專利名稱：大型柴油機(jī)增壓器組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及獨(dú)立權(quán)利要求前段部分的大型柴油機(jī)增壓器組。
在例如用作船舶主驅(qū)動機(jī)組或固定發(fā)電站的大型柴油機(jī)中增壓器組用于壓縮在掃氣和燃燒過程中供給氣缸的空氣，這種空氣被稱作掃氣或增壓空氣。
增壓器組通常包括一個壓氣機(jī)，其中，新鮮空氣由轉(zhuǎn)子吸入，受壓縮，并由出口蝸殼排出；一個透平，它驅(qū)動壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子；一個增壓空氣冷卻器。該透平由燃燒期間在氣缸內(nèi)產(chǎn)生的熱廢氣驅(qū)動。該透平和壓氣機(jī)也被稱作透平增壓器。壓縮空氣在其中被冷卻的增壓空氣冷卻器安置在該透平增壓器之后。這些空氣在通過增壓空氣冷卻器后，大部分經(jīng)稱為進(jìn)氣收集器的容器到達(dá)各氣缸。取決于大型柴油機(jī)的型式，空氣輸入氣缸發(fā)生在不同的部位。例如，在直流掃氣二沖程發(fā)動機(jī)中，空氣經(jīng)設(shè)置在氣缸下區(qū)的掃氣口被引入氣缸內(nèi)。例如在四沖程發(fā)動機(jī)中，增壓空氣經(jīng)一個或多個設(shè)置在氣缸蓋上的進(jìn)氣閥被輸入氣缸內(nèi)。
為改善增壓效率，一擴(kuò)壓段大致設(shè)置在壓氣機(jī)出口和增壓空氣冷卻器之間，在擴(kuò)壓段內(nèi)，自壓氣機(jī)排出的空氣的流速降低，經(jīng)該擴(kuò)壓段，壓力能恢復(fù)。該擴(kuò)壓段例如被稱作擴(kuò)張管，空氣的流通橫截面在其中連續(xù)地擴(kuò)展。
然而，具有壓氣機(jī)、擴(kuò)壓段和增壓空氣冷卻器的已知增壓器組的優(yōu)點(diǎn)是必須保持壓氣機(jī)和增壓空氣冷卻器之間的特定距離，以便在那里設(shè)置一個有效的擴(kuò)壓段。這使增壓器組的尺寸變大，這跟將大型柴油機(jī)設(shè)計成盡可能節(jié)約空間且理想地利用有效空間的愿望是背道而馳的。
因此，本發(fā)明的目的是為大型柴油機(jī)提供一種特別緊湊和節(jié)約空間的增壓器組，而無須犧牲擴(kuò)壓段的效率。該增壓器組應(yīng)確保盡量好的利用有效空間。
滿足該目的增壓器組是以獨(dú)立權(quán)利要求的特點(diǎn)為特征的。
因此，按照本發(fā)明，提出了一種大型柴油機(jī)和增壓器組，它包括一個壓氣機(jī)，用于壓縮作為掃氣空氣供給大型柴油機(jī)氣缸的空氣，所述壓氣機(jī)有一個壓縮空氣出口和一個設(shè)置在一根軸上用于壓縮空氣的轉(zhuǎn)子；一個用以驅(qū)動壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子的透平，該透平可由氣缸的廢氣驅(qū)動；一個擴(kuò)壓段，連于壓氣機(jī)的出口，以降低壓縮空氣的流速。壓氣機(jī)的出口設(shè)置在某一高度，相對于正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向處在或高于壓氣機(jī)軸的高度。
通過這一措施，擴(kuò)壓段可側(cè)向安置在壓氣機(jī)上，這樣，壓氣機(jī)和隨后部位如增壓空氣冷卻器之間的距離能明顯縮短，而無須縮短沿流動方向看時擴(kuò)壓段的長度，這一長度對于其有效性是必要的。這允許增壓器組的結(jié)構(gòu)特別緊湊，且其可用空間得到完美的利用。
