具有径向轴向入口导向叶片的脉冲分离轴流式涡轮机级的制作方法

本发明涉及具有至少一个轴流式涡轮机级的涡轮增压器。涡轮机的分离的周向区段由分离的排气系统流道实现供给。涡轮机是设计成对脉冲能量加以利用。

相关技术的说明

涡轮增压器的涡轮机是设计成从高压高温的废气流中提取能量，并利用这种能量来驱动压缩机。存在有两种主要的涡轮机设计：径流式，其中废气径向地对准涡轮机叶片引导；以及轴流式，其中在大致轴向的方向上将废气引导通过涡轮机叶轮。

在乘用车和商用柴油机应用中优先选择的是径流式涡轮机，这是因为小型径流式涡轮机的效率要高于尺寸相当的轴流式涡轮机。废气流流入涡轮机壳体内的圆周蜗壳中，此蜗壳形成了适于围绕旋转轴线向内转动废气的逐渐收窄的螺旋。涡轮机叶轮设置有后壁，即，成形为将废气流的方向从径向流入朝向轴向出口改变的毂。

不利之处在于，径流式涡轮机叶轮的后壁增加了涡轮机叶轮的重量，并且这种惯性的增大降低了涡轮机叶轮的响应性。此外，由于后壁迫使废气将流动方向从径向改变为轴向，因此，除了周围的压力之外，涡轮机叶轮还会经受轴向回推，从而需要推力轴承来适应轴向推力负载。

相比之下，没有后壁的轴流式涡轮机叶轮的质量更小，惯性矩更低。涡轮机叶轮可以根据需要更快地“旋转”起来。此外，由于是将涡轮机壳体而不是涡轮机叶轮用来改变流动方向，因此，在轴向涡轮机旋转组件中没有发现包括轴向推力(与径流式涡轮机中流的转动相关联)的压力。

不过，传统的轴流式涡轮机通常不具备在较高的膨胀比下出色运行的能力，因而通常需要利用内燃机的废气的脉冲能量。

美国专利第8,468,826号(kares等人)、第8,353,161号(kares等人)、第8,769,950号(lotterman等人)以及第8453448号(lotterman等人)解决了此问题(见图1)。涡轮机壳体8包括废气入口3，该废气入口构造成从发动机的排气歧管接收高压高温废气流t。入口3位于涡轮机壳体的外圆周处，并且定向成接收在与转子的旋转轴线相切的方向上的流。入口3通向向内螺旋的涡管或蜗壳6a、6b，而涡管或蜗壳明显地发生会聚，从而产生以高圆周角度进入涡轮机的高度加速气流。分开的蜗壳6a、6b用于实现脉冲分离(下面讨论)。每个蜗壳围绕涡轮机壳体的圆周，并且当废气沿切向(圆周地)流动时，涡壳还使废气在径向上向内且在轴向上朝向轴流式涡轮机叶轮转动，从而实现(对于发动机的一些标准操作条件而言)具有轴向分量和极其高速的周向分量的超音速流。

根据us20140208741(svihla等人)(见图3)，尽管lotterman等人的涡轮增压器可以提供通过涡轮机的加速气流，但是，它却在广泛的操作条件下引导不均匀且导向不佳的轴向流通过涡轮机叶轮。由于在广泛的操作条件下出现了与涡轮机的叶片2的流错位(高入射)，因而，这种导向不佳的不均匀流可能会在操作期间产生较高的能量损失、降低空气动力学效率以及增大涡轮机上的机械或振动应力。此外，lotterman等人所示的轴流式涡轮机级为高反动级，与在类似的涡轮机级负载条件下的低反动级相比，这种高反动级可能会导致叶片通道中具有较高空气动力学损失(通道和二次流)的超音速流。

svihla等人提供了一种具有涡轮机蜗壳的涡轮增压器，该涡轮机蜗壳具有入口3，该入口构造成在纯切向方向t上切向地接收来自发动机的排气歧管的废气。在蜗壳中，流被改变成额外具有轴向分量和径向分量，但却保持了大约45度至75度的切向分量。朝向轴流式涡轮机叶轮1的叶片2对废气进行引导和加速，以便通过轴5驱动连接到涡轮机叶轮的压缩机叶轮4。

