CN1861987A - 带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，包括涡轮转轴、压气机蜗壳、轴承体、涡轮箱、压气机叶轮、轴封套、止推轴承和止推片，涡轮箱为带有混流结构的混流涡轮箱，涡轮为具有混流结构的混流涡轮，混流涡轮由混流涡轮叶轮和涡轮转轴通过摩擦焊成为一体；轴承体为具有水冷却结构的水冷轴承体；混流涡轮、水冷轴承体和混流涡轮箱具有相适配的结构；混流涡轮箱和混流涡轮叶轮能够更有效的利用排气管排出的高温废气所含有的热能、动能和压力能，吹动涡轮叶轮的叶片，驱动涡轮叶轮旋转；旋转的涡轮叶轮连带固定在同一转轴上的压气机叶轮以同步转速旋转；旋转的压气机叶轮吸入空气，提高进入发动机气缸空气密度和进气量。
Description
技术领域
本发明涉及发动机涡轮增压器，特别是涉及带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，其匹配的发动机具有提高发动机功率、降低燃油消耗率、减少排气管废气污染的作用。广泛应用于各种类型发动机，主要为车用发动机，船用发动机、还包括工程机械(如挖掘机、履带起动机、装载机、推土机等用发动机)、农用机械(如拖拉机、割草机)和各型号发电机组用发动机等。
背景技术
通常的内燃机排气管排出的废气带走燃油所供给能量的25％～45％，也就是说非增压发动机所用燃油的三分之一白白浪费了。
目前在国内广泛使用的小型涡轮增压器均为径流式涡轮，小型径流涡轮增压器与国际水平相比，涡轮效率偏低，导致国内小型涡轮增压器总效率较低。匹配发动机后，其发动机的动力性、经济性、环保排放水平都较国外落后。
并且所使用的小型涡轮增压器(叶轮直径小于60mm)均为非水冷轴承体的，能够满足二十世纪发动机的需要。进入二十一世纪后，发动机技术不断创新，在匹配强化程度高的发动机时，由于发动机本身润滑油温度高，润滑油润滑增压器轴承的效果降低，不能满足涡轮增压器转子组件以每分钟150000转高速旋转对浮动轴承和止推轴承板的工作可靠性要求，使轴承磨损，涡轮增压器失效，导致整台发动机不能正常工作。在小型增压器上，国外已少部分采用水冷轴承体，在国内尚属空白。
如申请号200320124156的实用新型专利披露了《小型涡轮增压器》为径流式涡轮，由动力叶轮涡轮机、轴承体芯部总成、离心式叶轮压气机、执行器总成和放气阀门组件组成；动力叶轮涡轮机和离心式叶轮压气机分别固定于轴承体芯部总成两端；执行器总成安装在动力叶轮涡轮机的涡轮箱上，其与安装于涡轮箱上的放气阀门组件连接，压气机叶轮固定于涡轮转子的转轴另一端，且与涡轮转子悬臂安装在轴承体的两端；涡轮转子的转轴浮动于轴承体的轴承孔内；压气机叶轮将止推轴承、密封套、封油盖由里向外依次压入到轴承体压气机端内；其特征是所述压气机叶轮采用低轮毂母线、长短叶片重叠度高的前倾后弯叶轮，涡轮转子采用低惯量、大弧面变截面梁叶片。本实用新型提高了转子总成的动平衡精度，使其能够稳定可靠地运行，但上述存在的问题无法解决。
随着汽车工业突飞猛进的发展，国外发动机不断技术创新和更新换代，对涡轮增压器提出了更高要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，其采用混流理论及混流技术，提高了增压器总效率，使其与发动机匹配时，能够进一步提高发动机功率、降低燃油消耗率、减少排气管废气污染的作用；并利用发动机水冷却系统的冷却水冷却水冷轴承体内腔的润滑油、浮动轴承、止推轴承板和涡轮转子的转轴，使润滑浮动轴承的润滑油温度保持在规定的温度正常工作。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，包括相配装的涡轮转轴、压气机蜗壳、轴承体、涡轮箱、压气机叶轮、轴封套、止推轴承和止推片等。
