CN1560441A

CN1560441A - 高增压柴油机用的一种双轴二级涡轮增压器

Info

Publication number: CN1560441A
Application number: CNA2004100168795A
Authority: CN
Inventors: 孙敏超
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-01-05

Abstract

本发明公开了一种适用于船舶、舰艇、机车和发电用的中、大功率高增压柴油机二级涡轮增压***的双轴二级涡轮增压器。它的低、高压级分别由一个普通结构的单轴轴流式涡轮增压器和单轴径流式(或混流式)涡轮增压器所构成，在高压级涡轮的出口与低压级涡轮的进口之间用一个扩压管串接连成一体。与现有技术高、低压级均是径流式涡轮或均是轴流式涡轮的双轴二级涡轮增压器相比，本发明应用于工质流量中等大小的中、大功率高增压柴油机用的二级涡轮增压***上时，能达到的效率最高，结构最紧凑，安装占据的空间最小。

Description

高增压柴油机用的一种双轴二级涡轮增压器

技术领域：

本发明涉及船舶、舰艇、机车和发电用的中、大功率高增压柴油机技术领域内的涡轮增压器。

背景技术：

近几十年，随着柴油机结构设计、材料工艺与增压***和燃油***的不断改进和发展，柴油机的单缸功率(或平均有效压力)与强载度(平均有效压力与活塞平均速度的乘积)也一直在不断提高。其中，高平均有效压力值的获得主要是通过不断提高涡轮增压器的增压比实现的。近期开发的性能指标先进的四冲程中、高速柴油机，其平均有效压力可高达2.5～2.7MPa已臻达单级涡轮增压的应用极限。若再要提高平均有效压力，就必须求助于二级涡轮增压***。所谓二级涡轮增压，是将两台不同大小的涡轮增压器串联运行，空气经两级压气机压缩，并在低压级压缩后通过中冷器冷却。两级压气机可以由同轴或不同轴的两级涡轮驱动。关于单级涡轮增压***与二级涡轮增压***的介绍与比较，以及单、双轴二级涡轮增压***彼此之间的比较可参见朱大鑫编著·涡轮增压与涡轮增压器·北京：机械工业出版社，1992，478～486页和陆家祥主编·柴油机涡轮增压技术·北京：机械工业出版社，1999，171～173页中的相关评述。

现有技术双轴二级涡轮增压***组成中的高、低压级涡轮增压器内的涡轮级均为同样类型(即高压级涡轮与低压级涡轮或同是轴流式涡轮，或同是径流式涡轮)。由于轴流式涡轮级所能达到的最高等熵效率值(η_tmax≈0.9)远比径流式涡轮级所能达到的最高等熵效率值(η_tmax≈0.75)要高，再考虑到轴流式涡轮只有在燃气流量相当大(通流部分叶片足够长)的情况下才能达到其最高等熵效率值，但在小流量(叶片很短)的情况下，因叶片端部损失(二次流损失)急剧增大，致使等熵效率大幅度下降而远低于径流式涡轮在小流量就能达到的最高等熵效率值。因此，为了获得高效率，高、低压级均由轴流式涡轮增压器组成的双轴二级涡轮增压器适宜用于工质流量大的大功率高增压柴油机，而高、低压级均由径流式涡轮增压器组成的双轴二级涡轮增压器则适宜用于工质流量小的小功率高增压柴油机。

发明内容：

本发明为工质流量中等大小的中、大功率高增压柴油机用的二级涡轮增压***提供了一种新型结构的高效率、高压比双轴二级涡轮增压器。本发明采用的技术方案，其低压级为现有技术普通结构的单轴轴流式涡轮增压器，高压级为现有技术普通结构的单轴径流式(或混流式)涡轮增压器，在高压级涡轮的出口与低压级涡轮的进口之间用一扩压管连接。

由于混流式涡轮叶轮中离心力场对轮内气体流动的不利影响较径流式涡轮叶轮已大大削弱，因此混流式涡轮级所能达到的最高等熵效率值(η_tmax≈0.85)远高于径流式涡轮级但仍稍微低于轴流式涡轮级。混流式涡轮作为径流式涡轮的一种改进，宜在尽量多的场合替代径流式涡轮的应用。

