CN1324222C - 可变轮廓的涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种具有可变轮廓的涡轮机类型的涡轮增压器，它包括可移动地横跨所述涡轮机进气通道进入开口的排气叶片。所述叶片有切口，它缩短叶片的弦长并且允许在一定几何形状范围内涡轮机具有最高的效率。

Description

可变轮廓的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种可变轮廓的涡轮机，特别涉及一种适用于内燃机的涡轮增压器的涡轮机类型。更特别的是本发明改进了用于具有废气循环系统的内燃机的涡轮增压机。

背景技术

可变轮廓的涡轮机是已知的并且通常包括一个其中安装涡轮机叶轮的涡轮室，一个围绕涡轮室设置的环形进气通道，一个围绕进气通道设置的进气室，以及一个从涡轮室延伸的排气通道，通道与室相连通，以致于进入进气室的压缩空气借助涡轮室，通过进气通道流入排气通道。在一种通常的可变轮廓的涡轮机的类型中，进气通道的一个壁由一个可移动的壁构件来确定，它通常被称为“喷嘴环”，它相对于进气通道的一个正面的壁的位置可调节以控制进气通道的宽度。进气通道的宽度可变，从而使涡轮机的轮廓可变，以使流过进气通道的宽度变窄的涡轮机的废气的容量也降低了，以保持废气的速度，从而保持涡轮机的效率。

公知的还有：通过在进气通道中提供叶片，如排气叶片，来提高涡轮机的效率，以使流过进气通道的废气朝着涡轮机叶轮的旋转方向偏斜。排气叶片被设置在固定轮廓的涡轮机和可变轮廓的涡轮机中。在可变轮廓的涡轮机中，叶片的构造使可变轮廓的涡轮机的结构复杂化了，尤其是要确保叶片总是横跨进气通道的整个宽度延伸。

例如，在美国专利US4499732中，描述了一种可变轮廓的构造，其中叶片的位置固定，但是它通过在可移动的喷嘴环中的切口延伸。因此，由于是通过喷嘴环的运动以控制进气通道的宽度，所以叶片将一直横跨整个宽度而延伸。

其它可变轮廓的结构例如在美国专利US4292807，英国专利GB-A-1138941和GB-A-2044860中被描述了。这些说明书描述了各种构造，其中排气叶片从一个可移动的喷嘴环延伸进入在进气通道正面的壁上的切口中。这种构造还确保叶片一直横跨通道的整个宽度而延伸，甚至当通道全开时也是这样。

虽然排气叶片的构造确定涡轮机的最佳效率，但是叶片的不利之处是使涡轮机有效进气面积的减少，从而使通过涡轮机的最大废气流速比没有叶片时可能产生的最大流速小。美国专利US4973223描述了一种可变轮廓的涡轮机，其中喷嘴环能够“过度打开”，即：超过额定的整个进气通道的宽度范围内撤回，并且这时叶片至少部分地从进气通道缩回。由于叶片缩回，所以涡轮机的效率下降，但是最大流速的增加能使发动机的转速在较宽的范围内与涡轮机配合。虽然由于叶片从进气通道缩回，使涡轮机效率开始下降，但是效率还可以比涡轮机在低流速范围所达到的大。因此，所控制的叶片的缩回基本上能够改变涡轮机的流量效率曲线，这样对于一给定的流量范围，平均的涡轮机效率可以提高，避免了在低效率低流量范围内运行的需求。

