CN111630250B - 涡轮 - Google Patents

涡轮 Download PDF

Info

Publication number
CN111630250B
CN111630250B CN201880086932.9A CN201880086932A CN111630250B CN 111630250 B CN111630250 B CN 111630250B CN 201880086932 A CN201880086932 A CN 201880086932A CN 111630250 B CN111630250 B CN 111630250B
Authority
CN
China
Prior art keywords
turbine
volute
inlet
tongue
inlet volute
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880086932.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111630250A (zh
Inventor
史蒂芬·大卫·休斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cummins Inc
Original Assignee
Cummins Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cummins Inc filed Critical Cummins Inc
Publication of CN111630250A publication Critical patent/CN111630250A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111630250B publication Critical patent/CN111630250B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B37/00—Engines characterised by provision of pumps driven at least for part of the time by exhaust
    • F02B37/02—Gas passages between engine outlet and pump drive, e.g. reservoirs
    • F02B37/025—Multiple scrolls or multiple gas passages guiding the gas to the pump drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D9/00—Stators
    • F01D9/02—Nozzles; Nozzle boxes; Stator blades; Guide conduits, e.g. individual nozzles
    • F01D9/026—Scrolls for radial machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C6/00—Plural gas-turbine plants; Combinations of gas-turbine plants with other apparatus; Adaptations of gas-turbine plants for special use
    • F02C6/04—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output
    • F02C6/10—Gas-turbine plants providing heated or pressurised working fluid for other apparatus, e.g. without mechanical power output supplying working fluid to a user, e.g. a chemical process, which returns working fluid to a turbine of the plant
    • F02C6/12—Turbochargers, i.e. plants for augmenting mechanical power output of internal-combustion piston engines by increase of charge pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/24—Casings; Casing parts, e.g. diaphragms, casing fastenings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/40—Application in turbochargers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F05B2240/123—Nozzles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/40—Application in turbochargers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Supercharger (AREA)

Abstract

本发明涉及一种涡轮，包括限定涡轮腔(52)的壳体，涡轮叶轮(14)被支撑在其中以绕第一轴线旋转。壳体还限定了第一和第二入口蜗壳(19a，19b)，第一和第二入口蜗壳中的每个径向向内螺旋并从相应的入口延伸以邻接涡轮腔。壳体还限定用于第一入口蜗壳和第二入口蜗壳(19a，19b)中的每个的蜗壳舌部(54a)，第一入口蜗壳的舌部(54a)将邻近涡轮腔的第一入口蜗壳的下游部分与邻近第一入口蜗壳的入口的第一入口蜗壳的上游部分径向分开。第二入口蜗壳的舌部将邻近涡轮腔的第二入口蜗壳的下游部分与邻近第二入口蜗壳的入口的第二入口蜗壳的上游部分径向分开。第一和第二入口蜗壳中的每个的舌部(54a)都具有涡轮涡旋舌部重叠，该重叠基本上为零或为正。第一入口蜗壳的舌部与第二入口蜗壳的舌部绕第一轴线成角度地间隔开。

