废气涡轮增压器的涡轮的流出区域的制作方法

本发明涉及用于增压的内燃机的废气涡轮增压器的领域。本发明涉及一种这样的废气涡轮增压器的涡轮的流出区域(Abstroembereich)以及一种具有有带有这样的流出区域的涡轮的废气涡轮增压器。

背景技术：

现代的内燃机利用单级或多级废气涡轮增压器来增压。在此将热的废气从燃烧室引导经过涡轮，涡轮驱动压缩机以压缩对于燃烧所需的新鲜空气。在较大的废气涡轮增压器中主要使用轴向涡轮和径向压缩机，在较小的废气涡轮增压器中也使用径向涡轮或混流涡轮。

尽管在废气涡轮的流出区域中谨慎地设计扩散器，从一定的面积平均的涡旋角(Drallwinkel)起引起在扩散器的内壁的轮廓处的流动分离。为了阻止流动分离须减少涡轮的吞吸能力(Schluckvermögen)，由此运行范围缩小并且涡轮的效率变差。

在涡轮扩散器或在二级增压中在两个涡轮级之间的过渡部中目前成功地使用所谓的涡流发生器(Vortex-Generator)，以将在边界层中的层流转变成涡流并且如此防止由于增加的压力梯度而流动分离。然而尤其对于较大的废气涡轮增压器已显示出，涡流发生器仅能发挥不足的作用。

特别对于带有较高的涡旋分量的流动另一可能性是使用后置导叶(Nachleitrad)，其减少了在涡轮叶轮之后的流动的涡旋分量。这样的构造然而是昂贵的并且由于在设计点之外缺少流动而与高的流动损失相联系。

最后，为了阻止流动分离，在涡轮的叶片根部的区域中通过减小在该区域中的叶片负载保持提高轴向速度分量。叶片负载的减少然而直接减少了功提取(Arbeitsentnahme)并且因此不好地影响涡轮的效率。此外，该措施常常在分离点上游较远地进行并且效果被减小，因为距离过大。

文件US 2011-0058939 A1公开了一种驱动涡轮的废气扩散器系统，其带有用于沿着流动通道的在径向上处于内部的轮廓吹入气态介质的喷嘴。

文件US 5,467,591公开了一种带有废气扩散器系统的燃气涡轮，其在径向上处于外部的壁区域中带有再循环器。

文件DE 10 2011 012 039 A1公开了一种在轴向鼓风机的扩散器区域中带有流动导引面的流动通道，流动导引面将工作流体的一部分从较高流动速度的区域导引到带有较低流动速度的区域中。

技术实现要素：

本发明的目的在于利用简单的器件阻止在废气涡轮的流出区域中在扩散器的内壁的轮廓处的流动分离。

根据本发明，通过使用在流动通道的在径向上在内部的区域中影响边界层流动的、布置在扩散器的内壁的区域中的用于提高压力回收利用(Druckrückgewinn)的器件来实现这。

在第一实施形式中根据本发明使用一种整流器(Gleichrichter)，其包括在扩散器区域中在流动通道的布置在内部的内壁处的成轮廓的导引元件。

高度大约为在导引元件的区域中平均的通道高度的百分之二十至百分之六十并且导引元件的长度大约为在导引元件的区域中的平均的通道高度的两倍至四倍。不同于在涡流发生器中的情况，根据本发明在周向上起作用的整流器不与边界层流动的厚度成比例，而是以在导引元件的区域中的平均的通道高度的大约四分之一至一半的导引元件的高度而明显更大。

整流器在轴向上的位置可在分离点附近来选择，其中，导引元件以其进入棱边处于分离点上游。

在第二实施形式中根据本发明将再循环器(与在压缩机级中的稳定器缝隙(Stabilisatorspalt)类似)置入在扩散器区域中流动通道的布置在内部的内壁中。根据本发明，再循环器包括两个开口。第一开口、流入口(通过该开口流体从流动通道流入再循环器中)位于扩散器出口处。第二开口、流出喷嘴(通过该流出喷嘴流体从再循环器又流出到流动通道中)紧密地布置在分离部位上游，使得流出到流动通道中的流体发挥其对在分离区域中的边界层流动的影响。两个开口实施为环隙(Ringspalt)。尤其流出开口有利地形成为Coanda喷嘴，其开口指向下游，由此能够将流过再循环器的流体平行于壁地引入流动通道中。对于流入口这样的Coanda形式可同样是有利的，由此能够将流过再循环器的流体平行于壁地从流动通道提取。

