CN110469395A - 具有子午线划分的涡轮壳体的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

涡轮增压器具有包括第一涡道和第二涡道的子午线划分的涡道。将两个涡道彼此分开的分隔壁具有根据围绕涡轮的旋转轴线的角位置而变化的演变厚度分布。在实施例中，分隔壁具有V形，并且V形分隔壁的夹角从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。因此，分隔壁的厚度相应地从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。

Description

具有子午线划分的涡轮壳体的涡轮增压器
技术领域
本发明涉及涡轮增压器，在所述涡轮增压器中，涡轮增压器的涡轮由来自往复式发动机的废气驱动。本发明更具体地涉及涡轮壳体，所述涡轮壳体被分成各自由单独的排气***供给的多个大致分开的分段。
背景技术
排气驱动式涡轮增压器是与内燃发动机结合使用的一种装置，用于通过压缩被输送到发动机的空气进气口以便与燃料混合并在发动机中燃烧的空气而增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一端上的压缩机叶轮和在涡轮壳体中安装在轴的另一端上的涡轮叶轮。典型地，涡轮壳体与压缩机壳体分开地形成，并且还存在连接在涡轮壳体与压缩机壳体之间、用于包含用于轴的轴承的另一中心壳体。涡轮壳体限定大体环形的腔室，该大体环形的腔室包围涡轮叶轮并接收来自发动机的排气。涡轮组件包括从所述腔室通向涡轮叶轮中的喷嘴。排气从腔室通过喷嘴流到涡轮叶轮，并且涡轮叶轮由排气驱动。因此，涡轮从排气汲取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气由压缩机叶轮压缩，然后从壳体被排放到发动机空气进气口。
在多活塞往复式发动机中，已知以这样的一种方式将排气***设计成利用在排气流中出现的压力脉动。尤其地，已知采用所谓的"脉冲分离"，其中，发动机的气缸被分成多个分组，并且来自气缸的每个分组的脉冲通过具有用于每个分组的独立排气通道而大致与来自其他分组的脉冲隔离。为了最好地利用脉冲分离，期望使分开的气缸组之间的连通或"串扰"最小。因此，在涡轮增压发动机的情况下，有利的是维持分开的排气通道一路到进入涡轮增压器的涡轮。因而，废气供给到其中的涡轮壳体典型地被分成多个大致分开的部分。
存在将涡轮壳体分开的两种基本方式：(1)子午线划分和(2)扇形划分。在子午线划分的涡轮壳体中，围绕涡轮叶轮并且废气供给到其中的涡道或腔室被划分成在子午平面中的多个通道，使得每个通道大致占有整个圆周，并且通道彼此在轴向方向上接替，诸如在美国专利No.4,027,994的图4中所示。
在扇形划分的涡轮壳体中，大体上环形的腔室被划分成角形扇形，每个角形扇形仅占圆周的一部分，使得通道在周向方向上彼此接替，诸如美国专利No.6,260,358的图2中所示的。专利'358还公开了正好从腔室径向向内定位并将流动引导到涡轮叶轮中的固定引导叶片。
本公开涉及具有子午线划分的涡轮壳体的涡轮增压器。
发明内容
本公开描述了具有子午线划分的涡轮壳体的涡轮增压器的实施例。根据本发明的实施例，涡轮增压器包括：
压缩机，其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机叶轮；
涡轮，其包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮叶轮；
涡轮壳体限定第一入口和分开的第二入口，分开的第一和第二废气流被分别接收到所述第一入口和分开的第二入口中；
中心壳体，其连接在压缩机壳体与涡轮壳体之间，并包含用于轴的轴承；
涡轮壳体限定围绕涡轮叶轮的子午线划分的涡道，第一和第二入口在限定为相对于围绕涡轮叶轮的周向方向的0°角位置的位置处与子午线划分的涡道结合，子午线划分的涡道在周向方向上从0°角位置大致延伸到360°角位置，子午线划分的涡道限定从第一入口接收第一废气流的第一涡道和从第二入口接收第二废气流的分开的第二涡道；