包括壓氣機(jī)和透平的機(jī)組被稱作透平增壓器。該壓氣機(jī)和透平通常被容納在一公共殼體內(nèi)。因此，在下文中，“壓氣機(jī)底座平面”和“透平增壓器底座平面”要理解成具有同樣的意義。
擴(kuò)壓段最好被設(shè)計成管形，它沿空氣流動方向擴(kuò)展，基本上相應(yīng)延伸到壓氣機(jī)或透平增壓器的底座平面。該壓氣機(jī)或透平增壓器相應(yīng)安裝在一平臺上，因此其底平面處在該平臺上，由于該擴(kuò)壓段并不分別凸出于壓氣機(jī)或透平增壓器底平面下，因此，來自擴(kuò)壓段的空氣流入其間的增壓空氣冷卻器可直接安置在該平臺底下。這樣，增壓器組的總結(jié)構(gòu)高度降低了，這對于大型柴油機(jī)結(jié)構(gòu)盡可能緊湊是特別重要的。
業(yè)已證明當(dāng)擴(kuò)壓段至少沿其高度的一部分大致成錐形擴(kuò)展時特別有效，其擴(kuò)張角的一半小于12°，特別是4°至8°。
此外，若將擴(kuò)壓段設(shè)計成相對于空氣流動方向至少部分彎曲是有利的。從而擴(kuò)壓段能側(cè)向安置，盡可能鄰接壓氣機(jī)，這樣，能極充分地利用有效空間。該擴(kuò)壓段在其與壓氣機(jī)出口連接的端部，例如可這樣設(shè)計，使其形成一連續(xù)的出口蝸殼。
若擴(kuò)壓段在其與壓氣機(jī)出口相連的端部，其進(jìn)氣面積至達(dá)到該擴(kuò)壓段另一端的出口面積的1/3，則對于擴(kuò)壓段的效能是有利的，通過這一措施，在壓氣機(jī)的出口例如能達(dá)到100M/S的空氣高流速能在擴(kuò)壓段內(nèi)下降到足夠低的數(shù)值，例如在壓氣機(jī)的出口處達(dá)到30-40m/s。這樣，便能恢復(fù)到相當(dāng)高的壓力，從熱動力學(xué)的觀點(diǎn)看，這對于增壓效率是特別有利的。
在一個特別優(yōu)先的實(shí)施例中，該擴(kuò)壓段被制成一單件。
在另一優(yōu)先實(shí)施例中，該擴(kuò)壓段包括至少兩部件，它們相對于空氣流動方向依次排列，一補(bǔ)償段設(shè)置在該兩部件之間。借助于該補(bǔ)償器，能補(bǔ)償擴(kuò)壓段和蝸殼的熱膨脹變化。
此外，當(dāng)擴(kuò)壓段具有一個用以固定擴(kuò)壓段和用以分散作用在擴(kuò)壓段上的力的緊固裝置時是有利的，該緊固裝置設(shè)置在基本上與壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子軸同一高度上。由于該擴(kuò)壓器在該高度上還未達(dá)到其最大流通橫截面，因此，由空氣壓力產(chǎn)生的力也不那么大。
本發(fā)明的增壓器組特別適用于希望其結(jié)構(gòu)特別緊湊和節(jié)約空間的大型柴油機(jī)。
以從屬權(quán)利要求中得出本發(fā)明的其它有利措施和優(yōu)先實(shí)施例。
下面參照示例性實(shí)施例和


本發(fā)明。這些示意各不是按比例繪制的，其中圖1表示帶有作為本發(fā)明示例性實(shí)施例的增壓器組的大型柴油機(jī)；圖2以垂直于轉(zhuǎn)子軸的剖面表示圖1示例性實(shí)施例的壓氣機(jī)和擴(kuò)壓段；圖3如圖2那樣，但表示的是作為本發(fā)明第二示例性實(shí)施例的增壓器組。
在下面的說明書中，有關(guān)位置的規(guī)定，諸如“上，下，在其上，在其下……”與圖1-3中所示的正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向有關(guān)。此外，在掃氣和增壓空氣之間沒有概念上的區(qū)別。
