CN1476516A - 无刃涡轮增压器 - Google Patents

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约翰・F・帕伦波
约翰·F·帕伦波
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Abstract

本发明公开了一种用于内燃机的无刃涡轮增压器(10)。该装置包括驱动轴(13)，该驱动轴与支承组件(14)匹配安装，该驱动轴一端上有一个由内燃机的废气驱动的涡轮机，而另一端有一个由该涡轮机(11)驱动的鼓风机(12)。该涡轮机(11)和鼓风机(12)具有一些平坦盘(16)，这些盘彼此间隔开一临界距离，并具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条，这些辐条将这些盘固定安装到驱动轴上。平坦涡轮机盘(16)之间的临界距离能促进作用在涡轮机盘(16)上的边界层效应活动。该鼓风机通过作用在鼓风机盘(17)上边界层效应将旋转能传递到进入临界距离之间的空气上。该能量转换增加了通过出口从鼓风机排出的空气的单位体积的质量。

Description

无刃涡轮增压器
                          发明背景
                          发明领域
本发明总体上涉及涡轮增压器，该涡轮增压器用于增加内燃机的性能，更确切地说是涉及采用层流气流来增加涡轮增压器的效率和性能的涡轮增压器。
                        现有技术说明
涡轮增压器通常采用由内燃机排出的废气驱动的涡轮机来驱动压缩机来压缩空气，该空气被喷射到内燃机的发动机吸入口一边增加输出功率和效率。
通常有几个因素会影响发动机的功率和效率。产生功率的一个关键的因素就是能够燃烧的燃料量，这直接关系到发动机中所能使用的空气量。第二个因素是发动机的压缩比；压缩比越大，产生的功率就越大，效率就越高。压缩比由于点火式发动机中的振动而受到限制，这中振动回损害发动机并降低功率。对本发明来说重要的是，在导致振动的诸多变量中其中两个是燃烧室中的气团的量和空气的温度。较低的气团和较低的温度使得产生发动机振动的几率降低。因此在较高的冷空气气流和最大可能的压缩比条件下，可以获得最高的发动机功率。输出功率和效率的增加可以通过增加喷射到内燃机的发动机吸气口中的空气的质量流速来实现。
不过，对喷射进发动机进气口的空气进行压缩会导致空气流产生紊流，并使得待喷射空气的温度上升。紊流的出现和温度的上升是向发动机进气口提供较高空气质量流速的产品所不需要的，为了克服这些影响，现有技术通常采用扩散器来减低紊流程度和采用中间冷却器来控制空气的温度。在柴油发动机中，由于气团温度较高时会对发动机输出功率产生负面影响，因此进气口充气的温度上限由发射量决定。
涡轮机，该涡轮机通常包括一壳体和一有刃的旋转轮叶，该轮叶安装在一轴上。该有刃的旋转轮叶通常采用复杂的叶片几何形状将进入涡轮机中的废气的线性能转变成驱动压缩机的旋转能。这些类型的涡轮机制造起来通常比较昂贵切效率相对较低。该涡轮机的尺寸通常通过其所应用的内燃机的功率特征来决定。
该压缩机通常包括一壳体和一有刃的叶轮。空气被输进压缩机中并在叶轮刃和壳体之间进行压缩以增加给定容积内的空气的质量。随后将压缩空气喷射到发动机的进气口。压缩机的尺寸通常由其所应用的内燃机的功率来决定。
在发动机运转过程中由于存在波动需求，因此内燃机的进气需求量会有变化。这就要求涡轮增压器能够根据发动机的需求量来改变输入空气的压力和容积。现有技术采用旁通机构将发动机废气排出到涡轮机的周围一边减小该系统的速度，从而降低压缩机的输出功率。
现有技术中公开的几个涡轮增压器以下述方式工作。有些例子如美国专利US5,406,796、US4,367,626、US4,124,979以及US3,975,911。授予Hiereth的美国专利US5,406,796包括一个由位于同一主轴上的涡轮机驱动的压缩机，该涡轮机由内燃机排出的废气驱动。此外，Borisovich也披露了采用扩散器来减小正在喷射的空气中的紊流程度。授予Tholen的美国专利US4,124,979披露了一种涡轮增压器，该涡轮增压器采用中间冷却器来控制被喷射到内燃机中的空气的温度。
涡轮增压器利用四冲程或两冲程发动机的废气的能量将进入空气泵送到所述的发动机中。高压废气使得涡轮机的驱动器旋转，该涡轮机又使得该系统的位于同一主轴上的压缩机旋转。该压缩机接着将空气泵送到发动机的进气部分。现有的涡轮增压器压缩机和驱动器采用复杂的叶片几何形状来传递空气的运动。这些方法的效率的相对较低，从而导致废气的使用效率较低并会对涡轮增压器的输出空气进行加热。这些元件的几何形状使得制造比较困难且成本较高。因此，人们就需要一种能够更有效地利用废气产生的能量而不会伴随着进入内燃机中的空气的质量流速的增加而导致紊流增强和温度上升的涡轮增压器。
                             发明概述
