可变截面轴径流复合涡轮增压装置 技术领域 本发明涉及一种涡轮增压装置， 具体的说是涉及一种可变截面轴径流复合涡轮增 压装置， 能有效的兼顾发动机的高低速增压要求， 属于内燃机领域。
背景技术 增压器被广泛的应用到现代发动机， 为了满足发动机在所有工况下的性能和排放 要求， 增压器必须具有增压压力和排放压力的可调节功能。 随着国四排放法规的实施， 可变 截面增压器和二级增压器已经称为行业国内外行业研发的重点。
目前普遍采用在蜗壳喷嘴处安装旋转叶片来满足可变截面的要求， 与传统的增压 器相比， 它能有效的拓宽增压器与发动机的匹配范围， 实现增压器对增压压力和排放压力 的调节功能。
旋叶式可变截面涡轮增压器结构示意图如附图 1 所示， 旋叶式可变截面涡轮增压 器的涡轮部分包括蜗壳 3、 蜗壳喷嘴 5、 涡轮叶轮 7 三部分。传动机构 2 通过调节安装在喷 嘴环支撑盘 4 上的喷嘴叶片 6 的开度来调节喷嘴的流通面积和出口废气的角度， 使高温废 气安照设计的气流角度吹向涡轮叶轮 7， 推动涡轮叶轮 7 高速旋转。 转子轴 8 带动压气机壳 1 内的压气机叶轮 9 高速旋转， 对轴向进入压气机的空气进行压缩， 压缩后的空气进过压气 机壳的收集被送到气缸中参与燃烧。
旋叶式可变截面增压器能根据发动机的不同工况， 实时调节喷嘴叶片 6 的开度来 改变蜗壳喷嘴的流通面积， 以满足发动机的性能要求。传动机构 2 对喷嘴叶片 6 的调节简 单、 易于控制。但是在实际的应用中， 发现旋叶式可变截面涡轮增压器存在着一些缺点 ：
当发动机在大流量工况下， 喷嘴叶片 6 距离涡轮叶片前缘较近， 废气颗粒会对喷 嘴叶片 6 造成较大的磨损。当发动机在小流量工况下， 喷嘴叶片 7 距离涡轮叶片前缘较远， 这时高温气流的周向速度较大， 涡轮变为冲动式涡轮， 另外气体流动过程中气动损失也比 较严重， 使增压器的效率下降。
发动机的废气排温大约在 650 ～ 850 度左右， 并且有进一步升高的趋势。涡轮增 压器工作环境恶劣， 强烈的振动对传动机构 2 的可靠性有很高的要求。而传动机构 2 的可 靠性较差的问题到现在也没有得到很好的解决。
旋叶式可变截面增压器的成本很高， 这使许多发动机厂家对其昂贵的价格望而却 步。成本和寿命也限制了该类型可变截面增压器的市场。
二级增压采用低压涡轮增压器和高压涡轮增压器共同工作实现发动机增压的目 的， 详细说明请参照公开号 CN 101600869A 发明名称为二级增压式排气涡轮增压器。采用 二级增压实际上也是采用两个配置不同尺寸和特性的增压器共同工作， 其涡轮机配有两种 不同流通能力的蜗壳和涡轮， 属于可变流道截面及两种流通特性涡轮的增压器， 它能实现 较高的增压比， 可靠性高并且每一级涡轮增压器的增压比比较低， 使单级压气机有较宽的 高效率区域， 但是主要缺点是匹配、 控制复杂， 空间尺寸较大， 成本较高。
发明内容 本发明要解决的问题是针对旋叶式可变截面涡轮增压器成本高、 低速效率低、 可 靠性差和二级增压器结构复杂、 成本高的缺陷， 提供一种结构简单、 成本低、 可靠性高， 并且 在小流量下具有较高效率同时兼顾大流量工况效率和流通特性的可变截面复合涡轮装置。
为了解决上述问题， 本发明采用以下技术方案 ：
一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置， 包括双流道蜗壳， 双流道蜗壳上设有轴 流流道和径流流道， 所述轴流流道和径流流道上分别设有与蜗壳出气筒连通的蜗壳喷嘴， 所述双流道蜗壳上靠近径流流道的蜗壳喷嘴的位置设有滑槽， 在滑槽内设有可滑动的移动 喉口挡板， 移动喉口挡板传动连接有移动喉口挡板控制机构。
以下是本发明对上述方案的进一步改进 ：