喷嘴，其从子午线划分的涡道大体上径向向内地通向涡轮叶轮；和
其中，涡轮壳体限定将第一涡道与第二涡道子午线划分的分隔壁，其中，分隔壁在通过涡轮壳体并通过涡轮叶轮的旋转轴线的任何轴向-径向横截面平面上具有厚度T，厚度T在所述横截面平面上在分隔壁的平均半径Ravg处被测量，其中，所述厚度T从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。
在本发明的一个实施例中，轴向-径向横截面中的分隔壁具有带有夹角β的V形，夹角β从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。
附图说明
已经概括地描述了本公开，现在将参考附图，这些附图不一定按比例绘制，并且其中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的轴向横截面视图；
图2是图1的一部分，其被放大以更详细地说明根据本发明的实施例的分隔壁;和
图3是沿轴向方向观察的子午线划分的涡道的示意性描绘，在其上叠加了围绕涡轮叶轮轴线在各个角位置处通过涡道的一系列轴向-径向横截面视图。
具体实施方式
现在将参考上述附图更详细地描述本公开，所述附图描绘了本公开所属的（一个或多个）发明的一些但不是全部实施例。这些发明可以以各种形式实施，包括本文中未明确描述的形式，并且这些发明不应被解释为限于本文所描述的特定示例性实施例。在下面的描述中，相似的附图标记始终指代相似的元件。
图1图示了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。涡轮增压器包括设置在压缩机壳体16中并安装在可旋转的轴18的一端上的压缩机叶轮或叶轮14。轴被支撑在安装于涡轮增压器的中心壳体20中的轴承19中。轴18通过安装在轴18的离开压缩机叶轮的另一端上的涡轮叶轮22旋转，从而可旋转地驱动压缩机叶轮，所述压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并将压缩空气输送至蜗壳17，所述蜗壳17收集用于供应至内燃机(未示出)的进气口的压缩空气，用于提高发动机的性能。
涡轮增压器还包括容纳涡轮叶轮22的涡轮壳体24。如先前所指出的，在具有多个气缸的往复式内燃机中，有利的是以这样的一种方式设计排气***，以便利用在从气缸排出的排气流中出现的压力脉动。尤其，有利的是采用所谓的"脉冲分离"，其中，发动机的气缸被分成多个分组，并且来自气缸的每个分组的脉冲通过具有用于每个分组的独立排气通道而大致与来自其他分组的脉冲隔离。为了最好地利用脉冲分离，期望使分开的气缸组之间的连通或"串扰"最小。因此，在涡轮增压发动机的情况下，有利的是维持分开的排气通道一路到进入涡轮增压器的涡轮。因此，在本发明的实施例中，涡轮壳体限定了用于接收来自发动机气缸的子组的第一废气流的第一入口25a和用于接收来自发动机气缸的另一子组的第二废气流的分开的第二入口25b。涡轮壳体还限定了分别形成为两个完全分开的第一和第二涡道26a和26b的子午线划分的涡道26，所述第一和第二涡道26a和26b中的每个涡道围绕涡轮叶轮22延伸大致360度。第一涡道26a接收来自第一入口25a的废气，并且第二涡道26b接收来自第二入口25b的废气。来自涡道26a和26b的废气由喷嘴28供给到涡轮叶轮22中，用于驱动涡轮叶轮，这继而驱动压缩机叶轮14。
第一和第二入口25a,25b在限定为相对于围绕涡轮叶轮的周向方向的0°角位置的位置处与子午线划分的涡道26结合。子午线划分的涡道在周向方向上从0°角位置大致延伸到360°角位置。
涡轮壳体包括将涡道分成两个分开的涡道的分隔壁24d。分隔壁围绕涡轮大致延伸360°。本发明涉及分隔壁的特定构造，已经发现该分隔壁在降低热应力方面是有益的，该热应力可能导致分隔壁随时间的推移而破裂。