注意到双轴二级涡轮增压器中，低压级涡轮增压器的增压比一般都高于高压级涡轮增压器的增压比，再加上低压级压气机出口的空气还要经中冷器进行冷却，这就使高压级压气机入口的空气密度要比低压机压气机入口处的密度大得多。空气容积流量的这种显著变化，导致高压级压气机叶轮的轮径尺寸明显小于低压级压气机叶轮的轮径尺寸，且双轴二级涡轮增压***的增压比越高，二者的差距越大。考虑到现有技术普通结构的单轴轴流式、径流式和混流式涡轮增压器，同一台增压器中的涡轮与压气机的叶轮轮径尺寸彼此相差不大，因此可用压气机叶轮的轮径尺寸D_2c作为标志增压器大小的特征尺寸。鉴于现有技术普通结构单轴轴流式涡轮增压器最小型号的压气机叶轮直径约为200mm，因此本发明低压级轴流式涡轮增压器中的压气机叶轮直径最小不应小于200mm，也即D_2cmin≥200mm。另一方面，根据轴流式涡轮增压器与径流式涡轮增压器的性能对比试验可知，二者效率相当的涡轮叶轮直径D_1t约为400mm左右，因此本发明高压级径流式(或混流式)涡轮增压器中的涡轮直径最大不应大于400mm，也即D_1tmax≤400mm。

连接高、低压涡轮级的扩压管，它不仅是一个使增压器结构紧凑的连接件，还是一个能提高涡轮效率、增大涡轮功率的重要气动元件。它能回收由高压级涡轮叶轮流出的高速燃气气流的动能，使其在扩压管内转化为压力的升高后再在低压级涡轮中膨胀作功。为了在扩压管中有效地实施扩压，应在扩压管中加装能使气流沿轴向流动的导流叶片或整流器，一个设计良好的扩压管，可使涡轮效率提高3～5％。

为了改善低压级压气机的变工况性能——提高部分负荷工况时的压气机效率；扩展稳定工况的流量范围，避免喘振和堵塞；增大高效率区占据的流量范围：调节增压压力的变化等，宜在低压级压气机叶轮进口的前方加装一个叶片角度可调节的预旋调节装置，以使受部分负荷工况影响最大的低压级压气机的变工况性能得到改善，从而也改善了整个双轴二级涡轮增压器的变工况性能，

当本发明与现有技术的双轴二级涡轮增压器应用于工质流量中等大小的中、大功率高增压柴油机用的二级涡轮增压***上时，它们之间的比较情况综述如下：

●效率方面的比较

由于高、低压级涡轮的类型选择与配置合理，从而使它们在使用条件下都能获得各自所能达到的最高等熵效率值，因而本发明的涡轮增压器效率最高。

●柴油机排气脉冲能量利用方面的比较

本发明与现有技术高、低压级均是径流式涡轮的二级涡轮增压器的高压级涡轮的燃气进气蜗壳，其构造很象一个脉冲转换器，有利于柴油机排气脉冲能量的利用和涡轮的全周均匀进气，现有技术高、低压级均是轴流式涡轮的二级涡轮增压器的燃气进气壳则一般不具备此功能。