穿过再循环器的流动由于在这些开口之间的压力梯度而自动出现，从而不需要附加的压力产生机构。

本发明可简单地且成本有利地集成到扩散器壁中并且明显地提高涡轮级的效率。由于废气涡轮的流出区域的根据本发明的设计，可将涡轮的运行区域向更高的吞吸能力扩展，这伴随有效率的提高。配备有带有根据本发明设计的流出区域的废气涡轮设计的废气涡轮增压器因此可在功率相同的情况下代替更大的更贵的废气涡轮增压器。

另外的优点由从属权利要求得出。

附图说明

接下来根据在附图中的示意性图示来说明轴向涡轮的根据本发明构造的流出区域的实施形式。在此：

图1示出了沿着轴轴线穿过带有根据本发明的流动整流器的轴向涡轮的剖面，

图2示出了(垂直于轴轴线)穿过根据图1的轴向涡轮的流动整流器的沿着II-II引导的剖面，

图3示出了沿着轴轴线穿过带有根据本发明的再循环器的轴向涡轮的剖面，

图4示出了(垂直于轴轴线)穿过根据图3的轴向涡轮的再循环器的沿着IV-IV引导的剖面，

图5示出了沿着轴轴线穿过带有根据本发明的流动整流器以及根据本发明的再循环器的轴向涡轮的剖面，以及

图6示出了(垂直于轴轴线)穿过根据图5的轴向涡轮的流动整流器和再循环器的沿着IV-IV引导的剖面。

具体实施方式

图1在沿着轴轴线引导的穿过废气涡轮增压器的轴向涡轮的剖面中示意性地示出了就在涡轮叶轮之前的流动区域以及在涡轮叶轮下游的流出区域。利用箭头示出的流动在图示中从左向右进行。在此，来自内燃机的燃烧室的废气流动在进入涡轮壳体中之后撞到带有多个沿着周缘分布的导引元件2的导引装置(喷嘴环)上。导引装置的导引元件使流动取向到涡轮叶轮的直接紧随其后的工作叶片12上。涡轮叶轮具有大量该工作叶片，其布置在与轴(未示出)相连接的轮毂体11上。涡轮叶轮通过作用到工作叶片上的废气流动被置于旋转中并且在废气涡轮增压器中经由轴驱动压缩机轮。在涡轮叶轮下游流动通道扩展，在所谓的扩散器中。环形的流动通道的横截面在此在一定的区域上连续地在面积上增加，尤其通过使外壁5在径向上向外弯。

为了有效地阻止流动在扩散器的内壁处分离，按照根据图1和图2的第一实施形式使轴向涡轮的流出区域设有整流器。在此沿着扩散器的内壁6分布到周缘上地来布置成轮廓的板作为导引元件31。导引元件31的最大高度根据本发明为在导引元件的区域中的平均的通道高度的四分之一直至最大一半。基于在导引元件的区域中的平均的通道高度的大概两倍直至最大四倍来确定导引元件的长度。整流器的定位可在分离点的区域中来选择，其中，导引元件的进入棱边处于分离点上游。

在根据图3和图4的第二实施形式中将再循环器置入扩散器的内壁6中。该流动回引主要包括至流动通道的两个开口，其经由回引管路(Rückführleitung)相互连接。在分离点下游，在扩散器出口的区域中再循环器包括流入口42。流入口通过平行于流动通道引导的再循环器室41与流出喷嘴42连接，流出喷嘴紧密地布置在分离部位上游。两个开口实施为环隙。至少流出喷嘴形成为Coanda喷嘴，其开口指向下游，由此将流体从再循环器中平行于壁地引入主流动中。流入口也可相应地来形成，以实现平行于壁地流入再循环器中，其中，其为此指向上游。在再循环器中的流动由于在流入口与流出喷嘴之间的压力梯度而自动出现并且不需要附加的压力产生机构。可选地可在再循环器室中设置有导引流动的元件，其将穿过再循环器的流动整流或使该流动拥有限定的周向分量并且同时用作对壁插入件(其将再循环器室与流动通道分离)的支承。再循环器可选地也可划分成多个室，其中，每个室可包括一个或多个自己的流入口和流出喷嘴，其在该情况中那么实施为环段缝隙(Ringsegmentspalt)或孔。

在根据图5和图6的第三实施形式中这两个第一实施形式的特征相结合。在此，整流器的导引元件31布置在将再循环器室与流动通道分离的壁插入件的区域中。

尽管根据轴向涡轮的示例阐述了本发明，这决不应该对根据本发明的器件可能应用于其它流动机器具有限制作用。根据本发明的器件尤其也可应用在废气涡轮增压器的径向涡轮或混流涡轮中。

附图标记清单

2 在涡轮叶片之前的导引元件

11 涡轮叶轮的轮毂

12 涡轮叶片

31 流动整流器的导引元件

41 再循环器室

42 流入口

43 流出喷嘴

5 流动通道(涡轮壳体)的外壁

6 流动通道(涡轮壳体)的内壁。