然而，与lotterman等人的具有少量叶片2的高反动式涡轮机相比(见图2)，svihla等人的涡轮机似乎是具有大量叶片2的低反动式涡轮机(参见图3)。这种较高的叶片数量增大了涡轮机叶轮的成本。

尽管对于此领域而言将废气流引到与转子轴线相切的涡轮机壳体8中是至关重要的(同时，单个或多个螺旋通道6a、6b被设计成利用流的高速周向分量在入口7处将废气流供应到涡轮机叶轮1)，但是本发明人却认为，这些周向到径向再到轴向的流动方向变化，再加上流加速所需的螺旋的快速收缩和压力变化，导致了紊流、阻力、不均匀流以及其他低效率。

因此，需要一种具备改进的脉冲能量利用能力且同时在较低和较高的膨胀比下均具有合理效率的轴流式涡轮机。

技术实现要素：

为了将废气流从发动机引到涡轮机，本发明人采用了各种策略进行实验。

发明人们通过他们的努力发现，如果来自发动机的废气流主要在径向方向上(即，与旋转轴线相垂直和正交)经由多个流道引到涡轮机壳体中且同时流的周向或轴向分量不存在或者说是非常得低(不是如传统的那样在切向上具有较大的流周向分量)，则将实现更高的效率和更出色的能量节约水平，尤其是对脉冲能量而言。之后在涡轮机壳体内，基本上径向的流通过流道中的曲率或者优选地通过涡轮机壳体的壁中的曲率在轴向方向上改变方向。另外，废气流优选地通过固定的或可变的导向叶片，这些导向叶片在到达涡轮机叶轮之前为流体赋予涡流分量。

根据本发明的涡轮机可以被设计为主要是冲击式或者主要是反动式。在冲击类型的涡轮级中，压力下降仅在会聚式喷嘴导向叶片通道中出现。在通道的面积恒定不变的转子叶片处对高速气体流进行引导，并且不会发生进一步的压力下降。在反动式涡轮机中，发生的情形恰恰相反。整个压力下降发生在具有会聚通道的转子叶片之间。喷嘴(恒定面积)导向叶片只不过是将流导向到转子。涡轮机由加速气体通过叶片之间的会聚通道所产生的反作用力驱动(即，叶片之间的空间形成喷嘴)。优选地，本发明的涡轮机具有冲击式和反动式这两者的分量。

因此，本发明避免了设计和生产具有向内螺旋蜗壳的传统涡轮机壳体所产生的成本和开支，同时在当前技术的无定子涡轮机中的流动方向、流动低效率以及流加速所需的快速收缩方面都发生了根本性的变化。与传统的涡轮机壳体相比，用于主要接纳不具有或仅具有一定倾斜度的径向进入流道的涡轮机壳体在设计和制造方面的复杂程度更低，因此其制造更具经济性。此外，重量可能会有大幅度的减少。

附图说明

在附图中通过示例非限制性地示出了本发明，其中相同的附图标记表示相似的部分，并且其中：

图1描绘了根据us2014/0219790的具有按扇区划分的涡轮机壳体的现有技术的轴流式涡轮机；

图2示出了现有技术的轴流式涡轮机叶轮；

图3描绘了根据us2014/0208741的现有技术的轴流式涡轮机；

图4以斜视图示出了本发明的涡轮机，其中三个流道将废气径向地供应到涡轮机的三个周向扇区，为了易于理解，省略了涡轮机壳体；

图5以正视图示出了图4的涡轮机，其中去掉了涡轮机壳体；

图6示意性地示出了从径向流入到轴向流出的过渡以及导向叶片和涡轮机叶轮叶片；

图7示出了导向叶片和涡轮机叶轮的三维示图；以及

图8以简化示意图的形式示出了流动三流道。

具体实施方式

本发明的涡轮增压器可以通过来自四冲程柴油机的废气进行驱动，或者可以是任何其他类型的内燃机，例如二冲程或四冲程汽油或气体燃料驱动的发动机。发动机可以是三个汽缸、三个汽缸的倍数(例如，两排三个汽缸)或两个汽缸的倍数(两个、四个、六个或八个汽缸)，或者可以包括更多或更少数量的汽缸。汽缸可以以直列构造、对置活塞构造、v形构造(即，具有第一和第二组或排的汽缸的构造)或另一种构造进行布置。涡轮增压器可以布置在发动机的一侧，或者可以嵌套在两组汽缸之间。对于六缸发动机而言，可以有两个涡轮增压器，例如，发动机的每一侧有一个涡轮增压器。

