EA022179B1 - Турбокомпрессор с выхлопным патрубком увеличивающегося поперечного сечения и способ турбонаддува - Google Patents

Abstract

В изобретении предложена турбокомпрессорная установка (10), содержащая компрессор (26), турбину (28), вал (30), соединяющий компрессор с турбиной, и турбинный кожух (56), выполненный с возможностью улучшения восстановления давления и имеющий несимметричную геометрическую конфигурацию, которая обеспечивает улучшение потока, протекающего по направлению к выхлопному отверстию (83).

Description

выполненный с возможностью улучшения восстановления давления и имеющий несимметричную геометрическую конфигурацию, которая обеспечивает улучшение потока, протекающего по направлению к выхлопному отверстию (83).

022179 Β1

Предпосылки изобретения

Изобретение относится в целом к системе и способу для повышения производительности турбокомпрессора для двигателя с воспламенением от сжатия и, более конкретно, к системе и способу для регулирования положения и параметров компонентов турбокомпрессора.

В состав турбокомпрессора входят турбина и компрессор, которые могут быть соединены с помощью вала. Турбина расположена в турбинной ступени турбокомпрессора, и компоненты, входящие в состав турбинной ступени, оказывают значительное влияние на КПД и производительность турбокомпрессора. В частности, при несоответствующей конструкции компонентов, влияющих на выхлопной поток, таких как турбинный кожух и диффузор, может произойти нежелательная потеря энергии в выхлопном потоке.

Сущность изобретения

В конкретных вариантах выполнения предложена турбокомпрессорная установка, которая содержит компрессор, турбину, вал, соединяющий компрессор с турбиной, и турбинный кожух, выполненный с возможностью улучшения восстановления давления и имеющий несимметричную геометрическую конфигурацию, обеспечивающую возможность улучшения (или, в более общем смысле, изменения) потока, протекающего по направлению к выхлопному отверстию. В другом варианте выполнения предложен способ, который включает пропускание выхлопного потока через выхлопной диффузор, имеющий раструб, выполненный с возможностью улучшения восстановления давления в турбоустановке, и пропускание выхлопного потока через кольцевую тороидальную камеру турбинного кожуха, площадь поперечного сечения которой увеличивается в периферическом направлении к выходному отверстию.

Описание чертежей

Эти и другие особенности, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны после прочтения нижеследующего подробного описания, выполненного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковые номера позиций обозначают одинаковые элементы и на которых:

фиг. 1 изображает структурную схему варианта выполнения установки, содержащей двигатель, присоединенный к турбокомпрессору с усовершенствованной турбинной ступенью;

фиг. 2 изображает продольный разрез варианта выполнения турбокомпрессора, содержащего усовершенствованную турбинную ступень;

фиг. 3 изображает подробный продольный разрез варианта выполнения усовершенствованной турбинной ступени, показанной на фиг. 2;

фиг. 4 изображает вид с торца варианта выполнения турбокомпрессора, содержащего усовершенствованную турбинную ступень;

фиг. 5А изображает подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха усовершенствованного турбокомпрессора в частичном разрезе по линии 5А-5А на фиг. 4;

фиг. 5В изображает подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха усовершенствованного турбокомпрессора в частичном разрезе по линии 5В-5В на фиг. 4;

фиг. 5С изображает подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха усовершенствованного турбокомпрессора в частичном разрезе по линии 5С-5С на фиг. 4;

фиг. 6А изображает подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха усовершенствованного турбокомпрессора, показывающий площади поперечного сечения турбинного кожуха и выхлопного диффузора в частичном разрезе;

фиг. 6В изображает вид с торца в разрезе варианта выполнения турбокомпрессора, содержащего усовершенствованную турбинную ступень;

фиг. 7 изображает график зависимости периферического местоположения в двух турбокомпрессорах от соотношения площадей поперечного сечения турбинного кожуха и выхлопного диффузора, которые показаны на фиг. 6А и 6В;

фиг. 8 изображает график зависимости коэффициента расширения от нормированного КПД турбины для двух конструкций турбокомпрессора.

Подробное описание

Ниже приведено описание одного или более конкретных вариантов выполнения. В попытке создания краткого описания этих вариантов выполнения в описании могут быть приведены не все признаки фактического варианта реализации. Следует понимать, что при разработке любого такого фактического варианта реализации, как и при любом инженерном или опытно-конструкторском проектировании, необходимо принять множество решений, определяемых конкретным вариантом реализации, для достижения конкретных целей разработчика, таких как соблюдение системных и деловых ограничений, которые могут меняться от одного варианта реализации к другому. Кроме того, следует понимать, что такая опытно-конструкторская работа может быть сложной и трудоемкой, но тем не менее является обычным процессом при проектировании, изготовлении и производстве для специалистов в области техники, использующих преимущество данного изобретения.

