CN101180468A - 用于离心式压缩机的流动稳定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于离心式压缩机的流动稳定系统。喷嘴作为吹入口(51)成型在形成流动通道(42)的边界的壳体壁(31)中。吹入口直接借助于在扩散器(21)下游从流动通道获得的空气进行供给。该空气相对在扩散器前面的流动通道中的流体具有提高的压力。由此在高压缩比范围内产生了压缩机级的被动的动态稳定系统，该稳定系统在没有附加的调节或控制机构的情况下也能应付。

Description

用于离心式压缩机的流动稳定系统
技术领域
本发明涉及废气涡轮增压器的离心式压缩机领域。它涉及一种根据权利要求1前序部分所述的用于将空气吹入离心式压缩机的流动通道中的装置。
为了提高离心式压缩机级的特性曲线宽度，在多数离心式压缩机级中在压缩机转子的吸气区域内使用最新一代的稳定器。
市场对持续提高的废气涡轮增压器压缩机的压缩比的需求没有削弱过。然而在不改变压缩机级设计的情况下通过提高转速来提高压缩比受到限制，因为限制可用特征曲线的泵极限和吸收极限随着转速的增加而汇聚。因此可用特征曲线宽度朝着更高压缩比的方向持续减小。为了抵抗所述的情况，并且使可用特征曲线即使在高压缩比的情况下也保持尽可能的宽，在保持压缩机转子设计不变并且不改变压缩机转子大小的情况下可以使用具有较小通流横截面的扩散器。由此泵极限转移到较小的体积流量，并且在保持转子吸收极限不变的情况下实现较大的可用特征曲线宽度。在这种情况下的缺点是降低了效率，尤其在部分负荷时。该缺点可以避免，方法是通过合适的措施提高已知的压缩机级在最大负荷时的稳定性。这可以通过在壳体侧将空气吹入在压缩机转子的工作叶片和扩散器的导向叶片之间的未安装叶片的中间空间内的流动通道中来实现。在高压缩比区域内的动态稳定性可以通过吹入空气来提高。
另一种提高压缩比并且避免泵极限和吸收极限汇聚的方案是压缩机转子设计的匹配。稳定性以及由此可用的特征曲线宽度可以通过在压缩机转子中提高“向后倾斜(Backsweep)”实现。“Backsweep”是指在带有径向直立的后棱的叶片和与转子旋转方向相反的切向调平的出口角之间的压缩机转子出口上的角度。提高“Backsweep”的结果是，为了实现相同的压缩比提高转子圆周速度是必需的。由此为了实现较高的压缩比，转速的过度提高是必需的。但是这在压缩机转子材料方面碰受到限制，或者更确切地说必须更换到一种具有更好机械特性的材料。这种材料是相当贵的。与这种解决方案相比吹入空气是成本有利的，因为现存压缩机级被加强以实现较高的压缩比，并且可以避免对压缩机转子费用昂贵的材料更换。
背景技术
由“Centrifugal Compressor Flow Range Extension UsingDiffuser Flow Control”(Gary J.Skoch；军事研究实验室，车辆技术理事会，Cleveland，Ohio；2000年12月5日)已知一种带有串联的扩散器的离心式压缩机，其中在使用柯恩达效应的情况下喷嘴将压缩空气沿着流动方向吹入到压缩机转子与扩散器之间的流动通道中。
对柯恩达效应(在US 2,052,869中描述)涉及一种流动效应，按照该流动效应，快速流动的流体(气体或液体)在固体表面上流动时附着在该固体的表面上，并且不与该表面分离。
压缩空气喷嘴布置在形成流动通道边界的壳体壁中，并且螺纹固定在压缩机壳体上。它们可以在开口内移动，这样可以改变吹入方向。喷嘴通过管路与外部的压缩空气供给装置连接。
CH 204 331公开了一种用于在压缩机中防止射流分离的装置。在此在导向轮区域内通过抽吸口抽出部分流体，这部分流体紧接着进一步在上游重新输入到流体中。重新导入在此通过沿流动方向定向的、环绕的、喷嘴形的缝隙实现。
发明内容
