多级涡轮增压组件和操作多级涡轮增压组件的方法与流程

1.本公开的实施例涉及具有一个或更多个第一级和一个或更多个第二级的多级涡轮增压组件，特别是具有一个或更多个高压级和一个或更多个低压级的多级涡轮增压组件。特别地，本公开的实施例涉及具有一个或更多个轴流涡轮机的轴流式多级涡轮增压组件。


背景技术：

2.多级涡轮增压器包括彼此连接并连接到发动机增压空气路径的独立涡轮增压器组件。涡轮机外壳通过排气管道连接，该排气管道允许以下热气体流动：首先将发动机排气引导至高压涡轮机的入口，然后将气流通过高压涡轮机的出口引导至低压涡轮机的入口，最后，使用排气歧管通过出口路径引导至环境。这种类型的架构在发动机安装上需要大型组件的占地面积(即安装组装单元所需的空间)，以及需要多个管道连接件、波纹管、支撑件、联轴器、绝缘材料和结构增强支架，旨在减少管道振动和防止故障模式。此外，这种布置在部件组装、材料清单和服务方面相当复杂。在机载发动机组件上，间距是最重要的，因此需要努力减少多级涡轮增压器的整体占地面积。此外，由于涡轮机外壳及其相关连接管道的温度普遍较高，因此使用了笨重的隔热罩和绝缘材料。
3.在现有技术中，多级涡轮增压器被组装到发动机平台上，从而从气缸盖组接收废气。废气被收集起来，导入涡轮增压涡轮级，并经由排气管道排出。为了便于废气通过出口，使用了具有t型件、弯头和各种连接波纹管的排气管。这导致复杂的排气管道组件、路线和支撑支架，容易受到效率损失以及各种连接件和单个部件热膨胀和振动损坏的潜在泄漏的影响。
4.因此，鉴于上述情况，需要改进的多级涡轮增压组件，其至少部分地克服了现有技术中的一些问题。


技术实现要素：

5.鉴于上文，提供了根据独立权利要求的多级涡轮增压组件和操作多级涡轮增压组件的方法。其他方面、优点和特征从从属权利要求、说明书和附图中显而易见。
6.根据本公开的一个方面，提供了一种多级涡轮增压组件。多级涡轮增压组件包括第一级，该第一级包括经由第一轴与第一压缩机耦接的第一涡轮机。另外，多级涡轮增压组件包括第二级，该第二级包括经由第二轴与第二压缩机耦接的第二涡轮机。第一压缩机和第二涡轮机设置在多级涡轮增压组件的第一侧上并且彼此相对。第二压缩机和第一涡轮机设置在多级涡轮增压组件的第二侧上并且彼此相对。
7.因此，与现有技术相比，能够提供改进的多级涡轮增压组件。特别地，根据本文所述的实施例的多级涡轮增压组件提供以下优点：多级涡轮增压组件的废气入口和气体出口能够设置在多级涡轮增压组件的相对侧上。另外，与现有技术相比，能够提供更紧凑的多级涡轮增压组件。此外，与现有技术相比，本文所述的多级涡轮增压组件有益地提供了实施简
化的废气出口路线的可能性。另一个优点是能够提供跨越多级涡轮增压组件的级的简化的气体通道。更具体地，根据本公开的多级涡轮增压组件的布局原理允许(例如通过分离压缩机级的壳体)提供简化的气体通道结构的可能性、特别是简化的气体通道壳体的可能性。提供单独的压缩机壳体能够有益地促进服务和维护操作。
8.根据本公开的另一方面，提供了一种操作多级涡轮增压组件的方法。该方法包括提供从第二涡轮机的废气入口至第一涡轮机的废气出口的废气流。此外，该方法包括提供从第一压缩机的第一压缩机入口至第二压缩机的第二压缩机出口的气流。第一压缩机和第二涡轮机设置在多级涡轮增压组件的第一侧上并且彼此相对。第二压缩机和第一涡轮机设置在多级涡轮增压组件的第二侧上并且彼此相对。特别地，操作多级涡轮增压组件的方法通常包括采用根据本文所述的任何实施例的多级涡轮增压组件。
附图说明
9.通过参考实施例可以对上面简要概括的本公开进行更具体的描述，使得能够详细理解本公开的上述特征的方式。附图涉及本公开的实施例，并且描述如下：
10.图1示出了根据本文所述的实施例的多级涡轮增压组件的示意性视图；和
11.图2和图3示出了根据本文所述的其他实施例的涡轮增压组件的示意性视图。
具体实施方式
12.现在将详细参考各种实施例，在每个附图中示出了其中的一个或更多个示例。每个示例都是以解释的方式提供的但并不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征能够用在任何其他实施例上或与任何其他实施例结合使用以产生又一实施例。其目的是使本公开包括这样的修改和变化。
13.在附图的以下描述中，相同的附图标记指代相同或相似的部件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。除非另有规定，一个实施例中的部分或方面的描述也可以应用于另一个实施方式中的相应部分或方面。