При введении элементов различных вариантов выполнения данного изобретения подразумевается, что использование их названий в единственном числе и термина указанный означает наличие одного или более определяемых элементов. Подразумевается, что термины содержащий, включающий и

- 1 022179 имеющий являются включающими и означают, что возможно наличие дополнительных элементов, отличающихся от перечисленных. Любые примеры рабочих параметров и/или условий окружающей среды не исключают других параметров/условий описанных вариантов выполнения. Кроме того, следует понимать, что ссылка на один вариант выполнения или вариант выполнения данного изобретения не исключает существование дополнительных вариантов выполнения, которые также обладают перечисленными признаками.

Как описано ниже более подробно, для уменьшения потери энергии дросселированного выхлопного потока и повышения производительности турбокомпрессора могут использоваться различные конфигурации компонентов турбинной ступени. В частности, к турбинной ступени может быть добавлен выхлопной диффузор с раструбом, при этом может быть выполнена перестановка ротора с исключением, таким образом, повышения обратного давления, которое может возникнуть при модифицировании диффузора. Например, вместо прямолинейного конца диффузор может быть выполнен с удлиняющим его раструбом, при этом роторный диск может быть переставлен ближе к впускному отверстию и переходной секции турбокомпрессора с улучшением, таким образом, восстановления обратного давления при выходе выхлопного потока из турбинной ступени. Кроме того, турбинный кожух может быть модифицирован с обеспечением его совместной работы с выхлопным диффузором для улучшения восстановления давления и повышения, таким образом, КПД турбокомпрессора. Рассмотренные ниже варианты выполнения обеспечивают повышение производительности и КПД турбокомпрессора путем модифицирования и перестановки компонентов в турбинной ступени и выхлопном тракте. Варианты выполнения изобретения и усовершенствования, касающиеся восстановления давления, могут применяться в турбокомпрессорах, турбоустановках, турбодетандерах и другом турбинном оборудовании.

На фиг. 1 изображена структурная схема установки 10, содержащей турбокомпрессор 12, соединенный с двигателем 14, в соответствии с конкретными вариантами выполнения предложенного способа. Установка 10 может представлять собой транспортное средство, например локомотив, автомобиль, автобус или катер. Как вариант, установка 10 может представлять собой стационарную установку, например энергетическую систему, содержащую двигатель 14, соединенный с генератором. Изображенный двигатель 14 представляет собой двигатель с воспламенением от сжатия, например дизельный двигатель. Однако к другим вариантам выполнения двигателя 14 относится двигатель с искровым зажиганием, например бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Как показано на чертеже, установка 10 содержит систему 16 рециркуляции выхлопных газов (РВГ), промежуточный охладитель 18, систему 20 впрыска топлива, впускной коллектор 22 и выпускной коллектор 24. Изображенный турбокомпрессор 12 содержит компрессор 26, соединенный с турбиной 28 при помощи приводного вала 30. Система 16 РВГ может содержать клапан 32 РВГ, расположенный за выпускным коллектором 24 и перед компрессором 26. Кроме того, установка 10 содержит контроллер 34, например электронный блок управления (ЭБУ), соединенный с различными датчиками и устройствами, установленными по всей установке 10. Например, изображенный контроллер 34 соединен с клапаном 32 и системой 20 впрыска топлива. Однако контроллер 34 может быть соединен с датчиками и средствами управления каждого изображенного из многих различных компонентов установки 10.

Как проиллюстрировано на фиг. 1, установка 10 осуществляет впуск воздуха в компрессор 26, как показано стрелкой 36. Кроме того, как подробно описано ниже, компрессор 26 может забирать часть выхлопного потока, выходящего из коллектора 24, путем управления клапаном 32, как показано стрелкой 38. В свою очередь, компрессор 26 обеспечивает сжатие входящего воздуха и части выхлопного потока двигателя и выпускает сжатый газ к промежуточному охладителю 18 по каналу 40. Промежуточный охладитель 18 работает как теплообменник с обеспечением отвода тепла от сжатого газа, полученного в результате процесса сжатия. Следует понимать, что в процессе сжатия входящий воздух обычно нагревается и, следовательно, перед поступлением во впускной коллектор 22 происходит его охлаждение. Как показано далее, сжатый и охлажденный воздух проходит из охладителя 18 во впускной коллектор 22 по каналу 42.

