УСТРОЙСТВО ОТВОДА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ С ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЕМ
SPENT GAS EXHAUST APPARATUS WITH A TURBOCHARGER

Изобретение относится к устройству отвода отработавших газов, в частности, к турбонагнетательному блоку, для двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству, в частности, транспортному средству промышленного назначения с турбонагнетательным блоком.
Для повышения мощности и эффективности двигателей внутреннего сгорания можно использовать турбонагнетатели, соответственно, турбокомпрессоры, работающие на отработавших газах (ATL). Компрессор интегрирован в систему всасывания двигателя внутреннего сгорания для увеличения расхода воздуха и для уменьшения работы всасывания поршней двигателя внутреннего сгорания. Компрессор турбонагнетателя приводится в действие работающей на отработавших газах турбиной. А именно, турбинное колесо работающей на отработавших газах турбины приводит во вращение компрессорное колесо компрессора с помощью вращающего турбинное колесо вала. Во время работы поток горячих отработавших газов из камер сгорания двигателя внутреннего сгорания проходит через турбинное колесо работающей на отработавших газах турбины и за счет этого приводит ее в действие. По потоку после турбинного колеса предусмотрен диффузор в корпусе турбины для улучшения отвода отработавших газов из турбинного колеса. За счет использования диффузора можно улучшать коэффициент действия работающей на отработавших газах турбины. Диффузор может отливаться в виде зоны корпуса турбины. Это означает, что проходящие через работающую на отработавших газах турбину отработавшие газы обуславливают согласованную с этим конструкцию термически сильно нагружаемого корпуса турбины.
В стесненных условиях установки может быть необходимо соединение выпускного коллектора с выходом турбины турбонагнетателя. Выпускной коллектор обеспечивает возможность отклонения направления потока отработавших газов для ввода в другие компоненты системы отработавших газов, например, в модули дальнейшей обработки отработавших газов.
Длина диффузора ограничена интегрированием в корпус турбины. Дополнительно к этому, более длинный диффузор и тем самым более объемный и длинный корпус турбины требует больше конструктивного пространства и затрудняет расположение расположенных ниже по потоку компонентов системы отработавших газов. В частности, может быть необходимо наличие расположенного ниже по потоку выпускного коллектора с меньшим радиусом изгиба, т.е. с большей кривизной. Выпускной коллектор с меньшим радиусом кривизны оказывает отрицательное влияние на отвод отработавших газов из работающей на отработавших газах турбины и может уменьшать эффективность работающей на отработавших газах турбины.
Поэтому задачей изобретения является создание устройства отвода отработавших газов, содержащего турбонагнетатель, диффузор и выпускной коллектор, которое обеспечивает возможность улучшенного использования ограниченного конструктивного пространства и, в частности, большего радиуса кривизны выпускного коллектора, с целью повышения коэффициента полезного действия турбонагнетателя. Другой задачей изобретения является обеспечение возможности улучшенного выполнения термически сильно нагружаемого корпуса турбины, без отрицательного влияния на поток газов через корпус турбины.
Эта задача решена с помощью устройства отвода отработавших газов, в частности, турбонагнетательного блока, с признаками независимого пункта формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения и применения изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.
Турбонагнетательный блок имеет турбонагнетатель (работающий на отработавших газах компрессор), содержащий корпус турбины. Корпус турбины может быть частью корпуса турбонагнетателя, который дополнительно имеет корпус компрессора. Корпус турбины может быть литой частью и принимать вращаемое колесо турбины, которое через вал соединено с возможностью привода с колесом компрессора.
Кроме того, турбонагнетательный блок имеет выпускной газопровод. Выпускной газопровод расположен по потоку после корпуса турбины. Выпускной газопровод содержит диффузорную зону и зону выпускного коллектора. Выпускной газопровод может быть выпускным коллектором, в который интегрирован диффузор. Диффузор (диффузорная зона) задан увеличением поперечного сечения, т.е. проходного поперечного сечения, выпускного газопровода в направлении прохождения потока среды, т.е. отработавших газов. Выпускной коллектор (зона выпускного коллектора) задан с помощью изогнутой конструктивной формы, которая приводит к изменению направления потока текущей среды вдоль изогнутой формы выпускного коллектора.