14.示例性地参照图1，描述了一种根据本公开的多级涡轮增压组件100。根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件100包括第一级110和第二级120。第一级110包括第一涡轮机113和第一压缩机114。第一涡轮机113经由第一轴101与第一压缩机114耦接。第二级120包括第二涡轮机123和第二压缩机124。第二涡轮机123经由第二轴102与第二压缩机124耦接。第一压缩机114和第二涡轮机123设置在多级涡轮增压组件100的第一侧111上并且彼此相对。第二压缩机124和第一涡轮机113设置在多级涡轮增压组件100的第二侧112上并且彼此相对。
15.因此，与现有技术相比，能够提供改进的多级涡轮增压组件。特别地，根据本文所述的实施例的多级涡轮增压组件提供以下优点：多级涡轮增压组件的废气入口和气体出口能够设置在多级涡轮增压组件的相对侧上。另外，与现有技术相比，能够提供更紧凑的多级涡轮增压组件。此外，与现有技术相比，本文所述的多级涡轮增压组件有益地提供了实施简化的废气出口路线的可能性。另一优点是能够提供跨越多级涡轮增压组件的级的简化的气体通道。更具体地，根据本公开的多级涡轮增压组件的布局原理允许(例如通过分离压缩机级的外壳)提供简化的气体通道结构的可能性、特别是简化的气体通道壳体的可能性。提供
单独的压缩机外壳能够有益地促进服务和维护操作。
16.特别地，多级涡轮增压组件100的第一侧和第二侧是通过虚拟划分平面103分开的体积，虚拟划分平面103将多级涡轮增压组件100划分成两侧，即第一侧111和第二侧112。因此，应当理解的是，第一侧111是通过虚拟划分平面103与作为三维空间的第二侧112分开的三维空间。
17.因此，如图1示例性所示，通常第一级110的组件(即经由第一轴101与第一压缩机114耦接的第一涡轮机113)相对于第二级120的组件(即经由第二轴102与第二压缩机124耦接的第二涡轮机123)是反置的。根据非限制性示例，第一轴101和第二轴102能够彼此平行，如图1中示例性所示。然而，替代地，第一轴101和第二轴102能够相对于彼此不平行地设置。例如，第一轴101的轴线可以在包括第一轴101的轴线的第一平面104内旋转。换言之，第一轴101的轴线能够与第一平面104共面。特别地，第一轴101的轴线可以围绕垂直于第一轴101的轴线的轴线旋转。
18.类似地，第二轴102的轴线可以在包括第二轴102的轴线的第二平面105内旋转。换言之，第二轴102的轴线能够与第二平面105共面。特别地，第二轴102的轴线可以围绕垂直于第二轴102的轴线的轴线旋转。
19.例如，第一平面104和第二平面105能够平行，如图1示例性所示。此外，通常划分平面103与第一平面104和第二平面105相交。例如，划分平面103可以与第一平面104和/或第二平面105垂直相交。
20.如图1至图3示例性所示，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一涡轮机113和第二涡轮机123相对于彼此横向设置。通常，第一压缩机114和第二压缩机124相对于彼此横向设置。因此，如图1示例性所示，应当理解的是，连接第一涡轮机113和第二涡轮机123的第一虚拟线106与连接第一压缩机114和第二压缩机124的第二虚拟线107相交。
21.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一涡轮机113是逆流式轴流涡轮机，如图1至图3中示例性所示。特别地，应当理解的是，多级涡轮增压组件被构造成使得能够在相同方向上提供通过第一涡轮机113和第二涡轮机123的废气流。换言之，多级涡轮增压组件被构造成使得进入废气入口131的废气流方向对应于离开废气出口132的废气流方向，如图1至图3中示例性地所示。因此，第一涡轮机113和/或第二涡轮机123能够是轴流涡轮机。
22.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件被构造成提供0.2≤rd≤0.7的相对距离比rd，其中rd＝0.5
×
(dt1+dt2)/d，其中，dt1是第一涡轮机113的第一涡轮直径，dt2是第二涡轮机123的第二涡轮直径，d是第一轴101的旋转轴线与第二轴102的旋转轴线之间的距离。
