CN201794626U - 一种可变截面双流道进气涡轮 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变截面双流道进气涡轮，包括涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳上设有蜗壳喷嘴，涡轮蜗壳内安装有涡轮叶轮，所述涡轮蜗壳上设有蜗壳进气流道，蜗壳进气流道内设有中间壁，所述中间壁将蜗壳进气流道分隔成蜗壳进气小流道和蜗壳进气大流道，所述中间壁的径向截面为弧形结构，其弧度为60°～180°，本实用新型通过所述中间壁的合理分隔，改变中间壁的末端在周向上的位置，从而改变大小流道相对应的进气区域角度，可以实现所述蜗壳进气小流道的进气区域角度在60-180度之间变化，相应的蜗壳进气大流道的进气区域角度在300-180度之间变化。

Description

一种可变截面双流道进气涡轮

技术领域

本实用新型涉及一种可变截面增压器，具体的说涉及一种流通截面积不同的可变截面双流道进气涡轮，能有效地兼顾发动机的高低速增压要求，属于内燃机增压领域。

背景技术

随着排放标准的逐步提高，增压器被广泛的应用于现代发动机。为了满足发动机所有工况下的性能和排放要求，增压器必须具有增压压力和排气压力的可调节功能。随着国四排放法规的实施，可变截面增压器已经成为国内外研发的重点。目前普遍采用在涡轮蜗壳喷嘴处增加旋转叶片的结构来满足变截面的要求，与传统涡轮增压器相比，它能有效地拓宽涡轮增压器与发动机的匹配范围，实现增压压力和排气压力的可调节功能。

旋叶式可变涡轮增压器结构示意图如图1所示，旋叶式涡轮增压器叶轮部分和涡轮部分，叶轮部分包括压气机壳1，在压气机壳1内安装有压气机叶轮13，压气机叶轮13上安装有转子轴12，所述涡轮部分包括蜗壳4、蜗壳喷嘴6、涡轮叶轮8三部分，所述压气机壳1与蜗壳4之间通过中间壳2连接，蜗壳4内安装有喷嘴叶片7，所述喷嘴叶片7安装在喷嘴环支撑盘5上。

发动机排出的废气经涡轮进气道10到达蜗壳喷嘴6，传动机构3通过控制喷嘴叶片7来调节喷嘴的流通面积和出口废气的角度，使废气按设计的角度分布到涡轮叶轮8的周边，推动涡轮叶轮8高速旋转，废气对涡轮做完功后经蜗壳排气口9排出。在中间壳2内部浮动轴承11的支撑下，通过转子轴12带动压气机叶轮13高速旋转，对轴向进入压气机的空气进行压缩。压缩后的空气经过压气机壳1的收集后被送入气缸参与燃烧，实现增压的目的。

旋叶式可变截面涡轮增压器通过改变喷嘴叶片的角度来改变涡轮流通面积，控制方便。但是通过实际的应用发现这种旋叶式可变涡轮增压器存在一些缺点：

当发动机在大流量工况时，喷嘴叶片7的开度增大，喷嘴叶片7距离涡轮叶片前缘较近，废气颗粒会对喷嘴叶片7造成较大的磨损。当发动机在小流量工况时，喷嘴叶片7开度很小，这时喷嘴出口气流的周向速度高，涡轮变为冲动式涡轮，另外气体流动的气动损失也比较严重，从而使增压器效率下降。

发动机排出的废气具有600～700度左右的排气温度，并且有进一步提升的趋势，排气高温对喷嘴叶片7、喷嘴环支撑盘5、传动机构3都有严格的要求。另外涡轮增压器工作环境恶劣、强烈的振动对传动机构3的可靠性都有很高的要求。传动机构3的可靠性较差是到现在还没有完全解决好的技术问题。