Соответствующее изобретению наличие диффузорной зоны в выпускном газопроводе обеспечивает, в частности, то преимущество, что диффузорная зона выполняется независимо от корпуса турбины. За счет этого могут быть сняты ограничения относительно конструкции корпуса турбины, которые следуют из необходимого до настоящего времени интегрирования диффузора в корпус турбины. Как результат, можно более оптимально выполнять термически сильно нагружаемый корпус турбины, без необходимости компромисса относительно потока газов по потоку после колеса турбины. Дополнительно к этому, длина диффузорной зоны может быть предпочтительно увеличена за счет наличия выпускного газопровода, без увеличения корпуса турбины. Корпус турбины может иметь, например, предусмотренную в непосредственной близости от турбинного колеса фланцевую зону для прифланцовывания выпускного газопровода.
При этом в особенно предпочтительном примере выполнения предусмотрено, что диффузорная зона по меньшей мере частично проходит внутрь корпуса турбины. При этом особенно предпочтительно, когда диффузиорная зона входит по существу полностью в корпус турбины. Для приема диффузорной зоны выпускного газопровода, корпус турбины может иметь (трубчатую) приемную зону, которая проходит от выпускного отверстия корпуса турбины внутрь корпуса турбины. Таким образом, может обеспечиваться возможность по меньшей мере конструктивно нейтрального, возможно, конструктивно оптимального расположения корпуса турбины, диффузора и выпускного коллектора. Дополнительно к этому, такая конструкция обеспечивает возможность использования изобретения без затратного согласования корпуса турбины и выпускного газопровода. Вместо диффузора в корпусе турбины предусматривается приемная зона для по меньшей мере частичного приема диффузорной зоны выпускного газопровода. Выпускной газопровод может быть во фланцевой зоне удлинен к корпусу турбины на диффузорную зону, так что он входит диффузорной зоной внутрь корпуса турбины. Кроме того, этот пример выполнения обеспечивает возможность, в частности, в условиях недостатка конструктивного пространства, увеличения зоны выпускного коллектора с плавным, т.е. большим, радиусом кривизны и тем самым оптимальным для прохождения потока. Больший радиус кривизны улучшает отвод газов из турбины и тем самым эффективность турбонагнетателя.
Согласно другому варианту выполнения, выпускной газопровод выполнен в виде единого целого. Следовательно, не увеличивается количество частей. Кроме того, необходимы лишь корпус турбины и выпускной газопровод, соответственно, выпускной коллектор. Дополнительно к этому, выполнение в виде единого целого обеспечивает возможность интегрирования диффузорной зоны и зоны выпускного коллектора. Например, зоны могут (частично или полностью) перекрываться, или может быть предусмотрен оптимальный переход между зонами. Дополнительно к этому, облегчается монтаж, поскольку диффузорную зону и зону выпускного коллектора можно монтировать одновременно при монтаже выпускного газопровода.
В качестве альтернативного решения или дополнительно, выпускной газопровод может быть литой частью, так что, в частности, внутреннюю геометрию выпускного газопровода, которая задает диффузорную зону и зону выпускного коллектора, можно просто выполнять с помощью способа литья. Литая часть может состоять, например, из чугуна.
Предпочтительно, турбонагнетательный блок имеет перепускной канал (для отработавших газов или по-другому для регулирования наддува), который имеет по меньшей мере один проход, предпочтительно несколько проходов. Один или несколько проходов проходят через трубчатую стенку выпускного газопровода между наружной окружной поверхностью выпускного газопровода и внутренней окружной поверхностью выпускного газопровода. Один или несколько проходов служат в качестве выпускных зон перепускного канала. Предусмотренная по потоку по меньшей мере перед одним проходом зона перепускного канала проходит через корпус турбины. Перепускной канал является каналом (байпасным каналам) в обход турбинного колеса, который проходит от входа по потоку перед турбинным колесом к выходу по потоку после турбинного колеса. В перепускном канале может быть расположен перепускной клапан или заслонка для открывания, закрывания и частичного открывания перепускного канала.
