脉冲可变流道涡轮机装置
技术领域
本发明涉及一种内燃机增压装置,具体地说是一种用于车用涡轮增压器的脉冲可变流道涡轮机装置。
背景技术
近年来,随着发动机性能的提升以及排放法规的日益严格,对车用涡轮增压器的性能提出了更高的要求。为了满足发动机全工况范围内的性能要求,可变几何涡轮增压技术受到越来越多的重视,其中可变流道涡轮技术因其结构简单、可靠性好等优点得到了更为广泛的应用。
在多缸发动机中,为了充分利用发动机不同气缸排气门开启时的脉冲能量,双流道蜗壳应用越来越广泛。如图1所示,传统的双流道涡轮增压器的蜗轮机部分包括涡轮壳1、涡轮叶轮2和出气口3三部分,其中涡轮壳1的内部流道被中间隔板5分隔成左侧内部流道4a和右侧内部流道4b两部分。
正常工作情况下,左侧内部流道4a和右侧内部流道4b的进气口分别连接发动机不同汽缸的排气歧管,发动机汽缸排气以脉冲波的形式在左侧内部流道4a和右侧内部流道4b中传播并相继通过涡轮喷嘴,作用于涡轮叶轮2,并在涡轮叶轮2的流道内膨胀做功,推动涡轮叶轮2旋转。涡轮叶轮2通过涡轮轴6带动压气机叶轮旋转从而实现对发动机增压的目的。做完功的气体通过出气口3最终流入发动机排气总管。
然而双流道蜗壳若与发动机设计匹配在高运行工况,则在低工况时,气体流量减小,涡轮壳1的内部流道体积则相对较大,脉冲波减弱,脉冲能量到不到有效利用;若与发动机设计匹配在低运行工况,则所设计的蜗轮壳1势必较小,在发动机高工况时,涡轮壳内的流速必然增大,流动损失相应增加,同时较小的涡轮壳在发动机高工况下的热负荷性能会相应降低。
为了适应发动机高低负荷排气性能,提升涡轮机效率,在双流道涡轮机基础上开发了多种可变截面涡轮机结构,但传统的可变截面涡轮机和与之相匹配的发动机排气管往往独立设计,匹配在一起性能势必受到影响,传统的可变截面涡轮机阀门设置在涡轮壳内部,阀门处会造成较大的气动损失,同时传统的可变截面涡轮机涡轮壳由于流道较少在与多缸机匹配时,合理组织发动机排气脉冲的能力受到制约。
因此,设计一种在发动机高低工况下均能有效组织排气脉冲,充分利用发动机废气能量的高性能可变截面涡轮机系统具有重要意义。
发明内容
本发明所要解决的问题是要提供一种能够在发动机高低工况下均能高效利用发动机排气脉冲能量的脉冲可变流道涡轮机装置。
为了解决上述问题,本发明采用的技术方案是:
一种脉冲可变流道涡轮机装置,包括涡轮壳,涡轮壳内设有涡轮叶轮和出气口,所述涡轮壳的进口处连接有排气歧管,所述涡轮壳内具有内部流道,所述内部流道靠近涡轮叶轮的位置设有涡轮壳出口,所述内部流道内设有中间隔板,所述中间隔板将内部流道分隔成左侧流道和右侧流道。
在左侧流道和右侧流道内分别设有弧形隔板,所述弧形隔板的一端与中间隔板固接,另一端设置在靠近涡轮壳出口的位置处。
作为一种具体技术方案:
所述的流道内部隔板包括,将涡轮壳流道分为左右流道的中间隔板以及将左右流道分开的弧形隔板,弧形隔板与涡轮壳铸为一体。
以下是本发明对上述方案的进一步改进:
位于左侧流道的弧形隔板将左侧流道分隔成涡轮壳左侧外流道和涡轮壳左侧内流道;
位于右侧流道的弧形隔板将右侧流道分隔成涡轮壳右侧外流道和涡轮壳右侧内流道;
所述涡轮壳左侧外流道、涡轮壳左侧内流道、涡轮壳右侧外流道和涡轮壳右侧内流道分别与涡轮壳出口连通。
更进一步改进:
为了减小涡轮壳出口的流动损失,弧形隔板位于涡轮壳左侧外流道内的外壁弧线与涡轮壳位于涡轮壳左侧外流道内的内壁弧线在靠近涡轮壳出口部位平行;
弧形隔板位于涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道内的内壁弧线与中间隔板的壁面在靠近涡轮壳出口部位平行。
更进一步改进:
为了控制发动机高工况下废气从涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道流入涡轮叶轮的气流角度,更加充分地利用废气能量,在涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道内靠近涡轮壳出口的位置全周范围内设置一排静叶栅,所述静叶栅叶片倾斜安装在涡轮壳外流道出口处,所述静叶栅叶片焊接在涡轮壳内壁上。
更进一步改进:
所述的弧形隔板与涡轮壳内壁一样在流向方向上呈渐缩型,涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道截面积之和与内部流道总截面积之比为1/3~1/2。
更进一步改进:
所述涡轮壳的进口处设有涡轮壳进口安装板,在涡轮壳进口安装板上设有分别与涡轮壳左侧外流道、涡轮壳右侧外流道、涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道连通的涡轮壳进孔。