所述径流流道位于靠近蜗壳出气筒的一侧， 轴流流道位于远离蜗壳出气筒的一 侧， 所述径流流道与轴流流道之间设有中间壁。
进一步改进 ：
所述移动喉口挡板控制机构包括执行器， 在蜗壳出气筒的外部套接有拨叉环， 所 述移动喉口挡板与拨叉环固定连接， 所述执行器上安装有执行器推杆， 执行器推杆与拨叉 环之间连接有拨叉。
移动喉口挡板控制机构通过控制所述移动喉口挡板的轴向移动来实现径流流道 的开关， 保证轴流涡轮工作时， 燃气不进入径流蜗壳流道， 以降低涡流损失。
进一步改进 ：
双流道蜗壳内设有复合涡轮叶轮， 所述复合涡轮叶轮包括一级涡轮叶轮和二级涡 轮叶轮。
所述一级涡轮叶片和所述二级涡轮叶轮叶片可根据增压器的性能要求和与发动 机匹配的要求设置为不同数目， 以满足发动机的性能要求和排放要求。
进一步改进 ：
所述一级涡轮叶轮由直叶片组成， 二级涡轮叶轮由涡轮向心叶片组成， 一级涡轮 叶轮与轴流流道相配合， 二级涡轮叶轮与径流流道相配合。
进一步改进 ：
所述径流流道内安装隔板， 隔板将径流流道分成两个流道， 与轴流流道形成三个 进气流道。
另一种改进 ：
在轴流流道和径流流道内分别安装隔板， 将轴流流道和径流流道各分成两个流 道。
设置隔板能够更好的利用废气脉冲能量， 使脉冲波在较小的空间传播， 脉冲能量 衰减减小， 提高涡轮的效率， 在一定程度上改善发动机在低速时增压不足的问题， 同时有效 的兼顾了发动机大流量工况的效率并降低了发动机的排放。
进一步改进 ： 在轴流流道的蜗壳喷嘴位置安装导流叶栅， 导流叶栅向一级涡轮叶 轮旋转方向倾斜， 以控制涡轮进气角度， 提高涡轮效率。
另一种改进 ：
所述一级涡轮叶轮与二级涡轮叶轮间隔设置， 两者之间具有间隙， 在中间壁上与
该间隙对应的位置设置环形的空腔， 在环形的空腔内均匀安装一周静叶片， 所述静叶片位 于一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮之间。
设置静叶片能在一定程度上减少一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮气流的流动扰乱， 减少叶轮中气体的能量损失。
轴流涡轮的单级膨胀比小， 进气损失小， 效率较高， 而径流涡轮的单级膨胀比大、 但是效率偏低。
本发明采用由轴流流道和径流流道的组成的双流道蜗壳与由一级涡轮叶轮和二 级涡轮叶轮组成的复合涡轮叶轮一起顺序工作， 既满足了发动机低速小负荷下的性能要 求， 又能满足发动机大流量工况下使涡轮具有较大的流通能力和较高的效率。
轴流涡轮的流量范围广， 轴流涡轮在大流量下具有较高的效率， 径流涡轮的流量 范围窄， 但是在小流量范围的效率较高。 在采用复合涡轮后， 采用复合涡轮后就可以保证增 压器在小流量和大流量下都能有较高的效率， 满足发动机各个工况的工作要求。
发动机在小流量工况下， 轴流流道进气阀门关闭， 径流流道进气阀门开启， 并且此 时移动喉口挡板在移动喉口挡板控制机构的带动下背向中间壁一侧移动， 使移动喉口挡板 处于开启状态。发动机排出的废气只经过径流流道对二级涡轮叶轮做功， 由于径流涡轮在 小流量具有较高的效率， 能满足发动机低速小负荷的增压要求。要拓宽径流涡轮的流量 范围， 就需要更大的涡轮直径， 当采用轴径流复合涡轮装置后， 可以从整体上减少涡轮的直 径， 使涡轮结构更紧凑， 提高增压器的响应性， 降低增压迟滞的影响。
发动机在大流量工况下， 径流流道进气阀门关闭， 轴流流道进气阀门开启， 并且此 时移动喉口挡板在移动喉口挡板控制机构的带动下朝向中间壁一侧移动， 使移动喉口挡板 处于关闭状态， 以保证轴流流道工作时， 燃气不进入径流流道， 降低涡轮的流动损失。发动 机排出的废气只经过轴流流道对一级涡轮叶轮做功， 涡轮进气损失减少， 轴流涡轮的流量 范围广， 在大流量下具有较高的效率， 能满足发动机在大流量工况下使涡轮的具有较大的 流通能力和具有较高的效率。