Согласно другому варианту выполнения, по меньшей мере один проход предусмотрен по потоку после диффузорной зоны и/или по потоку перед зоной выпускного коллектора. В частности, выпускное отверстие упомянутого по меньшей мере одного прохода предусмотрено по потоку после диффузорной зоны и/или по потоку перед зоной выпускного коллектора. За счет этого обеспечивается, что при входе отработавших газов из одного или нескольких проходов в выпускной газопровод не возникает или возникает лишь небольшое отрицательное воздействие (помеха) для проходящего через диффузорную зону и/или зону выпускного коллектора потока отработавших газов.
В другом примере выполнения упомянутый по меньшей мере один проход выполнен так, что поток через проход направляется в выпускной газопровод так, что поток из прохода входит под углом меньше 90° в поток через выпускной газопровод. Другими словами, угол входа потока из одного или нескольких проходов меньше 90°. За счет этого уменьшаются возникающие при входе потока из прохода в выпускной газопровод завихрения. Предпочтительно, указанный угол меньше 45°, в частности, меньше 25°, так что поток из прохода особенно хорошо может примыкать, соответственно, прилегать к потоку в выпускном газопроводе. Дополнительно к этому, один или несколько проходов могут быть выполнены в виде сопел, соответственно, в виде сопел перепускного канала отработавших газов.
Предпочтительно, предусмотрено множество проходов перепускного канала отработавших газов через трубчатую стенку выпускного газопровода. Они предпочтительно расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в окружном направлении вокруг продольной оси выпускного газопровода. Это обеспечивает возможность симметричного вхождения потока из перепускного канала отработавших газов в выпускной газопровод. Однако возможно также не симметричное расположение нескольких проходов в окружном направлении вокруг продольной оси выпускного газопровода, в частности, в вариантах выполнения, в которых выпускные отверстия расположены в зоне выпускного коллектора. Перепускной канал отработавших газов может иметь кольцевой участок канала, соответственно, кольцевое пространство, которое расположено по потоку перед проходами. Кольцевой участок канала может обеспечивать возможность максимально равномерного вхождения потока в проходы. Кольцевой участок канала может быть образован между корпусом турбины и выпускным газопроводом. Наружная окружная поверхность выпускного газопровода может образовывать по меньшей мере частично внутреннюю окружную поверхность (внутреннюю боковую поверхность) кольцевого участка канала. Внутренняя окружная поверхность корпуса турбины может по меньшей мере частично образовывать наружную окружную поверхность (наружную боковую поверхность) кольцевого участка канала.
Предпочтительно, впускное отверстие по меньшей мере одного прохода выполнено с помощью способа резания со снятием стружки. Например, впускное отверстие выполнено с помощью токарной обработки. Таким образом, возможно, что впускное отверстие прохода после первоначального изготовления, например литья, еще отсутствует. Лишь с помощью способа резания со снятием стружки проход «открывается» со стороны входа. Например, впускное отверстие может быть образовано посредством поперечной обточки, круговой обточки, профильной обточки и фасонной обточки.
Дополнительно или в качестве альтернативного решения, выпускное отверстие по меньшей мере одного прохода образовано с помощью способа литья. Таким образом, выпускное отверстие выполняется уже при первоначальном формировании и не должно изготавливаться трудоемким образом внутри выпускного газопровода с помощью способа резанием со снятием стружки после первоначального формирования. Дополнительно к этому, литье позволяет выполнять выпускное отверстие с особенно пластичными структурами. Проход может переходить через образованное с помощью способа литья выпускное отверстие равномерно, соответственно плоско, во внутреннюю окружную поверхность выпускного газопровода.