更进一步改进:
所述排气歧管的出口处设有与涡轮壳进口安装板连接的排气管出口安装板,在排气管出口安装板上设有数量和位置都与涡轮壳进孔对应的排气管出孔。
更进一步改进:
所述排气歧管内设有四个流道,分别两个排气管出口外流道和两个排气管出口内流道,其中两个排气管出口外流道分别与涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道对应连通,两个排气管出口内流道分别与涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道对应连通。
更进一步改进:
为了减小阀门处的流动损失,同时减小发动机低工况时排气管内的排气空间,进一步提升排气脉冲能量的利用率,所述排气歧管内的两个排气管出口外流道靠近排气管出口的位置分别设有阀门,所述阀门的一端与排气歧管的管壁之间铰接。
在发动机高工况下,阀门打开,气流顺利流入涡轮壳四个流道;在发动机低工况下,阀门关闭,阀门引导气流流入涡轮壳两个内流道。
另一种改进:涡轮壳右侧内流道和涡轮壳右侧外流道内靠近涡轮壳出口位置处设置截面为弧形的涡轮壳出口隔板,所述涡轮壳出口隔板的弧度在0度-180度之间,涡轮壳右侧内流道和涡轮壳右侧外流道与涡轮壳出口隔板相对应的出口处封闭。取消该隔板位置所对应的原先安装在涡轮壳内壁上的静叶栅叶片。
当阀门打开时,涡轮壳左侧外流道和涡轮壳左侧内流道的两个出口的气流实现对涡轮叶轮的全周做功,涡轮壳右侧外流道和涡轮壳右侧内流道的两个出口的气流在弧形隔板末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮做功。
当阀门关闭时,涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道停止进气,发动机废气全部流入涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道中,其中涡轮壳左侧内流道出口气流实现对涡轮叶轮的全周做功,涡轮壳右侧内流道的出口气流在弧形隔板末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮做功。
另一种改进:
在涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道的两个出口位置设置对称的截面为弧形的涡轮壳出口隔板,取消该隔板位置所对应的原先安装在涡轮壳内壁上的静叶栅叶片,所述涡轮壳出口隔板的弧度在0度-180度之间。
当发动机运行在高工况时,阀门打开,涡轮壳四个流道同时进气,涡轮壳左侧内流道和涡轮壳右侧内流道出口气流实现对涡轮叶轮的全周做功,涡轮壳左侧外流道和涡轮壳右侧外流道的出口气流在弧形隔板末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮做功。
在发动机高工况时,实现涡轮壳内部四个流道同时进气,有效利用了高工况时发动机排气的脉冲能量,并通过外流道出口静叶栅的设置进一步提升了能量的利用率。
在发动机低工况时,涡轮壳仅内部两个流道进气,使涡轮有效利用了低工况时发动机的排气脉冲能量。从而实现了在发动机高低工况下均能有效利用发动机排气脉冲能量的目的。
由于涡轮壳出口隔板的设置,在阀门开启的状态下,实现了左侧内流道、右侧内流道、左侧外流道和右侧外流道在不同圆周方向做功的目的,从而使涡轮叶轮入口气流更加均匀,在减小涡轮壳出口不同流道掺混损失的同时,进一步提升涡轮叶轮的效率。
本发明将发动机排气系统和涡轮机作为一个系统来考虑,在传统排气总管和双流道涡轮壳的基础上,在左右排气通道和涡壳流道内部按照不同的设计工况,将排气总管及涡轮壳内部分成四个不同流动区域。
在发动机高工况时,实现涡轮壳内部四个流道同时进气,有效利用了高工况时发动机排气的脉冲能量,并通过外流道出口静叶栅的设置进一步提升了能量的利用率。在发动机低工况时,涡轮壳仅内部两个流道进气,使涡轮机有效利用了低工况时发动机的排气脉冲能量。从而实现了在涡轮机高低工况下均能有效利用发动机排气脉冲能量的目的。由于涡轮壳出口挡板的设置,实现了涡轮壳不同流道在不同圆周范围内对涡轮叶轮做功的目的,可以使涡轮叶轮全周气流更加均匀,进一步提升了涡轮性能。
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述:
附图说明
附图1是背景技术中双流道蜗壳的结构示意图;
附图2本发明实施例1中脉冲可变流道涡轮及排气管的组装图;