圖1以局部高度示意圖表示大型柴油機(jī)示例性實(shí)施方案的主要部分，它被設(shè)計為一直流掃氣二沖程發(fā)動機(jī)，它整體上用標(biāo)號10表示。大型柴油機(jī)10的普通許多氣缸中的一個用標(biāo)號11表示。
在氣缸11內(nèi)裝置一活塞14，它能上、下移動。該活塞經(jīng)一未示出的活塞桿15連于一未示出的十字頭上，十字頭在另一端經(jīng)一推桿連于大型柴油機(jī)10的曲軸上。在氣缸11的下區(qū)內(nèi)設(shè)有若干掃氣口16，這些掃氣空氣口由活塞14蓋住或露出，取決于活塞的位置。稱作掃氣或增壓空氣的新鮮空氣經(jīng)掃氣口16可流入氣缸11內(nèi)，如箭S所示。
在氣缸11的上區(qū)內(nèi)設(shè)有一個或多個噴咀12，用于將燃料噴入氣缸11的燃料室內(nèi)，還設(shè)有一中心布置的排氣閥13，在燃燒過程中產(chǎn)生的燃?xì)饨?jīng)該閥作為廢氣流出。廢氣經(jīng)排氣閥13鄰近的廢氣連接管件流入廢氣收集器6內(nèi)。廢氣收集器6也以類似的方式連于其它氣缸。
在整體上以標(biāo)號1表示的本發(fā)明的增壓器組的示例性實(shí)施方案備有掃氣空氣，對氣缸11充氣。該壓壓器組1包括一個用以壓縮空氣的壓氣機(jī)2，一個用以驅(qū)動壓氣機(jī)2的透平3，一個配置在壓氣機(jī)2后用以降低壓縮空氣流速的擴(kuò)壓段4，以及壓縮空氣在其內(nèi)受冷卻的增壓空氣冷卻器5。將壓氣機(jī)2和透平3安排在一公共的殼體內(nèi)，構(gòu)成一透平增壓器。
空氣自增壓空氣冷卻器5的出口經(jīng)一壓力管路17流到一進(jìn)氣收集器18，掃氣空氣自該進(jìn)氣收集器到達(dá)氣缸11的掃氣口16。當(dāng)活塞14露出掃氣口16時，掃氣空氣能流入氣缸11內(nèi)，如圖1中箭頭S所示。
壓氣機(jī)2(見圖2)包括一轉(zhuǎn)子21，它被設(shè)置在軸A上，且設(shè)有若干葉片或輪葉子11，在所有情況下它自軸A向外延伸。轉(zhuǎn)子21的轉(zhuǎn)動方向由圖2中的箭頭D指示。沿轉(zhuǎn)子21周圍設(shè)有一出口蝸殼22。若干靜止的第二導(dǎo)葉25以本來已知的方式，按徑向方向設(shè)置在轉(zhuǎn)子2 1和出口蝸殼22之間。出口蝸殼22包圍第二導(dǎo)葉25的徑向外端，并定界當(dāng)沿轉(zhuǎn)子21的旋轉(zhuǎn)方向D看時徑向擴(kuò)展的螺旋形腔22a，因此，當(dāng)沿旋轉(zhuǎn)方向D看時，第二導(dǎo)葉25徑向外端和出口蝸殼22之間的距離增加。將壓氣機(jī)2的進(jìn)口這樣安排，使吸入的新鮮空氣沿軸A的方向流至轉(zhuǎn)子21，如圖2中箭頭F所示。轉(zhuǎn)子21將新鮮空氣推入螺旋腔22a內(nèi)，壓縮空氣自螺旋腔到達(dá)壓氣機(jī)2的出口23。
在此情況下，由于出口23是指出口蝸殼22的端部，這意指出口蝸殼22的橫截面積，它剛好處在螺旋腔22a正好完成其繞軸A的第一轉(zhuǎn)圈360°(一個完整的旋旋圈)。在圖2的橫剖視圖中，螺旋腔22a在用B標(biāo)記的位置開始，并沿徑向擴(kuò)展一當(dāng)沿旋轉(zhuǎn)方向D看時。這樣，在該圖中，出口蝸殼22的外壁給出了一個螺旋線。該螺旋線完成其第一線圈360°的地方是壓氣機(jī)2的出口23。按照圖2的表示，出口23的橫截面是有軸A至B點(diǎn)連線的徑向延伸的延長部分。按照本發(fā)明，在圖2中所示正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向下壓氣機(jī)2的出口23布置在高于壓氣機(jī)2的軸A的高度。