通过改进排气叶片的轮廓用简单的方式达到同样的效果也是已知的。本申请制造出一种可变轮廓的涡轮机，其中排气叶片从一个可移动的喷嘴环延伸进入涡轮机进气通道的相对的固定的壁中所限定的切口中，而可移动的喷嘴环限定涡轮机进气通道的一个壁，此喷嘴环还能在超过通道的整个宽度范围内而过度打开。排气叶片在它们的径向内缘上朝向远离喷嘴环的叶片的端部有一个切口。此切口有效地减少在其宽度范围内的排气叶片的高度(排气叶片平行于涡轮机轴线而延伸的高度，即，它从喷嘴环延伸的程度)。因此有一个朝着每个叶片端部的区域，此端部有一个缩短的弦，即，相对从进气室到涡轮室的废气流量的有效宽度。当喷嘴环是在进气通道全开的一个开启的位置时，叶片的缩短的弦部分通过切口延伸。但是，由于喷嘴环过度打开，所以缩短的弦的区域从进气通道的侧壁缩回，以使横跨进气通道而延伸的整个叶片的有效面积减少，而涡轮机的临界流量增加。通过当进气通道全开时，确保每个叶片缩短的弦的区域被躲藏，使涡轮机的最大的效率不会受到不利的影响。

虽然优良的涡轮机效率明显是理想的，但是，当涡轮机是用于具有废气再循环(EGR)系统的内燃机上时，普通的可变轮廓的涡轮机的设计会产生问题。在EGR系统中，为了减少发动机的排放，从排气管排出的部分废气被再次送入发动机的进气管而进一步被燃烧。通过对现代高效的可变轮廓的涡轮机的设计，在进气管中升高的压力通常超过在排气管中废气的压力，这使得废气，例如，需要专用的EGR泵等，再次进入进气管。

发明内容

本发明的目的是避免或减少上述的缺点。

本发明提供了一种可变轮廓的涡轮机，它包括一个具有径向桨叶的并且在壳体中绕一个轴线旋转的涡轮机叶轮，一个径向向内朝着涡轮机叶轮延伸的环形进气通道，进气通道被限定在可移动的壁构件的环形壁和壳体的正面的壁之间，可移动的壁构件相对壳体可移动，以使进气通道的宽度可变化，还包括一圈环形的横跨进气通道延伸的叶片，叶片有前缘和后缘，在前缘和后缘之间限定的宽度和大体与涡轮机叶轮的轴线平行的高度，其中高度在最大到最小之间横跨叶片的宽度而变化，其中最小的高度比涡轮机桨叶顶端的轴向宽度小。

叶片的最小高度最好比进气通道的最小宽度大。

最小高度最好确定在叶片的后缘处。

叶片的最大高度最好比进气通道的最大宽度大。

最小高度和最大高度之差最好不小于涡轮机桨叶顶端的轴向宽度。

叶片可以有一个最大宽度部分和一个缩小的宽度部分以及一个在两者之间叶片高度上的急剧的过渡部分。

最大的叶片高度将通常沿着叶片的前缘来限定。例如，叶片的高度可以大致恒定地横跨叶片的临近前缘的宽度部分，然后缩短至临近后缘的最小高度。叶片的高度还可以大致恒定地横跨叶片的临近后缘的宽度部分。

本发明另外的较佳的、优越的特征将通过下面的说明得到了解。

附图说明

现在本发明特定的实施例将通过举例，参照附图，进行描述，其中：

图1是一个已知的可变轮廓的涡轮机的简图；

图2a和2b显示了图1的涡轮机的喷嘴环的运动；

图3是图1所示涡轮机的气流流量效率曲线图；

图4a至图4c表示了本发明的图1的涡轮机的一个变形；以及

图5是涡轮机的气流流量与效率的关系曲线，其中示出了图4a至图4c的改动的效果。

具体实施方式

参见图1，这是一个已知的可变轮廓的涡轮机一部分的径向剖视的简图，它包括一个涡轮机壳体1，此壳体确定一个蜗壳或进气室2，从内燃机(未示出)排出的废气被传送至此。此废气从进气室2借助一个环形进气通道4流到一个轴向排气通道3，此进气通道的一侧由喷嘴环5的径向面限定，而它的另一侧由一个环形屏蔽板6限定，此屏蔽板覆盖在壳体1的相对的壁中所确定的一个环形的凹槽7的开口上。喷嘴环5可滑动地安装在一个环形空腔8中，此环形空腔8设置在涡轮机的壳体1中，而且喷嘴环5与环形空腔8之间通过密封环形9进行密封。