附图3本发明实施例1中可变流道涡轮的结构示意图;
附图4是本发明实施例1中涡轮壳外部结构图;
附图5是本发明实施例1中排气管的外观图;
附图6本发明实例1中脉冲可变流道涡轮入口及排气管出口内部流道及阀门位置示意图;
附图7本发明实施例2的结构示意图;
附图8是本发明实施例2中可变流道涡轮内部流道剖面示意图;
附图9是附图8中的A-A向剖视图;
附图10是本发明实施例3的结构示意图。
图中:1-涡轮壳;2-涡轮叶轮;3-出气口;4a-左侧内部流道;4b-右侧内部流道;5-中间隔板;6-涡轮轴;7-弧形隔板;8-涡轮壳内壁;9-涡轮壳左侧外流道;10-涡轮壳右侧外流道;11-涡轮壳左侧内流道;12-涡轮壳右侧内流道;13-静叶栅;14-涡轮壳出口;15-排气管出口安装板;16-排气歧管;17-排气管出孔;18-阀门;19-涡轮壳进孔;20-涡轮壳进口安装板;21-控制系统;22、23-涡轮壳出口隔板;25-排气管出口外流道;26-排气管出口内流道。
具体实施方式
实施例1,如图2所示,一种脉冲可变流道涡轮机装置,包括涡轮壳1,所述涡轮壳1的进口处连接有排气歧管16。
如图3所示,涡轮壳1内设有涡轮叶轮2和出气口3,在涡轮叶轮2上安装有涡轮轴6,所述涡轮壳1内具有内部流道,所述内部流道靠近涡轮叶轮2的位置设有涡轮壳出口14,所述内部流道内设有中间隔板5,所述中间隔板5将内部流道分隔成左侧流道和右侧流道。
在左侧流道和右侧流道内分别设有弧形隔板7,所述弧形隔板7的一端与中间隔板5固接,另一端设置在靠近涡轮壳出口14的位置处。
位于左侧流道的弧形隔板7将左侧流道分隔成涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳左侧内流道11。
位于右侧流道的弧形隔板7将右侧流道分隔成涡轮壳右侧外流道10和涡轮壳右侧内流道12。
所述涡轮壳左侧外流道9、涡轮壳左侧内流道11、涡轮壳右侧外流道10和涡轮壳右侧内流道12分别与涡轮壳出口14连通。
所述弧形隔板7、中间隔板5与涡轮壳1一体铸造成型。
为了保证废气在涡壳流道内较好的气动性能,所述弧形隔板7与涡轮壳内壁一样在流向方向上呈渐缩型,弧形隔板截面的内壁弧线和外壁弧线均与涡轮壳截面内壁弧线形状相近。
为了减小涡轮壳出口14的流动损失,弧形隔板7位于涡轮壳左侧外流道9内的外壁弧线与涡轮壳1位于涡轮壳左侧外流道9内的内壁弧线在靠近涡轮壳出口14部位平行。
弧形隔板7位于涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12内的内壁弧线与中间隔板5的壁面在靠近涡轮壳出口14部位平行。
为了控制发动机高工况下废气从涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10流入涡轮叶轮2的气流角度,更加充分地利用废气能量,在涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10内靠近涡轮壳出口14的位置全周范围内设置一排静叶栅13,所述静叶栅13叶片倾斜安装在涡轮壳外流道出口处,所述静叶栅13叶片焊接在涡轮壳内壁上。
为了保证在发动机低工况下内流道形成较好的脉冲波,涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12截面积之和与内部流道4截面积之比控制在1/3-1/2。
如图4所示,所述涡轮壳1的进口处设有涡轮壳进口安装板20,在涡轮壳进口安装板20上设有分别与涡轮壳左侧外流道9、涡轮壳右侧外流道10、涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12连通的涡轮壳进孔19。
如图5所示,为了与涡轮机相配合,所述排气歧管16的出口处设有排气管出口安装板15,在排气管出口安装板15上设有数量和位置都与涡轮壳进孔19对应的排气管出孔17。
所述排气歧管16内设有四个流道,包括两个排气管出口外流道25和两个排气管出口内流道26,其中两个排气管出口外流道25分别与涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10对应连通,两个排气管出口内流道26分别与涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12对应连通。
涡轮壳进口安装板20和排气管出口安装板15之间用螺栓固定连接。
如图6所示,所述排气歧管16内的两个排气管出口外流道25靠近排气管出口的位置分别设有阀门18,所述阀门18的一端与排气歧管16的管壁之间铰接,所述阀门18通过外部控制系统21所监测的发动机运行参数按照预先设定的程序开启或关闭。