Согласно другому варианту выполнения, диффузорная зона и зона выпускного коллектора по меньшей мере частично перекрываются, например, по существу полностью. На участке перекрывания диффузорная зона изогнута. Это может обеспечивать возможность, например, удлинения диффузора и оптимизации конструктивного пространства. Участок перекрывания между диффузорной зоной и зоной выпускного коллектора может быть предусмотрен в корпусе турбины или снаружи корпуса турбины. В качестве альтернативного решения или дополнительно, диффузорная зона может проходить по меньшей мере частично прямолинейно. Прямолинейный участок может быть расположен, в частности, в корпусе турбины.
В другом примере выполнения выпускной газопровод имеет фланцевую зону. Фланцевая зона предназначена для фланцевого соединения выпускного газопровода с корпусом турбины. Фланцевая зона расположена по потоку после впускного отверстия выпускного газопровода, предпочтительно по потоку после диффузорной зоны и/или по потоку перед зоной выпускного коллектора. Фланцевая зона может проходить частично, на некоторых участках или полностью вокруг наружной периферии выпускного газопровода. Фланцевая зона может проходить в виде закраины в окружном направлении и радиально наружу. Фланцевая зона может иметь фланцевую торцевую поверхность, которая выполнена в виде кольцевой поверхности. Корпус турбины может иметь соответственно выполненную кольцевую поверхность для контакта с фланцевой торцевой поверхностью. Фланцевая зона корпуса турбины и фланцевая зона выпускного газопровода могут герметично соединяться с помощью кольцеобразного тела, например, фланцевого хомута или обжимной ленты.
Дополнительно к этому, упомянутый по меньшей мере один проход может проходить по меньшей мере частично через фланцевую зону. Фланцевая зона обеспечивает за счет своей толщины материала (т.е. толщины трубы выпускного газопровода во фланцевой зоне) возможность оптимального прохождения потока через проход, в частности, относительно вхождения в выпускной газопровод. Фланцевая зона может быть выполнена, например, ступенчатой. Впускное отверстие прохода может быть предусмотрено в проходящей относительно продольной оси выпускного газопровода радиально наружу кольцевой поверхности. В качестве альтернативного решения или дополнительно, впускное отверстие может быть предусмотрено, например, в проходящей коаксиально продольной оси выпускного газопровода окружной поверхности фланцевой зоны. Таким образом, впускные отверстия могут быть выполнены одновременно с обработкой фланцевой зоны, например, с помощью способа резания со снятием стружки, такого как токарная обработка.
Кроме того, изобретение относится к транспортному средству, в частности, транспортному средству промышленного назначения, содержащему устройство для отвода отработавших газов, в частности, турбонагнетательный блок, раскрытый выше.
Согласно другому аспекту изобретения, может быть предусмотрен лишь турбонагнетатель (т.е. без выпускного газопровода). Турбонагнетатель имеет корпус турбины с зоной приема трубы. Зона приема трубы предназначена для приема трубы, так что труба по меньшей мере частично входит в корпус турбины. Зона приема трубы может быть предусмотрена по потоку после турбинного колеса и содержать, например, диффузор, например, в виде диффузорной трубы, сегмента диффузорной трубы или диффузорной зоны выпускного газопровода. Дополнительно или в качестве альтернативного решения, зона приема трубы может быть предусмотрена также по потоку перед турбинным колесом турбокомпрессора. Такой турбонагнетатель решает, в частности, задачу улучшения выполнения термически сильно нагружаемого корпуса турбины.
Согласно другому аспекту изобретения, может быть также предусмотрен лишь раскрытый выше выпускной газопровод (т.е. без турбонагнетателя). Выпускной газопровод имеет диффузорную зону и зону выпускного коллектора. Диффузорная зона может быть выполнена для того, чтобы проходить внутрь корпуса турбины турбонагнетателя. Выпускной газопровод может быть предусмотрен в виде единого целого и/или в виде литой части. Выпускной газопровод может быть выполнен в соответствии с приведенным выше раскрытием.
Указанные выше предпочтительные варианты выполнения и признаки изобретения могут любым образом комбинироваться друг с другом. Другие подробности и преимущества изобретения следуют из приведенного ниже описания изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - турбонагнетательный блок, на виде сверху;
фиг.2 - разрез выпускного газопровода корпуса турбины турбонагнетателя;
фиг.3А - выпускной газопровод, на виде спереди; и
фиг.3В - выпускной газопровод, на виде сбоку.
