СОПЛОВОЕ КОЛЬЦО ДЛЯ РАДИАЛЬНОЙ ТУРБИНЫ И ТУРБОКОМПРЕССОР НА ВЫХЛОПНЫХ ГАЗАХ, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ СОПЛОВОЕ КОЛЬЦО
NOZZLE RING FOR A RADIAL TURBINE AND AN EXHAUST GAS TURBOCHARGER CONTAINING SUCH A NOZZLE RING

Область техники
Варианты осуществления изобретения относятся к турбокомпрессорам на выхлопных газах. В частности, варианты осуществления изобретения относятся к сопловым кольцам для радиальных турбин турбокомпрессоров на выхлопных газах.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время турбокомпрессоры на выхлопных газах широко используются для повышения характеристик двигателей внутреннего сгорания. Турбокомпрессор на выхлопных газах обычно имеет турбину в выхлопном тракте двигателя внутреннего сгорания и компрессор, расположенный выше по потоку от двигателя внутреннего сгорания. Выхлопной газ двигателя внутреннего сгорания расширяется в турбине. Полученная работа передается валом компрессору, который сжимает воздух, подаваемый в двигатель внутреннего сгорания. Используя энергию выхлопных газов для сжатия воздуха, подаваемого в двигатель внутреннего сгорания для обеспечения процесса сгорания, можно оптимизировать процесс сгорания и КПД двигателя внутреннего сгорания. Следует понимать, что турбокомпрессоры также используются для двигателей с воспламенением от сжатия.
Тепловая и кинетическая энергия выхлопных газов используется для приведения во вращение ротора турбокомпрессора. Для обеспечения безопасной эксплуатации, струю выхлопных газов необходимо направлять на рабочее колесо турбины. С этой целью и для обеспечения «настройки» турбокомпрессора для различных применений, на выходе из проточного канала перед колесом турбины в ступенях радиальной турбины устанавливают сопловое кольцо.
В зависимости от используемой турбины и конкретных условий эксплуатации, рабочая среда, например выхлопные газы, может характеризоваться большим температурным градиентом. По этой причине сопловые кольца турбокомпрессоров на выхлопных газах обычно подвергаются высоким нагрузкам из-за изменения условий эксплуатации, то есть увеличения или уменьшения давления и температуры рабочей среды, и, следовательно, могут подвергаться относительно большим тепловым расширениям.
Сопловые кольца часто удерживаются на месте за счет осевого зажима, обычно между корпусом турбины и корпусом подшипника. Дополнительно можно устанавливать отдельный теплозащитный экран, если поступление тепла с выхлопными газами в корпус подшипника слишком велико или если слишком много энергии отбирается из проходящих выхлопных газов другими соседними компонентами. Иногда может возникать необходимость выравнивания соплового кольца с положением корпуса турбины, что может быть реализовано с помощью позиционирующих компонентов, таких как штифтовые соединения.
Другая возможность крепления сопловых колец, например, к корпусу подшипника – использование крепежных средств, таких как крепежные болты или винты. Поэтому обычно сопловое кольцо снабжают сквозными отверстиями для приема соответствующих крепежных средств.
Было обнаружено, что обычные сопловые кольца, устанавливаемые с помощью болтового или винтового соединения, могут вызывать возмущения давления, которые могут приводить к возбуждению лопаток турбины. Такие возбуждения могут вызывать чередующиеся отклонения лопаток, что приводит к увеличению уровней напряжения и деформации, и может вызвать усталость материала.
Обычно проблема возбуждения лопаток турбины решается рассматриваемыми далее способами. Одним из таких способов является удаление материала с кромки индуктора или эксдуктора, что приводит к изменению геометрии лопатки и, следовательно, к выводу резонансной частоты за пределы рабочего диапазона. Другой способ – ограничение частоты вращения турбокомпрессора, чтобы исключить достижение критичной частоты вращения ротора. В качестве альтернативы, ступень турбины может быть перепроектирована так, чтобы устранить источник или минимизировать величину возмущения давления. Однако эти меры относительно сложны и дороги.
Соответственно, с учетом вышеизложенного, существует потребность в сопловых кольцах, которые по меньшей мере частично решают проблемы известного уровня техники, в частности проблемы, связанные с возбуждением лопаток турбины, так что могут быть предложены улучшенные турбокомпрессоры на выхлопных газах.
Раскрытие изобретения
В свете вышеизложенного, предлагается сопловое кольцо для радиальной турбины согласно независимому пункту формулы изобретения. Дополнительные аспекты, преимущества и особенности очевидны из зависимых пунктов формулы изобретения, описания и чертежей.