本发明中的双流道涡轮蜗壳结构简单、 继承性好、 铸造成品率较高 ； 本发明中的复 合涡轮叶轮通过现代 CFD、 FEA 技术的分析和优化可获得较高的气动效率和较高的结构强 度； 本发明中的可变截面复合涡轮装置可采用现有铸造和加工设备进行生产， 成本低且容 易快速实现工程化。
本发明采用复合涡轮装置可实现变截面功能， 有效的解决了叶式可变截面涡轮增 压器成本高、 低速效率低、 可靠性差和二级增压器结构复杂、 成本高的问题， 有效的提高发 动机低速时涡轮的效率， 同时有效的兼顾了发动机大流量工况时的效率。
下面结合附图和实施例对本发明专利进行进一步说明 ： 附图说明
附图 1 是本发明背景技术中的旋叶式可变截面涡轮增压器的结构示意图 ； 附图 2 是本发明实施例 1 中的可变截面复合涡轮装置的结构示意图 ； 附图 3 是本发明实施例 1 中进气阀门控制机构的结构示意图 ； 附图 4 是本发明实施例 1 中小流量工况下可变截面复合涡轮装置的结构示意图 ； 附图 5 是本发明实施例 1 中大流量工况下可变截面复合涡轮装置的结构示意图 ；附图 6 是本发明实施例 2 的结构示意图 ；
附图 7 是本发明实施例 3 的结构示意图 ；
附图 8 是本发明实施例 4 的结构示意图 ；
附图 9 是本发明实施例 5 的结构示意图 ；
附图 10 是本发明实施例 6 的结构示意图 ；
附图 11 是本发明实施例 7 的结构示意图。
图中 ： 1- 压气机壳 ； 2- 传动机构 ； 3- 蜗壳 ； 4- 喷嘴环支撑盘 ； 5- 蜗壳喷嘴 ； 6- 喷 嘴叶片 ； 7- 涡轮叶轮 ； 8- 转子轴 ； 9- 压气机叶轮 ； 10- 双流道蜗壳 ； 11- 轴流流道 ； 12- 径流 流道 ； 13- 复合涡轮叶轮 ； 14- 一级涡轮叶轮 ； 15- 二级涡轮叶轮 ； 16- 中间壁 ； 17- 移动喉口 挡板 ； 18- 执行器 ； 19- 执行器推杆 ； 20- 拨叉 ； 21- 拨叉环 ； 22- 执行器支架 ； 23- 固定转轴 ； 24- 蜗壳出气筒 ； 25- 轴流流道进气阀门 ； 26- 径流流道进气阀门 ； 27- 进气阀门控制机构 ； 28- 隔板 ； 29- 导流叶栅 ； 30- 静叶片。 具体实施方式
实施例 1 ： 如附图 2 和附图 3 所示， 一种可变截面轴径流复合涡轮增压装置， 包括 双流道蜗壳 10， 双流道蜗壳 10 内设有复合涡轮叶轮 13 和转子轴 8 ； 所述双流道蜗壳 10 上 连接有蜗壳出气筒 24 ； 双流道蜗壳 10 上设有轴流流道 11 和径流流道 12， 所述轴流流道 11 和径流流道 12 上分别设有与蜗壳出气筒 24 连通的蜗壳喷嘴 5。 所述径流流道 12 位于靠近蜗壳出气筒 24 的一侧， 轴流流道 11 位于远离蜗壳出气 筒 24 的一侧， 所述径流流道 12 与轴流流道 11 之间设有中间壁 16。
所述径流流道 12 设有径流流道进气阀门 26， 轴流流道 11 设有轴流流道进气阀门 25， 所述径流流道进气阀门 26 和轴流流道进气阀门 25 分别与进气阀门控制机构 27 传动连 接， 进气阀门控制机构 27 通过控制轴流流道进气阀门 25 和径流流道进气阀门 26 的开闭实 现轴流流道 11 和径流流道 12 在发动机不同流量工况下的顺序工作。
所述复合涡轮叶轮 13 包括一级涡轮叶轮 14 和二级涡轮叶轮 15， 其中一级涡轮叶 轮 14 由直叶片组成， 二级涡轮叶轮 15 由涡轮向心叶片组成， 一级涡轮叶轮 14 与轴流流道 11 相配合， 二级涡轮叶轮 15 与径流流道 12 相配合。
