[发明专利]一种小型径流式或混流式涡轮增压器

说明书

本发明涉及汽车(轿车、轻型车、载重车)、拖拉机、农业机械和工程机械用的增压内燃机技术领域内的涡轮增压器。

车用内燃机工况变动频繁、负荷变化大、转速使用范围宽广。车用增压内燃机额定功率不大，进气质量流量小，但额定转速高。为满足低转速大扭矩的要求，车用增压内燃机配用小型径流式或混流式涡轮增压器(其涡轮为小轮径尺寸的径流式或混流式叶轮并采用无叶喷嘴环，即无叶蜗壳；压气机叶轮为小轮径尺寸的半开式或闭式离心压气机后弯叶片叶轮并采用无叶扩压器，以便在宽广的流量变化范围内获得较高的涡轮效率和压气机效率)。

现有技术中的径流式或混流式涡轮增压器中的向心涡轮叶轮进口部分的叶片形状都采用叶片进口几何角为90°的结构造型。当车用增压内燃机在低转速、低负荷工况运行时，向心涡轮级的速比与轮周速度均较低，叶轮进口相对气流角甚小，在叶片进口几何角等于90°的叶轮进口形成大正冲角冲击损失，致使涡轮效率显著降低。在本发明提出入申请的专利(ZL96229516.7，《一种径流式与混流式向心涡轮叶轮》)中，公开了一种改进现有涡轮叶轮进口部分的通用结构，也即，用叶片进口几何角是锐角的前弯叶片涡轮叶轮代替现有技术都采用的叶片进口几何角为90°的径向叶片涡轮叶轮，这样，当车用增压内然机在低转速、低负荷工况范围运行时，只有采用叶片进口几何角小的涡轮叶轮才能顺应因向心涡轮级的速比与轮周速度均较低而造成叶轮进口相对气流角甚小的特点，减少正冲角，降低冲击损失，保持高效率。叶片进口几何角为锐角的前弯叶片涡轮叶轮结构恰好可以满足这一需要。与叶片进口几何角为90°的径向叶片涡轮叶轮相比，前弯叶片涡轮叶轮节省了径向叶片涡轮在低转速、低负荷工况大正冲角产生的冲击损失耗费的能量。这部分能量在前弯叶片涡轮中作为涡轮的有效功，会使涡轮转速增加、压气机增压压力增大。这将有助于克服目前车用内燃机在低转速、低负荷工况运行时涡轮增压器普遍存在的加速性差、变工况响应慢以及压气机出口出现负压的缺点与弊病。当内燃机越过最大扭矩工况并再继续升高转速时，涡轮叶轮的进口会出现负冲角，且随转速增高负冲角也越来越大。由于负冲角产生的冲击损失要比正冲角产生的冲击损失小得多(前弯叶片在涡轮进口附近范围内的叶片弯曲形状，使叶轮高速旋转产生的离心惯性力和进口气流在叶片流道中转弯产生的法向惯性力的作用方向都与Coriolis惯性力一样指向叶片的压力面，有效地抑制、约束了负冲角引起的叶片压力面上流动分离的扩展，大大降低了负冲角产生的冲击损失)，因此小负冲角产生的冲击损失很有限，只有当负冲角增大到很大值时才会产生大的冲击损失。前弯叶片涡轮叶轮的这一特性，使涡轮增压器在车用内燃机低转速工况时能保持高效率，而在高转速工况时又具有一定的抑压功能。也即对于额定转速不太高的车用内燃机，在高转速工况时涡轮增压器可以不附加如废气旁通放气阀、压气机进气预旋器和可变角度喷嘴叶片等任何调控增压压力的装置，单凭前弯叶片涡轮叶轮以大负冲角状态运行，就能限制涡轮功率的增升，达到抑制增压压力过度升高的目的，防止增压过度与涡轮增压器转子严重超速。

图1是向心涡轮叶轮叶片进口几何角β_1A的定义图。向心涡轮叶轮的叶片进口几何角β_1A是叶轮流道几何中心旋转面①上叶型②的中线③在进口前缘处的切线④与圆周速度负方向间的夹角。

本发明是专利ZL96229516.7的改进。在本发明中，指出前弯叶片叶轮叶片进口几何角β_1A的择取与下列因素有关：前弯叶片涡轮级的通流部分尺寸大小；车用增压内燃机与涡轮增压器的最佳匹配工况参数；内燃机的额定工况参数；叶片强度。合理的β_1A值应能使增压器在内燃机低转速工况保持高的效率，而在高转速工况确保不出现增压过度与增压器转子严重超速现象。通过适当调整涡轮通流部分尺寸与β_1A值的大小，就能满足上述要求。对于车用增压内燃机配用的小型径流式或混流式涡轮增压器，前弯叶片涡轮叶轮叶片进口几何角β_1A的合理择用范围为45°≤β_1A≤75°。

以下，结合实施例和附图对本发明的技术内容进行叙述说明。

图2示出的具体例子是一个叶片进口几何角β_1A等于50°的半开式前弯叶片混流式涡轮叶轮的形状。

图3示出的是本发明一个实施例的结构视图。

该实施例为小型径流式涡轮增压器。它由单级径流式前弯叶片叶轮涡轮、单级闭式后弯叶片叶轮离心式压气机和装有浮动轴承、止推轴承及油封装置的中间壳三大主要部分组成。其中，涡轮叶轮16和离心压气机叶轮3悬臂安装在转轴两端。涡轮增压器的转子由离心压气机闭式后弯叶片叶轮3、轴封5及定距止推套10通过由转轴与径流式前弯叶片涡轮叶轮经摩擦焊结合而成的涡轮轴16和锁紧螺母2连接成一体。径流式涡轮级的无叶蜗壳17采用出口侧壁呈倾斜状的单流道360°全周进气梨形截面蜗壳。压气端螺母2将压气机叶轮3固定在涡轮轴16上，同时也将轴封5及定距止推套10压紧。中间壳15上端有一个进油孔、，润滑油径向进入中间壳体后分成两路：一路润滑压气机端浮动轴承11和止推轴承9；另一路润滑涡轮端浮动轴承。在靠近压气机叶轮端设置的轴封5上有两道环槽，槽内各装一个密封环6。在靠近涡轮轮背的转轴上有一道环槽，槽内装有两个切口错开排列的密封环13，防止漏油与窜气。在止推轴承9的外侧有挡油罩7，挡住甩出的润滑油并使其流向回油孔。浮动轴承11装在中间壳15中，两端用挡圈12挡住。在涡轮叶轮的轮背侧，装有隔热罩14，防止燃气热量大量传入中间壳影响轴承正常工作。压气机壳1的集气道呈蜗牛状，其通流流道形状为变圆截面。气体作用在转子上的轴向推力，通过轴上定距止推套10作用在固定于中间壳15上的止推轴承9上。