Согласно одному из аспектов изобретения предлагается сопловое кольцо для радиальной турбины. Сопловое кольцо имеет основной корпус в форме диска с центральным отверстием для пропускания через него вала. Кроме того, сопловое кольцо имеет направляющие лопатки, расположенные по окружности в радиально внешней части на первой поверхности основного корпуса. В радиально внутренней части основного корпуса имеются два или более отверстий. Кроме того, в первой поверхности основного корпуса предусмотрена канавка. Канавка соединяет по меньшей мере два из двух или более отверстий.
Соответственно, предлагаемое в изобретении сопловое кольцо улучшено по сравнению с обычными сопловыми кольцами. В частности, раскрытые варианты осуществления соплового кольца обеспечивают преимущество снижения возмущений давления около колеса турбины при установке соплового кольца. Кроме того, с помощью раскрытого согласно изобретению соплового кольца может быть уменьшено или даже практически исключено возбуждение лопаток ротора колеса турбины. Более конкретно, снабжение соплового кольца раскрытой согласно изобретению канавкой дает такой эффект, что импульсы давления или возмущения, создаваемые при прохождении лопаток ротора над соответствующими средствами крепления, могут распространяться через канавку по дискообразному основному корпусу. В связи с этим в описании канавка соплового кольца также может упоминаться как «стабилизирующая канавка».
В еще одном аспекте изобретения предлагается турбокомпрессор на выхлопных газах. Турбокомпрессор на выхлопных газах включает в себя корпус турбины, вал, установленный в корпусе подшипника, на котором размещено колесо турбины с лопатками ротора. Кроме того, выше по потоку от колеса турбины в корпусе турбины сформирован впускной канал для выхлопных газов. Кроме того, турбокомпрессор на выхлопных газах снабжен сопловым кольцом, выполненным в соответствии с любым из раскрытых вариантов осуществления. Сопловое кольцо прикреплено к корпусу подшипника средствами крепления, в частности термостойкими крепежными средствами, проходящими через два или более отверстий.
Соответственно, по сравнению с обычным турбокомпрессором на выхлопных газах, раскрытые варианты осуществления турбокомпрессора на выхлопных газах улучшены, в частности, потому что возмущения давления около турбинного колеса могут быть уменьшены, так что возбуждение лопаток ротора может быть уменьшено или даже, по существу, предотвращено.
Краткое описание чертежей
Для того, чтобы можно было детально понять описанные выше особенности изобретения, далее приведено более подробное описание изобретения, выполненное со ссылкой на варианты его осуществления. Чертежи относятся к вариантам осуществления изобретения и описаны далее.
На фиг. 1 схематично показано сопловое кольцо в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления, вид в перспективе с первой стороны, в частности, со стороны турбины;
на фиг. 2a-2d показаны канавки согласно примерным вариантам осуществления, выполненные в первой поверхности основного корпуса соплового кольца в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления, вид в разрезе по линии A-A, показанной на фиг. 1;
на фиг. 3a схематично показано сопловое кольцо в соответствии с раскрытыми вариантами осуществления, причем сопловое кольцо прикреплено к корпусу подшипника, вид в изометрии;
на фиг. 3b – сопловое кольцо, показанное на фиг. 3a, вместе с колесом турбины, установленным на валу, проходящем через центральное отверстие соплового кольца, согласно раскрытым вариантам осуществления, вид в изометрии;
на фиг. 4 – сопловое кольцо согласно раскрытым вариантам осуществления, вид в изометрии со второй стороны, в частности, со стороны корпуса подшипника;
на фиг. 5a – сопловое кольцо, выполненное в соответствии с раскрытым вариантами осуществления, причем сопловое кольцо имеет углубление для формирования заполненного воздухом изолирующего пространства, когда сопловое кольцо установлено, вид в изометрии со стороны корпуса подшипника;
на фиг. 5b – сопловое кольцо согласно раскрытым вариантам осуществления, причем сопловое кольцо имеет два или более углублений, разделенных ребрами, при этом углубления приспособлены для формирования заполненных воздухом изолирующих пространств, когда сопловое кольцо установлено, вид в изометрии со стороны корпуса подшипника;
на фиг. 6 – часть турбокомпрессора на выхлопных газах, содержащая сопловое кольцо согласно раскрытым вариантам осуществления, вид в разрезе.
Варианты осуществления изобретения
Далее подробно рассматриваются различные варианты осуществления, один или более примеров которых пояснены на каждом чертеже. Каждый пример приведен для пояснения изобретения и не является ограничением изобретения. Например, особенности, показанные или описанные как часть одного варианта осуществления, могут использоваться в любом другом варианте осуществления или в сочетании с ним, чтобы получить еще один вариант осуществления. Предполагается, что изобретение включает в себя такие модификации и вариации.