Description

涡轮
技术领域
本发明涉及一种涡轮，特别是涉及一种双入口涡轮，其中每个蜗壳的舌部成角度地错开。涡轮可以形成涡轮增压器的一部分。
背景技术
涡轮机是在转子和流体之间传递能量的机器。例如，涡轮机可以将能量从流体传递到转子，或者可以将能量从转子传递到流体。涡轮机的两个示例是动力涡轮机，其利用由流体驱动的转子的旋转能来做有用的功，例如产生电能；以及压缩机，其利用转子的旋转能来压缩流体。
涡轮增压器是公知的涡轮机，其用于以高于大气压力(增压)的压力将空气供应至内燃机的入口。传统的涡轮增压器主要包括排气驱动的涡轮叶轮，其安装在涡轮壳体内的可旋转轴上，该涡轮壳体连接在发动机出口歧管的下游。涡轮叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴的另一端的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机入口歧管。
涡轮增压器轴通常由轴颈和推力轴承(包括适当的润滑***)支撑，轴颈和推力轴承位于连接在涡轮机和压缩机轮壳之间的中心轴承壳内。在驱动涡轮叶轮之后，排气通过排气口存在于涡轮机中，该排气口在涡轮叶轮的旋转轴线的与轴承壳体相反的一端。
众所周知，内燃机的多个气缸被分成两组气缸，并且由各组气缸排放的排气被传输到涡轮增压器的两个相应的气体入口中。气体入口通过相应的蜗壳与包含涡轮的壳体的腔室流体连通。对于双入口蜗壳，蜗壳沿涡轮叶轮的旋转轴线彼此间隔开，使得第一个蜗壳更靠近轴承壳体(“轴承壳体侧蜗壳”-BH)，并且另一个靠近涡轮机出口侧(“涡轮出口侧蜗壳”-TO)。在双入口蜗壳的情况下，蜗壳可绕涡轮叶轮的旋转轴线在圆周上彼此间隔开。术语“完全进气”是指假设两个涡轮入口中的气体具有相等的质量流率和压力。但现实情况是，两个气体入口实际上接收到不同的质量流率和进气压力(这种现象称为“部分进气”)。此外，进入每个蜗壳的气流是不稳定的，并且进入一个蜗壳的排气可能具有与进入另一容积的气体不同的压力波形，此外，该气体与进入另一蜗壳的气体是异相的。
因为每个蜗壳不是旋转对称的，所以涡轮叶轮承受的压力是不均匀的分布，取决于涡轮叶轮的角位置。在某些涡轮中，以特定速度运行的涡轮叶轮有可能使其一个或多个具有特定共振频率的叶片被压力分布的各阶分量频率激发。激发的振幅越大，排气施加在涡轮叶轮叶片上的应变越大。随着时间的流逝，施加在涡轮叶轮叶片上的应力过大会导致涡轮叶轮叶片变形(例如遭受金属疲劳)，在极端情况下，还会导致涡轮叶轮叶片破裂-从而导致涡轮的灾难性故障。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种涡轮，该涡轮包括限定涡轮腔的壳体，涡轮叶轮被支撑在涡轮腔中，以绕第一轴线旋转；以及壳体还限定第一入口蜗壳和第二入口蜗壳，第一入口蜗壳和第二入口蜗壳中的每个径向向内螺旋并从相应的入口延伸以邻接涡轮腔；其中，壳体还限定用于第一入口蜗壳和第二入口蜗壳中的每个的蜗壳舌部，第一入口蜗壳的舌部将邻近涡轮腔的第一入口蜗壳的下游部分与邻近第一入口蜗壳的入口的第一入口蜗壳的上游部分径向分开，且第二入口蜗壳的舌部将邻近涡轮腔的第二入口蜗壳的下游部分与邻近第二入口蜗壳的入口的第二入口蜗壳的上游部分径向分开；其中，第一入口蜗壳和第二入口蜗壳中的每个的舌部具有涡轮涡旋舌部重叠，该涡轮涡旋舌部重叠基本上为零或正；并且第一入口蜗壳的舌部与第二入口蜗壳的舌部绕第一轴线成角度地间隔开。
确保第一和第二入口蜗壳中的每一个的舌部具有基本上为零或正的涡轮涡旋舌部重叠，从而导致舌部位置基本上是性能透明的。当将本发明应用于涡轮的现有设计(或应用于可能存在叶片疲劳风险的新涡轮叶轮时，这可能是由于选择了特定的几何形状以优化热力学性能，但已知会损害耐久性)时，这可能是特别有益的，你可能不想更改该性能。
将第一入口蜗壳的舌部和第二入口蜗壳的舌部成角度地间隔开，从而导致涡轮叶轮的前缘压力分布发生变化(与已知的涡轮相比，其中第一入口蜗壳的舌部和第二入口蜗壳的舌部基本成角度地对准)，这导致当涡轮以特定速度运转时，涡轮叶轮由于排气而经受的应变的减小。涡轮叶轮承受的应变的这种减小可导致涡轮叶轮的使用寿命增加。