Затем впускной коллектор 22 направляет сжатый газ в двигатель 14. После этого в двигателе 14 происходит сжатие указанного газа в различных поршневых цилиндрах, например поршневых цилиндрах 4, 6, 8, 10, 12 или 16. Топливо впрыскивается из системы 20 непосредственно в цилиндры двигателя. Контроллер 34 может обеспечивать синхронизацию впрыска топлива системой 20, так что впрыск топлива в двигатель 14 происходит в соответствующий момент времени. Высокая температура сжатого воздуха обеспечивает воспламенение топлива, в то время как каждый поршень сжимает объем воздуха в соответствующем цилиндре.

В свою очередь, двигатель 14 обеспечивает выпуск продуктов сгорания из различных поршневых цилиндров через выпускной коллектор 24. Затем выхлопной поток из двигателя 14 проходит по каналу 44 от коллектора 24 к турбине 28. Кроме того, часть выхлопного потока может быть направлена из канала 44 к клапану 32 РВГ, как показано стрелкой 46. Как указано выше, на данном этапе часть выхлопного потока проходит к воздухозаборнику компрессора 26, как показано стрелкой 38. Контроллер 34 управляет работой клапана 32, так что к компрессору 26 направляется соответствующая часть выхлопного потока в зависимости от различных эксплуатационных параметров и/или внешних условий установки 10. Как

- 2 022179 отмечено выше, выхлопной газ приводит в действие турбину 28, которая вращает вал 30 и приводит в действие компрессор 26. Затем выхлопной газ выходит из установки 10 и, в частности, из турбины 28, как показано стрелкой 48. При приведении в действие компрессора 26 происходит дополнительное втягивание воздуха, что повышает производительность, плотность мощности и КПД двигателя вследствие подвода дополнительного воздуха для процесса горения.

Как подробно описано ниже, оптимизация и модификация некоторых компонентов, расположенных в турбинной ступени турбокомпрессора, может снизить потерю энергии и повысить производительность турбокомпрессорной установки. Например, описанные варианты выполнения могут содержать модифицированную конструкцию турбинного кожуха, обеспечивающую уменьшение отрыва выхлопного потока с улучшением, таким образом, выхлопного потока, поступающего в глушитель, и повышением КПД турбокомпрессора. Кроме того, расположение и конфигурация выхлопного диффузора, а также осевое местоположение турбинной ступени улучшают восстановление давления в установке, дополнительно улучшая выхлопной поток и КПД установки вследствие понижения обратного давления на двигатель. Рассмотренные варианты выполнения также обеспечивают повышение производительности турбокомпрессора при работе в разных режимах, в том числе как при высоких, так и при низких скоростях. Указанные усовершенствования повышают производительность и эффективность использования топлива в турбокомпрессорной установке и двигателе.

На фиг. 2 изображен продольный разрез варианта выполнения усовершенствованного турбокомпрессора 12. В данном варианте выполнения турбинная ступень 50 содержит несколько компонентов и модификаций, которые повышают КПД и производительность турбокомпрессора 12. Как отмечено выше, на компрессорном конце 52 расположен компрессор 26 (например, компрессорные лопатки), который прикреплен к валу 30 и турбине 28 (например, турбинным лопаткам). В указанной конфигурации вращение турбины 28 вызывает вращение компрессора 26 и, таким образом, сжатие воздуха в турбокомпрессоре 12 с обеспечением увеличения плотности воздуха, втягиваемого во впускной коллектор 22. В данном варианте выполнения турбинный кожух 56 окружает полость, которая может быть описана как тороидальная, и обеспечивает возможность протекания и выхода выхлопного потока, как показано стрелкой 48. Выхлопной поток турбокомпрессора может протекать внутри кожуха 56 и направляться от нижней секции 58 к выхлопному отверстию, расположенному в верхней секции 60. Выхлопной поток может быть направлен в кожух 56 с помощью выхлопного диффузора 62, который имеет раструб или криволинейное поперечное сечение 64, обеспечивающее улучшение выхлопного потока и восстановление давления в турбокомпрессоре 12. Например, выхлопной поток из диффузора 62 может встречать меньшее сопротивление при его протекании в направлении выхлопного отверстия и верхней секции 60, что повышает производительность и КПД. Турбинные лопатки 66 могут быть расположены на турбине 28 радиально с обеспечением вращения турбины 28 при протекании выхлопного потока через указанные лопатки 66. Выхлопной поток может проходить через сопловое кольцо 70 по направлению к лопатке 66 и кожуху 56. Выхлопной поток может поступать в часть турбокомпрессора 12 через переходную секцию 72, которая может быть оптимизирована с обеспечением улучшения выхлопного потока турбокомпрессора 12 усовершенствованной конструкции. Например, выхлопной поток турбокомпрессора может протекать через оптимизированную переходную секцию 72, сопловое кольцо 70, турбинные лопатки 66, выхлопной диффузор 62 и турбинный кожух 56 с обеспечением, таким образом, вращения ротора 28 турбины и протекания выхлопного потока через усовершенствованный выхлопной диффузор 62 и кожух 56. Кроме того, на чертеже показаны линии 4 разреза, которые обозначают плоскость сечения, используемую на фиг. 4. В иллюстративном варианте выполнения переходная секция 72 может иметь искривление, обеспечивающее возможность уменьшения отрыва потока, поступающего в турбокомпрессор 12. Например, секция 72 может иметь два впускных отверстия, стенки 71 которых искривлены в направлении внутрь не под крутым углом, а плавно для снижения вероятности отрыва потока.

