专利名称：涡轮增压器的推力平衡方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮增压器的推力平衡装置和方法，如在权利要求1和5的前序部分所描述的一样。
现在大型柴油机的涡轮增压器主要装备有轴向涡轮和离心压缩机。流向两个转子的进口位于两端的轴线方向上。这样的布置导致了压缩机和涡轮作用在同一方向上的轴向推力。结果，作用在轴承上的总推力可能变得很大。为了减小此负载，提出了测量并减小推力的课题。经常采用的方法是减小压缩叶轮后壁上的压力，也就是，减小涡轮增压器高压区的压力。为此目的，通过一安装在涡轮增压器腔体里的管道，将压缩叶轮的后部空间与涡轮增压器的一个区域相连接，该区域的压力比高压区的压力低。这样，在涡轮增压器运行期间就会产生高压区的排放通风，因此，压缩叶轮后部空间的空气压力就有一个显著的减小，这样就减小了作用在轴承上的总推力。那么，较低压力区可能是涡轮机出口(废气压力)或也可能是围绕涡轮增压器的外部空间(环境压力)。在压缩叶轮的外径，一个非接触密封确保对从出口到压缩叶轮后部空间的空气泄漏的限制，即使高压降低(1997年6月19-20日，在雅典，Evgenidion基金会举办的第二届“船舶推进系统，设计和运行”国际讨论会上，M.Imakiire等的讲演稿，“MET涡轮增压器设计特点和所取得的用户—友善方面改进的概述”，第3页和图2，底部)。
已经知道作为推力平衡的一个可选解决方案是，将位于涡轮机上游的高压区与涡轮机下游的较低压力区相连，或与围绕涡轮增压器的外部空间相连(同前，图2，底中)。
然而，此解决方案在所有运行状态下均有大量流体泄漏。体积损失可达1.5％，从而导致减小大约1％的涡轮增压器效率。在与涡轮增压器相连的大功率发动机，以及与之相应的高压缩压力比的情况下，由推力平衡所引起的损耗是自动吸收的。由于在轻载时没有必要推力平衡，所以，在此情况下的体积损失未必会削弱涡轮增压器的效率。
在涡轮增压器速度很低及伴随着的低泄漏量时，在空转时发动机可以作为吸气发动机，也就是，空气通过压缩机管道吸入。结果，在压缩叶轮的出口就有一个减压，并且这可能导致废气从涡轮机出口通过压缩叶轮的后部空间到压缩机管道的回流。由于对用铝制造的热敏压缩叶轮可能的加热，这种回流同样是非常不希望出现的。
上述缺点当然不局限于配备有轴向涡轮机的涡轮增压器的情况，在配有径向涡轮机的涡轮增压器情况下也会出现。
因此，本发明的一个目的，试图避免所有这些缺陷的目的，是提供一个新颖的改善配置有推力平衡装置的涡轮增压器轻载和空转性能的方法和装置。
根据本发明，实现方法如权利要求1前序部分所述，其特征在于，叶轮后部空间和低压区之间的连接，在涡轮增压器全负荷时是完全打开的，轻载时至少大部分关闭，空转时完全关闭。为此目的，推力平衡装置具有一个闭合部件，该闭合部件自动或由外部动力开或关，可为高压区的压力所作用。
通风管道式的推力平衡装置至少局部安装在涡轮增压器腔体里是非常方便的；闭合部件在此通风管道区里。通风管道可以安装在位于涡轮机上游的高压区和涡轮机下游的低压区之间，或安装在位于离心压缩机下游的叶轮后部空间和压力比叶轮后部空间压力低的一个涡轮增压器区域之间。在通风管道安装在涡轮机区域的情况下，闭合部件的耐热性至少应该为700℃，而在通风管道安装在离心压缩机区域的情况下，其耐热应至少为200℃。用这种方法，在长期运行期间，即使在全负荷的运行温度下，闭合部件能够不被损坏，这样就确保了此部件具有较长的使用寿命。
由于涡轮增压器高压区的压力作用在闭合部件上，并使后者完全张开，保证了全负荷时的推力平衡。另一方面，在涡轮增压器轻载和空转时，高压区的压力显著减少，因此，闭合部件将通风管道完全关闭或至少大部分关闭。在这种情况下，在轻载时的体积损失也能减小，结果提高了涡轮增压器的效率。空转时，当完全关闭通风管道时，能够切断从涡轮机出口到叶轮后部空间的有害的废气回流。这样就改善了涡轮增压器的轻载和空转性能，而不管是否有推力平衡装置。
本发明实施例的更进一步的优点在从属权利要求中给出。
