CN201908694U - 一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，包括双流道蜗壳，双流道蜗壳上设有轴流流道和径流流道，所述轴流流道和径流流道上分别设有与蜗壳出气筒连通的蜗壳喷嘴，所述双流道蜗壳上靠近径流流道的蜗壳喷嘴的位置设有滑槽，在滑槽内设有可滑动的移动喉口挡板，移动喉口挡板传动连接有移动喉口挡板控制机构，本实用新型采用复合涡轮装置可实现变截面功能，有效的解决了叶式可变截面涡轮增压器成本高、低速效率低、可靠性差和二级增压器结构复杂、成本高的问题，有效的提高发动机低速时涡轮的效率，同时有效的兼顾了发动机大流量工况时的效率。

Description

一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置

技术领域

本实用新型涉及一种涡轮增压装置，具体的说是涉及一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，能有效的兼顾发动机的高低速增压要求，属于内燃机领域。

背景技术

增压器被广泛的应用到现代发动机，为了满足发动机在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放压力的可调节功能。随着国四排放法规的实施，可变截面增压器和二级增压器已经称为行业国内外行业研发的重点。

目前普遍采用在蜗壳喷嘴处安装旋转叶片来满足可变截面的要求，与传统的增压器相比，它能有效的拓宽增压器与发动机的匹配范围，实现增压器对增压压力和排放压力的调节功能。

旋叶式可变截面涡轮增压器结构示意图如附图1所示，旋叶式可变截面涡轮增压器的涡轮部分包括蜗壳3、蜗壳喷嘴5、涡轮叶轮7三部分。传动机构2通过调节安装在喷嘴环支撑盘4上的喷嘴叶片6的开度来调节喷嘴的流通面积和出口废气的角度，使高温废气安照设计的气流角度吹向涡轮叶轮7，推动涡轮叶轮7高速旋转。转子轴8带动压气机壳1内的压气机叶轮9高速旋转，对轴向进入压气机的空气进行压缩，压缩后的空气进过压气机壳的收集被送到气缸中参与燃烧。

旋叶式可变截面增压器能根据发动机的不同工况，实时调节喷嘴叶片6的开度来改变蜗壳喷嘴的流通面积，以满足发动机的性能要求。传动机构2对喷嘴叶片6的调节简单、易于控制。但是在实际的应用中，发现旋叶式可变截面涡轮增压器存在着一些缺点：

当发动机在大流量工况下，喷嘴叶片6距离涡轮叶片前缘较近，废气颗粒会对喷嘴叶片6造成较大的磨损。当发动机在小流量工况下，喷嘴叶片7距离涡轮叶片前缘较远，这时高温气流的周向速度较大，涡轮变为冲动式涡轮，另外气体流动过程中气动损失也比较严重，使增压器的效率下降。

发动机的废气排温大约在650～850度左右，并且有进一步升高的趋势。涡轮增压器工作环境恶劣，强烈的振动对传动机构2的可靠性有很高的要求。而传动机构2的可靠性较差的问题到现在也没有得到很好的解决。

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。成本和寿命也限制了该类型可变截面增压器的市场。

二级增压采用低压涡轮增压器和高压涡轮增压器共同工作实现发动机增压的目的，详细说明请参照公开号CN 101600869A实用新型名称为二级增压式排气涡轮增压器。采用二级增压实际上也是采用两个配置不同尺寸和特性的增压器共同工作，其涡轮机配有两种不同流通能力的蜗壳和涡轮，属于可变流道截面及两种流通特性涡轮的增压器，它能实现较高的增压比，可靠性高并且每一级涡轮增压器的增压比比较低，使单级压气机有较宽的高效率区域，但是主要缺点是匹配、控制复杂，空间尺寸较大，成本较高。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是针对旋叶式可变截面涡轮增压器成本高、低速效率低、可靠性差和二级增压器结构复杂、成本高的缺陷，提供一种结构简单、成本低、可靠性高，并且在小流量下具有较高效率同时兼顾大流量工况效率和流通特性的可变截面复合涡轮装置。

为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，包括双流道蜗壳，双流道蜗壳上设有轴流流道和径流流道，所述轴流流道和径流流道上分别设有与蜗壳出气筒连通的蜗壳喷嘴，所述双流道蜗壳上靠近径流流道的蜗壳喷嘴的位置设有滑槽，在滑槽内设有可滑动的移动喉口挡板，移动喉口挡板传动连接有移动喉口挡板控制机构。

