專利名稱：帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機渦輪增壓器，特別是涉及帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，其匹配的發(fā)動機具有提高發(fā)動機功率、降低燃油消耗率、減少排氣管廢氣污染的作用。廣泛應用于各種類型發(fā)動機，主要為車用發(fā)動機，船用發(fā)動機、還包括工程機械(如挖掘機、履帶起動機、裝載機、推土機等用發(fā)動機)、農用機械(如拖拉機、割草機)和各型號發(fā)電機組用發(fā)動機等。
背景技術：
通常的內燃機排氣管排出的廢氣帶走燃油所供給能量的25％～45％，也就是說非增壓發(fā)動機所用燃油的三分之一白白浪費了。
目前在國內廣泛使用的小型渦輪增壓器均為徑流式渦輪，小型徑流渦輪增壓器與國際水平相比，渦輪效率偏低，導致國內小型渦輪增壓器總效率較低。匹配發(fā)動機后，其發(fā)動機的動力性、經濟性、環(huán)保排放水平都較國外落后。
并且所使用的小型渦輪增壓器(葉輪直徑小于60mm)均為非水冷軸承體的，能夠滿足二十世紀發(fā)動機的需要。進入二十一世紀后，發(fā)動機技術不斷創(chuàng)新，在匹配強化程度高的發(fā)動機時，由于發(fā)動機本身潤滑油溫度高，潤滑油潤滑增壓器軸承的效果降低，不能滿足渦輪增壓器轉子組件以每分鐘150000轉高速旋轉對浮動軸承和止推軸承板的工作可靠性要求，使軸承磨損，渦輪增壓器失效，導致整臺發(fā)動機不能正常工作。在小型增壓器上，國外已少部分采用水冷軸承體，在國內尚屬空白。
如申請?zhí)?00320124156的實用新型專利披露了《小型渦輪增壓器》為徑流式渦輪，由動力葉輪渦輪機、軸承體芯部總成、離心式葉輪壓氣機、執(zhí)行器總成和放氣閥門組件組成；動力葉輪渦輪機和離心式葉輪壓氣機分別固定于軸承體芯部總成兩端；執(zhí)行器總成安裝在動力葉輪渦輪機的渦輪箱上，其與安裝于渦輪箱上的放氣閥門組件連接，壓氣機葉輪固定于渦輪轉子的轉軸另一端，且與渦輪轉子懸臂安裝在軸承體的兩端；渦輪轉子的轉軸浮動于軸承體的軸承孔內；壓氣機葉輪將止推軸承、密封套、封油蓋由里向外依次壓入到軸承體壓氣機端內；其特征是所述壓氣機葉輪采用低輪轂母線、長短葉片重疊度高的前傾后彎葉輪，渦輪轉子采用低慣量、大弧面變截面梁葉片。本實用新型提高了轉子總成的動平衡精度，使其能夠穩(wěn)定可靠地運行，但上述存在的問題無法解決。
隨著汽車工業(yè)突飛猛進的發(fā)展，國外發(fā)動機不斷技術創(chuàng)新和更新?lián)Q代，對渦輪增壓器提出了更高要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的現(xiàn)狀，提供一種帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，其采用混流理論及混流技術，提高了增壓器總效率，使其與發(fā)動機匹配時，能夠進一步提高發(fā)動機功率、降低燃油消耗率、減少排氣管廢氣污染的作用；并利用發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)的冷卻水冷卻水冷軸承體內腔的潤滑油、浮動軸承、止推軸承板和渦輪轉子的轉軸，使?jié)櫥虞S承的潤滑油溫度保持在規(guī)定的溫度正常工作。
本發(fā)明解決上述技術問題所采用的技術方案為帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，包括相配裝的渦輪轉軸、壓氣機蝸殼、軸承體、渦輪箱、壓氣機葉輪、軸封套、止推軸承和止推片等。
采取的措施包括渦輪箱為帶有混流結構的混流渦輪箱，渦輪為具有混流結構的混流渦輪，混流渦輪由混流渦輪葉輪和渦輪轉軸通過摩擦焊接工藝焊接成一體；軸承體為具有水冷卻結構的水冷軸承體；混流渦輪、水冷軸承體和混流渦輪箱具有相適配的結構；混流渦輪箱和混流渦輪能夠更有效的利用排氣管排出的高溫廢氣所含有的熱能、動能和壓力能，吹動渦輪葉輪的葉片，驅動渦輪葉輪旋轉；旋轉的渦輪葉輪連帶固定在同一轉軸上的壓氣機葉輪以同步轉速旋轉；旋轉的壓氣機葉輪吸入空氣，并使空氣的壓力增加，提高進入發(fā)動機氣缸的空氣密度，增加發(fā)動機的進氣量，促進燃料的完全燃燒并能燃燒更多的燃油。