排气系统包括将燃烧废气从发动机引导至废气涡轮机叶轮1的流道19a、19b、19c。如图4至图7所示的本发明的第一实施例在结构上与现有技术的最明显的不同之处在于：省去了复杂的向内螺旋的蜗壳，取而代之的是采用多个流道10a、10b、10c来将脉冲分离废气流直接引到涡轮机叶片2的上游尖端11。每一条流道10将来自内燃机的一组汽缸的单独废气流供给到涡轮机的不同的周向分离扇区。废气流径向地进入涡轮机壳体，或者至少比起切向更加径向地进入涡轮机壳体，如图4和图8所示，并且导向叶片12使废气流产生涡流。位于相邻流道之间的固定叶片也通过维持相邻流道之间流的分离来维持一直到涡轮机叶轮1的脉动分离(参见图4)。

在轴流式涡轮机中，废气在大致轴向的方向上被引导通过涡轮机叶轮。尽管这将表明的是：最佳的流动效率将涉及到将废气从发动机轴向地供给到涡轮机的流道，但是，在涡轮机壳体8邻近轴承壳体13的情况下这就变成了一个问题。

将废气轴向地引到涡轮机壳体中的选择有两种：可以从轴承壳体侧引导废气流以便在远离轴承壳体的一侧离开(本发明的第一实施例)，或者可以从轴承壳体的相对侧引导废气流，并且废气流在涡轮机壳体的邻近轴承壳体的一侧离开(本发明的第二实施例)。在本发明的第一实施例中，流道(10a、10b、10c)的轴向定向明显因轴承壳体13的存在而受到阻挡。由于轴承壳体13是必不可少的并且其位置形成了屏障，因而根据第一实施例，流道主要是径向地接近涡轮机壳体8(具有实线的流道，图8)(与旋转组件的旋转轴线14相垂直)，同时可能具有一些切向分量(虚线，图8)。在通向涡轮机叶轮圆形空间的入口7处，通过流道或涡轮机壳体中的弯曲已经将流动方向主要改变为轴向(图6)。在废气接触涡轮机叶片2之前，固定的或可移动的导向叶片12另外还立即向废气流赋予涡流分量。这种设计在将废气流转换为旋转能量方面的总效率超过了现有技术设计的总效率。

在附图中将流道10a、10b、10c示出为具有基本上矩形的横截面。流道的横截面形状取决于制造偏好，并且可以是卵形、椭圆形、圆形或任何其他期望的形状。流道可以用隔热材料覆盖以阻止热量传递到发动机舱，并且将具有高热能含量的废气流输送到涡轮机叶轮。

如本文所用，表述“基本上径向地定向的废气入口”涉及流道中的废气在进入涡轮机壳体中的废气入口3时相对于旋转轴线14的流动中心的定向。每一条流道可以是大致矩形的，或者可以是圆形的。离开流道的气体流通常可以呈层状。在涡轮机壳体包含导向叶片的情况下，流道可以在导向叶片的上游终止。或者，导向叶片可以设置在流道中。此外，流道可以与包括导向叶片的涡轮机壳体铸造成一体，或者可以设置有配合件或额外的区段15。在导向叶片被包含在涡轮机壳体中的情况下，流道与圆16相交的地方由导向叶片12的上游边缘的范围限定，而此处也是从径向流到轴向和周向流的过渡开始的地方。在流道内部，废气流在流道的整个宽度上是线性的和平行的。在三条流道对一个涡轮机进行供给的三汽缸发动机实施例中，每一条流道的宽度可以足以使其在涡轮机圆周的120°上对涡轮机进行供给。每一条流道rc的流动中心优选地朝向径向，并因此垂直于涡轮机叶轮的旋转轴线14。

