专利名称：对转涡轮复合装置及具有该装置的发动机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及内燃机排气能量回收系统领域，尤其是涉及一种对转涡轮复合装置及具有该装置的发动机系统。
背景技术：
在内燃机中，涡轮复合用于回收内燃机排气能量，提高内燃机效率。涡轮复合发动机排气管中串联有增压涡轮和动力涡轮，增压涡轮用于驱动压气机工作，增加进气密度，提高发动机气缸升功率，动力涡轮用于回收排气能量将其转变为机械功输出，提高发动机总功率和燃油经济性。动力涡轮一般安装在增压涡轮的下游，增压涡轮和动力涡轮的总体效率对发动机的性能具有重要影响。目前增压涡轮和动力涡轮的匹配主要基于流量匹配，增压涡轮和动力涡轮的设计相对独立，未考虑增压涡轮出口流场和动力涡轮入口流场的耦合，因此在动力涡轮的入口需要安装导向叶片，对增压涡轮出口的气流进行调整，以保证气流以适合的角度进入动力涡轮的转子做功。
发明内容
本发明基于发明人对以下事实的发现增压涡轮的出口和动力涡轮的入口之间的导向叶片增加了涡轮复合系统的轴向长度，导致涡轮复合系统体积较大，并且气流经过导向叶片时会产生损失，降低涡轮复合系统的效率。为此，本发明的一个目的在于提出一种对转涡轮复合装置，所述对转涡轮复合装置在保证气流顺畅通过的同时取消了导向叶片，结构紧凑且效率高。本发明的另一个目的在于提出一种具有上述对转涡轮复合装置的发动机系统。根据本发明第一方面实施例的对转涡轮复合装置，包括增压涡轮；和动力涡轮， 所述动力涡轮与所述增压涡轮耦合布置，且所述动力涡轮与所述增压涡轮的旋转轴线相同且旋转方向相反，所述动力涡轮转子的叶片入口角被构造成与所述增压涡轮的叶片出口角匹配以使所述增压涡轮的出口气流以预定角度直接进入所述动力涡轮的转子内做功。根据本发明实施例的对转涡轮复合装置，通过将动力涡轮转子的叶片入口角构造成与增压涡轮的叶片出口角匹配以使增压涡轮的出口气流以预定角度直接进入动力涡轮的转子内做功，与传统的涡轮复合装置相比，取消了增压涡轮与动力涡轮之间的导向叶片， 结构更紧凑，并且避免了导向叶片导致的流动损失，提高发动机排气能量的利用率，从而提高涡轮复合装置的总体效率，改善发动机的燃油经济性。另外，根据本发明的对转涡轮复合装置还具有如下附加技术特征在本发明的一个实施例中，所述增压涡轮为径流式涡轮。在本发明的另一个实施例中，所述增压涡轮为混流式涡轮。根据本发明的一些实施例，所述动力涡轮为轴流式涡轮。优选地，所述动力涡轮的叶片出口角被构造成使所述动力涡轮的出口气流以接近于轴向的速度流出。从而，减少动力涡轮的出口动能流失。根据本发明第二方面实施例的一种发动机系统，包括发动机；根据本发明第一方面实施例的对转涡轮复合装置，其中所述增压涡轮安装在发动机的排气歧管的下游以接收所述发动机排出的气流，且所述动力涡轮布置在所述增压涡轮的下游；压气机，所述压气机与所述增压涡轮连接且由所述增压涡轮驱动以对进入其的气流进行增压；中冷器，所述中冷器连接在所述压气机和发动机的气缸之间以将所述增压后的气流冷却并送入到所述发动机的气缸中；以及液力耦合器，所述液力耦合器的输入轴与所述动力涡轮相连，且输出轴与发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮的回收功传递至所述曲轴。根据本发明实施例的发动机系统，通过设置对转涡轮复合装置，使得发动机系统结构紧凑，充分利用废弃能量，提高发动机燃油经济性，减少有害气体的排放，改善发动机系统的整体性能。根据本发明的一些实施例，发动机系统进一步包括第一传动组件，所述第一传动组件连接在所述液力耦合器的输入轴和所述动力涡轮之间。根据本发明的进一步的实施例，发动机系统进一步包括第二传动组件，所述第二传动组件连接在所述液力耦合器的输出轴和所述曲轴之间。