CN100470009C - 一种涡轮设备 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机械。在涡轮(10)上设有保持器(20)，其上有一孔台阶元件用来保持涡轮叶轮，并有一孔，该孔显现一个比涡轮(10)的修整直径(D_TRIM)小的调整直径(d)，从而可以调整涡轮的效率特性。本文公开了具有调整直径孔眼的涡轮保持器的各种设计。

Description

一种涡轮设备

技术领域

本发明总的涉及涡轮机械，特别是涡轮增压的内燃机，具体涉及用以改善涡轮效率特性的涡轮壳体。

背景技术

在内燃机的普通技术中人们知道可以提供某些涡轮增压系统，从而涡轮利用排气的能量来驱动一压缩机。此时该压缩机被用来提高发动机的性能，典型的做法是用来提高供给发动机的空气的压力。

与发动机性能几乎同样重要是需要有较清洁的排气。大多数内燃机都要遵守控制发动机排放污染物水平的条例。“固定装置”如用内燃机驱动的发电机等以及汽车都被要求将某些污染物如CO和NO_x的排放保持在法定限度之下。但污染控制最好能在尽可能少地牺牲发动机性能的情况下完成。

一种减少内燃机排放物的方式—不管该发动机是否用涡轮增压，但通常是用涡轮增压的—是通过废气再循环(EGR)。EGR为将发动机排气的某些部分返回到发动机的进气歧管内。从排气歧管来的废气通过通到进气歧管的导管和管道被分流，从而可被引入到燃烧循环中，这样就可减少氧含量，这又降低有助于形成过多No_x的高的燃烧温度。

在例如重载的柴油发动机上引用EGR，所需的涡轮效率特性与传统的涡轮机械性能特性并不一致。这时如果简单地继承经典的涡轮机械的涡轮效率特性而采用申请人的VNT^TM牌的可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器EGR系统时会发生几个现象，包括：(1)在发动机某些运转速率下不能接受的高燃料消耗；(2)不能接受的涡轮增压器的高转速(即涡轮增压器的转速超过使用已知的生产材料和方法所能达到的限度)；及(3)不能在发动机所有需要的运转点上驱动EGR。

另外，在重载柴油发动机上使用EGR系统，要使涡轮增压器“匹配”到发动机上要进行不寻常的涡轮增压器涡轮叶轮的匹配。在某些情况下，例如传统的涡轮叶轮外廓要从结构上除去。这种不寻常的涡轮叶轮的机加工在涡轮叶轮与涡轮增压器轴分开制造时会增加保持涡轮叶轮的难度。这时，与相似情况下使用目前的涡轮增压器组合件的结构相比，涡轮叶轮会以高得多的速度和能量从涡轮机壳体的燃气出口处排出。

在上述背景下，我们研制了本发明。为保持涡轮叶轮和调整涡轮增压器的涡轮效率，涡轮机的壳体被修改，这样来克服上述缺点。本发明的应用范围，一部分将在下面结合附图的详细说明中列出，另一部分对本行业的行家来说在考查下列说明后自可明白，对一般人来说在实践后自可学得。本发明的目的和优点都可用在所附权利要求中特别指出的设备和组合来实施和达到。

发明内容

本发明提供一种涡轮设备包括：一个将一轴向孔和轴向导流器部分地封闭在其内的涡轮壳体，所说孔具有一个修整直径；一个可旋转地装在所说孔内的涡轮叶轮；及一个设在所说导流器内靠近所说涡轮叶轮的圆环，所说圆环限定一个在所述轴向导流器中的孔台阶和孔内的一个具有一调整直径的圆孔；其中所说修整直径大于所说调整直径，和所说调整直径在所说修整直径的80％到100％之间。

附图说明

引入到说明内并成为其一部分的附图示出本发明的两个实施例，并与说明一起用来阐明本发明的原理。附图只是为了示出本发明的较优实施例的目的，不能被认为限制本发明。在附图中：