喷嘴环5支承一排排气叶片10，这些排气叶片从喷嘴环5的正面横跨进气通道4而伸出。这些叶片的高度(即：叶片10从喷嘴环5的正面轴向延伸的程度)使叶片正好横跨进气通道4，并通过在屏蔽板6中适当构成的切口，而进入凹槽7。每个叶片10有一个宽度，或弦长，它由叶片的前缘和后缘之间的距离来确定(即：径向外缘和内缘)。从图1看出，每个叶片的端部被切下以确定一个有减小的高度和缩短的弦长的部分10a。

在使用中，从进气室2流到排气通道3的废气越过绕轴线12旋转的涡轮机叶轮11，把扭矩施加于涡轮增压器的轴13，此轴驱动压缩机叶轮(未示出)。涡轮机叶轮11的转速取决于通过环形进气通道4的废气的速度。就废气固定的流速而论，废气的速度是进气通道4的宽度的函数，它能够通过控制喷嘴环5的轴线位置(即通过如箭头14所示的前后移动它)来调节。喷嘴环5的运动可以由任何适当的致动装置来控制。例如，喷嘴环5可以安装在沿轴向伸出的销(未示出)上，销的位置由镫形(strirrup)构件(未示出)来控制，此镫形构件与一个气动的致动器(未示出)相连。由于此致动器系统可以是多种传统形式中的一种，所以没有说明一个特别的致动器机构。

在图1中示出的喷嘴环是在一个“关闭”的位置，进气通道4的宽度在此位置减至一个最小值。在此位置，将看到喷管叶片10的端部在凹槽7中与壳体1邻接，叶片的弦长缩短的部分10a整个容纳在凹槽7中。

图2a和图2b分别显示了在中间流量位置和最大流量位置处的喷嘴环5。在图2a所示的中间流量位置，将看到喷嘴环5被部分地撤回进入空腔8以使喷嘴环5的正面与壳体壁齐平，并且进气通道4处于最大宽度。对于最大效率，通常被理解为叶片的高度应与涡轮机叶轮的桨叶顶部11a的宽度相等或比叶片顶部的宽度要大。因此，叶片10这样被构成，以使当进气通道如图2a所示被全部打开时，叶片的最小高度足以横跨进气通道4而延伸。在此只是叶片10的弦长缩短的部分10a被容纳到凹槽7中。

但是，涡轮机的临界流量能够通过进一步把喷嘴环5撤回到空腔8中而增加，以使叶片的弦宽缩短的部分10a至少部分地从凹槽7缩回以平放在进气通道4中。阻隔通过进气通道4的废气流量的整个叶片区域因此而减小。最大流量位置在图2b中已示出。

表示用于如图1中所示的涡轮机的气流特征与效率之间的关系在图3中被示出。这显示出当喷嘴环5是关闭位置附近时，在低流速处此效率是好的(虽然相对低)，并且在中流速位置附近增加到高点。然后随着排气叶片10的弦缩短的部分被带入进气通道，此效率下降，在图2b所示的最大流量位置达到最小效率。

图4a到图4b示出了图1和图2中所示的叶片轮廓的一种变形，从而改进了本发明的涡轮机的效率特性。特别的是，在叶片20端部的开口尺寸增加以使每个叶片沿它的后缘的最小高度小于涡轮机桨叶顶部11a的宽度。结果是甚至当进气通道4不全开时，叶片20的弦长缩短的部分20a进入进气通道4而延伸。

如图4a所示，在本发明的所述的实施例中，当喷嘴环是处于关闭位置时，缩短的叶片的高度不产生效果，这是由于叶片的最小高度足以横跨进气孔4的最小位置而延伸。但是，由于喷嘴环5缩进空腔8，所以在喷嘴环5到达中间流量位置时，每个叶片20的弦长的缩短的部分20a从凹槽7缩回。因此，在如图5b所述的中间流量位置，叶片20的弦长缩短的区域20a至少已经部分地置于进气通道4中。喷嘴环5进一步的进入空腔8中的撤回使喷嘴环的弦长的缩短部分从凹槽7中缩回的更多，直到在图4c所示的最大流量位置，叶片20的弦长缩短的部分横跨涡轮机桨叶顶部11a的整个宽度而延伸。

