[發明專利]軸向渦輪機

有效

• 申請號: 201110096472.8
• 申請日: 2011-04-18
• 公開（公告）號: CN102220904A
• 公開（公告）日: 2011-10-19
• 發明（設計）人: J.A.羅特曼;V.凱爾斯
• 申請（專利權）人: 霍尼韋爾國際公司
• 主分類號: F02C6/12
• 分類號: F02C6/12;F02B37/00;F01D5/14;F01D25/24
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 原紹輝

技術領域

本發明總體上涉及渦輪增壓器，并且更具體地涉及具有高速渦管形渦形（volute）的軸向渦輪機（軸流式渦輪機）。

背景技術

參見圖1，具有徑向渦輪機的典型渦輪增壓器101包括渦輪增壓器殼體和轉子，該轉子構造成在渦輪增壓器殼體中沿轉子旋轉軸線103在推力軸承和兩組軸頸軸承（每一組用于各自相應的轉子輪）或者替代性地在其他類似支撐性軸承上旋轉。渦輪增壓器殼體包括渦輪機殼體105、壓縮機殼體107和軸承殼體109（即，容納軸承的中心殼體），軸承殼體109將渦輪機殼體連接到壓縮機殼體。轉子包括基本位于渦輪機殼體內的渦輪機輪111、基本位于壓縮機殼體內的壓縮機輪113以及軸115，軸115沿轉子旋轉軸線延伸通過軸承殼體以將渦輪機輪連接到壓縮機輪。

渦輪機殼體105和渦輪機輪111形成渦輪機，該渦輪機構造成周向地接收來自發動機（例如來自內燃發動機125的排氣歧管123）的高壓高溫排氣流121。渦輪機輪（因而轉子）被高壓高溫排氣流驅動圍繞轉子旋轉軸線103旋轉，高壓高溫排氣流變成較低壓較低溫排氣流127并且被軸向地釋放到排氣系統（未示出）中。

壓縮機殼體107和壓縮機輪113形成了壓縮機級。壓縮機輪被排氣驅動的渦輪機輪111驅動旋轉，并且構造成將軸向接收的輸入空氣（例如，外界空氣131，或來自多級壓縮機的前級的已被加壓的空氣）壓縮成加壓空氣流133，加壓空氣流133從壓縮機被周向地排出。由于該壓縮過程，加壓空氣流的特征在于相比輸入空氣更高的溫度。

任選地，加壓空氣流可被輸送通過對流冷卻的中冷器135，中冷器135構造成從加壓空氣流耗散熱量并使其密度增大。所得到的被冷卻和加壓的輸出空氣流137被輸送到內燃發動機上的進氣歧管139中，或者替代性地被輸送到后級、串聯壓縮機中。該系統的操作被ECU?151（發動機控制單元）控制，ECU?151經由連通連接153連接到系統的其余部分。

1989年7月25日的美國專利4850820公開了類似于圖1的渦輪增壓器，不過該渦輪增壓器具有軸向渦輪機，該美國專利通過引用并入本文中用于所有目的。軸向渦輪機固有地具有較低的慣性矩，降低了使渦輪機加速所需的能量的量。如在圖2中可看到的，渦輪機具有渦管，該渦管周向地接收渦輪機葉片半徑處的排氣并且（參見圖1）軸向地限制該流以將其轉變為軸向流。因而其沿大致軸向方向沖擊渦輪機葉片的前緣（參見列2）。

對于許多感興趣的渦輪機尺寸，相比可比較的徑向渦輪機（輻流式渦輪機），軸向渦輪機通常以更高的質量流和更低的膨脹比操作。雖然常規軸向渦輪機通常提供更低的慣性，盡管在效率和性能上有一些損失，但它們無法以許多現代內燃發動機可使用的小尺寸來高效地制造。這是例如由于所可能需要的格外緊的公差，由于空氣動力學限制，和/或由于在生產小的鑄件時的尺度限制。軸向渦輪機還無法在較高膨脹比時良好地運行，例如通常由于內燃發動機的排氣的脈動本質而需要較高的膨脹比。此外，常規軸向渦輪機在葉片上具有靜壓的顯著變化，導致轉子的推力軸承上的顯著推力負載，并且潛在地導致竄漏。

在一些常規渦輪增壓器中，渦輪機和壓縮機被構造成在相對的方向上施加軸向負載，從而使得軸承所必須承載的平均軸向負載變小。不過，來自渦輪機和壓縮機的軸向負載相互之間不是均勻變化，并且可以以顯著不同的水平變化，所以推力軸承必須設計成用于在渦輪增壓器使用期間可能出現的最大負載條件。構造成支撐高軸向負載的軸承相比可比較的低負載軸承浪費了更多的能量，因此，必須支撐較高軸向負載的渦輪增壓器損失了更多的能量到它們的軸承。

因此，需要一種具有低慣性矩的渦輪增壓器渦輪機，其特征在于不需要格外緊的公差的小尺寸，同時具有在較低和較高膨脹比時的合理效率以及較小的軸向負載。本發明的優選實施例滿足了這些和其他需求，并且提供進一步相關的優點。

發明內容

在各種實施例中，本發明解決了上述需求中的一些或全部需求，通常提供一種成本有效的渦輪增壓器渦輪機，其特征在于低慣性矩，并且具有不需要格外緊公差的小尺寸，同時在較低和較高膨脹比時以合理效率操作，并且在靜負載上僅具有小的變化。