Турбонагнетатель (варианты)
РЕФЕРАТ
Предложен турбонагнетатель. Турбонагнетатель включает корпус и регулируемый картридж, по меньшей мере частично окруженный по периферии корпусом и имеющий ротор турбины, присоединенный к ротору компрессора через вал. Турбонагнетатель дополнительно включает регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого картриджа в ответ на регулировочные команды.
(Фиг. 1)
2420-190324RU/011
ТУРБОНАГНЕТАТЕЛЬ (ВАРИАНТЫ)
ОПИСАНИЕ
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Турбонагнетатели включены в двигатели для повышения отношения мощности к весу двигателя. Может быть необходимым регулировать проток отработавших газов в турбину для облегчения регулирования характеристик турбины на основании условий работы двигателя. Например, двухспиральные турбины были разработаны, чтобы добиваться регулирования характеристик турбины. Двухспиральные турбины могут включать две спирали для подачи отработавших газов в ротор турбины и клапан, выполненный с возможностью регулирования скорости потока отработавших газов через спирали. Геометрия каждой из спиралей может быть предназначена для снижения потерь при многообразии условий работы двигателя. Например, первая спираль может быть остроугольной для более быстрой реакции во время более низких чисел оборотов двигателя, а вторая спираль может быть менее остроугольной для снижения потерь во время более высоких чисел оборотов двигателя.
В некоторых двухспиральных турбинах, регулировочный механизм может быть предусмотрен в корпусе турбины и позволяет регулировать скорости потока отработавших газов через каждую из спиралей. В патенте США 5855117 раскрыт корпус турбины, имеющий два впускных канала потока и регулировочное устройство, встроенное в корпус, выполненное с возможностью регулирования скорости потока из обоих впускных каналов потока в ротор турбины. Авторы осознали несколько недостатков у этого типа конструкции. Различные компоненты в регулировочном механизме, такие как элемент осевого скольжения, могут быть предрасположены к термической деградации вследствие высоких температур, испытываемых на впусках. Более того, допуск, требуемый для элемента осевого скольжения, может быть недостижим в пределах целевых значений себестоимости. Следовательно, потери в турбине могут быть повышенными.
СУЩНОСТЬ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
По существу, в одном из вариантов предложен турбонагнетатель, содержащий корпус, регулируемый картридж, по меньшей мере частично окруженный по периферии корпусом и содержащий ротор турбины, присоединенный к ротору компрессора через вал, и регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого картриджа в ответ на регулировочные команды.
Корпус предпочтительно включает улитку компрессора и спираль турбины, при этом улитка компрессора выполнена с возможностью приема воздуха из ротора компрессора, а спираль турбины выполнена с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины.
Турбонагнетатель предпочтительно дополнительно содержит вторую спираль турбины, выполненную с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины.
Первая и вторая спираль турбины предпочтительно разделены перегородкой.
Перегородка предпочтительно включает канал охлаждающей жидкости, выполненный с возможностью пропускания потока охлаждающей жидкости через него.
Регулируемый картридж предпочтительно включает регулировочный штифт, продолжающийся от него.
Регулировочный штифт предпочтительно расположен с возможностью перемещения в направляющем устройстве.
Направляющее устройство предпочтительно продолжается по периферии вокруг регулируемого картриджа и включает первый конец, смещенный в осевом направлении от второго конца.
Вал, соединяющий турбину и компрессор, предпочтительно выполнен с возможностью регулирования в осевом направлении.
Согласно другому варианту предложен турбонагнетатель, содержащий корпус, регулируемый в осевом направлении картридж, окруженный по периферии корпусом и включающий в себя ротор турбины, присоединенный к ротору компрессора через вал, направляющую потока компрессора, присоединенную по текучей среде между улиткой и ротором компрессора, и направляющую потока турбины, присоединенную по текучей среде между первой и второй спиралью турбины и ротором турбины.
Турбонагнетатель предпочтительно дополнительно содержит регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому в осевом направлении картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого в осевом направлении картриджа в ответ на регулировочные команды.
Первая спираль турбины предпочтительно имеет геометрию, отличную от второй спирали турбины.
Регулируемый в осевом направлении картридж обеспечивает скольжение компрессора относительно улитки и турбины относительно первой и второй спиралей одновременно.
Согласно еще одному варианту предложен турбонагнетатель, содержащий корпус, включающий в себя улитку компрессора, выполненную с возможностью приема всасываемого воздуха из ротора компрессора, и первую и вторую спираль турбины, выполненную с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины, регулируемый картридж, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса и содержащий центральную секцию картриджа, включающую в себя вал, присоединяющий с возможностью вращения ротор турбины к ротору компрессора, первую периферийную секцию картриджа, включающую в себя направляющую потока компрессора, выполненную с возможностью направления потока воздуха в улитку компрессора из ротора компрессора, вторую периферийную секцию картриджа, включающую в себя направляющую потока турбины, выполненную с возможностью направления поток отработавших газов из первой и второй спиралей турбины в ротор турбины, регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого картриджа в ответ на регулировочные команды.
Центральная секция картриджа предпочтительно присоединена к направляющей потока турбины через множество разрезных элементов, продолжающихся поперек участка выпусков первой и второй спиралей.