以下是本实用新型对上述方案的进一步改进：

所述径流流道位于靠近蜗壳出气筒的一侧，轴流流道位于远离蜗壳出气筒的一侧，所述径流流道与轴流流道之间设有中间壁。

进一步改进：

所述移动喉口挡板控制机构包括执行器，在蜗壳出气筒的外部套接有拨叉环，所述移动喉口挡板与拨叉环固定连接，所述执行器上安装有执行器推杆，执行器推杆与拨叉环之间连接有拨叉。

移动喉口挡板控制机构通过控制所述移动喉口挡板的轴向移动来实现径流流道的开关，保证轴流涡轮工作时，燃气不进入径流蜗壳流道，以降低涡流损失。

进一步改进：

双流道蜗壳内设有复合涡轮叶轮，所述复合涡轮叶轮包括一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮。

所述一级涡轮叶片和所述二级涡轮叶轮叶片可根据增压器的性能要求和与发动机匹配的要求设置为不同数目，以满足发动机的性能要求和排放要求。

进一步改进：

所述一级涡轮叶轮由直叶片组成，二级涡轮叶轮由涡轮向心叶片组成，一级涡轮叶轮与轴流流道相配合，二级涡轮叶轮与径流流道相配合。

进一步改进：

所述径流流道内安装隔板，隔板将径流流道分成两个流道，与轴流流道形成三个进气流道。

另一种改进：

在轴流流道和径流流道内分别安装隔板，将轴流流道和径流流道各分成两个流道。

设置隔板能够更好的利用废气脉冲能量，使脉冲波在较小的空间传播，脉冲能量衰减减小，提高涡轮的效率，在一定程度上改善发动机在低速时增压不足的问题，同时有效的兼顾了发动机大流量工况的效率并降低了发动机的排放。

进一步改进：

在轴流流道的蜗壳喷嘴位置安装导流叶栅，导流叶栅向一级涡轮叶轮旋转方向倾斜，以控制涡轮进气角度，提高涡轮效率。

另一种改进：

所述一级涡轮叶轮与二级涡轮叶轮间隔设置，两者之间具有间隙，在中间壁上与该间隙对应的位置设置环形的空腔，在环形的空腔内均匀安装一周静叶片，所述静叶片位于一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮之间。

设置静叶片能在一定程度上减少一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮气流的流动扰乱，减少叶轮中气体的能量损失。

轴流涡轮的单级膨胀比小，进气损失小，效率较高，而径流涡轮的单级膨胀比大、但是效率偏低。

本实用新型采用由轴流流道和径流流道的组成的双流道蜗壳与由一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮组成的复合涡轮叶轮一起顺序工作，既满足了发动机低速小负荷下的性能要求，又能满足发动机大流量工况下使涡轮具有较大的流通能力和较高的效率。

轴流涡轮的流量范围广，轴流涡轮在大流量下具有较高的效率，径流涡轮的流量范围窄，但是在小流量范围的效率较高。在采用复合涡轮后，采用复合涡轮后就可以保证增压器在小流量和大流量下都能有较高的效率，满足发动机各个工况的工作要求。

发动机在小流量工况下，轴流流道进气阀门关闭，径流流道进气阀门开启，并且此时移动喉口挡板在移动喉口挡板控制机构的带动下背向中间壁一侧移动，使移动喉口挡板处于开启状态。发动机排出的废气只经过径流流道对二级涡轮叶轮做功，由于径流涡轮在小流量具有较高的效率，能满足发动机低速小负荷的增压要求。要拓宽径流涡轮的流量范围，就需要更大的涡轮直径，当采用轴径流复合涡轮装置后，可以从整体上减少涡轮的直径，使涡轮结构更紧凑，提高增压器的响应性，降低增压迟滞的影响。

发动机在大流量工况下，径流流道进气阀门关闭，轴流流道进气阀门开启，并且此时移动喉口挡板在移动喉口挡板控制机构的带动下朝向中间壁一侧移动，使移动喉口挡板处于关闭状态，以保证轴流流道工作时，燃气不进入径流流道，降低涡轮的流动损失。发动机排出的废气只经过轴流流道对一级涡轮叶轮做功，涡轮进气损失减少，轴流涡轮的流量范围广，在大流量下具有较高的效率，能满足发动机在大流量工况下使涡轮的具有较大的流通能力和具有较高的效率。

