CN208168983U - 一种离心式燃气动力涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种离心式燃气动力涡轮机，包括涡壳，涡壳设置出气口，涡壳一侧芯点部位安装进气管和法兰盘，与涡壳一侧对应的另一侧安装动叶盘，动叶盘与输出轴一端连接，输出轴另一端位于涡壳外部，进气管一端位于法兰盘外部，另一端与喷嘴叶栅上端连接，喷嘴叶栅下端与导流体底部连接，进气管中心线与输出轴的中心线同轴，每两个第一动叶片间形成第一气道，出气道的出气口与第一气道的进气口对应相通，本实用新型可以多次利用气流的内能，将气流的余速损失降至最低，达到提高涡轮机转换效率的目的。本实用新型所述方案能使内燃机的排气能量转化效率提高至50%左右，相对于向心式动力涡轮机来说，能量利用率提高一倍以上。

Description

一种离心式燃气动力涡轮机

技术领域

本实用新型涉及内燃机动力涡轮系统，是一种离心式燃气动力涡轮机。

背景技术

内燃机的排气能量回收主要采用涡轮增压器完成，涡轮增压器中动力涡轮是将排气内能转换成机械能的核心部件。目前主要采用向心式结构，它比轴流式结构效率高，成本低。但是，这种向心式涡轮机增压器的能量回收利用率只有20%左右，80%的排气内能没有得到有效利用的主要原因是其向心结构。这种向心结构是将排气从整体式向心涡轮的周边沿涡轮外圆方向进气，气体推动涡轮旋转的同时，沿涡轮叶片间通道流向涡轮中心，从涡轮的中心部位排气管排出，这种工作方式是离心力方向和气流的运动方向相反，使一部分气体产生的冲力被离心力抵消，从而未转换成机械能，这也是涡轮增压器的散热损失及机械损失。

本领域技术人员为解决上述问题使损失降低提供了多种方案，但基本都是如何将叶片入口设置的更合理，或将叶片个数与通路的个数设置成相同，或使回流流路的外径位置设置在周向上变化，减少回流流路的叶片处的冲击损失等。这些结构虽各有优点，但不足仍然是明显，能量的回收率均在25%左右，能量损失仍然较大。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种离心式燃气动力涡轮机，它能使内燃机排气的能量转化率有较大提高。

本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案：一种离心式燃气动力涡轮机，包括涡壳，涡壳设置出气口，涡壳一侧芯点部位安装进气管和法兰盘，与涡壳一侧对应的另一侧安装动叶盘，动叶盘与输出轴一端连接，输出轴另一端位于涡壳外部，进气管一端位于法兰盘外部，另一端与喷嘴叶栅上端连接，喷嘴叶栅下端与导流体底部连接，进气管中心线与输出轴的中心线同轴，喷嘴叶栅由数个喷嘴叶片组成圆环状，每两个喷嘴叶片间形成出气道，动叶盘上设置第一动叶栅，第一动叶栅由数个第一动叶片构成圆环状，每两个第一动叶片间形成第一气道，出气道的出气口与第一气道的进气口对应相通。所述导流体是锥体，导流体的锥顶位于进气管内部，导流体底部最大外径处与喷嘴叶栅下端连接。涡壳的一侧、进气管外围安装静叶盘，静叶盘的中心线与进气管的中心线同轴，静叶盘面向动叶盘的一平面上设置静叶栅，静叶栅是圆环状，静叶栅有数个导流片以静叶盘的中心线为圆心呈圆环状分布，每两个导流片间形成第二气道，导流片位于第一动叶片外周，第一气道的出气口与第二气道的进气口对应相通，动叶盘上设置第二动叶栅，第二动叶栅是圆环状，位于静叶栅的外周，第二动叶栅有数个第二动叶片，每两个第二动叶片间形成第三气道，第二气道的出气口与第三气道的进气口对应相通。第一动叶栅有一个第一上圆环和一个第一下圆环，数个第一动叶片的上端均与第一上圆环相连，数个第一动叶片的下端均与第一下圆环连接，第一下圆环与动叶盘连接。第二动叶栅有一个第二上圆环和一个第二下圆环，数个第二动叶片的上端均与第二上圆环连接，数个第二动叶片的下端均与第二下圆环连接，第二下圆环与动叶盘连接。数个喷嘴叶片外端形成圆环，喷嘴叶片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与喷嘴叶片弦的夹角为第一夹角a₁，数个第一动叶片外端形成圆环，第一动叶片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第一动叶片弦的夹角为第二夹角a₂，第一夹角a₁的开口方向朝向喷嘴叶片外端形成圆环的顺时针方向，第二夹角a₂的开口方向朝向第一动叶片外端形成圆环的逆时针方向。导流片是弧状，数个导流片外端形成圆形，导流片弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与导流片的弦的夹角为第三夹角a₃，第三夹角a₃的开口方向朝向导流片外端形成圆环的顺时针方向。出气道中心线在出气道出口端点处的切线与经过该端点的喷嘴叶栅的半径之间设置第五夹角a₅，第一气道的中心线在第一气道进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘的半径之间设置第六夹角a₆，第五夹角a₅和第六夹角a₆角度相等。第一气道的中心线在第一气道出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘的半径之间设置第七夹角a₇，第二气道的中心线在第二气道进口端点处的切线与经过该端点的静叶盘的半径之间设置第八夹角a₈，第七夹角a₇和第八夹角a₈角度相等。导流片的高度小于第二动叶片的高度，导流片的高度大于第一动叶片的高度，第一动叶片的高度大于喷嘴叶片的高度。