图5中示出了图3所示的效率与流量之间的关系曲线改动后的效果。由此，将看出在低流量状态和最大流量状态，涡轮机的效率不受大的影响，但是最高效率降低了。发现最高效率的降低大致与叶片切口部分的增大成正比。因此，能够通过切口适当的尺寸和构造准确地达到由流量特性表示的特定的效率。

由于减少排放的同时使用于较佳燃料消耗的空/燃比最小，这能使用于废气再循环的发动机进气管和排气管的状态达到最佳，所以当本发明适用于有EGR系统的内燃机的涡轮增压器的涡轮机时有特别的优点。这通过减小涡轮机的效率来实现，此效率由喷嘴环的简单的改进来精确地进行控制，而不需要任何额外的部件或轮廓控制机构。

叶片切口的轮廓和尺寸可以依赖于所需的涡轮机的特性在宽的范围内变化是可以想到的。

还应想到的是，本发明适用于可变轮廓的涡轮机，其中叶片的位置通过在叶片上滑动的可移动的喷嘴环进行固定。这里，切口能够被定位，以使喷嘴环缩回以打开进气通道，它显示了叶片的缩短的弦长部分的一个增加的量。

其它可能的改进对于本领域的技术人员来说是显而易见的。

Claims (12)

1.一种可变轮廓的涡轮机，它包括一个具有径向桨叶的并且在壳体中绕一个轴线旋转的涡轮机叶轮，一个径向向内朝着涡轮机叶轮延伸的环形进气通道，所述进气通道被限定在一个可移动的壁构件的环形壁和所述壳体的一个正面的壁之间，所述可移动的壁构件相对所述壳体可移动，以使所述进气通道的宽度可变化，还包括一圈环形的横跨所述进气通道而延伸的叶片，所述叶片有前缘和后缘及在前缘和后缘之间限定的宽度和大体与所述涡轮机叶轮的轴线平行的高度，其中所述高度横跨所述叶片的宽度在最大到最小之间变化，最小的高度比所述涡轮机桨叶顶端的轴向宽度小且比所述进气通道的最小宽度大。

2.如权利要求1所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述最小高度限定在所述叶片后缘处。

3.如上述任一项权利要求所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述叶片的最大高度比所述进气通道的最大宽度大。

4.如权利要求1或2所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述最小的高度和所述最大的高度之差不比所述涡轮机桨叶顶端的轴向宽度小。

5.如权利要求1或2所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述叶片有一个最大宽度的部分和一个宽度减小的部分以及一个在两者之间叶片的高度急剧的过渡部分。

6.如权利要求1或2所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述最大的高度沿所述叶片的前缘被限定。

7.如权利要求6所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述叶片的高度在临近所述前缘横过所述叶片的宽度的部分时是大致恒定的，然后临近所述后缘缩短至所述最小高度。

8.如权利要求7所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述叶片的高度在临近所述后缘横过所述叶片的宽度的一部分时是大致恒定的。

9.如权利要求8所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述叶片被所述可移动的壁构件支承。

10.如权利要求9所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机壳体的正面的壁具有一个环形的凹槽，通过所述可移动的壁构件朝着所述正面的壁移动来容纳所述叶片。

11.如权利要求10所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述的环形凹槽由一个具有切口的盖覆盖以容纳所述叶片。

12.一种如权利要求1或2所述的可变轮廓的涡轮机，其特征在于，所述的可移动的壁构件被安装在所述壳体中的一个环形的空腔中，当所述可移动的壁构件的环形壁与所述空腔的开口齐平地放置时，所述最大的进气通道的宽度被确定，并且其中所述壁构件可缩回地进入所述空腔。

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