CN101111683A - 多级压缩机及其壳体 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多级压缩机(12)及相关的压缩机壳体和方法。该壳体限定用于容置压缩机叶轮(16)的开口(18)以在第一级和第二级(38a，38b)内连续地压缩气体。第一级入口和第二级入口(40，42)在大体上轴向方向流体式连接于该开口(18)，且第一级蜗壳和第二级蜗壳(45，48)至少部分地环形围绕该开口延伸，以使各个蜗壳配置为接收从压缩机叶轮(16)大体上径向向外流动的气体。另外，第一通道和第二通道(58a，58b)流体式连接第一级蜗壳(46)至第二级入口。各个通道从第一级蜗壳(46)延伸至第二级蜗壳(48)的径向向外的位置，且从该处在与从第一级蜗壳到第二级蜗壳反向的轴向位置延伸至第二级入口(42)。这样，气体通过第一级入口(40)接收，由叶轮(16)压缩，经由第一级蜗壳和通道流通至第二级入口，再次由叶轮压缩，并传送至第二级蜗壳。

Description

多级压缩机及其壳体

发明领域

本发明大体上涉及一种多级压缩机，尤其涉及一种具有第一级蜗壳和第二级蜗壳的二级离心或辐流式压缩机，用以通过该压缩机的级而连续传送气体进而在多个级中相继地压缩气体。

发明背景

如用于涡轮增压器的压缩机通常包括旋转地装配在壳体上且限定径向向外延伸以接近该壳体内表面的叶片的压缩机叶轮。该壳体限定用于在轴向方向上接收空气或其它气体的入口，且环形扩散道沿该叶轮周围环绕地延伸以从该处径向地接收空气。自该扩散道径向向外安置的蜗壳构造为接收来自该扩散道的空气。操作中，通过压缩机叶轮叶片的旋转压缩空气，且通过该扩散道径向向外传送至该蜗壳。该压缩机叶轮通常高速旋转，以使空气以高速率移动至扩散道，然后该扩散道使空气减速且增加空气的静压力。在该蜗壳中，提供了相对该扩散道较大的体积，空气的速率进一步被减小且空气的静压力亦被增大。

在压缩机具有多个连续级的情况下，于第一级可将空气压缩至第一压力，然后进一步地在第二级中压缩至更大的压力。例如，Arnold等人的授权于2000年5月16日并转让给了本申请受让人的美国专利第6,062,028号描述了一种“低速高压比的涡轮增压器”，其可以具有带整合气流管的背对背辐流式压缩机叶轮的二级压缩机。相较于单级设备，该涡轮增压器的旋转速度可减小和/或压力比可增大。

虽然传统的二级压缩机已被证实是有效率的且比一些单级压缩机具有优越性，但仍继续需要可用来在多级中进行连续压缩的改进的压缩机。特别地，该压缩机应从第一级的出口至第二级的入口间提供平滑气流，优选地应同时减少离开第一级的气体的涡流和/或减少在离开第二级的气体与从第一级到第二级流动的空气之间的热能传输。

附图简述

使用通用术语并参考附图描述本发明，附图不需按比例绘制，其中：

图1为示出本发明一种实施例的具有多级压缩机的涡轮增压器的截面图；

图2为示出图1涡轮增压器的压缩机壳体的正视图；

图3为示出图2压缩机壳体的正视图，自图2的右侧观察；

图4为示出图2压缩机壳体的正视图，自图3的右侧观察；

图5为示出图2压缩机壳体的截面图，沿图2的线5-5观察；

图6和图7为示出图2压缩机壳体的透视图；

图8为示出图2压缩机壳体的部分切掉的视图；

图9和图10为示出图2压缩机壳体的流动路径模式的正视图；

图11和图12为示出图2压缩机壳体的流动路径模式的正视图；

图13为示出本发明另一实施例的压缩机壳体的正视图；

图14为示出图13压缩机壳体的流动路径模式的正视图。

发明详述

下面将参考附图对本发明进行更充分地描述，其中公开了本发明的一些但不是全部的实施例。事实上，本发明可以通过很多不同的形式具体实施而不应解释为限制于此处所述的实施例；更确切地说，提供这些实施例以使本公开满足适用的法律要求。整个附图中，同样的标号指定于同样的元件。