参照下面的详细说明并结合附图，本发明完整的评价和许多优点将会更容易得到和理解，在这里，描述了本发明配备有离心压缩机和轴向涡轮的涡轮增压器的大量实施例，这里
图1表示现有技术中配备有一个推力平衡装置的涡轮增压器的局部纵向剖面图；图2表示在第一实施例中，根据本发明的图1中带有闭合部件部分的放大图；图3表示在第一实施例更进一步改进中，图1中所示的闭合部件的局部剖面图；图4表示在第二实施例中，根据本发明图1中带有闭合部件部分的放大图；图5表示在第三实施例中，图1中的仅用图解法表示的闭合部件的放大图；图6表示在另一实施例中，根据本发明图1中配置有闭合部件的轴承套；图7表示在下一实施例中，根据本发明图1中配置有闭合部件的轴承套；图8表示在另一实施例中，根据本发明图1中带有闭合部件部分的放大图；以上仅表示了理解本发明的重要部件。没有表示出设备，例如，与涡轮增压器相连的内燃机。工作介质的流动方向用箭头表示。
现在参照附图，这里，在这几个视图中，相同的标志数字表示相同的或相应的部件，图1表示了现有技术中带有一个轴流涡轮2、一个离心压缩机3和一个内部轴承装置的涡轮增压器1。在内燃机(未示出)运行期间，废气4通过涡轮进气管5导向涡轮增压器1的涡轮2中。在通过喷嘴环6后，废气4被导向涡轮机叶轮8的转子叶片7的轴线方向，并在此过程中膨胀。转子叶片7通过护环9固定成向外放射状的扩散体，护环9又固定到涡轮2的涡轮排气管10上。涡轮机叶轮8与离心压缩机3的压缩叶轮11一起，布置在一个公共轴12上。结果，在流体通过涡轮机叶轮8期间，压缩叶轮11同时被驱动，因此压缩叶轮11导致并压缩空气13到运行内燃机所必须的程度。当在离心压缩机3中压缩的空气13通过配置在压缩腔14中的管15到达内燃机时，在涡轮机叶轮8的转子叶片7中膨胀的废气4通过涡轮2的排气管10排到外边。
叶轮后部空间16，表示涡轮增压器1的高压区，位于压缩叶轮11的下游。内部轴承系统由配置在轴承箱17中的两个径向轴承18、19和一个止推轴承20组成。为了平衡涡轮增压器1上的推力，即，减少作用在止推轴承20上的总推力(推力用箭头表示)，通风管道22配置在装有轴承箱17的涡轮增压器1的壳体中，并位于压缩叶轮11的叶轮后部空间16和涡轮出口21之间一作为涡轮增压器1的一个区域，该区域的压力比压缩叶轮11的叶轮后部空间16的空气压力低。
轴承箱17和压缩腔14是通过一个中间隔墙23构成的定子相互隔离的。相对于中心线24径向分布的分离间隙25位于运行时转动的压缩叶轮11和固定的中间隔墙23之间。分离间隙25容纳一个限制气流泄漏的迷宫式密封26，不管高压是否降低。迷宫式密封26的下游，分离间隙25与叶轮后部空间16相连，它通过中间隔墙23中的一个凹槽27连接到中间部分28上，并且后者又与通风管道22相连。
涡轮增压器1的一个外部空间29当然也能作为低压区。在这种情况下，通风管道22位于叶轮后部空间16和外部空间29(未示出)之间。在第一种情况下，因此，涡轮2的废气压力可用于推力平衡，而且在第二种情况下，涡轮增压器1的外部空气压力也用于此目的。
在本发明的第一实施例中，板状闭合件30，具有一个自由板端31和一个固定到通风管道22上的板端32，安装在通风管道22中(见图2)。板状闭合件30至少耐200℃温度。这样的闭合件30，在通风管道22中可以获得较大的横截面，这样污染的危险很小。
闭合件配置成完全覆盖通风管道22的弯曲弹簧件30。为了此目的，通风管道22具有一个有第一截面d1的第一管道部分33和，在第一管道部分33的压缩端，具有一个有第二截面d2的第二管道部分34，第二截面d2相对于第一截面d1是增大的。弯曲弹簧件30安装在第二管道部分并且通过它的板端32固定到第二管道部分34上。
在与涡轮增压器1相连的全负荷发动机中，在压缩叶轮11的高压区(叶轮后部空间)16中的空气压力作用在弯曲弹簧件30上。随着压缩叶轮11的叶轮后部空间16中的空气压力的增加，或在中间部分28中，由于压力作用，弯曲弹簧件30沿涡轮出口21方向弯曲离开它的初始位置。因此，通风管道22自动打开并确保了推力平衡。通风管道设计成这样一种方式，在弹簧偏转较小的情况下，整个截面保持堵塞，并仅仅在弯曲弹簧件30具有一定的偏转才打开。由于叶轮后部空间16和涡轮出口21之间的压力差别变得较大，截面的开口也变得较大。