所述双流道蜗壳 10 上靠近径流流道 12 的蜗壳喷嘴 5 的位置设有滑槽， 在滑槽内 设有可滑动的移动喉口挡板 17， 移动喉口挡板 17 传动连接有移动喉口挡板控制机构。
所述移动喉口挡板控制机构包括执行器 18， 所述执行器 18 通过执行器支架 22 固 定支撑在双流道蜗壳 10 上。
在蜗壳出气筒 24 的外部套接有拨叉环 21， 所述移动喉口挡板 17 与拨叉环 21 固定 连接。
所述执行器 18 上安装有执行器推杆 19， 执行器推杆 19 与拨叉环 21 之间连接有拨 叉 20， 拨叉 20 一端与拨叉环 21 固定连接， 另一端与执行器推杆 19 通过转轴固定连接， 拨叉 20 的中间部位通过固定转轴 23 与执行器支架 22 转动连接。
如附图 3 和附图 4 所示， 发动机在小流量工况下， 进气阀门控制机构 27 控制轴流 流道进气阀门 25 关闭， 径流流道进气阀门 26 开启， 并且此时移动喉口挡板 17 在移动喉口 挡板控制机构 18 的带动下背向中间壁 16 一侧移动， 使移动喉口挡板 17 处于开启状态。
发动机排出的废气只经过径流流道 12 对二级涡轮叶轮 15 做功， 由于径流涡轮在 小流量具有较高的效率， 能满足发动机低速小负荷的增压要求。并且采用轴径流复合涡轮 装置后， 可以从整体上减少涡轮的直径， 使涡轮结构更紧凑， 提高增压器的响应性， 降低增 压迟滞的影响。
如附图 3 和附图 5 所示， 发动机在大流量工况下， 进气阀门控制机构 27 调节径流 流道进气阀门 26 关闭， 轴流流道进气阀门 25 开启， 并且此时移动喉口挡板 17 在移动喉口 挡板控制机构 18 的带动下朝向中间壁 16 一侧移动， 使移动喉口挡板 17 处于关闭状态， 以 保证轴流流道工作时， 燃气不进入径流流道， 降低涡轮的流动损失。 发动机排出的废气只经 过轴流流道 11 对一级涡轮叶轮 14 做功， 涡轮进气损失减少， 轴流涡轮的流量范围广， 在大 流量下具有较高的效率， 能满足发动机在大流量工况下使涡轮的具有较大的流通能力和具 有较高的效率。
本发明专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求， 完成了可变截面复合涡轮 装置的开发， 采用两级涡轮复合的方式， 提高了发动机低速时的涡轮效率， 并提高了发动机 的低速扭矩和输出功率， 改善了发动机的加速响应特性， 同时兼顾了发动机低速和中高速 工况下的增压需求。 该类型可变截面复合涡轮装置可以采用现有普通增压器的铸造及加工 技术完成。 上述实施例中， 还可以将蜗壳出气筒 24 做成可移动式， 发动机在小流量工况下， 通过调节蜗壳出气筒 24 的轴向位置， 来满足径流涡轮的流通能力， 实现与发动机在小流量 工况下的良好匹配。
实施例 2 ： 如附图 6 所示， 为了合理的利用脉冲能量， 还可以在实施例 1 的基础上， 在轴流流道 11 和径流流道 12 内分别安装隔板 28， 将轴流流道 11 和径流流道 12 各分成两 个流道。
隔板 28 与双流道蜗壳 10 铸为一体。在被隔板 28 分成的四个流道进口各安装进 气阀门， 通过进气阀门控制机构控制各进气阀门的开闭来合理的利用废气脉冲能量。
采用此种技术方案后可以更好的利用废气脉冲能量， 使脉冲波在较小的空间传 播， 脉冲能量衰减减小， 提高涡轮的效率， 在一定程度上改善发动机在低速时增压不足的问 题， 同时能有效的兼顾大流量工况涡轮的流通能力和提高涡轮的效率。
实施例 3， 如附图 7 所示， 为了合理的利用脉冲能量， 还可以在实施例 1 的基础上， 只在径流流道 12 内安装隔板 28， 隔板 28 将径流流道 12 分成两个流道， 与轴流流道 11 形成 三个进气流道， 在双流道蜗壳的三个进气流道各安装进气阀门， 通过进气阀门控制机构控 制各进气阀门的开闭来满足发动机各工况时的性能要求。
