渦輪增壓器的推力平衡方法和裝置的製作方法
2023-12-09 12:28:36 4
專利名稱：渦輪增壓器的推力平衡方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪增壓器的推力平衡裝置和方法，如在權利要求1和5的前序部分所描述的一樣。
現在大型柴油機的渦輪增壓器主要裝備有軸向渦輪和離心壓縮機。流向兩個轉子的進口位於兩端的軸線方向上。這樣的布置導致了壓縮機和渦輪作用在同一方向上的軸向推力。結果，作用在軸承上的總推力可能變得很大。為了減小此負載，提出了測量並減小推力的課題。經常採用的方法是減小壓縮葉輪後壁上的壓力，也就是，減小渦輪增壓器高壓區的壓力。為此目的，通過一安裝在渦輪增壓器腔體裡的管道，將壓縮葉輪的後部空間與渦輪增壓器的一個區域相連接，該區域的壓力比高壓區的壓力低。這樣，在渦輪增壓器運行期間就會產生高壓區的排放通風，因此，壓縮葉輪後部空間的空氣壓力就有一個顯著的減小，這樣就減小了作用在軸承上的總推力。那麼，較低壓力區可能是渦輪機出口(廢氣壓力)或也可能是圍繞渦輪增壓器的外部空間(環境壓力)。在壓縮葉輪的外徑，一個非接觸密封確保對從出口到壓縮葉輪後部空間的空氣洩漏的限制，即使高壓降低(1997年6月19-20日，在雅典，Evgenidion基金會舉辦的第二屆「船舶推進系統，設計和運行」國際討論會上，M.Imakiire等的講演稿，「MET渦輪增壓器設計特點和所取得的用戶—友善方面改進的概述」，第3頁和圖2，底部)。
已經知道作為推力平衡的一個可選解決方案是，將位於渦輪機上遊的高壓區與渦輪機下遊的較低壓力區相連，或與圍繞渦輪增壓器的外部空間相連(同前，圖2，底中)。
然而，此解決方案在所有運行狀態下均有大量流體洩漏。體積損失可達1.5％，從而導致減小大約1％的渦輪增壓器效率。在與渦輪增壓器相連的大功率發動機，以及與之相應的高壓縮壓力比的情況下，由推力平衡所引起的損耗是自動吸收的。由於在輕載時沒有必要推力平衡，所以，在此情況下的體積損失未必會削弱渦輪增壓器的效率。
在渦輪增壓器速度很低及伴隨著的低洩漏量時，在空轉時發動機可以作為吸氣發動機，也就是，空氣通過壓縮機管道吸入。結果，在壓縮葉輪的出口就有一個減壓，並且這可能導致廢氣從渦輪機出口通過壓縮葉輪的後部空間到壓縮機管道的回流。由於對用鋁製造的熱敏壓縮葉輪可能的加熱，這種回流同樣是非常不希望出現的。
上述缺點當然不局限於配備有軸向渦輪機的渦輪增壓器的情況，在配有徑向渦輪機的渦輪增壓器情況下也會出現。
因此，本發明的一個目的，試圖避免所有這些缺陷的目的，是提供一個新穎的改善配置有推力平衡裝置的渦輪增壓器輕載和空轉性能的方法和裝置。
根據本發明，實現方法如權利要求1前序部分所述，其特徵在於，葉輪後部空間和低壓區之間的連接，在渦輪增壓器全負荷時是完全打開的，輕載時至少大部分關閉，空轉時完全關閉。為此目的，推力平衡裝置具有一個閉合部件，該閉合部件自動或由外部動力開或關，可為高壓區的壓力所作用。
通風管道式的推力平衡裝置至少局部安裝在渦輪增壓器腔體裡是非常方便的；閉合部件在此通風管道區裡。通風管道可以安裝在位於渦輪機上遊的高壓區和渦輪機下遊的低壓區之間，或安裝在位於離心壓縮機下遊的葉輪後部空間和壓力比葉輪後部空間壓力低的一個渦輪增壓器區域之間。在通風管道安裝在渦輪機區域的情況下，閉合部件的耐熱性至少應該為700℃，而在通風管道安裝在離心壓縮機區域的情況下，其耐熱應至少為200℃。用這種方法，在長期運行期間，即使在全負荷的運行溫度下，閉合部件能夠不被損壞，這樣就確保了此部件具有較長的使用壽命。
由於渦輪增壓器高壓區的壓力作用在閉合部件上，並使後者完全張開，保證了全負荷時的推力平衡。另一方面，在渦輪增壓器輕載和空轉時，高壓區的壓力顯著減少，因此，閉合部件將通風管道完全關閉或至少大部分關閉。在這種情況下，在輕載時的體積損失也能減小，結果提高了渦輪增壓器的效率。空轉時，當完全關閉通風管道時，能夠切斷從渦輪機出口到葉輪後部空間的有害的廢氣回流。這樣就改善了渦輪增壓器的輕載和空轉性能，而不管是否有推力平衡裝置。
