CN1680683A - 可变几何结构透平 - Google Patents

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Abstract

一种可变几何结构透平，其包括；一个由透平壳体(4)，一个绕透平轴线(17)旋转的透平轮(16)安装在壳体形成的腔室。透平腔室有一个径向延伸的由一对互相面对的透平壳体环形侧壁(19，20)形成的环形入口(18)，该环形入口(18)具有环形侧壁(19，20)间限定的轴向宽度。环形排列的摆动叶片(22)安装在入口(18)内，每个叶片(22)都有延伸穿过处于弦叶边缘和相邻环形入口(18)侧壁之间的入口(18)的轴向长度(L)，以及由延伸穿过入口(18)的叶片前缘和叶片后缘确定的弦长(W)。使叶片(22)绕各延伸穿过入口的转轴(23)旋转的装置(24，25)调整环形入口的有效横截面积。每个叶片都可在入口(18)面积最小的第一位置和入口(18)面积最大的第二位置之间绕轴旋转。至少一个所述的环形侧壁(18，19)构形为，当叶片在所述第一叶片位置和第二叶片位置之间的中间位置移动时，使所述侧壁和各叶片(22)的相邻弦边的至少一部分之间的间隙可以一种预定的方式来改变。

Description

可变几何结构透平
技术领域
本发明涉及一种可变几何结构透平，特别是一种适用于内燃机涡轮增压器的透平。更特别的是，本发明对用于带有排气再循环(EGR)系统的内燃机的涡轮增压器做了有益的改进。
背景技术
透平一般包括一个由透平壳体以及安装在壳体确定的腔室内的透平轮。透平腔室在透平轮的周围布置有环形的入口通道，同时被一环形入口腔室(蜗壳)所包围。一般沿着透平轮的旋转轴线从透平室延伸出一出口通道。
有着可变几何结构的入口通道的可变几何结构透平是公知的。在一种普通的可变几何结构透平中，入口通道的一个壁面由可移动壁面构件形成，通常称为“喷嘴环”，其相对于入口通道的对面壁面的位置是可调节的，这样可以调节入口通道的宽度。这样入口通道的宽度，也就是透平的几何结构，是可以改变的，使得当流过透平的气体体积减少时，入口通道的宽度也随之减小，从而维持气体的流速并因此保持透平的效率。
同样公知的是，给喷嘴环配置叶片可以提高透平的效率，该叶片被称为喷嘴叶片，喷嘴环延伸穿过入口通道，这样就使流过入口通道的气体向透平轮旋转方向偏斜(同理可知，给固定几何结构的透平配置固定的喷嘴叶片)。
另一种公知的可变几何结构透平是“摆动叶片”型。它包括布置在透平入口通道的一列可动叶片，每个可动叶片都可绕各自的轴线旋转，所述轴线平行于透平的轴线且延伸穿过入口(并基本与叶片周向测量大约一半的点相结合)。一个叶片致动机构与每一叶片连接起来，该机构可以用其他的使各叶片做一致运动的部件代替，这种一致运动可以调节用于进气的有效横截面积和气体相对透平轮的靠近角度。例如，使叶片的弦部基本向透平轮径向延伸定向叶片以增加相邻叶片间的间距，从而增加通道的流通横截面积，也就是涡轮“喉部”。另一方面，使叶片弦部基本沿透平轮周向延伸而使叶片绕轴旋转，以减少相邻叶片间的间距，从而缩小涡轮喉部。对于任一给定的叶片角度，其流速由喉部的尺寸和延伸穿过入口通道的叶片的固定轴长的乘积所决定。
在摆动叶片式涡轮增压器中一般是各块叶片都安装到一个旋转轴上，所述轴穿过入口的一个壁面，并且支撑入口外的一个曲柄或杆。各叶片的曲柄都与一个基本处于入口外面但又邻近叶片曲柄，且围绕涡轮增压器壳体延伸的致动环相连接。所述致动环通常被称为协调环。该协调环要么直接连接到叶片曲柄上，要么和使相互联接零件之间发生相对运动的连接件结合。现有技术中已经披露了各种不同的致动机构和连接装置，包括在申请人的欧洲专利申请号为1197637的文献中披露的柔性连接装置。