采取的措施包括：涡轮箱为带有混流结构的混流涡轮箱，涡轮为具有混流结构的混流涡轮，混流涡轮由混流涡轮叶轮和涡轮转轴通过摩擦焊接工艺焊接成一体；
轴承体为具有水冷却结构的水冷轴承体；混流涡轮、水冷轴承体和混流涡轮箱具有相适配的结构；混流涡轮箱和混流涡轮能够更有效的利用排气管排出的高温废气所含有的热能、动能和压力能，吹动涡轮叶轮的叶片，驱动涡轮叶轮旋转；旋转的涡轮叶轮连带固定在同一转轴上的压气机叶轮以同步转速旋转；旋转的压气机叶轮吸入空气，并使空气的压力增加，提高进入发动机气缸的空气密度，增加发动机的进气量，促进燃料的完全燃烧并能燃烧更多的燃油。
采取的措施还包括：混流涡轮箱为变截面的混流式涡轮箱，其具有涡轮箱进口、涡轮箱流道、涡轮箱出口。
涡轮叶轮直径小于60mm。
水冷轴承体具有冷却水进水口、冷却水出水口、水腔通道和润滑油道；在水冷轴承体内腔，位于涡轮叶轮一侧，围绕润滑油道和涡轮转轴通道设有水腔通道，水腔通道周壁围绕润滑油道和涡轮转轴通道；
水腔通道中具有从发动机水冷却系统引来冷却水，该冷却水经发动机水泵产生的压力，使其围绕润滑油道和涡轮转轴通道流动，附着并带走润滑油的热量和从涡轮叶轮端高温废气经水冷轴承体传导过来的热量；并还带走涡轮转轴与浮动轴承摩擦、浮动轴承与水冷轴承体内径摩擦产生的热量；
水冷轴承体内腔的润滑油、浮动轴承、止推轴承板和涡轮转轴在冷却水经水腔通道周壁传导冷却。
压气机蜗壳具有空气进口区，压气机叶轮具有低轮鼓，大弧面后弯前倾结构，该压气机叶轮旋转从空气进口区吸入空气，通过其上的叶片扩压器和压气机蜗壳扩压器使空气至压缩能量聚集区能量聚集；能量聚集的压缩空气经发动机进气管至发动机汽缸内的燃烧作功区燃烧作功；通过混流涡轮箱混流变截面通道使废气压缩能量聚集经混流蜗轮作功区对混流蜗轮作功；发动机具有能量的废气进入混流涡轮箱通道混流。
与现有技术相比，本发明结合空气与燃烧介质在发动机气缸内的燃烧理论，和燃气热—功转换的理论，及气流在增压器内三元空间的流体作功效应的基础上，在小型涡轮增压器领域创新并提出了混流理论及混流技术，采用混流理论及创新的混流涡轮设计制造技术与成熟的结构特征为一体的小型混流涡轮，提高了涡轮级的效率为3％左右。水冷轴承体具有冷却水进水口、冷却水出水口、水腔通道和润滑油道；水冷轴承体内，在涡轮叶轮一侧，围绕润滑油道和涡轮转轴通道设有水腔通道，水腔通道周壁围绕润滑油道和涡轮转轴通道；水腔通道中具有从发动机水冷却系统引来冷却水，该冷却水经发动机水泵产生的压力，使其围绕润滑油道和涡轮转轴通道流动，附着并带走润滑油的热量和从涡轮叶轮端高温废气经水冷轴承体传导过来的热量；并还带走涡轮转轴与浮动轴承摩擦、浮动轴承与水冷轴承体内径摩擦产生的热量；提高了润滑效果，保证增压器轴承系统的可靠工作。
附图说明
图1是本发明实施例整体配装结构剖视示意图；
图2是图1中涡轮叶轮的剖视结构示意图；
图3A是图1中混流涡轮箱的结构示意图；
图3B是图3A左视局部剖视结构示意图；
图3C是图3A后视局部剖视结构示意图；
图4A是图1中水冷轴承体外形结构示意图；
图4B是图4A横截面剖视结构示意图；
图4C是图4A纵截面剖视结构示意图；
图5是图1中工作原理示意图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
