具有扇區劃分渦輪殼體的軸向渦輪的制作方法
【專利摘要】本發明涉及具有扇區劃分渦輪殼體的軸向渦輪。用于渦輪增壓器的無定子或無噴嘴軸向渦輪具有軸向渦輪葉輪，該軸向渦輪葉輪接收大致沿軸向方向的排氣的渦旋流。所述渦輪包括扇區劃分渦輪殼體，其限定多個分離的排氣入口，每個排氣入口用于接收來自內燃發動機的分離的排氣流，所述扇區劃分渦輪殼體還限定多個分離的成角度扇區通道，每個成角度扇區通道占據圍繞渦輪葉輪的圓周的一部分，每個成角度扇區通道借助于多個排氣入口中的相應一個被供給排氣。所述渦輪殼體組件限定用于每個成角度扇區通道的分離的扇區出口。所述渦輪殼體組件可以包括分離地形成的遮熱罩，所述扇區出口可以至少部分地由所述遮熱罩形成。
【專利說明】具有扇區劃分渦輪殼體的軸向渦輪
【技術領域】
[0001]本發明涉及渦輪增壓器，其中渦輪增壓器的渦輪由來自往復式發動機的排氣驅動。本發明更具體地涉及渦輪殼體，所述渦輪殼體被劃分為多個大致分離的部分，每個部分由分離的排氣系統來供給。
【背景技術】
[0002]在多活塞往復式發動機中，已知的是，設計排氣系統以使得利用在排氣流中出現的壓力脈沖。特別地，已知的是使用所謂的“脈沖分離”，其中發動機的汽缸被劃分為多個子組，來自汽缸的每個子組的脈沖借助于具有對每個子組來說獨立的排氣通道而與來自其它子組的脈沖大致隔離。最佳地利用所述脈沖分離，期望最小化汽缸的分離組之間的傳送或“串擾”。因此，在渦輪增壓發動機的情況下，有利的是保持一直到渦輪增壓器的渦輪中的分離排氣通道。因此，供應有排氣的渦輪殼體通常被劃分為多個大致分離的部分。
[0003]基本上存在將渦輪殼體進行劃分的兩種情形:(I)子午線劃分；和(2)扇區劃分。在子午線劃分的渦輪殼體中，大致環狀蝸殼或室圍繞渦輪葉輪并且排氣被供應到其中，所述環狀渦形殼或室在子午平面內被劃分為多個通道，以使得每個通道占據整圓周并且所述通道在軸向方向上彼此連續，如在美國專利號4，027，994中的圖4所示的。
[0004]相反，本發明涉及扇區劃分的渦輪殼體。在扇區劃分渦輪殼體中，大致環形室被劃分為成角度扇區，每個成角度扇區僅僅占據圓周的一部分以使得通道在周向方向上彼此連續，例如如在美國專利號6，260，358中的圖2所示的。此圖也示出了引導葉片12，所述引導葉片正好布置在所述室的徑向內部，并且將所述流引導到渦輪葉輪中。
【發明內容】
[0005]本公開具體地涉及一種用于渦輪增壓器的渦輪，并且涉及具有這種渦輪的渦輪增壓器，其中扇區劃分渦輪殼體將多個分離的排氣流供應到“無定子”軸向渦輪。術語“無定子”意味著渦輪具有旋轉葉片但是沒有定子，并且具體地不具有用于將所述流引導到葉片中的入口定子。這樣的入口定子在軸向渦輪領域通常被稱為“噴嘴”，且因此，本公開的軸向渦輪也可以被稱為“無噴嘴”的。
[0006]因此，在本文公開的一個實施例中，無定子軸向渦輪包括軸向渦輪葉輪以及容納所述渦輪葉輪的渦輪殼體組件，所述軸向渦輪葉輪包括輪轂和從所述輪轂大致徑向向外地延伸的多個葉片。渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體，所述扇區劃分渦輪殼體限定到所述渦輪殼體中的多個分離的排氣入口。每個排氣入口接收來自內燃發動機的分離的排氣流。所述扇區劃分渦輪殼體限定出多個分離的成角度扇區通道，每個成角度扇區通道占據圍繞所述渦輪葉輪的圓周的一部分，所述成角度扇區通道在周向方向上彼此連續。每個成角度扇區通道借助于多個排氣入口中的相應一個被供給排氣，每個成角度扇區通道表征為會聚的截面，所述截面向內螺旋地前進并且會聚以使得排氣加速。
