CN1394254A - 可变容量透平 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种可变容量透平，在该透平的可动喷嘴叶片(19)位于最大开度位置A和最小开度位置C之间设定的标定开度位置B的状态下，通过在该可动喷嘴叶片(19)前缘(19a)的前方位置上配置支承销(24)，使小流量时支承销的空气动力的影响减少，从而提高小流量时的透平效率。

Description

可变容量透平
                        技术领域
本发明涉及一种机动车等车辆用涡轮增压器上使用的径向式透平，特别涉及具有可动喷咀叶片(可变喷咀)的可变容量透平。
                        背景技术
在涡轮增压器上使用的可变容量透平上，透平转子的外周相对置的两个侧壁面之间设置多片可以随各个轴体转动的可动喷咀叶片，喷咀的出口角、动叶片进气部的通流面积随着该可动喷咀叶片的转动而变化，从而使透平容量变化。
在上述构造的可变容量透平上，为了使可动喷咀叶片的两个侧壁面之间的间隙即喷咀出口间隙即使该部分处于排气等的高温气体的环境下也能保持适当值，而设置横穿该两个侧壁面之间并延长的间隙设定用的支承销。
支承销在结构上是必要的部件，但由于存在于透平进气口的工作气体通道中，所以形成流道阻力，由空气动力的影响成为透平效率下降的原因。特别是在小流量时支承销的空气动力的影响大，从而小流量时的透平效率下降成为问题。
对此，为减少支承销造成的透平效率下降问题的措施，现在已经有各种建议。例如，在日本的实开平7-25249号公报、特开平11-190219号公报和特开平11-336554号公报中公开了这些措施。在这些公报中公开的技术，通过改进支承销的机械构造减少由支承销产生的流道阻力，从而减少透平效率的下降。
综上所述，虽然改善支承销的机械构造的现有技术已经达到了预期的目的，但有使支承销的构造复杂的倾向，另外，只通过改进支承销的机械构造，减少流道阻力很有限，为了得到更高的透平效率，有必要进一步减少由支承销产生的流道阻力。
                        发明内容
因而，本发明的目的是从与支承销的机械构造的观点不同的观点出发，有效地减少由支承销产生的流道阻力，特别减少在小流量时支承销的空气动力的影响，从而提供可以改善小流量时透平效率的可变容量透平。
按照本发明的可变容量透平，在透平转子的外周相对置的两个侧壁面之间设置多片可以随各个轴体转动的可动喷咀叶片，为确保所述两个侧壁面之间的间隙适当的值，而具有用于设定横穿该两个侧壁面之间并延长的间隙的支承销。在所述可动喷咀叶片位于设定在最大开度位置和最小开度位置之间的标定开度位置(α＝20°±5°)的状态下，使所述支承销配置在该可动喷咀叶片的前缘的前方位置上。
根据这种构造，可以减少由与可动喷咀叶片相对的支承销的配置位置形成的空气动力的影响，特别是在最小开度位置和标定开度位置之间状态下的空气动力的影响，在小流量区域实现高效率。
按照本发明的可变容量透平，为了取得进一步的效果，而把所述支承销的配置位置定在通过位于所述标定开度位置(α＝20°±5°)的所述可动喷咀叶片的叶片厚度中央部的对数螺旋线的延长线上或者其附近的位置。
按照本发明的可变容量透平，为了取得进一步的效果，而在所述支承销的外径为d时，使所述支承销的配置位置定在所述支承销在距离所述可动喷咀叶片的前缘3d范围内。
本发明的可变容量透平更特定的是，为了取得进一步的效果，当所述可动喷咀叶片从标定开度位置(α＝20°±5°)增大开度时，所述支承销位于该可动喷咀叶片的负压面侧，当所述可动喷咀叶片从标定开度位置(α＝20°±5°)减少开度时，所述支承销位于所述可动喷咀叶片的压力面侧。
按照本发明的可变容量透平，在透平转子的外周相对置的两个侧壁面之间设置多片可以随各个轴体转动的可动喷咀叶片，为确保所述两个侧壁面之间的间隙适当的值，而具有用于设定横穿该两个侧壁面之间并延长的间隙的支承销。在所述可动喷咀叶片的压力面侧，支承销不与位于最大开度位置的可动喷咀叶片相接触，所述支承销配置在从该可动喷咀叶片的转动中心位置到该可动喷咀叶片的前缘侧的位置。
