CN102562265A - 二级涡轮增压*** - Google Patents

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诸葛伟林
刘艳斌
张扬军
黄磊
张树勇
张俊跃
胡力峰
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Abstract

本发明公开了一种二级涡轮增压***，包括：高压级涡轮机，包括：第一蜗壳和设在第一蜗壳内的第一涡轮，其中第一涡轮上设有多个具有第一弯曲方向第一叶片；低压级涡轮机，包括：第二蜗壳和设在第二蜗壳内的第二涡轮，其中第二涡轮上设有多个弯曲方向与第一弯曲方向相反的第二叶片；高压级压气机，包括：第一压壳和设在第一压壳内的第一叶轮，其中第一叶轮由第一涡轮驱动；和低压级压气机，包括：第二压壳和设在第二压壳内的第二叶轮，其中第二叶轮由第二涡轮驱动。根据本发明实施例的二级涡轮增压***，通过将高压级涡轮机和低压级涡轮机对转布置，提高了低压级涡轮机的效率，使二级涡轮增压***的整体效率明显提高。

Description

二级涡轮增压***
技术领域
本发明涉及增压设备领域，尤其是涉及一种二级涡轮增压***。
背景技术
在传统的二级涡轮增压***中，高压级涡轮机出口处废气旋流对低压级涡轮机内部的废气气体流动具有负面影响，增加了低压级涡轮机轮内部废气流动的损失，其原因在于低压级涡轮机叶片进口径向速度呈现叶片根部低而叶片尖部高，导致低压级涡轮机涡轮内二次流动增强，造成废气能量的损失加大，使低压级涡轮机效率降低从而影响二级涡轮增压***的整体效率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种二级涡轮增压***，所述二级涡轮增压***对发动机的废气能量的利用率大大提高。
根据本发明实施例的二级涡轮增压***，所述二级涡轮增压***适于与发动机的进气歧管和排气歧管连接，所述二级涡轮增压***包括：高压级涡轮机，所述高压级涡轮机包括：第一蜗壳和设在所述第一蜗壳内的第一涡轮，其中所述第一涡轮的外周上间隔开地设有多个第一叶片，所述多个第一叶片中的每一个均具有第一弯曲方向，所述第一蜗壳具有第一进气口和第一出气口且所述第一进气口适于与所述排气歧管连通；低压级涡轮机，所述低压级涡轮机包括：第二蜗壳和设在所述第二蜗壳内的第二涡轮，其中所述第二涡轮的外周上间隔开地设有多个第二叶片，所述多个第二叶片中的每一个的弯曲方向与所述第一弯曲方向相反，所述第二蜗壳具有第二进气口和第二出气口且所述第二进气口与所述第一出气口连通；高压级压气机，所述高压级压气机包括：第一压壳和设在所述第一压壳内的第一叶轮，其中所述第一叶轮由所述第一涡轮驱动，所述第一压壳具有第三进气口和第三出气口且所述第三出气口适于与所述进气歧管连通；和低压级压气机，所述低压级压气机包括：第二压壳和设在所述第二压壳内的第二叶轮，其中所述第二叶轮由所述第二涡轮驱动，所述第二压壳具有第四进气口和第四出气口且所述第四出气口与所述第三进气口连通。
根据本发明实施例的二级涡轮增压***，通过设置具有相反弯曲方向的第一叶片和第二叶片使第一涡轮和第二涡轮的旋转方向相反，即实现了高压级涡轮机和低压级涡轮机的对转布置，从而改善了高压级涡轮机第一出口处废气旋流对低压级涡轮机内部的废气气体流动的影响，减小低压级涡轮机第二涡轮内部废气流动损失，从而提高了低压级涡轮机的效率，使二级涡轮增压***的废气能量利用率明显提高，有效提升发动机的升功率，改善了发动机的动力性能。
另外，根据本发明实施例的二级涡轮增压***还具有如下附加技术特征：
在本发明的一个实施例中，所述多个第一叶片和所述多个第二叶片分别沿所述第一涡轮和所述第二涡轮的径向向外延伸。