Центральная секция картриджа предпочтительно присоединена к направляющей потока компрессора через множество разрезных элементов, продолжающихся поперек участка впуска улитки компрессора.
Регулировочный механизм предпочтительно выполнен с возможностью регулирования потока отработавших газов через по меньшей мере одну из первой и второй спиралей турбины.
Когда турбонагнетатель выполнен таким образом, регулировочный механизм может быть отнесен дальше от высокотемпературных отработавших газов. В результате, вероятность термической деградации регулировочного механизма может быть уменьшена, и могут быть заданы более приемлемые допуски. Поэтому, возможность регулирования скорости потока отработавших газов через спираль турбины достигается наряду с уменьшением вероятности термической деградации регулировочного механизма и удовлетворением целевых значений себестоимости.
Вышеприведенные преимущества и другие преимущества и признаки настоящей полезной модели станут без труда очевидны из последующего подробного описания полезной модели при прочтении в одиночку или в комбинации с прилагаемыми чертежами. Например, несмотря на то, что примеры, приведенные в материалах настоящей заявки, показывают осевое смещение картриджа, поворотное смещение (или комбинация осевого и поворотного смещения) также могут использоваться.
Следует понимать, что сущность полезной модели, приведенная выше, предоставлена для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Она не идентифицирует ключевые или существенные признаки заявленного предмета полезной модели, объем которой однозначно определен формулой полезной модели, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет полезной модели не ограничен реализациями, которые решают какие-нибудь недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематичный вид турбонагнетателя;
Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном разрезе турбонагнетателя согласно варианту осуществления полезной модели.
Фиг. 3-4 представляет собой регулируемый картридж в турбонагнетателе, проиллюстрированном на фиг. 2, в разных осевых положениях.
Фиг. 5-8 представляют собой несколько вариантов осуществления регулировочного механизма, включенного в турбонагнетатель, показанный на фиг. 1.
Фиг. 9-12 представляют собой различные варианты осуществления корпуса турбонагнетателя, показанного на фиг. 1.
Фиг. 13 иллюстрирует способ для управления турбонагнетателя.
Фиг. 2-12 начерчены приблизительно в масштабе.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Варианты осуществления турбонагнетателя, имеющего регулируемый картридж, описаны в материалах настоящей заявки. Регулируемый картридж турбонагнетателя выполнен с возможностью регулирования в осевом направлении относительно корпуса турбонагнетателя, включающего в себя улитку компрессора и спираль турбины. Регулируемый картридж включает роторы турбины и компрессора, вал, соединяющий роторы турбины и компрессора, и другие компоненты, которые подробно описаны в материалах настоящей заявки. В одном из примеров, перемещение картриджа, таким образом, включает перемещение роторов турбины и компрессора, вала, и т.д. Таким образом, скорость потока свежего воздуха в/из компрессора и/или отработавших газов в/из турбины могут регулироваться, например, поскольку компрессор и/или турбина могут сообщаться в большей или меньшей степени с проемами потока в корпусе улитки компрессора/спиралях турбины. Когда регулируется весь регулируемый картридж, следует понимать, что срок службы и запас прочности турбонагнетателя могут увеличиваться по сравнению с другими турбонагнетателями, использующими регулировочный механизм, встроенный в корпус турбины, для регулирования скорости потока отработавших газов в турбину.
Фиг. 1 показывает схематичный вид двигателя 100, имеющего турбонагнетатель 150. Двигатель включает систему 104 впуска и систему 106 выпуска отработавших газов. Система 104 впуска выполнена с возможностью подачи в камеру 108 сгорания всасываемым воздуха и может включать компоненты, такие как дроссель, впускной коллектор, и т.д., для выполнения этих функциональных возможностей. С другой стороны, система 106 выпуска отработавших газов выполнена с возможностью приема отработавших газов из камеры 108 сгорания и может включать компоненты, такие как выпускной коллектор, устройство снижения токсичности отработавших газов (например, каталитический нейтрализатор, сажевый фильтр), и т.д. Стрелка 105 представляет поток всасываемого воздуха в систему 104 впуска. Аналогичным образом, стрелка 107 представляет поток отработавших газов в окружающую среду из системы 106 выпуска отработавших газов.
Камера 108 сгорания может включать впускной клапан 110 и выпускной клапан 112, присоединенные к ней. Впускной и выпускной клапаны (110 и 112) могут приводиться в действие для выполнения цикла сгорания, такого как четырехтактный цикл сгорания (например, впуск, сжатие, рабочий, выпуск). Стрелка 114 представляет поток всасываемого воздуха в камеру 108 сгорания из системы 104 впуска, а стрелка 116 представляет поток отработавших газов из камеры 108 сгорания в систему 106 выпуска отработавших газов. Дополнительно, двигатель 100 дополнительно может включать систему подачи топлива (не показанную), выполненную с возможностью подавать топливо в камеру 108 сгорания, и/или свечу зажигания, выполненную с возможностью инициировать сгорание в камере сгорания.
Двигатель 100 дополнительно включает турбонагнетатель 150, имеющий компрессор 152 и турбину 154, компрессор имеет ротор 156 компрессора, а турбина включает ротор 158 турбины. Турбина 154 может приводиться в действие посредством потока отработавших газов. Аналогичным образом, компрессор 152 может быть выполнен с возможностью повышения давления всасываемого воздуха. Таким образом, повышается мощность на выходе и/или коэффициент полезного действия двигателя 100.