参照图1，其示出了本发明一种实施例的具有多级压缩机12的涡轮增压器10。该压缩机12包括压缩机叶轮16，压缩机叶轮16旋转地装配于由压缩机壳体12本体所限定的空腔或开口18内。该涡轮增压器10包括涡轮14，涡轮14具有安置于涡轮壳体24内的涡轮叶轮22。

该压缩机叶轮16通过与该涡轮叶轮22之间在轴向方向上延伸的轴26而与该涡轮叶轮22相连接。如图1所示，该轴26旋转地装配在该压缩机12和该涡轮14之间的中心壳体28上且由该中心壳体28上的轴承30支撑。该中心壳体28还可限定一个或多个通路32，用于接收和流通用于润滑和冷却的油流。

该涡轮增压器10配置为从内燃机(未示出)的排气中吸取能量。特别地，由通过涡轮壳体24的排气流可以使该涡轮叶轮22旋转，从而使该轴26旋转以使该压缩机叶轮16压缩流经该压缩机壳体20的空气，并将该压缩空气传送至该发动机(未示出)的入气口。虽然图1示出了涡轮增压器10的一个实施例，可以理解涡轮增压器的其它配置也可以根据本发明而使用。进一步地，在本发明的其它实施例中，该压缩机12可用于压缩其它气体，可用于其它目的，且可与除涡轮增压器外的其它设备结合。

多个叶片34a、34b自该压缩机叶轮16径向向外延伸，且该叶片34a、34b延伸接近该壳体20的具有轮廓的内表面36，以使该压缩机叶轮16可以用于压缩和传送通过该壳体20的空气或其它气体。更特别地，该压缩机12包括第一级和第二级38a、38b，用于连续压缩空气或其它气体一般至第一级38a内的第一压力，然后至第二级38b内的第二压力。这样，该压缩机12通常可以达到比传统的单级压缩机更高的运行压力和/或更低的运行旋转速度。

该压缩机12可包括用于连续压缩气体的多级压缩机叶轮，如相应于第一级和第二级压缩的第一和第二叶轮，该叶轮可用相同或不同的配置来配置为沿相同或不同的旋转轴线。可选地，如图1所示，对应于不同的压缩级，单个压缩机叶轮16可限定不同的部分。即，该压缩机叶轮16可限定安置于该压缩机12第一级38a的第一组叶片34a及安置于该压缩机12第二级38b的第二组叶片34b。叶片34a、34b径向向外延伸且在该压缩机12的轴向方向导向。特别地，第一组叶片34a以朝向该压缩机壳体20第一级入口40的第一轴向方向而导向，且第二组叶片34b以朝向该压缩机壳体20第二级入口42的相反的、第二轴向方向而导向。

如图1-图8所示，该压缩机12的第一和第二级38a、38b为“背对背”配置，且第一级入口40和第二级入口42以相反的轴向方向而导向。即，该压缩机叶轮16配置成在第一方向上将气体接收进第一级入口40并在大体上相反的共线方向上将气体接收进第二级入口42。如下所述，气体从该压缩机12第一级38a流通至第二级38b。其后，气体可以经由该第二级出口44从该第二级38b放出，该第二级出口44在朝向内燃机或类似装置入口的大体切线方向上延伸。

如图5和图8所示，该压缩机壳体20限定对应于该压缩机12第一和第二级38a、38b的第一和第二级蜗壳46、48。各个蜗壳46、48配置为经由扩散道(diffuser)50、52在大体上径向向外的方向从该压缩机叶轮16的各组叶片34a、34b接收气体。即，由该壳体20限定的第一级扩散道50周向地围绕该第一组叶片34a延伸且流体式连接该开口18至该第一级蜗壳46。类似地，由该壳体20限定的第二级扩散道52周向地围绕该第二组叶片34b延伸并流体式连接该开口18至该第二级蜗壳48。这样，该压缩机12的各个级38a、38b配置成在大体轴向方向上接收气体，且在大体径向方向上分别通过各自的扩散道50、52将气体传送进各自的蜗壳46、48。