根据这种构造，可以减少由与可动喷咀叶片相对的支承销的配置位置形成的空气动力的影响，特别是在低开度位置状态下的空气动力的影响，从而在小流量区域实现高效率。
按照本发明的可变容量透平，为了取得进一步的效果，而将所述支承销的配置位置定在位于在所述可动喷咀叶片的转动中心与该可动喷咀叶片的前缘之间大致中间的位置和该可动喷咀叶片的前缘位置之间。
                        附图说明
图1是表示把本发明的可变容量透平用在机动车的涡轮增压器上的整体结构剖面图；
图2是表示本发明的可变容量透平的一个实施例的主要部分的说明图；
图3(a)～图3(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的流线图；
图4(a)～图4(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的静压分布图；
图5(a)～图5(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的绝对流速分布图；
图6是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的流线图；
图7是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的静压分布图；
图8是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的绝对流速分布图；
图9是表示本发明的可变容量透平的另一个实施例的主要部分的说明图；
图10(a)～图10(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的流线图；
图11(a)～图11(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的静压分布图；
图12(a)～图12(c)是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的绝对流速分布图；
图13是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的流线图；
图14是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的静压分布图；
图15是表示本发明的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的绝对流速分布图；
图16(a)～图16(c)是表示现有的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的流线图；
图17(a)～图17(c)是表示现有的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的静压分布图；
图18(a)～图18(c)是表示现有的可变容量透平的可动喷咀叶片和支承销周围的绝对流速分布图。
                       具体实施方式
下面参照附图对本发明的实施例进行说明。
图1表示本发明的可变容量透平用于机动车等涡轮增压器上的整体结构。
涡轮增压器，大体上由中央的轴承上盖1、在轴承上盖1的一侧安装的透平机壳2、透平出口机壳3和在轴承上盖1的另一侧安装的压气机机壳4这四个机壳的组装体构成。
轴承上盖1通过轴承5可以转动的支承透平轴6。透平轴6把轴承上盖1在图1左右方向贯通延长，在一端有透平转子7，另一端安装压气机转子8。
透平转子7有呈径向式透平形状的多片的透平叶片(动叶片)9，配置在透平机壳2划定的透平气缸10中。在透平气缸10的外侧由透平机壳2形成透平的蜗壳部11。压气机转子8在压气机机壳4划定的压气机气缸12内，在压气机气缸12的外侧，通过压气机机壳4形成压气机的蜗壳部13。
在透平转子7的外周，也就是在透平气缸10和蜗壳部11之间，通过相对向的两个侧壁面14、15划定进口通流部16。在本实施例中，一个侧壁面部14由固定在透平机壳2上的喷咀安装部件17提供，另一个侧壁面15由设在透平机壳2上的喷咀板18提供。
