技术领域：

本发明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：

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。

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� ��烧，实现增 压的目的。

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。 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 ， 涡轮进气角虔很 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。

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。

发明内容：

本发明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。

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。

以下是发明对上述方案的进一步改进：

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。 进一步改进：

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。

进一步改进：

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。

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。

进一步改进：

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。

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。

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。

另一种改进：

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。

进一步改进： 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。

进一步改进：

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。

进一步改进：

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。

进一步改进：

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。

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。

进一步改进：

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。

另一种改进：

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。

进一步改进： 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。

另一种改进：

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。

另一种改进：

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。

本发明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。

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。 所发明的复合涡轮 装置可有效提升发动机低速性能并降低排放。

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 。

本发明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高的气动效率和高 的结构强度； 本发明中的复合 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。 本发明中的进气调节控制机构简单， 控制方式容易实现， 可靠性高。

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。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明 ： 附图说明：

附图 1是本发明背景技术中旋叶式可变截面增压器� �构示意图；

附图 2是本发明实施例 1中复合涡轮装置的结构示意图；

附图 3是本发明实施例 1中复合涡轮装置的子午流道结构示意图； 附图 4是本发明实施例 1中采用镂空型轮盘的复合涡轮叶轮结构示意� �； 附图 5是本发明实施例 1中采用半封闭轮盘的复合涡轮叶轮结构示意� �； 附图 6是本发明实施例 2中复合涡轮结构示意图；

附图 7是本发明实施例 3中复合涡轮结构示意图；

附图 8是本发明实施例 4中复合涡轮结构示意图；

附图 9是本发明实施例 5中复合涡轮结构示意图。

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-—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-—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； bl-—级涡轮叶轮的进口宽 度； b2-二级涡轮叶轮的进口宽度； D1-—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：

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。

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。

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。

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; —级 涡轮叶轮的进口宽度 bl小于二级涡轮叶轮的进口宽度 b2。

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 bl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。

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。

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—侧为直线， 中间壁末端位于小流道 7—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。

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。

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 bl， 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 Dl，在转速不变的情况下可获得较高的轮周速� ��，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 Dl，可提高涡轮的加速响应特性。所述复合涡� ��装置可 有效提升发动机低速性能并降低排放。

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 。

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。

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。

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。

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。

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。

实施例 3，如图 Ί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。

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。

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� �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。

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。