在本发明的一个实施例中，所述第二涡轮的外径大于所述第一涡轮的外径且所述第二叶轮的外径大于所述第一叶轮的外径。
在本发明的一个实施例中，所述第一涡轮与所述第一叶轮通过第一转轴刚性连接且所述第二涡轮与所述第二叶轮通过第二转轴刚性连接。由此，使第一涡轮能够同步带动第一叶轮旋转且第二涡轮能够同步带动第二叶轮旋转，从而实现高、低压级涡轮机分别驱动高、低压级压气机的目的。
在本发明的一个实施例中，所述第一涡轮与所述第一叶片成一体且所述第二涡轮与所述第二叶片成一体。由此，方便生产加工，同时强度高，能够长期稳定使用不易损坏，降低了使用成本。
在本发明的一个实施例中，还包括废气旁通阀，所述废气旁通阀的一端与所述排气歧管连通且另一端与所述低压级涡轮机连通，所述高压级涡轮机具有气压临界阈值，其中所述发动机排出的废气气压超过所述临界阈值时，所述废气旁通阀打开，当所述发动机排出的废气气压低于所述临界阈值时所述废气旁通阀关闭。由此，通过设置废气旁通阀且第二涡轮的外径大于所述第一涡轮的外径，使二级涡轮增压***的高压级涡轮机和低压级涡轮机能够更好地利用发动机在不同工况下排出的废气所具有的能量，从而提高了废气能量的利用率，使二级涡轮增压***的效率提高，同时保证进气压力不至于过高，避免了由于进气压力过高造成第一涡轮超速，利于二级涡轮增压***稳定工作，不易损坏，降低了使用维护成本。
在本发明的一个实施例中，还包括第一中冷器，所述第一中冷器设在所述高压级压气机和所述低压级压气机之间。由此，通过设置用于冷却经低压级压气机压缩后的空气的第一中冷器，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入高压级压气机中的空气密度。
在本发明的一个实施例中，还包括第二中冷器，所述第二中冷器设在所述高压级压气机与所述进气歧管之间。由此，通过设置用于冷却经高压级压气机压缩后的空气的第二中冷器，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入发动机汽缸内的空气密度，配合喷油***额外的燃油喷射，使发动机的升功率明显提升。
传统非对转二级涡轮增压***中，由于高压级涡轮机出口气体旋流，导致低压级涡轮机叶片进口气流径向速度呈现叶片根部低而叶片尖部高，这会导致低压级涡轮机涡轮内气流二次流动增强，造成废气能量的损失加大，使低压级涡轮机效率低从而影响二级涡轮增压***的整体效率，根据本发明实施例的二级涡轮增压***，通过将高压级涡轮机和低压级涡轮机对转布置，使低压级涡轮机中第二涡轮的第二叶片的进口气流径向速度呈现根部高而尖部低，从而有效抑制了第二涡轮内气流二次流动，熵增减小，提高了低压级涡轮机的效率以及废气能量利用率高，使二级涡轮增压***的整体效率明显提升，大大改善了发动机的动力性能。本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是根据本发明实施例的二级涡轮增压***的示意图；
图2是高压级涡轮机和高压级压气机的主视示意图；
图3是低压级涡轮机和低压级压气机的主视示意图；
图4是高压级涡轮机的主视图；和
图5是低压级涡轮机的主视图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的二级涡轮增压***100，所述二级涡轮增压***100与发动机200的进气歧管和排气歧管连接，且适于用在大型卡车、重型卡车、轻型船舶等要求发动机大功率高增压的机械设备上。