Турбонагнетатель 150 дополнительно может включать вал 160, присоединяющий с возможностью вращения ротор 156 компрессора к ротору 158 турбины. Ротор 156 турбины, ротор 156 компрессора и вал 160 включены в регулируемый картридж 161. Как подробно описано в материалах настоящей заявки, регулируемый картридж 161 может быть регулируемым в осевом направлении картриджем. Корпус 162 окружает по периферии по меньшей мере часть регулируемого картриджа 161. В одном из примеров, корпус 162 по периферии окружает ротор 156 компрессора, ротор 158 турбины и вал 160.
Турбонагнетатель 150 дополнительно включает регулировочный механизм 164, выполненный с возможностью регулирования осевого положения регулируемого картриджа 161 относительно корпуса 162. Турбонагнетатель 150 обеспечивает регулирование скорости потока в турбину и выходного потока компрессора на основании условий работы в двигателе. В результате, эффективность сгорания и/или мощность на выходе двигателя увеличивается.
Двигатель 100 дополнительно может включать контроллер 130, выполненный с возможностью регулирования различных компонентов в двигателе 100. Более конкретно, контроллер 130 выполнен с возможностью передачи регулировочных команд на регулировочный механизм 164, чтобы инициировать осевое смещение регулируемого картриджа 161 относительно корпуса 162. Таким образом, регулируемый картридж 161 может перемещаться в осевом направлении, чтобы изменять скорость потока отработавших газов в турбину 154, описанную подробнее со ссылкой на фиг. 2-4. Контроллер 130 может быть традиционным микрокомпьютером, включающим в себя: микропроцессорный блок 132, порты 134 ввода/вывода, постоянное запоминающее устройство 136, оперативное запоминающее устройство 138, энергонезависимую память 140 и обычную шину данных.
Фиг. 2 показывает иллюстрацию поперечного разреза первого варианта осуществления турбонагнетателя 150. Как показано, турбонагнетатель 150 включает корпус 162. Корпус 162 включает улитку 200 компрессора, выполненную с возможностью приема выходного потока компрессора 152. Стенка 203 определяет границу канала 201 улитки компрессора. Следует понимать, что улитка 200 компрессора может по периферии продолжаться вокруг ротора 156 компрессора в виде спирали.
Корпус 162 включает первую спираль 202 турбины и вторую спираль 204 турбины. Первая спираль турбины включает стенку 206, определяющую границу первого канала 208 спирали турбины. Аналогичным образом, вторая спираль турбины включает стенку 210, определяющую границу второго канала 212 спирали турбины. Следует понимать, что оба из каналов спирали турбины выполнены с возможностью направления отработавших газов на ротор 158 турбины. Более того, регулировочный механизм 164 может регулировать регулируемый картридж 161, чтобы изменять поток отработавших газов через первый и/или второй каналы (208 и 212) спирали турбины. Первая спираль 202 турбины может иметь геометрические характеристики, отличные от второй спирали 204 турбины. Более конкретно, первая спираль 202 турбины может иметь геометрию, выполненную с возможностью повышения эффективности турбины на более низких числах оборотах двигателя, а вторая спираль 204 турбины может иметь геометрию, выполненную с возможностью повышения эффективности турбины на более высоких числах оборотов двигателя. Например, первая спираль 202 турбины может иметь более крутой угол входа, чем вторая спираль 204 турбины, или наоборот. Угол входа спирали может быть определен в качестве угла между линией среднего момента потока, пересекающей рабочее колесо турбины, и линией, продолжающейся от этой точки пересечения по касательной к периметру спирали в плоскости, перпендикулярной оси вращения спирали. Однако, в других вариантах осуществления, корпус 162 может включать только одну спираль турбины.
Во время работы турбогенератора 150, воздух может втекать в компрессор 152 через впускной канал 214 компрессора и вытекать в камеры 108 сгорания через улитку 200 компрессора. Дополнительно, отработавшие газы из камеры 108 сгорания могут поступать в турбину 154 через первую и вторую спирали (202 и 204) турбины и вытекать из турбины 154 через выпускной канал 216 турбины. Выходной поток турбины 154 может направляться в устройство снижения токсичности отработавших газов, а затем, в окружающую атмосферу в некоторых вариантах осуществления.
Турбонагнетатель 150 дополнительно включает регулируемый картридж 161, по меньшей мере частично охваченный корпусом 162. Регулируемый картридж 161 может быть поделен на несколько секций, в том числе, центральную секцию 218 картриджа, расположенную между первой периферийной секцией 220 картриджа и второй периферийной секцией 222 картриджа.
Центральная секция 218 картриджа включает вал 160, один или более подшипников 224, выполненных с возможностью содействия вращению вала 160, и корпус 226 вала, по меньшей мере частично охватывающий вал 160. Центральная секция 218 картриджа продолжается в осевом направлении от ротора 158 турбины к ротору 156 компрессора.