因此，本发明的目的就是为了提供一种涡轮增压器，该涡轮增压器能够通过由于减小作用在进入发动机进气口的的空气上紊流量和温度变化而增加进入内燃机的发动机进气口的空气的质量流量而有效地提高内燃机的输出功率。
本发明的另一目的就是为了提供一种涡轮增压器，该涡轮增压器能降低排气岐管的背压。本发明的涡轮增压器通过提供一个对进入涡轮机的废气的阻力较小的涡轮机来降低排气岐管的背压。
本发明还有一个目的是为了在制造高效率的涡轮增压器的同时降低制造成本。由于本发明的几何形状的复杂程度降低，因此制造一种能够提高内燃机的功率输出量的涡轮增压器的整体成本得以显著降低。
为了获得前述和其他目的，并根据本发明，提供了一种无刃涡轮增压器，该涡轮增压器包括一鼓风机和具有类似结构的涡轮机，该鼓风机和涡轮机在此被称之为无刃鼓风机和无刃涡轮机。该无刃涡轮增压器使得内燃机排出的发动机废气进入该无刃涡轮机来驱动无刃鼓风机，该鼓风机为内燃机提供增压气体以便增加发动机功率。无刃鼓风机和无刃涡轮机都包括一些容纳在一环形涡壳中的平坦的刚性间隔盘，这些间隔盘利用层流粘性边界层拖曳而获得更有效的结果。
众所周知，流体对与固定表面相邻的流动具有一定的阻力，这称之为边界层效应。这种边界层就是这样一种流体区域，该区域与粘滞力促进层流流动的表面相邻。该边界层的厚度定义为该表面到该流体流中的一点之间的距离，在该流体流中，该点处流体的速度位于自由流速的百分之一之内。位于边界层中的流体的质量流速比自由流中的流速高，因为层流流动的效率较高。因此，与固体移动表面相邻的流体的质量流速要大于那些经过没有边界层效应的相同区域的流体的质量流速。本发明利用表现出层流效应的流体的层流流动来实现一系统的前述意图，该系统通过发动机的废气来产生充加给一内燃机的冷空气
现有的涡轮增压器技术通常需要采用扩散器以便在空气引入发动机的进气部分之前减少作用在增压空气上的紊流。紊流程度较高的空气会对空气的流动效率产生负面影响。在本发明中，作用在移动鼓风机盘上的饿空气的粘性在鼓风机盘之间产生环形空气流。产生的环形空气流的速度和离心力会产生压力和空气流。鼓风机盘之间的空气流之间的非紊流特性使得送去用于燃烧的空气的有效质量增加，同时令人欣赏的是不会增加周围空气的温度。
从内燃机中排出的废气通过一些专门设计的孔口相对于位于该系统的涡轮机一侧的内部盘组件以一碰撞角进入该系统中。这样会降低发动机的背压，因为发动机废气进入无刃涡轮机时没有受到旋转轮叶的阻碍。该方法具有较高的效率，因此可以在较低的背压下获得相同的涡轮增压器轴功率。这使得盘组件可以以和废气的速度一致的较高速度旋转。该发动机废气由于其对不同速度的物体上的流动有阻力，因此在通过进气口进入并与这些盘接触时，会经受沿旋转方向切向作用的粘性层流。废气压力迫使废气流向该盘的中心。该盘将被设定成可以随着发动机废气沿着螺旋路径运动而旋转运动，这些发动机废气在运动过程中速度连续减小，直到废气到达盘的中心并在盘的中心处被排出。
这种旋转又使得该系统的鼓风机一侧的盘以相同的旋转速度旋转，因为这些盘都安装在同一根主轴上。在粘性层流的因素方面，适用相同的原理。具有环境温度的进口空气被加速到与旋转盘的圆周速度一致的速度进入该装置的输出通道，并随后进入内燃机的进气部分。这些切向力和离心力的共同作用推动进入空气，该空气沿着螺旋路径速度增加直到其达到适当的周边出口，空气在该出口处喷射出去。如果这些盘由于一种适当的支承系统而能够自由转动的话，那么该盘的轮缘将会获得一个与废气的速度极为接近的速度，且废气的螺旋路径将会比较长并且包括多个几乎圆形的环匝。
由于空气的螺旋运动是自由而不受干扰，并且基本上依赖于空气的特性，该特性使其获得起自然流线，并使其速度和方向以不会在空气中产生紊流的最小增加程度改变。由于空气以采用层流的方式被压缩，因此通过现有技术输送到内燃机的进气部分的空气的密度会增加。这种特征对于成功实现本发明是必要的。当然，空气在受到压缩根据理想气体定律而被加热。由于效率较低这种加热被最小化。
每一发动机装置将需要重新配置这些组件中的盘的直径和/或数量，以便适应各个特定发动机尺寸所需的空气流量。目前，有一些发动机绘图处理方法来描述在具体发动机性能特性下的最优发动机条件(充气容积和压力)。这些条件会随着各个发动机尺寸而变化并且是在公共领域中公开出版物中能找得到。本发明已经证明，所采用的结构显示充分利用了这些规则，并且采用其它直径的盘和/或盘的数量的变化可以针对不同的应用场合改进本发明的性能。
内燃机的进气条件会在发动机运转过程中由于波动要求而发生改变。这种情况要求涡轮增压器能够随着发动机的要求改变输出空气的压力和容积。现有技术采用旁通机构将发动机废气排泄到涡轮机的周围以便降低的系统的速度，速度的降低会减小压缩机的输出量。由于本发明的层流空气特性不会使得空气的温度显著上升，因此该系统的输出量的控制可以通过限制空气进入鼓风机而不是降低系统的旋转速度来实现。该特性使得该系统在任何时候都以最高速度运转并在发动机的运转工况变化过程中对燃烧所需的空气量立即产生响应。
为了优化发动机低速下的性能，涡轮机涡壳可以采用一种变量喷嘴。通过减小涡轮机喷嘴的横断面积可以增加废气进入涡轮机时的速度。这将会降低涡轮增压器的滞后情况，而滞后是所有涡轮增压器都都不希望存在的特征。