采取的措施還包括混流渦輪箱為變截面的混流式渦輪箱，其具有渦輪箱進口、渦輪箱流道、渦輪箱出口。
渦輪葉輪直徑小于60mm。
水冷軸承體具有冷卻水進水口、冷卻水出水口、水腔通道和潤滑油道；在水冷軸承體內腔，位于渦輪葉輪一側，圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道設有水腔通道，水腔通道周壁圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道；水腔通道中具有從發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)引來冷卻水，該冷卻水經發(fā)動機水泵產生的壓力，使其圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道流動，附著并帶走潤滑油的熱量和從渦輪葉輪端高溫廢氣經水冷軸承體傳導過來的熱量；并還帶走渦輪轉軸與浮動軸承摩擦、浮動軸承與水冷軸承體內徑摩擦產生的熱量；水冷軸承體內腔的潤滑油、浮動軸承、止推軸承板和渦輪轉軸在冷卻水經水腔通道周壁傳導冷卻。
壓氣機蝸殼具有空氣進口區(qū)，壓氣機葉輪具有低輪鼓，大弧面后彎前傾結構，該壓氣機葉輪旋轉從空氣進口區(qū)吸入空氣，通過其上的葉片擴壓器和壓氣機蝸殼擴壓器使空氣至壓縮能量聚集區(qū)能量聚集；能量聚集的壓縮空氣經發(fā)動機進氣管至發(fā)動機汽缸內的燃燒作功區(qū)燃燒作功；通過混流渦輪箱混流變截面通道使廢氣壓縮能量聚集經混流蝸輪作功區(qū)對混流蝸輪作功；發(fā)動機具有能量的廢氣進入混流渦輪箱通道混流。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明結合空氣與燃燒介質在發(fā)動機氣缸內的燃燒理論，和燃氣熱—功轉換的理論，及氣流在增壓器內三元空間的流體作功效應的基礎上，在小型渦輪增壓器領域創(chuàng)新并提出了混流理論及混流技術，采用混流理論及創(chuàng)新的混流渦輪設計制造技術與成熟的結構特征為一體的小型混流渦輪，提高了渦輪級的效率為3％左右。水冷軸承體具有冷卻水進水口、冷卻水出水口、水腔通道和潤滑油道；水冷軸承體內，在渦輪葉輪一側，圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道設有水腔通道，水腔通道周壁圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道；水腔通道中具有從發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)引來冷卻水，該冷卻水經發(fā)動機水泵產生的壓力，使其圍繞潤滑油道和渦輪轉軸通道流動，附著并帶走潤滑油的熱量和從渦輪葉輪端高溫廢氣經水冷軸承體傳導過來的熱量；并還帶走渦輪轉軸與浮動軸承摩擦、浮動軸承與水冷軸承體內徑摩擦產生的熱量；提高了潤滑效果，保證增壓器軸承系統(tǒng)的可靠工作。


圖1是本發(fā)明實施例整體配裝結構剖視示意圖；圖2是圖1中渦輪葉輪的剖視結構示意圖；圖3A是圖1中混流渦輪箱的結構示意圖；圖3B是圖3A左視局部剖視結構示意圖；圖3C是圖3A后視局部剖視結構示意圖；圖4A是圖1中水冷軸承體外形結構示意圖；圖4B是圖4A橫截面剖視結構示意圖；圖4C是圖4A縱截面剖視結構示意圖；圖5是圖1中工作原理示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述。
圖1至圖5所示，帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，包括相配裝的渦輪轉軸、壓氣機蝸殼2、軸承體、渦輪箱、壓氣機葉輪7、軸封套9、止推軸承和止推片11，還包括相配裝的壓板組件5、放氣閥6、軸端螺母8、密封環(huán)10、封油蓋12、止推軸承板13、擋油片14、封油蓋螺釘15、浮動軸承擋圈16、壓氣機壓板18、渦輪箱壓板19、隔熱罩20、支架21、卡箍22、膠管23、O型圈24、墊圈25、壓氣機壓板螺栓26、渦輪箱壓板螺栓27、擋圈28。