第一入口蜗壳的舌部可以具有基本上为零的涡轮涡旋舌部重叠。第二入口蜗壳的舌部可具有正的涡轮涡旋舌部重叠。
第一入口蜗壳和第二入口蜗壳可沿第一轴线彼此间隔开。
第二入口蜗壳可相对于第一入口蜗壳位于涡轮的涡轮出口端。
第一入口蜗壳的舌部可绕第一轴线与第二入口蜗壳的舌部成角度地间隔约35°。第一入口蜗壳的舌部与第二入口蜗壳的舌部之间的角度间隔(围绕第一轴线)可以在以下范围之一中：30°至40°、20°至50°、10°至60°、0°至90°或0°至45°。
根据本发明的第二方面，提供了一种涡轮增压器，其包括根据本发明的第一方面的涡轮。
附图说明
现在仅出于举例的目的，参考以下附图描述本发明的非限制性实施例，其中：
图1是已知的涡轮增压器的截面图；
图2示出了图1的涡轮增压器的涡轮传统上如何连接至内燃机的发动机歧管；
图3示出了根据本发明的涡轮的一部分的示意性透视剖视图；
图4示出了具有与图3所示的涡轮机蜗壳的内部体积相对应的形状的外形的视图；
图5a至图5c示出了具有与具有不同的涡轮涡旋舌部重叠参数的三种类型的蜗壳的内部体积相对应的形状的外形的视图；
图6示出了根据本发明的实施例的涡轮的壳体的端视图；
图7a和图7b示出了对于已知的涡轮和根据本发明的实施例的涡轮的涡轮叶轮前缘压力分布和第四阶傅立叶压力振幅(即，压力波形分量的振幅是涡轮基本频率的四倍，通过执行压力分布的傅立叶变换确定)的曲线图；以及
图8示出了对于已知的涡轮和根据本发明的实施例的涡轮，比较了图7中所示的涡轮叶轮前缘压力分布的各个频率分布的能量振幅的曲线图。
具体实施方式
图1示出了通过已知的涡轮增压器1的示意性横截面。涡轮增压器1包括通过中央轴承壳体13接合到压缩机12的涡轮11。涡轮11包括用于在涡轮壳体15内旋转的涡轮叶轮14。涡轮叶轮14具有旋转轴线2(在该图的平面中)和叶片9。类似地，压缩机12包括可以在压缩机壳体17内旋转的压缩机叶轮16(或“推动器”)。压缩机壳体17限定压缩机腔38，其主要由压缩机叶轮16填充，并且压缩机叶轮16可在其中旋转。涡轮叶轮14和压缩机叶轮16安装在延伸穿过中心轴承壳体13的公共涡轮增压器轴18的相对端上。涡轮增压器轴18由轴承组件可旋转地支撑在轴承壳体13中，轴承组件包括两个轴颈轴承34和35分别朝向轴承壳体13的涡轮机端和压缩机端容纳。轴承组件还包括推力轴承36。
涡轮壳体15具有围绕涡轮叶轮14环形地布置的两个排气入口蜗壳19a、19b和轴向排气出口10。蜗壳19a、19b在垂直于轴向方向的镜平面中相对于彼此对称。压缩机壳体17具有轴向进气通道31和围绕压缩机腔38环形地布置的蜗壳32。蜗壳32与压缩机出口33气流连通。压缩机腔38通过径向延伸的扩散器空间39(在此也称为“扩散器”)连接至蜗壳32，径向延伸的扩散器空间39是壳体17的径向延伸的外罩表面25与轴承壳体13的径向延伸的轮毂表面26之间的间隙。扩散器围绕轴18的旋转轴线2旋转对称。
在使用中，排气从附接有涡轮增压器的发动机(图1中未示出)的排气歧管(也称为出口歧管)提供至两个排气入口蜗壳19a、19b。入口蜗壳19a、19b由分隔壁20分隔，该分隔壁20从涡轮壳体15的径向外壁21径向向内延伸至尖端22。排气通过分隔壁20的尖端22和涡轮11的第一护罩表面23之间的间隙离开入口蜗壳19a。排气通过分隔壁20的尖端22和涡轮11的第二护罩表面24之间的间隙离开蜗壳19b。因此，排气经由涡轮叶轮14从排气入口蜗壳19a、19b经过到达排气出口10。在一些变型中，第二护罩表面24可以被设置为轴承壳体或某些其他部件的表面，而不是涡轮壳体15的表面。
涡轮叶轮14继而使压缩机叶轮16旋转，从而通过压缩机入口31吸入进气，并通过扩散器39、蜗壳32、然后通过出口33将增压空气输送至发动机的进气歧管。
图2示出了使用中的涡轮11(省略了涡轮增压器1的其余部分)，该涡轮11连接至发动机的发动机歧管40。与入口蜗壳19a流体连通的涡轮11的TO(涡轮出口)气体入口被标记为31，并且与入口蜗壳19b流体连通的涡轮11的BH(轴承壳体)气体入口被标记为32。发动机歧管包括通道41、42、43，通道41、42、43用于将排气从发动机的第一组的三个气缸传递到涡轮11的气体入口31，通道42、43、44用于将排气从发动机的第二组的三个气缸传递到涡轮11的气体入口32。附图标记4表示涡轮出口。