为了实现前述和其他目的，根据本发明，提供了一种无刃涡轮增压器。该无刃涡轮增压器包括一轴承组件，一驱动轴的第一端部和第二端部穿过该轴承组件并可旋转地与该轴承组件相配合。一无刃涡轮机安装在驱动轴的第一端部，一无刃鼓风机安装在该驱动轴的第二端部。
无刃涡轮机包括：涡壳，与该涡壳相邻的涡轮机内壁以及与该涡轮机涡壳相邻并与该涡轮机内壁相对的涡轮机外壁。一些平行的平坦的涡轮机盘容纳在涡轮机涡壳内并彼此间隔一临界距离(在大约0.006″到0.012″之间)，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的内燃机的废气进行边界层拖曳效应运动。该临界距离取决于这样几个因素，即，内燃机的类型、盘的表面光洁度以及周围空气的温度和压力。本发明的优选实施例中的临界距离为在大约0.006″到0.012″。在本发明的其他优选实施例中，根据涡轮增压器的应用情况不同，该临界距离可以高达在大约0.050″。
在该涡轮机涡壳的壁中设有至少一个涡轮机进口，该进口与涡轮机盘的周边相切，该涡轮机盘能使得废气沿着该涡轮机盘的切线方向进入涡轮机中，该废气在内燃机的排气冲程的作用下被推动而穿过涡轮机进口进入涡轮盘之间的临界距离之内，该废气通过其边界层拖曳效应传递来的作用在涡轮机盘上的能量而使得涡轮盘和驱动轴旋转
在涡轮机外壁中沿轴线方向设有一个涡轮机出口，该出口与涡轮机盘的开口圆形中心相邻，该出口使得废气通过该涡轮机盘的开口圆形中心从无刃涡轮机排出。
由驱动轴驱动的无刃鼓风机包括鼓风机涡壳，与鼓风机涡壳相邻的鼓风机内壁，与鼓风机涡壳相邻并与鼓风机内壁相对的鼓风机外壁。一些平行的平坦的鼓风机盘容纳在鼓风机涡壳内并彼此间隔一临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的空气进行边界层拖曳效应运动。
在鼓风机外壁中沿轴线方向设有一个鼓风机进口，该进口与鼓风机盘的开口圆形中心相邻，该鼓风机进口使得空气进入鼓风机并通过该鼓风机盘的开口圆形中心进入鼓风机盘之间的临界距离之中，该空气由于在鼓风机涡壳之内旋转的鼓风机盘产生的压差而通过鼓风机进口抽进来，由此将鼓风机盘的旋转能量通过作用在旋转鼓风机盘上的空气的边界层拖曳效应运动而传递到该空气上，从而增加空气的每单位容积的质量。
设有一个鼓风机出口，该出口加工在该鼓风机涡壳的壁中，并由Fibonacci公式确定，并且该出口与鼓风机盘的周边相切，该鼓风机出口使得每单位容积的质量增加的空气从无刃鼓风机中沿着与鼓风机盘的周向相切的方向排出而进入内燃机的发动机进口中。
本发明的其它特征包括位于内外涡轮机盘之间和涡轮机的内外壁之间的由彼此同心的脊构成的迷宫式密封。同样，鼓风机中也可以具有一些位于内外鼓风机盘之间和内外鼓风机壁之间的迷宫式密封。
而且，该涡轮机还可以具有至少一个可变喷嘴，该喷嘴安装在涡轮机进口中，因此该进口的横断面积可以根据涡轮增压器的运转工况而增大或缩小。同样，该鼓风机也可以具有至少一个可变喷嘴，因此该鼓风机的进口的横断面积也可以增大的缩小。
附图简要说明
在这些附图中，
图1是无刃涡轮增压器的剖视图。
图2是无刃涡轮增压器的分解视图。
图3所示的是无刃涡轮增压器的涡轮机的端部。
图4是涡轮机的透视图。
图5所示的是无刃涡轮增压器的鼓风机的一端部。
图6是鼓风机的透视图。
图7是平坦涡轮机盘的主视图。
图8是一特定尺寸涡轮机间隔片的主视图。
图9所示的是涡轮机盘和特定尺寸涡轮机间隔片的侧视图。
图10是平坦鼓风机盘的主视图。
图11所示的是特定尺寸的鼓风机间隔片的主视图。
图12是其中一个迷宫式密封的侧视图。
                   优选实施例的详细说明
现在参见附图，图1和图2中所示的是用于内燃机的无刃涡轮增压器10。该无刃涡轮增压器10由涡轮机11和鼓风机12。该涡轮机11和该鼓风机12通过驱动轴13彼此相连，该驱动轴13在位于涡轮机11和鼓风机12之间的支承组件14中旋转，该驱动轴13位于壳体15涡轮机11和鼓风机12连接起来。
图1所示的是用于该优选实施例中的支承组件14，该支承组件可以从Airresearch公司买得到。但是也可以考虑采用几种相似类型的支承系统用于本发明。对于支承组件14来说，将驱动轴13以较高的精度固定就位是必要的，因为平坦的涡轮机盘组件16和鼓风机盘组件17与涡轮机涡壳18和鼓风机涡壳19之间相距极近。
图1and图2所示的是涡轮机涡壳18和鼓风机涡壳19，该涡轮机涡壳18内容纳有涡轮机盘组件16，而鼓风机涡壳19中容纳有鼓风机盘组件17。该涡轮机涡壳18在涡轮机涡壳18和平坦涡轮机盘组件16之间留有0.020″到0.030″的间隙。图3所示的是涡轮机11的端部视图。该鼓风机涡壳19用来容纳平坦鼓风机盘组件17，并且在鼓风机盘17的75％的周边上在鼓风机涡壳19和平坦鼓风机盘组件17之间留有0.020″到0.030″的同样的间隙。图5所示的是鼓风机涡壳19和鼓风机盘组件17之间的鼓风机涡壳19的其余部分的间隙21，噶间隙以Fibonacci公式表达的关系快速增加.