На фиг.1 показано выполненное в виде турбонагнетательного блока 10 устройство для отвода отработавших газов. Блок 10 турбонагнетателя имеет турбокомпрессор 11 с компрессором 12 и турбиной 14. Кроме того, трубонагнетательный блок 10 имеет выпускной газопровод 16.
Компрессор 12 является частью системы впуска воздуха двигателя внутреннего сгорания (не изображен). Компрессор 12 содержит корпус 18 компрессора и установленное в корпусе 18 компрессора с возможностью вращения колесо компрессора (не изображено) для сжатия входного воздуха. Входной воздух входит через впускное отверстие 18А компрессора в компрессор 12 и сжимается в нем с помощью колеса компрессора. Сжатый входной воздух выходит из компрессора 12 через выпускное отверстие 18В компрессора. Колесо компрессора приводится во вращение валом, который в свою очередь приводится во вращение турбинным колесом турбины 14.
Турбинное колесо турбины 14 установлено с возможностью вращения в корпусе 20 турбины. Турбинное колесо приводится в действие с помощью горячих отработавших газов, которые расширяются на лопатках турбинного колеса. Турбина 14 является частью выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания.
Турбина 14 расположена по потоку после камеры (камер) сгорания двигателя внутреннего сгорания. Горячие отработавшие газы входят в турбину 14 через впускные отверстия 20А турбины и проходят через турбинное колесо. После прохождения через турбинное колесо отработавшие газы проходят в выпускной газопровод 16.
Выпускной газопровод 16 расположен по потоку после турбины 16, соответственно, корпуса 20 турбины. Выпускной газопровод 16 выполнен в виде выпускного коллектора и служит для отклонения потока отработавших газов из турбины 14. Выпускной газопровод 16 может иметь тормозную заслонку (дроссельную заслонку).
Как показано на фиг.2, выпускной газопровод 16 проходит частично в корпус 20 турбины. А именно, выпускной газопровод 16 имеет диффузорную зону 22, зону 24 выпускного коллектора, фланцевую зону 26 и множество проходов 28. В показанном примере выполнения выпускной газопровод 16 выполнен в виде единого целого как литая часть. Выпускной газопровод 16 может также состоять из нескольких трубных сегментов, например, диффузорного сегмента и сегмента трубы выпускного коллектора, которые соединены друг с другом, например, с помощью фланца.
Диффузорная зона 22 предусмотрена по существу полностью в зоне 30 приема выпускного газопровода корпуса 20 турбины. Диффузорная зона 22 характеризуется расширением поперечного сечения вдоль направления потока. Диффузорная зона 22 предусмотрена непосредственно по потоку после турбинного колеса. В показанном примере диффузорная зона 22 проходит прямолинейно. В других примерах выполнения диффузорная зона 22 может быть изогнутой и перекрываться, в частности, с зоной 24 выпускного коллектора. Диффузорная зона 22 может проходить также по меньшей мере частично снаружи корпуса 20 турбины.
Зона 24 выпускного коллектора предусмотрена по потоку после диффузорной зоны 22. Зона 24 выпускного коллектора характеризуется радиусом изгиба, с помощью которого поток отклоняется в зоне 24 выпускного коллектора. С выпускным отверстием 32 зоны 24 выпускного коллектора, соответственно, выпускного газопровода 16, могут быть соединены с помощью фланцев, например, модули для дальнейшей обработки отработавших газов.
Выпускной газопровод 16 соединен через фланцевую зону 26 с фланцевой зоной 34 корпуса 20 турбины. Не изображенное кольцевое (ленточное) тело закрепляет выпускной газопровод 16 на корпусе 20 турбины посредством охвата обеих фланцевых зон 26, 34. Фланцевая зона 26 выпускного газопровода 16 расположена по потоку после диффузорной зоны 22 и перед зоной 24 выпускного коллектора. Фланцевая зона 26 проходит в виде закраины вокруг наружной окружной поверхности выпускного газопровода 16. А именно, фланцевая зона 26 имеет ступенчатую структуру. На радиально внутреннем участке фланцевой зоны 26 проходят проходы 28 через трубчатую стенку выпускного газопровода 16.