现在用于向内燃机进口供给高于大气压(升压)的气体的涡轮增压器中通常包括可变几何结构透平。一个常规的涡轮增压器基本上包括一个在透平壳体内安装在可旋转涡轮轴一端上的由排气驱动的透平轮。透平轮旋转驱动一个在压缩机壳体内安装在涡轮轴另一端上的压缩机轮转动。所述压缩机轮将压缩后的空气送入发动机的入口歧管。涡轮轴通常由耳轴和止推轴承支撑，其包括合适的润滑系统，该润滑系统置于一连接在透平轮壳体和压缩机轮壳体之间的中心轴承箱内。
当透平效率最大化成为透平研发的瓶颈时，可变几何结构透平在涡轮增压器中的使用尤为重要，要么从可用排气压力中抽取最大的增压压力，要么使增压压力满足最小排气歧管背压的需要。例如，在摆动型可变几何结构透平中，当排气被送入透平的体积较小时，可以通过缩窄相邻叶片间喉部的宽度使到达透平轮的气体流速维持在一个水平，从而保证透平高效运转的状态。当喉部缩窄时，对于任一给定体积的排气来说其通过透平入口通道的速度就会增加。相反地，当排气被送入透平的体积相当大时，通过扩大叶片间喉部的宽度可以减小到达透平轮气体的流速。这就降低了内燃机的背压，但同时降低了被送入发动机的空气的增压压力，这使得发动机能在其输出功率，燃料效率，或排污的最适宜范围内工作。
近来人们意识到在某些应用上追求透平效率的最大化可导致操作故障。例如，如果带有透平的涡轮增压器用于带有排气再循环(EGR)系统的内燃机时，高的效率峰值是不利的。在EGR系统中，考虑到降低排放的因素，来自排气歧管的一部分排气被重新导入发动机的进气歧管，使燃烧更加充分。但是在现代高效可变几何结构透平的设计中，进气歧管处的增压压力通常会超过排气歧管处的排气压力，这就不能做到将排气重新导入进气歧管，比如这时候需要用到专用的EGR泵等等。通过关闭摆动叶片式透平的喷嘴以缩窄喉部可以得到一个较高的排气歧管压力。但是，在高效透平中这样做会使增压压力升高，从而导致更高的进气歧管压力。这会导致内燃机气缸压力接近或者是超过所允许的极限值。
透平效率的改变依赖于透平的瞬间工况，包括质量流速，压力和温度。考虑到上面所提及的问题，人们意识到在某些工况下降低透平的效率是有益的，特别是驱动EGR流的情况。申请人的欧洲专利申请号为1353040的申请就致力于解决有上述类型喷嘴环的可变几何结构透平中存在的这个问题。特别地，被喷嘴环支承的喷嘴叶片构形成为能在低流速和最大流速的情况下降低效率峰值而又不会对效率产生太大的影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种专门用于解决上述问题和克服上述缺点的摆动叶片式可变几何结构透平。
根据本发明提供一种可变几何结构透平，包括：
一个形成透平腔室的透平壳体，其内安装有一个绕透平轴线旋转的透平轮；
透平腔室有一个径向延伸的由透平壳体互相面对的环形侧壁形成的环形入口，该环形入口的轴向宽度由所述的环形侧壁确定；
环形排列的摆动叶片安装在入口内，每个叶片都有延伸穿过处于弦叶边缘和相邻环形入口侧壁之间的入口的轴向长度，以及延伸穿过相对通过透平的气流方向来说入口上游和下游的由叶片前缘和叶片后缘确定的弦长；
使叶片绕转各自的轴旋转的装置，该装置延伸穿过入口以调节环形入口的有效横截面积，每个叶片都可在入口面积最小的第一位置和入口面积最大的第二位置之间绕轴旋转；
其特征在于至少一个所述的环形侧壁如此构形，即叶片在所述第一叶片位置和第二叶片位置之间的中间位置移动时，所述侧壁和每个叶片的相邻弦边的至少一部分之间的间隙可以一种预定的方式来改变。
附图说明
将参考附图通过实施例对本发明的具体实施方式作详细描述：