通过图4，图1表示出了涡轮机11，该涡轮机11具有涡轮机涡壳18，该涡壳18具有两个涡轮机进口22，涡轮机内壁23以及涡轮机外壁。这两个涡轮机进口22使得内燃机排出的废气通过涡轮机进口22进入涡轮机11中，并通过位于涡轮机外壁24的中心处的涡轮机出口25从涡轮机11中排出。图1、图5以及图6所示的鼓风机12具有鼓风机涡壳19，该涡壳具有鼓风机出口26、鼓风机内壁27以及鼓风机外壁28。该鼓风机外壁28具有鼓风机进口29，该进口使得空气被抽进鼓风机12中，并通过鼓风机出口26被加速排出鼓风机12。见图2。
图1和图2所示的涡轮机11包括，一些位于涡轮机涡壳18内的平行的平坦涡轮机盘16，这些涡轮机盘16集中安装在驱动轴13上，彼此通过具有特定尺寸的涡轮机间隔片30间隔开，并通过螺纹紧固件31进行固定。这些平坦涡轮机盘16、特定尺寸的涡轮机间隔片30以及螺纹紧固件31的数量和尺寸由内燃机的类型确定，该类型的内燃机上采用无刃涡轮增压器。参见图3，其中表示出了螺纹紧固件31的位置。可以在公共领域获得一些特定发动机绘图处理方法来描述在具体发动机性能特性下的最优发动机条件，例如充气容积和压力。平坦涡轮机盘组件16、特定尺寸的涡轮机间隔片30以及螺纹紧固件31采用刚性的防腐蚀材料制成，优选是采用不锈钢制成。参见图8，所示的是特定尺寸的涡轮机间隔片30。
在图1中，该平坦涡轮机盘组件16通过特定尺寸的涡轮机间隔片30被间隔开一临界距离32，并且该涡轮机盘组件16的直径为使得平坦涡轮机盘16的周边和涡轮机涡壳18的内部之间留有一间隙20，该间隙的范围为0.020″到0.030″。该临界距离32取决于几个因素，例如内燃机的类型以及盘的表面光洁度。在图1中的本发明的优选实施例中表示出了一个涡轮增压器10，该涡轮增压器10的临界距离32为大约0.006″到0.012″。在其他应用场合，临界距离可以高达0.050″。平坦涡轮机盘16和涡轮机涡壳18的内部之间的间隙20由无刃涡轮增压器所用于运转的每分钟的转数决定。在每分钟的转数较高的情况下，平坦涡轮机盘16根据制造平坦涡轮机盘16所用材料的弹性模量而趋于伸长。
由于涡轮机盘16在废气的作用下旋转，在涡轮机盘16的圆周边缘的表面附近的表面速度根据前述因素的不同而达到大约3马赫到大约9马赫。该表面速度是在确定涡轮增压器10的适当结构是所需要考虑的因素之一。废气作用在涡轮机盘16上的所能获得的力的大小是影响涡轮机盘16的尺寸的因数之一。
图3所示的各个平坦涡轮机盘16具有一个圆形开口中心34，该中心带有三个间隔开的径向辐条35，该辐条将平坦涡轮机盘16安装到驱动轴13上。图4表示出了这三个间隔开的径向辐条35。该特定尺寸的涡轮机间隔片30用于将平坦涡轮机盘16间隔开一临界距离32。参见图1，大小为0.006″到大约0.012″的临界距离32使得进入涡轮机11的废气在平坦涡轮机盘16之间流动。每个特定尺寸的涡轮机间隔片30在其中心处都有一开口36a，以便套装在驱动轴36的第一端部，且该开口的形状与在涡轮机盘16的中心处的辐条35的形状相一致。参见图8。由该特定尺寸的涡轮机间隔片30间隔开的平坦涡轮机盘16通过螺纹紧固件31固定在一起成为一个组件。图9所示的是该特定尺寸的涡轮机间隔片30是怎样与涡轮机盘16匹配在一起的。
图3和图4所示的两个涡轮机进口22的位置为沿着与平坦涡轮机盘16的圆周边缘33的切线方向将内燃机的废气引导到涡轮机中。该涡轮机进口22等间距地位于涡轮机涡壳18中，因此内燃机依次将汽缸中的废气通过涡轮机进口22推压到涡轮机11中，因此进入涡轮机11中的废气的流速基本一致。为了优化无刃涡轮增压器10在发动机速度较低的情况下的性能，采用了一个可变喷嘴(未示出)将涡轮机进口22连接起来一边减小涡轮机进口22的横断面积，从而增加进入涡轮机11中的废气的速度。涡轮机涡壳18的内部和平坦涡轮机盘16的圆周边缘33之间的极为接近的状态将废气引导到平坦涡轮机盘16之间的临界距离中。参见图3。这使得作用在由内燃机的排气冲程排出的废气上的力能够使得安装在驱动轴13上的平坦涡轮机盘16由于废气的作用在平坦涡轮机盘16上的边界层拖曳效应而旋转。平坦涡轮机盘16之间的临界距离32仅仅能促进边界层效应活动。众所周知，边界层流效应是由于与一表面相邻的流体的流动阻力产生。该阻力，通常称之为粘滞力，在流体被推过一静止物体或在一物体穿过一流体移动时产生的。在该流体遇到该物体的表面的所在位置处，该流体运动受到阻力并趋向与在该物体的表面以一种一致的方式流动，该流动方式称之为层流。平坦涡轮机盘16之间的废气的层流流动能高效率地将能量从废气传递到平坦涡轮机盘16上
当该平坦涡轮机盘组件16使得驱动轴13旋转时，该废气的层流流动受到离心力的作用，该离心力将废气的流动引导到一螺旋路径中而指向平坦涡轮盘16的中心。该平坦涡轮机盘16之间的螺旋路径促进废气长时间滞留，能量在滞留期间从废气中传递到盘16上。该废气通过平坦涡轮机盘16的开口圆形中心离开平坦涡轮机盘16之间的临界距离32并经位于涡轮机外壁24的中心处并与涡轮机盘组件16轴向相邻的涡轮机出口25从涡轮机11中排出。图3和图4所示的是位于涡轮机涡壳18之中的涡轮机进口22以及位于涡轮机外壁24上的涡轮机出口25。
图1所示的一迷宫式密封37由平坦涡轮机盘组件16的内表面39和涡轮机内壁23之间的成同心关系的脊构成。图12所示的是同心脊38。该迷宫式密封37可以防止废气从平坦涡轮机盘组件16和涡轮机内壁23之间逸出并在没有将能量施加在平坦涡轮机盘组件16上的情况下就从涡轮机出口25中排出。同样，平坦涡轮机盘组件16的外表面40上具有一迷宫式密封37，该密封由平坦涡轮机盘组件16的外表面40和涡轮机外壁24之间的成同心关系的脊38构成。该驱动轴13由于从废气传递到平坦涡轮机盘组件16上的能量而旋转。图1表示出驱动轴13在支承组件14中的旋转将会驱动位于该无刃涡轮增压器10的鼓风机涡壳19中的平坦鼓风机盘组件17。
