CN1555457A - 具有扭转振动减震器的涡轮机增压器 - Google Patents

具有扭转振动减震器的涡轮机增压器 Download PDF

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Abstract

废气涡轮机增压器(10)由内燃机的废气操纵，并被装配一个高速旋转电机单元(11)，该单元包括一个涡轮机增压器轴(14)，与轴(14)不可转动地连接了一个涡轮(22)，与轴(14)不可转动地连接了一个压缩机轮(26)。为了增加涡轮机增压器(10)的操纵可靠性，扭转振动减震器被布置在涡轮机增压器轴(14)上。扭转振动减震器(36)减少了在轴(14)上产生的扭转振动载荷，该载荷由于内燃机更高发动机指令产生。

Description

具有扭转振动减震器的涡轮机增压器
技术领域
本发明涉及到一种依照权利要求1前序部分所述的特征的涡轮机增压器。
背景技术
涡轮机增压器被用来增加往复运动活塞式发动机的功率。它们拥有高速旋转电机单元，包括一个涡轮机，一个压缩机和一个联结涡轮机和压缩机的轴。在废气涡轮机增压器中，增压器的涡轮机依靠内燃机的废气来运转。涡轮机依靠公共轴驱动压缩机。压缩机压缩的气体被供应到发动机的燃烧室，用来给发动机充气。作用在涡轮机上的来自内燃机的废气压力不是常量。这样可能激发涡轮机增压器轴的振动。压力波动尤其与发动机排气门的开关特性和排气管的构造有关。发动机的主点火频率和压力振动频谱的前部相近，所说的点火频率取决于气缸的数量、工作行程(2冲程/4冲程)和发动机的旋转速度。本技术领域的现有技术是要以这样一种方式确定涡轮机增压器轴的尺寸，要求涡轮机增压器轴的所有扭转特征频率要明显高于发动机最大可能的点火频率。因此，到至今为止避免主激振和特征扭转频率的共振，以及设计涡轮机增压器使其操纵可靠是可能的。
更近的调查和测量表明，除了在点火频率下，更高的发动机指令在压力波动频谱下也会发生。这些更高指令的压力波动可能和涡轮机增压器轴的特征扭转频率一致。这些共振，在可变发动机旋转速度的情况下不能避免，并且会导致涡轮机增压器轴的扭转应力。但是，在过去，由于涡轮机增压器轴内阻的原因，激励级别如此低以致共振仅仅导致很小的扭转应力，这些应力在长期范围内是可以容忍的。
但是，由于陡峭的凸轮轴侧面和在发动机和涡轮机增压器里增加的压力条件，更高的激振和因此在涡轮机增压器轴里的产生的更高的扭转应力会出现。涡轮机增压器轴需要增加的功率密度是更进一步将加重这个问题的因素。因此在将来可能出现涡轮机增压器轴上不能容许的高载。
至今，因在涡轮机机组里由扭转振动产生的抵消载荷而闻名的唯一措施就是选择更大的轴直径。但是，它带来了在涡轮机增压器轴的轴承中的更高功率损失。
发明内容
因此本发明的任务是提供一个成本经济的涡轮机增压器，具有一个高速旋转电机单元，即使在未来涡轮机增压器轴的扭转振动激励水平增加的情况下涡轮增压器的操纵可靠性保证没有效率损失。
这个目标可以通过根据权利要求1所述的涡轮机增压器来实现。在涡轮机增压器轴上的扭转减震器的布置减轻了涡轮机增压器轴由于某些扭转震动所产生的载荷，因而防止了临界载荷峰值的产生。操作可靠性即使是在带有变化较为陡峭的凸轮轴面的构造和在发动机和涡轮机增压器中的增压比提高时也能保证。
熟知的扭转振动减震器的原理，例如机油位移减震器，橡胶减震器，纤维胶扭转减震器和硅树脂油橡胶减震器的原理开始被考虑。这些熟知的减震器本质特性例如在“Berechnung des dynamischenVerhaltens von Viskosedrehschwingungsdmpfern”(“粘胶扭转振动减震器的动态特性计算”)。Dissertation Tu Berlin，1982，Dipl，Ing Rainer Hartmann，pp.9-13。
减震器布置在压缩机侧面的轴端，特别是在压缩器轮毂入口侧，是有利的。因为振动偏差和由此产生的减震作用在这些位置处能够发挥最大的功用。另外的一个优点就是在相对恒定的低温下，能够有较好的冷却作用，这对于所有形式的减震器结构都是很有利的。
在压缩机轮入口处的布置中，扭转振动减震器的外径的选择大约相当于压缩机在入口处的轮毂直径的80％-％110，最好90％至100％。结果，径向结构空间被有效利用以及压缩机的流入不受扰乱。
也可以想到在涡轮机的区域布置减震器，在这种情况下，应注意要使用有足够热阻的材料。
同样优选的是，在涡轮和压缩机轮之间布置扭转振动减震器。因为这里首先是径向结构空间更大，所以减震器的尺寸设计更简单。