图1是带有固定几何结构透平的涡轮增压器的轴向剖视图，图中画出了涡轮增压器的基本零件；
图2是一常规摆动叶片式可变几何结构透平的局部轴向剖视示意图；
图3是沿图2中直线3-3剖视图，示出了摆动叶片组件的轴向视图；
图4示出了根据本发明的第一种实施方式图2和图3中摆动叶片式透平所作的改进；
图5示出了根据本发明的另一种实施方式图2和图3中摆动叶片式透平所作的改进。
具体实施方式
图1是带有固定几何结构透平的典型涡轮增压器的轴向剖视图，图中示出了涡轮增压器的基本零件。该涡轮增压器包括通过一个中央轴承箱3连接到一个压缩机2上的一个透平1。透平1包括一个其内部放置有透平轮5的透平壳体4。相似地，压缩机2包括一个其内部放置有压缩机轮7的压缩机壳体6。所述透平轮5和压缩机轮7安装在一常规透平轴8的两端，透平轴8由轴承箱3内的轴承组件9支撑。
透平壳体4有一排气入口10和一排气出口11。入口10将进入的排气引入一环形入口腔室，即蜗壳12，该腔室环绕着透平轮5并通过一径向延伸的环形入口通道13与之相连通。透平轮5旋转驱动压缩机轮7转动，从而通过一轴向入口14吸入空气，然后将压缩过的空气通过一环形出口蜗壳15送入发动机的进气口(未画出)。
参考图2和图3，图中示意生地示出了常规摆动叶片式透平的一个局部，它包括在一具有环形入口通道18的透平壳体内绕轴线17可旋转的透平轮16，所述入口通道18由相面对的环形透平壳体壁19和20形成，每一个壁都处于垂直透平轴线17的平面上。通过入口通道18排气从入口蜗壳21流至透平轮16。
环形排列的叶片22安装在入口通道18内，每个叶片都由各自的整体叶片轴23形成，每一根轴穿过入口壁19和20而突出，轴的一端有一曲柄24。致动器(未画出)可与安装在曲柄24上的销25相连，从而控制在轴6上叶片22的旋转。在常规的装置中致动器通常包括一个环，被称为协调环，其旋转的同时也控制所有叶片的绕轴旋转。协调环的运动可以通过多种形式的致动器来控制，包括气动式的和电动式的。和理解本发明无关的细节是本领域技术人员所公知的，这里就不再赘述了。
如图2所示，叶片22处于一种基本上沿径向完全打开的状态(也就是喉部宽度最大)。在图2所示的平面视图中，每个叶片22基本上是矩形的，有轴长L和弦宽W。如图2所示，常规情况下为了使叶片边缘和形成入口通道18的壳体壁19和20之间的间隙最小，叶片22的长度基本上等于环形入口通道18的轴向宽度。这样可以使围绕叶片边缘的气体泄漏最小化，气体泄漏对于透平的效率而言是有害的。
参考图3，图3示出了圆周方向相邻的两个叶片22，图中用实线画出的是入口(也就是喉部)可视横截面积相对较大的位置，虚线画出的是喉部相对较小的位置。图3所示的两种位置处于完全打开和完全关闭位置之间。应该理解，当叶片处在关闭位置时喉部将达到最小，也就是基本上周向延伸，当叶片处于完全打开位置时喉部将达到最大，也就是相对于图2中透平轴线径向延伸。当叶片22在全开和全闭位置之间绕轴旋转时，叶片边缘掠过入口通道壁19和20的径向延伸部分。
在实际使用中，通过对叶片22的位置作适当的调整以改变瞬时工况，从而使流到透平的气流达到最优化，这是公知的。还为人们所公知的是叶片从关闭位置向打开位置移动的过程中，由于透平的固有特性会使效率有一定的提高。这会产生如前面提及的由于效率过高而不能驱动EGR流动的问题。与前面描述的常规装置相比，本发明通过提供一种设计成至少在某些叶片位置可降低透平效率的入口构造来解决这个问题。