壓氣機(jī)2或透平增壓器2，3的殼體還有一個底座24，它安裝在固定于發(fā)動機(jī)殼體的一個平臺19上。底認(rèn)24的下界面稱作壓氣機(jī)2的底座平面24a，底座24用該下界面與平臺19接觸。
壓氣機(jī)的轉(zhuǎn)子由透平3按本來已知的方式驅(qū)動(見圖1)。為此，透平3最好安裝在與安裝轉(zhuǎn)子21的同一軸A上。廢氣自廢氣收集器6流出，經(jīng)一廢氣管7流至透平3，并驅(qū)動使者。在流經(jīng)透平3后，廢氣經(jīng)另一個未示的廢氣管流出，如圖1中箭頭G所示。
旋轉(zhuǎn)透平3經(jīng)軸A驅(qū)動壓氣機(jī)2的轉(zhuǎn)子21。后者經(jīng)進(jìn)氣口吸入新鮮空氣，該進(jìn)氣口處在圖1中圖示平面的后面，因此看不見。新鮮空氣自軸A的方向流至轉(zhuǎn)子21，并由其輪葉211推入螺旋腔22a。此后，壓縮空氣經(jīng)出口23流出壓氣機(jī)2。
壓氣機(jī)2的出口23連于擴(kuò)壓段4。擴(kuò)壓段4被設(shè)計成管形，并沿空氣流動方向擴(kuò)展。擴(kuò)壓段4在其一端有一壓縮空氣出口區(qū)42。
在圖2中所示的示例性實(shí)施例中，擴(kuò)壓段4被制成單件。如圖2所示，將擴(kuò)壓段4設(shè)計成弧形，使壓氣機(jī)2的出口蝸殼22連接。擴(kuò)壓段緊鄰壓氣2的出口23，其橫截面沿流動方向增加。擴(kuò)壓段4的連于出口23的一端構(gòu)成擴(kuò)壓段4的進(jìn)口區(qū)41，它與擴(kuò)壓段4的出口23的橫截面是相同的。
可將擴(kuò)壓段4與出口蝸殼22一起設(shè)計成一結(jié)構(gòu)組件，使它是壓氣機(jī)2的一個整體組成部分。然而，也能將擴(kuò)壓段4制成一單個部件，然后，例如通過法蘭連接或焊接將它與出口蝸殼22連接。
在圖1所示的示例性實(shí)施例中，直接安置在平臺19下面的增壓空氣冷卻器5包括一輸氣道51，它連于擴(kuò)區(qū)段4的下端，使流經(jīng)擴(kuò)壓段4出口區(qū)42的空氣能經(jīng)該輸氣道51流入增壓空氣冷卻器5內(nèi)。
在圖2所示的示例性實(shí)施例中，在擴(kuò)壓段4的下端，即大致在平臺19的高度上，設(shè)有一補(bǔ)償段43，以補(bǔ)償擴(kuò)壓段4和出口蝸殼22的螺旋形殼體的熱膨脹。將補(bǔ)償段43例如制成波紋管，并經(jīng)法蘭連接件43a連于擴(kuò)壓段4。然后，增壓空氣冷卻器5的進(jìn)氣道51鄰接補(bǔ)償段53。
此外，在擴(kuò)壓段4上最好設(shè)置未示出的緊同裝置，以便分散對發(fā)動機(jī)的殼體的力和扭距。
最好將整個擴(kuò)壓段4這樣設(shè)計，使其出口面積42至少為其進(jìn)口面積41的二倍，最好至少為三倍，由于這些幾何尺寸，例如流經(jīng)擴(kuò)壓段4進(jìn)口面積41的高至100m/s的壓縮空氣流速一般能降至40-30m/s，這樣，空氣壓力增加到相當(dāng)?shù)某潭取?br> 圖3類似于圖2的視圖表示本發(fā)明增壓器組的另一示例性實(shí)施例的壓氣機(jī)和擴(kuò)壓段4。下面主要討論其差別，另外，對圖2所示實(shí)施例說明的方式也適用于圖3所示實(shí)施例的方式。尤其是圖3中的標(biāo)號和圖2中具有同樣的意義。