已知在燃烧循环中，进入排气入口蜗壳19a、19b的流量变化。
图3示出了根据本发明的实施例的涡轮的示意性透视局部剖视图。与图1所示的相等的涡轮特征具有相同的编号。
图4示出了具有与涡轮11的TO气体入口的蜗壳19a的内部体积相同的形状的主体或外形50。在使用中，排气被供应到蜗壳19a的入口31，并且当沿逆时针方向跟随蜗壳19a时被蜗壳引导成径向向内螺旋。在蜗壳末端，排气流入位于空间52中的涡轮腔。
涡轮壳体限定蜗壳19a，使得壳体限定舌部54a(在图6中示出)。如图4所示，舌部54a限定了分离空间56。因此，可以看出，舌部54a将蜗壳19a的与涡轮腔相邻的下游部分58(相当于空间52)与蜗壳19a的与蜗壳19a的入口31相邻的上游部分60径向地分离。
如将参照图5a至图5c所解释的，入口蜗壳的舌部可被表征为具有特定类型的涡轮涡旋舌部重叠。图5a示出了与图4所示的蜗壳相同的入口蜗壳和舌部几何形状。图5a和图5c示出了不同的几何形状。现在解释这些差异。
特定入口蜗壳的涡轮涡旋舌部重叠可以限定为如下。蜗壳的入口31限定入口平面62。入口平面垂直于入口处的排气流的方向，并且大致平行于涡轮叶轮的旋转轴线。涡轮轴线平面64由入口平面62限定，因为涡轮轴线平面平行于入口平面62并且包含涡轮叶轮的旋转轴线。特定蜗壳的涡轮涡旋舌部重叠的性质可以基于涡轮轴线平面64、舌部相对于涡轮叶轮的旋转轴线的位置以及排气穿过蜗壳的旋转方向来限定。
参照图5a，舌部平面66被限定为既包含涡轮叶轮的旋转轴线又包含位于位置68的蜗壳的舌部的尖端的平面。如果如图5a所示，涡轮轴线平面64和舌部平面66之间的旋转角度(如箭头R1所示)的方向与排气绕蜗壳行进时的旋转流动方向(用F表示)相同，则入口蜗壳被称为具有正的涡轮涡旋舌部重叠。
如果如图5b所示，涡轮轴线平面64和舌部平面66是相同的，则入口蜗壳被称为零的涡轮涡旋舌部重叠。
如果如图5c所示，舌部平面66绕涡轮轴线在与排气绕入口蜗壳行进时的旋转方向(F)相反的方向旋转(如R2所示)，则入口蜗壳被称为具有负的涡轮涡旋舌部重叠。
在根据本发明的涡轮中，第一入口蜗壳19a和第二入口蜗壳19b都必须具有舌部，舌部定位成使得每个蜗壳具有基本上为零的涡轮涡旋舌部重叠或正的涡轮涡旋舌部重叠。原因是申请人根据大量测试确定，负的涡轮涡旋舌部重叠会影响涡轮的性能，而正的涡轮涡旋舌部重叠(或为零的涡轮涡旋舌部重叠)基本上不会导致涡轮运行特性的变化。在希望通过修改现有涡轮设计来实施本发明的情况下，这一点尤其重要-通过更改涡轮的设计，设计人员可能希望在不引起涡轮性能特征被改变的情况下获得本发明的稍后讨论的好处。
图6示出了根据本发明的涡轮的涡轮壳体的示意性端视图。涡轮壳体包括限定TO蜗壳19a的第一部分70和限定BH蜗壳19b的第二部分72。双入口涡轮的TO蜗壳19a和BH蜗壳19b沿涡轮叶轮的旋转轴线间隔开。可以清楚地看到蜗壳19a的舌部54a和蜗壳19b的舌部54b。蜗壳19a的舌部54a绕涡轮轴线与入口蜗壳19b的舌部54b成角度地间隔开。舌部54a和54b之间的角度间隔由S表示。已知的涡轮具有角度对准的舌部(即S＝0)。
已经发现，制造具有第一和第二涡轮入口蜗壳的涡轮，具有正(或零)的涡轮涡旋舌部重叠，并且具有围绕涡轮叶轮的旋转轴线彼此成角度地间隔开的舌部，导致涡轮叶轮受到较小的应变，因此导致涡轮叶轮内部更不容易变形或破裂的更可靠的涡轮机。
不希望受到理论的束缚，下面讨论根据本发明的涡轮的涡轮叶轮所经历的应变减小的原因。
图7a和图7b示出了用于已知的双蜗壳涡轮机(图7a)和根据本发明的一个实施例的双入口涡轮(图7b)的涡轮叶轮前缘压力分布。
产生图7a所示结果的已知的双入口涡轮机与产生图7b所示结果的根据本发明实施例的双入口涡轮之间的唯一区别是，已知的涡轮在围绕第一轴线在第一蜗壳和第二蜗壳的舌部之间没有角度间隔(换句话说，第一和第二入口蜗壳的舌部相对于涡轮叶轮的旋转轴线旋转对准)，而根据本发明的实施例的涡轮具有第一蜗壳和第二蜗壳的舌部，它们绕着涡轮叶轮的旋转轴线成角度地间隔开约35°。
图7a和图7b中的每一个中示出的涡轮叶轮前缘压力分布示出了由排气施加在涡轮叶轮上的压力与围绕涡轮叶轮的角位置的函数关系。这在图7a和图7b中的每一个中由线74示出。