现在参考图4，其示出了本发明的第一种实施方式，其是对图2和图3中常规的摆动叶片式透平组件所作的改进。图4中与图2和图3相对应的特征用相同的数字予以标明。从图上可以明显看到本发明的实施方式和图2有明显的不同，因为形成环行入口通道18的环形壳体壁19和20以接近于叶片22绕轴旋转半径的半径在径向上逐渐变窄，这样随着绕轴旋转半径的减小入口通道的轴向宽度增加。所述的逐渐变窄是轴对称的，这样在每个叶片的该变窄区域内变窄是相同的。这样做的效果就是当叶片22在关闭和打开位置绕轴旋转时改变了环形侧壁19和20与相邻叶片22边缘之间的间隙。也就是说，在叶片处于关闭位置时，基本上沿周向延伸，该间隙将会是一个最小值，而且其沿每个叶片的前缘一直到后缘是不变的(每个叶片的前缘就是沿相对于气体流过入口通道18的方向来说延伸穿过入口通道18上游的边缘)。但是，当每个叶片22向着打开位置绕轴旋转时，其后缘将会开始掠过入口通道18的变窄区域，这样叶片和入口通道侧壁19和20之间的间隙会增加。这样所产生的效果就是与该间隙为常数的常规透平相比较，当叶片朝打开位置进一步移动时透平的效率会降低。因此该装置就避免出现前面概述的常规摆动叶片式透平设计中存在的问题。
应该理解，可以通过改变如变窄角度(a)和侧壁19和20开始变窄时的半径这样的特征来精确地调节透平的效率。例如，如果在此图4中所示半径较小的位置开始变窄，在变窄区域开始影响到透平效率之前叶片22将不得不进一步朝打开位置摆动。类似的，对于一个给定的变窄起始半径来说，变窄的角度将会影响叶片22和侧壁19和20之间的间隙，从而最大程度影响透平效率。
虽然图4中的侧壁19和20成线性变窄，但是当叶片朝打开位置摆动时可通过随半径减小而增减变窄速度而影响效率(所以侧壁19和20的变窄部分在轴截面上是弯曲的)。在某些情况下将变窄角度先增大再减小是合适的，反之亦然。
应该理解侧壁19和20并不必要以相同的方式变窄，例如侧壁19可以与侧壁20有不同的变窄角度和径向起始点，这取决于预定的对透平效率产生的影响。类似的，应该理解不是必需要使两侧壁19和20都变窄，而是在某些情况下可以通过使侧壁19和20中的一个变窄，另一侧壁就沿垂直于透平轴线的平面延伸来达到预定的效率减少。
本发明的另一种实施方式如图5所示，也是对图2和图3所示的常规摆动叶片式透平所作的的改进。图5是与图3所示的横截面剖视图相对应的轴视图，用和图3中相同的数字符号表示相同的特征。在本发明的这种实施方式中入口通道壁19和20不是变窄的，而是与图2和图3中的常规透平那样，是在垂直于轴线17的平面内。但是，通过在侧壁19中形成一凹痕或者凹槽26获得叶片22的弦边和入口通道侧壁19之间变化的间隙，当叶片22在关闭位置和打开位置之间移动时，叶片掠过这些凹痕或凹槽26。如图5所示，在完全关闭位置时每个叶片22的后缘扫清其所对应的凹槽26。但是，当叶片22向打开位置移动时会存在一个点，在该点处叶片22开始掠过叶片所对应的凹槽26的径向外部末端因此在围绕着叶片边缘部分区域有效地打开一漏气通道，也就是说沿着叶片22边缘的至少一部分增大叶片22和侧壁19之间的间隙。
可以通过凹槽26的适当的定位以及适当成形来调整叶片/侧壁的间隙所产生的影响，从而改变透平效率。例如，对于任一给定的半径，凹槽26的周向宽度，以及轴向深度将确定任意叶片位置处叶片22和侧壁19之间间隙的有效增量(也就是决定围绕叶片边缘的漏气通道的有效尺寸)。因此，任何预定的透平效率变值都可以通过适当的凹槽26的尺寸和位置来得到。例如，如图5所示，在相对关闭叶片的位置增大叶片22和侧壁19之间的间隙将会使变值一开始就达到最大，而当叶片移动到完全打开位置时会使变值达到最小。在图4所描述的实施方式中通过入口通道壁的变窄来达到相同的变值将会更加困难。