Первая периферийная секция 220 картриджа включает направляющую 228 потока компрессора. Направляющая 228 потока компрессора выполнена с возможностью направления всасываемого воздуха в ротор 156 компрессора и направления всасываемого воздуха из ротора 156 компрессора в улитку 200 компрессора. Таким образом, направляющая 228 потока компрессора может быть присоединена по текучей среде между ротором 156 компрессора и улиткой 200 компрессора. Аналогичным образом, направляющая 230 потока турбины выполнена с возможностью направления отработавших газов из первого и второго каналов (208 и 212) спирали в ротор 158 турбины и направления отработавших газов из ротора 158 турбины в систему 106 выпуска отработавших газов, показанную на фиг.1. Таким образом, направляющая 230 потока турбины может быть присоединена по текучей среде между ротором 158 турбины и первым и вторым каналами (208 и 212) спирали. Направляющая 230 потока турбины может регулироваться в осевом направлении, чтобы изменять скорость потока отработавших газов в ротор 158 турбины. Аналогичным образом, направляющая 228 потока компрессора может регулироваться в осевом направлении, чтобы изменять скорость потока всасываемого воздуха в канал 201 улитки. Как подробнее описано в материалах настоящей заявки, первая периферийная секция 220 картриджа может быть присоединена к центральной секции 218 картриджа через множество разрезных элементов 500, показанных на фиг.5, описанных в материалах настоящей заявки более подробно. Таким образом, относительное положение центральной секции картриджа и первой периферийной секции 220 картриджа по существу неизменно. Таким образом, осевое положение центральной секции 218 картриджа и первой периферийной секции 220 картриджа могут регулироваться соответствующим образом. Аналогичным образом, вторая периферийная секция 222 картриджа может быть присоединена к центральной секции картриджа посредством множества разрезных элементов 502, показанных на фиг.5. Таким образом, относительное положение центральной секции 218 картриджа и второй периферийной секции 222 картриджа по существу неизменно. Поэтому, осевое положение центральной секции 218 картриджа, первой периферийной секции 220 картриджа и второй периферийной секции 222 картриджа могут регулироваться соответствующим образом. Таким образом, геометрия (например, площадь) как проема потока в компрессор 152, так и проемов потока в турбину 154, могут регулироваться на основании условий работы двигателя для увеличения эффективности турбонагнетателя 150 благодаря осевому перемещению картриджа 161 и, в особенности, направляющей 228 потока компрессора и направляющей 230 потока турбины, тем самым, обеспечивая повышенную мощность на выходе и/или коэффициент полезного действия двигателя.
Турбонагнетатель 150 также включает систему 232 смазки, в том числе, смазочный канал 234, пересекающий центральную секцию 218 картриджа. Вспомогательные каналы 236 могут быть присоединены по текучей среде к смазочному каналу 234 и выполнены с возможностью подачи масла или другую пригодной смазки в подшипники 224. Таким образом, снижается износ подшипников 224. Система 232 смазки дополнительно включает канал 238 питания, встроенный в корпус 162. Следует понимать, что канал 238 питания может быть присоединен к контуру смазки, включающему в себя насос в двигателе 100, показанный на фиг. 1. Таким образом, смазка может подаваться в канал 238 питания.
Первый вариант осуществления регулировочного механизма 164 показан на фиг. 2. Как показано, направляющая 230 потока турбины по существу препятствует потоку из второго канала 212 спирали в ротор 158 турбины. Таким образом, может быть по существу подавляться поток отработавших газов из второго канала 212 спирали в ротор 158 турбины. Направляющая 230 потока турбины может быть расположена таким образом, когда коэффициент давления >1,0 (то есть, наддув) требуется, но абсолютный массовый расход воздуха ограничен, например, для увеличения нагрузки на двигатель при постоянном низком числе оборотов. Таким образом, рабочий объем турбины уменьшается, чтобы добиться более быстрой переходной характеристики. С другой стороны, направляющая 228 потока компрессора является направляющей всасываемый воздух из ротора 156 компрессора на переднюю осевую кромку канала 201 улитки. Регулировочный механизм включает регулировочный штифт 240, непосредственно присоединенный к регулируемому картриджу 161, и направляющее устройство 242, встроенное в корпус 162. Более конкретно, регулировочный штифт 240 подвижным образом расположен в направляющем устройстве 242. Направляющее устройство 242 может продолжаться в осевом направлении и может быть параллельным оси 244 вращения турбонагнетателя 150. Однако положение направляющего устройства 242 может изменяться в других вариантах осуществления. Осевое усилие 300 может прикладываться к регулировочному штифту 240, чтобы изменять осевое положение регулируемого картриджа 161, как показано на фиг. 3 и 4. Поэтому, фиг. 3-4 показывает различные осевые положения турбонагнетателя 150. Таким образом, регулируемый картридж 161 является регулируемым в осевом направлении картриджем. Следует понимать, что регулировочный механизм 164 может одновременно осуществлять скольжение ротора 156 компрессора относительно улитки и ротора 158 турбины относительно первой и второй спиралей (202 и 204). Следует понимать, что, хотя 3 осевых положения показано на фиг. 2-4, турбонагнетатель 150 может быть скомпонован в большом количестве положений, а более конкретно, в некоторых вариантах осуществления, регулируемый картридж может быть непрерывно регулируемым. Однако, в других вариантах осуществления, регулируемый картридж может быть регулируемым во множестве дискретных положений.