[0007]所述渦輪殼體組件限定用于每個成角度扇區通道的分離的扇區出口，相應排氣流大致沿所述渦輪葉輪的軸向方向通過所述扇區出口被供給到所述渦輪葉輪的入口側。
[0008]在一個實施例中，所述渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體和分離地形成的遮熱罩，所述扇區出口至少部分地由所述遮熱罩形成。
[0009]所述遮熱罩可包括徑向凸緣部、以及被連接到所述徑向凸緣部的多個劃分壁，所述劃分壁徑向向內地且周向地以螺旋方式延伸，以彼此分隔所述分離的扇區出口。
[0010]在一個實施例中，所述遮熱罩具有錐形部，所述錐形部從所述徑向凸緣部軸向地延伸，并且朝向所述渦輪葉輪的入口側減小半徑以形成至所述渦輪葉輪的軸向入口的徑向內部邊界。
[0011]由所述葉片的徑向外部末端限定的所述渦輪葉輪的外徑從所述渦輪葉輪的入口側到出口側可以是大致恒定的。
[0012]在一個實施例中，存在兩個所述排氣入口和兩個所述成角度扇區通道,所述成角度扇區通道中的每個沿圓周占據大約180度。但是，本發明并不局限于兩個扇區，并且需要的話可采用大于兩個扇區。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]在已經總體上這樣描述本發明之后，現在將參考附圖，所述附圖不必按比例繪制，且其中:
[0014]圖1是根據本發明的一個實施例的渦輪增壓器的軸向截面圖；
[0015]圖1A是圖1的放大部分；
[0016]圖2是根據本發明的一個實施例的渦輪組件的截面圖；
[0017]圖3是渦輪組件的另一截面圖；
[0018]圖4是渦輪組件的剖切立體圖；
[0019]圖5是渦輪組件的扇區劃分構件的透視圖；
[0020]圖6是扇區劃分構件的軸向圖；
[0021]圖7是扇區劃分構件的側視圖；和
[0022]圖8是渦輪組件的渦輪殼體的剖切立體圖。
【具體實施方式】
[0023]現在將在下文參照附圖更充分地描述本發明，在附圖中示出了本發明的一些實施例，但并非全部實施例。當然，這些發明可以以許多不同形式被實施并且應當被認為不局限于本文所述的實施例；更確切地說，這些實施例被提供以使本公開將滿足于可適用的法律要求。貫穿全文，相同的附圖標記指代相同的元件。
[0024]圖1描述了根據本發明的一個實施例的渦輪增壓器201。該渦輪增壓器201在許多方面與美國專利號8，353，161、美國專利申請號12/799，182、專利申請號12/799，195和美國專利申請號12/799，196中描述的渦輪增壓器相似，所有這些文獻通過參考被并入本文。參照圖1，在本發明的一個實施例中，渦輪增壓器201包括渦輪增壓器殼體和轉子，所述轉子構造成在渦輪增壓器殼體內沿轉子的旋轉軸線203在一組軸承上旋轉。該渦輪增壓器殼體包括渦輪殼體205、壓縮機殼體207、和將渦輪殼體連接到壓縮機殼體的軸承殼體209( S卩，中間殼體，其容納徑向和推力軸承)。轉子包括大致定位在渦輪殼體內的軸向渦輪葉輪211、大致定位在壓縮機殼體內的徑向壓縮機葉輪213、以及軸215，所述軸215沿轉子的旋轉軸線延伸并且穿過軸承殼體，以將渦輪葉輪連接到壓縮機葉輪并且使得渦輪葉輪驅動壓縮機葉輪以使其繞旋轉軸線203旋轉。