本發明實施例的更進一步的優點在從屬權利要求中給出。
參照下面的詳細說明並結合附圖，本發明完整的評價和許多優點將會更容易得到和理解，在這裡，描述了本發明配備有離心壓縮機和軸向渦輪的渦輪增壓器的大量實施例，這裡
圖1表示現有技術中配備有一個推力平衡裝置的渦輪增壓器的局部縱向剖面圖；圖2表示在第一實施例中，根據本發明的圖1中帶有閉合部件部分的放大圖；圖3表示在第一實施例更進一步改進中，圖1中所示的閉合部件的局部剖面圖；圖4表示在第二實施例中，根據本發明圖1中帶有閉合部件部分的放大圖；圖5表示在第三實施例中，圖1中的僅用圖解法表示的閉合部件的放大圖；圖6表示在另一實施例中，根據本發明圖1中配置有閉合部件的軸承套；圖7表示在下一實施例中，根據本發明圖1中配置有閉合部件的軸承套；圖8表示在另一實施例中，根據本發明圖1中帶有閉合部件部分的放大圖；以上僅表示了理解本發明的重要部件。沒有表示出設備，例如，與渦輪增壓器相連的內燃機。工作介質的流動方向用箭頭表示。
現在參照附圖，這裡，在這幾個視圖中，相同的標誌數字表示相同的或相應的部件，圖1表示了現有技術中帶有一個軸流渦輪2、一個離心壓縮機3和一個內部軸承裝置的渦輪增壓器1。在內燃機(未示出)運行期間，廢氣4通過渦輪進氣管5導向渦輪增壓器1的渦輪2中。在通過噴嘴環6後，廢氣4被導向渦輪機葉輪8的轉子葉片7的軸線方向，並在此過程中膨脹。轉子葉片7通過護環9固定成向外放射狀的擴散體，護環9又固定到渦輪2的渦輪排氣管10上。渦輪機葉輪8與離心壓縮機3的壓縮葉輪11一起，布置在一個公共軸12上。結果，在流體通過渦輪機葉輪8期間，壓縮葉輪11同時被驅動，因此壓縮葉輪11導致並壓縮空氣13到運行內燃機所必須的程度。當在離心壓縮機3中壓縮的空氣13通過配置在壓縮腔14中的管15到達內燃機時，在渦輪機葉輪8的轉子葉片7中膨脹的廢氣4通過渦輪2的排氣管10排到外邊。
葉輪後部空間16，表示渦輪增壓器1的高壓區，位於壓縮葉輪11的下遊。內部軸承系統由配置在軸承箱17中的兩個徑向軸承18、19和一個止推軸承20組成。為了平衡渦輪增壓器1上的推力，即，減少作用在止推軸承20上的總推力(推力用箭頭表示)，通風管道22配置在裝有軸承箱17的渦輪增壓器1的殼體中，並位於壓縮葉輪11的葉輪後部空間16和渦輪出口21之間一作為渦輪增壓器1的一個區域，該區域的壓力比壓縮葉輪11的葉輪後部空間16的空氣壓力低。
軸承箱17和壓縮腔14是通過一個中間隔牆23構成的定子相互隔離的。相對於中心線24徑向分布的分離間隙25位於運行時轉動的壓縮葉輪11和固定的中間隔牆23之間。分離間隙25容納一個限制氣流洩漏的迷宮式密封26，不管高壓是否降低。迷宮式密封26的下遊，分離間隙25與葉輪後部空間16相連，它通過中間隔牆23中的一個凹槽27連接到中間部分28上，並且後者又與通風管道22相連。
渦輪增壓器1的一個外部空間29當然也能作為低壓區。在這種情況下，通風管道22位於葉輪後部空間16和外部空間29(未示出)之間。在第一種情況下，因此，渦輪2的廢氣壓力可用於推力平衡，而且在第二種情況下，渦輪增壓器1的外部空氣壓力也用於此目的。
在本發明的第一實施例中，板狀閉合件30，具有一個自由板端31和一個固定到通風管道22上的板端32，安裝在通風管道22中(見圖2)。板狀閉合件30至少耐200℃溫度。這樣的閉合件30，在通風管道22中可以獲得較大的橫截面，這樣汙染的危險很小。
閉合件配置成完全覆蓋通風管道22的彎曲彈簧件30。為了此目的，通風管道22具有一個有第一截面d1的第一管道部分33和，在第一管道部分33的壓縮端，具有一個有第二截面d2的第二管道部分34，第二截面d2相對於第一截面d1是增大的。彎曲彈簧件30安裝在第二管道部分並且通過它的板端32固定到第二管道部分34上。