根据本发明实施例的二级涡轮增压***100，包括高压级涡轮机1、低压级涡轮机2、高压级压气机3和低压级压气机4，其中高压级涡轮机1包括第一蜗壳11和设在第一蜗壳11内的第一涡轮12，其中第一涡轮12的外周上间隔开地设有多个第一叶片121，多个第一叶片121中的每一个均具有第一弯曲方向，第一蜗壳11具有第一进气口和第一出气口且第一进气口适于与排气歧管连通。这里，弯曲方向指的是第一叶片121片体的弯曲方向，关于第一叶片121的形状和弯曲方向等对于本领域内的普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细说明。可选地，高压级涡轮机1为单轴径流式涡轮机。当然，本发明并不限于此，在本发明的另一个实施例中，高压级涡轮机1为单轴混流式涡轮机。
低压级涡轮机2包括第二蜗壳21和设在第二蜗壳21内的第二涡轮22，其中第二涡轮22的外周上间隔开地设有多个第二叶片221，多个第二叶片221中的每一个的弯曲方向与第一弯曲方向相反，也就是说第二叶片221片体的弯曲方向与第一叶片121片体的弯曲方向相反，这样废气依次推动多个第一叶片121和多个第二叶片221以分别带动第一涡轮12和第二涡轮22旋转，由于第一叶片121和第二叶片221的弯曲方向相反，从而使第一涡轮12和第二涡轮22的旋转方向相反。例如假设第一涡轮12的旋转方向为顺时针旋转，那么第二涡轮22的旋转方向即为逆时针旋转，即第一涡轮12和第二涡轮22的旋转方向时刻相反，由此有效减弱了高压级涡轮机1第一出口处的废气旋流对低压级涡轮机2内部废气流场的负面影响，提高了低压级涡轮机2的效率。其中，第二蜗壳21具有第二出气口和第二进气口且第二进气口与第一出气口连通。可选地，低压级涡轮机2为单轴径流式涡轮机。当然，本发明并不限于此，在本发明的另一个实施例中，低压级涡轮机2为单轴混流式涡轮机。
高压级压气机3包括第一压壳和设在第一压壳内的第一叶轮31，其中第一叶轮31由第一涡轮12驱动，第一压壳具有第三进气口和第三出气口且第三出气口适于进气歧管连通。
低压级压气机4包括第二压壳和设在第二压壳内的第二叶轮41，其中第二叶轮41由第二涡轮22驱动，第二压壳具有第四进气口和第四出气口且第四出气口与第三进气口连通。
根据本发明实施例的二级涡轮增压***100，通过设置具有相反弯曲方向的第一叶片121和第二叶片221使第一涡轮12和第二涡轮22的旋转方向相反，即实现了高压级涡轮机1和低压级涡轮机2的对转布置，从而改善了高压级涡轮机1第一出口处废气旋流对低压级涡轮机2内部的废气气体流动的影响，减小低压级涡轮机2第二蜗壳21以及第二涡轮22内部废气流动损失，从而提高了低压级涡轮机2的效率，使二级涡轮增压***100的废气能量利用率明显提高，进而使高压级压气机3和低压级压气机4能够将更多的空气压缩进入气缸内，同时配合喷油***额外的燃油喷射，有效提升发动机200的升功率，改善了发动机200的动力性能。
在本发明的一个示例中，多个第一叶片121和多个第二叶片221分别沿第一涡轮12和第二涡轮22的径向向外延伸，如图2和图3所示。
在本发明的一个实施例中，第二涡轮22的外径大于第一涡轮12的外径且第二叶轮41的外径大于第一叶轮31的外径。
在本发明的一个实施例中，第一涡轮12与第一叶轮31通过第一转轴5刚性连接且第二涡轮22与第二叶轮41通过第二转轴6刚性连接。由此，使第一涡轮12能够同步带动第一叶轮31旋转且第二涡轮22能够同步带动第二叶轮41旋转，从而实现高、低压级涡轮机分别驱动高、低压级压气机的目的。
在本发明的一个实施例中，第一涡轮12与第一叶片121成一体且第二涡轮22与第二叶片221成一体。由此，方便生产加工，同时强度高，能够长期稳定使用不易损坏，降低了使用成本。