Более конкретно, фиг. 3 показывает конфигурацию турбонагнетателя 150, где направляющая 230 потока турбины является частично препятствующей потоку из второго канала 212 спирали в ротор 158 турбины. Более того, направляющая 228 потока компрессора расположена посередине выпуска 302 канала 201 улитки компрессора. Следует понимать, что, когда компрессор 152 сконфигурирован таким образом, ограничение потока воздуха через компрессор является аналогичным установкам, которые показаны на фиг. 3 и фиг. 2. Поэтому, наддув, выдаваемый турбонагнетателем 150, может увеличиваться по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 2, так как первый канал 208 спирали и участок второго канала 212 спирали являются захватывающими отработавшие газы, тем самым, повышая частоту вращения ротора 158 турбины, а потому, ротора 156 компрессора. Однако, следует понимать, что конфигурация, показанная на фиг. 3, может иметь более медленную переходную характеристику, чем конфигурация, показанная на фиг. 2, вследствие повышенного объема канала спирали, через который проходят отработавшие газы на фиг. 3. Таким образом, поток на выпуске компрессора, а потому, наддув, выдаваемый турбонагнетателем 150, может регулироваться посредством регулируемого картриджа 161. Аналогичным образом, направляющая 228 потока компрессора направляет поток воздуха из ротора 156 компрессора на наружную осевую кромку канала 201 улитки. Таким образом, скорость потока и массовый расход всасываемого воздуха в ротор 156 компрессора увеличивается, тем самым, увеличивая наддув, выдаваемый турбонагнетателем 150. Следует понимать, что турбонагнетатель 150 может быть расположен в этом положении при приведении требуемого наддува в соответствие требованию массового расхода без выпускания энергии отработавших газов через регулятор давления наддува. Например, это могло бы потребоваться при переходе работы дросселя с легкой нагрузки на среднюю или при переходе с умеренных уровней наддува на средние уровни наддува.
Фиг. 4 показывает конфигурацию турбонагнетателя 150, где направляющая 230 потока турбины не является препятствующей потоку из первой или второй спирали (202 и 204) в ротор 158 турбины. Таким образом, отработавшие газы могут пропускаться потоком через обе спирали (202 и 204) во время работы турбонагнетателя. Поэтому, скорость потока отработавших газов из спиралей в ротор 158 турбины увеличивается, тем самым, увеличивая скорость ротора 158 турбины, а потому, ротора 156 компрессора, по сравнению с конфигурацией турбонагнетателя, показанного на фиг. 2 и 3. В результате, наддув, выдаваемый турбонагнетателем 150, увеличивается. Дополнительно, направляющая 228 потока компрессора расположена возле правой осевой периферии выпуска 302 канала 201 улитки компрессора. Когда направляющая 228 потока компрессора расположена таким образом, ограничение потока всасываемого воздуха через выпуск компрессора 152 по существу не отличается по сравнению с конфигурацией, показанной на фиг. 2 и 3. Однако, увеличение захвата энергии отработавших газов вследствие полного использования обеих спиралей увеличивает частоту вращения компрессора, тем самым, увеличивая наддув, выдаваемый турбонагнетателем 150. Следует понимать, что турбонагнетатель 150 может быть расположен в этом положении, когда требуется полный потенциал потока, например, в условиях высокого числа оборотов со средней нагрузкой, и высокой или полной нагрузки.
Фиг. 5 показывает иллюстрацию регулируемого картриджа 161 и регулировочного механизма 164, показанных на фиг. 2-4. Более того, фиг. 6-8 показывают другие варианты осуществления регулировочного механизма 164 и регулируемого картриджа 161, показанных на фиг. 1. Следует понимать, что контроллер 130, показанный на фиг. 1, может использоваться для управления различными вариантами осуществления регулировочного механизма, показанного на фиг. 5-7.
Более конкретно, фиг. 5 показывает первый вариант осуществления регулировочного механизма 164, использующего осевой входной сигнал для регулирования относительного положения регулируемого картриджа 161 и корпуса 162. Как показано, регулировочный штифт 240 присоединен к регулируемому картриджу 161. Более конкретно, регулировочный штифт 240 присоединен к центральной секции 218 картриджа. Однако, в других вариантах осуществления, регулировочный штифт 240 может быть присоединен к первой или второй периферийным секциям (220 и 222) картриджа. Осевое усилие может прикладываться к регулировочному штифту 240, чтобы перемещать регулируемый картридж 161 в осевом направлении. Следует понимать, что корпус 162 может включать направляющее устройство 242, показанное на фиг. 2, продолжающееся в осевом направлении, чтобы направлять регулировочный штифт 240 в требуемом направлении. Подходящий компонент, такой как электромагнитный клапан, может использоваться для прикладывания осевого усилия к регулировочному штифту 240. Таким образом, осевое положение регулируемого картриджа 161 может регулироваться на основании условия работы двигателя. Более конкретно, направляющая 228 потока компрессора и направляющая 230 потока турбины регулируются в осевом направлении в ответ на усилие, прикладываемое к регулировочному штифту 240, а потому, изменяют скорость потока всасываемого воздуха, поступающего в улитку 200 компрессора из ротора 156 компрессора, показанного на фиг. 2, и скорость потока отработавших газов из второй спирали 204 турбины, показанной на фиг. 2, в ротор 158 турбины.