在小流量工况下， 径流流道 12 安装隔板 28 后， 能有效的利用废气脉冲能量， 提高 涡轮的效率， 改善发动机低速增压不足的问题。
大流量工况下， 轴流涡轮的流量范围较宽， 效率较高， 能满足发动机在大流量工况 下的涡轮流通能力。并且与本实施例 2 相比， 在轴流流道少采用一个进气阀门控制机构， 使 复合涡轮装置结构变简单， 操作更容易实现。
实施例 4 ： 如附图 8 所示， 还可以在实施例 2 的基础上， 在轴流流道 11 的蜗壳喷嘴 5 位置安装导流叶栅 29， 导流叶栅 29 向一级涡轮叶轮 14 旋转方向倾斜， 以保证气流按照规 定的方向吹入一级涡轮叶轮 14。 采用此种技术方案后能提高发动机在中高速时对轴流流道
11 的废气能量的利用， 提高了涡轮效率， 满足发动机大流量工况的要求。
实施例 5 ： 还可以在实施例 3 的基础上， 如图 9 所示， 在轴流流道 11 的蜗壳喷嘴 5 位置安装导流叶栅 29， 导流叶栅 29 向一级涡轮叶轮 14 旋转方向倾斜， 以保证气流按照规定 的方向吹入一级涡轮叶轮 14。
采用此种技术方案后能提高发动机在中高速时对轴流流道 11 的废气能量的利 用， 提高了涡轮效率， 满足发动机大流量工况的要求。
实施例 6 ： 如附图 10 所示， 还可以在实施例 4 的基础上， 将一级涡轮叶轮 14 和二 级涡轮叶轮 15 设计成单独的两部分， 不将其连接在一起， 两叶轮之间设有一定的间隙， 在 中间壁 16 上与该间隙对应的位置设置环形的空腔， 在环形的空腔内均匀安装的一周静叶 片 30， 所述静叶片 30 位于一级涡轮叶轮 14 和二级涡轮叶轮 15 之间的间隙内。
在发动机大流量工况下， 减少对一级涡轮叶轮 14 做功的气体流入二级涡轮叶轮 15， 在发动机小流量工况下， 减少对二级涡轮叶轮 15 做功的气体流入一级涡轮叶轮 14， 在 一定程度上减少叶轮中气流的流动扰乱， 减少叶轮中气体的能量损失。
静叶片 30 在径向上距离转子轴轮毂有一定的间隙， 以保证一级涡轮叶轮 14 和二 级涡轮叶轮能正常的旋转， 不会卡到静叶片 30， 静叶片 30 用法兰盘通过螺栓固定以满足双 流道蜗壳 10 的结构强度要求。 实施例 7 ： 如附图 11 所示， 还可以在实施例 5 的基础上， 将一级涡轮叶轮 14 和二 级涡轮叶轮 15 设计成单独的两部分， 不将其连接在一起， 两叶轮之间设有一定的间隙， 在 中间壁 16 上与该间隙对应的位置设置环形的空腔， 在环形的空腔内均匀安装的一周静叶 片 30， 所述静叶片 30 位于一级涡轮叶轮 14 和二级涡轮叶轮 15 之间的间隙内。
在发动机大流量工况下， 减少对一级涡轮叶轮 14 做功的气体流入二级涡轮叶轮 15， 在发动机小流量工况下， 减少对二级涡轮叶轮 15 做功的气体流入一级涡轮叶轮 14， 在 一定程度上减少叶轮中气流的流动扰乱， 减少叶轮中气体的能量损失。
本发明专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求， 完成了可变截面复合涡轮 装置的开发， 采用两级涡轮复合的方式， 提高了发动机低速时的涡轮效率， 并提高了发动机 的低速扭矩和输出功率， 改善了发动机的加速响应特性， 同时兼顾了发动机低速和中高速 工况下的增压需求。 该类型可变截面复合涡轮装置可以采用现有普通增压器的铸造及加工 技术完成。
现在我们已经按照国家专利法对发明进行了详细的说明， 对于本领域的技术人员 会识别本文所公开的具体实施例的改进或代替。这些修改是在本发明的精神和范围内的。