[0025]渦輪殼體205和渦輪葉輪211形成渦輪或渦輪組件，其構造成接收來自發動機的排氣歧管的高壓和高溫排氣。借助于作用在渦輪葉輪的多個葉片231上的高壓和高溫排氣，渦輪葉輪(以及因此轉子)被驅動成繞轉子的旋轉軸線203旋轉。排氣在傳過葉片時被膨脹至較低的總壓力，并且經由渦輪出口 210大致軸向地釋放到排氣系統(未示出)中。
[0026]渦輪葉輪211是軸向流渦輪葉輪，這意味著排氣沿大致軸向方向進入葉輪(雖然所述流具有大致周向或渦旋方向的分量)，這與徑向流入葉輪相區分，在徑向流入葉輪中，進入的流大致徑向向內地被引導至葉輪。渦輪葉輪211的外徑(如由葉片231的徑向外部末端所限定的)從渦輪葉輪的入口側到出口側是大致恒定的。
[0027]壓縮機殼體207和壓縮機葉輪213形成徑向壓縮機。壓縮機葉輪由排氣驅動的渦輪葉輪211經由軸215而被驅動以旋轉，所述壓縮機葉輪構造成將軸向地接收的輸入空氣(例如，環境空氣，或來自多級壓縮機的先前級的已加壓空氣)壓縮成加壓空氣流，所述加壓空氣流可以從壓縮機被周向地且徑向地噴射并且被傳送到發動機進氣口。
[0028]參照圖1、IA和2，渦輪殼體205形成排氣入口通道217，其被構造成沿法向于轉子的旋轉軸線203垂直且從旋轉軸線203徑向偏移的方向接收來自發動機的排氣。以這樣的方式設計往復式發動機的排氣系統是有優勢的，即，利用在排氣流中出現的壓力脈沖。具體地，已知采用所謂的“脈沖分離”，其中發動機汽缸被劃分為多個子組，并且來自汽缸的每個子組的脈沖借助于每個子組都具有獨立的排氣通道而與其他子組的脈沖相隔離。為了最好地利用脈沖分離，期望使得分離的排氣通道之間的傳送或串擾最小化。因此，在渦輪增壓發動機的情況下，有利的是保持一直到渦輪增壓器的渦輪中的分離排氣通道。為此，渦輪增壓器的渦輪殼體205有利地包括扇區劃分的渦輪殼體。具體地，排氣入口通道217限定兩個分離的通道217a和217b，其中一個通道接收來自發動機汽缸的一個子組的排氣并且另一通道接收來自發動機汽缸的另一子組的排氣。渦輪殼體也限定大致環形室219，其被劃分為兩個成角度扇區219a和219b，所述成角度扇區彼此被分離并且分別經由排氣入口通道的分離通道217a和217b被供應排氣。根據本發明可采用各種數量的扇區，因此，雖然兩個扇區在附圖中被描述，但是需要的話可以使用大于兩個扇區。
[0029]圖1至圖4描述根據本發明的渦輪組件的一個實施例，其中大致環形室219被劃分為兩個成角度扇區219a和219b，每個成角度扇區占據所述室的圓周的大約180度。所述室由安裝在渦輪殼體內的扇區劃分構件221劃分為扇區。所述扇區劃分構件221也用作相對熱的渦輪殼體和相對更冷的中間殼體之間的遮熱罩，所述扇區劃分構件限定大致徑向向內地延伸(但是典型地，也具有大致周向或切向方向的分量)的一對劃分“舌”或壁223。所述劃分壁223有效地用作渦輪殼體205的相應壁206 (圖2)的延伸部，其將成角度扇區219a和219b的出口彼此隔開。在另一實施例(未示出)中，所述劃分壁223可以與渦輪殼體205整體地形成，使得遮熱罩221不會起扇區劃分部的作用。