На фиг. 3 изображен подробный продольный разрез варианта выполнения турбокомпрессора 12, показанного на фиг. 1. Как отмечено выше, турбинная ступень 50 имеет ряд усовершенствований, обеспечивающих повышение производительности турбокомпрессора и улучшение выхлопного потока, проходящего через диффузор 62 и кожух 56. В данном варианте выполнения в полости, окруженной кожухом 56, осевое или горизонтальное расстояние 73 между стенками 74 и 75 кожуха может изменяться в зависимости от периферического местоположения в тороидальном кожухе 56. В частности, вследствие геометрической конфигурации 76 поперечного сечения турбинного кожуха расстояние 73 в нижней секции 58 может быть меньше, чем расстояние 78 в верхней секции 60. Как показано на чертеже, внутренняя стенка 74 кожуха расширяется в направлении протекания выхлопного потока от нижней секции 58 кожуха к его верхней секции 60. Более того, угол наклона внутренней стенки 74 нижней половины турбинного кожуха, содержащей нижнюю секцию 58, составляет приблизительно 75-80° относительно оси, проходящей через вал 30. Кроме того, геометрическая конфигурация 80 поперечного сечения верхней секции кожуха демонстрирует изменение геометрии кожуха по сравнению с геометрической конфигурацией 76 нижней секции кожуха. В одном варианте выполнения край раструба 64 может быть расположен на расстоянии 81 от турбины 28. Например, расстояние 81 может составлять от приблизительно 3 дюймов (7,6 см) до приблизительно 7 дюймов (17,8 см). Выхлопной поток турбокомпрессора может проте- 3 022179 кать через турбинные лопатки 66 и выхлопной диффузор 62 в кожух 56, как показано стрелкой 82. В нижней секции 58 выхлопной поток может быть направлен вверх к выхлопному отверстию 83, как показано стрелкой 84. Выхлопной поток может протекать к отверстию 83 со сменой направления от направления 84 до направления 86, причем расстояние 78 и другие компоненты турбинного кожуха могут обеспечивать возможность улучшения выхлопного потока и уменьшения прилипания потока с повышением, таким образом, КПД турбокомпрессора.

В иллюстративном варианте выполнения форма и местоположение раструба 64 выхлопного диффузора 62 могут обеспечивать улучшенное восстановление давления в турбокомпрессоре 12. Например, осевое расстояние 85 и радиальное расстояние 87 от раструба 64 до стенки турбинного кожуха могут обеспечивать улучшение восстановления давления. В одном варианте выполнения раструб 64 приблизительно на 30-50% проходит в полость кожуха 56 в осевом направлении (в направлении оси вала 30). В частности, разность расстояний 78 и 85 может составлять приблизительно 30-50% от расстояния 78, поэтому раструб 64 проходит в полость приблизительно на 30-50%. Более того, в первой нижней секции 58 раструб 64 проходит в полость приблизительно на 50%. Во второй секции, вблизи выхлопного отверстия 83 и напротив секции 58, раструб 64 проходит в полость приблизительно на 30%.

На чертеже также показаны пунктирные линии, обозначающие альтернативный профиль 88 выхлопного диффузора, который может быть описан как плоский профиль диффузора, в сравнении с закругленным поперечным сечением 64 диффузора 62 в виде раструба, который обеспечивает повышение КПД турбокомпрессора. Усовершенствования, изображенные в турбинной ступени 50, в том числе увеличивающаяся в направлении выхлопного отверстия площадь поперечного сечения кожуха 56, а также диффузор 62 в виде раструба, могут обеспечить повышение КПД и производительности турбокомпрессора с уменьшением, таким образом, потребления топлива и выбросов. Кроме того, ротор 28 может быть смещен аксиально наружу в направлении 89, в результате чего длина вала 30 увеличивается приблизительно на 15-20% с обеспечением дополнительного усиления эффектов от усовершенствований диффузора 62 и кожуха 56. Помимо этого, отношение расстояния 81 к высоте турбинной лопатки или расстоянию 87 составляет от приблизительно 1,4 до приблизительно 3,4.