导向叶片12a至12e可以彼此相同，仅仅是周向地偏移，并且相对于涡轮机旋转轴线14呈现出相同的定向。在图8中，导向叶片是示出为直线，但实际上可能是复杂的曲线。导向叶片终止于下游边缘19，该下游边缘形成了通向由涡轮机叶轮叶片2占据的圆柱形空间的圆形入口(并且与毂20所占据的空间配合，但却没有延伸到该空间)。因此，涡轮机壳体8中由涡轮机叶轮占据的圆柱形空间开始于涡轮机叶轮叶片2的前缘11处的上游端，并结束于涡轮机叶轮叶片2的后缘21处的下游端，汇入排气装置18中。在具有三条流道(每条流道覆盖涡轮机圆周的120°)的示例中，至少存在有两个导向叶片，每个导向叶片占到整条流道的约1/3路径，从而将气体流截成三段。在两条流道的外壁的接触点处，涡轮机壳体的分隔壁延伸到涡轮机叶轮(由圆圈17示意性地示出)以维持与涡轮机叶片前缘的脉冲分离，或者优选地，与其他导向叶片相同的导向叶片从两条流道的接触点延伸到涡轮机叶片。这样，对于三流道系统来说，总共将有至少9个导向叶片。但是，导向叶片的数量可以更少或者可以更多，这具体取决于流道数量和流动模式。在说明性实施例中，示出了用于引导流的五个导向叶片12a、12b、12c、12d、12e，并且此外，一个导向叶片12或分隔壁设置在流道的接合处，从而示出了各种入射角，前提是流道中存在流。

从图8中可以看出，如果所有导向叶片是相同的但却是周向偏移的，并且废气流是层状的，那么这将使得每个导向叶片前缘具有不同的入射角或者暴露在进入的废气流中(箭头，图8)。导向叶片12a以高入射角从流道10a的一个侧壁110a附近接收废气流。导向叶片12b、12c和12d以越来越小的入射角接收废气流。最终，导向叶片12a以负入射角从流道10a的相对侧壁110b附近接收废气流。为此，在本发明的一个优选实施例中，导向叶片是单独地设计为将其前缘定向来与流道中进入废气的流动方向成适当的角度。

在该优选实施例中，流道的流动中心恰好是径向的，即垂直于旋转轴线并且相对于轴线是径向的，并且，废气流在没有切向分量的情况下进入涡轮机壳体。然而，流道也可以被定向成使得废气流垂直于纵向旋转轴线进行供给，但却具有切向分量。也就是说，在上面讨论的垂直的流动入口中心的情况下，没有切向偏移被标记为0°(如具有实线的流道10a、10b、10c所示)，流动中心可以垂直于纵向轴线(当垂直于旋转轴线观察时)，但却具有切向偏移(当视线为旋转轴线时)，这样使得流道侧壁10a、10b为0°，或者它们可以是5°、10°(虚线流道110”)、15°、30°或者甚至高达45°(虚线流道110')的偏移，以在到达导向叶片之前向废气流赋予一定的切向(即周向)分量。这样可以减少导向叶片所需要进行的工作并提高效率。

在流道处于一定角度以实现一定的切向或周向流的情况下，为了达到最大效率，可以调整导向叶片的定向或设计或数量。

即使是在45°偏移流动的情况下，本发明的废气供给与现有技术的不同之处在于：流道不会向涡轮(其是在涡轮机壳体周围的逐渐缩小的涡管)供给。本发明的流道不是通过狭窄的喉管来引导废气流，而是流道供给到涡轮机壳体的整个圆周(由导向叶片的前缘所限定的圆圈16示意性地示出)，其中每条流道供给并流的废气流。

根据us2014/0219836(houst等人)(见图1)，已知将排气系统设计来利用在废气流中出现的压力脉动。具体地说，已知的是采用所谓的“脉冲分离”，其中发动机的汽缸被分成多个子组，并且来自每个汽缸子组的脉冲基本上是通过具有每个子组的独立排气通道而与其他子组的脉冲分隔开。为了最大限度地利用脉冲分离，最好是使分离的汽缸组之间的通信或“串扰”最小化。在具有切向流入口的传统涡轮机中，涡轮机壳体常常被划分成多个基本上分离的部分。涡轮机壳体(更具体地说，涡轮机壳体的蜗壳)的划分方式基本上有两种：(1)经向划分和(2)扇区划分。然而，在本发明的涡轮机壳体中，由于不存在有涡管或蜗壳，因此，当脉冲在撞击涡轮机叶轮叶片之前在涡轮机的圆周周围行进时，并没有发生脉冲能量的衰减。在本发明中，脉冲如同海浪一样直接流到导向叶片，不会受到干扰。由于在脉冲在螺旋周围行进时没有改变了方向且脉冲能量被散焦的蜗壳或涡管，因此，脉冲分离在流道中得到了很好的保持。由于相关设计和制造比较复杂且实际应用有限，所以省去了经向划分或扇区划分的涡轮机蜗壳的复杂几何形状。