该驱动轴13固定在该支承组件14中，因此，当能量从废气传递到平坦涡轮机盘组件16上时，该平坦涡轮机盘组件16使得位于该支承组件14中的驱动轴13旋转。该平坦涡轮机盘组件16安装在驱动轴的第一端部36上，该第一端部的横断面积大于驱动轴的第二端部42，这样是为了适应平坦涡轮机盘组件16施加在驱动轴13上的力矩。图3和图4表示出了位于涡轮机盘16的辐条35的中心处的孔36a，该孔将涡轮机盘16安装到驱动轴的第一端部36上。该平坦鼓风机盘组件17安装在驱动轴的第二端部42上。图10和图11表示出位于鼓风机盘17的辐条46的中心处的孔42a，该孔将鼓风机盘17安装到驱动轴的第二端部42上。该支承组件14使得平坦鼓风机盘组件17能够以废气使得涡轮机盘16旋转的相同的旋转速度旋转。
该鼓风机12包括一些位于鼓风机涡壳19中的平行的平坦鼓风机盘17，该鼓风机盘集中安装在驱动轴的第二端部42上，这些盘通过一些尺寸特定的间隔片43间隔开并通过螺纹紧固件31固定。平坦鼓风机盘17的数量和尺寸、特定尺寸鼓风机间隔片43以及螺纹紧固件31由其中采用无刃涡轮增压器10的内燃机的类型确定。该平坦鼓风机盘组件17、特定尺寸鼓风机间隔片43采用刚性的重量轻的材料制成，优选为铝。
图5和图6所示的平坦鼓风机盘组件17通过特定尺寸的鼓风机间隔片43以0.006″到0.012″的临界距离间隔开，该鼓风机盘的直径使得在平坦鼓风机盘组件17的大约75％的圆周上该平坦鼓风机盘组件17的圆周边缘33和鼓风机涡壳19的内部之间的间隙20为0.020″到0.030″。该平坦鼓风机盘组件17的其余圆周部分和鼓风机涡壳19之间间隙根据Fibonacci公式确定的方式快速增加。每个平坦鼓风机盘17都有一个开口的圆形中心45，该中心带有三个径向间隔开的辐条46，开口圆形中心45将平坦鼓风机盘17安装到驱动轴13上。图10表示出了这三个径向间隔开的辐条46。特定尺寸的鼓风机间隔片43用来将平坦鼓风机盘17间隔开一个0.006″到0.012″的临界距离32，这使得进入鼓风机12中的环境空气能够在平坦鼓风机盘17之间流动。该临界距离32取决于几个这样的因素，例如，内燃机的类型、盘的表面光洁度、鼓风机的输出限制、环境空气的温度和压力以及用于向进气施加旋转速度的盘表面积。图1中所示的本发明的优选实施例显示出的涡轮增压器10的临界距离32相距0.006″到0.012″。在其它应用场合，该临界距离在考虑到上述因素时可以高达0.050″。每个特定尺寸的鼓风机间隔片43都有一个位于中心处的开口43a，以便套装在驱动轴的第二端部42上，并且其形状加工成与位于平坦鼓风机盘17的中心处的辐条46的外形相匹配。图11所示的是特定尺寸鼓风机间隔片43的形状。采用该特定尺寸鼓风机间隔片43间隔开的平坦鼓风机盘17通过螺纹紧固件31集中固定在一起。其上安装有平坦鼓风机盘17的驱动轴13由无刃涡轮增压器10的涡轮机11旋转驱动。
图2表示出了位于鼓风机外壁28的中心的鼓风机进口28，该进口将环境空气抽进鼓风机涡壳19的与旋转的平坦鼓风机盘组建的中心相邻的中心。图6所示的每个平坦鼓风机盘都具有一个开口圆形中心45，该中心具有径向间隔开的辐条，该开口中心将平坦鼓风机盘17安装到驱动轴13上该平坦鼓风机盘17的开口圆形中心45使得通过鼓风机进口29抽进鼓风机12的空气进入旋转着的平坦鼓风机盘17之间的临界距离32之中。
采用在涡轮机11的运转中描述的边界层拖曳效应的原理，平坦涡轮机盘16之间的临界距离32仅仅促进边界层效应活动。作用在旋转着的鼓风机盘组件上空气的粘滞力会通过沿着鼓风机盘17的表面拖曳空气而加速旋转着的鼓风机盘17之间空气的速度，由此将鼓风机盘17上的旋转能量传递到空气上。当旋转着的平坦鼓风机盘组件17使空气加速时，空气受到旋转着的平坦鼓风机盘17的离心力作用。该离心力将层流流动空气引导到指向旋转着的平坦鼓风机盘17的周边的螺旋路径中。由于空气的这种螺旋运动仅仅以较小的增量改变了空气的速度和方向，因此这样不会导致空气产生紊流。空气以较小增量加速会压缩鼓风机涡壳19中的空气，同时保持层流流动。压缩空气的同时保持层流流动型式就增加了输送给内燃机的单位体积内的空气的密度。
压缩空气离开旋转着的平坦鼓风机盘17的圆周边缘47并通过鼓风机出口26从鼓风机涡壳19中排出进入内燃机的发动机进气口。图5和图6所示的是鼓风机出口28。当压缩机离开平坦鼓风机盘17的圆周边缘47并通过鼓风机出口26而从无刃涡轮增压器10中排出时，空气的流动趋于变成紊流。不过，由于鼓风机12施加在空气上的紊流减小，因此不需要采用扩散器来减小紊流。
图1所示的与鼓风机内壁27相邻的平坦鼓风机盘48具有迷宫式密封37，该密封由位于平坦鼓风机盘组件17的内表面和鼓风机内壁27之间的成同心关系的脊构成。图12所示的是该迷宫式密封37的详细结构。该迷宫式密封37能防止空气从平坦鼓风机盘组件17和鼓风机内壁27之间逸出并在没有将能量从平坦鼓风机盘组件17传递给空气的情况下从鼓风机出口26中排出。同样，与鼓风机外壁相邻的平坦鼓风机盘49具有一迷宫式密封，该密封由平坦鼓风机盘组件17的外表面和鼓风机外壁28之间的成同心关系的脊38构成。
通过无刃涡轮增压器10输送给内燃机的压缩空气使得将要添加到燃料和空气混合物中的燃料量增加，该混合物在内燃机的燃烧室内燃烧。输送到内燃机中的燃料和空气混合物的增加会增加内燃机的输出功率。
内燃机的进气需求量在发动机运转过程中会由于内燃机提供的功率需量的波动而发生变化。这就就要求该无刃涡轮增压器10能够根据发动机的需求量而改变输入空气的压力和容积。由于鼓风机12施加在离开无刃涡轮增压器10的空气上的层流流动，该无刃涡轮增压器10并没有显著地增加离开无刃涡轮增压器10的空气的温度。借助于标准节流装置(未示出)限制空气通过鼓风机进口29进入鼓风机12，温度的轻微的上升使得离开无刃涡轮增压器10的空气的压力和体积发生变化以限制以标准节流装置。该特征容许无刃涡轮增压器10在任何时候都以最高速度运转，因此缩短了无刃涡轮增压器10在将要被喷射到内燃机的发动机进气口中的空气需求量变化过程中的响应时间。