本实用新型中的双流道涡轮蜗壳结构简单、继承性好、铸造成品率较高；本实用新型中的复合涡轮叶轮通过现代CFD、FEA技术的分析和优化可获得较高的气动效率和较高的结构强度；本实用新型中的可变截面复合涡轮装置可采用现有铸造和加工设备进行生产，成本低且容易快速实现工程化。

本实用新型采用复合涡轮装置可实现变截面功能，有效的解决了叶式可变截面涡轮增压器成本高、低速效率低、可靠性差和二级增压器结构复杂、成本高的问题，有效的提高发动机低速时涡轮的效率，同时有效的兼顾了发动机大流量工况时的效率。

下面结合附图和实施例对本实用新型专利进行进一步说明：

附图说明

附图1是本实用新型背景技术中的旋叶式可变截面涡轮增压器的结构示意图；

附图2是本实用新型实施例1中的可变截面复合涡轮装置的结构示意图；

附图3是本实用新型实施例1中进气阀门控制机构的结构示意图；

附图4是本实用新型实施例1中小流量工况下可变截面复合涡轮装置的结构示意图；

附图5是本实用新型实施例1中大流量工况下可变截面复合涡轮装置的结构示意图；

附图6是本实用新型实施例2的结构示意图；

附图7是本实用新型实施例3的结构示意图；

附图8是本实用新型实施例4的结构示意图；

附图9是本实用新型实施例5的结构示意图；

附图10是本实用新型实施例6的结构示意图；

附图11是本实用新型实施例7的结构示意图。

图中：1-压气机壳；2-传动机构；3-蜗壳；4-喷嘴环支撑盘；5-蜗壳喷嘴；6-喷嘴叶片；7-涡轮叶轮；8-转子轴；9-压气机叶轮；10-双流道蜗壳；11-轴流流道；12-径流流道；13-复合涡轮叶轮；14-一级涡轮叶轮；15-二级涡轮叶轮；16-中间壁；17-移动喉口挡板；18-执行器；19-执行器推杆；20-拨叉；21-拨叉环；22-执行器支架；23-固定转轴；24-蜗壳出气筒；25-轴流流道进气阀门；26-径流流道进气阀门；27-进气阀门控制机构；28-隔板；29-导流叶栅；30-静叶片。

具体实施方式

实施例1：如附图2和附图3所示，一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，包括双流道蜗壳10，双流道蜗壳10内设有复合涡轮叶轮13和转子轴8；所述双流道蜗壳10上连接有蜗壳出气筒24；双流道蜗壳10上设有轴流流道11和径流流道12，所述轴流流道11和径流流道12上分别设有与蜗壳出气筒24连通的蜗壳喷嘴5。

所述径流流道12位于靠近蜗壳出气筒24的一侧，轴流流道11位于远离蜗壳出气筒24的一侧，所述径流流道12与轴流流道11之间设有中间壁16。

所述径流流道12设有径流流道进气阀门26，轴流流道11设有轴流流道进气阀门25，所述径流流道进气阀门26和轴流流道进气阀门25分别与进气阀门控制机构27传动连接，进气阀门控制机构27通过控制轴流流道进气阀门25和径流流道进气阀门26的开闭实现轴流流道11和径流流道12在发动机不同流量工况下的顺序工作。

所述复合涡轮叶轮13包括一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮15，其中一级涡轮叶轮14由直叶片组成，二级涡轮叶轮15由涡轮向心叶片组成，一级涡轮叶轮14与轴流流道11相配合，二级涡轮叶轮15与径流流道12相配合。

所述双流道蜗壳10上靠近径流流道12的蜗壳喷嘴5的位置设有滑槽，在滑槽内设有可滑动的移动喉口挡板17，移动喉口挡板17传动连接有移动喉口挡板控制机构。

所述移动喉口挡板控制机构包括执行器18，所述执行器18通过执行器支架22固定支撑在双流道蜗壳10上。

在蜗壳出气筒24的外部套接有拨叉环21，所述移动喉口挡板17与拨叉环21固定连接。

所述执行器18上安装有执行器推杆19，执行器推杆19与拨叉环21之间连接有拨叉20，拨叉20一端与拨叉环21固定连接，另一端与执行器推杆19通过转轴固定连接，拨叉20的中间部位通过固定转轴23与执行器支架22转动连接。

如附图3和附图4所示，发动机在小流量工况下，进气阀门控制机构27控制轴流流道进气阀门25关闭，径流流道进气阀门26开启，并且此时移动喉口挡板17在移动喉口挡板控制机构18的带动下背向中间壁16一侧移动，使移动喉口挡板17处于开启状态。