该第一和第二级扩散道50、52通过隔板54或密封板(如图1所示)分隔。该隔板54被典型地配置为相对于该壳体20保持固定，以使该压缩机叶轮16邻近于该隔板54旋转，但在其它情况下，该隔板54可随该叶轮16旋转。在任何情况下，该隔板54与该叶轮16和/或该壳体20之间可提供有密封56以防止气体直接在扩散道50、52或蜗壳46、48之间流动。

现在描述蜗壳46、48的配置，示于图1、图2和图7的第一级蜗壳46包括第一和第二段或部分46a、46b。各部分46a、46b围绕叶轮16延伸大约180度，且通过两个通道58a、58b中各自的一个或管道而流体式连接至该第二级入口42。各个通道58a、58b在第一级蜗壳46及第二级入口42之间轴向延伸且在第二级蜗壳48的径向外部通过。

该第一和第二级蜗壳46、48和该通道58a、58b的配置进一步于图9-12中示出，每个附图以立体形式示出以清楚说明，空间由通过该压缩机的部分流动通路所限定，特别地，该空间仅由该蜗壳46、48和通道58a、58b所限定。在这点上，注意这里所用的术语“蜗壳”、“通道”、和“扩散道”用来提及相应的结构以及由此所限定的空间或间隙。如所示出的，第二级蜗壳48可以大致连续地且环形地围绕该壳体20的开口18延伸。典型地，该第二级蜗壳48在其通过的气流方向上限定逐渐增大的截面尺寸。该第二级蜗壳48的出口44可以自该第二级蜗壳48以大体上切向方向向外延伸。类似地，第一蜗壳46可以以环形配置连续地延伸，该第一级蜗壳46的各个部分46a、46b大约延伸180度。该第一蜗壳46的各个部分46a、46b也可在气流方向上具有逐渐增大的截面尺寸，也就是，在朝从通道58a、58b的各自一个向该第二级入口42延伸的方向。这样，气体的速度可以在蜗壳46、48中降低。

如上所述，该第二级蜗壳48典型地轴向安置于第一级蜗壳46和第二级入口42之间，且各个通道58a、58b轴向地延伸经过该第二级蜗壳48以将第一级蜗壳46连接至第二级入口42。在这点上，各个通道58a、58b可以从第一级蜗壳46延伸至第二级蜗壳48径向外部的位置，并由此延伸至第二级入口42。典型地，该通道58a、58b分别从第一级蜗壳46的部分以大致切向方向延伸，但通道58a、58b可以邻近第二级入口42以大致径向方向延伸，以减小该第二级入口42内气体的涡流。进一步地，通道58a、58b可从在第一级蜗壳46的大体上管状配置转变为在第二级入口42的扁平配置，即具有一定截面大小的配置，该截面在压缩机壳体20的横向方向上的第一尺寸大于第一级蜗壳46的宽度和/或大于在轴向方向的各个通道58a、58b的第二、垂直尺寸。

虽然前面描述了用于将第一级蜗壳46连接到第二级入口42的两通道58a、58b，应理解可以提供任意数量的通道。例如在某些情况下，可限定三个、四个、五个、或更多个通道，且该通道可由一致或不一致地周向隔开的间隔提供。通过提供多个通道58a、58b，对气流的阻力可以减小且可对该第二级入口42提供大致一致的流量。在某些情况下，通道58a、58b和第二级蜗壳48之间的热量传递也可以减小，以减少来自第二级蜗壳48内的气体对通道58a、58b内气体的加热，第二级蜗壳48的气体一般经历过额外的压缩操作且因此比通道58a、58b内的气体热。例如，可将通道58a、58b安置于离第二级蜗壳48更远的距离，和/或增大各个通道58a、58b的截面尺寸与各个通道58a、58b表面积的比率，例如通过给各个通道58a、58b的至少一部分提供大体上管状的截面。