在圖3實(shí)施例中，擴(kuò)壓段4包括兩部分4a，4b，在所有情況下將它設(shè)計成為管形截面，且沿流動方向首尾相接。上部4a設(shè)計成弧形，正好鄰接壓氣機(jī)2的出口23，其橫截面最好制成沿流動方向增加。與出口23相連的上部4a的端部構(gòu)成擴(kuò)壓段4的進(jìn)口面積41，它與壓氣機(jī)2的出口23的橫截面積相同。上部4a沿與出口蝸殼22的相同方向彎曲，大致延伸到轉(zhuǎn)子21軸所處的高度，因此，上部4a的出口面積大致與平臺19平行。可將上部4a與出口蝸殼22設(shè)計成一個結(jié)構(gòu)整體，這樣，上部4a是壓氣機(jī)2的一個整體組成部分。然而也能將上部4a制成一單獨(dú)的部件，然后，例如通過法蘭連接或焊接將它連接到出口蝸殼22。
在該實(shí)施例中，將壓氣機(jī)43設(shè)置在上部4a和下部4b之間。壓氣機(jī)43，例如經(jīng)法蘭連接件43a連于擴(kuò)壓段的上、下部4a、4b。為減小由于擴(kuò)壓段4內(nèi)壓力的結(jié)果而分別作用于蝸殼或透平增壓器2，3的底座24上的力或力矩，最好在擴(kuò)壓段上設(shè)置緊固裝置，以分散作用于該發(fā)動機(jī)殼體上的力和力矩。由于擴(kuò)壓段4在軸A的高度上還沒有達(dá)到其最大橫截面，特別由靜壓在其中產(chǎn)生的力還不怎么大。因此，將該緊固裝置大致設(shè)置在轉(zhuǎn)子21的軸A的高度就其機(jī)械應(yīng)力而言是有利的。
擴(kuò)壓段的下部4b自補(bǔ)償段43延伸到透平增壓器2，3安裝于其上的平臺19。下部4b的下端最好由緊固裝置44固定于平臺19。這樣，擴(kuò)壓段4的出口面積42相應(yīng)處在與壓氣機(jī)2或透平增壓器2，3的底座平面24a同樣高的高度上。該下部4b被設(shè)計成漏斗形狀，這意味著它自補(bǔ)償段43至出口面積42大致成錐形擴(kuò)展。其中，下部4b的橫截面可設(shè)計成具有一些角，如正方形，或圓形。使半擴(kuò)張角α小于12°，特別是4°-8°就擴(kuò)壓段4的效率盡量好而言是有利的。
擴(kuò)壓段4自壓氣機(jī)2的出口23擴(kuò)展到壓氣機(jī)2的底座平面24a，在該平面上擴(kuò)壓段4終止。其中，擴(kuò)壓段4是這樣擴(kuò)展的，它的進(jìn)口面積41的尺寸仍然達(dá)到擴(kuò)壓段4的出口面積42的至多一半，最好至多1/3。
由于在本發(fā)明的兩個實(shí)施例中(圖2和3)壓氣機(jī)的出口23處在或高于轉(zhuǎn)子21的軸A的高度，因此在壓氣機(jī)2的出口23和底座平面24a或平臺19之間有足夠的空間將具有關(guān)于擴(kuò)張角α和進(jìn)、出口面積(41，42)比的上述幾何形狀的擴(kuò)壓段4安置在那里。這樣，擴(kuò)壓段4終止在壓氣機(jī)2或透平增壓器2，3的底座平面24a的高度上，而無須減少擴(kuò)壓段有效長度。由于擴(kuò)壓段4并不向下突出超過壓氣機(jī)2或平臺19的底座平面24a，因此增壓空氣冷卻器5能直接安裝在平臺19的底下，這就是說無需間隔，于是，增壓器組1的總高降低了。
顯然，本發(fā)明的增壓器組1也適用于除本文所述的直流掃氣二沖程發(fā)動機(jī)之外的其它大型柴油機(jī)。例如，本發(fā)明的增壓器組1按類似的方式也可以是4沖程大型柴油機(jī)的一個組成部分，在該柴油機(jī)中，增壓空氣經(jīng)一個或多個設(shè)置在氣缸蓋上的進(jìn)氣閥被輸入到氣缸內(nèi)。
權(quán)利要求