可选地，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别为一级齿轮传动组件。根据本发明实施例的发动机系统，增压涡轮与压气机共轴连接，增压涡轮驱动压气机对进入压气机中气流进行增压，增压后的气流经中冷器冷却后进入到发动机的气缸内，增加进气密度，提高发动机的气缸升功率。同时发动机工作后的废气进入到增压涡轮的叶片内，然后沿轴向流出增压涡轮，经过钝体和外壁形成的空腔后，沿轴向进入到动力涡轮，动力涡轮将排出废气的能量转变为机械功，动力涡轮经第一传动组件与液力耦合器的输入轴连接，液力耦合器的输出轴经第二传动组件与发动机的曲轴相连，最终将动力涡轮的回收功传递到曲轴上，提高发动机总功率和燃油经济性，同时由于取消了传统的导向叶片，减少了流动损失，提高了涡轮复合装置效率，从而提高发动机系统的整体性能，同时使得发动机系统结构更紧凑。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。
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为根据本发明实施例的对转涡轮复合装置的剖视图；图2为图1所示的增压涡轮为径流式涡轮的对转涡轮复合装置的叶型示意图；图3为图1所示的增压涡轮为混流式涡轮的对转涡轮复合装置的叶型示意图；和图4为根据本发明实施例的发动机系统的示意图。
具体实施例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。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。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。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。下面参考图1-图3描述根据本发明第一方面实施例的一种对转涡轮复合装置 100，该对转涡轮复合装置100设置在发动机系统200中用于回收发动机排气能量，即排出废气所具有的能量。根据本发明实施例的对转涡轮复合装置100，如图1所示，包括增压涡轮1和动力涡轮2，其中，动力涡轮2与增压涡轮1耦合布置，且动力涡轮2与增压涡轮1的旋转轴线相同且旋转方向相反，动力涡轮2转子的叶片入口角(图未示出)被构造成与增压涡轮 1的叶片出口角(图未示出)匹配以使增压涡轮1的出口气流以预定角度直接进入动力涡轮2的转子内做功。如图1的箭头所示，排出废气首先进入到增压涡轮1的叶片10内，然后沿轴向流出增压涡轮1，经过钝体20和外壁21形成的空腔22后，沿轴向进入动力涡轮2，最后流出动力涡轮2。根据本发明实施例的对转涡轮复合装置100，通过将动力涡轮2转子的叶片入口角构造成与增压涡轮1的叶片出口角匹配以使增压涡轮1的出口气流以预定角度直接进入动力涡轮2的转子内做功，与传统的涡轮复合装置相比，取消了增压涡轮与动力涡轮之间的导向叶片，结构更紧凑，并且避免了导向叶片导致的流动损失，提高发动机排气能量的利用率，从而提高涡轮复合装置100的总体效率，且改善了发动机的燃油经济性。在本发明的一个实施例中，增压涡轮1为径流式涡轮，且动力涡轮2为轴流式涡轮。