发动机高工况时,阀门18开启,如图中实线所示,涡轮壳四个流道同时进气;发动机低工况时,阀门18关闭,如图中虚线所示,阀门引导气流进入涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12。
本发明在发动机高工况时,实现涡轮壳内部四个流道同时进气,有效利用了高工况时发动机排气的脉冲能量,并通过外流道出口静叶栅的设置进一步提升了能量的利用率。
在发动机低工况时,涡轮壳仅内部两个流道进气,使涡轮有效利用了低工况时发动机的排气脉冲能量。从而实现了在发动机高低工况下均能有效利用发动机排气脉冲能量的目的。同时设计的涡轮机以及与之相匹配的排气管机构进一步提升了发动机排气能量的利用率。该类型脉冲可变流道涡轮工艺简单,可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。
实施例2,如图7、图8所示,在实施例1的基础上,还可以在涡轮壳右侧内流道12和涡轮壳右侧外流道10内靠近涡轮壳出口14位置处设置一截面为弧形的涡轮壳出口隔板22,取消该隔板位置所对应的原先安装在涡轮壳内壁上的静叶栅13叶片。
如图9所示,所述涡轮壳出口隔板22的弧度在0度-180度之间,涡轮壳右侧内流道12和涡轮壳右侧外流道10与涡轮壳出口隔板22相对应的出口处封闭。
当阀门18打开时,涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳左侧内流道11的两个出口的气流实现对涡轮叶轮2的全周做功,涡轮壳右侧外流道10和涡轮壳右侧内流道12的两个出口的气流在弧形隔板22末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮2做功。
当阀门18关闭时,涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10停止进气,发动机废气全部流入涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12中,其中涡轮壳左侧内流道11出口气流实现对涡轮叶轮2的全周做功,涡轮壳右侧内流道12的出口气流在弧形隔板22末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮2做功。
本实施例在发动机高工况时,实现涡轮壳内部四个流道同时进气,有效利用了高工况时发动机排气的脉冲能量,并通过外流道出口静叶栅的设置进一步提升了能量的利用率。
在发动机低工况时,涡轮壳仅内部两个流道进气,使涡轮有效利用了低工况时发动机的排气脉冲能量。从而实现了在发动机高低工况下均能有效利用发动机排气脉冲能量的目的。
由于涡轮壳出口隔板22的设置,实现在阀门开闭两种状态下,涡轮壳左侧流道和右侧流道在不同圆周范围内对涡轮叶轮做功的目的,在一定程度上缓解了涡轮叶轮全周进气不均匀的问题,同时减小了不同流道出口的气流掺混损失,进一步提升涡轮叶轮的效率。
涡轮机以及与之相匹配的排气管机构进一步提升了发动机排气能量的利用率。该类型脉冲可变流道涡轮工艺简单,可以采用同类材料和现有的铸造及加工技术完成。
实施例3:参照实施例2,在实施例1的基础上,如图10所示,还可以在涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10的两个出口位置设置对称的截面为弧形的涡轮壳出口隔板23,取消该隔板位置所对应的原先安装在涡轮壳内壁上的静叶栅13叶片,所述涡轮壳出口隔板23的弧度在0度-180度之间。
当发动机运行在高工况时,阀门18打开,涡轮壳四个流道同时进气,涡轮壳左侧内流道11和涡轮壳右侧内流道12出口气流实现对涡轮叶轮2的全周做功,涡轮壳左侧外流道9和涡轮壳右侧外流道10的出口气流在弧形隔板23末端所在角度截面到360截面弧度范围内对涡轮叶轮2做功。
本实施例在发动机高工况时,实现涡轮壳内部四个流道同时进气,有效利用了高工况时发动机排气的脉冲能量,并通过外流道出口静叶栅的设置进一步提升了能量的利用率。
在发动机低工况时,涡轮壳仅内部两个流道进气,使涡轮有效利用了低工况时发动机的排气脉冲能量。从而实现了在发动机高低工况下均能有效利用发动机排气脉冲能量的目的。
由于涡轮壳出口隔板23的设置,在阀门开启的状态下,实现了左侧内流道11、右侧内流道12、左侧外流道9和右侧外流道10在不同圆周方向做功的目的,从而使涡轮叶轮入口气流更加均匀,在减小涡轮壳出口不同流道掺混损失的同时,进一步提升涡轮叶轮的效率。