图7a所示的已知的涡轮的叶轮前缘压力分布74在大约190度的角位置处具有单个大的峰值76。
图7a和图7b中的线78示出了叶轮前缘压力分布的第四阶频率分量的压力振幅。以本领域中公知的方式，通过对压力分布执行傅立叶变换，获得叶轮前缘压力分布74的频率分布的每阶的压力振幅。叶轮前缘压力分布的频率分布的每阶的压力振幅表示叶轮前缘压力分布的频率分布的每阶的能量。更大的能量将导致更大的力施加在涡轮叶轮叶片上。
由涡轮叶轮的运行速度限定的第四阶频率是涡轮叶轮旋转频率的4倍(即4x叶轮转速，以转/秒为单位)。一般而言，以Hz为单位的第n阶频率由涡轮叶轮的RPM除以60n得出。通常，频率分量的阶数越高，涡轮叶轮的运行速度越低，这将导致该模式发生共振(或被激发)。在特定阶的压力振幅越大，当涡轮以使特定阶共振的速度旋转时，施加在涡轮叶轮上的应变越大。如前所述，在涡轮的使用寿命期间，涡轮叶轮上的应变越大，涡轮叶轮变形的可能性越大，或者涡轮叶轮的叶片断裂的可能性越大。
给定本示例中讨论的涡轮的模一频率(mode one frequency)和涡轮的运行速度范围，当确定涡轮叶轮上的应变时，最相关的是第四阶频率分布。在其他示例中，另一阶可能是要考虑的最相关的阶。例如，如果涡轮的模一频率较高，则第五阶或更高阶的贡献可能是最相关的；而如果涡轮的模一频率较低，则第三阶或更低阶可能是最相关的。根据本发明的涡轮(其中，入口蜗壳的舌部彼此成角度地偏移)将具有以下的效果，减小最引起关注的频率阶的压力振幅，而不管这是否是第三、第四、第五或基于涡轮的模一频率的其他阶。
现在转向图7b，其示出了根据本发明的涡轮的叶轮前缘压力分布74，可以看出压力分布现在是双峰的。也就是说，存在于已知涡轮机的压力分布内的单个峰76已经由双峰结构80代替。应当注意，峰之间的间隔角与在本例中第一蜗壳和第二蜗壳的舌部之间的35度角基本相同。
在根据本发明的涡轮中，压力分布74的双峰性质导致第四阶频率分布78的振幅减小(与已知的涡轮相比)。当涡轮以对应于第四阶共振频率的速度旋转时，这导致涡轮叶片承受的应变相应减小。
图8示出了对于已知的涡轮和根据本发明的涡轮，在每阶频率分量中的压力振幅，其中第一蜗壳和第二蜗壳的舌部绕涡轮叶轮轴线成角度地间隔开35度。对于所示的每阶，左侧的条显示已知涡轮在该阶的压力振幅，而右侧的条显示根据本发明的涡轮在该阶的压力振幅。
从图中可以看出，在第四、第五、第六、第七和第八阶中的每一个，根据本发明的涡轮与已知的涡轮相比具有减小的压力振幅。这意味着，如果根据本发明的涡轮以激发这些阶之一的速度运行，则与已知涡轮相比，涡轮上的应变将较小。
与已知涡轮的压力分布的单个峰值相比，根据本发明的涡轮机的叶轮前缘压力分布74内的额外峰值80的作用是减小上述每个频率分量阶中的压力振幅，通过同时增加在较高频率分量阶中的压力振幅。例如，在图8中可以看出，根据本发明的涡轮的第九阶和第十阶的压力振幅大于已知涡轮的压力振幅。但是，正如已经讨论过的，频率分量的阶越高，激发该阶所需的涡轮速度越低。随之而来的是，以较高的频率分布阶增加激发振幅是有限的关注，因为它们对应于涡轮的相对较低的运行速度，该运行速度远低于涡轮叶轮正常运行时的速度。
应当理解，相对于当前描述的涡轮，叶轮前缘压力分布的频率分布的第四阶分量是与涡轮叶轮上的应变有关的最大关注的分量，在其他实施例中，它可以是不同阶的频率分量。使用上述分析，可以为任何给定涡轮的叶轮前缘压力分布建模，确定与涡轮叶片应变相关性最大的频率分量的阶，并调整第一入口蜗壳和第二入口蜗壳的舌部之间的精确角度间隔，以便最大程度地减小相关阶的频率分量的激励振幅。在当前描述的实施例中，已经确定了用于在第四级减小压力振幅的理想偏移为35°。在其他实施例中，第一和第二入口蜗壳的舌部之间的角度间隔可以是任何适当的间隔。
鉴于以上内容，根据本发明的涡轮提供了一种基本上性能透明的方式，其中减少了涡轮叶片上的应变。这进而提高了涡轮的使用寿命。
尽管已经关于可形成涡轮增压器的一部分的涡轮描述了本发明，但是在其他实施例中，涡轮可形成任何适当的涡轮机的一部分。
此外，尽管已经关于双入口涡轮(即具有两个蜗壳的涡轮机)描述了本发明，但是本发明同样可以应用于具有多于两个蜗壳的涡轮机。