图1至图5所示，带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，包括相配装的涡轮转轴、压气机蜗壳2、轴承体、涡轮箱、压气机叶轮7、轴封套9、止推轴承和止推片11，还包括相配装的压板组件5、放气阀6、轴端螺母8、密封环10、封油盖12、止推轴承板13、挡油片14、封油盖螺钉15、浮动轴承挡圈16、压气机压板18、涡轮箱压板19、隔热罩20、支架21、卡箍22、胶管23、O型圈24、垫圈25、压气机压板螺栓26、涡轮箱压板螺栓27、挡圈28。
涡轮箱为与混流涡轮叶轮相匹配的带有混流结构的混流涡轮箱4；
涡轮为具有混流结构的混流涡轮1，混流涡轮1由混流涡轮叶轮1a和涡轮转轴1b通过摩擦焊规定成一体；涡轮叶轮1a直径小于60mm，其叶轮叶片叶型(方程)与轴流涡轮叶片叶型(方程)和径流涡轮叶片叶型(方程)有明显差别，本专利的小型混流涡轮叶轮叶型的三维造型设计较复杂。
轴承体为具有水冷却结构的水冷轴承体3；混流涡轮1、水冷轴承体3和混流涡轮箱4具有相适配的结构；混流涡轮箱4更有效地利用排气管排出的高温废气所含有的热能、动能和压力能，吹动混流涡轮叶轮1的叶片，驱动涡轮叶轮1高速旋转；混流涡轮叶轮能够将流经的高温废气所含有的热能、动能和压力能更有效的、更多的转变成有效功，使涡轮叶轮1具有更多、更强的做功能量，带动固定在同一转轴上的压气机叶轮7以同步转速旋转，将更多、更强的做功能量传递给压气机叶轮；因而旋转的压气机叶轮7能够吸入更多的空气，并使空气的压力相对增加，进一步提高了进入发动机气缸的空气密度，增加发动机的进气量，促进燃料的完全燃烧并能燃烧更多的燃油，促使发动机排放能够达到欧II、III，远期达到欧IV标准，同时发动机功率又进一步提高、燃油消耗率进一步降低。
混流涡轮箱4为变截面的混流式涡轮箱，其具有涡轮箱进口4a、涡轮箱流道4b、涡轮箱出口4c。
水冷轴承体3具有冷却水进水口3a、冷却水出水口3b、水腔通道3c和润滑油道3d；水冷轴承体3内腔，位于涡轮叶轮1a一侧，围绕润滑油道3d和涡轮转轴1b通道设有水腔通道3b，水腔通道3b周壁围绕润滑油道3d和涡轮转轴1b通道；
水腔通道3b中具有从发动机水冷却系统引来冷却水，该冷却水经发动机水泵产生的压力，使其围绕润滑油道3d和涡轮转轴1b通道流动，附着并带走润滑油的热量和从涡轮叶轮1a端高温废气经水冷轴承体3传导过来的热量；并还带走涡轮转轴1b与浮动轴承17摩擦、浮动轴承17与水冷轴承体3内径摩擦产生的热量；使润滑浮动轴承的润滑油温度保持在相对低的温度(一般≤120℃)，从而保证了润滑油的工作特性，保证了轴承系统的正常工作。
水冷轴承体3内腔的润滑油、浮动轴承17、止推轴承板13和涡轮转轴1b在冷却水经水腔通道3b周壁传导冷却。
压气机蜗壳2具有空气进口区C，压气机叶轮7具有低轮鼓，大弧面后弯前倾结构，该压气机叶轮7旋转经空气进口区C吸入空气，通过其上的叶片扩压器和压气机蜗壳2扩压器使空气至压缩能量聚集区A能量聚集；能量聚集的压缩空气经水冷轴承体3至发动机汽缸内的燃烧作功区E燃烧作功；通过混流涡轮箱4混流变截面通道使废气压缩能量聚集经混流蜗轮作功区B对混流蜗轮作功；发动机具有能量的废气进入混流涡轮箱4通道F混流。
在小型涡轮增压器上采用具有混流理论及混流涡轮技术的小型混流涡轮和相匹配的涡轮箱，使其匹配的发动机能够进一步提高发动机功率、降低燃油消耗率、减少排气管废气污染的作用。并且在小型涡轮增压器(叶轮直径小于60mm)上采用带有水冷的水冷轴承体，其利用发动机水冷却系统的水，冷却位于水冷轴承体内腔的润滑油、浮动轴承、止推轴承板和涡轮转子的转轴；水冷轴承体内具有冷却水进水口、冷却水出水口、水腔通道和润滑油道形成完善的冷却结构。
