RU2581506C2

RU2581506C2 - Turbine compressor with adjusted boost

Info

Publication number: RU2581506C2
Application number: RU2014113246/06A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Семенов; Александр Андреевич Грабовский; Владимир Викторович Тарасов; Игорь Владимировна Алимов
Priority date: 2014-04-01
Filing date: 2014-04-01
Publication date: 2016-04-20
Also published as: RU2014113246A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to turbine compressors. The device novelty is that a gas receiving casing contains profiled front and radial channels for gases supply, connected with bottom left and right discharge channels of the gas receiving casing, respectively; its top channels are bypass for gas exhaust, at that the gas supply channels are connected by pairs with the bypass channels via the device controlling the turbine capacity in the form of two parallel rotating gates, installed on rollers at the input of the gas receiving casing controlled directly by pneumatic engines, and wherein the impeller is a combination of special profile blades made on a cylindrical and toroidal part with transitions from one geometric surface to another. In this device the technical result is ensured that is expressed in an increased efficiency and torque on the engine shaft. Besides, effective control of the turbine is ensured.

EFFECT: improved design.

2 dwg

Description

Турбокомпрессор с регулируемым наддувом относится к области машиностроения, а именно к турбокомпрессорам, применяемым, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения (тепловозы).A turbocharger with adjustable supercharging relates to the field of mechanical engineering, namely to turbochargers used, for example, to pressurize internal combustion engines, in particular, for transportation purposes (diesel locomotives).

Известны турбокомпрессоры, применяемые, например, для наддува двигателей внутреннего сгорания, в частности, транспортного назначения, ими являются устройства, содержащие турбину, состоящую из рабочего колеса с лопатками, лопаточного соплового аппарата с кожухом, газоприемного и выхлопного корпусов и компрессора, состоящего из колеса компрессора, диффузора (например, лопаточного) и корпуса компрессора, причем рабочее колесо турбины и колесо компрессора посажены на общий вал, установленный с возможностью вращения на подшипниковых опорах, расположенных между рабочими колесами турбины и компрессора (см. Под редакцией Л.С. Назарова "Маневровые тепловозы" М., «Транспорт», 1977 г., 408 с.).Known turbochargers, used, for example, to pressurize internal combustion engines, in particular, for transportation purposes, they are devices containing a turbine consisting of an impeller with blades, a blade nozzle apparatus with a casing, a gas intake and exhaust casing, and a compressor consisting of a compressor wheel , a diffuser (for example, a blade) and a compressor casing, the turbine impeller and compressor wheel mounted on a common shaft mounted rotatably on bearings Disposed between the turbine wheel and the compressor (see. Edited LS Nazarov "shunting locomotives" M., "Transport", 1977, at 408.).

Недостатком данного технического решения является малый вращающий момент при запуске двигателя и невозможность регулирования напора рабочего тела на лопатки турбины.The disadvantage of this technical solution is the low torque when starting the engine and the inability to control the pressure of the working fluid on the turbine blades.

Известна также радиальная многоконтурная центростремительная турбина (см. А.С. СССР №500376, МКИ F04D 17/02; F02С 9/100). Она содержит корпус и сопловой аппарат, ограничивающая стенка которого подпружинена и установлена в корпусе подвижно в осевом направлении, причем эта стенка установлена на направляющих штифтах. Данное устройство позволяет осуществлять регулировку давления наддува.Also known is a radial multi-circuit centripetal turbine (see AS USSR No. 500376, MKI F04D 17/02; F02C 9/100). It contains a housing and a nozzle apparatus, the bounding wall of which is spring-loaded and mounted in the housing movably in the axial direction, and this wall is mounted on the guide pins. This device allows you to adjust the boost pressure.