此时，如图2所示，增压涡轮1的叶片10线速度Uc^PU1竖直向上，动力涡轮2的叶片23线速度U2和U3竖直向下。发动机3排气以相对速度Wtl进入增压涡轮1的叶片10， 以相对速度W1流出增压涡轮1的叶片10。为使增压涡轮1出口气流与动力涡轮2入口叶型相匹配，将增压涡轮1出口的叶片10安装角(与轴向夹角)设计得较大(大于50° )， 使叶片10出口气流绝对速度C1与轴向具有较大夹角，偏向与动力涡轮2旋转方向相同的一侧。气流经过钝体20和外壁21形成的空腔22后，以绝对速度C2到达动力涡轮2的叶片 23前缘。由于C2与轴向具有较大夹角，且动力涡轮2与增压涡轮1转向相反，气流进入动力涡轮2叶片23前缘的相对速度W2与轴向的夹角较小。通过对动力涡轮2入口叶型的适当设计，可使气流以合适的角度进入动力涡轮2转子叶片，使动力涡轮2具有较高的效率。 在动力涡轮2的叶片23出口处，通过出口叶片安装角的设计使气流以接近于轴向的绝对速度C3流出，尽量减少出口动能损失。在本发明的另一个实施例中，增压涡轮1还可为混流式涡轮，动力涡轮2为轴流式涡轮。此时，如图3所示，增压涡轮1的叶片10进口的叶型和轴向成一角度，气流在增压涡轮1中偏转的角度较径流式涡轮大，从而增加气体对增压涡轮1的做功量，将更多能量分配到增压涡轮1中。除气流进入增压涡轮1的角度不同外，即如图1所示，当增压涡轮1为径流式涡轮时，发动机3排出的废气从径向进入到增压涡轮1的叶片10内，当增压涡轮1为混流式涡轮时，发动机3排出的废气沿预定的倾斜角度进入到增压涡轮1的叶片10内，且排出废气在涡轮复合装置100内流动原理与增压涡轮1为径流式涡轮时的流动原理相同， 这里就不详细描述。进一步地，动力涡轮2的叶片出口角被构造成使动力涡轮2的出口气流以接近于轴向的速度流出，从而尽量减少出口动能流失。下面参考图1-图4描述根据本发明第二方面实施例的一种发动机系统200。根据本发明实施例的发动机系统200，如图4所示，包括发动机3、对转涡轮复合装置100、压气机4、中冷器5和液力耦合器6，其中，对转涡轮复合装置100为根据本发明第一方面实施例的对转涡轮复合装置100，其中增压涡轮1安装在发动机3的排气歧管31的下游以接收发动机3排出的气流，且动力涡轮2布置在增压涡轮1的下游。压气机4与增压涡轮1连接且由增压涡轮1驱动以对进入其的气流进行增压。中冷器5连接在压气机4 和发动机3的气缸32之间以将增压后的气流冷却并送入到发动机3的气缸32中。液力耦合器6的输入轴60与动力涡轮2相连，且输出轴61与发动机3的曲轴30相连以将动力涡轮2的回收功传递至曲轴30。如图4所示，发动机3包括曲轴30、排气歧管31、气缸32和进气歧管33，曲轴30 用于输入发动机3的动力，进气歧管33用于向多个气缸32中供气，排气歧管31用于排出发动机3工作后的废气。排出废气从排气歧管31进入到增压涡轮1中，推动增压涡轮1旋转工作，此时增压涡轮1驱动压气机4工作以对进入压气机4的气流进行增压，增压后的气流进入到中冷器5内，中冷器5对增压后的气流进行冷却，并将冷却后的气流通过进气歧管 33送入到发动机3的气缸32内。同时，如图1所示，排出废气从增压涡轮1进入到与增压涡轮1耦合的动力涡轮2中，动力涡轮2将排出废气的能量转变为机械功输出到液力耦合器6上，最后液力耦合器6将回收功传递到曲轴30上以对发动机3提供动力。
根据本发明实施例的发动机系统200，通过设置对转涡轮复合装置100，使发动机系统200结构紧凑，充分利用废气能量，提高发动机燃油经济性，且减少有害气体的排放， 改善发动机系统200的整体性能。根据本发明的一些实施例，发动机系统200进一步包括第一传动组件7和第二传动组件8，其中，第一传动组件7连接在液力耦合器6的输入轴60和动力涡轮2之间，第二传动组件8连接在液力耦合器6的输出轴61和曲轴30之间。其中，可选地，第一传动组件7和第二传动组件8分别为一级齿轮传动组件。当然， 本发明并不限于此，在本发明的其它实施例中，第一传动组件7和第二传动组件8还可以是二级、三级或多级齿轮传动组件，例如行星齿轮机构。根据本发明实施例的发动机系统200，增压涡轮1与压气机4共轴连接，增压涡轮 1驱动压气机4对进入压气机4中气流进行增压，增压后的气流经中冷器5冷却后进入到发动机3的气缸32内，增加进气密度，提高发动机3的气缸32升功率。