[0030]劃分構件221具有徑向凸緣部225，其被捕獲或夾設在渦輪殼體205和中間殼體209之間，如圖1和IA所示。劃分構件或遮熱罩221在圖5至圖7中被單獨示出。大致管狀的軸向延伸部226從徑向凸緣部225延伸很短的距離并且與錐形部227接合，該錐形部軸向地并且徑向向內地延伸以形成至渦輪葉輪211的軸向入口的徑向內部邊界。劃分壁223與徑向凸緣部225和管狀部226接合、徑向向內地且周向地以大致螺旋方式延伸、并且在鄰近錐形部227的徑向向內的端部處終止。劃分構件或遮熱罩221因此將排氣流中的每一者沿大致軸向方向(即，在葉片231的前緣幾乎沒有或沒有徑向速度分量)引導到渦輪葉輪211中。
[0031]該實施例的渦輪采用無葉片或無定子設計，在本文也被稱為“無噴嘴”渦輪。與具有葉片或噴嘴的設計相比，上述設計有利地是成本有效的、可靠的(因為，這免除了在如下環境中的部件，在該環境中所述部件很可能被腐蝕)、避免摩擦壓力損失、并且避免建立臨界喉管區，在某些操作條件下所述臨界喉管區會阻塞所述流。在入口處不存在葉片或噴嘴意味著:進入葉輪211的流具有大致周向或渦旋的速度分量。
[0032]參照圖2-4，成角度扇區219a和219b中的每個包括向內螺旋通道，其表征為向內螺旋前進的會聚截面并且會聚以使得排氣加速，并且當排氣軸向向下游改變方向并且軸向地撞擊在葉片231的上游端時，所述排氣在發動機(和因此渦輪增壓器的)的至少某些操作條件下實現超音速的速度。因此，在成角度扇區219a和219b的內部半徑中的被加速的排氣流的潛在超音速流沿大致軸向方向被弓I導至渦輪葉輪211中。
[0033]參照圖1，壓縮機殼體207和壓縮機葉輪213形成雙重平行徑向壓縮機。更具體地，壓縮機葉輪具有兩組背靠背地定向的推進器葉片。第一組推進器葉片301定向成傳統構造，其中入口軸向向外(遠離渦輪)以接收來自該方向的空氣。第二組推進器葉片303被定向成反轉構造，其中入口軸向向內(朝向渦輪)以接收沿切向地傳送并且改變方向從而軸向地進入到第二組推進器葉片中的空氣。第一組和第二組推進器葉片可以被制造成單個、整體式葉輪的形式(例如，如所示的)，或可以包括多個部分的組件。
[0034]壓縮機殼體207被構造成將入口空氣引導到平行的每組壓縮機葉片，并且引導來自每個壓縮機的加壓氣體的傳送。在該實施例中，壓縮機殼體包括兩個分離的軸向定位的空氣入口 ；亦即，第一空氣入口通道305和第二空氣入口通道307，所述第一空氣入口通道布置成鄰近壓縮機殼體的末端以將入口空氣沿軸向方向傳送到第一壓縮機葉片301，所述第二空氣入口通道與第一空氣入口通道305分離。由壓縮機葉輪213提供的加壓空氣從每組推進器葉片301和303徑向地被引導通過單個擴散器311而到達壓縮機蝸殼313。
[0035]該雙通道、平行、徑向壓縮機構造與可比較的單通道徑向壓縮機相比可以在更高速度下操作，并且在穩態操作下可以基本不產生軸向負荷。較高的操作速度通常將會更好地匹配軸向渦輪的操作速度。
[0036]出于多個原因，本發明實施例的構造是很重要的。如所述的，渦輪殼體的扇區劃分部一直延伸到渦輪葉輪211的入口，所述扇區劃分部盡可能合理地維持將來自發動機汽缸的一個子組的排氣流的脈沖與來自汽缸的另一子組的排氣流的脈沖相分離或隔離。該脈沖分離由于改進的閥充氣更換和對增壓的降低需求而可以改進內燃發動機的總效率。