在與渦輪增壓器1相連的全負荷發動機中，在壓縮葉輪11的高壓區(葉輪後部空間)16中的空氣壓力作用在彎曲彈簧件30上。隨著壓縮葉輪11的葉輪後部空間16中的空氣壓力的增加，或在中間部分28中，由於壓力作用，彎曲彈簧件30沿渦輪出口21方向彎曲離開它的初始位置。因此，通風管道22自動打開並確保了推力平衡。通風管道設計成這樣一種方式，在彈簧偏轉較小的情況下，整個截面保持堵塞，並僅僅在彎曲彈簧件30具有一定的偏轉才打開。由於葉輪後部空間16和渦輪出口21之間的壓力差別變得較大，截面的開口也變得較大。
另一方面，在渦輪增壓器1輕載的情況下，葉輪後部空間16的空氣壓力顯著減小，因此彎曲彈簧件30至少大部分關閉或完全關閉通風管道22。在這種情況下，輕載時體積損失減少，結果渦輪增壓器1的效率增加了。空轉時，在通風管道22完全關閉發生時，可以切斷從渦輪出口21返回到葉輪後部空間16的廢氣流的損害。因此，儘管有推力平衡裝置，渦輪增壓器1在輕載或空轉下的性能增加了。
為了促進通風管道22的完全打開，永久磁鐵35安裝在第二管道部分34上，在彎曲彈簧件30自由板端31的渦輪一側。從彎曲彈簧件30的特定位置，永久磁鐵吸引彎曲彈簧，因此釋放了整個通風管道22。另外，在自由板端31的壓縮機一測，第二管道部分34上有一個擋塊36(它防止彎曲彈簧回彎)。
彎曲彈簧29有兩個表面層37、38和一個中間層39，中間層39有一個密封凸緣40，密封凸緣在自由板端31伸出超過表面層37、38(見圖3)。兩個表面層37、38由具有不同熱膨脹係數的金屬材料製成，在渦輪一側的表面層37的熱膨脹係數比壓縮機一側的表面層38的熱膨脹係數低。
由於在渦輪增壓器1全負荷時葉輪後部空間16的高溫，壓縮機一側的表面層38比渦輪一側表面層37的膨脹較強烈，因此，也支撐了通風管道22的開口。另一方面，在輕載時葉輪後部空間16的溫度較低，因此，由於壓縮機一側表面層38較大的熱膨脹係數，彎曲彈簧件30返回到它的初始位置，結果，通風管道22關閉。彎曲彈簧件30的兩個運動方向用雙箭頭表示。由於雙金屬效應，防止了彎曲彈簧件30幹擾，因此確保了通風管道22的可靠關閉和打開。另外，通過採用多層結構的彎曲彈簧件30也減小了任何可能的抖動傾向，並且由於採用密封凸緣40也改善了通風管道22的密封。
在本發明的第二實施例中，覆蓋通風管道22整個截面的密封擋板41作為一個閉合部件(見圖4)。在固定到第二管道部分34的板端32，密封擋板41具有一個鉸鏈42。另外，密封擋板41通過一個彈性部件連接到第二管道部分34渦輪端的側壁44，彈性部件為一個非線性彈性特徵的彈性杆43。阻擋密封擋板41的擋塊45安裝在通風管道22上。
符合歐拉變形定理的連接位於密封擋板41和變形杆43之間，以這樣一種形式產生，即當超過臨界變形負荷時，密封擋板41突然打開，這樣就使通風管道22暢通。然後擋塊45防止變形杆43的任何過度變形，這樣後者僅能進行彈性變形。密封擋板41的兩個運動方向用雙箭頭表示。代替變形杆43的，當然也可以使用不同的彈性部件，例如一個螺旋狀彈簧(未示出)。
按照第三實施例，一個安裝在通風管道22內的單向閥46可以是閉合部件。單向閥46直接安裝在從通風管道22進入中間部分28的開口處。它由一個固定套筒47、一個閥球48和一個壓縮彈簧組成(見圖5)。在葉輪後部空間16處於高壓的情況下，也就是，渦輪增壓器全負荷時，因為閥球48相對壓縮彈簧49的彈力沿渦輪出口21方向移動，單向閥46打開。在另一方面，如果渦輪增壓器1的出口降低，由於初始位置方向上的壓縮彈簧49的作用，閥球48移動，直至單向閥46又關閉。
按照本發明的另一個實施例，通風管道22(位於離心壓縮機3的葉輪後部空間16和渦輪增壓器1的區域21之間，區域21的壓力比葉輪後部空間16的壓力低)從渦輪增壓器1的軸承箱17引出為一個管51。安裝在軸承箱17外邊的管51通過一個擰入連接52可拆卸地連接到軸承箱17和通風管道22上(見圖6)。通過這種方式，管51可以從外部拆掉，這樣密封擋板41也相對容易接近。因此，在發生故障的時候，沒必要拆卸到整個渦輪增壓器，及將與之相連的發動機關掉。