Фиг. 5 дополнительно иллюстрирует первую периферийную секцию 220 картриджа, центральную секцию 218 картриджа и вторую периферийную секцию 222 картриджа. Первая периферийная секция 220 картриджа прочно присоединена к центральной секции 218 картриджа через разрезные элементы 500. Разрезные элементы 500 могут продолжаться поперек участка впуска улитки 200 компрессора, показанной на фиг.2. Аналогичным образом, вторая периферийная секция 222 картриджа прочно присоединена к центральной секции 218 картриджа через разрезные элементы 502. Разрезные элементы 502 могут продолжаться поперек участка выпусков первой и второй спиралей 202 и 204, показанных на фиг.2. Разрезные элементы 500 и 502 выровнены в осевом направлении с осью 244 вращения турбонагнетателя 150 в варианте осуществления, показанном на фиг.5. Однако, в других вариантах осуществления, разрезные элементы 500 и 502 могут быть расположены вперемежку. Таким образом, относительные положения первой периферийной секции 220 картриджа, центральной секции картриджа и второй периферийной секции 222 картриджа неподвижны относительно друг друга, а потому, одновременно перемещаются в ответ на осевое усилие, приложенное к ним. Ротор 156 компрессора и ротор 158 турбины также показаны на фиг.5. Компонент, схематично обозначенный позицией 504, может быть выполнен с возможностью прикладывания осевого усилия к регулировочному штифту 240 в ответ на регулировочные команды, отправленные из контроллера 130, показанного на фиг.1. Компонент, обозначенный позицией 504, может быть на проводной/беспроводной связи с контроллером 130, показанным на фиг.1. Таким образом, контроллер 130 может использоваться для регулирования осевого положения регулируемого картриджа 161 относительно корпуса 162.
Фиг. 6 показывает второй вариант осуществления регулировочного механизма 164, показанного на фиг. 1. Регулировочный механизм включает регулировочный штифт 240 и направляющее устройство 242. Однако, направляющее устройство 242 продолжается в осевом, а также радиальном направлении в варианте осуществления, показанном на фиг. 6. Поэтому, направляющее устройство 242 включает первый конец 610, смещенный в осевом направлении от второго конца 612. Регулировочный штифт 240 показан прочно присоединенным к центральной секции 218 картриджа в показанном варианте осуществления. Однако, в других вариантах осуществления, регулировочный штифт 240 может быть присоединен к первой или второй периферийным секциям (220 и 222) картриджа. Регулировочный механизм 164 дополнительно включает поворотный компонент 600, включающий в себя первое зубчатое колесо 602, выполненное с возможностью зацепления со вторым зубчатым колесом 604, встроенным в регулируемый картридж 161. Как показано, каждое из зубчатых колес (602 и 604) включает зубья 606 шестерни. Второе зубчатое колесо 604 встроено в первую периферийную секцию 220 картриджа. Однако, в других вариантах осуществления, второе зубчатое колесо 604 может быть встроено в центральную секцию 218 картриджа или вторую периферийную секцию 222 картриджа. Компонент, обозначенный позицией 608, может быть выполнен с возможностью поворота зубчатого колеса 602 в ответ на регулировочные команды, отправленные из контроллера 130, показанного на фиг. 1. В свою очередь, второе зубчатое колесо 604 поворачивается, и регулировочный штифт 240 перемещается в осевом направлении по направляющему устройству 242. Таким образом, контроллер 130 может использоваться для регулирования осевого положения регулируемого картриджа 161. Более конкретно, направляющая 228 потока компрессора и направляющая 230 потока турбины регулируются в осевом направлении в ответ на поворот зубчатого колеса 602 посредством компонента 608, а потому, изменяют скорость потока всасываемого воздуха, поступающего в улитку 200 компрессора из ротора 156 компрессора, показанного на фиг. 2, и скорость потока отработавших газов из второй спирали 204 турбины, показанной на фиг. 2, в ротор 158 турбины. Более того, компонент, обозначенный позицией 608, может быть на проводной/беспроводной связи с контроллером 130, показанным на фиг. 1.
Фиг. 7 показывает третий вариант осуществления регулировочного механизма 164, показанного на фиг. 1. Как показано, регулировочный механизм 164 включает регулировочный штифт 240 и направляющее устройство 242, показанные на фиг. 6. Направляющее устройство 242 продолжается в осевом, а также в радиальном направлении. Однако, в варианте осуществления, показанном на фиг. 7, компонент, схематично обозначенный позицией 700, выполнен с возможностью прикладывания вертикального усилия 702 к регулировочному штифту 240. Когда вертикальное усилие прикладывается к регулировочному штифту 240, регулируемый картридж 261 перемещается в осевом направлении. Регулировочный механизм дополнительно включает расширение 700, прочно присоединенное к центральной секции 218 картриджа. Направляющая 704 картриджа выполнена с возможностью направления перемещения регулируемого картриджа 161 во время регулирования. Компонент 700 может быть выполнен с возможностью прикладывания вертикального усилия 702 в ответ на регулировочные команды из контроллера 130, показанного на фиг.1. В ответ на вертикальное усилие 702, регулировочный штифт 240 перемещается вертикально, а также в осевом направлении в направляющем устройстве 242. Таким образом, контроллер 130 может использоваться для регулирования осевого положения регулируемого картриджа 161. Более конкретно, направляющая 228 потока компрессора и направляющая 230 потока турбины регулируются в осевом направлении в ответ на вертикальное усилие 702, сформированное посредством компонента 700, а потому, изменяют скорость потока всасываемого воздуха, поступающего в улитку 200 компрессора из ротора 156 компрессора, показанного на фиг.2, и скорость потока отработавших газов из второй спирали 204 турбины, показанной на фиг.2, в ротор 158 турбины.