[0037]此外，所述實施例的構造對于克服限制小型汽油動力發動機上的渦輪增壓器的效力的效率限制來說尤其有效，其中，傳統軸向渦輪的實際限制致使它們在實際和有效使用方面相對低效。
[0038]所述實施例提供一種具有大葉片的有效渦輪，所述大葉片可以有效地被制造，甚至小規模地(in small size)被制造。可比較的大尺寸和較小的數量的軸向渦輪葉片非常適于小規模地被鑄造，而更小葉片對于傳統鑄造技術來說可能太小。當應用于非常小的渦輪時，大葉片不需要可能為限制性的制造公差。
[0039]特別地，使用無軸向負荷渦輪或無軸向負荷壓縮機與其傳統軸向負荷渦輪或壓縮機相比更低效。此外，渦輪和壓縮機通常構造成具有部分抵消的軸向負荷。雖然這些負荷是不完美地被匹配，但是它們確實提供對軸向負荷的至少一定緩解。如果僅一個部件(即，渦輪或壓縮機)不產生軸向負荷，那么來自另一部件的剩余負荷不會局部地抵消，并且出現甚至更大的軸向負荷，從而需要甚至更大的推力軸承。
[0040]在本發明中，無軸向負荷壓縮機與無軸向負荷渦輪結合，從而允許更有效得多地使用推力軸承。可以相信，在某些實施例中，推力負荷要求可以小到僅僅為傳統軸向負荷渦輪或壓縮機中的20%。構造成承載這種小負荷的軸承可以被適用，以大致更具有能源效率。結果，盡管系統部件中的一些潛在地具有較低效率，但是渦輪增壓器的總系統效率顯著高于傳統渦輪增壓器中的。
[0041]雖然許多傳統渦輪增壓器被設計成不產生下游渦旋，但是本發明的一些實施例可以構造有葉片，所述葉片產生負向的或甚至正向的渦旋。在根據本發明來設計渦輪時，與當幾乎不產生或不產生軸向負荷時提取能量的效率相比，可能更不太關注下游渦旋的產生。
[0042]在從前述描述和相關附圖中呈現的教導受益之后，本發明所屬領域的本領域技術人員將會想到本文所述的本發明的許多修改和其它實施例。因此，需要理解的是，本發明不限于所公開的具體實施例，并且修改和其它實施例旨在被包括在所附權利要求書的范圍內。盡管具體術語在本文被使用，但是它們僅僅被用于通用和描述性意義的而不是出于限制的目的。
【權利要求】
1.一種用于排氣驅動的渦輪增壓器的軸向渦輪，所述渦輪不具有入口定子，并且包括: 軸向渦輪葉輪以及容納所述渦輪葉輪的渦輪殼體組件，所述軸向渦輪葉輪包括輪轂和從所述輪轂大致徑向向外地延伸的多個葉片； 所述渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體，所述扇區劃分渦輪殼體限定到所述渦輪殼體中的多個分離的排氣入口，每個排氣入口用于接收來自內燃發動機的分離的排氣流，所述扇區劃分渦輪殼體還限定多個分離的成角度扇區通道，每個成角度扇區通道占據圍繞所述渦輪葉輪的圓周的一部分，所述成角度扇區通道在周向方向上彼此連續，每個成角度扇區通道借助于多個排氣入口中的相應一個被供給排氣，每個成角度扇區通道表征為會聚的截面，所述截面向內螺旋地前進并且會聚以使得排氣加速； 所述渦輪殼體組件限定用于每個成角度扇區通道的分離的扇區出口，相應排氣流大致沿所述渦輪葉輪的軸向方向通過所述扇區出口被供給到所述渦輪葉輪的入口側。
2.根據權利要求1的軸向渦輪，其中，所述渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體和分離地形成的遮熱罩，所述扇區出口至少部分地由所述遮熱罩形成。