В последующем описании чертежей одинаковые ссылочные позиции относятся к одинаковым или подобным компонентам. Как правило, описываются только отличия отдельных вариантов осуществления. Если не оговорено иное, описание компонента или аспекта одного из вариантов осуществления изобретения также применимо к соответствующей детали или аспекту другого варианта осуществления.
Со ссылкой на фиг. 1 описано сопловое кольцо 10 для турбокомпрессора с радиальной турбиной согласно изобретению. Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими описанными вариантами осуществления изобретения, сопловое кольцо включает в себя дискообразный основной корпус 11, имеющий центральное отверстие 12 для пропускания через него вала. Кроме того, сопловое кольцо имеет направляющие лопатки 14, расположенные по окружности в радиально внешней части на первой поверхности 11A основного корпуса 11. Обычно первая поверхность 11А представляет собой поверхность основного корпуса со стороны турбины. Более конкретно, обычно направляющие лопатки расположены и приспособлены для направления выхлопных газов на лопатки ротора колеса турбины. Как показано в примере на фиг. 1, обычно направляющие лопатки 14 отходят от первой поверхности 11А основного корпуса в осевом направлении. Кроме того, в радиально внутренней части основного корпуса 11 имеется два или более отверстий 17. Кроме того, в первой поверхности 11А основного корпуса 11 имеется канавка 171. Канавка 171 соединяет по меньшей мере два из двух или более отверстий 17. Другими словами, обычно канавка выполнена так, чтобы она обеспечивала путь, который простирается по меньшей мере от одного отверстия к другому отверстию.
Соответственно, варианты выполнения соплового кольца позволяют снизить возмущения давления вблизи колеса турбины при установке соплового кольца. Кроме того, с помощью раскрытого соплового кольца может быть уменьшено или даже, по существу, исключено возбуждение лопаток ротора колеса турбины. Более конкретно, наличие раскрытого соплового кольца с канавкой приводит к тому, что импульс давления или возмущение, возникающее при прохождении лопастей ротора поверх соответствующих крепежных средств, может распределяться посредством канавки по дискообразному основному корпусу.
Как показано в примере на фиг. 3a, основной корпус 11 соплового кольца, как раскрыто, может быть приспособлен для формирования теплозащитного экрана между пространством 40 подшипника корпуса 41 подшипника и пространством 50 турбины в собранном состоянии. Обычно основной корпус 11 соплового кольца проходит радиально наружу от центрального отверстия 12, как это показано в качестве примера на фиг. 1 и 3а. В частности, основной корпус соплового кольца сформирован так, что (за исключением отверстий 17) между центральным отверстием 12 и внешним краем основного корпуса обеспечивается замкнутая поверхность. Соответственно, в предпочтительном варианте осуществления может иметься сопловое кольцо со встроенным теплозащитным экраном, так что количество отдельных элементов и, следовательно, границ соединения в области установленного соплового кольца может быть уменьшено.
В соответствии с вариантами осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 проходит по меньшей мере частично концентрично центральному отверстию 12, как в примере, показанном на фиг. 1. Согласно примеру, канавка 171 расположена концентрично центральному отверстию 12.
Согласно вариантам осуществления, которые могут быть объединены с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 представляет собой канавку с замкнутым контуром. В частности, канавка 171 может быть предназначена для соединения всех из двух или более отверстий 17. На фиг. 1 и 3а показаны примеры вариантов осуществления с четырьмя отверстиями, все из которых соединены канавкой. Однако следует понимать, что также могут быть реализованы другие варианты осуществления с двумя, тремя, пятью, шестью, семью, восемью или более отверстиями. Кроме того, следует понимать, что особенность «канавка, соединяющая по меньшей мере два из двух или более отверстий» может применяться к различным вариантам осуществления изобретения, в которых выражение «по меньшей мере два из двух или более отверстий» указывает на наличие двух, трех, четырех, пяти, шести, семи, восьми или более отверстий.
1
2,
2
1
Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, два или более отверстий 17 расположены вокруг центрального отверстия 12 на первой воображаемой окружности, имеющей первый радиус R. Кроме того, на второй воображаемой окружности, имеющей второй радиус R вокруг центрального отверстия 12 могут располагаться направляющие лопатки 14. Обычно второй радиус R ≥ 1,5 x R.
Со ссылкой на фиг. 2a-2d, согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 имеет форму поперечного сечения, выбранную из группы, включающей в себя: прямоугольную U-образную форму, квадратную U-образную форму, округлую U-образную форму и конусообразную форму. Канавка 171 может иметь одну или несколько закругленных кромок.