1.大型柴油機(jī)的增壓器組，它包括一個用以壓縮作為掃氣空氣被輸入的大型柴油機(jī)(10)的氣缸(11)內(nèi)的空氣的壓氣機(jī)(2)，所述壓氣機(jī)(2)具有一個壓縮空氣出口(23)，和一個設(shè)置在軸(A)上供壓縮空氣用的轉(zhuǎn)子(21)；還包括一個用以驅(qū)動壓氣機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(21)的透平(3)，該透平(3)可由自氣缸(11)內(nèi)排出的廢氣驅(qū)動；還包括一個擴(kuò)壓段(4)，它連于壓氣機(jī)(2)的出口(23)，以降低壓縮空氣的流速，其特征在于，壓氣機(jī)(2)的出口(23)相對于正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)置在處于或高于壓氣機(jī)(2)的軸(A)的高度。
2.按權(quán)利要求1所述的增壓器組，其特征在于將擴(kuò)壓段(4)設(shè)計成管形，它沿空氣流動方向擴(kuò)展，并基本上延伸到壓氣機(jī)(2)的底座平面。
3.按權(quán)利要求2所述的增壓器組，其特征在于包括一個增壓空氣冷卻器(5)，來自擴(kuò)壓段(4)的空氣流入其內(nèi)，該壓氣機(jī)以其底座平面(24a)安置在平臺(19)上，而增壓空氣冷卻器(5)直接安置在平臺(19)的下面。
4.按上述權(quán)利要求之一所述的增壓器組，其特征在于擴(kuò)壓段(4)至少沿其一部分長度基本上呈錐形擴(kuò)展，擴(kuò)張角<α>的一半少于12°，尤其是4°-8°。
5.按權(quán)利要求1所述的增壓器組，其特征在于將擴(kuò)壓段(4)設(shè)計成相對于空氣流動方向至少部分彎曲。
6.按權(quán)利要求1所述的增壓器組，其特征在于擴(kuò)壓段(4)在其與壓氣機(jī)(2)的出口(23)連接一端，其進(jìn)口面積(41)達(dá)到在其另一端的出口面積(42)的至多一半，尤其是至多1/3。
7.按權(quán)利要求1所述的增壓器組，其特征在于擴(kuò)壓段(4)包括兩個部分(4a，4b)，它們相對于空氣流動方向首尾相連，一補(bǔ)償器(43)設(shè)置在該兩部分之間。
8.按權(quán)利要求1所述的增壓器組，其特征在于擴(kuò)壓段(4)具有緊固裝置，以分散作用于擴(kuò)壓段(4)上的力，該堅固裝置設(shè)置在基本上與壓氣機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(21)的軸(A)同一高度。
9.包括按上述任一權(quán)利要求所述的增壓器組(1)的大型柴油機(jī)。
全文摘要
提出了一種大型柴油機(jī)的增壓器組,包括一個用于壓縮作為掃氣空氣被輸入到大型柴油機(jī)(10)的氣缸(11)內(nèi)的空氣的壓氣機(jī)(2),所述壓氣機(jī)(2)具有一個壓縮空氣出口(23)和一個設(shè)置在軸(A)上供壓縮空氣用的轉(zhuǎn)子(21);還包括一個用以驅(qū)動壓氣機(jī)(2)的轉(zhuǎn)子(21)的透平(3),該透平(3)可由自氣缸(11)內(nèi)排出的廢氣驅(qū)動;還包括一個擴(kuò)壓段(4),它連于壓氣機(jī)(2)的出口(23),以降低壓縮空氣的流速,壓氣機(jī)(2)的出口(23)相對于正常運(yùn)轉(zhuǎn)方向設(shè)置在處于或高于壓氣機(jī)(2)的軸(A)的高度。
文檔編號F02B33/44GK1277317SQ0011818
公開日2000年12月20日 申請日期2000年6月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年6月14日
發(fā)明者H·魯赫 申請人:瓦特西拉Nsd施韋茲公司