23.如图1至图3示例性所示，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第二涡轮机123经由气体通道133与第一涡轮机113连接。通常，气体通道133是流动优化的气体通道。更具体地，如图1示例性所示，废气可以经由废气入口131被提供至第二涡轮机123，在通过第二涡轮机123后，废气经由气体通道133被引导至第一涡轮机113，并且在通过第一涡轮机113后，废气通过废气出口132喷出。
24.特别地，气体通道133由气体通道壳体134提供。通常，气体通道壳体134由铸造材
料制成。气体通道壳体可以是单独的部件。换言之，气体通道壳体可以是单独的壳体，其被构造成用于提供从第二涡轮机123至第一涡轮机113的气体通道。更具体地，气体通道壳体134能够是横向气体通道壳体。如本文所述，“横向气体通道壳体”能够被理解为壳体被构造成用于提供从第二涡轮机123至横向设置的第一涡轮机113的气体通道。
25.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，气体通道壳体134可以包围第一涡轮机113和第二涡轮机123中的至少一个。虽然图2和图3示出了气体通道壳体134包围第一涡轮机113和第二涡轮机123两者的示例，但是应当理解的是，替代地，气体通道壳体134可以仅包围气体通道133，或者气体通道133和第一涡轮机113，或者气体通道133和第二涡轮机123。
26.示例性地参照图3，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件100还包括压缩机壳体135，该压缩机壳体包围第一压缩机114和第二压缩机124中的至少一个。例如，压缩机壳体135可以是单个单元。压缩机壳体135可以包括包围第一压缩机114的第一压缩机壳体135a。此外，压缩机壳体135可以包括包围第二压缩机124的第二压缩机壳体135b。因此，应当理解的是，第一压缩机壳体135a和第二压缩机壳体135b能够是单独的壳体，或由一体的单个壳体提供。
27.示例性地参照图2，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件100包括包围第一级110和第二级120的壳体130。壳体130能够是单个单元。特别地，壳体130能够是一体的单件式结构，例如由铸造材料制成。替代地，壳体130能够由两个或更多个壳体部分组成。两个或更多个壳体部分能够由铸造材料制成。
28.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，气体通道壳体134集成在壳体130中。根据图2，应当理解的是，通常壳体130是多级涡轮增压组件100的主壳体。主壳体130可以提供压缩机壳体135。更具体地，主壳体130可以提供第一压缩机壳体135a和/或第二压缩机壳体135a。换言之，第一压缩机壳体135a和/或第二压缩机壳体135a可以集成在主壳体130中。
29.如图1至图3示例性所示，通常，第一压缩机114设置有第一压缩机入口115和第一压缩机出口116。通常，第二压缩机124设置有第二压缩机入口125和第二压缩机出口126。示例性地参照图3，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一压缩机出口116经由气流连接件127与第二压缩机入口125连接。特别地，气流连接件127可以包括冷却器140，如图3示意性所示。
30.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一级110被构造成用于与第二级120不同的操作压力。例如，第一级110能够是低压级而第二级120能够是高压级。特别地，第一涡轮机113可以是低压涡轮机并且第一压缩机114可以是低压压缩机。第二涡轮机123可以是高压涡轮机并且第二压缩机124可以是高压压缩机。
31.替代地，第一级110能够是高压级而第二级120能够是低压级。因此，第一涡轮机113可以是高压涡轮机并且第一压缩机114可以是高压压缩机，第二涡轮机123可以是低压涡轮机并且第二压缩机124可以是低压压缩机。
32.因此，如本文所述的多级涡轮增压组件能够被理解为具有一个或更多个高压级和/或一个或更多个低压级的涡轮增压组件。一个或更多个高压级具有与高压压缩机耦接的高压涡轮机。一个或更多个低压级具有与低压压缩机耦接的低压涡轮机。