在密封擋板41的上遊和下遊，具有一個壓力測量元件54的測量線路53與管51相連。兩條測量線路53都通過一個測量和評估元件55連接到一個密封擋板41的動力線路56上，這樣，後者也能夠更方便地從外部控制。而且，很自然有可能採用一個不同的閉合部件，如圖5中所示的單向閥46或圖2中所示的彎曲彈簧件30。
按照下一個實施例中的一個可選項，從外部延伸到通風管道22的孔57在渦輪增壓器1的軸承箱17上。孔57容納一個帶有螺栓59的螺旋部件58，並同樣延伸到通風管道22中，螺栓59承載密封擋板41(見圖7)。這為從外部接近密封擋板41提供了方便。後者現在完全可以從通風管道22中移走，並可分別維護。另外，螺旋部件58有一個壓力測量孔60，該孔延伸到通風管道22中，並且在它的另一端，又通過測量線路53連接到測量和評估元件55上。這樣，就有可能進行推力平衡的簡單監測。
與上述的壓縮機一端的布置的效果類似，在又一個實施例中，通風管道22安裝在位於渦輪機葉輪8上遊即中間部分61的高壓區和渦輪出口21之間，也就是，渦輪增壓器1的一個區域，該區域的壓力比中間部分61的壓力低。主要相對於中心線24徑向布置的分離間隙63在運行時轉動的渦輪機葉輪8和噴嘴環6固定的內環62之間。分離間隙63容納一個限制廢氣洩漏的迷宮式密封64，而不管高壓是否降低。中間部分61與迷宮式密封64的下遊相鄰，並且通過通風管道22又與渦輪出口21相通，後者最終通向外部空間29(見圖8)。閉合部件，可以是密封擋板41，安裝在渦輪排氣管10區域通風管道22內。
當然，通風管道也能安裝在噴嘴環6的一個靜止葉片上(未示出)。通風管道也同樣能安裝在壓縮機和渦輪端部，並且在每種情況下，均有一個閉合部件(同樣未示出)。
明顯地，根據上述提示，對本發明進行許多修改和變形都是可能的。因此，應該清楚的是，在附加的權利要求範圍內，除了這裡特別描述的之外，也可能實現本發明。
權利要求
1.一種渦輪增壓器(1)的推力平衡方法，該渦輪增壓器具有一個離心壓縮機(3)和一個渦輪(2)，這裡，渦輪增壓器(1)的高壓區(16，61)與渦輪增壓器(1)的一區域(21，29)相連接，該區域(21，29)的壓力比高壓區(16，61)低，其特徵在於，此連接在渦輪增壓器(1)全負荷時是完全敞開的，輕載時至少大部分關閉，空轉時完全關閉。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，此連接的打開和關閉是自動進行的。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，此連接的打開和關閉是由外部動力進行的。
4.根據權利要求2或3所述的方法，其特徵在於，此連接的打開和關閉是由高壓區(16，61)壓力的作用進行的。
5.一種實現權利要求1至4之一所述方法的裝置，其特徵在於，該推力平衡裝置具有一個閉合部件(30，41，46)。
6.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，該推力平衡裝置具有一通風管道(22)，該通風管道至少部分安裝在渦輪增壓器(1)的外殼(17)上，並且閉合部件(30，41，46)配置在通風管道(22)區內。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特徵在於，閉合部件(30，41，46)安裝在通風管道(22)內。
8.根據權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，通風管道(22)安裝在位於離心壓縮機(3)下遊的一個葉輪後部空間(16)和渦輪增壓器(1)的一區域(21，29)之間，該區域(21，29)的壓力比葉輪後部空間(16)的壓力低，閉合部件(30，41，46)至少耐200℃的溫度。
9.根據權利要求6或7所述的裝置，其特徵在於，通風管道(22)安裝在位於渦輪(2)上遊的高壓區(61)和渦輪(2)下遊的低壓區(21)之間，閉合部件(30，41，46)至少耐700℃溫度。