尽管本发明已经参照一些实施例进行了描述，但是，这并不意味着由此该新颖装置的进行限定，而是意图将包括一些落于前述公开内容和附后的权利要求书以及附图的较宽的范围和构思之内的变化形式。

Claims (33)

1.一种含有内燃机和无刃涡轮增压器的装置，该装置包括：内燃机；
与该内燃机相连通的无刃涡轮增压器，该无刃涡轮增压器包括支承组件；
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部，该驱动轴穿过该支承组件并与该支承组件可旋转地装配在一起；
无刃涡轮机，该无刃涡轮机包括：
轮机涡壳；
与所述涡轮机涡壳相邻的涡轮机内壁；
与涡轮机涡壳相邻并与所述涡轮机内壁相对的涡轮机外壁；
一些平行的平坦的涡轮机盘容纳在涡轮机涡壳内并彼此间隔一大约0.006″到0.012″的临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的内燃机的废气进行边界层拖曳效应运动；
在该涡轮机涡壳的壁中设有至少一个涡轮机进口，该进口与涡轮机盘的周边相切，该涡轮机盘能使得废气沿着该涡轮机盘的切线方向进入涡轮机中，该废气在内燃机的排气冲程的作用下被推动而穿过涡轮机进口进入涡轮盘之间的临界距离之内，该废气通过其边界层拖曳效应将能量传递到涡轮机盘上而使得涡轮盘和驱动轴旋转；
在涡轮机外壁中沿轴线方向设有一个涡轮机出口，该出口与涡轮机盘的开口圆形中心相邻，该出口使得废气通过该涡轮机盘的开口圆形中心从无刃涡轮机排出；
由所述驱动轴驱动的无刃鼓风机，该鼓风机包括：鼓风机涡壳；
与鼓风机涡壳相邻的鼓风机内壁；
与鼓风机涡壳相邻并与鼓风机内壁相对的鼓风机外壁；
一些平行的平坦的鼓风机盘容纳在鼓风机涡壳内并彼此间隔一临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的空气进行边界层拖曳效应运动；
在鼓风机外壁中沿轴线方向设有一个鼓风机进口，该进口与鼓风机盘的开口圆形中心相邻，该鼓风机进口使得空气通过该鼓风机盘的开口圆形中心进入鼓风机并进入鼓风机盘之间的临界距离之中，该空气由于在鼓风机涡壳之内旋转的鼓风机盘产生的压差而通过鼓风机进口抽进来，由此将鼓风机盘的旋转能量通过作用在旋转鼓风机盘上的空气的边界层拖曳效应运动而传递到该空气上，从而增加空气的每单位容积的质量；
鼓风机出口，该出口加工在该鼓风机涡壳的壁中，并由Fibonacci公式确定，并且该出口与鼓风机盘的周边相切，该鼓风机出口使得每单位容积的质量增加的空气从无刃鼓风机中沿着与鼓风机盘的周向相切的方向排出而进入内燃机的发动机进口中。
2.如权利要求1所述的装置，该装置还包括：
位于涡轮机盘和涡轮机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封；以及
位于涡轮机盘和涡轮机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封，第一和第二迷宫式密封能防止废气在将能量传递给涡轮机盘之前通过涡轮机出口从涡轮机中排出。
3.如权利要求2所述的装置，其还包括：
位于鼓风机盘和鼓风机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第三迷宫式密封；以及
位于鼓风机盘和鼓风机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第四迷宫式密封，第三和第四迷宫式密封能防止空气在单位体积的空气的质量增加之前通过鼓风机出口从鼓风机中排出。
4.如权利要求3所述的装置，其还包括：至少一个可变喷嘴，该喷嘴安装在涡轮机进口中，该可变喷嘴能够改变涡轮机进口，因此可以增大或缩小进入涡轮机的废气的速度。
5.如权利要求4所述的装置，其还包括：至少一个可变喷嘴，该喷嘴安装在鼓风机进口中，该可变喷嘴能够改变鼓风机进口，因此可以增大或缩小进入鼓风机的空气的速度。
6.如权利要求4所述的装置，其中
所述无刃涡轮机具有两个涡轮机进口；
所述涡轮机盘具有三个辐条状的凸起，所述凸起将该涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上；以及
所述涡轮机盘和所述驱动轴由不锈钢制成。
7.如权利要求5所述的装置，其中
所述鼓风机盘具有三个辐条状的凸起，所述凸起将该鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上；以及
所述鼓风机盘由铝制成。
8.一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
支承组件；
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部，该驱动轴穿过该支承组件并与该支承组件可旋转地装配在一起；
固定在所述驱动轴第一端部的涡轮机，所述涡轮机驱动所述驱动轴；
由所述涡轮机驱动的无刃鼓风机，所述鼓风机包括：
鼓风机涡壳；
与鼓风机涡壳相邻的鼓风机内壁；；
与鼓风机涡壳相邻并与鼓风机内壁相对的鼓风机外壁；
一些平行的平坦的鼓风机盘容纳在鼓风机涡壳内并彼此间隔一临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的空气进行边界层拖曳效应运动；
在鼓风机外壁中沿轴线方向设有一个鼓风机进口，该进口与鼓风机盘的开口圆形中心相邻，该鼓风机进口使得空气通过该鼓风机盘的开口圆形中心进入鼓风机并进入鼓风机盘之间的临界距离之中，该空气由于在鼓风机涡壳之内旋转的鼓风机盘产生的压差而通过鼓风机进口抽进来，由此将鼓风机盘的旋转能量通过作用在旋转鼓风机盘上的空气的边界层拖曳效应运动而传递到该空气上，从而增加空气的每单位容积的质量；