Фиг.8 показывает четвертый вариант осуществления регулировочного механизма 164, показанного на фиг.1. Как показано, регулировочный механизм 164 является гидравлическим. Регулировочный механизм 164 включает напорную магистраль 800, возвратную магистраль 802, камеру 804, частично вмещающую гидравлический плунжер 806 и пружину 808. Напорная магистраль 800 может быть выполнена с возможностью увеличения давления масла в камере 804, чтобы перемещать гидравлический плунжер 806 в осевом направлении. Таким образом, гидравлические входные сигналы могут использоваться для перемещения регулируемого картриджа 161. Гидравлический плунжер 806 может быть прочно присоединен к центральной секции 218 картриджа. Таким образом, центральная секция 218 картриджа может перемещаться в осевом направлении гидравлическим образом. Следует понимать, что пружина 808 выдает возвратное усилие на гидравлический плунжер 806. Таким образом, гидравлический плунжер 806 и центральная секция 218 картриджа могут возвращаться в свое исходное положение, когда давление масла в камере 804 снижается. Камера 804 и/или гидравлический плунжер 806 могут продолжаться периферически вокруг центральной секции 218 картриджа. В ответ на перемещение гидравлического плунжера 806, сформированное благодаря регулированию давления в напорной магистрали 800, осевое положение регулируемого картриджа 161 изменяется. Более конкретно, направляющая 228 потока компрессора и направляющая 230 потока турбины регулируются в осевом направлении в ответ на перемещение гидравлического плунжера 806, а потому, изменяют скорость потока всасываемого воздуха, поступающего в улитку 200 компрессора из ротора 156 компрессора, показанного на фиг. 2, и скорость потока отработавших газов из второй спирали 204 турбины, показанной на фиг. 2, в ротор 158 турбины.
Камера 804 присоединена по текучей среде к смазочному каналу 234 в показанном варианте осуществления. Обратный клапан 810 может быть присоединен к смазочному каналу 234. Обратный клапан 810 может быть выполнен с возможностью открывания и понижения давления в смазочном канале 234, когда давление превышает заданное пороговое значение. Однако, в других вариантах осуществления, отдельный канал питания может подавать масло в смазочный канал 234.
Фиг. 9-12 показывают различные варианты осуществления корпуса 162 турбонагнетателя. В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, корпус образует непрерывную поверхность и отлит посредством цельной отливки. Однако, в вариантах осуществления, показанных на фиг. 9-12, часть корпуса может быть выполнена отдельно (например, отлита, подвергнута механической обработке, и т. д.). Более конкретно, фиг. 9 показывает перегородку 900, определяющую границу между первым и вторым каналами (208 и 212) спирали, выполненными по отдельности, а затем, присоединенными к оставшейся части корпуса 162. Таким образом, перегородка 900 может отделять первый канал 208 спирали от второго канала 212 спирали. Следует понимать, что корпус 162 и первая и вторая перегородка 900 могут быть выполнены из специальных материалов. Например, материал, используемый для конструирования корпуса 162, может включать нержавеющую сталь высокого ряда, такую как материал D5S. С другой стороны, материалы, которые могут использоваться для конструирования перегородки 900 могут включать нержавеющий сплав с высоким содержанием никеля, такой как инконель или материал A5N, или материал Din 1.4848. Следует понимать, что материал, используемый для выполнения перегородки 900, может быть менее предрасположенным к термической деградации, чем материал, используемый для выполнения оставшейся части корпуса 162. Таким образом, срок службы турбонагнетателя 150 может быть увеличен по сравнению с турбонагнетателями, использующими единый материал для конструирования корпуса.
Фиг. 10 показывает вид в перспективе перегородки 900, показанной на фиг. 9. Как показано, секция корпуса, включающая в себя первую и вторую спирали, может быт приварена к корпусу 162 посредством сварных швов, таких как точечные сварные швы 1000. Перегородка 900 также может включать термостойкое покрытие 1002. Дополнительно, фиг. 11 показывает перегородку 900, присоединенную к корпусу 162 посредством болта 1100. Однако, в других вариантах осуществления, следует понимать, что могут использоваться другие пригодные технологии соединения.
В варианте осуществления, показанном на фиг. 12, перегородка 900 показана присоединенной к корпусу 162. Канал 1200 охлаждающей жидкости продолжается через перегородку 900. Канал 1200 охлаждающей жидкости выполнен с возможностью осуществления циркуляции охлаждающей жидкости через перегородку 900 для удаления тепла из турбины 154. Канал 1200 охлаждающей жидкости может продолжаться по периферии на 360 градусов вокруг регулируемого картриджа 161. Канал 1200 охлаждающей жидкости может быть присоединен к теплообменнику, выполненному с возможностью удалять тепло из охлаждающей жидкости, циркулируемой по каналу охлаждающей жидкости.
Фиг. 13 показывает способ 1300 управления турбонагнетателем. Способ 1300 может быть реализован посредством турбонагнетателя, контроллера, компонентов, и т. д., описанных выше со ссылкой на фиг. 1-12, или может быть реализован посредством другого пригодного турбонагнетателя, контроллера, компонентов, и т. д.