Claims (5)

1.一种涡轮，包括：限定涡轮腔的壳体，涡轮叶轮被支撑在所述涡轮腔中，以绕第一轴线旋转；
所述壳体还限定第一入口蜗壳和第二入口蜗壳，所述第一入口蜗壳和所述第二入口蜗壳沿着所述第一轴线彼此间隔开，并且所述第一入口蜗壳和所述第二入口蜗壳中的每个径向向内螺旋并从相应的入口延伸以邻接所述涡轮腔；
其中，所述壳体还限定用于所述第一入口蜗壳和所述第二入口蜗壳中的每个的蜗壳舌部，所述第一入口蜗壳的蜗壳舌部将邻近所述涡轮腔的所述第一入口蜗壳的下游部分与邻近所述第一入口蜗壳的入口的所述第一入口蜗壳的上游部分径向分开，且所述第二入口蜗壳的蜗壳舌部将邻近所述涡轮腔的所述第二入口蜗壳的下游部分与邻近所述第二入口蜗壳的入口的所述第二入口蜗壳的上游部分径向分开；其中，所述第一入口蜗壳和所述第二入口蜗壳中的每个的蜗壳舌部具有涡轮涡旋舌部重叠，该涡轮涡旋舌部重叠基本上为零或正；并且所述第一入口蜗壳的蜗壳舌部与所述第二入口蜗壳的蜗壳舌部绕第一轴线成角度地间隔开。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其中，所述第一入口蜗壳的蜗壳舌部具有基本上为零的涡轮涡旋舌部重叠，并且所述第二入口蜗壳的蜗壳舌部具有正的涡轮涡旋舌部重叠。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮，其中，所述第一入口蜗壳相对于所述第二入口蜗壳位于所述涡轮的涡轮出口端。
4.根据权利要求1或2所述的涡轮，其中，所述第一入口蜗壳的蜗壳舌部相对于所述第二入口蜗壳的蜗壳舌部绕所述第一轴线成角度地间隔开约35°。
5.一种涡轮增压器，包括根据权利要求1或2所述的涡轮。
CN201880086932.9A 2017-11-24 2018-11-23 涡轮 Active CN111630250B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1719585.0 2017-11-24
GB1719585.0A GB2568732B (en) 2017-11-24 2017-11-24 Turbine
PCT/GB2018/053388 WO2019102205A1 (en) 2017-11-24 2018-11-23 Turbine