图1为按照本发明的涡轮设备的一个实施例的侧面(轴向)剖视图；

图2A为图1中设备的保持环元件的侧面(轴向)剖视图；

图2B为图2A中保持环元件的端视图；

图3为按照本发明的另一个实施例的设备侧面剖视图。图中示出整体铸造在涡轮壳体上的保持环；

图4为按照本发明的另一个实施例的设备的侧面剖视图，图中示出一个可卸掉和嵌入的保持环；

图5为本发明另一个可替代的实施例的侧面剖视图，图中示出的保持环可在壳体内沿轴向移动并固定在不同的位置上；

图6为本发明还有另一个可替代实施例的侧面剖视图，图中示出的保持环系整铸在涡轮壳体上并具有沿径向向内伸出的空气动力学的突起；

图6A为图6中设备的端面(半径方向)的剖视图，该剖面系沿图6中的A-A线切取；

图7为本发明还有另一个可替代实施例的侧面剖视图，图中示出的保持环系整铸在涡轮壳体上，并具有沿径向向内伸出的直线突起。

图7A为图7中设备的端面(半径方向)的剖视图，该剖面系沿图7中的A-A线切取；

图8为本发明还有另一个可替代实施例的侧面剖视图，图中示出的保持环的直径可调节并可在涡轮壳体内占有一个可选择调节的轴向位置；

图8A为图8中设备的端面(半径方向)的剖视图，该剖面系沿图8中A-A线切取；及

图9为一曲线图，该图画出以涡轮压力比和涡轮效率表示的、按照本发明的固定形状调整直径的尺寸大小对固定修整直径的相对影响。

具体实施方式

本发明涉及涡轮，特别是但并非必需，涉及用于涡轮增压发动机的涡轮。本发明的设备在以柴油为燃料的发电厂及包括但并不限于大型汽车的发动机所使用的废气再循环(EGR)系统方面可找到有利的应用。按照本发明修改涡轮叶轮保持装置的结构能够设计涡轮效率特性来满足特殊的需要，并可改善叶轮盘的保持。因此本发明可缓解在涡轮机上使用EGR系统所带来的涡轮叶轮保持和涡轮效率特性问题。这些问题可通过涡轮壳体创新的修改来解决。如同下面要进一步列出其特征并披露的，本发明包括这些修改。

如同本行业所公知，涡轮所作的功正比于涡轮效率、物质的流量、涡轮前后的压力的比和进口的温度。轴或转子的转速为涡轮的功作用于直接驱动的压缩机的产物。通过出口形状和大小的设计，在涡轮叶轮出口处利用改变其出口构形和尺寸来调整涡轮效率，能够改变VNT涡轮转子的转速。效率改变的作用被用来匹配压缩机和VNT特性，借以满足发动机空气系统的要求。除了涡轮机械转速的控制以外，出口处细部的制定尺寸还要受最终的发动机性能参数如燃料消耗量或者可能包括发动机压力比的限制。

在涡轮叶轮出口处的涡轮壳体内设置一个规定形状和制定尺寸的阶梯孔能够有选择地调整和改善涡轮效率特性，从而可提高VNT涡轮增压器EGR系统的性能。扼要地说，设置阶梯孔可降低涡轮效率，造成涡轮进口压力有利的增加。这个增加的进口压力可促使排气从发动机的排气歧管流动到发动机的进气歧管内。按照本发明，这个有利的涡轮增压器的性能可在涡轮增压器较低的转速下完成，否则利用典型的涡轮机械的涡轮效率特性，则要用较高的转速。尽管使用较低的涡轮增压器的转速，但性能并没有被损害，因此这个创新的设备可用现有的生产材料来制造，并且可用VNT涡轮增压器已知的生产过程。另外，降低涡轮效率能够提供驱动大量EGR使其流到发动机的进气歧管内的能力，这是采用传统的涡轮壳体设计所不能达到的。

参阅图1，其中示出本发明设备的一个实施例。涡轮10有一个除了后面进一步说明的以外大致按照现有技术制造的涡轮机壳体12。该涡轮壳体12基本上环绕并形成一个涡轮孔14用来接纳一个大致按照传统可在涡轮轴上旋转的涡轮叶轮(未在图1中示出)。在一个可能的实施例中，在该壳体12的进入侧可设有一个入口16以便在涡轮机装配时将涡轮叶轮放置到孔14内。在将涡轮叶轮安装好以后便将入口16封闭，并用例如涡轮增压器中心壳体旋转组合件(未示出)的螺栓附件予以固定。

继续参阅图1可以注意到该涡轮壳体12有两个特征尺寸，一个是涡轮的末梢直径D_TIP，该直径通常大致相当于按照现有技术的涡轮叶轮的最大末梢直径。另一个是涡轮的修整直径D_TRIM，该直径在不同的涡轮壳体模型中各不相同，但大致相当于涡轮叶轮的功能直径，在叶轮的圆周和形成修整直径D_TRIM的壳体修整壁之间有一个十分接近的间隙。在本发明的某些实施例中，涡轮末梢直径D_TIP可只略大于修整直径D_TRIM。

在孔14内的“下游”设有涡轮扩散器或导流器(exducer)18，这是一个导管，通过它燃气从涡轮的组合件内被排出。直径D_BX在为联轴节作出合适的机械接头及制定排气系统所需的尺寸时是一个重要尺寸。值得一提的是，本发明已在如图1、4、5、6和8所示的采用大致成圆筒形的导流器的涡轮上以及在如图3和7所示的具有喇叭口或圆锥形导流器的涡轮上实地使用。

涡轮效率调整的实施是通过其中包括影响燃气流入并流过导流器18来完成的。参阅图1，这可在孔14内设置阶梯来达到，其时在轴向长度的一个短小部分内导流器18的直径突然被缩减。例如在图1的实施例中设有一个分开制造的阶梯孔环20，该环可通过导流器18嵌入到孔14内。如在图2A和2B可见，该阶梯孔环20为一刚性环，其外直径基本上等于导流器直径D_EX，因此可紧贴地安装在导流器18的喉管内，同心地环绕孔14的轴线如图1所示。该阶梯孔环20可用螺栓21或其他合适的紧固设施固定在位或整铸在涡轮壳体上。

值得注意的是，阶梯孔环20在其内形成一个最好与环的外圆周同心的孔22，该孔具有一个可选择调整的直径d(图2A和2B)。调整直径d最好并且几乎总是小于导流器直径D_Ex，并且小于涡轮壳体修整直径D_TRIM。因此由阶梯孔环20在孔14内形成的阶梯可这样设计使在涡轮叶轮出口附近离开涡轮叶轮的燃气由于通过环20孔眼22的通道被限制以致正常的顺畅流动受到扰乱。经调整的直径d的大小在D_TRIM的80％到100％之间。选择并确定d和D_TRIM之间的精确比率以便得到所需的调整。经调整的直径d和壳体修整直径D_TRIM之间的比率会影响涡轮效率特性。涡轮级性能的调整应与下游孔的调整直径对D_TRIM的影响(例如在图1中)关联起来。

由孔22造成的“阶梯孔”可被调整使涡轮效率可被匹配以便将迎合需要的效率特性提供给VNT牌涡轮增压器EGR系统。

图9为一曲线图，该图示出以涡轮压力比和涡轮效率表示的固定形状的直径d的尺寸大小对固定修整直径的相对影响。通过对VNT涡轮级定尺寸的固定直径d来调整涡轮效率是一种方法，用该方法能够修改和选配涡轮机械的速率使它符合一组特定的发动机条件。孔直径对效率的影响随着尺寸大小和运转的压力比而变。各种设计的直径d形状的性能特性随着孔的基本形状而变。

参阅图3所示出的本发明的较优的实施例，该实施例在许多方面都与图1的实施例十分相似，不同的只是其阶梯孔环24系在壳体12上整体铸造在位。图上示出有一涡轮叶轮30装在涡轮孔14内。在本发明的这个“几何形状和尺寸固定”的实施例中，整铸在壳体12上的环24提供孔内的阶梯25。因此环24是铸造壳体的一个永久的延伸物并在壳体制造时与整体关联。这个铸造的细部一般为模铸在壳体孔14内的环形。在铸造环24内的圆孔限定调整直径d。在图3中可以注意到，导流器18不是圆筒形，而是一个圆锥形的扩散器，其直径不断向涡轮的排气方向增加。圆锥形扩散器的加入可有助于调整涡轮性能的微调。