另一方面，在涡轮增压器1轻载的情况下，叶轮后部空间16的空气压力显著减小，因此弯曲弹簧件30至少大部分关闭或完全关闭通风管道22。在这种情况下，轻载时体积损失减少，结果涡轮增压器1的效率增加了。空转时，在通风管道22完全关闭发生时，可以切断从涡轮出口21返回到叶轮后部空间16的废气流的损害。因此，尽管有推力平衡装置，涡轮增压器1在轻载或空转下的性能增加了。
为了促进通风管道22的完全打开，永久磁铁35安装在第二管道部分34上，在弯曲弹簧件30自由板端31的涡轮一侧。从弯曲弹簧件30的特定位置，永久磁铁吸引弯曲弹簧，因此释放了整个通风管道22。另外，在自由板端31的压缩机一测，第二管道部分34上有一个挡块36(它防止弯曲弹簧回弯)。
弯曲弹簧29有两个表面层37、38和一个中间层39，中间层39有一个密封凸缘40，密封凸缘在自由板端31伸出超过表面层37、38(见图3)。两个表面层37、38由具有不同热膨胀系数的金属材料制成，在涡轮一侧的表面层37的热膨胀系数比压缩机一侧的表面层38的热膨胀系数低。
由于在涡轮增压器1全负荷时叶轮后部空间16的高温，压缩机一侧的表面层38比涡轮一侧表面层37的膨胀较强烈，因此，也支撑了通风管道22的开口。另一方面，在轻载时叶轮后部空间16的温度较低，因此，由于压缩机一侧表面层38较大的热膨胀系数，弯曲弹簧件30返回到它的初始位置，结果，通风管道22关闭。弯曲弹簧件30的两个运动方向用双箭头表示。由于双金属效应，防止了弯曲弹簧件30干扰，因此确保了通风管道22的可靠关闭和打开。另外，通过采用多层结构的弯曲弹簧件30也减小了任何可能的抖动倾向，并且由于采用密封凸缘40也改善了通风管道22的密封。
在本发明的第二实施例中，覆盖通风管道22整个截面的密封挡板41作为一个闭合部件(见图4)。在固定到第二管道部分34的板端32，密封挡板41具有一个铰链42。另外，密封挡板41通过一个弹性部件连接到第二管道部分34涡轮端的侧壁44，弹性部件为一个非线性弹性特征的弹性杆43。阻挡密封挡板41的挡块45安装在通风管道22上。
符合欧拉变形定理的连接位于密封挡板41和变形杆43之间，以这样一种形式产生，即当超过临界变形负荷时，密封挡板41突然打开，这样就使通风管道22畅通。然后挡块45防止变形杆43的任何过度变形，这样后者仅能进行弹性变形。密封挡板41的两个运动方向用双箭头表示。代替变形杆43的，当然也可以使用不同的弹性部件，例如一个螺旋状弹簧(未示出)。
按照第三实施例，一个安装在通风管道22内的单向阀46可以是闭合部件。单向阀46直接安装在从通风管道22进入中间部分28的开口处。它由一个固定套筒47、一个阀球48和一个压缩弹簧组成(见图5)。在叶轮后部空间16处于高压的情况下，也就是，涡轮增压器全负荷时，因为阀球48相对压缩弹簧49的弹力沿涡轮出口21方向移动，单向阀46打开。在另一方面，如果涡轮增压器1的出口降低，由于初始位置方向上的压缩弹簧49的作用，阀球48移动，直至单向阀46又关闭。
按照本发明的另一个实施例，通风管道22(位于离心压缩机3的叶轮后部空间16和涡轮增压器1的区域21之间，区域21的压力比叶轮后部空间16的压力低)从涡轮增压器1的轴承箱17引出为一个管51。安装在轴承箱17外边的管51通过一个拧入连接52可拆卸地连接到轴承箱17和通风管道22上(见图6)。通过这种方式，管51可以从外部拆掉，这样密封挡板41也相对容易接近。因此，在发生故障的时候，没必要拆卸到整个涡轮增压器，及将与之相连的发动机关掉。
在密封挡板41的上游和下游，具有一个压力测量元件54的测量线路53与管51相连。两条测量线路53都通过一个测量和评估元件55连接到一个密封挡板41的动力线路56上，这样，后者也能够更方便地从外部控制。而且，很自然有可能采用一个不同的闭合部件，如图5中所示的单向阀46或图2中所示的弯曲弹簧件30。
