4被设计成管形，并沿空气流动方向扩展。扩压段4在其一端有一压缩空气出口区42。

在图2中所示的示例性实施例中，扩压段4被制成单件。如图2所示，将扩压段4设计成弧形，使压气机2的出口蜗壳22连接。扩压段紧邻压气2的出口23，其横截面沿流动方向增加。扩压段4的连于出口23的一端构成扩压段4的进口区41，它与扩压段4的出口23的横截面是相同的。

可将扩压段4与出口蜗壳22一起设计成一结构组件，使它是压气机2的一个整体组成部分。然而，也能将扩压段4制成一单个部件，然后，例如通过法兰连接或焊接将它与出口蜗壳22连接。

在图1所示的示例性实施例中，直接安置在平台19下面的增压空气冷却器5包括一输气道51，它连于扩区段4的下端，使流经扩压段4出口区42的空气能经该输气道51流入增压空气冷却器5内。

在图2所示的示例性实施例中，在扩压段4的下端，即大致在平台19的高度上，设有一补偿段43，以补偿扩压段4和出口蜗壳22的螺旋形壳体的热膨胀。将补偿段43例如制成波纹管，并经法兰连接件43a连于扩压段4。然后，增压空气冷却器5的进气道51邻接补偿段53。

此外，在扩压段4上最好设置未示出的紧同装置，以便分散对发动机的壳体的力和扭距。

最好将整个扩压段4这样设计，使其出口面积42至少为其进口面积41的二倍，最好至少为三倍，由于这些几何尺寸，例如流经扩压段4进口面积41的高至100m/s的压缩空气流速一般能降至40-30m/s，这样，空气压力增加到相当的程度。

图3类似于图2的视图表示本发明增压器组的另一示例性实施例的压气机和扩压段4。下面主要讨论其差别，另外，对图2所示实施例说明的方式也适用于图3所示实施例的方式。尤其是图3中的标号和图2中具有同样的意义。

在图3实施例中，扩压段4包括两部分4a，4b，在所有情况下将它设计成为管形截面，且沿流动方向首尾相接。上部4a设计成弧形，正好邻接压气机2的出口23，其横截面最好制成沿流动方向增加。与出口23相连的上部4a的端部构成扩压段4的进口面积41，它与压气机2的出口23的横截面积相同。上部4a沿与出口蜗壳22的相同方向弯曲，大致延伸到转子21轴所处的高度，因此，上部4a的出口面积大致与平台19平行。可将上部4a与出口蜗壳22设计成一个结构整体，这样，上部4a是压气机2的一个整体组成部分。然而也能将上部4a制成一单独的部件，然后，例如通过法兰连接或焊接将它连接到出口蜗壳22。

在该实施例中，将压气机43设置在上部4a和下部4b之间。压气机43，例如经法兰连接件43a连于扩压段的上、下部4a、4b。为减小由于扩压段4内压力的结果而分别作用于蜗壳或透平增压器2，3的底座24上的力或力矩，最好在扩压段上设置紧固装置，以分散作用于该发动机壳体上的力和力矩。由于扩压段4在轴A的高度上还没有达到其最大横截面，特别由静压在其中产生的力还不怎么大。因此，将该紧固装置大致设置在转子21的轴A的高度就其机械应力而言是有利的。

扩压段的下部4b自补偿段43延伸到透平增压器2，3安装于其上的平台19。下部4b的下端最好由紧固装置44固定于平台19。这样，扩压段4的出口面积42相应处在与压气机2或透平增压器2，3的底座平面24a同样高的高度上。该下部4b被设计成漏斗形状，这意味着它自补偿段43至出口面积42大致成锥形扩展。其中，下部4b的横截面可设计成具有一些角，如正方形，或圆形。使半扩张角α小于12°，特别是4°-8°就扩压段4的效率尽量好而言是有利的。

扩压段4自压气机2的出口23扩展到压气机2的底座平面24a，在该平面上扩压段4终止。其中，扩压段4是这样扩展的，它的进口面积41的尺寸仍然达到扩压段4的出口面积42的至多一半，最好至多1/3。

由于在本发明的两个实施例中(图2和3)压气机的出口23处在或高于转子21的轴A的高度，因此在压气机2的出口23和底座平面24a或平台19之间有足够的空间将具有关于扩张角α和进、出口面积(41，42)比的上述几何形状的扩压段4安置在那里。这样，扩压段4终止在压气机2或透平增压器2，3的底座平面24a的高度上，而无须减少扩压段有效长度。由于扩压段4并不向下突出超过压气机2或平台19的底座平面24a，因此增压空气冷却器5能直接安装在平台19的底下，这就是说无需间隔，于是，增压器组1的总高降低了。

显然，本发明的增压器组1也适用于除本文所述的直流扫气二冲程发动机之外的其它大型柴油机。例如，本发明的增压器组1按类似的方式也可以是4冲程大型柴油机的一个组成部分，在该柴油机中，增压空气经一个或多个设置在气缸盖上的进气阀被输入到气缸内。

Claims (11)

1.大型柴油机的增压器组，它包括一个用以压缩作为扫气空气被输入的大型柴油机(10)的气缸(11)内的空气的压气机(2)，所述压气机(2)具有一个压缩空气出口(23)，和一个设置在轴(A)上供压缩空气用的转子(21)；还包括一个用以驱动压气机(2)的转子(21)的透平(3)，该透平(3)可由自气缸(11)内排出的废气驱动；还包括一个扩压段(4)，它连于压气机(2)的出口(23)，以降低压缩空气的流速，其特征在于，压气机(2)的出口(23)设置在处于或高于压气机(2)的轴(A)的高度。

2.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于将扩压段(4)设计成管形，它沿空气流动方向扩展，并基本上延伸到压气机(2)的底座平面。

3.按权利要求2所述的增压器组，其特征在于包括一个增压空气冷却器(5)，来自扩压段(4)的空气流入其内，该压气机以其底座平面(24a)安置在平台(19)上，而增压空气冷却器(5)直接安置在平台(19)的下面。

4.按上述权利要求之一所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)至少沿其一部分长度基本上呈锥形扩展，扩张角<α>的一半少于12°。

5.按上述权利要求之一所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)至少沿其一部分长度基本上呈锥形扩展，扩张角<α>的一半少于4°-8°。

6.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于将扩压段(4)设计成相对于空气流动方向至少部分弯曲。

7.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)在其与压气机(2)的出口(23)连接一端，其进口面积(41)达到在其另一端的出口面积(42)的至多一半。

8.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)在其与压气机(2)的出口(23)连接一端，其进口面积(41)达到在其另一端的出口面积(42)的至多1/3。

9.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)包括两个部分(4a，4b)，它们相对于空气流动方向首尾相连，一补偿器(43)设置在该两部分之间。

10.按权利要求1所述的增压器组，其特征在于扩压段(4)具有紧固装置，以分散作用于扩压段(4)上的力，该坚固装置设置在基本上与压气机(2)的转子(21)的轴(A)同一高度。

11.包括按上述任一权利要求所述的增压器组(1)的大型柴油机。

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