在图3中实施例中，孔台阶细部是由整铸在壳体12上的环24提供的。或者，保持环24可分开制造，然后嵌入并固定在涡轮孔内，如图1、2A、2B和4所建议。孔台阶是由直径为d的孔边限定的。直径d为供涡轮效率选用的调整直径，在任何情况下都小于修整直径D_TRIM。涡轮的燃气当然流动通过环24内的孔，但该孔太小不够涡轮叶轮30通过。

图5示出与图4中实施例相似的可嵌入的保持环24如何给设备提供可适应性。可嵌入的环24可被设置在涡轮孔内并固定在一个或多个不同的轴向位置上。图5所示为固定(例如用螺栓沿径向通过环固定在壳体上)在轴向前面位置上的保持环24。但由于保持环24为可卸除的嵌入，其轴向位置也可有选择地调节。如图5中虚线所示，保持环可从轴向前面位置上卸下，滑到任一个后面的位置，再暂时固定在位。这个调节可以是逐步地或连续地变化，取决于将环24连接到壳体上的模式，这样，单个涡轮10的保持环和调整零件便可按特殊用途调整。由于设置环的这个可调节性，由环限定的减小的调整直径d的轴向位置尺寸大小和影响便都可被调节和选择以便取得最佳的涡轮效率。保持器阶梯25的定位同样是可调的(例如可适应轴向长度不同的涡轮叶轮30)。

环的轴向运动可由两个或更多在圆周上排列的纵向导条29、29’导引，该导条可以是从涡轮孔壁上突起的壳体12的整体延伸部。导条29、29’还可防止环绕设备中心轴线的环24在径向上的偏移。嵌入而可卸除的保持环24可以卸下并重新装上以便维修或更换。

本发明还有另一个可替代实施例在图6和6A中示出。在壳体12上整体铸出的多个异型的突起33、33’能够具有保持器和调整的优点。异型的突起能可变地环绕一条轴线旋转，从而造成涡轮效率可变地被调整。突起33、33’的径向阵列沿径向延伸到孔14的喉内，并且最好环绕该孔的圆周均匀地间隔开如图6A。如该图所示，有效的调整直径d可近似地由直径两端的突起的平均“高度”来限定。突起33、33’可具有任何一种截面轮廓或形状。一个较好的截面轮廓在图6和图6A中示出，其中每一个突起具有一个多少为卵形或“泪滴状”的轨迹和一个翼型的轴向截面轮廓。有很多种形状和截面轮廓都可适用于本发明的功能，但这里示出的滑溜的空气动力学的截面轮廓是比较好的。

或者，突起33、33’可具有较为直线的或导叶状的形式。图7和7A画出一个可替代的实施例，其中具有多个均匀地间隔开的直线突起33、33’(在本例中为8个突起)。如图所示，该突起可具有一个例如低的轴向截面轮廓，每一突起33都有一个四边形的轴向截面，其先导“面”垂直于涡轮轴线，尾随面用一个锐角圆滑地溶入导流器18的内壁。在本例中，有效的调整直径d也是近似地使用突起的径向延伸的平均值来确定的。

在任何一个具有阵列的多个突起33、33’的实施例中。突起的纵向轴线，虽然最好互相平行，但也可与涡轮轴线偏斜或成角度，以在排气离开涡轮叶轮时促使其减少涡旋。突起33、33’的数目也可选用，例如可定在3与8之间(在图6和7的实施例中为8个)。

本发明还有另一个实施例在图8和图8A中示出。这个实施例允许在一个圆锥形而不是圆筒形的导流器中使用一个可调节的孔台阶。在这实施例中，分成弧形段的环27具有一个可变的直径，它可根据需要在圆锥形导流器18的倾斜的环状面上扩张或收缩。该环弧形段31、31’的数目可变。至少为3(在图8和图8A中为4个)，可达到8或10个。