33.根据本公开的另一方面，提供了一种操作多级涡轮增压组件100的方法。如图1示例性所示，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，该方法包括提供从第二涡轮机123的废气入口131至第一涡轮机113的废气出口132的废气流。此外，该方法包括提供从第一压缩机114的第一压缩机入口115至第二压缩机124的第二压缩机出口126的气流。第一压缩机114和第二涡轮机123设置在多级涡轮增压组件100的第一侧111上并且彼此相对。第二压缩机124和第一涡轮机113设置在多级涡轮增压组件100的第二侧112上并且彼此相对。
34.如图1至图3示例性所示，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，提供从第二涡轮机123的废气入口131至第一涡轮机113的废气出口132的废气流包括提供通过气体通道壳体134的废气流。气体通道壳体134提供将第二涡轮机123与第一涡轮机113连接的气体通道133。
35.特别地，应当理解的是，操作多级涡轮增压组件的方法包括使用根据本文所述的实施例的多级涡轮增压组件。
36.虽然前述内容是针对实施例的，但在不脱离基本范围的情况下，可以设计出其他和另外的实施例，并且范围由所附权利要求确定。
37.附图标记说明
38.100多级涡轮增压组件
39.101第一轴
40.102第二轴
41.103虚拟划分平面
42.104第一平面
43.105第二平面
44.106第一虚拟线
45.107第二虚拟线
46.110第一级/低压级
47.111多级涡轮增压组件的第一侧
48.112多级涡轮增压组件的第二侧
49.113第一涡轮机/低压涡轮机
50.114第一压缩机/低压压缩机
51.115第一压缩机入口/低压压缩机入口
52.116第一压缩机出口/低压压缩机出口
53.120第二级/高压级
54.123第二涡轮机/高压涡轮机
55.124第二压缩机/高压压缩机
56.125第二压缩机入口/高压压缩机入口
57.126第二压缩机出口/高压压缩机出口
58.127气流连接件
59.130壳体
60.131废气入口
61.132废气出口
62.133气体通道
63.134气体通道壳体
64.135压缩机壳体
65.135a第一压缩机壳体
66.135b第二压缩机壳体
67.140冷却器

技术特征：
1.一种多级涡轮增压组件(100)，其包括-第一级(110)，其包括经由第一轴(101)与第一压缩机(114)耦接的第一涡轮机(113)；-第二级(120)，其包括经由第二轴(102)与第二压缩机(124)耦接的第二涡轮机(123)，其中，所述第一压缩机(114)和所述第二涡轮机(123)设置在所述多级涡轮增压组件(100)的第一侧(111)上并且彼此相对，并且其中，所述第二压缩机(124)和所述第一涡轮机(113)设置在所述多级涡轮增压组件(100)的第二侧(112)上并且彼此相对。2.根据权利要求1所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第一涡轮机(113)和所述第二涡轮机(123)相对于彼此横向设置。3.根据权利要求1或2所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第一压缩机(114)和所述第二压缩机(124)相对于彼此横向设置。4.根据权利要求1至3中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第二涡轮机(123)经由气体通道(133)与所述第一涡轮机(113)连接。5.根据权利要求4所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述气体通道(133)由气体通道壳体(134)提供，特别是由横向气体通道壳体提供。6.根据权利要求5所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述气体通道壳体(134)包围所述第一涡轮机(113)和所述第二涡轮机(123)中的至少一个。7.根据权利要求1至6中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，还包括包围所述第一压缩机(114)和所述第二压缩机(124)的压缩机壳体(135)。8.