旋叶式可变截面增压器的成本很高，这使许多发动机厂家对其昂贵的价格望而却步。成本和寿命限制了该类型可变截面增压器的市场。

因此希望设计一种结构简单、成本低、可靠性高，并且在小流量时具有较高效率的新型可变截面涡轮结构，来解决目前旋转叶片结构的涡轮增压器在可靠性和效率方面存在的问题，满足发动机在各个工况下对增压压力的要求。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是针对传统的旋转叶片式可变截面涡轮增压器的效率和可靠性较差的问题，提供一种结构简单、成本低、可靠性高、控制方便的可变截面双流道进气涡轮。

为了解决上述问题，本实用新型采用一下技术方案：

一种可变截面双流道进气涡轮，包括涡轮蜗壳，所述涡轮蜗壳上设有蜗壳喷嘴，涡轮蜗壳内安装有涡轮叶轮，所述涡轮蜗壳上设有蜗壳进气流道，蜗壳进气流道内设有中间壁，所述中间壁将蜗壳进气流道分隔成蜗壳进气小流道和蜗壳进气大流道，其特征是：所述中间壁的径向截面为弧形结构，其弧度为60°～180°。

以下是本实用新型对上述方案的进一步改进：

所述中间壁的其中一端与涡轮蜗壳固接，所述蜗壳进气小流道与蜗壳进气大流道在靠近中间壁另一端位置处连通。

进一步改进：

所述蜗壳进气小流道的流通面积小于所述蜗壳进气大流道的流通面积。

进一步改进：

所述中间壁与所述涡轮蜗壳铸为一体结构。

进一步改进：

所述中间壁上靠近蜗壳进气流道进口的位置设有旁通口，在旁通口上安装有进气调节阀门，所述进气调节阀门与进气调节控制机构传动连接。

所述进气调节控制机构能根据发动机的实际工况调节所述进气调节阀门的开度，实现蜗壳进气流道的选择和流通能力的控制。

另一种改进：

所述蜗壳进气小流道可位于蜗壳进气大流道内侧，当所述蜗壳进气小流道位于内侧时，发动机低速时的蜗壳内流通损失最小并且具有好的加速特性；

另一种改进：

所述蜗壳进气小流道位于蜗壳进气大流道外侧，所述蜗壳进气小流道位于外侧时，蜗壳进气大流道延周向收缩较快，可实现较小的涡轮整体外形尺寸。

另一种改进：

所述蜗壳进气大流道的喷嘴处设有若干个气流导向叶片，若干个气流导向叶片呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

另一种改进：

在蜗壳进气小流道的喷嘴处设有若干个气流导向叶片，若干个气流导向叶片呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

另一种改进：

所述涡轮蜗壳的喷嘴位置设有若干个气流导向叶片，若干个气流导向叶片呈圆周状均匀排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

所述气流导向叶片向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的方向流入涡轮。

本实用新型通过所述中间壁的合理分隔，改变中间壁的末端在周向上的位置，从而改变大小流道相对应的进气区域角度，可以实现所述蜗壳进气小流道的进气区域角度在60-180度之间变化，相应的所述蜗壳进气大流道的进气区域角度在300-180度之间变化。

采用可变截面双流道进气涡轮后，在发动机低速工况下，进气调节阀门处于关闭状态，所有发动机排气进入蜗壳进气小流道。由于蜗壳进气小流道的流通截面积小且为进气，可有效提升涡轮进气压力，提高废气中的可用能量；由于蜗壳进气小流道采用进气，发动机低速、蜗壳进气大流道关闭状态下的涡轮叶轮进气面积缩小，小于全周进气状态下的涡轮叶轮进气面积的一半，涡轮的进气角度可控制在70度左右的高效区域，与旋叶式可变截面增压器相比，避免了低速时过大的进气冲角损失，可有效提高低速时的涡轮效率。通过废气可用能量的提升和低速时涡轮效率的提高，有效增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机低速时的较高增压压力需求；同时由于蜗壳进气小流道的容积小，发动机排出的废气可快速进入涡轮叶轮，有效缩短气流的流动路程以消除增压滞后带来的影响，提高发动机的加速相应特性。通过以上两方面的作用，有效提高发动机低速性能并降低排放。