为了防止三缸发动机的各个汽缸或发动机的三个汽缸组彼此之间产生干扰并且在电荷交换循环期间不释放动能，在所示示例中，单个汽缸与每条流道连接。然后，这三条流道分别允许通过涡轮机来供给废气流。

在脉冲增压的商用柴油发动机中，双入口涡轮机允许对废气脉动进行优化，这是因为在更短的时间内达到了更高的涡轮压力比。效率通过压力比的增大而得以增加，从而改善了在较高且更高效的质量流通过涡轮机时的所有重要的时间间隔。由于这种废气能量利用率的提高，发动机的增压压力特性得到改善，并且因此扭矩特性也得到提高，尤其是在发动机转速较低的情况下。

本发明的具有全轴流式涡轮机叶轮的涡轮机可以用于非常高的压力比。涡轮增压在低端扭矩条件下特别有效，其原因在于来自内燃机的脉冲被完全输送到涡轮段。

在隔离的情况下，多入口涡轮机也用于乘用车汽油发动机。其优点是在低排气背压下具有良好的扭矩特性，而到目前为止缺点在于分隔壁的高热负荷以及制造具有整体式旁路的小型涡轮机外壳比较昂贵，特别是在壳体材料因高热负荷而需要铸钢时。在本发明设计的情况下，通过采用具备由导向叶片维持的供给分离的流道，极大地减少或消除了以前的缺点。

导向叶片用于在涡轮机叶轮的上游引入涡流分量。叶片产生足够的入口涡流，并且需要一些涡流来从通过转子叶片的流中有效地提取做功。传统的切向入口蜗壳为径向叶轮或轴流式涡轮机叶轮形成足够的涡流，并且如图7和图8所示的导向叶片为轴向叶轮形成足够的涡流。

废气流在通过叶片的同时变成总压较低的废气流，并且随后经由涡轮机出口轴向地释放到排气系统中。

涡轮机叶轮叶片具有轴向上游边缘11和轴向下游边缘18，并从中心毂20径向向外延伸。

为了提高涡轮机的效率，分离的流道可以通过相互作用阀连接起来。在某些流动条件下可能需要允许发生串扰。还可能期望的是在一条或多条流道中提供传统的废气门。然后，在巡航状态下，涡轮机级将会出现全开进气，而不是部分进气，同时避开废气流过多情况下的涡轮机状态。较大的涡轮机可以用于较高发动机转速下的较低发动机背压(较低的电荷交换损失)或者增加发动机的额定功率输出。

在本发明的第二实施例中，流道从与轴承壳体相对的一侧(其在第一实施例中是排出侧)到达涡轮机壳体，并平行于旋转组件的旋转轴线。涡轮机壳体包括与轴承壳体相邻的周向延伸的收集器腔室。提供排气出口，以将来自收集器腔室的废气传递到车辆排气装置。出口几乎可以位于收集器上的任何位置，这样出口便可以放置在相对于车辆发动机舱和排气系统的其余部分最方便的位置，由此进一步减小了涡轮增压器所需的发动机舱空间，并且也消除了在现有技术涡轮增压器中所需的至少一个弯管。在操作中，较热的废气在通过涡轮机叶片时释放其一部分能量，以便使涡轮机叶轮旋转，然后再将废气聚集在收集器腔室中。由于废气中的一些能量已经从热能转变为旋转涡轮机叶轮所需的动能，因此，收集器腔室中的废气将比在其上游侧进入涡轮机叶片的废气来说温度相对更低。因此，由于腔室中的气体的温度更低，所以它们无法通过壳体壁将同样多的热能传递给轴承。然而，可能期望的是在涡轮机与轴承壳体之间提供增多的油冷却，或者提供用于冷却的水套。

应注意的是，该系统可以包括以串联构造、并行构造或组合串联/并行构造布置的多个涡轮机。

涡轮可以是固定几何形状的涡轮、可变几何形状的涡轮、或者任何其他类型的构造成接收废气并将废气中的势能转换为机械旋转的涡轮机。

在离开涡轮机之后，废气可以通过后处理系统排放到大气中，该后处理系统可以包括例如烃闭合器、柴油机氧化催化器(doc)、柴油颗粒过滤器(dpf)和/或本领域已知的任何其他处理装置。