在某些情况下，压缩机12内可提供轮叶或其它部件以引导和/或控制通过其间的气流。例如，可以将可调轮叶或其它可调部件提供在一个或两个扩散道50、52内。可调轮叶更具体地描述于Arnold的美国专利第6,665,604号中，名称为“可变几何涡轮增压器的控制方法及相关系统”，授权于2003年12月16日；Arnold的美国专利第6,681,573号，名称为“可变几何涡轮增压器控制的方法及系统”，授权于2004年1月27日；及Arnold的美国专利第6,679,057号，名称为“可变几何涡轮增压器”，授权于2004年1月20日，所有这些专利均转让给本申请的受让人。此轮叶可用于在运行期间调整扩散道50、52的截面尺寸，以适用于具有变化的质量流率的压缩机12的有效运行。另外，可提供轮叶或其它流动部件于第二级入口42内以引导其内的流动，如美国专利第6,062,028号所述，但应理解，该压缩机12可以不使用此轮叶而运转。事实上，可以配置通道58a、58b以提供通过第二级入口42的大致不一致的流量，而在入口42的流动通路上不使用轮叶或其它部件，从而潜在地减少了压缩机12的重量。各件美国专利第6,665,604号、第6,681,573号、第6,679,057号、及第6,062,028号的内容通过引用全部结合于本文中。

在本发明的一种实施例的运行中，例如空气这样的气体在压缩机12的第一级和第二级38a、38b中不断地压缩。特别地，气体通过第一级入口40而被接收于压缩机叶轮16的第一组叶片34a，即，叶轮16的第一级。一旦该压缩机叶轮16旋转，气体被压缩至第一压力且被传送至第一级蜗壳46。气体从该第一级蜗壳46流通通过第一和第二通道58a、58b，且在大体轴向方向上通过第二级入口42而流通至叶轮16的第二组叶片34b，即，叶轮16的第二级。特别地，气体在径向向外延伸超过第二级蜗壳48的通路上流通通过各个通道58a、58b，并从该第一级蜗壳46流通到与从第一级蜗壳46到第二级蜗壳48的轴向相对的位置。气体可以在与进入第一级38a的气体方向相反的轴向方向上进入第二级38b。然后，气体在第二压力下再次被压缩并传送至第二级蜗壳48。

如上所述，提供到第二级入口42的流量可以大致相同，且提供到该入口42的流量具有减少的涡流。在这点上，注意到虽然各通道58a、58b自第一级蜗壳46的相应的部分46a、46b大体上切向地延伸，但各通道58a、58b可以变成如图11所示的轴向方向(或接近轴向方向)，以使气体的圆周速度(或涡流)减小。进一步地，通道58a、58b接着可以变成以径向向内朝向第二级入口42的方向引导气流。这样，气体可以具有减少的涡流而进入该第二级入口42。

如图10所示，该通道58a、58b可以绕第二级入口42的外周扩散气流，以使气体以大致一致的压力和速度进入该第二级入口42。例如，该通道58a、58b可限定具有比第二级入口直径更大的宽度，且限定通道58a、58b的壁59可以是弯曲的，以径向向内地引导气体。进一步地，应理解，可以至少部分地根据所希望的进入第二级入口42的流量而设计该通道58a、58b的配置。在某些情况下，限定该通道58a、58b的壁59的角度和曲率可以根据所希望的到第二级入口42的流量而进行配置。例如，图13和14所示的实施例，其中该通道58a、58b的壁59限定大约90度的弯曲。这样，如图13所示，流经该通道58a、58b的气体被大体上径向向内引导到第二级入口42，且具有较小的涡流和大致一致的压力和速度。

此处所述的本发明将提示本领域普通技术人员产生许多修改和其它实施例，而具有在前面描述和相关附图中的教导的优点。因此，应理解，本发明不仅限于所公开的具体实施例，且修改和其它实施例将包含在所附的权利要求的范围内。虽然此处采用了特定的术语，其仅为通用和描述性的理解而使用，但是，并不是限制的目的。