鼓风机出口，该出口加工在该鼓风机涡壳的壁中，并由Fibonacci公式确定，并且该出口与鼓风机盘的周边相切，该鼓风机出口使得每单位容积的质量增加的空气从无刃鼓风机中沿着与鼓风机盘的周向相切的方向排出而进入内燃机的发动机进口中。
9.如权利要求8所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：
位于鼓风机盘和鼓风机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封；以及
位于鼓风机盘和鼓风机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封，第一和第二迷宫式密封能防止空气在单位体积的空气的质量增加之前通过鼓风机出口从鼓风机中排出。
10.如权利要求9所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：至少一个可变喷嘴，该喷嘴安装在鼓风机进口中，该可变喷嘴能够改变鼓风机进口，因此可以增大或缩小进入鼓风机的空气的速度。
11.如权利要求10所述的涡轮增压器，其中
所述鼓风机盘具有三个辐条状的凸起，所述凸起将该鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上；以及
所述鼓风机盘由铝制成。
12.一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
支承组件；
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部，该驱动轴穿过该支承组件并与该支承组件可旋转地装配在一起；
无刃涡轮机，该无刃涡轮机包括：
涡轮机涡壳；
与所述涡轮机涡壳相邻的涡轮机内壁；
与涡轮机涡壳相邻并与所述涡轮机内壁相对的涡轮机外壁；
一些平行的平坦的涡轮机盘容纳在涡轮机涡壳内并彼此间隔一大约0.006″到0.012″的临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有一些辐条状的凸起，凸起将该涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上，该临界距离仅仅能使得位于该临界距离之内的内燃机的废气进行边界层拖曳效应运动；
在该涡轮机涡壳的壁中设有至少一个涡轮机进口，该进口与涡轮机盘的周边相切，该涡轮机盘能使得废气沿着该涡轮机盘的切线方向进入涡轮机中，该废气在内燃机的排气冲程的作用下被推动而穿过涡轮机进口进入涡轮盘之间的临界距离之内，该废气通过其边界层拖曳效应将能量传递到涡轮机盘上而使得涡轮盘和驱动轴旋转；
在涡轮机外壁中沿轴线方向设有一个涡轮机出口，该出口与涡轮机盘的开口圆形中心相邻，该出口使得废气通过该涡轮机盘的开口圆形中心从无刃涡轮机排出；以及
由固定在所述驱动轴的第二端部上的无刃鼓风机，所述鼓风机能增加输送给内燃机的空气的单位体积的质量。
13.如权利要求12所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括；
位于涡轮机盘和涡轮机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封；以及
位于涡轮机盘和涡轮机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封，第一和第二迷宫式密封能防止废气在将能量传递给涡轮机盘之前通过涡轮机出口从涡轮机中排出。
14.如权利要求13所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：至少一个可变喷嘴，该喷嘴安装在涡轮机进口中，该可变喷嘴能够改变涡轮机进口，因此可以增大或缩小进入涡轮机的废气的速度。
15.如权利要求14所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：
所述无刃涡轮机具有两个涡轮机进口；
所述涡轮机盘具有三个辐条状的凸起，所述凸起将该涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上；以及
所述涡轮机盘和所述驱动轴由不锈钢制成
16.一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部
与所述驱动轴的第一端部相连的涡轮机，所述涡轮机包括：
一些涡轮机盘彼此间隔一临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有至少一个辐条状的凸起，所述凸起将所述涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上，这些平坦涡轮机盘通过与所述平坦涡轮机盘接触的废气的边界层拖曳效应而将内燃机的废气的速度转变成驱动所述驱动轴的旋转能；
至少一个涡轮机进口，所述进口涡轮机盘的圆周相切；
由驱动轴的第二端部驱动的鼓风机，所述鼓风机包括：
鼓风机涡壳；
一些位于所外壳内的鼓风机盘，彼此间隔第二临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有至少一个辐条状的凸起，所述凸起将所述鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上；
至少一个鼓风机进口，所述进口与鼓风机盘的开口圆形中心相邻，空气由于在鼓风机涡壳之内旋转的鼓风机盘产生的压差而通过鼓风机进口抽进来，由此将鼓风机盘的旋转能量通过与平坦鼓风机盘的表面接触的空气的边界层拖曳效应传递到该空气上，从而增加空气的每单位容积的质量；以及
至少一个鼓风机出口，所述出口的尺寸和形状由Fibonacci公式确定。
17.如权利要求16所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：
涡轮机内壁以及与涡轮机盘相邻的涡轮机外壁；以及