Проходы 28 проходят между наружной окружной поверхностью выпускного газопровода 16 и внутренней окружной поверхностью выпускного газопровода 16. Проходы 28 образуют выпускную зону, соответственно, выпускные сопла лишь частично изображенного перепускного канала 36 отработавших газов турбины 14 для обхода турбинного колеса. Перепускной канал 36 отработавших газов имеет перепускной клапан (не изображен) для дозирования потока отработавших газов через перепускной канал 36, соответственно, через турбинное колесо. А именно, перепускной канал 36 отработавших газов имеет кольцевое пространство 38, через которое отработавшие газы входят во впускные отверстия 40 проходов 28. Кольцевое пространство 38 задается, соответственно, ограничивается наружной окружной поверхностью выпускного газопровода 16 вокруг диффузорной зоны 22 и внутренней окружной поверхностью корпуса 20 турбины. Отработавшие газы выходят из проходов 28 и тем самым из перепускного канала 36 через выпускные отверстия 42. Выпускные отверстия 42 расположены в заднем участке диффузорной зоны 22 по потоку перед зоной 24 выпускного коллектора. Выпускные отверстия 42 могут быть расположены, например, также после диффузорной зоны 22, а также в зоне 24 выпускного коллектора. В показанном варианте выполнения продольные оси проходов 28 образуют с продольной осью диффузорной зоны 22 острый угол, т.е. угол меньше 90°. Предпочтительными являются, в частности, небольшие углы входа, например, меньше 45° или 25°. Таким образом, входящие через проходы отработавшие газы вызывают сравнительно небольшие завихрения при вхождении в выпускной газопровод 16.
Как следует из фиг.3А и 3В, в показанном примере выполнения предусмотрено в целом шесть проходов 28. Шесть проходов 28 расположены симметрично в окружном направлении вокруг продольной оси диффузорной зоны 22. В других вариантах выполнения выпускной газопровод 16 может иметь больше или меньше проходов 28 с симметричным или не симметричным расположением. Впускные отверстия 40 расположены в кольцевой поверхности 44, которая лежит в плоскости, перпендикулярной продольной оси диффузорной зоны 22. Впускные отверстия 40 создаются лишь посредством поперечной обточки кольцевой поверхности 44. Другими словами, проходы 28 при первоначальном формировании, т.е. при литье, еще не полностью образованы. После первоначального формирования проходы 28 являются глухими отверстиями, которые проходят от выпускных отверстий 42 в трубчатой стенке выпускного газопровода 16. С помощью способа резания со снятием стружки, в данном случае поперечной обточки, проходы 28 открываются при образовании кольцевой поверхности 44, т.е. впускные отверстия 40 возникают лишь после первоначального формирования.
Изобретение не ограничивается указанными выше предпочтительными примерами выполнения. Возможно множество вариантов и модификаций, в которых также используется идея изобретения и которые поэтому входят в объем защиты. В частности, изобретение претендует также на защиту предмета и признаков зависимых пунктов формулы изобретения, независимо от подчиненности.
Перечень позиций
10 Турбонагнетательный блок
12 Компрессор
14 Турбина
16 Выпускной газопровод
18 Корпус компрессора
18А Впускное отверстие компрессора
18В Выпускное отверстие компрессора
20 Корпус турбины
20А Впускное отверстие турбины
22 Диффузорная зона
24 Зона выпускного коллектора
26 Фланцевая зона выпускного газопровода
28 Проход
30 Зона приема выпускного газопровода
32 Выходное отверстие выпускного газопровода
34 Фланцевая зона корпуса турбины
36 Перепускной канал отработавших газов
38 Кольцевое пространство
40 Впускное отверстие прохода
42 Выпускное отверстие прохода
44 Кольцевая поверхность