本发明的任务是提供一种简单、成本经济的、用于将空气吹入离心式压缩机的流动通道中的装置，该装置特别可以以较少的费用安装，并且该装置在运行中具有高的可靠性。
该任务通过具有权利要求1特征的用于将空气吹入离心式压缩机的流动通道中的装置解决。
在根据本发明的装置中，作为吹入口的喷嘴成形在形成流动通道边界的壳体壁中。吹入口直接借助于在扩散器下游从集流空腔获取的空气进行供给。该空气相对在扩散器前面的流动通道中的流体具有提高的压力。
因此在高压缩比范围内产生了压缩机级的被动的、动态稳定系统，该稳定系统在没有附加的调节或控制机构的情况下也能应付。
根据本发明的用于将空气吹入流动通道中的装置的一种优选的实施方式可以简单地实现，方法是在铸造的压缩机壳体件上直接设置相应的开口。不需要附加的喷嘴元件或压缩空气接头。
压缩空气在必要时多个吹入口上的分配通过一个至少部分环形结构的、作为空腔集成在压缩机壳体内的空气通道实现。
附图说明
接下来借助附图更准确地说明根据本发明的用于将空气吹入离心式压缩机的流动通道中的装置。在此示出：
图1是具有根据本发明的用于将空气吹入流动通道中的装置的离心式压缩机的剖面图，
图2是按照图1的具有套装的喷嘴元件的根据本发明的装置的截取部分的放大图，以及
图3是按照图1的具有材料连接地集成的喷嘴元件的根据本发明的装置的截取部分的放大图。
具体实施方式
图1示出了具有布置在可旋转地支承的轴上的压缩机转子的离心式压缩机的剖面图。该压缩机转子具有中心轮毂10以及布置在其上面的工作叶片11。压缩机转子布置在压缩机壳体中。压缩机壳体包括多个形成要压缩的介质的流动通道的边界的零件。在压缩机转子的工作叶片的区域中，内部的压缩机壳体壁即所谓的插入壁31径向向外形成流动通道41的边界。该流动通道在这个区域中径向向内通过压缩机转子的轮毂形成边界。在压缩机转子的工作叶片的区域的更下游，流动通道42在侧面相对插入壁33由扩散器壁20形成边界。该扩散器包括布置在流动通道中的扩散器导向叶片21。在扩散器导向叶片的更下游，流动通道42通到螺旋形蜗壳32的集流空腔43中，未示出的管路从该集流空腔出来通到与废气涡轮增压器连接的内燃机的燃烧室。空气流在图中分别以粗的白色箭头表示。
根据本发明的用于将空气吹入流动通道中的装置包括返回空气通道44，它从扩散器导向叶片21下游的集流空腔43引入在压缩机转子的工作叶片11和扩散器的导向叶片21之间的流动通道42中。
如在图1中所示，空气通道44可以设计成空腔，它通过插入壁31、蜗壳32以及压缩机壳体的分界壁33形成边界。空气通道44从压缩机壳体壁在集流空腔43的区域中的取出口52通到压缩机壳体壁中在压缩机转子的工作叶片11和扩散器的导向叶片21之间的区域中的吹入口51。在压缩机转子的工作叶片11和扩散器的导向叶片21之间的区域中通到流动通道42中的吹入口51不是设计成圆柱形的，而是具有内部的柯恩达表面结构。这意味着，如在图3中放大示出的，压缩机壳体壁具有突入吹入口中的倒圆部，沿着该倒圆部空气可以按照柯恩达效应流动。
在流动通道中的流体在从压缩机转子的工作叶片的区域出去的时候具有很强的切向分量。柯恩达效应用于使得在空气吹入流动通道中时不会产生强烈的涡流和横流。而是同样在切线方向吹入流动通道的空气附着在吹入口51的倒圆部上并且在流动通道的边缘区域中沿流动方向导入流体中，如在图2和图3中以细的箭头所示。
在流动通道中的吹入被动地进行，也就是说没有调节或控制机构。由于在集流空腔43中相对流动通道42在压缩机转子的工作叶片11和扩散器的导向叶片21之间的区域中较高的压力，产生一种补偿流体。
沿着流动通道的圆周，即关于涡轮增压器的轴以相同的径向高度，可以设置多个吹入口51。它们可以全部与一个唯一的环形或至少部分环形结构的空气通道44连接。同样可以在圆周方向沿着集流空腔43布置多个取出口52。取代一个环形的空气通道44，可以存在多个通过径向分布的分界壁分开的分空气通道，它们分别用一个或多个吹入口51提供空气用于吹入。