渦輪箱為與混流渦輪葉輪相匹配的帶有混流結構的混流渦輪箱4；渦輪為具有混流結構的混流渦輪1，混流渦輪1由混流渦輪葉輪1a和渦輪轉軸1b通過摩擦焊規(guī)定成一體；渦輪葉輪1a直徑小于60mm，其葉輪葉片葉型(方程)與軸流渦輪葉片葉型(方程)和徑流渦輪葉片葉型(方程)有明顯差別，本專利的小型混流渦輪葉輪葉型的三維造型設計較復雜。
軸承體為具有水冷卻結構的水冷軸承體3；混流渦輪1、水冷軸承體3和混流渦輪箱4具有相適配的結構；混流渦輪箱4更有效地利用排氣管排出的高溫廢氣所含有的熱能、動能和壓力能，吹動混流渦輪葉輪1的葉片，驅動渦輪葉輪1高速旋轉；混流渦輪葉輪能夠將流經的高溫廢氣所含有的熱能、動能和壓力能更有效的、更多的轉變成有效功，使渦輪葉輪1具有更多、更強的做功能量，帶動固定在同一轉軸上的壓氣機葉輪7以同步轉速旋轉，將更多、更強的做功能量傳遞給壓氣機葉輪；因而旋轉的壓氣機葉輪7能夠吸入更多的空氣，并使空氣的壓力相對增加，進一步提高了進入發(fā)動機氣缸的空氣密度，增加發(fā)動機的進氣量，促進燃料的完全燃燒并能燃燒更多的燃油，促使發(fā)動機排放能夠達到歐II、III，遠期達到歐IV標準，同時發(fā)動機功率又進一步提高、燃油消耗率進一步降低。
混流渦輪箱4為變截面的混流式渦輪箱，其具有渦輪箱進口4a、渦輪箱流道4b、渦輪箱出口4c。
水冷軸承體3具有冷卻水進水口3a、冷卻水出水口3b、水腔通道3c和潤滑油道3d；水冷軸承體3內腔，位于渦輪葉輪1a一側，圍繞潤滑油道3d和渦輪轉軸1b通道設有水腔通道3b，水腔通道3b周壁圍繞潤滑油道3d和渦輪轉軸1b通道；水腔通道3b中具有從發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)引來冷卻水，該冷卻水經發(fā)動機水泵產生的壓力，使其圍繞潤滑油道3d和渦輪轉軸1b通道流動，附著并帶走潤滑油的熱量和從渦輪葉輪1a端高溫廢氣經水冷軸承體3傳導過來的熱量；并還帶走渦輪轉軸1b與浮動軸承17摩擦、浮動軸承17與水冷軸承體3內徑摩擦產生的熱量；使?jié)櫥虞S承的潤滑油溫度保持在相對低的溫度(一般≤120℃)，從而保證了潤滑油的工作特性，保證了軸承系統(tǒng)的正常工作。
水冷軸承體3內腔的潤滑油、浮動軸承17、止推軸承板13和渦輪轉軸1b在冷卻水經水腔通道3b周壁傳導冷卻。
壓氣機蝸殼2具有空氣進口區(qū)C，壓氣機葉輪7具有低輪鼓，大弧面后彎前傾結構，該壓氣機葉輪7旋轉經空氣進口區(qū)C吸入空氣，通過其上的葉片擴壓器和壓氣機蝸殼2擴壓器使空氣至壓縮能量聚集區(qū)A能量聚集；能量聚集的壓縮空氣經水冷軸承體3至發(fā)動機汽缸內的燃燒作功區(qū)E燃燒作功；通過混流渦輪箱4混流變截面通道使廢氣壓縮能量聚集經混流蝸輪作功區(qū)B對混流蝸輪作功；發(fā)動機具有能量的廢氣進入混流渦輪箱4通道F混流。
在小型渦輪增壓器上采用具有混流理論及混流渦輪技術的小型混流渦輪和相匹配的渦輪箱，使其匹配的發(fā)動機能夠進一步提高發(fā)動機功率、降低燃油消耗率、減少排氣管廢氣污染的作用。并且在小型渦輪增壓器(葉輪直徑小于60mm)上采用帶有水冷的水冷軸承體，其利用發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)的水，冷卻位于水冷軸承體內腔的潤滑油、浮動軸承、止推軸承板和渦輪轉子的轉軸；水冷軸承體內具有冷卻水進水口、冷卻水出水口、水腔通道和潤滑油道形成完善的冷卻結構。
本發(fā)明結合空氣與燃燒介質在發(fā)動機氣缸內的燃燒理論，燃氣熱-功轉換的理論，及氣流在增壓器內三元空間的流體計算的基礎上，在小型渦輪增壓器領域創(chuàng)新并提出了混流理論及混流技術，采用混流理論及創(chuàng)新的混流渦輪設計制造技術與成熟的結構特征為一體的小型混流渦輪，提高了渦輪級的效率為3％左右。