На фиг. 4 изображен вид с торца в разрезе варианта выполнения усовершенствованного турбокомпрессора 12, показанного на фиг. 2. В данном варианте выполнения турбинный кожух 56 выполнен с возможностью направления выхлопного потока к выхлопному отверстию 83. В данном варианте выполнения внутренняя геометрическая конфигурация кожуха 56, например площадь, определяющая поперечное сечение полости в кожухе 56, изменяется от нижней секции 58 к верхней секции 60. Расстояние 90 представляет собой измеряемое в радиальном направлении расстояние вблизи нижней секции 58 тороидального кожуха 56. Расстояние 90 меньше расстояния 92, измеряемого внутри полости турбинного кожуха в радиальном направлении, составляющем угол приблизительно 90° с расстоянием 90 в тороидальном кожухе 56. Кроме того, площадь поперечного сечения в положении измерения расстояния 90 может быть по меньшей мере приблизительно на 30-50% меньше площади поперечного сечения в положении измерения расстояния 92. Следовательно, объем полости турбинного кожуха увеличивается в направлении выхлопного отверстия 83, расположенного вблизи верхней секции 60, что улучшает и повышает производительность и КПД турбокомпрессора 12. Как отмечено выше, изменение геометрической конфигурации стенки 94 турбинного кожуха представляет изменение площади поперечного сечения кожуха 56. Кроме того, выхлопной поток может протекать из выхлопного диффузора 62 в направлении вниз в кожух 56, как показано стрелкой 96. Затем кожух 56 может направлять выхлопной поток в периферическом направлении 98 к верхней секции 60, причем объем внутреннего пространства кожуха 56 увеличивается в направлении протекания указанного потока. Наконец, как показано стрелкой 100, выхлопной поток может протекать через верхнюю секцию 60, в которой объем внутреннего пространства кожуха 56 намного превышает объема кожуха 56 вблизи нижней секции 58. Линии 5А-5А, 5В-5В и 5С-5С разреза обозначают плоскости, по которым выполнены разрезы кожуха 56 для представления периферических видов геометрических конфигураций в турбокомпрессоре 12. В частности, линия 5А-5А может быть описана как линия, проходящая под углом 180° к линии 101 отсчета, линия 5В-5В может быть описана как линия, проходящая под углом 135°, а линия 5С-5С может быть описана как линия, проходящая под углом 90°.

На фиг. 5А изображен подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха 56 турбокомпрессора 12 в частичном разрезе по линии 5А-5А на фиг. 4. В данном варианте выполнения площадь поперечного сечения кожуха 56 меньше в нижней секции 58, чем в верхней секции 60 турбокомпрессора 12. Соответственно расстояние 73 между стенками кожуха может быть меньше, чем в тех секциях кожуха 56, которые расположены у выхлопного отверстия 83. Кроме того, геометрическая конфигурация 76 турбинного кожуха 56 также отличается от его конфигурации в верхних секциях, так как указанный кожух изменяется в направлении выхлопного отверстия. Более того, как описано выше, выхлопной поток может протекать из выхлопного диффузора 62 в направлении наружу и вниз в пределах кожуха 56 и может быть перенаправлен к отверстию 83 вследствие геометрической конфигурации 76.

На фиг. 5В изображен подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха 56 усовершенствованного турбокомпрессора 12 в частичном разрезе по линии 5В-5В на фиг. 4. Как отмече- 4 022179 но выше, разрез выполнен по плоскости, которая проходит под углом приблизительно 45° относительно секущей плоскости на фиг. 5А. В данном варианте выполнения площадь поперечного сечения кожуха 56 увеличивается по сравнению с поперечным сечением в нижней секции 58. Расстояние 102 между стенками кожуха может быть больше аналогичного расстояния 73 в нижней секции 58. Заданное изменение площади внутренней полости кожуха 56 достигается отчасти вследствие геометрической конфигурации 103, которая обеспечивает улучшение выхлопного потока.