本实用新型提供的方案是将内燃机的排气从离心式涡轮机的中心部位进入，排气方向呈辐射状流向涡轮外圆方向，与离心力的方向同向，避免了离心损失。将离心涡轮机的动叶盘及静叶盘根据发动机排气的实际情况和工作实际需要可以设计成多级，也可以根据需要设计成单级，本实用新型的结构能将动静叶盘依照从内到外先静后动相互间隔咬合，环环相扣，组成一个相对运动的回转组合，可以多次利用气流的内能，将气流的余速损失降至最低，达到提高涡轮机转换效率的目的。本实用新型所述方案能使内燃机的排气能量转化效率提高至50%左右，相对于向心式动力涡轮机来说，能量利用率提高一倍以上。

附图说明

附图1是本实用新型沿中轴剖开的结构示意图；附图2是图1中B向结构示意图；附图3是图1中A-A剖视结构示意图；附图4是图3叶栅部分的放大图，用以配合角度说明；附图5是转子部分结构示意图；附图6是定子部分结构示意图；附图7是主要部件拆分后结构示意图；附图8是局部剖视结构示意图；附图9是本实用新型外部结构示意图。

具体实施方式

对照附图，对本实用新型做进一步说明。

本实用新型公开了一种离心式燃气动力涡轮机，包括涡壳1，涡壳1设置出气口24，涡壳1一侧芯点部位安装进气管6和法兰盘，与涡壳1一侧对应的另一侧安装动叶盘19，动叶盘19与输出轴18一端连接，输出轴18另一端位于涡壳1外部，进气管6一端位于法兰盘外部，另一端与喷嘴叶栅5上端连接，喷嘴叶栅5下端与导流体4底部连接，进气管6中心线与输出轴18的中心线同轴，喷嘴叶栅5由数个喷嘴叶片20组成圆环状，每两个喷嘴叶片20间形成出气道25，动叶盘19上设置第一动叶栅14，第一动叶栅14由数个第一动叶片21构成圆环状，每两个第一动叶片21间形成第一气道26，出气道25的出气口与第一气道26的进气口对应相通。

本实用新型所述涡轮机将动静叶栅根据发动机排气的实际情况和工作实际需要做成单级或两级以上。当做成单级时，只需喷嘴叶栅和第一级动叶栅14，此时，法兰盘装在进气管6的外周将涡壳一侧敞口封闭。当做成两级以上时将静叶盘2和法兰盘做成一体，用于封闭涡壳一侧的敞口。

本实用新型进一步的方案是：所述导流体4是锥体，导流体4的锥顶位于进气管6内部，导流体4底部最大外径处与喷嘴叶栅5下端连接。所述锥体以凹弧形腰线为优选。导流体4设计成锥体便于使排气方向呈辐射流状向涡轮机上的圆环方向流动，进一步避免进气损失。导流体4的底部与喷嘴叶栅5的顶端连接，封闭了气体由进气管6底端流出的通道，使气体全部进入出气道25推动动叶栅做功。导流体4高度大于喷嘴叶片20的高度。导流体4也可做成直腰线圆锥体、半球形或平板形等形状，以达到使喷嘴叶栅5下端封闭不流失气体并减小进气阻力为目的。

本实用新型提供的优选方案是：涡壳1的一侧、进气管6外围安装静叶盘2，静叶盘2的中心线与进气管6的中心线同轴，静叶盘2面向动叶盘19的一平面上设置静叶栅12，静叶栅12是圆环状，静叶栅12有数个导流片22以静叶盘2的中心线为圆心呈圆环状分布，每两个导流片22间形成第二气道27，导流片22位于第一动叶片21外周，第一气道26的出气口与第二气道27的进气口对应相通，动叶盘19上设置第二动叶栅10，第二动叶栅10是圆环状，位于静叶栅12的外周，第二动叶栅10有数个第二动叶片23，每两个第二动叶片23间形成第三气道28，第二气道27的出气口与第三气道28的进气口对应相通。这是动静叶栅多级结构，当然，根据需要还可以设置更多级，以达到使用目的。所述的动叶栅和静叶栅的分布依照从内到外先静后动的方式相互间隔分布，动静叶栅分布后呈环环相扣的形式，它们组成一个相对运动的回转组合，能够更好的利用气流的内能，将气流的余速损失降至最低。所述的喷嘴叶栅是静叶栅的作用。本实用新型附图所示为动静叶栅的两级结构，还可做成3级或4级等，级数越多可达到多次利用气流的内能目的，可将气流的余速损失降至最低，进一步提高涡轮机的转换效率。本实用新型所述的喷嘴叶栅、静叶盘、导流体及进气管等结构为定子部分，转子部分包括输出转、动叶盘、动叶栅及输出轴18上的轴承系统。

本实用新型进一步的方案是：第一动叶栅14有一个第一上圆环7和一个第一下圆环15，数个第一动叶片21的上端均与第一上圆环7相连，数个第一动叶片21的下端均与第一下圆环15连接，第一下圆环15与动叶盘19连接。这种方案能使叶片增强对应各种应力的强度，增加本实用新型整体方案的稳定性，还可使动叶盘和静叶盘间的轴向间隙稍大的情况下降低漏气损失，同时便于制造和组装。当然，如果采用一次性成型工艺制造动叶盘、静叶盘时，叶片两端的上下圆环可以省略掉，或者可以省略一个圆环，但是，动叶盘与静叶盘间的轴向间隙要求相对精密，同时可能会增加转子的轴向推力，增加推力轴承负担。

本实用新型进一步优先的方案是：数个喷嘴叶片20外端形成圆环，喷嘴叶片20弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与喷嘴叶片20弦的夹角为第一夹角a₁，数个第一动叶片21外端形成圆环，第一动叶片21弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第一动叶片21弦的夹角为第二夹角a₂，第一夹角a₁的开口方向朝向喷嘴叶片20外端形成圆环的顺时针方向，第二夹角a₂的开口方向朝向第一动叶片21外端形成圆环的逆时针方向。导流片22是弧状，数个导流片22外端形成圆形，导流片22弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与导流片22的弦的夹角为第三夹角a₃，第三夹角a₃的开口方向朝向导流片22外端形成圆环的顺时针方向。所述数个第二动叶片23外端形成圆环，第二动叶片23弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第二动叶片23弦的夹角为第四夹角a₄，第四夹角a₄的开口方向朝向第二动叶片23外端形成圆环的逆时针方向。上述结构确定的是转子的转向为逆时针方向，反之，转子的转向为顺时针方向。所述第一夹角a₁和第二夹角a₂的开口方向根据需要确定，当把第一夹角a₁、第二夹角a₂、第三夹角a₃和第四夹角a₄简称“弦角”时，则喷嘴叶片、导流片与第一动叶片和第二动叶片的弦角在各自圆环上周向开口方向始终相反。本实用新型所述第一夹角a₁、第二夹角a₂、第三夹角a₃和第四夹角a₄的角度均优选在45°-65°范围内，这种角度能够进一步保证气流从气道流出后适当膨胀扩散加速，使气流推动动叶栅的冲力及反冲力调整在好的范围内。如图4所示，第一夹角a₁与第二夹角a₂的开口方向相反，使气流对第一动叶栅14形成好的进气冲力和排气反冲力，使第一动叶栅14在冲力和反冲力综合作用下与定子形成相对旋转运动。同理，第二夹角a₂和第三夹角a₃开口方向相反，第三夹角a₃与第四夹角a₄开口方向相反。这种结构进一步保证气流从出气道25喷出后在动叶栅和静叶栅间呈“S”形流线向涡壳内壁方向膨胀扩散流动，以大的冲量和反冲量给动叶片提供周向力矩，推动转子旋转对外做功。

出气道25中心线在出气道出口端点处的切线与经过该端点的喷嘴叶栅5的半径之间设置第五夹角a₅，第一气道26的中心线在第一气道26进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第六夹角a₆，第五夹角a₅和第六夹角a₆角度相等，第一气道26的中心线在第一气道26出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第七夹角a₇，第二气道27的中心线在第二气道27进口端点处的切线与经过该端点的静叶盘2的半径之间设置第八夹角a₈，第七夹角a₇和第八夹角a₈角度相等，所述第三气道28的中心线在第三气道28进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第九夹角a₉；第三气道28的中心线在第三气道28出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘19的半径之间设置第十夹角a₁₀，第九夹角a₉与第十夹角a₁₀角度相等。本实用新型所述的第五夹角a₅、第六夹角a₆、第七夹角a₇、第八夹角a₈、第九夹角a₉与第十夹角a₁₀的角度均为50°-89°，优选60°-75°。这种优选角度，能够进一步保证气流由气道流出后的膨胀扩散速度在更好的范围内。

本实用新型更进一步优选的方案是：导流片22的高度小于第二动叶片23的高度，导流片22的高度大于第一动叶片21的高度，第一动叶片21的高度大于喷嘴叶片20的高度。上述结构为了减少出气损失，各种叶片的高度由内而外逐渐增高，喷嘴叶片20的高度低于第一动叶片21的高度，第一动叶片21的高度低于导流片22的高度，导流片22的高度低于第二动叶片23的高度。各圆环上的叶片由内向外逐渐增高，使气流从中心向外层膨胀流动时，降低沿轴向存在的散射，减少气体损失。所述喷嘴叶片20、第一动叶片21、第二动叶片23及导流片22均为弧形叶片，各自沿对应的圆环形均匀排列。各叶片的安装位置如附图所示。

本实用新型所述进气管6位于涡壳芯点中心部位，进气管6与本实用新型所述各种部件的结构组成的涡轮机使气体向涡轮机上的各叶栅的圆环外圆方向流动，与离心方向相同，有效避免了离心损失。本实用新型所述导流体4的高度大于喷嘴叶片的高度。本实用新型所述输出轴18上安装轴承17及支承系统16均为公知结构。

本实用新型所述涡轮机工作时，进气管6与内燃机的排气管道相接，气体经进气管6进入后通过导流体4将气流强制变向径向流动，再经喷嘴叶栅5的出气道25喷出，喷出的气流进入第一气道26，第一动叶栅产生的周向力矩推动第一动叶栅转动做功，第一动叶栅做功后流出的气体通常被称为排气余速，还有很多内能，为了进一步提高排气的做功效率，可设置两级做功模式，以降低余速损失。第一动叶栅做功后的气体流入第二气道，经过导流片改变气流方向，再进入第二动叶栅的第三气道，推动第二动叶栅转动做功。以此类推，可以根据实际需要，做成多级动叶栅和静叶栅。

Claims (10)

1.一种离心式燃气动力涡轮机，包括涡壳（1），涡壳（1）设置出气口（24），其特征在于：涡壳（1）一侧芯点部位安装进气管（6）和法兰盘，与涡壳（1）一侧对应的另一侧安装动叶盘（19），动叶盘（19）与输出轴（18）一端连接，输出轴（18）另一端位于涡壳（1）外部，进气管（6）一端位于法兰盘外部，另一端与喷嘴叶栅（5）上端连接，喷嘴叶栅（5）下端与导流体（4）底部连接，进气管（6）中心线与输出轴（18）的中心线同轴，喷嘴叶栅（5）由数个喷嘴叶片（20）组成圆环状，每两个喷嘴叶片（20）间形成出气道（25），动叶盘（19）上设置第一动叶栅（14），第一动叶栅（14）由数个第一动叶片（21）构成圆环状，每两个第一动叶片（21）间形成第一气道（26），出气道（25）的出气口与第一气道（26）的进气口对应相通。

2.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：所述导流体（4）是锥体，导流体（4）的锥顶位于进气管（6）内部，导流体（4）底部最大外径处与喷嘴叶栅（5）下端连接。

3.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：涡壳（1）的一侧、进气管（6）外围安装静叶盘（2），静叶盘（2）的中心线与进气管（6）的中心线同轴，静叶盘（2）面向动叶盘（19）的一平面上设置静叶栅（12），静叶栅（12）是圆环状，静叶栅（12）有数个导流片（22）以静叶盘（2）的中心线为圆心呈圆环状分布，每两个导流片（22）间形成第二气道（27），导流片（22）位于第一动叶片（21）外周，第一气道（26）的出气口与第二气道（27）的进气口对应相通，动叶盘（19）上设置第二动叶栅（10），第二动叶栅（10）是圆环状，位于静叶栅（12）的外周，第二动叶栅（10）有数个第二动叶片（23），每两个第二动叶片（23）间形成第三气道（28），第二气道（27）的出气口与第三气道（28）的进气口对应相通。

4.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：第一动叶栅（14）有一个第一上圆环（7）和一个第一下圆环（15），数个第一动叶片（21）的上端均与第一上圆环（7）相连，数个第一动叶片（21）的下端均与第一下圆环（15）连接，第一下圆环（15）与动叶盘（19）连接。

5.根据权利要求3所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：第二动叶栅（10）有一个第二上圆环（9）和一个第二下圆环（11），数个第二动叶片（23）的上端均与第二上圆环（9）连接，数个第二动叶片（23）的下端均与第二下圆环（11）连接，第二下圆环（11）与动叶盘（19）连接。

6.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：数个喷嘴叶片（20）外端形成圆环，喷嘴叶片（20）弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与喷嘴叶片（20）弦的夹角为第一夹角a₁，数个第一动叶片（21）外端形成圆环，第一动叶片（21）弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与第一动叶片（21）弦的夹角为第二夹角a₂，第一夹角a₁的开口方向朝向喷嘴叶片（20）外端形成圆环的顺时针方向，第二夹角a₂的开口方向朝向第一动叶片（21）外端形成圆环的逆时针方向。

7.根据权利要求3所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：导流片（22）是弧状，数个导流片（22）外端形成圆形，导流片（22）弦的延长线与该圆环的交点处形成的切线与导流片（22）的弦的夹角为第三夹角a₃，第三夹角a₃的开口方向朝向导流片（22）外端形成圆环的顺时针方向。

8.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：出气道（25）中心线在出气道出口端点处的切线与经过该端点的喷嘴叶栅（5）的半径之间设置第五夹角a₅，第一气道（26）的中心线在第一气道（26）进口端点处的切线与经过该端点的动叶盘（19）的半径之间设置第六夹角a₆，第五夹角a₅和第六夹角a₆角度相等。

9.根据权利要求1所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：第一气道（26）的中心线在第一气道（26）出口端点处的切线与经过该端点的动叶盘（19）的半径之间设置第七夹角a₇，第二气道（27）的中心线在第二气道（27）进口端点处的切线与经过该端点的静叶盘（2）的半径之间设置第八夹角a₈，第七夹角a₇和第八夹角a₈角度相等。

10.根据权利要求3所述的一种离心式燃气动力涡轮机，其特征在于：导流片（22）的高度小于第二动叶片（23）的高度，导流片（22）的高度大于第一动叶片（21）的高度，第一动叶片（21）的高度大于喷嘴叶片（20）的高度。