Как показано на фиг. 2a-2d, согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 имеет ширину W и глубину D. Например, ширина может быть больше или равна глубине, т.е. W≥D. Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 имеет отношение W/D ширины к глубине 1≤W/D≤5, в частности, 1,5≤W/D≤4, более конкретно 2≤W/D≤3.
В качестве альтернативы, глубина D может быть больше или равна ширине, т.е. D≥W. Кроме того, канавка 171 может иметь отношение D/W глубины к ширине 1≤D/W≤5, в частности 1,5≤D/W≤4, более конкретно 2≤D/W≤3.
Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, канавка 171 может иметь ширину 2 мм≤W≤10 мм и глубину 0,4 мм≤D≤10 мм.
Со ссылкой на фиг. 5a и 5b, согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, сопловое кольцо 10 может включать в себя монтажный фланец 15 в радиально внутренней части на второй поверхности 11B основного корпуса 11. Обычно через монтажный фланец 15 проходят два или более отверстий 17.
Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, монтажный фланец 15 выполнен за одно целое с основным корпусом 11. Кроме того, направляющие лопатки могут быть выполнены за одно целое с основным корпусом 11. В частности, сопловое кольцо может представлять собой цельный элемент. Например, сопловое кольцо может быть механически обработанным, в частности, фрезерованным цельным элементом. Другими словами, все сопловое кольцо может представлять собой цельную конструкцию.
Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, два или более отверстий 17 приспособлены для приема одного или более средств 15A крепления, как в примере, показанном на фиг. 3a и 6.
В соответствии с вариантами осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, два или более отверстий 17 расположены вокруг центрального отверстия 12 с регулярным угловым интервалом, как в примере, показанном на фиг. 1.
Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, вторая поверхность 11B основного корпуса 11 имеет одно или более углублений 18 для формирования одного или более заполненных воздухом изолирующих пространств, когда сопловое кольцо 10 установлено. Кроме того, могут иметься проходящие в радиальном направлении ребра 19 как в примере, показанном на фиг. 5b. Такие ребра могут положительно влиять на стабильность и характеристики теплового расширения соплового кольца.
В изобретении второй поверхностью 11B основного корпуса обычно называют обращенную к корпусу подшипника поверхность основного корпуса.
Предлагаемый в изобретении турбокомпрессор 60 на выхлопных газах описан со ссылкой на фиг. 6. Согласно вариантам осуществления, которые могут объединяться с другими раскрытыми вариантами осуществления, турбокомпрессор 60 на выхлопных газах включает в себя корпус 51 турбины, вал, установленный в корпусе 41 подшипника, на котором установлено колесо 30 турбины с лопатками 31 ротора. Кроме того, турбокомпрессор 60 на выхлопных газах включает в себя впускной канал 33 для выхлопных газов, сформированный в корпусе 51 турбины выше по потоку от колеса 30 турбины. Кроме того, турбокомпрессор 60 на выхлопных газах включает в себя сопловое кольцо 10 согласно любым раскрытым вариантам осуществления. В частности, как показано в примере на фиг. 6, сопловое кольцо прикреплено к корпусу 41 подшипника средствами 15A крепления, проходящими через два или более отверстий 17. Например, средства 15А крепления могут быть термостойкими крепежными средствами.
Следовательно, с учетом вышеизложенного, следует понимать, что по сравнению с известным уровнем техники, в раскрытых вариантах осуществления изобретения предлагается улучшенное сопловое кольцо и улучшенный турбокомпрессор на выхлопных газах. В частности, варианты осуществления изобретения имеют преимущество, заключающееся в том, что возбуждение лопаток ротора колеса турбины может быть уменьшено или даже устранено.
Хотя вышеизложенное относится к конкретным вариантам осуществления, другие и дополнительные варианты осуществления могут быть разработаны без отклонения от основного объема изобретения, определяемого формулой изобретения.
Ссылочные обозначения
10 - Сопловое кольцо
11 - Основной корпус
11 - Первая поверхность основного корпуса
11B - Вторая поверхность основного корпуса
12 - Центральное отверстие
14 - Направляющие лопатки
15 - Крепежный фланец
15А - Средства крепления
16 - Контактная поверхность
17 - Отверстия
171 - Канавка
18 - Углубления
19 - Ребра
20 - Вал
22 - Центральная ось
30 - Колесо турбины
31 - Лопатки ротора
33 - Впускной канал для выхлопных газов
40 - Пространство подшипника
41 - Корпус подшипника
50 - Пространство турбины
51 - Корпус турбины
60 - Турбокомпрессор на выхлопных газах.