纤维胶扭转振动减震器的使用证实了其特殊的优势。环形旋转质量支承在外壳内部可自由旋转。纤维胶介质被引入至活塞环和外壳之间的缝隙里，在这两个部件相对运动的情况下，由于出现的剪切力的结果将会产生阻尼作用。在这种情况下，稳定减震器的温度特别重要。因此减震器布置在压缩机轮的入口是有利的。空气流在压缩机的入口区域具有非常高的流速，保证了减震器最佳的冷却效果和因此产生减震器的均衡温度。
根据涡轮机增压器的设计和产生的扭转振动载荷，在涡轮机增压器轴上布置多个扭转振动减震器而不是一个扭转振动减震器是更有利的。在这种情况下，依照载荷使用相同的或者不同的扭转振动减震器，它们可能彼此直接相邻布置或者布置在轴的不同位置上。
其它优选的实施例是从属权利要求的主题。
附图说明
下面借助附图所示的优选实施例更详细地解释本发明的主题。
图1以沿着涡轮机增压机的纵轴线的截面图示出了涡轮机增压器，其在压缩机入口区域具有一个扭转振动减震器。
图2表示图1所示的涡轮机增压器，它在压缩机轮和涡轮之间的区域具有一个扭转振动减震器。
图3表示具有扭转振动减震器的涡轮机增压器轴上的扭转振动幅值的测量结果，和
图4表示具有扭转振动减震器的涡轮机增压器轴上的扭转振动幅值的测量结果。
在附图中用的附图标记和它们的含义在附图标记的列表里作了比较。基本上讲，相同的部分在附图里具有相同的附图标记。描述的实施例是本发明主题的例子的代表，没有限制作用。
具体实施方式
图1和2各自表明一个具有一个高速旋转电机单元11的涡轮机增压器10在沿着它们的纵轴线18的截面图。每一个高速旋转电机单元11包括一个涡轮机12和一个压缩机16，它们彼此之间通过一个公共涡轮机增压器轴14相连。涡轮机12具有一个涡轮22，外面环绕一个涡轮机外壳20，具有涡轮机叶片23。压缩机轮26具有压缩机叶片27，其规则分布在压缩机轮毂25周围。压缩机轮26外围环绕压缩机外壳24，依靠公共轴14由涡轮机12驱动。公共涡轮机增压器轴14支承在压缩机轮26和在轴承支架28中的涡轮22之间。
涡轮机支架20形成了一个气流管29，与内燃机的排气管相连(未示出)。气流管29通过涡轮22引导，通过涡轮机外壳20的出气口外壳30，使释放从涡轮机增压器10出来的内燃机的废气成为可能。压缩机外壳形成了第二个气流管32，通过其入口34，空气或者其他可燃气体被吸入，通过压缩机轮26引导，同时被压缩。压缩气体最后通过未明确示出的压缩机外壳24的出口从涡轮机增压器10中释放，流至内燃机的进气管(未说明)。
当所说的废气流过涡轮26，根据发动机指令，压力波动通过内燃机的废气传递至涡轮机增压器轴14，并被扭转振动减震器36衰减。在这儿所示的例子里，这是一个纤维胶扭转振动减震器，被固定的确定在压缩机轮26的压缩机轮毂25之前的入口侧固定在轴14上不可转动。通过这样布置，纤维胶扭转振动减震器通过流入的气体得到最佳的冷却。而且，扭转振动减震器如此布置在轴14最高的扭转振动幅值的区域，故而可以发挥最大的功用。在这个例子里，扭转振动减震器36的径向延伸达到压缩机轮毂25在接着扭转振动减震器36的区域的径向延伸的100％。结构空间因此被最佳利用，不会阻碍通过压缩机轮26的气流。
图2中的涡轮机增压器10和图1中的涡轮机增压器10相同。然而，用于减少轴14的扭转振动载荷的扭转振动减震器36不是在压缩机轮26的区域里而是在涡轮机增压器10的轴承外壳28的区域在压缩机轮26和涡轮22之间抗扭地连接在涡轮机增压器轴14上。更大的径向结构空间在这儿可以有利的利用，因此使扭转振动减震器36产生更高的效率。无可否认，这种高效，由于更接近扭转振动的节点，对于阻尼效率不能一直发挥全部的功用。由于较差的冷却可能性，在这儿橡胶减震器代替纤维胶减震器被使用。
图3和4通过举例的方式表示，涡轮机减震器轴的扭转振动幅值的两种测量结果，在一方面，如图3不具有扭转振动减震器，另一方面，如图4具有扭转振动减震器。测量基于纤维胶扭转振动减震器在压缩机入口区域的使用。扭转振动的振动频率被画在上面，单位为Hz，旋转速度被画在右面，单位为转/秒。发生的发动机指令40被画成对角线形式。在相关联的激励发动机指令40的区域里，扭转振动44增加的幅值42在两个图里可以清楚的看到。但是，在图4中的幅值42水平比图43中的低很多，前者在具有扭转振动减震器的涡轮机机增压器轴上测量，后者在不具有扭转振动减震器的涡轮机机增压器轴上测量。这中结果表明在涡轮机机增压器中使用扭转振动减震器能够对涡轮机增压器的操纵可靠性作出显著的贡献。
附图标记列表
10涡轮机增压器
12涡轮机
14轴
16压缩机
18纵轴线
20涡轮机外壳
22涡轮
23涡轮机叶片
24压缩机外壳
26压缩机轮毂
27压缩机叶片
28气流管
30出气口外壳
32气流管
34入口
36扭转振动减震器
40发动机指令
42扭转振动幅值
44扭转振动

