[发明专利]涡轮增压器的推力平衡方法和装置

说明书

本发明涉及一种涡轮增压器的推力平衡装置和方法，如在权利要求1和5的前序部分所描述的一样。

现在大型柴油机的涡轮增压器主要装备有轴向涡轮和离心压缩机。流向两个转子的进口位于两端的轴线方向上。这样的布置导致了压缩机和涡轮作用在同一方向上的轴向推力。结果，作用在轴承上的总推力可能变得很大。为了减小此负载，提出了测量并减小推力的课题。经常采用的方法是减小压缩叶轮后壁上的压力，也就是，减小涡轮增压器高压区的压力。为此目的，通过一安装在涡轮增压器腔体里的管道，将压缩叶轮的后部空间与涡轮增压器的一个区域相连接，该区域的压力比高压区的压力低。这样，在涡轮增压器运行期间就会产生高压区的排放通风，因此，压缩叶轮后部空间的空气压力就有一个显著的减小，这样就减小了作用在轴承上的总推力。那么，较低压力区可能是涡轮机出口(废气压力)或也可能是围绕涡轮增压器的外部空间(环境压力)。在压缩叶轮的外径，一个非接触密封确保对从出口到压缩叶轮后部空间的空气泄漏的限制，即使高压降低(1997年6月19-20日，在雅典，Evgenidion基金会举办的第二届“船舶推进系统，设计和运行”国际讨论会上，M.Imakiire等的讲演稿，“MET涡轮增压器设计特点和所取得的用户—友善方面改进的概述”，第3页和图2，底部)。

已经知道作为推力平衡的一个可选解决方案是，将位于涡轮机上游的高压区与涡轮机下游的较低压力区相连，或与围绕涡轮增压器的外部空间相连(同前，图2，底中)。

然而，此解决方案在所有运行状态下均有大量流体泄漏。体积损失可达1.5％，从而导致减小大约1％的涡轮增压器效率。在与涡轮增压器相连的大功率发动机，以及与之相应的高压缩压力比的情况下，由推力平衡所引起的损耗是自动吸收的。由于在轻载时没有必要推力平衡，所以，在此情况下的体积损失未必会削弱涡轮增压器的效率。

在涡轮增压器速度很低及伴随着的低泄漏量时，在空转时发动机可以作为吸气发动机，也就是，空气通过压缩机管道吸入。结果，在压缩叶轮的出口就有一个减压，并且这可能导致废气从涡轮机出口通过压缩叶轮的后部空间到压缩机管道的回流。由于对用铝制造的热敏压缩叶轮可能的加热，这种回流同样是非常不希望出现的。

上述缺点当然不局限于配备有轴向涡轮机的涡轮增压器的情况，在配有径向涡轮机的涡轮增压器情况下也会出现。

因此，本发明的一个目的，试图避免所有这些缺陷的目的，是提供一个新颖的改善配置有推力平衡装置的涡轮增压器轻载和空转性能的方法和装置。

根据本发明，实现方法如权利要求1前序部分所述，其特征在于，叶轮后部空间和低压区之间的连接，在涡轮增压器全负荷时是完全打开的，轻载时至少大部分关闭，空转时完全关闭。为此目的，推力平衡装置具有一个闭合部件，该闭合部件自动或由外部动力开或关，可为高压区的压力所作用。

通风管道式的推力平衡装置至少局部安装在涡轮增压器腔体里是非常方便的；闭合部件在此通风管道区里。通风管道可以安装在位于涡轮机上游的高压区和涡轮机下游的低压区之间，或安装在位于离心压缩机下游的叶轮后部空间和压力比叶轮后部空间压力低的一个涡轮增压器区域之间。在通风管道安装在涡轮机区域的情况下，闭合部件的耐热性至少应该为700℃，而在通风管道安装在离心压缩机区域的情况下，其耐热应至少为200℃。用这种方法，在长期运行期间，即使在全负荷的运行温度下，闭合部件能够不被损坏，这样就确保了此部件具有较长的使用寿命。

由于涡轮增压器高压区的压力作用在闭合部件上，并使后者完全张开，保证了全负荷时的推力平衡。另一方面，在涡轮增压器轻载和空转时，高压区的压力显著减少，因此，闭合部件将通风管道完全关闭或至少大部分关闭。在这种情况下，在轻载时的体积损失也能减小，结果提高了涡轮增压器的效率。空转时，当完全关闭通风管道时，能够切断从涡轮机出口到叶轮后部空间的有害的废气回流。这样就改善了涡轮增压器的轻载和空转性能，而不管是否有推力平衡装置。

本发明实施例的更进一步的优点在从属权利要求中给出。

参照下面的详细说明并结合附图，本发明完整的评价和许多优点将会更容易得到和理解，在这里，描述了本发明配备有离心压缩机和轴向涡轮的涡轮增压器的大量实施例，这里：

图1表示现有技术中配备有一个推力平衡装置的涡轮增压器的局部纵向剖面图；

图2表示在第一实施例中，根据本发明的图1中带有闭合部件部分的放大图；

图3表示在第一实施例更进一步改进中，图1中所示的闭合部件的局部剖面图；