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111630250A CN111630250A (zh) 2020-09-04
CN111630250B true CN111630250B (zh) 2023-01-06

Family

ID=60950611

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880086932.9A Active CN111630250B (zh) 2017-11-24 2018-11-23 涡轮

Country Status (5)

Country Link
US (1) US11168606B2 (zh)
CN (1) CN111630250B (zh)
DE (1) DE112018006001T5 (zh)
GB (1) GB2568732B (zh)
WO (1) WO2019102205A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113090585A (zh) * 2021-04-16 2021-07-09 江苏大学 一种能量回收透平蜗壳结构

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2048326A2 (de) * 2007-10-10 2009-04-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Twin-scroll-Abgasturbolader
CN101932808A (zh) * 2008-08-28 2010-12-29 三菱重工业株式会社 可变容量排气涡轮的制造方法
CN103874835A (zh) * 2012-01-11 2014-06-18 三菱重工业株式会社 涡轮机壳体的涡旋结构
CN104005837A (zh) * 2013-02-20 2014-08-27 福特环球技术公司 带有两通道涡轮的增压式内燃发动机和用于操作所述类型的内燃发动机的方法
CN104279052A (zh) * 2013-07-09 2015-01-14 福特环球技术公司 用于增压内燃发动机多通道涡轮可变舌间距的***和方法
CN106030042A (zh) * 2013-12-16 2016-10-12 康明斯有限公司 涡轮壳体
CN106460533A (zh) * 2014-05-19 2017-02-22 博格华纳公司 用于节约燃料和经由非对称双蜗壳的废气再循环利用的优化脉冲功率分离的双蜗壳涡轮增压器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3664761A (en) * 1969-12-19 1972-05-23 Zastrow A Turbine housing with two inlet passages
US6709235B2 (en) * 2001-09-14 2004-03-23 Honeywell International Inc. Turbine housing for high exhaust temperature
DE102013223778B4 (de) 2013-02-20 2018-12-20 Ford Global Technologies, Llc Aufgeladene Brennkraftmaschine mit gruppierten Zylindern und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine
US9845770B2 (en) * 2013-03-15 2017-12-19 Imperial Innovations Limited Asymmetric double-entry turbine
WO2015179353A1 (en) * 2014-05-20 2015-11-26 Borgwarner Inc. Exhaust-gas turbocharger
DE102015205329A1 (de) * 2015-03-24 2016-09-29 Bosch Mahle Turbo Systems Gmbh & Co. Kg Turbinengehäuse und zugehöriger Abgasturbolader
JP6754597B2 (ja) * 2016-03-30 2020-09-16 三菱重工業株式会社 ２ステージターボシステム、および２ステージターボシステムの制御方法
DE102016011838A1 (de) * 2016-10-01 2018-04-05 Daimler Ag Turbine für einen Abgasturbolader einer Verbrennungskraftmaschine
DE102020127268A1 (de) * 2019-11-13 2021-05-20 Borgwarner Inc. Turbolader mit geteiltem spiralgehäuse, der einen leitschaufelkranz mit einer mehrzahl von leitschaufeln mit asymmetrischem leitschaufelmuster aufweist, und system, das diesen enthält