同时发动机3工作后的废气进入到增压涡轮1的叶片10内，然后沿轴向流出增压涡轮1，经过钝体20和外壁 21形成的空腔22后，沿轴向进入到动力涡轮2，动力涡轮2将排出废气的能量转变为机械功，动力涡轮2经第一传动组件7与液力耦合器6的输入轴60连接，液力耦合器6的输出轴61经第二传动组件8与发动机3的曲轴30相连，最终将动力涡轮2的回收功传递到曲轴30上，提高发动机3总功率和燃油经济性，同时由于取消了传统的导向叶片，减少了流动损失，提高了涡轮复合装置100效率，从而提高发动机系统200的整体性能，同时使得发动机系统200结构更紧凑。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。
权利要求
1.一种对转涡轮复合装置，其特征在于，包括 增压涡轮；和动力涡轮，所述动力涡轮与所述增压涡轮耦合布置，且所述动力涡轮与所述增压涡轮的旋转轴线相同且旋转方向相反，所述动力涡轮转子的叶片入口角被构造成与所述增压涡轮的叶片出口角匹配以使所述增压涡轮的出口气流以预定角度直接进入所述动力涡轮的转子内做功。
2.根据权利要求1所述的对转涡轮复合装置，其特征在于，所述增压涡轮为径流式涡轮。
3.根据权利要求1所述的对转涡轮复合装置，其特征在于，所述增压涡轮为混流式涡轮。
4.根据权利要求2或3所述的对转涡轮复合装置，其特征在于，所述动力涡轮为轴流式涡轮。
5.根据权利要求4所述的对转涡轮复合装置，其特征在于，所述动力涡轮的叶片出口角被构造成使所述动力涡轮的出口气流以接近于轴向的速度流出。
6.一种发动机系统，其特征在于，包括 发动机；根据权利要求1-5中任一项所述的对转涡轮复合装置，其中所述增压涡轮安装在发动机的排气歧管的下游以接收所述发动机排出的气流，且所述动力涡轮布置在所述增压涡轮的下游；压气机，所述压气机与所述增压涡轮连接且由所述增压涡轮驱动以对进入其的气流进行增压；中冷器，所述中冷器连接在所述压气机和发动机的气缸之间以将所述增压后的气流冷却并送入到所述发动机的气缸中；以及液力耦合器，所述液力耦合器的输入轴与所述动力涡轮相连，且输出轴与发动机的曲轴相连以将所述动力涡轮的回收功传递至所述曲轴。
7.根据权利要求6所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括第一传动组件，所述第一传动组件连接在所述液力耦合器的输入轴和所述动力涡轮之间。
8.根据权利要求7所述的发动机系统，其特征在于，进一步包括第二传动组件，所述第二传动组件连接在所述液力耦合器的输出轴和所述曲轴之间。
9.根据权利要求8所述的发动机系统，其特征在于，所述第一传动组件和所述第二传动组件分别为一级齿轮传动组件。
全文摘要
本发明公开了一种对转涡轮复合装置，包括增压涡轮；和动力涡轮，所述动力涡轮与所述增压涡轮耦合布置，且所述动力涡轮与所述增压涡轮的旋转轴线相同且旋转方向相反，所述动力涡轮转子的叶片入口角被构造成与所述增压涡轮的叶片出口角匹配以使所述增压涡轮的出口气流以预定角度直接进入所述动力涡轮的转子内做功。根据本发明实施例的对转涡轮复合装置，与传统的涡轮复合装置相比，取消了增压涡轮与动力涡轮之间的导向叶片，结构更紧凑，并且避免了导向叶片导致的流动损失，提高发动机排气的能量利用率，从而提高涡轮复合装置的总体效率，改善发动机的燃油经济性。本发明还公开了一种具有上述对转涡轮复合装置的发动机系统。
文档编号F01N5/04GK102536432SQ20121003186
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月13日 优先权日2012年2月13日
发明者张俊跃, 张扬军, 胡力峰, 诸葛伟林, 赵荣超 申请人:清华大学