●结构紧凑性、成本方面的比较

本发明与现有技术高、低压级均是轴流式涡轮的双轴二级涡轮增压器，它们的高压级涡轮增压器与低压级涡轮增压器的轴心线都位于同一直线上，这样的结构布置最紧凑。高、低压涡轮级均是径流式涡轮的双轴二级涡轮增压器，它本身的管路连接以及它与柴油机排气管和中冷器之间的管路连接，使它的结构布置很复杂，占据的空间体积也最大。因此仅就结构紧凑性而言，本发明最佳，高、低压级均是轴流式涡轮的二级增压器次之，高、低压级均是径流式涡轮的二级涡轮增压器最差。结构紧凑性的优劣，对高增压比二级涡轮增压器的应用至关重要。因为对于高增压柴油机，即使按三次方运行特性运行，低工况性能也是不能满足要求的，特别是一些按二次方运行特性、滑行艇特性、喷水推进***、双机并车等运行要求，必须采取适当措施来改进低工况性能。以往采取的高工况放气、进排气旁通、变截面涡轮、Miller***、顾氏***等已不能满足低工况性能的要求，因此近期开发的大功率柴油机较多地采用相继增压(STC)***。它采用多台增压器(2～4台，譬如采用4台)，这样可以使在低工况时的涡轮通流截面通过整台增压器的逐台退出运行，而逐级减小到原来多台增压器全开时的1/2、1/3甚至1/4，大大改善了低工况性能。显然，在此情况下，双轴二级涡轮增压器的结构必须非常紧凑、占据的空间体积较小才行。对于在高原运行以恢复功率为目的的高增压柴油机而言，它对高增压比涡轮增压器的安装空间要求的限制，同样非常严格，本发明可供选择、采用。

在价格方面，本发明居中，现有技术高、低压级均是轴流式涡轮的双轴二级涡轮增压器价格最贵。

附图说明：

图1为现有技术普通结构的单级轴流式涡轮增压器纵剖面图。图中数字含义：1——压气机壳组合，2——压气机端轴封部件，3——螺钉锁紧铁丝，4——螺栓，5——垫圈，6——扩压器盖，7——垫圈，8——螺母，9——压气机端轴承部件，10——压气机端止推轴承，11——转子组合，12——涡轮端止推轴承，13——涡轮端轴承部件，14——涡轮端密封垫片，15——涡轮端轴封，16——涡轮端密封垫片，17——气封环，18——碳精圈，19——螺栓，20——螺钉锁紧铁丝，21——涡轮壳组合，22——中间壳组合，23——调整垫片，24——压气机端密封垫片。

图2示出了现有技术普通结构小型单轴混流式涡轮增压器的纵剖面图。图中数字含义：1——压气机壳，2——压气机端螺母，3——压气机叶轮，4——压气机端密封环，5——轴封。6——联接盘，7——挡油盘，8——垫片，9——止推轴承，10——定距止推套，11——全浮轴承，12——全浮轴承挡圈，13——涡轮端密封环，14——隔热罩，15——中间壳，16——涡轮转子轴，17——涡轮蜗壳，18——铭牌，19——铆钉，20——O型橡胶密封圈，21——螺栓，22——波形弹性垫圈，23——螺栓，24——螺钉，25——螺栓，26——螺栓。

图3为叶片角度可调的压气机进口预旋调节装置示意图。图中数字含义：1——滚动轴承，2——测角器，3——齿轮，4——齿片，5——套管，6——旋转导流叶片。

图4示出了现有技术普通结构单轴径流式涡轮增压器的纵剖面图。与图2所示结构不同，图4高压级的压气机加装了叶片扩压器，它的涡轮也增装了喷嘴环。

具体实施方式：

图5为本发明结构的双轴二级涡轮增压器的示意图，其低、高压级涡轮增压器分别由现有技术普通结构的单轴轴流式涡轮增压器和单轴径流式(或混流式)涡轮增压器所组成，在高压级涡轮出口与低压级涡轮进口之间由一个轴向扩压管串联连接成为一体。

图6与图5基本结构相同，但在低压级压气机进口加装了图3所示的预旋调节装置，另外在扩压管中增加了整流叶片。

Claims

1、高增压柴油机用的一种双轴二级涡轮增压器，其特征在于：它的高压级是一个普通结构的单轴径流式(或混流式)涡轮增压器，低压级则是一个普通结构的单轴轴流式涡轮增压器，在高压级涡轮的出口与低压级涡轮的进口之间用一个扩压管串连联接构成一体；

2、按权利要求1所述的双轴二级涡轮增压器，其特征在于：低压级轴流式涡轮增压器中的压气机叶轮直径不应小于200mm；高压级径流式(或混流式)涡轮增压器中的涡轮叶轮直径不应大于400mm。

3、按权利要求1所述的双轴二级涡轮增压器，其特征在于：低压级轴流式涡轮增压器的压气机进口装有叶片角度可调的预旋调节装置。