按照下一个实施例中的一个可选项，从外部延伸到通风管道22的孔57在涡轮增压器1的轴承箱17上。孔57容纳一个带有螺栓59的螺旋部件58，并同样延伸到通风管道22中，螺栓59承载密封挡板41(见图7)。这为从外部接近密封挡板41提供了方便。后者现在完全可以从通风管道22中移走，并可分别维护。另外，螺旋部件58有一个压力测量孔60，该孔延伸到通风管道22中，并且在它的另一端，又通过测量线路53连接到测量和评估元件55上。这样，就有可能进行推力平衡的简单监测。
与上述的压缩机一端的布置的效果类似，在又一个实施例中，通风管道22安装在位于涡轮机叶轮8上游即中间部分61的高压区和涡轮出口21之间，也就是，涡轮增压器1的一个区域，该区域的压力比中间部分61的压力低。主要相对于中心线24径向布置的分离间隙63在运行时转动的涡轮机叶轮8和喷嘴环6固定的内环62之间。分离间隙63容纳一个限制废气泄漏的迷宫式密封64，而不管高压是否降低。中间部分61与迷宫式密封64的下游相邻，并且通过通风管道22又与涡轮出口21相通，后者最终通向外部空间29(见图8)。闭合部件，可以是密封挡板41，安装在涡轮排气管10区域通风管道22内。
当然，通风管道也能安装在喷嘴环6的一个静止叶片上(未示出)。通风管道也同样能安装在压缩机和涡轮端部，并且在每种情况下，均有一个闭合部件(同样未示出)。
明显地，根据上述提示，对本发明进行许多修改和变形都是可能的。因此，应该清楚的是，在附加的权利要求范围内，除了这里特别描述的之外，也可能实现本发明。
权利要求
1.一种涡轮增压器(1)的推力平衡方法，该涡轮增压器具有一个离心压缩机(3)和一个涡轮(2)，这里，涡轮增压器(1)的高压区(16，61)与涡轮增压器(1)的一区域(21，29)相连接，该区域(21，29)的压力比高压区(16，61)低，其特征在于，此连接在涡轮增压器(1)全负荷时是完全敞开的，轻载时至少大部分关闭，空转时完全关闭。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，此连接的打开和关闭是自动进行的。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，此连接的打开和关闭是由外部动力进行的。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，此连接的打开和关闭是由高压区(16，61)压力的作用进行的。
5.一种实现权利要求1至4之一所述方法的装置，其特征在于，该推力平衡装置具有一个闭合部件(30，41，46)。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，该推力平衡装置具有一通风管道(22)，该通风管道至少部分安装在涡轮增压器(1)的外壳(17)上，并且闭合部件(30，41，46)配置在通风管道(22)区内。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，闭合部件(30，41，46)安装在通风管道(22)内。
8.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，通风管道(22)安装在位于离心压缩机(3)下游的一个叶轮后部空间(16)和涡轮增压器(1)的一区域(21，29)之间，该区域(21，29)的压力比叶轮后部空间(16)的压力低，闭合部件(30，41，46)至少耐200℃的温度。
9.根据权利要求6或7所述的装置，其特征在于，通风管道(22)安装在位于涡轮(2)上游的高压区(61)和涡轮(2)下游的低压区(21)之间，闭合部件(30，41，46)至少耐700℃温度。
10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，闭合部件(30，41，46)为板状，它具有一个第一自由板端(31)，和一个固定到通风管道(22)上的第二板端(32)。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，完全覆盖通风管道(22)的弯曲弹簧件配置为与(30)一样的闭合部件。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，在第二管道部分(34)，在闭合部件(30)自由板端(31)的压缩机一侧安装了一个挡块(36)，在闭合部件(30)自由板端(31)的涡轮一侧安装了一个永久磁铁(35)。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，闭合部件(30)由两个表面层(37、38)和一个中间层(39)所组成，并且中间层(39)配置有一个密封凸缘(40)，该密封凸缘(40)在自由板端(31)伸出超过表面层(37、38)。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，至少表面层(37、38)中的一个是由金属材料制成的，中间层(39)是由塑料制成的。
15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于，两个表面层(37、38)是由不同热膨胀系数的金属材料制成的。
16.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，完全覆盖通风管道(22)的密封挡板为闭合部件(41)，该密封挡板在其板端(32)具有一铰链(42)将之固定到通风管道(22)上，并且，另外还通过一个具有非线性弹性特征的弹性部件(43)与通风管道(22)相连。
17.根据权利要求6至16之一所述的装置，其特征在于，通风管道(22)有一个具有第一截面(d1)的第一管道部分(33)和，在第一管道部分(33)的压缩机一端，有一个具有第二截面(d2)的第二管道部分，第二截面(d2)比第一截面(d1)大，在这里，闭合部件(30，41，46)安装在第二管道部分(34)，并通过板端(32)固定到第二管道部分(34)。
18.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，单向阀为闭合部件(46)。
19.根据权利要求6至18之一所述的装置，其特征在于，通风管道(22)从涡轮增压器(1)的腔(17)引出为管(51)，并且闭合部件(30，41，46)安装在管(51)中。
20.根据权利要求19所述的装置，其特征在于，安装在腔(17)外边的管(51)与腔(17)和/或通风管道(22)是可拆卸连接。
21.根据权利要求19或20所述的装置，其特征在于，测量线路(53)分别与管(51)上游和闭合部件(30，41，46)的下游相连，每根测量线路(53)有一个压力测量元件(54)并与一测量和评估元件(55)相连，后者又与闭合部件(30，41，46)的动力线路(56)相连。
22.根据权利要求6至18之一所述的装置，其特征在于，从外部延伸到通风管道(22)的孔(57)配置在涡轮增压器(1)的腔体(17)中，在这里，孔(57)容纳一个带螺栓(59)的螺旋部件(58)，螺栓(59)运送闭合部件(30，41，46)，并同样延伸到通风管道(22)。
23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，螺旋部件(58)具有至少一个延伸到通风管道(22)的压力测量孔(60)，在其另一端，压力测量孔(60)与测量和评估元件(55)相连。
全文摘要
本发明的目的是改善带有推力平衡装置的涡轮增压器的轻载和空转性能。为此目的提供了一种方法和装置。根据本发明,目的是这样实现的,即涡轮增压器(1)高压区(16,61)与涡轮增压器(1)一区域(21,29)相连接,该区域(21,29)的压力比高压区(16,61)的压力低,此连接在涡轮增压器全负荷时完全打开,轻载时至少大部分关闭,空转时完全关闭。为此目的,通风管道(22)式的推力平衡装置具有一闭合部件(30,41,46)。
文档编号F01D3/04GK1248667SQ99119800
公开日2000年3月29日 申请日期1999年8月14日 优先权日1998年9月3日
发明者M·洛斯, F·利希特纳 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司