在发动机中高速工况下，进气调节阀门处于开启状态，蜗壳进气小流道和蜗壳进气大流道一起工作。由于进入蜗壳进气小流道和蜗壳进气大流道的发动机排气流量受进气调节阀门开度的控制，导致实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积可变。在相同的涡轮蜗壳进气总流量下，如果进气调节阀门开度小，进入蜗壳进气小流道的排气多而进入蜗壳进气大流道的排气少，实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积相对较小；如果进气调节阀门开度大，进入蜗壳进气小流道的排气少而进入蜗壳进气大流道的排气多，实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积相对较大。通过控制机构控制进气调节阀门的开度，实现大小进气流道的流道选择和流量分配，控制实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积，可有效控制发动机的排气压力和增压压力，以满足发动机在中高速工况下增压需求。同时，大小蜗壳进气流道的总流通截面积和涡轮的总进气面积满足发动机额定工况下的流通能力需求，避免发动机过增压和增压器的超速。

本实用新型中结构简单，继承性好，成本低，容易快速实现工程化，可以有效的满足发动机全工况范围的增压要求。

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步说明：

附图说明

附图1为本实用新型背景技术中旋叶式可变截面增压器结构示意图；

附图2为本实用新型实施例1的结构示意图；

附图3为附图2中的K-K向剖视图；

附图4为本实用新型实施例1中蜗壳进气小流道的进气区域角度α为60度时的涡轮结构示意图；

附图5为本实用新型实施例1中蜗壳进气小流道的进气区域角度α为180度时的涡轮结构示意图；

附图6为本实用新型实施例1中进气调节阀门开启状态的涡轮结构示意图；

附图7为本实用新型实施例2中蜗壳进气大小流道的位置互换后的涡轮结构示意图；

附图8为本实用新型实施例3中蜗壳进气大流道的喷嘴处安装气流导向叶片的结构示意图；

附图9为本实用新型实施例4中蜗壳进气小流道的喷嘴处安装气流导向叶片的的结构示意图；

附图10为本实用新型实施例5中蜗壳进气大小流道的喷嘴处同时安装气流导向叶片的的结构示意图。

图中：1-压气机壳；2-中间壳；3-传动机构；4-涡轮蜗壳；5-喷嘴环支撑盘；6-蜗壳喷嘴；7-喷嘴叶片；8-涡轮叶轮；9-蜗壳排气口；10-蜗壳进气流道；11-浮动轴承；12-涡轮转子轴；13-压气机叶轮；14-涡轮壳盖板；15-进气调节阀门；16-进气调节控制机构；17-支撑凸台；18-蜗壳进气小流道；19-蜗壳进气大流道；20-中间壁；21-气流导向叶片；22-旁通口。

具体实施方式

实施例1，如图2和图3所示，一种可变截面双流道进气涡轮，包括涡轮蜗壳4，所述涡轮蜗壳4上设有蜗壳喷嘴6，涡轮蜗壳4内安装有涡轮叶轮8，所述涡轮蜗壳4上设有蜗壳进气流道10，蜗壳进气流道10内设有中间壁20，所述中间壁20将蜗壳进气流道10分隔成蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19，蜗壳进气小流道18的流通面积小于蜗壳进气大流道19的流通面积，蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19均为进气。

所述中间壁20的径向截面为弧形结构，所述中间壁20的其中一端与涡轮蜗壳4固接，所述蜗壳进气小流道18与蜗壳进气大流道19在靠近中间壁20另一端位置处连通，其弧度可在60°～180°之间变化，通过改变中间壁20的末端在周向上的位置实现蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的进气区域角度的改变。

所述中间壁20上靠近蜗壳进气流道10进口的位置设有旁通口22，在旁通口22上安装有进气调节阀门15，所述进气调节阀门15与进气调节控制机构16传动连接。

涡轮壳设有涡轮壳盖板14，涡轮壳盖板14用来防止进气调节阀门15开启过程中气体的泄漏，起到密封的作用。涡轮壳上还设有支撑凸台17，支撑凸台17与执行器支架通过螺栓固定连接以用来安放进气调节控制机构16。通过进气调节控制机构16使进气调节阀门15形成不同的开度，控制进入蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的气体流量，实现流道的选择和流通能力的控制。