Claims (24)

1.一种多级压缩机壳体，配置为容置压缩机叶轮以在第一级和第二级连续地压缩气体，所述压缩机壳体包括：

限定用于容置所述压缩机叶轮的开口的本体，第一级入口和第二级入口沿大体上轴向方向流体式连接至所述开口，第一级蜗壳和第二级蜗壳至少部分地环形围绕所述开口而延伸，以使各蜗壳配置为接收从所述压缩机叶轮大体上径向向外流动的气体，且第一通道和第二通道流体式将所述第一级蜗壳连接到所述第二级入口，

其中，各个通道从所述第一级蜗壳沿某一通路延伸至所述第二级入口，所述通路在所述第二级蜗壳的径向外部延伸，并从所述第一级蜗壳轴向地相对于所述第二级蜗壳延伸。

2.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：各通道径向向内延伸至所述第二级入口。

3.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：所述第一级蜗壳限定至少两个部分，各个部分在所述通道中的两个之间延伸，且其截面尺寸在朝向所述通道中的的相应一个的方向上增加，所述通道大体上切向地从所述部分延伸。

4.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：所述第二级蜗壳的截面尺寸在朝向出口方向上增大，所述出口从所述第二级蜗壳大体上切向向外导向。

5.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：各通道限定在横向方向上的宽度大于所述第一级蜗壳。

6.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：所述第一级蜗壳围绕所述开口连续地延伸。

7.如权利要求1所述的压缩机壳体，其特征在于：所述本体限定第一级扩散道和第二级扩散道，所述第一级扩散道从所述第一级蜗壳径向向内延伸，所述第二级扩散道从所述第二级蜗壳径向向内延伸，使得所述扩散道流体式将所述开口连接到所述蜗壳。

8.一种多级压缩机，用于在第一级和第二级内连续地压缩气体，所述压缩机包括：

至少一个压缩机叶轮，其配置为绕在轴向方向上延伸的轴线旋转，用于压缩气体；

壳体，其限定用于容置所述压缩机叶轮的开口，所述开口具有第一级入口和第二级入口，各入口大体上轴向地导向；

第一级扩散道，其周向地围绕所述压缩机叶轮延伸，并配置为接收来自第一级入口由所述叶轮流通的气体；

第一级蜗壳，其大致环形地围绕所述压缩机叶轮延伸，所述第一级蜗壳流体式连接至所述第一级扩散道，并配置为接收通过所述第一级扩散道由所述叶轮传送的气体；

第二级扩散道，其周向地围绕所述压缩机叶轮延伸，并配置为接收来自所述第二级入口由所述叶轮流通的气体；

第二级蜗壳，其大致环形地围绕所述压缩机叶轮延伸，所述第二级蜗壳流体式连接至所述第二级扩散道，并配置为接收通过所述第二级扩散道由所述叶轮传送的气体；以及

至少两个通道，其流体式连接所述第一级蜗壳至所述第二级入口，各个通道从所述第一级蜗壳沿某一通路延伸至所述第二级入口，所述通路在所述第二级蜗壳的径向外部延伸，并从所述第一级蜗壳轴向地相对于所述第二级蜗壳延伸。

9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述压缩机叶轮限定第一组和第二组周向间隔的叶片，所述第一组叶片安置于所述叶轮上接近于所述第一级扩散道的第一轴向位置，且所述第二组叶片安置于所述叶轮上接近于第二级扩散道的第二且不同的轴向位置。

10.如权利要求9所述的压缩机，其特征在于：所述第一组叶片和第二组叶片以相对的轴向方向而导向。

11.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：各通道以径向向内的方向延伸至所述第二级入口。

12.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述第一级蜗壳限定至少两个部分，各部分在所述通道中的两个之间延伸，且其截面尺寸在朝向所述通道中的相应一个的方向上增加，所述通道大体上切向地从所述部分延伸。

13.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述第二级蜗壳的截面尺寸在朝向从所述第二级蜗壳大体上切向向外导向的出口的方向上增大。