На фиг. 5С изображен подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха 56 турбокомпрессора 12 в частичном разрезе по линии 5С-5С на фиг. 4. Как отмечено выше, разрез выполнен по плоскости, которая проходит под углом приблизительно 90° или перпендикулярно относительно секущей плоскости на фиг. 5А. В данном варианте выполнения геометрическая конфигурация 104 кожуха 56 может обеспечивать улучшение выхлопного потока, проходящего через усовершенствованный турбинный кожух 56, вследствие расширения полости указанного кожуха, по которой выхлопные потоки протекают в направлении выхлопного отверстия 83. По существу, расстояние 105 между стенками 74 и 75 турбины может превышать расстояния 102 и 73 (показанные на фиг. 5В и 5А). Вариант выполнения кожуха 56 и усовершенствованной турбинной ступени 50 предполагает усовершенствованную геометрическую конфигурацию и ориентацию компонентов, обеспечивающую возможность повышения производительности турбокомпрессора 12, увеличение КПД, улучшение выхлопного потока и уменьшение обратного давления в турбокомпрессоре 12.

На фиг. 6А изображен подробный продольный разрез варианта выполнения турбинного кожуха 56 турбокомпрессора 12. На фиг. 6В изображен вид с торца в разрезе варианта выполнения турбокомпрессора 12. Области, изображенные на фиг. 6А и 6В, отображают площади, которые учитываются при вычислении отношения площади выхлопного патрубка или турбинного кожуха к кольцевой впускной площади диффузора. В варианте выполнения, изображенном на фиг. 6А, разрез выполнен по плоскости, развернутой на 180° относительно линии отсчета 101. При этом кожух 56 может ограничивать площадь 108 поперечного сечения полости, называемую площадью турбинного кожуха. Указанная площадь 108 ограничена линией 110 и кожухом 56. На фиг. 6В показана кольцевая впускная площадь 112 диффузора, которая представляет собой площадь нижней половины области впускного отверстия, проходящей от лопаток 66 к диффузору 62. Как отмечено выше, площадь 112 представляет собой кольцевую впускную площадь ниже линии 113, которая проходит по центру впускной кольцевой области. Области 108 и 112 могут использоваться для отображения заданного изменения площади, обеспечивающего улучшение выхлопного потока в турбинной ступени 50. Геометрическая конфигурация и площадь (108) поперечного сечения кожуха 56 изменяются по периферии тороидальной полости. Кроме того, в иллюстративном варианте выполнения геометрическая конфигурация 62 диффузора и площадь (112), полученная в результате представленного разреза, являются равномерными по всей периферии тороидальной полости. Следовательно, отношение площади 108 турбинного кожуха к кольцевой впускной площади 112 диффузора, рассчитанное по всей периферии турбокомпрессора 12, может применяться для иллюстрации повышенного КПД и характеристик потока в конструкции турбокомпрессора 12. Постепенное увеличение площади 108 турбинного кожуха в направлении протекания выхлопного потока к выхлопному отверстию 83, может быть описано как несимметричная геометрическая конфигурация кожуха 56, обеспечивающая рассмотренные ниже усовершенствования. Соотношение площадей, рассчитанное по всей периферии турбокомпрессора 12, представлено в графическом виде на фиг. 7.

В частности, фиг. 7 изображает график, на котором приведены зависимости вышеописанных соотношений площадей (например, площади 108 к площади 112) от периферического местоположения секущей плоскости в усовершенствованном турбокомпрессоре 12. Как указано выше, на графике 114 отмечено периферическое местоположение, причем площадь 108 поперечного сечения кожуха 56 рассчитана в разных секущих плоскостях, проходящих через турбокомпрессор 12, как изображено на фиг. 4. Кроме того, по оси 118 приведено отношение площади выхлопного диффузора к кольцевой впускной площади диффузора. Отношение, представленное на графике 114, представляет собой площадь 108 турбинного кожуха, рассчитанную в каждом поперечном сечении вдоль периферии турбокомпрессора 12, разделенную на постоянную кольцевую впускную площадь 112 диффузора. Линия 120 отображает зависимость значений соотношения площадей для варианта выполнения турбокомпрессорной части, в которой отсутствует усовершенствованная конструкция кожуха и которая, таким образом, отличается менее плавным изменением площади поперечного сечения (108 на фиг. 6А), что может вызывать значительные потери потока. Линия 122 отображает соотношение площадей (например, площади 108 к площади 112) и плавное изменение площади поперечного сечения выхлопного патрубка турбины в зависимости от местоположения в турбокомпрессоре 12 относительно линии 101 отсчета. Кроме того, для обеих зависимостей 120 и 122 площадь 112 представляет собой постоянную величину.