发动机排出的废气只经过径流流道12对二级涡轮叶轮15做功，由于径流涡轮在小流量具有较高的效率，能满足发动机低速小负荷的增压要求。并且采用轴径流复合涡轮装置后，可以从整体上减少涡轮的直径，使涡轮结构更紧凑，提高增压器的响应性，降低增压迟滞的影响。

如附图3和附图5所示，发动机在大流量工况下，进气阀门控制机构27调节径流流道进气阀门26关闭，轴流流道进气阀门25开启，并且此时移动喉口挡板17在移动喉口挡板控制机构18的带动下朝向中间壁16一侧移动，使移动喉口挡板17处于关闭状态，以保证轴流流道工作时，燃气不进入径流流道，降低涡轮的流动损失。发动机排出的废气只经过轴流流道11对一级涡轮叶轮14做功，涡轮进气损失减少，轴流涡轮的流量范围广，在大流量下具有较高的效率，能满足发动机在大流量工况下使涡轮的具有较大的流通能力和具有较高的效率。

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，完成了可变截面复合涡轮装置的开发，采用两级涡轮复合的方式，提高了发动机低速时的涡轮效率，并提高了发动机的低速扭矩和输出功率，改善了发动机的加速响应特性，同时兼顾了发动机低速和中高速工况下的增压需求。该类型可变截面复合涡轮装置可以采用现有普通增压器的铸造及加工技术完成。

上述实施例中，还可以将蜗壳出气筒24做成可移动式，发动机在小流量工况下，通过调节蜗壳出气筒24的轴向位置，来满足径流涡轮的流通能力，实现与发动机在小流量工况下的良好匹配。

实施例2：如附图6所示，为了合理的利用脉冲能量，还可以在实施例1的基础上，在轴流流道11和径流流道12内分别安装隔板28，将轴流流道11和径流流道12各分成两个流道。

隔板28与双流道蜗壳10铸为一体。在被隔板28分成的四个流道进口各安装进气阀门，通过进气阀门控制机构控制各进气阀门的开闭来合理的利用废气脉冲能量。

采用此种技术方案后可以更好的利用废气脉冲能量，使脉冲波在较小的空间传播，脉冲能量衰减减小，提高涡轮的效率，在一定程度上改善发动机在低速时增压不足的问题，同时能有效的兼顾大流量工况涡轮的流通能力和提高涡轮的效率。

实施例3，如附图7所示，为了合理的利用脉冲能量，还可以在实施例1的基础上，只在径流流道12内安装隔板28，隔板28将径流流道12分成两个流道，与轴流流道11形成三个进气流道，在双流道蜗壳的三个进气流道各安装进气阀门，通过进气阀门控制机构控制各进气阀门的开闭来满足发动机各工况时的性能要求。

在小流量工况下，径流流道12安装隔板28后，能有效的利用废气脉冲能量，提高涡轮的效率，改善发动机低速增压不足的问题。

大流量工况下，轴流涡轮的流量范围较宽，效率较高，能满足发动机在大流量工况下的涡轮流通能力。并且与本实施例2相比，在轴流流道少采用一个进气阀门控制机构，使复合涡轮装置结构变简单，操作更容易实现。

实施例4：如附图8所示，还可以在实施例2的基础上，在轴流流道11的蜗壳喷嘴5位置安装导流叶栅29，导流叶栅29向一级涡轮叶轮14旋转方向倾斜，以保证气流按照规定的方向吹入一级涡轮叶轮14。采用此种技术方案后能提高发动机在中高速时对轴流流道11的废气能量的利用，提高了涡轮效率，满足发动机大流量工况的要求。

实施例5：还可以在实施例3的基础上，如图9所示，在轴流流道11的蜗壳喷嘴5位置安装导流叶栅29，导流叶栅29向一级涡轮叶轮14旋转方向倾斜，以保证气流按照规定的方向吹入一级涡轮叶轮14。

采用此种技术方案后能提高发动机在中高速时对轴流流道11的废气能量的利用，提高了涡轮效率，满足发动机大流量工况的要求。

实施例6：如附图10所示，还可以在实施例4的基础上，将一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮15设计成单独的两部分，不将其连接在一起，两叶轮之间设有一定的间隙，在中间壁16上与该间隙对应的位置设置环形的空腔，在环形的空腔内均匀安装的一周静叶片30，所述静叶片30位于一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮15之间的间隙内。