发动机在低速工况下，进气调节阀门15处于关闭状态，此时所有发动机排气进入蜗壳进气小流道18，由于蜗壳进气小流道18的流通截面积小且为进气，可有效提升涡轮蜗壳4的进气压力，提高废气中的可用能量；由于蜗壳进气小流道18采用进气，发动机低速、进气调节阀门15关闭状态下，涡轮叶轮进气面积较小，小于全周进气状态下的涡轮叶轮进气面积的一半，涡轮的进气角度可控制在70度左右的高效区域，与旋叶式可变截面增压器相比，避免了低速时过大的进气冲角损失，可有效提高低速时的涡轮效率。通过废气可用能量的提升和低速时涡轮效率的提高，有效增大发动机低速时的涡轮输出功，使增压压力升高，满足发动机低速时的较高增压压力需求；同时由于蜗壳进气小流道8的容积小，发动机排出的废气可快速进入涡轮叶轮8，有效缩短气流的流动路程以消除增压滞后带来的影响，提高发动机的加速相应特性。通过以上两方面的作用，有效提高发动机低速性能并降低排放。

如图4、图5所示，蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19在周向上的进气区域角度可以根据发动机的不同要求进行针对性设计。

通过改变中间壁20的末端在周向方向上的位置实现蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的进气区域角度的改变，α为蜗壳进气小流道18的进气区域角度，β为蜗壳进气大流道19的进气区域角度，β＝360-α。

蜗壳进气小流道18的进气区域角度可以在60-180度之间变化，相应的蜗壳进气大流道19的进气区域角度可以在300-180度之间变化。

如图6所示，发动机在中高速下，进气调节阀门15处于开启状态，蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19一起工作。由于进入蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的发动机排气流量受进气调节阀门15开度的控制，导致实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积可变。在相同的涡轮蜗壳进气总流量下，如果进气调节阀门15开度小，进入蜗壳进气小流道18的排气多而进入蜗壳进气大流道19的排气少，实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积相对较小；如果进气调节阀门15开度大，进入蜗壳进气小流道18的排气减少而进入蜗壳进气大流道19的排气增多，实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积相对较大。通过进气调节控制机构16控制进气调节阀门15的开度，实现大小进气流道的流道选择和流量分配，控制实际的涡轮蜗壳流通截面积和涡轮叶轮进气面积，可有效控制发动机的排气压力和增压压力，以满足发动机在中高速工况下增压需求。同时，大小蜗壳进气流道的总流通截面积和涡轮叶轮的总进气面积满足发动机额定工况下的流通能力需求，避免发动机过增压和增压器的超速。

本实用新型专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了可变截面双流道进气涡轮的开发，有效的利用了废气能量，兼顾了发动机低速和中高速工况下的增压需求。该类型可变截面双流道进气涡轮可以采用现有普通增压器的铸造及加工设备完成。

实施例2，如图7所示，实施例1中，还可以将蜗壳进气大流道和蜗壳进气小流道的位置互换，并重新调整了进气调节控制机构的位置，其余部分相同。

蜗壳进气小流道18位于蜗壳进气大流道19外侧，发动机在低速时，只有蜗壳进气小流道18实现进气。发动机在中高速时，通过进气调节控制机构16控制进气调节阀门15形成不同的开度，控制进入蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的气体流量，实现流道的选择和流通能力的控制，实现与发动机在中高速下的匹配。

蜗壳进气小流道18位于蜗壳进气大流道19外侧，由于蜗壳进气大流道19比蜗壳进气小流道18的流通截面积大，其在周向上的尺寸收缩也比较快，可以实现较小的涡轮整体外形尺寸。