进口通流部16呈与透平转子7的转动中心同心的圆环形，在进口通流部16设置多片可以随着各个轴体20转动的可动喷咀叶片19。轴20经连杆机构21与执行机构22的动作杆23驱动连接，通过执行机构22进行转动驱动。由此，可动喷咀叶片19在最大开度位置A到标定开度位置(中间位置)B再到最小开度位置C(参照图2)之间转动变位。
为保证两个侧壁面14、15的间隙，换句话说，为保证进口通流部16宽度方向的适当尺寸，设置横穿进口通流部16并延长的间隙设定用的支承销24。支承销24呈圆柱形，一端固定在喷咀安装部件17上，另一端与喷咀板18连接。
本发明的可变容量透平的特征是存在可动喷咀叶片19相对于支承销24的位置关系，和支承销24的配置位置的最优化。如图2所示，在可动喷咀叶片19定位于最大开度位置A和最小开度位置C之间设定的标定开度位置B上的状态的可动喷咀叶片19的前缘19a的前方位置上配置支承销24。更详细地说，支承销24位于通过处于标定开度位置B的可动喷咀叶片19的叶片厚度中央部的对数螺旋线LS的延长线上或者其附近的位置，并配置在非常接近前缘19a的位置。
另外，在此所说的标定开度位置B相当于得到最大效率的设计流量的开度，角度大约为α＝20°±5°。
根据该配置位置，当可动喷咀叶片19从标定开度位置B使开度增大(在图2中顺时针方向的转动)时，支撑销24位于可动喷咀叶片19的负压面19b一侧，与此相反，当可动喷咀叶片19从标定开度位置B使开度减少(在图2中逆时针方向的转动)时，支撑销24位于可动喷咀叶片19的压力面19c一侧。
图3表示在将支撑销24配置在上述位置的场合根据流动分析结果得到的可动喷咀叶片19和支撑销24周围的流线，图4表示同样条件下的静压力分布，图5表示同样条件下的绝对流速分布。另外在图3～图5中，(a)表示最大开度位置的状态，(b)表示标定开度位置的状态，(c)表示最小开度位置的状态。
在图2中符号p表示支撑销现有的标准配置位置，图16表示根据支撑销p场合的流动分析结果得到的可动喷咀叶片19和支撑销p周围的流线，图17表示同样条件下的静压力分布，图18表示同样条件下的绝对流速分布。另外在图16～图18中，(a)表示最大开度位置的状态，(b)表示标定开度位置的状态，(c)表示最小开度位置的状态。
根据上述流动分析结果，在现有例中，在任意的喷咀开度下支撑销p都对可动喷咀叶片19产生空气动力的影响。特别是在最小开度位置支撑销p阻塞了喷咀叶片间的通路，形成很大的流路流道阻力。与此相反，在支撑销24的场合，在最小开度位置到标定开度位置中几乎不发生空气动力的影响。在最大开度位置，虽然稍稍出现影响，但由于这时喷咀叶片附近压力膨胀不太大，而且喷咀最小截面变大，所以被认为不成问题。由此，支撑销24，特别是可动喷咀叶片19处于最小开度位置到标定开放位置时，几乎对空气动力没有影响，可以实现小流量时的高效率。
流体力学中表明，通过园柱(支撑销)周围的流动，在园柱下游生成的涡街(卡曼涡街)，为了使由涡街相互的诱发速度影响合成的结果，涡街稳定地存在，涡街长度必须大约为园柱外径的三倍。
由此，为了不产生卡曼涡流，在支撑销24的外径为d的场合，希望支撑销24配置在离可动喷咀叶片19的前缘19a的3d的隔离距离范围内。图2中符号24’表示在离可动喷咀叶片19的前缘19a的3d的位置上配置支撑销的界限例。
图6表示支撑销24’配置在上述位置的场合下，根据流动分析结果得到的可动喷咀叶片19和支撑销24’周围的流线，图7表示同样条件下的静压力分布，图8表示同样条件下的绝对流速分布。另外，在图6～图8中表示代表标定开度位置状态。
即使在支撑销24’的场合，在最小开度位置到标定开度位置中也几乎不产生空气动力影响。当可动喷咀叶片19处于最小开度位置到标定开度位置时，对空气动力几乎没有影响，可以在小流量时实现高效率。
图9表示根据本发明可变容量透平的另一实施例的主要部分。另外在图9中，与图2对应的部分的附号采用与图2中相同的符号，并省略其说明。
在本实施例中，支撑销124在可动喷咀叶片19的压力面19c一侧，与处于最大开度位置A的可动喷咀叶片19没有接触，配置在由可动喷咀叶片19的转动中心位置(轴体20的位置)到可动喷咀叶片19的前缘19a侧的位置上。