Из известных наиболее близким по технической сущности является устройство, реализованное в турбокомпрессоре, работающем на отработавших газах, для двигателя внутреннего сгорания, который содержит корпус и ротор, при этом корпус содержит участок отвода отработавших газов, выполненный с возможностью протекания газов, а ротор содержит турбинное колесо и жестко соединенный на кручение с турбинным колесом вал с осью вращения, при этом турбинное колесо установлено в опорах с возможностью вращения в участке отвода отработавших газов и выполнено с возможностью подачи на него отработавших газов, а в участке отвода отработавших газов расположено направляющее устройство для изменения подачи отработавших газов на турбинное колесо, причем направляющее устройство содержит выполненное с возможностью протекания газов направляющее решетчатое кольцо и осевую задвижку, а направляющее решетчатое кольцо содержит стойку для фиксации, а также выполненные с возможностью протекания газов направляющие лопатки, а осевая задвижка выполнена с возможностью захватывания направляющих лопаток. Согласно изобретению направляющее решетчатое кольцо содержит направляющие лопатки, которые выполнены с возможностью захватывания осевой задвижкой, начиная от стойки. Изобретение обеспечивает повышение надежности турбокомпрессора, работающего на отработанных газах. Недостатком является малый КПД и невозможность регулирования вращающего момента турбины.Of the known closest in technical essence is a device implemented in a turbocharger operating on exhaust gases for an internal combustion engine that contains a housing and a rotor, while the housing contains an exhaust gas section configured to flow gases, and the rotor contains a turbine wheel and a shaft with a rotation axis rigidly connected to torsion with the turbine wheel, while the turbine wheel is mounted in supports with the possibility of rotation in the exhaust gas discharge section and It is possible to supply exhaust gas to it, and in the exhaust gas discharge section there is a guide device for changing the exhaust gas supply to the turbine wheel, the guide device comprising a gas flow guide axial valve and an axial valve, and the guide lattice ring contains a rack for fixation, as well as guide vanes made with the possibility of gas leakage, and an axial valve made with the possibility of gripping guide vanes a. According to the invention, the guide lattice ring comprises guide vanes that are capable of being gripped by an axial valve, starting from the strut. The invention provides increased reliability of a turbocharger operating on exhaust gases. The disadvantage is the low efficiency and the inability to control the torque of the turbine.

Известным недостатком турбокомпрессора является низкая эффективность его работы при малой частоте вращения вала двигателя, когда количество отработавших газов невелико. Кроме того, турбонадувный двигатель, как правило, имеет так называемую «турбояму» - замедленный отклик на увеличение подачи топлива. Одним из упрощенных способов устранения указанных недостатков является применение регулятора скорости потока отработавших газов на входе в турбину.A known disadvantage of a turbocharger is its low efficiency at a low engine speed, when the amount of exhaust gas is small. In addition, a turbocharged engine, as a rule, has the so-called "turbo-yam" - a slow response to an increase in fuel supply. One of the simplified ways to address these shortcomings is the use of an exhaust gas flow rate controller at the turbine inlet.

В этой связи предлагаемое изобретение направлено на повышение эффективности работы и КПД турбокомпрессора.In this regard, the present invention is aimed at improving the efficiency and efficiency of a turbocompressor.

На фиг. 1 представлен общий вид турбокомпрессора, на фиг. 2 - рабочее колесо с лопатками.In FIG. 1 is a perspective view of a turbocharger; FIG. 2 - impeller with blades.

Техническим результатом является обеспечение управляемости турбокомпрессора.The technical result is the provision of controllability of a turbocharger.

Это достигается путем изменения скорости потока отработавших газов на входе в турбину. Для этой цели согласно предлагаемому изобретению в известную конструкцию турбины дополнительно вводится устройство, обеспечивающее разделение потока отработавших газов и его подвод к лопатке турбины рабочего колеса под углом к основному направлению подвода газа, а также изменяется профиль лопаток рабочего колеса. Вместе с тем обеспечивается автоматизированное регулирования количества подаваемого на лопатки газа в каждом канале подвода с помощью заслонок. Введение новых элементов конструкции и связей между ними обеспечивает решение поставленной задачи.This is achieved by changing the exhaust gas flow rate at the turbine inlet. For this purpose, according to the invention, a device is additionally introduced into the known turbine design, which ensures the separation of the exhaust gas flow and its supply to the impeller turbine blade at an angle to the main gas supply direction, and also the profile of the impeller blades changes. At the same time, an automated regulation of the amount of gas supplied to the blades in each supply channel with the help of dampers is provided. The introduction of new structural elements and the relationships between them provides a solution to the problem.

Турбина с регулируемым наддувом (фиг. 1) содержит корпус 1, рабочее колесо 2 с лопатками, вал с опорами 3, диффузор 4, газоприемный корпус, содержащий фронтальный 5 и радиальный 6 профилированные каналы для подвода газов, соединенные с нижними левым 7 и правым 15 нагнетательными каналами соответственно газоприемного корпуса, верхние перепускные каналы 10, 12 (левый и правый) которого являются перепускными для отвода газов, при этом каналы 7, 15 для подвода газов соединяются попарно с перепускными каналами 10, 12 через устройство управления производительностью турбины в виде двух параллельных поворотных задвижек 11 и 13, установленных на валиках 9 на входе газоприемного корпуса с управлением посредством, например, пневмодвигателей 8, 14, а рабочее колесо 2 при этом представляет комбинацию лопаток с профилем, выполненным на цилиндрической и тороидальной части с переходами от одной геометрической поверхности к другой (фиг. 2).The turbine with adjustable boost (Fig. 1) contains a housing 1, an impeller 2 with blades, a shaft with bearings 3, a diffuser 4, a gas intake housing containing frontal 5 and radial 6 shaped channels for supplying gases, connected to the lower left 7 and right 15 discharge channels, respectively, of the gas receiving housing, the upper bypass channels 10, 12 (left and right) of which are bypass for exhaust gases, while the channels 7, 15 for supplying gases are connected in pairs with the bypass channels 10, 12 through the control device a turbine in the form of two parallel rotary valves 11 and 13 mounted on the rollers 9 at the inlet of the gas receiving housing controlled by, for example, air motors 8, 14, and the impeller 2 is a combination of blades with a profile made on a cylindrical and toroidal part with transitions from one geometric surface to another (Fig. 2).