本实用新型专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了可变截面双流道进气涡轮的开发，有效的利用了废气能量，兼顾了发动机低速和中高速工况下的增压需求。该类型可变截面双流道进气涡轮可以采用现有普通增压器的铸造及加工技术完成。

实施例3，如图8所示，在实施例1中，可以在蜗壳进气大流道19的喷嘴处设有若干个气流导向叶片21，若干个气流导向叶片21呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装，以保证蜗壳进气大流道19的出口气流按规定的角度进入涡轮。采用此种技术方案可提高发动机中高速时的废气能量利用效率，并有效阻止发动机低速时蜗壳进气小流道18的末端的出口气流进入蜗壳进气大流道19。

实施例4，如图9所示，在实施例1中，可以在蜗壳进气小流道18的喷嘴处设有若干个气流导向叶片21，若干个气流导向叶片21呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。以保证蜗壳进气小流道18的出口气流按规定的角度进入涡轮。采用此种技术方案能提高发动机低速时对废气能量利用效率。

实施例5，如图10所示，在实施例1中，可以在涡轮蜗壳的喷嘴位置设有若干个气流导向叶片21，若干个气流导向叶片21呈圆周状均匀排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装，以保证蜗壳进气小流道18和蜗壳进气大流道19的出口气流按规定的角度进入涡轮。

采用此种技术方案能提高发动机大部分工况下对废气能量的利用，提高了涡轮效率，满足发动机各工况的增压要求。

本实用新型专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了可变截面双流道进气涡轮的开发，有效的利用了废气能量，兼顾了发动机低速和中高速工况下的增压需求。该类型可变截面双流道进气涡轮可以采用现有普通增压器的铸造及加工技术完成。

现在我们已经按照国家专利法对实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员会识别本文所公开的具体实施例的改进或代替。这些修改是在本实用新型的精神和范围内的。

Claims (10)

1.一种可变截面双流道进气涡轮，包括涡轮蜗壳(4)，所述涡轮蜗壳(4)上设有蜗壳喷嘴(6)，涡轮蜗壳(4)内安装有涡轮叶轮(8)，所述涡轮蜗壳(4)上设有蜗壳进气流道(10)，蜗壳进气流道(10)内设有中间壁(20)，所述中间壁(20)将蜗壳进气流道(10)分隔成蜗壳进气小流道(18)和蜗壳进气大流道(19)，其特征在于：所述中间壁(20)的径向截面为弧形结构，其弧度为60°～180°。

2.根据权利要求2所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征在于：所述中间壁(20)的其中一端与涡轮蜗壳(4)固接，所述蜗壳进气小流道(18)与蜗壳进气大流道(19)在靠近中间壁(20)另一端位置处连通。

3.根据权利要求1或2所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征在于：所述蜗壳进气小流道(18)的流通面积小于所述蜗壳进气大流道(19)的流通面积。

4.根据权利要求3所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征在于：所述中间壁(20)与所述涡轮蜗壳(4)铸为一体结构。

5.根据权利要求4所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：所述中间壁(20)上靠近蜗壳进气流道(10)进口的位置设有旁通口(22)，在旁通口(22)上安装有进气调节阀门(15)，所述进气调节阀门(15)与进气调节控制机构(16)传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：所述蜗壳进气小流道(18)位于蜗壳进气大流道(19)内侧。

7.根据权利要求5所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：所述蜗壳进气小流道(18)位于蜗壳进气大流道(19)外侧。

8.根据权利要求3所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：所述蜗壳进气大流道(19)的喷嘴处设有若干个气流导向叶片(21)，若干个气流导向叶片(21)呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

9.根据权利要求3所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：在蜗壳进气小流道(18)的喷嘴处设有若干个气流导向叶片(21)，若干个气流导向叶片(21)呈半圆弧状排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

10.根据权利要求3所述的一种可变截面双流道进气涡轮，其特征是：所述涡轮蜗壳的喷嘴位置设有若干个气流导向叶片(21)，若干个气流导向叶片(21)呈圆周状均匀排列，并沿涡轮旋转方向倾斜安装。

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