Claims (9)

1.废气涡轮机增压器，具有一个高速旋转的电机单元(11)，该电机单元包括一个涡轮机增压器轴(14)、一个与轴(14)不可转动地连接的涡轮(22)以及一个与轴(14)不可转动地连接的压缩机轮(26)，该电机单元受内燃机的废气操纵，其特征在于，为了衰减涡轮机增压器轴(14)被更高的内燃机发动机指令激励的扭转振动，在轴(14)上布置一个扭转振动减震器(36)。
2.如权利要求1所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)是一个纤维胶扭转振动减震器。
3.如权利要求1所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)是一个机油位移减震器。
4.如权利要求1所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)是一个橡胶减震器。
5.如权利要求1所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)是硅树油橡胶减震器。
6.如前述权利要求中的一个所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)在压缩机(16)的区域固定在涡轮机增压器轴(14)上，特别是固定在压缩机轮(26)的压缩机轮毂(25)前面的入口侧。
7.如权利要求6所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)的外径是在接着本装置的压缩机轮毂(25)的区域的压缩机轮毂(25)外径的80-110％，最好90-100％。
8.如前述权利要求中的一个所述的涡轮机增压器，其特征在于扭转振动减震器(36)被布置在压缩机轮(26)和涡轮(22)之间或者在涡轮机(12)的区域。
9.如前述权利要求中的一个所述的涡轮机增压器，其特征在于不只一个扭转振动减震器(36)布置在涡轮机增压器轴(14)上，其中扭转振动减震器(36)被布置在轴(14)的不同位置上，并且可以设置不同类型的扭转振动减震器(36)。
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