这样图8和8A的实施例可享有图5所示实施例的某些特点和优点，除了在壳体12内的轴向位置可选择调节以外，阶梯环27的有效直径d也可调节，因为由环27内小孔限定的有效调整直径d是可调节的。要增加调整直径d时可沿径向向外移动均匀间隔开的弧形段31、31’，这样就可增加将相邻弧形段分开的圆周上间隙的大小。同样，当将环27移动到导流器内前面的位置时，由于环27的相邻弧形段间的间隙减小，可将直径d减小。

环段31、31’具有斜楔形的纵长的截面轮廓如图8A所示，因此当骑跨在孔内的环状斜面上时能同时沿轴向和径向移动。环段被这样排列使它总是能形成一个分成弧形段的环并固定在一个或多个轴向位置上。图8示出保持环27的弧形段固定(例如用螺栓沿径向通过环固定在壳体上)在轴向上的前面位置上。但由于保持环27既可嵌入，也可卸除，其轴向位置也可有选择地调节。如图8A中虚线所示，保持环27可从轴向前面位置上卸下，滑到后面一个位置上，再次暂时固定在位。由于该环被设置在导流器18改变的直径上，该环27调整的直径d同样被修改。这样，单个涡轮设备10的保持环和调整零件便可按特殊用途调整。由于设置环的这个可调节性，由环限定的减小的调整直径d的轴向位置、尺寸大小和影响便都可被调节和选择以便取得最佳的涡轮效率。保持器阶梯25的定位同样是可调的(例如可适应轴向长度不同的涡轮叶轮30)。

与图5的实施例相同，环27的运动可由两个或更多在圆周上排列的纵向导条导引(未在图8中示出)，该导条可以是从涡轮孔壁上突起的壳体12的整体延伸部。

因此，本发明的设备可在所有的实施例中设置一个阶梯孔25，该阶梯孔可用来保持涡轮叶轮30使它不会不适当地移向涡轮壳体12的后方。该保持器，典型地为一圆形环，具有或设有调整的突起，可以在其上作出一个相对于修整直径D_TRIM的调整直径d来使涡轮效率特性优化。

在涡轮壳体内涡轮叶轮的出口附近，将“阶梯孔”设计、定形和定尺寸能够修改或调整涡轮效率特性，使它对按照本发明的可变喷嘴涡轮机的涡轮增压器的EGR系统的性能更为有利。实际的情况是，阶梯孔25降低涡轮的效率，增加涡轮进口的压力，从而促使排气从发动机的排气歧管流到发动机进气歧管内。与使用普通的涡轮机械的涡轮效率特性相比，上述情况可用较低的涡轮增压器的转速来完成。

虽然本发明是结合较优实施例来详细说明的，但其他实施例也能得到相同的效果。对本行业的行家来说，在本发明的基础上显然是能作出各种变化和修改的，所有这些修改和等同变化理应包括在所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种涡轮设备包括：

一个将一轴向孔和轴向导流器部分地封闭在其内的涡轮壳体，所说孔具有一个修整直径；

一个可旋转地装在所说孔内的涡轮叶轮；及

一个设在所说导流器内靠近所说涡轮叶轮的圆环，所说圆环限定一个在所述轴向导流器中的孔台阶和孔内的一个具有一调整直径的圆孔；

其中所说修整直径大于所说调整直径，和

所说调整直径在所说修整直径的80％到100％之间。

2.权利要求1的设备，其特征在于所说环与所说壳体是整体铸造的。

3.权利要求1的设备，其特征在于所说环可卸除地嵌入在所说导流器内。

4.权利要求3的设备，其特征在于所说环可有选择地沿纵向定位，并沿所说导流器的轴线固定。

5.权利要求4的设备，其特征在于所说环包括多个环段，可相对于所说导流器的轴线沿径向移动。

6.权利要求1的设备，其特征在于所说环还具有多个相对于所说导流器轴线沿径向向内延伸的突起。

7.权利要求6的设备，其特征在于所说突起互相平行，并相对于所说导流器的轴线倾斜设置，以促使涡轮的排气减少涡旋。

Images