在本发明的一个实施例中，二级涡轮增压***100还包括废气旁通阀7，废气旁通阀7的一端与排气歧管连通且另一端与低压级涡轮机2连通，其中高压级涡轮机1具有临界阈值，当发动机200排出的废气气压超过所述临界阈值时，废气旁通阀7打开，当发动机200排出的废气气压低于所述临界阈值时废气旁通阀7关闭。也就是说，当发动机200在高负荷的工况下，即当发动机200排出的废气气压超过高压级涡轮机1的临界阈值时，废气旁通阀7打开，此时发动机200排出的废气一部分进入高压级涡轮机1，而另一部分废气通过废气旁通阀7进入低压级涡轮机2，当发动机200在低负荷的工况下，即当发动机200排出的废气气压低于高压级涡轮机1的临界阈值时，废气旁通阀7关闭，此时发动机200排出的废气全部进入高压级涡轮机1。
由此，通过设置废气旁通阀7且第二涡轮22的外径大于第一涡轮12的外径，使二级涡轮增压***100的高压级涡轮机1和低压级涡轮机2能够更好地利用发动机200在不同工况下排出的废气所具有的能量，从而提高了废气能量的利用率，使二级涡轮增压***100的效率提高，同时保证进气压力不至于过高，避免了由于进气压力过高造成高压级涡轮机1内第一涡轮12超速，利于二级涡轮增压***稳定工作，不易损坏，降低了使用维护成本。
在本发明的一个实施例中，二级涡轮增压***100还包括第一中冷器，第一中冷器设在高压级压气机3和低压级压气机4之间。由此，通过设置用于冷却经低压级压气机4压缩后的空气的第一中冷器，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入高压级压气机3中的空气密度。
在本发明的一个实施例中，二级涡轮增压***100还包括第二中冷器，第二中冷器设在高压级压气机4与进气歧管之间。由此，通过设置用于冷却经高压级压气机3压缩后的空气的第二中冷器，使这部分空气的温度降低，从而提高了进入发动机200汽缸内的空气密度，配合喷油***额外的燃油喷射，使发动机200的升功率明显提升。
下面参考图1-图5详细描述根据本发明实施例的二级涡轮增压***100。
首先发动机200的排出的高温高压废气依次经过排气歧管和第一进气口进入到高压级涡轮机1内，此时废气推动多个第一叶片121转动以带动第一涡轮12旋转，然后废气经过第一出气口排出高压级涡轮机1并通过第二进气口进入低压级涡轮机2，此时废气推动多个第二叶片221转动以带动第二涡轮22旋转，最后废气经过第二排气口排出低压级涡轮机2并经过尾气处理***最终排出车外。由于高压级涡轮机1和低压级涡轮机2采用对转布置，从而有效减弱了高压级涡轮机1第一出口处废气旋流对低压级涡轮机2内部废气流场的负面影响，提高了低压级涡轮机2的效率，从而使二级涡轮增压***100的整体效率提高，废气能量利用率提高，由此使发动机200的动力性能得到进一步加强，并且利于提高燃油经济性，同时减少有害气体的排放。
第一涡轮12与第一叶轮31、第二涡轮22与第二叶轮41分别通过第一转轴5和第二转轴6刚性连接，第一涡轮12和第二涡轮22转动以分别带动第一叶轮31和第二叶轮41旋转，空气首先通过第四进气口进入低压级压气机4，第二叶轮41在第二涡轮22的带动下旋转以压缩空气，这部分经低压级压气机4压缩的空气从第四出气口排出并进入第一中冷器，经过第一中冷器的冷却作用，降低了这部分压缩空气的温度，从而提高了空气密度，此时这部分空气通过第三进气口进入到高压级压气机3内，第一叶轮31在第一涡轮12的带动下旋转以进一步压缩空气，经过高压级压气机3压缩后的空气经第三出气口排出并进入第二中冷器，第二中冷器进一步冷却压缩空气以提高空气密度，最终使这部分空气通过进气歧管分别进入发动机200的汽缸中，配合喷油***额外的燃油喷射，从而有效提高了发动机200的动力输出。
其中，废气旁通阀7在发动机200处于低负荷的工况下关闭不工作，当发动机200处于高负荷的工况下，废气旁通阀7打开，此时发动机200排出的废气一部分通过废气旁通阀7直接进入低压级涡轮机2中推动第二涡轮22工作，而另一部分废气进入高压级涡轮机1，这部分进入高压级涡轮机的废气的工作过程同上面的描述。由此，防止高压级涡轮机1由于废气气压过高导致零部件损坏，同时使二级涡轮增压***100能够更好地利用发动机200排出的废气所具有的能量，使废气利用率大大提高，从而使二级涡轮增压***100的整体效率提高。