Устройство работает следующим образом. Турбокомпрессор устанавливается на двигатель таким образом, что выхлопные газы, имеющие высокую температуру и избыточное давление, из выпускного коллектора двигателя (на фиг. не показан), подсоединяемого к фланцу газоприемного корпуса, поступают через левый 7 и правый 15 нагнетательные каналы к левой 12 и правой 13 поворотным задвижкам соответственно и далее во фронтальный 5 и радиальный 6 профилированные каналы, где потенциальная энергия давления выхлопных газов преобразуется в кинетическую энергию потока с приданием потоку необходимого направления. Далее, в каналах, образованных верхней и боковой поверхностями лопаток рабочего колеса 2 турбины и корпусом 1, происходит преобразование кинетической энергии потока в механическую работу вращения рабочего колеса 2 турбины и формирование крутящего момента, который через вал передается на колесо компрессора. Если давление в компрессоре превышает заданную величину, то давление на входе в турбину регулируется двумя заслонками. При этом пневмодвигатели 8, 14 соответственно поворачивают левую 7 и правую 15 задвижки на заданный угол, перепуская часть газов с выпускного коллектора по перепускным каналам 10 или 12 в выпускной тракт. Для обеспечения эффективной работы турбины ее рабочее колесо 2 имеет профиль лопатки, выполненный на цилиндрической и тороидальной части с переходами от одной геометрической поверхности к другой. При этом лопатки имеют две рабочие поверхности - верхнюю и боковую.The device operates as follows. The turbocharger is mounted on the engine in such a way that exhaust gases having a high temperature and overpressure from the exhaust manifold of the engine (not shown in FIG.) Connected to the flange of the gas inlet casing come through the left 7 and right 15 injection channels to the left 12 and right 13 rotary valves, respectively, and further into the frontal 5 and radial 6 profiled channels, where the potential energy of the pressure of the exhaust gases is converted into kinetic energy of the flow, giving the flow the necessary The direction. Further, in the channels formed by the upper and lateral surfaces of the blades of the impeller 2 of the turbine and the housing 1, the kinetic energy of the stream is converted into the mechanical work of rotation of the impeller 2 of the turbine and the formation of torque, which is transmitted through the shaft to the compressor wheel. If the pressure in the compressor exceeds a predetermined value, then the pressure at the turbine inlet is regulated by two dampers. In this case, the air motors 8, 14 respectively rotate the left 7 and right 15 valves at a predetermined angle, bypassing part of the gases from the exhaust manifold through the bypass channels 10 or 12 into the exhaust tract. To ensure efficient operation of the turbine, its impeller 2 has a blade profile made on a cylindrical and toroidal part with transitions from one geometric surface to another. In this case, the blades have two working surfaces - the upper and the side.

Заявленная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения обеспечивает технический результат, выраженный в повышении КПД и увеличении момента на валу двигателя, а также повышается эффективность управления наддувом турбины. Кроме того, она позволяет увеличить вращающий момент вала турбины, который необходим для быстрой раскрутки турбины при пуске, а также уменьшить вес и габариты турбины.The claimed combination of essential features of the invention provides a technical result, expressed in increased efficiency and increased torque on the engine shaft, and also increases the efficiency of controlling the turbine pressurization. In addition, it allows you to increase the torque of the turbine shaft, which is necessary for quick spin-up of the turbine during start-up, as well as reduce the weight and dimensions of the turbine.

Claims

A turbocharger with adjustable supercharging, comprising a housing, a turbine impeller with blades, a gas intake housing, a shaft with bearings, a diffuser, characterized in that the gas intake housing includes frontal and radial shaped channels for supplying gases, connected to the lower left and right pressure channels respectively of the gas reception housing , the upper channels of which, left and right, are bypass for exhaust gases, while the channels for supplying gases are connected in pairs with bypass channels through the control device the performance of the turbine in the form of two parallel rotary valves installed on the rollers at the inlet of the gas intake housing controlled by air motors, and the impeller is a combination of blades with a profile made on a cylindrical and toroidal part with transitions from one geometric surface to another.