位于涡轮机盘和涡轮机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封。
18.如权利要求17所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括位于涡轮机盘和涡轮机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封。
19.如权利要求16所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括
鼓风机内壁以及与鼓风机盘相邻的鼓风机外壁；以及
位于鼓风机盘和鼓风机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第三迷宫式密封。
20.如权利要求19所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括位于鼓风机盘和鼓风机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第四迷宫式密封。
21.如权利要求16所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括至少一个可变喷嘴，该可变喷嘴能够改变涡轮机进口的横断面积，可以增大或缩小进入涡轮机的废气的速度。
22.如权利要求16所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括至少一个可变喷嘴，该可变喷嘴能够改变鼓风机进口的横断面积，因此可以增大或缩小进入鼓风机的空气的速度。
23.如权利要求16所述的涡轮增压器，其中
所述边界层拖曳效应使得平坦涡轮机盘的圆周边缘以大约3马赫到大约9马赫的速度旋转；
所述的一些涡轮机盘之间的临界距离为大约0.006英寸到大约0.050英寸；以及
所述的一些鼓风机盘之间的第二临界距离为大约0.006英寸到大约0.050英寸。
24.一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部；
与所述驱动轴的第一端部相连的涡轮机；
由驱动轴的第二端部驱动的鼓风机，所述鼓风机包括：
鼓风机涡壳；
一些彼此间隔一临界距离的平坦鼓风机盘，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有至少一个辐条状的凸起，所述凸起将所述鼓风机盘的中心固定安装到驱动轴的第二端部上；
至少一个鼓风机进口，所述进口与鼓风机盘的开口圆形中心相邻，空气由于在鼓风机涡壳之内旋转的鼓风机盘产生的压差而通过鼓风机进口抽进来，由此将鼓风机盘的旋转能量通过与平坦鼓风机盘的表面接触的空气的边界层拖曳效应传递到该空气上，从而增加空气的每单位容积的质量；以及
至少一个鼓风机出口，所述出口的尺寸和形状由Fibonacci公式确定。
25如权利要求24所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括
鼓风机内壁以及与鼓风机盘相邻的鼓风机外壁；以及
位于鼓风机盘和鼓风机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封。
26.如权利要求25所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括位于鼓风机盘和鼓风机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封
27.如权利要求24所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括至少一个位于所述鼓风机进口中的可变喷嘴，该可变喷嘴能够改变鼓风机进口的横断面积，因此可以增大或缩小进入鼓风机的空气的速度。
28.如权利要求24所述的涡轮增压器，其中，
该驱动轴使得平坦涡轮机盘的圆周边缘以大约3马赫到大约9马赫的速度旋转，并且所述盘之间的临界距离为大约0.006英寸到大约0.050英寸。
29.一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器包括：
驱动轴，该驱动轴具有第一端部和第二端部
与所述驱动轴的第一端部相连的涡轮机，所述涡轮机包括：
一些涡轮机盘彼此间隔一临界距离，这些盘具有开口圆形中心，该中心具有至少一个辐条状的凸起，所述凸起将所述涡轮机盘的中心固定安装到驱动轴的第一端部上，这些平坦涡轮机盘通过与所述平坦涡轮机盘接触的废气的边界层拖曳效应而将内燃机的废气的速度转变成驱动所述驱动轴的旋转能；
至少一个涡轮机进口，所述进口涡轮机盘的圆周相切；
至少一个涡轮机出口，所述出口与所述涡轮机盘的开口圆形中心相邻；以及
与驱动轴的第二端部相连的鼓风机。
30.如权利要求29所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括：
涡轮机内壁以及与涡轮机盘相邻的涡轮机外壁；以及
位于涡轮机盘和涡轮机内壁之间的由具有同心关系的脊构成的第一迷宫式密封
31.如权利要求30所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括位于涡轮机盘和涡轮机外壁之间的由具有同心关系的脊构成的第二迷宫式密封。
32.如权利要求29所述的涡轮增压器，该涡轮增压器还包括至少一个容纳在涡轮机进口中的可变喷嘴，该可变喷嘴能够改变涡轮机进口的横断面积，可以增大或缩小进入涡轮机的废气的速度。
33.如权利要求29所述的涡轮增压器，其中，所述边界层拖曳效应使得平坦涡轮机盘的圆周边缘以大约3马赫到大约9马赫的速度旋转，以及所述一些平坦涡轮机盘之间的临界距离为大约0.006英寸到大约0.050。
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