图10表示支撑销124配置在上述位置的场合根据流动分析结果得到的可动喷咀叶片19和支撑销124周围的流线，图11表示同样条件下的静压力分布，图12表示同样条件下绝对流速分布。另外，在图10～图12中，(a)表示最大开度位置的状态，(b)表示标定开度位置的状态，(c)表示最小开度位置的状态。
根据上述流动分析结果，如前所述，在现有例中，无论任意一种喷嘴开度支撑销p都对可动喷咀叶片19予以空气动力影响，特别是在最小开度位置上，支撑销p堵塞可动喷咀叶片间的通路，形成很大的流道阻力。但在支撑销124的场合下，在最小开度位置上几乎不产生空气动力影响，在标定开度到最大开度位置上虽然稍稍产生影响但由于这时喷咀叶片附近压力膨胀不太大，而且喷咀最小截面面积变大，所以被认为不成问题。由此，支撑销124，特别是可动喷咀叶片19处于小开度位置时，几乎对空气动力没有影响，可以实现小流量时的高效率。
在该场合支撑销124的合适的配置范围是在可动喷咀叶片19的转动中心和可动喷咀叶片前缘19a之间的大致中间位置(相当于用符号124表示的支撑销的位置)和可动喷咀叶片19的前缘位置(相当于用符号124’表示的支撑销的位置)之间。
图13表示支撑销124’配置在上述位置的场合根据流动分析结果得到的可动喷咀叶片19和支撑销124’周围的流线，图14表示同样条件下静压力分布，图15表示同样条件下绝对绝对流速分布。另外在图14～图15中表示代表标定开度位置状态。
即使在支撑销124’的场合，当可动喷咀叶片19处于低开度位置时，对空气动力几乎没有影响，可以在小流量时实现高效率。
从以上说明可以理解，根据本发明的可变容量透平，可动喷咀叶片位于在最大开度位置和最小开度位置之间设定的标定开度位置(α＝20°±5°)上的状态下，由于支撑销配置在可动喷咀叶片前缘前方的位置上，而可以减少由支撑销的配置位置对该可动喷咀叶片空气动力的影响，特别是在标定开度位置到最小开度位置状态下空气动力的影响，从而在小流量区域中可以谋求高效率。
另外，根据本发明的可变容量透平，在可动喷咀叶片的压力面侧，由于支撑销不与处于最大开度位置的可动喷咀叶片接触，支撑销配置在比该可动喷咀叶片转动中心位置更靠该可动喷咀叶片前缘侧的位置上，可以减少由支撑销的配置位置对该可动喷咀叶片产生的空气动力的影响，特别是在低开度位置的状态下的空气动力的影响，从而在小流量区域中可以实现高效率。
如上所述，根据本发明的可变容量透平适用于汽车等车辆用涡轮增压器上。

Claims (6)

1、一种可变容量透平，在透平转子的外周相对置的两个侧壁面之间设置多片可以随各个轴体转动的可动喷咀叶片，为确保所述两个侧壁面之间的间隙适当的值，而具有用于设定横穿该两个侧壁面之间并延长的间隙的支承销；
其特征在于：在所述可动喷咀叶片位于设定在最大开度位置和最小开度位置之间的标定开度位置(α＝20°±5°)的状态下，使支承销配置在该可动喷咀叶片的前缘的前方位置上。
2、如权利要求1所述的可变容量透平，其特征在于：所述支承销配置在通过位于所述标定开度位置(α＝20°±5°)的所述可动喷咀叶片的叶片厚度中央部的对数螺旋线的延长线上或者其附近的位置。
3、如权利要求1或2所述的可变容量透平，其特征在于：在所述支承销的外径为d时所述支承销配置在距离所述可动喷咀叶片的前缘3d范围内。
4、如权利要求1或2所述的可变容量透平，其特征在于：当所述可动喷咀叶片从标定开度位置(α＝20°±5°)增大开度时，所述支承销位于该可动喷咀叶片的负压面侧；当所述可动喷咀叶片从标定开度位置减少开度时，所述支承销位于所述可动喷咀叶片的压力面侧。
5、一种可变容量透平，在透平转子的外周相对置的两个侧壁面之间设置多片可以随各个轴体转动的可动喷咀叶片，为确保所述两个侧壁面之间的间隙适当的值，而具有用于设定横穿该两个侧壁面之间并延长的间隙的支承销；
其特征在于：在所述可动喷咀叶片的压力面侧，支承销不与位于最大开度位置的可动喷咀叶片相接触，所述支承销配置在从该可动喷咀叶片的转动中心位置到可动喷咀叶片的前缘侧的位置。
6、如权利要求5所述的可变容量透平，其特征在于：所述支承销配置在所述可动喷咀叶片的转动中心与该可动喷咀叶片的前缘之间大致中间的位置和该可动喷咀叶片的前缘位置之间。
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