[发明专利]具有增加的流量范围的简化型可变几何形状涡轮增压器

说明书

发明领域

本发明着手解决对于一种成本减小、范围增大的涡轮机流动控制装置的需要，并且这是通过设计一种具有通向涡轮机叶轮的受控不对称流动的简化型可变几何形状涡轮增压器而实现的。

发明背景

涡轮增压器是一种强制进气系统。它们将空气以与在正常吸气构型中的可能情况相比更大的密度传送到发动机进气中，从而允许燃烧更多的燃料，因此在没有明显增加发动机重量的情况下提升了发动机的马力。一个较小的涡轮增压发动机可以取代一个较大物理尺寸的正常吸气的发动机，从而减小车辆的质量以及空气动力学的前端面积。

涡轮增压器（图1）使用来自发动机排气歧管的排气流（100）（该排气流在涡轮机壳体（2）的涡轮机入口（51）处进入涡轮机壳体）来驱动一个涡轮机叶轮（70），该涡轮机叶轮位于涡轮机壳体内。这个涡轮机叶轮稳固地固定在一个轴的一端上。一个压缩机叶轮（20）被安装在该轴的另一端上并且通过来自压缩机螺母的夹紧负荷而保持在位。该涡轮机叶轮的主要功能是提供用来驱动压缩机的旋转能量。一旦排气已经通过涡轮机叶轮（70）并且涡轮机叶轮已经从该排气中提取了能量，用过的排气（101）通过出口导流器（52）从涡轮机壳体（2）排出并且被输送到车辆下行管并且通常到一些后处理装置上，如催化转化器、微粒收集器和NO_x收集器。

由涡轮级产生的动力是穿过涡轮级的膨胀比的一个函数，即，从涡轮机入口（51）到涡轮机出口导流器（52）的膨胀比。除其他参数外，涡轮机动力的范围是通过该涡轮级的质量流速的一个函数。

压缩级包括一个叶轮以及其壳体。过滤的空气通过压缩机叶轮（20）的旋转被轴向地抽取到压缩机盖件（10）的入口（11）中。由涡轮级产生的到达轴和叶轮上的动力驱动压缩机叶轮（20）以产生静态压力与一些剩余动能和热量的一种组合。被加压的气体穿过压缩机排放口（12）从压缩机盖件（10）排出并且通常经由一个中冷器被传送到发动机进气中。

涡轮级的设计是以下各项的一种折衷：在发动机运行包络线中在不同流动状况下用来驱动压缩机所要求的动力；该阶段的空气动力学设计；旋转组件的惯量，其中，涡轮机的惯量是一个大的部分，因为涡轮机叶轮典型地由铬镍铁合金（它具有的密度是压缩机叶轮的铝的密度3倍）制造的；影响该设计的结构以及材料方面的涡轮增压器的运行周期；以及相对于叶片激励而言该涡轮机叶轮的上游以及下游的近场作用（排气流）。

涡轮机壳体的物理设计的一部分是一个蜗壳（47）或一对蜗壳，其功能是用来控制到达涡轮叶轮的这些进入状态，使得这些进入流动状态提供了与最佳的瞬态响应特征相结合的、从排气中的能量到由该涡轮机叶轮产生的动力的、最有效的动力传递。理论上讲，来自发动机的、进入的排气流是以一种均匀的方式从蜗壳被传送到以涡轮机叶轮轴线为中心的一个涡旋上。为了做到这一点，理想地，该蜗壳的截面面积在垂直于流动的方向上处于一个最大值并且逐渐并连续地减少直到它变为零。蜗壳的内边界可以是定义为基圆（71）的一个完美的圆；或者在某些情况下，如图2A中可见的一个双蜗壳（48、49），它可以描绘一条螺旋线，其最小直径不小于该涡轮机叶轮直径的106%。

如以上说明的，该蜗壳在如图4中描绘的在由“X-Y”轴线定义的一个平面中是由蜗壳（53）的外边界的不断减少的半径以及由内边界定义的，并且在如图8A中描绘的在穿过“Z”轴线的平面中是由在每个位置的截面区域定义的。“Z”轴线是垂直于由“X-Y”轴线所定义的平面的、并且还是该涡轮机叶轮的轴线。

还可以通过环圆周地分隔该蜗壳面积来创建多个入口蜗壳。这种蜗壳由沿着该蜗壳的减小的外边界的多个轴向壁（103、104）所分隔，如图15A所示。

出于产品设计一致性的考虑，在此使用了一种系统，其中这种蜗壳的展开起始于切面“A”（图4），该切面被定义为该蜗壳剩余部分的基准。这个基准（切面“A”）被定义为高于该涡轮机壳体的“X”轴线一个“P”度的角度处的切面，该涡轮机壳体包含该蜗壳形状的“X”轴线、“Y”轴线以及“Z”轴线的规格。