在发动机大流量工况下，减少对一级涡轮叶轮14做功的气体流入二级涡轮叶轮15，在发动机小流量工况下，减少对二级涡轮叶轮15做功的气体流入一级涡轮叶轮14，在一定程度上减少叶轮中气流的流动扰乱，减少叶轮中气体的能量损失。

静叶片30在径向上距离转子轴轮毂有一定的间隙，以保证一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮能正常的旋转，不会卡到静叶片30，静叶片30用法兰盘通过螺栓固定以满足双流道蜗壳10的结构强度要求。

实施例7：如附图11所示，还可以在实施例5的基础上，将一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮15设计成单独的两部分，不将其连接在一起，两叶轮之间设有一定的间隙，在中间壁16上与该间隙对应的位置设置环形的空腔，在环形的空腔内均匀安装的一周静叶片30，所述静叶片30位于一级涡轮叶轮14和二级涡轮叶轮15之间的间隙内。

在发动机大流量工况下，减少对一级涡轮叶轮14做功的气体流入二级涡轮叶轮15，在发动机小流量工况下，减少对二级涡轮叶轮15做功的气体流入一级涡轮叶轮14，在一定程度上减少叶轮中气流的流动扰乱，减少叶轮中气体的能量损失。

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，完成了可变截面复合涡轮装置的开发，采用两级涡轮复合的方式，提高了发动机低速时的涡轮效率，并提高了发动机的低速扭矩和输出功率，改善了发动机的加速响应特性，同时兼顾了发动机低速和中高速工况下的增压需求。该类型可变截面复合涡轮装置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)

1.一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，包括双流道蜗壳(10)，双流道蜗壳(10)上设有轴流流道(11)和径流流道(12)，所述轴流流道(11)和径流流道(12)上分别设有与蜗壳出气筒(24)连通的蜗壳喷嘴(5)，其特征在于：所述双流道蜗壳(10)上靠近径流流道(12)的蜗壳喷嘴(5)的位置设有滑槽，在滑槽内设有可滑动的移动喉口挡板(17)，移动喉口挡板(17)传动连接有移动喉口挡板控制机构。

2.根据权利要求1所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：所述径流流道(12)位于靠近蜗壳出气筒(24)的一侧，轴流流道(11)位于远离蜗壳出气筒(24)的一侧，所述径流流道(12)与轴流流道(11)之间设有中间壁(16)。

3.根据权利要求2所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：所述移动喉口挡板控制机构包括执行器(18)，在蜗壳出气筒(24)的外部套接有拨叉环(21)，所述移动喉口挡板(17)与拨叉环(21)固定连接，所述执行器(18)上安装有执行器推杆(19)，执行器推杆(19)与拨叉环(21)之间连接有拨叉(20)。

4.根据权利要求3所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：双流道蜗壳(10)内设有复合涡轮叶轮(13)，所述复合涡轮叶轮(13)包括一级涡轮叶轮(14)和二级涡轮叶轮(15)。

5.根据权利要求4所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：所述一级涡轮叶轮(14)由直叶片组成，二级涡轮叶轮(15)由涡轮向心叶片组成，一级涡轮叶轮(14)与轴流流道(11)相配合，二级涡轮叶轮(15)与径流流道(12)相配合。

6.根据权利要求5所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：所述径流流道(12)内安装隔板(28)，隔板(28)将径流流道(12)分成两个流道，与轴流流道(11)形成三个进气流道。

7.根据权利要求5所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：在轴流流道(11)和径流流道(12)内分别安装隔板(28)，将轴流流道(11)和径流流道(12)各分成两个流道。

8.根据权利要求5所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：在轴流流道(11)的蜗壳喷嘴(5)位置安装导流叶栅(29)，导流叶栅(29)向一级涡轮叶轮(14)旋转方向倾斜。

9.根据权利要求6或7其中之一所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：在轴流流道(11)的蜗壳喷嘴(5)位置安装导流叶栅(29)，导流叶栅(29)向一级涡轮叶轮(14)旋转方向倾斜。

10.根据权利要求9所述的一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置，其特征在于：所述一级涡轮叶轮(14)与二级涡轮叶轮(15)间隔设置，两者之间具有间隙，在中间壁(16)上与该间隙对应的位置设置环形的空腔，在环形的空腔内均匀安装一周静叶片(30)，所述静叶片(30)位于一级涡轮叶轮(14)和二级涡轮叶轮(15)之间。

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