传统非对转二级涡轮增压***中，由于高压级涡轮机出口气体旋流，导致低压级涡轮机叶片进口气流径向速度呈现叶片根部低而叶片尖部高，这会导致低压级涡轮机涡轮内气流二次流动增强，造成废气能量的损失加大，使低压级涡轮机效率降低从而影响二级涡轮增压***的整体效率，根据本发明实施例的二级涡轮增压***100，通过将高压级涡轮机1和低压级涡轮机2对转布置，使低压级涡轮机2中第二涡轮22的第二叶片221的进口气流径向速度呈现根部高而尖部低，从而有效抑制了第二涡轮22内气流二次流动，熵增减小，提高了低压级涡轮机2的效率以及废气能量利用率高，使二级涡轮增压***100的整体效率明显提升，大大改善了发动机200的动力性能。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种二级涡轮增压***，所述二级涡轮增压***适于与发动机的进气歧管和排气歧管连接，其特征在于，包括：
高压级涡轮机，所述高压级涡轮机包括：第一蜗壳和设在所述第一蜗壳内的第一涡轮，其中所述第一涡轮的外周上间隔开地设有多个第一叶片，所述多个第一叶片中的每一个均具有第一弯曲方向，所述第一蜗壳具有第一进气口和第一出气口且所述第一进气口适于与所述排气歧管连通；
低压级涡轮机，所述低压级涡轮机包括：第二蜗壳和设在所述第二蜗壳内的第二涡轮，其中所述第二涡轮的外周上间隔开地设有多个第二叶片，所述多个第二叶片中的每一个的弯曲方向与所述第一弯曲方向相反，所述第二蜗壳具有第二进气口和第二出气口且所述第二进气口与所述第一出气口连通；
高压级压气机，所述高压级压气机包括：第一压壳和设在所述第一压壳内的第一叶轮，其中所述第一叶轮由所述第一涡轮驱动，所述第一压壳具有第三进气口和第三出气口且所述第三出气口适于与所述进气歧管连通；和
低压级压气机，所述低压级压气机包括：第二压壳和设在所述第二压壳内的第二叶轮，其中所述第二叶轮由所述第二涡轮驱动，所述第二压壳具有第四进气口和第四出气口且所述第四出气口与所述第三进气口连通。
2.根据权利要求1所述的二级涡轮增压***，其特征在于，所述多个第一叶片和所述多个第二叶片分别沿所述第一涡轮和所述第二涡轮的径向向外延伸。
3.根据权利要求1所述的二级涡轮增压***，其特征在于，所述第二涡轮的外径大于所述第一涡轮的外径且所述第二叶轮的外径大于所述第一叶轮的外径。
4.根据权利要求1所述的二级涡轮增压***，其特征在于，所述第一涡轮与所述第一叶轮通过第一转轴刚性连接且所述第二涡轮与所述第二叶轮通过第二转轴刚性连接。
5.根据权利要求4所述的二级涡轮增压***，其特征在于，所述第一涡轮与所述第一叶片成一体且所述第二涡轮与所述第二叶片成一体。
6.根据权利要求1所述的二级涡轮增压***，其特征在于，还包括废气旁通阀，所述废气旁通阀的一端与所述排气歧管连通且另一端与所述低压级涡轮机连通，所述高压级涡轮机具有气压临界阈值，其中所述发动机排出的废气气压超过所述临界阈值时，所述废气旁通阀打开，当所述发动机排出的废气气压低于所述临界阈值时所述废气旁通阀关闭。
7.根据权利要求1所述的二级涡轮增压***，其特征在于，还包括第一中冷器，所述第一中冷器设在所述高压级压气机和所述低压级压气机之间。
8.根据权利要求7所述的二级涡轮增压***，其特征在于，还包括第二中冷器，所述第二中冷器设在所述高压级压气机与所述进气歧管之间。
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