根据本发明的装置的开口可以在生产压缩机壳体件时已经放入其中。这可以直接在压缩机壳体件浇铸时进行，方法是或者预先制作的喷嘴元件62浇铸在壳体壁中并且材料连接地与壳体壁连接，或者吹入口的特殊轮廓已经集成在铸模中。对于预先制作的喷嘴元件62要使用这种材料，它在浇铸时与壳体壁的钢材连接，而自己不会熔化。作为替代方案，入口和吹入口在迟一些的时刻加入压缩机壳体壁中。
也可以设置喷嘴元件61，它形状配合连接或传力连接地与压缩机壳体壁31连接。这可以实现例如根据本发明的用于将空气吹入流动通道中的装置在已经存在的涡轮增压器上的补充装备。
为了减轻在压缩机转子后壁的区域中的冲击负荷或者作为用于借助于过压进行轴承的油密封的密封空气，可以在压缩机转子工作叶片的下游的区域中从压缩机中提取空气。这个所谓的泄漏流53可以重新在压缩机流体上有不稳定的作用，由此泵极限移动到较高的体积流量，它导致可用特性曲线宽度的不希望的减少。借助根据本发明的吹气可以使泵极限的曲线重新返回到没有泄漏流53的曲线上。
附图标记列表
10  压缩机转子轮毂
11  压缩机转子叶片
20  扩散器壁
21  扩散器导向叶片
31  内部的压缩机壳体壁，插入壁
32  外部的压缩机壳体壁，蜗壳
33  分界壁
41  流动通道，吸气区域
42  流动通道，扩散器区域
43  集流空腔，蜗壳
44  空气通道，空腔
51  吹入口
52  取出口
53  泄漏流口
61  喷嘴元件，套装的
62  喷嘴元件，集成在壳体壁中的

Claims (7)

1.用于将空气吹入在压缩机转子(10，11)和集流空腔(13)之间的、输送主流体的离心式压缩机流动通道(42)中的装置，包括多个离散的吹入口(51)，它们沿着圆周分布并且切向定向地布置，它们设有柯恩达结构并且设计成喷嘴形，并且通过它们空气可沿切线方向吹入在压缩机转子的工作叶片(11)和扩散器的导向叶片(21)之间的流动通道(42)中，其特征在于，在压缩机壳体壁(32)中在集流空腔(43)的区域中加入至少一个取出口(52)，并且吹入口(51)通过通道(44)与所述至少一个取出口(52)连接。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述至少一个吹入口(51)和所述至少一个取出口(52)之间的通道设计成至少部分环形的、在圆周方向分布的空腔(44)。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述空腔(44)通过压缩机壳体壁(31，32，33)形成边界。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个吹入口(51)加入形成流动通道边界的压缩机壳体壁(31)中并且通过形成流动通道边界的压缩机壳体壁(31)成型。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个吹入口(51)通过一件式或多件式的喷嘴元件(61)成型，该喷嘴元件布置在压缩机壳体壁(31)的开口中并且与压缩机壳体壁连接。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个吹入口(51)通过一件式或多件式的喷嘴元件(62)成型，该喷嘴元件材料连接地集成在压缩机壳体壁(31)中。
7.具有离心式压缩机的废气涡轮增压器，该离心式压缩机具有根据前述权利要求中任一项所述的用于将空气吹入离心式压缩机的流动通道(42)中的装置。
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