虽然图5的实施方式仅在入口通道18的一个侧壁上形成有凹槽26，但可以理解也能在另一侧壁20上形成凹槽，而且在每一侧壁上形成的凹槽在相对位置上，尺寸上，形状上和另一侧壁上的凹槽也可以不相同。
本领域技术人员从以上对本发明实施方式的描述可以明显地推知本发明的其它改进形式。

Claims (18)

1、一种可变几何结构透平，其包括；
一个形成透平腔室的透平壳体，其内安装有一个绕透平轴线旋转的透平轮；
透平腔室有一个径向延伸的由透平壳体互相面对的环形侧壁形成的环形入口，该环形入口的轴向宽度由所述的环形侧壁确定；
环形排列的摆动叶片安装在入口内，每个叶片都有延伸穿过处于弦叶边缘和相邻环形入口侧壁之间的入口的轴向长度，以及延伸穿过相对通过透平的气流方向来说入口上游和下游的由叶片前缘和叶片后缘确定的弦长；
使叶片绕转各自的轴旋转的装置，该装置延伸穿过入口以调节环形入口的有效横截面积，每个叶片都可在入口面积最小的第一位置和入口面积最大的第二位置之间绕轴旋转；
其特征在于至少一个所述的环形侧壁如此构形，即叶片在所述第一叶片位置和第二叶片位置之间的中间位置移动时，所述侧壁和每个叶片的相邻弦边的至少一部分之间的间隙可以一种预定的方式来改变。
2、如权利要求1所述的透平，其特征在于至少一个环形侧壁如此构形，即当每个叶片在所述的第一位置时，侧壁和相邻的每个叶片弦边的间隙最小。
3、如权利要求1或2所述的透平，其特征在于至少一个环形侧壁如此构形，即当叶片在所述的第一位置时，侧壁和相邻的每个叶片弦边之间的间隙沿叶片边缘基本上不变。
4、如前面任一权利要求所述的透平，其特征在于该环形侧壁或每一个环形侧壁如此构形，即入口轴向宽度随着半径的减小从最小值增加到最大值。
5、如权利要求4所述的透平，入口轴向宽度的增加率随着半径的减小而变化。
6、如权利要求4或者5所述的透平，其特征在于当叶片处于所述第一位置和第二位置之间的第一中间位置时，入口轴向宽度从对应于每个叶片后缘的半径位置开始增加。
7、如权利要求4-6中任一所述的透平，其特征在于当叶片处于第一位置时，环形入口轴向宽度的变化从半径小于每个叶片后缘的半径处开始。
8、如权利要求4-7中任一所述的透平，其特征在于所有的侧壁成轴对称形以产生所述环形入口的轴向宽度变化。
9、如权利要求8所述的透平，其特征在于所有的环形侧壁成轴对称变窄。
10、如权利要求9所述的透平，其特征在于所述变窄是线性的。
11、如权利要求9所述的透平，其特征在于所述变窄是非线性的。
12、如权利要求1-3中任一所述的透平，其特征在于所述的至少一个侧壁上为每个叶片设有一凹痕，凹痕形成环形壁件表面的一部分，当叶片在所述第一位置和第二位置之间运动时会掠过该凹痕，当叶片处在第一位置和第二位置之间的对应于凹痕位置的中间位置时，凹痕产生一围绕着相邻叶片弦边的漏气通道。
13、如权利要求12所述的透平，其特征在于每个凹痕有相同的尺寸和形状。
14、如权利要求12或13所述的透平，其特征在于每个凹痕在相对于透平轴线的周向上的宽度随相对于透平轴线的半径而改变。
15、如权利要求12-14中任一所述的透平，其特征在于每个凹痕的轴向深度随相对于透平轴线的半径而改变。
16、如权利要求12-15中任一所述的透平，其特征在于当叶片处于所述第一位置和第二位置之间的第一中间位置时，凹痕被限制在由每个叶片后缘的径向位置和各自的环形壁件的内部径向边缘所确定的各自环形侧壁的径向区域内。
17、如权利要求12-16中任一所述的透平，其特征在于所述的一对环形侧壁上都有所述的凹痕。
18、一种可变几何结构透平，其基本上是参考附图4和图5，如上文中所描述的透平。
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