根据权利要求7所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述压缩机壳体(135)是单个单元，或者其中，所述压缩机壳体(135)包括包围所述第一压缩机(114)的第一压缩机壳体(135a)和包围所述第二压缩机(124)的第二压缩机壳体(135b)。9.根据权利要求1至8中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，还包括包围所述第一级(110)和所述第二级(120)的壳体(130)，其中，所述壳体(130)是单个单元或由两个或更多个壳体部分组成。10.根据结合权利要求5和9的权利要求1至4中任一项或根据结合权利要求5和9的权利要求6至8中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述气体通道壳体(134)集成在所述壳体(130)中。11.根据权利要求1至10中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，第一压缩机出口(116)经由气流连接件(127)、特别是包括冷却器(140)的气流连接件(127)与第二压缩机入口(125)连接。12.根据权利要求1至11中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第一级(110)被构造成用于与所述第二级(120)不同的操作压力。13.根据权利要求1至12中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第一级(110)是低压级，特别地，所述第一涡轮机(113)是低压涡轮机，并且所述第一压缩机(114)是低压压缩机，并且其中，所述第二级(120)是高压级，特别地，所述第二涡轮机(123)是高压涡轮机，并且所述第二压缩机(124)是高压压缩机。14.根据权利要求1至13中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，所述第一涡轮机(113)是逆流式轴流涡轮机。15.根据权利要求1至14中任一项所述的多级涡轮增压组件(100)，其中，提供0.2≤rd
≤0.7的相对距离比rd，其中，rd＝0.5
×
(dt1+dt2)/d，其中，dt1是所述第一涡轮机(113)的第一涡轮机直径，其中，dt2是所述第二涡轮机(123)的第二涡轮机直径，并且其中，d是所述第一轴(101)的旋转轴线与所述第二轴(102)的旋转轴线之间的距离，特别地，其中，所述第一轴(101)的旋转轴线与所述第二轴(102)的旋转轴线之间的距离(d)在沿旋转轴线的任何点处基本恒定。16.一种操作多级涡轮增压组件(100)的方法，其包括提供从第二涡轮机(123)的废气入口(131)至第一涡轮机(113)的废气出口(132)的废气流；和提供从第一压缩机(114)的第一压缩机入口(115)至第二压缩机(124)的第二压缩机出口(126)的气流，其中，所述第一压缩机(114)和所述第二涡轮机(123)设置在所述多级涡轮增压组件(100)的第一侧(111)上并且彼此相对，并且其中，所述第二压缩机(124)和所述第一涡轮机(113)设置在所述多级涡轮增压组件(100)的第二侧(112)上并且彼此相对。17.根据权利要求16所述的方法，其中，提供从所述第二涡轮机(123)的废气入口(131)至所述第一涡轮机(113)的废气出口(132)的废气流包括提供通过气体通道壳体(134)的废气流，所述气体通道壳体(134)提供将所述第二涡轮机(123)与所述第一涡轮机(113)连接的气体通道(133)。

技术总结
描述了一种多级涡轮增压组件(100)。多级涡轮增压组件(100)包括第一级(110)，该第一级包括经由第一轴(101)与第一压缩机(114)耦接的第一涡轮机(113)。此外，多级涡轮增压组件(100)包括第二级(120)，该第二级包括经由第二轴(102)与第二压缩机(124)耦接的第二涡轮机(123)。第一压缩机(114)和第二涡轮机(123)设置在多级涡轮增压组件(100)的第一侧(111)上并且彼此相对。第二压缩机(124)和第一涡轮机(113)设置在多级涡轮增压组件(100)的第二侧(112)上并且彼此相对。此外，描述了一种操作多级涡轮增压组件的方法。级涡轮增压组件的方法。级涡轮增压组件的方法。


技术研发人员：亚历山德罗
受保护的技术使用者：涡轮增压系统瑞士有限公司
技术研发日：2021.10.08
技术公布日：2023/6/26