10.根據權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，閉合部件(30，41，46)為板狀，它具有一個第一自由板端(31)，和一個固定到通風管道(22)上的第二板端(32)。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，完全覆蓋通風管道(22)的彎曲彈簧件配置為與(30)一樣的閉合部件。
12.根據權利要求11所述的裝置，其特徵在於，在第二管道部分(34)，在閉合部件(30)自由板端(31)的壓縮機一側安裝了一個擋塊(36)，在閉合部件(30)自由板端(31)的渦輪一側安裝了一個永久磁鐵(35)。
13.根據權利要求11或12所述的裝置，其特徵在於，閉合部件(30)由兩個表面層(37、38)和一個中間層(39)所組成，並且中間層(39)配置有一個密封凸緣(40)，該密封凸緣(40)在自由板端(31)伸出超過表面層(37、38)。
14.根據權利要求13所述的裝置，其特徵在於，至少表面層(37、38)中的一個是由金屬材料製成的，中間層(39)是由塑料製成的。
15.根據權利要求14所述的裝置，其特徵在於，兩個表面層(37、38)是由不同熱膨脹係數的金屬材料製成的。
16.根據權利要求10所述的裝置，其特徵在於，完全覆蓋通風管道(22)的密封擋板為閉合部件(41)，該密封擋板在其板端(32)具有一鉸鏈(42)將之固定到通風管道(22)上，並且，另外還通過一個具有非線性彈性特徵的彈性部件(43)與通風管道(22)相連。
17.根據權利要求6至16之一所述的裝置，其特徵在於，通風管道(22)有一個具有第一截面(d1)的第一管道部分(33)和，在第一管道部分(33)的壓縮機一端，有一個具有第二截面(d2)的第二管道部分，第二截面(d2)比第一截面(d1)大，在這裡，閉合部件(30，41，46)安裝在第二管道部分(34)，並通過板端(32)固定到第二管道部分(34)。
18.根據權利要求8或9所述的裝置，其特徵在於，單向閥為閉合部件(46)。
19.根據權利要求6至18之一所述的裝置，其特徵在於，通風管道(22)從渦輪增壓器(1)的腔(17)引出為管(51)，並且閉合部件(30，41，46)安裝在管(51)中。
20.根據權利要求19所述的裝置，其特徵在於，安裝在腔(17)外邊的管(51)與腔(17)和/或通風管道(22)是可拆卸連接。
21.根據權利要求19或20所述的裝置，其特徵在於，測量線路(53)分別與管(51)上遊和閉合部件(30，41，46)的下遊相連，每根測量線路(53)有一個壓力測量元件(54)並與一測量和評估元件(55)相連，後者又與閉合部件(30，41，46)的動力線路(56)相連。
22.根據權利要求6至18之一所述的裝置，其特徵在於，從外部延伸到通風管道(22)的孔(57)配置在渦輪增壓器(1)的腔體(17)中，在這裡，孔(57)容納一個帶螺栓(59)的螺旋部件(58)，螺栓(59)運送閉合部件(30，41，46)，並同樣延伸到通風管道(22)。
23.根據權利要求22所述的裝置，其特徵在於，螺旋部件(58)具有至少一個延伸到通風管道(22)的壓力測量孔(60)，在其另一端，壓力測量孔(60)與測量和評估元件(55)相連。
全文摘要
本發明的目的是改善帶有推力平衡裝置的渦輪增壓器的輕載和空轉性能。為此目的提供了一種方法和裝置。根據本發明,目的是這樣實現的,即渦輪增壓器(1)高壓區(16,61)與渦輪增壓器(1)一區域(21,29)相連接,該區域(21,29)的壓力比高壓區(16,61)的壓力低,此連接在渦輪增壓器全負荷時完全打開,輕載時至少大部分關閉,空轉時完全關閉。為此目的,通風管道(22)式的推力平衡裝置具有一閉合部件(30,41,46)。
文檔編號F01D3/04GK1248667SQ99119800
公開日2000年3月29日 申請日期1999年8月14日 優先權日1998年9月3日
發明者M·洛斯, F·利希特納 申請人:亞瑞亞·勃朗勃威力有限公司