本发明结合空气与燃烧介质在发动机气缸内的燃烧理论，燃气热-功转换的理论，及气流在增压器内三元空间的流体计算的基础上，在小型涡轮增压器领域创新并提出了混流理论及混流技术，采用混流理论及创新的混流涡轮设计制造技术与成熟的结构特征为一体的小型混流涡轮，提高了涡轮级的效率为3％左右。
本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
Claims (5)
1、带有混流涡轮和水冷轴承体的小型涡轮增压器，包括相配装的涡轮转轴、压气机蜗壳(2)、轴承体、涡轮箱、压气机叶轮(7)、轴封套(9)、止推轴承和止推片，其特征是：
所述的涡轮箱为带有混流结构的混流涡轮箱(4)，所述的涡轮为具有混流结构的混流涡轮(1)，所述的混流涡轮(1)由混流涡轮叶轮(1a)和涡轮转轴(1b)配装构成；
所述的轴承体为具有水冷却结构的水冷轴承体(3)；所述的混流涡轮(1)、水冷轴承体(3)和混流涡轮箱(4)具有相适配的结构；所述的混流涡轮箱(4)利用排气管排出的高温废气所含有的热能、动能和压力能，吹动涡轮叶轮(1)的叶片，驱动涡轮叶轮(1)旋转；旋转的涡轮叶轮(1)连带固定在同一转轴上的压气机叶轮(7)以同步转速旋转；旋转的压气机叶轮(7)吸入空气，并使空气的压力增加，提高进入发动机气缸的空气密度，增加发动机的进气量，促进燃料的完全燃烧并能燃烧更多的燃油。
2、根据权利要求1所述的带有混流涡轮的小型涡轮增压器，其特征是：所述的混流涡轮箱(4)为变截面的混流式涡轮箱，其具有涡轮箱进口(4a)、涡轮箱流道(4b)、涡轮箱出口(4c)；所述的混流涡轮由混流涡轮叶轮和涡轮转轴配装为通过摩擦焊接工艺焊接成一体。
3、根据权利要求1所述的带有混流涡轮的小型涡轮增压器，其特征是：所述的涡轮叶轮(1a)直径小于60mm。
4、根据权利要求1或2或3所述的带有混流涡轮的小型涡轮增压器，其特征是：所述的水冷轴承体(3)具有冷却水进水口(3a)、冷却水出水口(3b)、水腔通道(3c)和润滑油道(3d)；在所述的水冷轴承体(3)内腔，位于涡轮叶轮(1a)一侧，围绕所述的润滑油道(3d)和涡轮转轴(1b)通道设有水腔通道(3b)，水腔通道(3b)周壁围绕润滑油道(3d)和涡轮转轴(1b)通道；
所述的水腔通道(3b)中具有从发动机水冷却系统引来冷却水，该冷却水经发动机水泵产生的压力，使其围绕润滑油道(3d)和涡轮转轴(1b)通道流动，附着并带走润滑油的热量和从涡轮叶轮(1a)端高温废气经所述的水冷轴承体(3)传导过来的热量；并还带走涡轮转轴(1b)与浮动轴承(17)摩擦、浮动轴承(17)与水冷轴承体(3)内径摩擦产生的热量；
水冷轴承体(3)内腔的润滑油、浮动轴承(17)、止推轴承板(13)和涡轮转轴(1b)在冷却水经水腔通道(3b)周壁传导冷却。
5、根据权利要求4所述的带有混流涡轮的小型涡轮增压器，其特征是：所述的压气机蜗壳(2)具有空气进口区(C)，所述的压气机叶轮(7)具有低轮鼓，大弧面后弯前倾结构，该压气机叶轮(7)旋转经空气进口区(C)吸入空气，通过其上的叶片扩压器和压气机蜗壳(2)扩压器使空气至压缩能量聚集区(A)能量聚集；能量聚集的压缩空气经所述的水冷轴承体(3)至发动机汽缸内的燃烧作功区(E)燃烧作功；通过混流涡轮箱(4)混流变截面通道使废气压缩能量聚集经混流蜗轮作功区(B)对混流蜗轮作功；发动机具有能量的废气进入混流涡轮箱(4)通道(F)混流。
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