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2048326A2 (de) * 2007-10-10 2009-04-15 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Twin-scroll-Abgasturbolader
CN101932808A (zh) * 2008-08-28 2010-12-29 三菱重工业株式会社 可变容量排气涡轮的制造方法
CN103874835A (zh) * 2012-01-11 2014-06-18 三菱重工业株式会社 涡轮机壳体的涡旋结构
CN104005837A (zh) * 2013-02-20 2014-08-27 福特环球技术公司 带有两通道涡轮的增压式内燃发动机和用于操作所述类型的内燃发动机的方法
CN104279052A (zh) * 2013-07-09 2015-01-14 福特环球技术公司 用于增压内燃发动机多通道涡轮可变舌间距的***和方法
CN106030042A (zh) * 2013-12-16 2016-10-12 康明斯有限公司 涡轮壳体
CN106460533A (zh) * 2014-05-19 2017-02-22 博格华纳公司 用于节约燃料和经由非对称双蜗壳的废气再循环利用的优化脉冲功率分离的双蜗壳涡轮增压器

Also Published As

Publication number Publication date
GB2568732B (en) 2021-05-05
GB201719585D0 (en) 2018-01-10
DE112018006001T5 (de) 2020-08-06
CN111630250A (zh) 2020-09-04
US20200300158A1 (en) 2020-09-24
WO2019102205A1 (en) 2019-05-31
US11168606B2 (en) 2021-11-09
GB2568732A (en) 2019-05-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9739154B2 (en) Axial turbomachine stator with ailerons at the blade roots
US7645121B2 (en) Blade and rotor arrangement
US9581170B2 (en) Methods of designing and making diffuser vanes in a centrifugal compressor
US20120272663A1 (en) Centrifugal compressor assembly with stator vane row
WO2006038903A1 (en) Turbocharger compressor with non-axisymmetric deswirl vanes
CN105736460B (zh) 结合非轴对称毂流路和分流叶片的轴向压缩机转子
CN108799200B (zh) 具有排放槽和辅助法兰的压缩机设备
EP3516175B1 (en) Turbine wheel for a turbo-machine
JP2017519154A (ja) 遠心圧縮機用のディフューザ
CN111133174B (zh) 用于涡轮机的涡轮的扩散器空间
RU2525365C2 (ru) Центробежная крыльчатка компрессора
US9874140B2 (en) Turbocharger
US9856740B2 (en) Tip-controlled integrally bladed rotor for gas turbine engine
CN111630250B (zh) 涡轮
US10975881B2 (en) Centrifugal impeller for a turbine engine
US20180142569A1 (en) Inlet guide wheel for a turbo engine
US20190219057A1 (en) Centrifugal compressor with diffuser with throat
JP2010242520A (ja) 可変容量型タービン及び可変容量型ターボチャージャ
JP7435164B2 (ja) タービンおよび過給機
US20200408143A1 (en) Turbocharger Turbine Rotor and Turbocharger
US11835057B2 (en) Impeller of centrifugal compressor, centrifugal compressor, and turbocharger

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant