技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种新型的涡轮装置，具体的说涉及一种用于涡轮
增压的可变截面复合涡轮装置，能有效的兼顾
发动机的低速和高速增压要求，属于
内燃机增压领域。
背景技术
[0002] 随着排放标准的逐步提高，
增压器被广泛的应用于现代发动机。 为了满足发动机所有工况下特别是低速工况下的性能和排放要求，增压器必须提供更高的
增压压力，并具有发动机进气压力和排气压力的可调节功能，可变截面增压器已经成为增压领域的研发重点。 目前普遍采用在涡轮蜗壳
喷嘴处增加可旋转
叶片的结构来满足变截面的要求，与固定截面和废气旁通型增压器相比，它能有效地拓宽
涡轮增压器与发动机的匹配范围，实现增压压力和排气压力的可调节功能。
[0003] 旋叶式可变截面增压器结构示意图如
附图1所示，旋叶式可变截面增压器的涡轮部分包括涡轮蜗壳20、蜗壳喷嘴22、涡轮
叶轮24三部分。 发动机排出的废气经涡轮蜗壳进气道26到达蜗壳喷嘴22，在喷嘴处安装一组可旋转喷嘴叶片23，传动机构19通过控制喷嘴叶片23的
角度来改变喷嘴的流通面积和出口气流的角度，使气流按设计的角度进入涡轮叶轮24做功，涡轮叶轮带动同轴安装的
压气机叶轮29高速旋转，将新鲜空气压缩后送入
气缸参与燃烧，实现增压的目的。
[0004] 旋叶式可变截面增压器通过改变喷嘴叶片的角度来改变涡轮流通面积，控制方便。 但是在实际的应用中发现这种旋叶式可变涡轮增压器存在一些缺点。
[0005] 在大流量工况下，喷嘴叶片的开度增大，喷嘴叶片的尾缘距离涡轮叶片的前缘较近，废气中的颗粒会对喷嘴叶片造成较大的磨损。 在小流量工况下，喷嘴叶片开度很小，这时喷嘴出口气流的周向速度高而径向速度低，涡轮进气角度很大，涡轮变为纯冲动式涡轮，涡轮效率下降。 另一方面喷嘴处的流通截面变化剧烈，节流损失较大，从而使涡轮效率进一步下降。 另外，涡轮增压器工作在一个高温、强振动的恶劣环境中，过于复杂的机械结构使得提高旋叶式可变截面增压器的可靠性和寿命变得异常困难，过于复杂的机械结构还导致高昂的成本，限制了该类型可变截面增压器的市场应用。
[0006] 因此希望设计一种结构简单、成本低、可靠性高，并且在小流量时具有较高效率、较大
扭矩的新型可变截面涡轮结构，来解决目前旋转叶片结构的涡轮增压器在可靠性、成本和效率方面存在的问题，满足发动机在各个工况下对增压压力的要求。实用新型内容
[0007] 本实用新型要解决的问题是针对旋叶式可变截面增压器的上述
缺陷提供一种用于涡轮增压的可变截面复合涡轮装置，能够提高涡轮在发动机低速区的效率和扭矩以及涡轮
转子的响应特性。
[0008] 为了解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：
[0009] 一种可变截面复合涡轮装置，包括双流道涡轮蜗壳，所述双流道涡轮蜗壳上设有两个气流通道，双流道涡轮蜗壳上设有与气流通道连通的蜗壳出气口和蜗壳进气口，在双流道涡轮蜗壳内设有复合涡轮叶轮，所述复合涡轮叶轮由两个涡轮叶轮复合而成，两个涡轮叶轮与两个气流通道一一对应配合。
[0010] 以下是实用新型对上述方案的进一步改进：
[0011] 所述涡轮叶轮包括一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮，所述一级涡轮叶轮固接在二级涡轮叶轮的外缘
位置。
[0012] 进一步改进：
[0013] 所述一级涡轮叶轮包括一级涡轮进口部和一级涡轮中间部；二级涡轮叶轮包括二级涡轮进口部和二级涡轮中间部，所述一级涡轮中间部与二级涡轮进口部固接，一级涡轮叶轮和二级涡轮叶轮共用一个涡轮出口部。
[0014] 进一步改进：
[0015] 所述一级涡轮叶轮的进口直径大于二级涡轮叶轮的进口直径；一级涡轮叶轮的进口宽度小于二级涡轮叶轮的进口宽度。
[0016] 一级和二级涡轮进口部的进口宽度和进口直径根据发动机的具体性能要求进行设计，一级进口部的进口宽度和进口直径以满足发动机低速时的性能和排放要求为设计目标，二级涡轮进口部的进口宽度和进口直径与一级涡轮叶轮相配合，以满足发动机中高转速时的性能和排放要求为设计目标，并满足发动机额定点的通流能力要求，避免增压器超速和增压压力过高。
[0017] 进一步改进：
[0018] 所述一级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮盘一侧，二级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮缘一侧。
[0019] 进一步改进：所述涡轮轮盘为镂空型轮盘，采用这种结构可获得较小的涡轮转子
转动惯量，提高涡轮增压器的
加速响应特性。
[0020] 另一种改进：所述涡轮轮盘为半封闭轮盘，采用这种结构后由轮盘背部的间隙导致的流动损失减小，涡轮效率提高，同时还可以提高涡轮叶轮的强度。
[0021] 另一种改进：
[0022] 所述气流通道包括小流道和大流道，所述小流道与一级涡轮相配合，大流道与二级涡轮相配合。
[0023] 进一步改进：
[0024] 所述小流道的流通面积小于大流道的流通面积，两个流道的出口为并列分布。
[0025] 进一步改进：
[0026] 所述小流道的出口与涡轮旋
转轴线的距离大于大流道的出口与涡轮
旋转轴线的距离，小流道的出口宽度小于大流道的出口宽度。
[0027] 进一步改进：
[0028] 所述小流道与大流道之间设有中间壁，所述中间壁与双流道涡轮蜗壳铸为一体。
[0029] 进一步改进：
[0030] 所述中间壁的截面形状为翼形，中间壁末端位于大流道一侧为直线结构，中间壁末端位于小流道一侧为弧形结构。
[0031] 上述中间壁的厚度由复合涡轮的一级涡轮中间部轴向长度决定，当厚度较大时，为减轻双流道涡轮蜗壳的重量，节约材料，避免
温度变化时过大的
应力集中，中间壁的内部可设为空心结构。
[0032] 进一步改进：
[0033] 小流道位于远离蜗壳出气口的一侧，大流道位于靠近蜗壳出气口的一侧，所述一级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮盘的一侧，二级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮缘的一侧。
[0034] 另一种改进：
[0035] 小流道位于靠近蜗壳出气口的一侧，所述大流道位于远离蜗壳出气口的一侧，所述一级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮缘的一侧，二级涡轮叶轮设置在靠近涡轮轮盘的一侧。
[0036] 进一步改进：
[0037] 在大流道的喷嘴处设有气流
导向叶片，所述气流导向叶片倾斜安装，所述气流导向叶片向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的角度进入涡轮。 采用此种技术方案可提高发动机中高速时的废气
能量利用效率，并有效阻止发动机低速时二级涡轮进口处产生的回流进入大流道。
[0038] 另一种改进：
[0039] 在小流道的喷嘴处设有气流导向叶片，所述气流导向叶片倾斜安装，所述气流导向叶片向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的方向流入涡轮。 采用此种技术方案能提高发动机低速时的涡轮效率，提高发动机低速时的废气能量利用效率。
[0040] 另一种改进：
[0041] 在小流道和大流道的喷嘴处分别设有气流导向叶片，所述气流导向叶片倾斜安装，所述气流导向叶片向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的方向流入涡轮，大流道喷嘴处的气流导向叶片可有效阻止发动机低速时二级涡轮进口处产生的回流进入大流道。 采用此种技术方案能提高发动机大部分工况下对废气能量的利用效率，满足发动机各工况的增压要求。
[0042] 本实用新型通过对涡轮增压器涡轮的设计开发，采用复合涡轮装置实现可变截面功能，有效地解决了旋叶式可变截面增压器的可靠性差、成本高的不足，能够有效提高发动机低速时涡轮的效率并增大涡轮的扭矩输出。
[0043] 在发动机低速时，发动机排出的废气量较少，进气调节
阀关闭，所有排气全部进入小流道，经小流道进入复合涡轮的一级涡轮进口部做功。 小流道具有较小的流通截面积，可有效提高涡轮蜗壳进口的进气压力，增大进入涡轮的废气能量；一级涡轮进口部具有较小的进气宽度，较小的进气宽度使得一级涡轮进口部的进口面积较小，可有效避免发动机低速时过大的涡轮进气角度，降低涡轮进口的进气冲角损失；一级涡轮进口部又具有较大的进口直径，在转速不变的情况下可获得较高的轮周速度，可有效避免发动机低速时过小的U/C，使涡轮工作在高效区域，同时采用较大的进口直径可获得较大的涡轮扭矩，提高涡轮的做功能力。 通过涡轮进气能量的增加和涡轮效率的提高，充分利用废气中的能量，提高涡轮的功率和扭矩输出，提高发动机低速时的增压压力并避免过高的排气背压。 同时由于小流道流通面积小、一级涡轮叶轮具有较大进口直径，可提高增压器的加速响应特性，降低增压
迟滞的影响。 所实用新型的复合涡轮装置可有效提升发动机低速性能并降低排放。
[0044] 在发动机中高转速时，发动机排出的废气量较多，进气调节阀打开，阀
门控制机构控制进气调节阀的开度，合理分配进入大小流道的气体流量。 由于大小流道的流通能力不同，一级涡轮和二级涡轮的做功能力和流通能力不同，通过改变进入大小流道的
流体的比例，可有效调节发动机的排气压力和涡轮的功率输出，满足发动机在中高速工况下的性能和排放要求。
[0045] 本实用新型中的双流道涡轮蜗壳结构与普通双流道涡轮蜗壳结构相差不大，结构简单、继承性好、
铸造成品率较高；本实用新型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高的
气动效率和高的结构强度；本实用新型中的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。 本实用新型中的进气调节控制机构简单，控制方式容易实现，可靠性高。
[0046] 综上所述，采用复合涡轮装置可以有效地满足发动机全工况范围的增压要求，该类型增压器整体结构不发生大的变化，不需要增加新型生产设备或改装现有生产设备，成本低，容易实现，具有广阔的市场推广价值，可取得良好的应用效果。
[0047] 下面结合附图和
实施例对本实用新型做进一步说明：
附图说明
[0048] 附图1是本实用新型背景技术中旋叶式可变截面增压器结构示意图；
[0049] 附图2是本实用新型实施例1中复合涡轮装置的结构示意图；
[0050] 附图3是本实用新型实施例1中复合涡轮装置的子午流道结构示意图；
[0051] 附图4是本实用新型实施例1中采用镂空型轮盘的复合涡轮叶轮结构示意图；
[0052] 附图5是本实用新型实施例1中采用半封闭轮盘的复合涡轮叶轮结构示意图；
[0053] 附图6是本实用新型实施例2中复合涡轮结构示意图；
[0054] 附图7是本实用新型实施例3中复合涡轮结构示意图；
[0055] 附图8是本实用新型实施例4中复合涡轮结构示意图；
[0056] 附图9是本实用新型实施例5中复合涡轮结构示意图。
[0057] 图中：1-复合涡轮叶轮；2-双流道涡轮蜗壳；3-进气调节阀；4-蜗壳进气口；5-一级涡轮叶轮；6-二级涡轮叶轮；7-小流道；8-大流道；9-一级涡轮进口部；10-一级涡轮中间部；11-二级涡轮进口部；12-二级涡轮中间部；13-涡轮出口部；
14-蜗壳出气口；15-中间壁；16-气流导向叶片；17-压气机壳；18-中间壳；19-传动机构；20-涡轮蜗壳；21-喷嘴环
支撑盘；22-蜗壳喷嘴；23-喷嘴叶片；24-涡轮叶轮；25-蜗壳排气口；26-蜗壳进气流道；27-
浮动轴承；28-涡轮转子轴；29-压气机叶轮；30-镂空型轮盘；31-半封闭轮盘；32-上部壳体；33-连接
螺栓；34-下部壳体；35-阀门控制机构；A1-涡轮旋转轴线；b1-一级涡轮叶轮的进口宽度；b2-二级涡轮叶轮的进口宽度；D1-一级涡轮叶轮的进口直径；D2-二级涡轮叶轮的进口直径。
具体实施方式
[0058] 实施例1，如附图2所示，一种可变截面复合涡轮装置，包括双流道涡轮蜗壳2，所述双流道涡轮蜗壳2上设有两个气流通道，所述气流通道包括小流道7和大流道8，双流道涡轮蜗壳2上设有与气流通道连通的蜗壳出气口14和蜗壳进气口4，在双流道涡轮蜗壳2内设有复合涡轮叶轮1，所述复合涡轮叶轮1由两个涡轮叶轮复合而成，两个涡轮叶轮与两个气流通道一一对应配合，所述双流道涡轮蜗壳进口部设有气流调节阀3和阀门控制机构35。
[0059] 如附图3所示，所述涡轮叶轮包括一级涡轮叶轮5和二级涡轮叶轮6，所述一级涡轮叶轮5固接在二级涡轮叶轮6的外缘位置。
[0060] 所述一级涡轮叶轮5包括一级涡轮进口部9和一级涡轮中间部10；二级涡轮叶轮6包括二级涡轮进口部11和二级涡轮中间部12，所述一级涡轮中间部10与二级涡轮进口部11固接，一级涡轮叶轮5和二级涡轮叶轮6共用一个涡轮出口部13。
[0061] 所述一级涡轮叶轮的进口直径D1大于二级涡轮叶轮的进口直径D2；一级涡轮叶轮的进口宽度b1小于二级涡轮叶轮的进口宽度b2。
[0062] 一级和二级涡轮进口部的进口宽度和进口直径根据发动机的具体性能要求进行设计，一级进口部的进口宽度b1和进口直径D1以满足发动机低速时的性能和排放要求为设计目标，二级涡轮进口部的进口宽度b2和进口直径D2与一级涡轮叶轮相配合，以满足发动机中高转速时的性能和排放要求为设计目标，并满足发动机额定点的通流能力要求，避免增压器超速和增压压力过高。
[0063] 大流道8位于靠近蜗壳出气口14的一侧，小流道7位于远离蜗壳出气口14的一侧，小流道7的流通面积小于大流道8的流通面积，两个流道的出口为并列分布，并且小流道7出口与涡轮旋转轴线A1的距离大于大流道8出口与涡轮旋转轴线A1的距离，小流道7的出口宽度小于大流道8的出口宽度，小流道7与一级涡轮叶轮5相配合，大流道8与二级涡轮叶轮6相配合。
[0064] 所述双流道涡轮蜗壳2的小流道7和大流道8通过中间壁15合理分隔，所述中间壁15与双流道涡轮蜗壳2铸为一体。 所述中间壁15的截面形状为翼形，中间壁末端位于大流道8一侧为直线，中间壁末端位于小流道7一侧为弧形，同复合涡轮叶轮的一级涡轮中间部10相配合；中间壁的厚度由复合涡轮的一级涡轮中间部10的轴向长度决定，当厚度较大时，中间壁的内部设为空心结构。
[0065] 如附图4所示，所述复合涡轮叶轮1的轮盘可为镂空型轮盘30，采用这种结构可获得较小的涡轮转子转动惯量，提高涡轮增压器的加速响应特性。
[0066] 在发动机低速时，发动机排出的废气量较少，进气调节阀3关闭，所有排气全部进入小流道7，经小流道7进入复合涡轮的一级涡轮进口部9做功。小流道7具有较小的流通截面积，可有效提高涡轮蜗壳进口的进气压力，增大进入涡轮的废气能量；一级涡轮进口部9具有较小的进气宽度b1，较小的进气宽度使得一级涡轮进口部9的进口面积较小，可有效避免发动机低速时过大的涡轮进气角度，降低涡轮进口的进气冲角损失；一级涡轮进口部9又具有较大的进口直径D1，在转速不变的情况下可获得较高的轮周速度，可有效避免发动机低速时过小的U/C，使涡轮工作在高效区域，同时采用较大的进口直径可获得较大的涡轮扭矩，提高涡轮的做功能力。 通过涡轮进气能量的增加和涡轮效率的提高，充分利用废气中的能量，提高涡轮的功率和扭矩输出，提高发动机低速时的增压压力并避免过高的排气背压。 同时由于小流道7流通面积小、一级涡轮具有较大进口直径D1，可提高涡轮的加速响应特性。所述复合涡轮装置可有效提升发动机低速性能并降低排放。
[0067] 在发动机中高转速时，发动机排出的废气量较多，进气调节阀3打开，阀门控制机构35控制进气调节阀3的开度，合理分配进入大小流道的气体流量。 由于大小流道的流通能力不同，一级涡轮和二级涡轮的做功能力和流通能力不同，通过改变进入大小流道的流体的比例，可有效调节发动机的排气压力和涡轮的功率输出，满足发动机在中高速工况下的性能和排放要求。
[0068] 本实用新型
专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了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进气压力并提高了涡轮效率，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。
[0069] 上述实施例1中，如附图5所示，所述复合涡轮叶轮1的轮盘也可为半封闭轮盘31，采用这种结构后由轮盘背部的间隙导致的流动损失减小，涡轮效率提高，同时还可以提高涡轮叶轮的强度。
[0070] 实施例2，如附图6所示，本实施例与实施例1不同之处在于将双流道蜗壳2的大流道8和小流道7的位置互换，将复合涡轮叶轮1的一级涡轮叶轮5与二级涡轮叶轮6位置互换。此时大流道8位于远离蜗壳出气口14的一侧，小流道7位于靠近蜗壳出气口14的一侧，一级涡轮叶轮5位于轮缘一侧，二级涡轮叶轮6位于轮盘一侧。
[0071] 采用这种配置后，可消除轮盘背部间隙导致的流动损失，进一步提高发动机低速时一级涡轮的效率。由于一级涡轮进口直径D1较大，为安装方便，双流道涡轮蜗壳2采用分体铸造，将双流道涡轮蜗壳分为上部壳体32和下部壳体34两部分，分别铸造并在密封面处留有加工余量，密封面加工后采用螺栓33紧固加密封垫的连接方式，同时调整相应的增压器装配工艺。
[0072] 本实用新型专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了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进气压力并提高了涡轮效率，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。
[0073] 实施例3，如图7所示，上述实施例1中，还可以在大流道8的喷嘴设置气流导向叶片16，气流导向叶片16倾斜安装在大流道8的喷嘴处。 气流导向叶片16向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的角度进入涡轮。 采用此种技术方案可提高发动机中高速时的废气能量利用效率，并有效阻止发动机低速时二级涡轮进口处产生的回流进入大流道8。
[0074] 实施例4，如图8所示，上述实施例1中，还可以在小流道7的喷嘴处设置气流导向叶片16，气流导向叶片16倾斜安装在小流道7的喷嘴处。 气流导向叶片16向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的方向流入涡轮。 采用此种技术方案能提高发动机低速时的涡轮效率，提高发动机低速时的废气能量利用效率。
[0075] 实施例5，如图9所示，上述实施例1中，还可以在大流道8和小流道7的喷嘴处同时布置气流导向叶片16，气流导向叶片16倾斜安装在大流道8和小流道7的喷嘴处。气流导向叶片16向涡轮旋转方向倾斜，以保证气流按规定的方向流入涡轮，大流道8喷嘴处的气流导向叶片可有效阻止发动机低速时二级涡轮进口处产生的回流进入大流道
8。采用此种技术方案能提高发动机大部分工况下对废气能量的利用效率，满足发动机各工况的增压要求。
[0076] 本实用新型专利针对发动机对可变截面涡轮增压器的需求，完成了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进气压力并提高了涡轮效率，提高了发动机的低速扭矩和输出功率，提高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。