参考图2，所示实施例中的分隔壁24d具有V形，其从在分隔壁的径向外端（本文中也称为“根端”）处的相对较大的厚度渐缩到在径向内端（本文中也称为“尖端”）处的相对较小的厚度。锥形角或夹角在本文中表示为β 。本说明书采用参数Ravg，其限定为分隔壁在其根端处的半径（从涡轮的旋转轴线A ）和分隔壁在其尖端处的半径的平均值。分隔壁在所述平均半径Ravg处的厚度表示为T，如图2中所示。沿垂直于将分隔壁二等分成两个相等半厚度的假想线的方向测量厚度T。因此，例如，当分隔壁的长度方向不是完全径向定向而是也具有一些轴向分量时（如图2中所示），厚度不是完全在轴向方向上测量，而是沿着也具有一些径向分量的方向来测量。说明这一点的另一种方式是，沿着与分隔壁的两个相对面中的每一个形成相同角度α的线测量厚度。将认识到α和β的关系为β = 180° - 2α。
根据本发明的实施例，厚度T在周向方向上的分布是演变的厚度分布，其从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。图3 是说明演变厚度分布的示意性视图。在轴向视图中示出了子午线划分的涡道26的示意性描绘。涡道围绕涡轮叶轮的旋转轴线A螺旋地延伸。表示为TT的角位置是涡道开始的位置，即，入口25a，25b （图1）与涡道26结合的位置，并且该角位置被定义为0°角位置。随着涡道绕涡轮叶轮旋转轴线前进，涡道大体上在半径和流动面积上减小，大致在360°角位置处结束。叠加在涡道的示意性描绘上的是分别在围绕涡轮叶轮旋转轴线的一系列角位置处截取的通过涡道的一系列轴向-径向横截面视图。因此，涡道截面在0°，45°，90°，135°，180°，225°，270°和315°处示出。这些仅仅是不具有特殊意义的代表性角位置，重要的构思是分隔壁的厚度从0°位置处的最大值变化到360°位置处的最小值。在所示实施例中，具有V形分隔壁，夹角β相应地从0°位置减小到360°位置。因此，作为非限制性示例，0°位置处的夹角为20°，并且315°位置处的夹角为5°。夹角的这些值仅仅是示例性的，本发明不限于夹角的任何特定值。
与恒定厚度的分隔壁相比，根据本发明的分隔壁的演变厚度分布可以有利于许多优点。一个这样的益处是改善的涡轮壳体的热力学和热机械性能。本发明特别有益于在高废气温度（例如，大于1000℃）下连续运行的涡轮，其中涡轮壳体由高等级材料构成。
本领域技术人员在本公开的基础上将认识到，在不脱离本文所描述的发明构思的情况下，可以做出本文所描述的本发明的修改和其他实施例。例如，虽然所示实施例具有V形分隔壁，但是本发明不限于任何特定形状，并且可以替代地使用其他形状（例如，抛物线或双曲线形状）的分隔壁。本文使用的特定术语用于解释目的而不是限制目的。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (2)

1.一种涡轮增压器，包括：
压缩机，其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机叶轮；
涡轮，其包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮叶轮；
涡轮壳体限定第一入口和分开的第二入口，分开的第一和第二废气流被分别接收到所述第一入口和分开的第二入口中；
中心壳体，其连接在压缩机壳体与涡轮壳体之间，并包含用于轴的轴承；
涡轮壳体限定围绕涡轮叶轮的子午线划分的涡道，第一入口和第二入口在限定为相对于围绕涡轮叶轮的周向方向的0°角位置的位置处与子午线划分的涡道结合，子午线划分的涡道在周向方向上从0°角位置大致延伸到360°角位置，子午线划分的涡道限定从第一入口接收第一废气流的第一涡道和从第二入口接收第二废气流的分开的第二涡道；
喷嘴，其从子午线划分的涡道大体上径向向内地通向涡轮叶轮；和
其中，涡轮壳体限定将第一涡道与第二涡道子午线划分的分隔壁，其中，分隔壁在通过涡轮壳体并通过涡轮叶轮的旋转轴线的任何轴向-径向横截面平面上具有厚度T，厚度T在所述横截面平面上在分隔壁的平均半径Ravg处被测量，其中，所述厚度T从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，轴向-径向横截面中的分隔壁具有带有夹角β的V形，夹角β从0°角位置处的最大值变化到360°角位置处的最小值。
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