На 1302 способ включает определение, была ли запрошена регулировка турбонагнетателя. Если регулировка турбонагнетателя не запрошена (Нет на 1302), способ заканчивается. Однако, если регулировка турбонагнетателя запрошена (Да на 1302), способ переходит на 1304. На 1304, способ включает регулирование одного или более из потока на выпуске компрессора и потока на впуске турбины турбонагнетателя посредством осуществления скольжения в осевом направлении вала, соединяющего ротор компрессора и ротор турбины, в неподвижном корпусе. Регулирование на 1304 может включать, на 1306, уменьшение или увеличение скорости потока отработавших газов из спирали турбины в ротор турбины, а на 1308, уменьшение или увеличение скорости потока отработавших газов ротора компрессора в улитку компрессора.
На этом описание завершено. Однако, после его прочтения специалистам в данной области техники будут очевидны многие изменения и модификации, не выходящие за рамки сущности и объема полезной модели. Например, одноцилиндровый двигатель, рядные двигатели I2, I3, I4, I5 и V-образные двигатели V6, V8, V10, V12 и V16, работающие на природном газе, бензине, дизельном топливе или альтернативных топливных конфигурациях, могли бы использовать настоящую полезную модель для получения преимуществ.
1. Турбонагнетатель, содержащий:
корпус;
регулируемый картридж, по меньшей мере частично окруженный по периферии корпусом и содержащий:
ротор турбины, присоединенный к ротору компрессора через вал; и
регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого картриджа в ответ на регулировочные команды.
2. Турбонагнетатель по п.1, в котором корпус включает улитку компрессора и спираль турбины, при этом улитка компрессора выполнена с возможностью приема воздуха из ротора компрессора, а спираль турбины выполнена с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины.
3. Турбонагнетатель по п.1, дополнительно содержащий вторую спираль турбины, выполненную с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины.
4. Турбонагнетатель по п.3, в котором первая и вторая спираль турбины разделены перегородкой.
5. Турбонагнетатель по п.4, в котором перегородка включает канал охлаждающей жидкости, выполненный с возможностью пропускания потока охлаждающей жидкости через него.
6. Турбонагнетатель по п.1, в котором регулируемый картридж включает регулировочный штифт, продолжающийся от него.
7. Турбонагнетатель по п.6, в котором регулировочный штифт расположен с возможностью перемещения в направляющем устройстве.
8. Турбонагнетатель по п.7, в котором направляющее устройство продолжается по периферии вокруг регулируемого картриджа и включает первый конец, смещенный в осевом направлении от второго конца.
9. Турбонагнетатель по п.1, в котором вал, соединяющий турбину и компрессор, выполнен с возможностью регулирования в осевом направлении.
10. Турбонагнетатель, содержащий:
корпус;
регулируемый в осевом направлении картридж, окруженный по периферии корпусом и включающий в себя ротор турбины, присоединенный к ротору компрессора через вал, направляющую потока компрессора, присоединенную по текучей среде между улиткой и ротором компрессора, и направляющую потока турбины, присоединенную по текучей среде между первой и второй спиралью турбины и ротором турбины.
11. Турбонагнетатель по п.10, дополнительно содержащий регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому в осевом направлении картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого в осевом направлении картриджа в ответ на регулировочные команды.
12. Турбонагнетатель по п.10, в котором первая спираль турбины имеет геометрию, отличную от второй спирали турбины.
13. Турбонагнетатель по п.10, в котором регулируемый в осевом направлении картридж обеспечивает скольжение компрессора относительно улитки и турбины относительно первой и второй спиралей одновременно.
14. Турбонагнетатель, содержащий:
корпус, включающий в себя улитку компрессора, выполненную с возможностью приема всасываемого воздуха из ротора компрессора, и первую и вторую спираль турбины, выполненную с возможностью направления отработавших газов в ротор турбины;
регулируемый картридж, выполненный с возможностью перемещения в осевом направлении относительно корпуса и содержащий:
центральную секцию картриджа, включающую в себя вал, присоединяющий с возможностью вращения ротор турбины к ротору компрессора;
первую периферийную секцию картриджа, включающую в себя направляющую потока компрессора, выполненную с возможностью направления потока воздуха в улитку компрессора из ротора компрессора;
вторую периферийную секцию картриджа, включающую в себя направляющую потока турбины, выполненную с возможностью направления потока отработавших газов из первой и второй спиралей турбины в ротор турбины;
регулировочный механизм, присоединенный к регулируемому картриджу, выполненный с возможностью регулирования осевого положения корпуса относительно регулируемого картриджа в ответ на регулировочные команды.
15. Турбонагнетатель по п.14, в котором центральная секция картриджа присоединена к направляющей потока турбины через множество разрезных элементов, продолжающихся поперек участка выпусков первой и второй спиралей.
16. Турбонагнетатель по п.14, в котором центральная секция картриджа присоединена к направляющей потока компрессора через множество разрезных элементов, продолжающихся поперек участка впуска улитки компрессора.
17. Турбонагнетатель по п.14, в котором регулировочный механизм выполнен с возможностью регулирования потока отработавших газов через по меньшей мере одну из первой и второй спиралей турбины.