3.根據權利要求2所述的軸向渦輪，其中，所述遮熱罩具有徑向凸緣部、以及被連接到所述徑向凸緣部的多個劃分壁，所述劃分壁徑向向內地且周向地以螺旋方式延伸，以彼此分隔所述分離的扇區出口。
4.根據權利要求3所述的軸向渦輪，其中，所述遮熱罩具有錐形部，所述錐形部從所述徑向凸緣部軸向地延伸，并且朝向所述渦輪葉輪的入口側減小半徑以形成至所述渦輪葉輪的軸向入口的徑向內部邊界。
5.根據權利要求1所述的軸向渦輪，其中，由所述葉片的徑向外部末端限定的所述渦輪葉輪的外徑從所述渦輪葉輪的入口側到出口側是大致恒定的。
6.根據權利要求1所述的軸向渦輪，其中，存在兩個所述排氣入口和兩個所述成角度扇區通道，所述成角度扇區通道中的每個占據沿圓周的大約180度。
7.一種渦輪增壓器，包括: 軸向渦輪，所述軸向渦輪不具有入口定子，并且包括: 軸向渦輪葉輪以及容納所述渦輪葉輪的渦輪殼體組件，所述軸向渦輪葉輪包括輪轂和從所述輪轂大致徑向向外地延伸的多個葉片； 所述渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體，所述扇區劃分渦輪殼體限定到所述渦輪殼體中的多個分離的排氣入口，每個排氣入口用于接收來自內燃發動機的分離的排氣流，所述扇區劃分渦輪殼體還限定多個分離的成角度扇區通道，每個成角度扇區通道占據圍繞所述渦輪葉輪的圓周的一部分，所述成角度扇區通道在周向方向上彼此連續，每個成角度扇區通道借助于多個排氣入口中的相應一個被供給排氣，每個成角度扇區通道表征為會聚的截面，所述截面向內螺旋地前進并且會聚以使得排氣加速； 所述渦輪殼體組件限定用于每個成角度扇區通道的分離的扇區出口，相應排氣流大致沿所述渦輪葉輪的軸向方向通過所述扇區出口被供給到所述渦輪葉輪的入口側； 壓縮機，所述壓縮機包括安裝在壓縮機殼體內的壓縮機葉輪，所述壓縮機殼體限定用于從所述壓縮機葉輪接收加壓空氣的壓縮機排氣蝸殼； 軸，所述軸具有附接到所述壓縮機葉輪上的一端以及附接到所述渦輪葉輪的相對端；和 中間 殼體組件，所述中間殼體組件被連接在所述渦輪殼體組件和所述壓縮機殼體之間，所述中間殼體組件容納用于所述軸的軸承。
8.根據權利要求7所述的渦輪增壓器，其中，所述渦輪殼體組件包括扇區劃分渦輪殼體和分離地形成的遮熱罩，所述扇區出口至少部分地由所述遮熱罩形成。
9.根據權利要求8所述的渦輪增壓器，其中，所述遮熱罩具有徑向凸緣部、以及被連接到所述徑向凸緣部的多個劃分壁，所述劃分壁徑向向內地且周向地以螺旋方式延伸，以彼此分隔所述分離的扇區出口。
10.根據權利要求9所述的渦輪增壓器，其中，所述遮熱罩具有錐形部，所述錐形部從所述徑向凸緣部軸向地延伸，并且朝向所述渦輪葉輪的入口側減小半徑以形成至所述渦輪葉輪的軸向入口的徑向內部邊界。
11.根據權利要求7所述的渦輪增壓器，其中，由所述葉片的徑向外部末端限定的所述渦輪葉輪的外徑從所述渦輪葉輪的入口側到出口側是大致恒定的。
12.根據權利要求7所述的渦輪增壓器，其中，存在兩個所述排氣入口和兩個所述成角度扇區通道，所述成角度扇區通道中的每個占據沿圓周的大約180度。
【文檔編號】F01D1/20GK103967541SQ201410130749
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年1月29日 優先權日:2013年2月1日
【發明者】V·豪斯特, V·凱爾斯 申請人:霍尼韋爾國際公司