Как отмечено выше, периферическое местоположение 116 (например, горизонтальная ось) представляет собой значения, взятые между плоскостью, расположенной под углом 60°, и плоскостью, расположенной под углом 300° относительно плоскости, проходящей через линию 101 отсчета (см. фиг. 4). На графике 114 значения, соответствующие углу 60°, представляют собой отношения площадей, измеренные по плоскости, развернутой на 60° в направлении по часовой стрелке относительно плоскости, прохо- 5 022179 дящей через линию 101. Значения, соответствующие углу 90°, представляют собой отношения площадей, измеренные в плоскости, развернутой приблизительно на 90° в направлении по часовой стрелке относительно плоскости, проходящей через линию 101. Кроме того, значения, соответствующие углу 300°, представляют собой значения площадей, измеренные в плоскости, развернутой на 300° в направлении по часовой стрелке относительно плоскости, проходящей через линию 101. Как показано на чертеже, плавное изменение соотношения площадей (например, площади 108 к площади 112) в турбинном кожухе 56, изображенное линией 112, обеспечивает возможность постепенного увеличения объема и, следовательно, получение более плавного потока выхлопа, протекающего через указанный кожух, с обеспечением тем самым улучшения потока и производительности турбокомпрессора. С другой стороны, линия 120 соответствует альтернативной конструкции турбины с резкими изменениями соотношений площадей, которые показаны вблизи значений, соответствующих углам 90 и 270°, и приводят к менее эффективному и менее плавному выхлопному потоку. Для плавного изменения, проиллюстрированного линией 122, соотношение 118 площадей может характеризоваться изменением соотношения площадей, составляющим от приблизительно 8% до приблизительно 30% на 30°, между периферическими местоположениями, соответствующими 180 и 300° в направлении по часовой стрелке. Более того, для графика 122 значения соотношений 118 площадей, рассчитанные в периферических местоположениях 116, соответствующих плоскостям, развернутым в направлении против часовой стрелки на угол от 60 до 300° относительно вертикальной плоскости, проходящей через линию 101 кожуха 56, могут изменяться от приблизительно 0,42 до приблизительно 1,15.

В изображенной конфигурации турбинный кожух 56 расположен за выхлопным диффузором 62 и содержит тороидальную камеру, ведущую к выхлопному отверстию 83. Кроме того, площадь поперечного сечения тороидальной камеры постепенно увеличивается по меньшей мере приблизительно на 40% на промежутке от углового местоположения, соответствующего приблизительно 180°, до углового местоположения, соответствующего приблизительно 270° в периферическом направлении к выхлопному отверстию 83. Более того, постепенное увеличение площади поперечного сечения представлено графиком 122 соотношения площадей несимметричной тороидальной камеры на промежутке между приблизительно 60 и приблизительно 300° относительно вертикальной плоскости, проходящей через линию 101, причем значения на графике 122 изменяются от приблизительно 0,42 до приблизительно 1,15.

На фиг. 8 изображен график нормированного КПД турбины в зависимости от коэффициента расширения в турбокомпрессорной установке. Коэффициент расширения может быть представлен в виде отношения давления на впуске турбины к давлению на выпуске турбины в абсолютном выражении. Измерения коэффициента расширения могут быть выполнены в переходной секции 72 (давление на впуске турбины) и выхлопном отверстии 83 (давление на выпуске турбины). Коэффициент расширения представляет собой входной параметр для графика на фиг. 8, который может использоваться как показатель работы турбины, а положительный результат представлен по вертикальной оси в виде нормированного КПД турбины. На графике 124 нормированный КПД 128 турбины изображен в зависимости от коэффициента 126 расширения с отображением, таким образом, повышения производительности турбокомпрессора 12, как описано выше. Нормированный КПД 128 турбины позволяет сравнить уровень фактической производительности турбины с максимальной производительностью турбины при различных коэффициентах расширения путем деления действительного КПД турбины на максимальный КПД турбины усовершенствованной конструкции. Соответственно зависимость 130 соответствует конструкции турбокомпрессора 12, выхлопной диффузор и турбинный кожух которого не содержат усовершенствованных компонентов, оптимизированных с точки зрения выхлопного потока. В противоположность этому, зависимость 132 отображает КПД усовершенствованного турбокомпрессора, который достигается при помощи представленных выше оптимизированных конструкций турбинного кожуха и выхлопного диффузора, а также других компонентов турбинной ступени 50.

Как отмечено выше, максимальный КПД усовершенствованной турбины 132 имеет место при коэффициенте расширения, составляющем приблизительно 2,7, что соответствует нормированному КПД турбины, равному 1. Из сравнения зависимостей 130 и 132 следует, что вышеописанные компоненты усовершенствованного турбокомпрессора 12 могут обеспечить оптимальный и повышенный КПД турбокомпрессора. В частности, плавные изменения геометрической конфигурации турбинного кожуха 56 и усовершенствования, выполненные в выхлопном диффузоре 62, имеющем форму раструба, обеспечивают улучшенный выхлопной поток и повышенный КПД вследствие заданного изменения площади в турбокомпрессоре 12. Как показано на графике 124, при низких коэффициентах расширения (например, 1,5) повышение КПД усовершенствованной турбины 132 составляет приблизительно 3%, а при высоких коэффициентах расширения (например, 3) повышение КПД усовершенствованной турбины 132 составляет приблизительно 8%.