本發(fā)明的最佳實施例已被闡明，由本領域普通技術人員做出的各種變化或改型都不會脫離本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，包括相配裝的渦輪轉軸、壓氣機蝸殼(2)、軸承體、渦輪箱、壓氣機葉輪(7)、軸封套(9)、止推軸承和止推片，其特征是所述的渦輪箱為帶有混流結構的混流渦輪箱(4)，所述的渦輪為具有混流結構的混流渦輪(1)，所述的混流渦輪(1)由混流渦輪葉輪(1a)和渦輪轉軸(1b)配裝構成；所述的軸承體為具有水冷卻結構的水冷軸承體(3)；所述的混流渦輪(1)、水冷軸承體(3)和混流渦輪箱(4)具有相適配的結構；所述的混流渦輪箱(4)利用排氣管排出的高溫廢氣所含有的熱能、動能和壓力能，吹動渦輪葉輪(1)的葉片，驅動渦輪葉輪(1)旋轉；旋轉的渦輪葉輪(1)連帶固定在同一轉軸上的壓氣機葉輪(7)以同步轉速旋轉；旋轉的壓氣機葉輪(7)吸入空氣，并使空氣的壓力增加，提高進入發(fā)動機氣缸的空氣密度，增加發(fā)動機的進氣量，促進燃料的完全燃燒并能燃燒更多的燃油。
2.根據權利要求1所述的帶有混流渦輪的小型渦輪增壓器，其特征是所述的混流渦輪箱(4)為變截面的混流式渦輪箱，其具有渦輪箱進口(4a)、渦輪箱流道(4b)、渦輪箱出口(4c)；所述的混流渦輪由混流渦輪葉輪和渦輪轉軸配裝為通過摩擦焊接工藝焊接成一體。
3.根據權利要求1所述的帶有混流渦輪的小型渦輪增壓器，其特征是所述的渦輪葉輪(1a)直徑小于60mm。
4.根據權利要求1或2或3所述的帶有混流渦輪的小型渦輪增壓器，其特征是所述的水冷軸承體(3)具有冷卻水進水口(3a)、冷卻水出水口(3b)、水腔通道(3c)和潤滑油道(3d)；在所述的水冷軸承體(3)內腔，位于渦輪葉輪(1a)一側，圍繞所述的潤滑油道(3d)和渦輪轉軸(1b)通道設有水腔通道(3b)，水腔通道(3b)周壁圍繞潤滑油道(3d)和渦輪轉軸(1b)通道；所述的水腔通道(3b)中具有從發(fā)動機水冷卻系統(tǒng)引來冷卻水，該冷卻水經發(fā)動機水泵產生的壓力，使其圍繞潤滑油道(3d)和渦輪轉軸(1b)通道流動，附著并帶走潤滑油的熱量和從渦輪葉輪(1a)端高溫廢氣經所述的水冷軸承體(3)傳導過來的熱量；并還帶走渦輪轉軸(1b)與浮動軸承(17)摩擦、浮動軸承(17)與水冷軸承體(3)內徑摩擦產生的熱量；水冷軸承體(3)內腔的潤滑油、浮動軸承(17)、止推軸承板(13)和渦輪轉軸(1b)在冷卻水經水腔通道(3b)周壁傳導冷卻。
5.根據權利要求4所述的帶有混流渦輪的小型渦輪增壓器，其特征是所述的壓氣機蝸殼(2)具有空氣進口區(qū)(C)，所述的壓氣機葉輪(7)具有低輪鼓，大弧面后彎前傾結構，該壓氣機葉輪(7)旋轉經空氣進口區(qū)(C)吸入空氣，通過其上的葉片擴壓器和壓氣機蝸殼(2)擴壓器使空氣至壓縮能量聚集區(qū)(A)能量聚集；能量聚集的壓縮空氣經所述的水冷軸承體(3)至發(fā)動機汽缸內的燃燒作功區(qū)(E)燃燒作功；通過混流渦輪箱(4)混流變截面通道使廢氣壓縮能量聚集經混流蝸輪作功區(qū)(B)對混流蝸輪作功；發(fā)動機具有能量的廢氣進入混流渦輪箱(4)通道(F)混流。
全文摘要
本發(fā)明公開了帶有混流渦輪和水冷軸承體的小型渦輪增壓器，包括渦輪轉軸、壓氣機蝸殼、軸承體、渦輪箱、壓氣機葉輪、軸封套、止推軸承和止推片，渦輪箱為帶有混流結構的混流渦輪箱，渦輪為具有混流結構的混流渦輪，混流渦輪由混流渦輪葉輪和渦輪轉軸通過摩擦焊成為一體；軸承體為具有水冷卻結構的水冷軸承體；混流渦輪、水冷軸承體和混流渦輪箱具有相適配的結構；混流渦輪箱和混流渦輪葉輪能夠更有效的利用排氣管排出的高溫廢氣所含有的熱能、動能和壓力能，吹動渦輪葉輪的葉片，驅動渦輪葉輪旋轉；旋轉的渦輪葉輪連帶固定在同一轉軸上的壓氣機葉輪以同步轉速旋轉；旋轉的壓氣機葉輪吸入空氣，提高進入發(fā)動機氣缸空氣密度和進氣量。
文檔編號F02B37/00GK1861987SQ20061005198
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月15日 優(yōu)先權日2006年6月15日
發(fā)明者吳杰, 畢金光, 王亮珍, 董復興 申請人:吳杰