14.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：各通道的横向宽度大于所述第一级蜗壳。

15.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述第一级蜗壳围绕所述开口连续地延伸。

16.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于：所述本体限定从所述第一级蜗壳径向向内延伸的第一级扩散道，和从所述第二级蜗壳径向向内延伸的第二级扩散道，以便所述扩散道流体式将所述开口连接至所述蜗壳。

17.一种离心压缩机，包括：

压缩机壳体，其限定从其轴向延伸通过的空腔，第一级入口，其沿一个方向大体轴向延伸入所述空腔的相对端，第二级入口，其沿相对方向大体轴向地延伸进所述空腔的另一端，大体上环形配置的第一级蜗壳，其周向地围绕所述空腔延伸，并经由延伸于所述空腔和所述第一级蜗壳之间的第一级扩散道连接，用以接收来自所述空腔的流体，以及大体上环形配置的第二级蜗壳，其在所述一个方向上与所述第一级蜗壳轴向间隔的位置周向地围绕所述空腔延伸，所述第二级蜗壳被连接用以经由延伸于所述空腔和所述第二级蜗壳之间的第二级扩散道接收来自所述空腔的流体；

第二级流体出口，其连接到所述第二级蜗壳并自所述第二级蜗壳大体上切向地延伸；

压缩机叶轮组件，其旋转地装配在所述空腔内，并包括第一级叶轮，所述第一级叶轮可运行以从所述第一级入口接收流体，并压缩所述流体，并将所述流体通过所述第一级扩散道排入所述第一级蜗壳，还包括第二级叶轮，所述第二级叶轮可运行以从所述第二级入口接收流体，并压缩所述流体，并将所述流体通过所述第二级扩散道排入所述第二级蜗壳；

其中，所述第一级蜗壳包括共同地大致环绕所述第一级扩散道的两个大体上半环形段，各个段具有独立的连接所述段至所述第二级入口的管道，所述管道在第二级蜗壳的径向外部通过。

18.如权利要求17所述的压缩机，其特征在于：所述压缩机第一级蜗壳的各个段绕所述第一级扩散道延伸大约180度，所述管道其中之一从各段以大体上切向方向延伸。

19.如权利要求17所述的压缩机，其特征在于：所述第一级蜗壳的两段的端部流体式连接，以使所述段绕所述第一级扩散道连续地延伸。

20.一种在压缩机的第一级和第二级内连续压缩气体的方法，所述方法包括：

接收通过第一级入口到至少一个压缩机叶轮的第一级的气体；

绕在轴向方向延伸的轴线旋转所述压缩机叶轮并由此压缩所述气体，并在第一压力下将所述气体从所述第一级入口传送至第一级蜗壳；

使气体流通通过第一通道和第二通道，并由此处在轴向方向上通过第二级入口到所述至少一个压缩机叶轮的第二级；以及

以压缩机叶轮的第二级压缩气体并将所述气体在第二压力下从所述第二入口传送至第二级蜗壳，

其中，所述流通步聚包括使所述气体以某一通路流通通过各个通道，所述通路在所述第二级蜗壳的径向外部延伸，并从所述第一级蜗壳延伸到自所述第一级蜗壳的与所述第二级蜗壳的轴向相对的位置。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述旋转步骤包括旋转单个压缩机叶轮并由此压缩所述第一级入口与所述第一级蜗壳之间的第一级内的气体以及所述第二级入口与所述第二级蜗壳之间的第二级内的气体。

22.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述接收步骤包括在第一轴向方向上通过所述第一级入口接收气体，且所述流通步骤包括在与所述第一轴向方向相对的第二轴向方向上通过所述第二级入口流通所述气体。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述流通步骤包括将所述气体以径向向内方向流通通过所述通道，到达所述第二级入口。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于：所述流通步骤包括将所述气体流通通过所述第一级蜗壳的第一部分和第二部分，各个部分在所述通道之间延伸并在朝向所述通道的相应一个的方向上具有增大的截面尺寸，以使所述气体在进入所述通道前在所述部分中大体上减速。

Images