Несмотря на то что в данном документе изображены и описаны лишь некоторые характерные особенности изобретения, специалистом в данной области техники может быть создано множество модификаций и изменений. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие модификации и изменения как находящиеся в рамках идеи изобретения.

- 6 022179 формула изобретения

1. Турбокомпрессор (12), содержащий компрессор (26), содержащий компрессорные лопатки, тур-

Claims (13)

1. бину (28), содержащую турбинные лопатки (66), вал (30), соединяющий компрессор (26) с турбиной (28), выхлопной диффузор (62), расположенный ниже по потоку за турбинными лопатками (66) и имеющий раструб (64), турбинный кожух (56), расположенный ниже по потоку за выхлопным диффузором (62), содержащий стенки (74, 75, 94), окружающие камеру тороидальной формы, и имеющий выхлопное отверстие (83), расположенное в центре верхней секции (60) кожуха, противоположной нижней секции (58) камеры, причем турбинный кожух (56) имеет такую конфигурацию, что площадь (108) поперечного сечения указанной камеры постепенно увеличивается по меньшей мере приблизительно на 30-50% от центра нижней секции (58) камеры на промежутке, приблизительно соответствующем первым 90°, в периферическом направлении (98) к выхлопному отверстию (83), выполненному в верхней секции (60) кожуха.
2. 2. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором постепенное увеличение площади (108) поперечного сечения представлено соотношением площадей, а именно отношением площади (108) поперечного сечения тороидальной камеры к площади (112) раструба (64) диффузора (62), которое рассчитано для периферических местоположений, соответствующих плоскостям, развернутым в направлении против часовой стрелки на угол от 60 до 300° относительно вертикальной плоскости, проходящей через центр выхлопного отверстия (83), выполненного в верхней секции (60) кожуха, причем указанное соотношение площадей изменяется от приблизительно 0,42 до приблизительно 1,15.
3. 3. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором отношение длины раструба (64), измеренной в осевом направлении, к высоте турбинной лопатки (66), измеренной в целом в поперечном направлении к длине раструба, составляет от приблизительно 1,4 до приблизительно 3,4.
4. 4. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором площадь поперечного сечения турбинного кожуха (56) увеличивается в периферическом направлении потока, проходящего через кольцевую камеру к выхлопному отверстию.
5. 5. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором угол наклона внутренней стенки (74) нижней секции турбинного кожуха составляет приблизительно 75-80° относительно оси, проходящей через вал (30).
6. 6. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором раструб (64) проходит на расстояние, составляющее приблизительно 30-50% от ширины турбинного кожуха (56), в направлении, параллельном оси вала (30).
7. 7. Турбокомпрессор (12) по п.1, содержащий соединенный с ним двигатель (14).
8. 8. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором турбина (28) выполнена с возможностью образования полости внутри турбинного кожуха (56) с несимметричной геометрической конфигурацией.
9. 9. Турбокомпрессор (12) по п.1, в котором турбинный кожух (56) имеет тороидальную полость.
10. 10. Способ работы турбокомпрессора (12) по п.1, включающий пропускание выхлопного потока через выхлопной диффузор (62) с раструбом (64) и пропускание указанного выхлопного потока через тороидальную камеру турбинного кожуха (56).
11. 11. Способ по п.10, в котором при пропускании выхлопного потока через кольцевую тороидальную камеру указанный выхлопной поток пропускают через турбинный кожух (56), имеющий несимметричную геометрическую конфигурацию.
12. 12. Способ по п.10, в котором при пропускании выхлопного потока через тороидальную камеру указанный поток пропускают через ее нижнюю секцию (58), угол наклона внутренней стенки которой составляет приблизительно 75-80° относительно оси, проходящей через вал (30) турбины.
13. 13. Способ по п.10, в котором раструб (64) проходит на расстояние, составляющее приблизительно 30-50% от ширины турбинного кожуха (56), в направлении, параллельном оси вала (30) турбины.

    Фиг. 1

    - 7 022179

    Фиг. 2

    Фиг. 5А

    - 8 022179

    Фиг. 6В

    - 9 022179

    124-^ КПД турбины

    Фиг. 8

    Евразийская патентная организация, ЕАПВ Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2