CN101583800A - 压缩机壳体 - Google Patents

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Abstract

提供了一个涡轮增压器(501)或其他空气增压装置的一个压缩机部分(100)，该压缩机部分能够减少失速噪声。该压缩机部分具有一个壳体(110)，该壳体带有在其中形成的一个闭式槽(175，275)。闭式槽(175，275)可接近于这些叶片(150)中的至少一个叶片的前缘(155)并且能够跨在多个分离叶片(150)的前缘(155)上。闭式槽(175，275)是可以通过机加工和/或铸造形成。闭式槽(175，275)可具有基本上均匀的宽度和深度，并且可环绕叶轮(130)以便形成一个连续的环形通道。

Description

压缩机壳体
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的涡轮增压系统，并且更具体地涉及一种压缩机壳体。
背景技术
涡轮增压器被广泛地使用在内燃机上，并且在过去特别是与大型柴油发动机一起使用，尤其是用于公路货车和船舶应用的柴油发动机。在直接从发动机曲轴中获得其动力的增压器中以及在由发动机排气驱动的涡轮增压器中均可以找到压缩机叶轮。
最近，除了与大型柴油发动机共同使用外，涡轮增压器已普遍地与小型轿车动力设备共同使用。涡轮增压器在轿车应用中的使用允许选择一种动力设备，该动力设备从一个较小的、较低质量的发动机产生相同的马力量。使用一种较小质量的发动机具有令人希望的效果：减少汽车总重量、增加运动性能并且提高燃料经济性。另外，涡轮增压器的使用允许被传送给发动机的燃料的更完全的燃烧，由此减少发动机的碳氢排放物，这有利于非常令人渴望的更加清洁的环境的目标。在现有技术中详细描述了涡轮增压器的设计和功能，例如，美国专利号4,705,463、5,399,064和6,164,931，其披露内容通过引用结合在此。
涡轮增压器单元典型地包括可与发动机排气歧管操作地连接的一台涡轮机、与该发动机空气进气歧管可操作地连接的一台压缩机，以及将该涡轮机与该压缩机相连接的一根轴，这样涡轮机叶轮的转动引起该压缩机驱动轮的转动。涡轮机被在该排气歧管中流动的排气驱动旋转。压缩机叶轮被涡轮机驱动旋转，并且当压缩机叶轮旋转时，它增加被传送到发动机汽缸的空气质量的流速、气流密度和空气压力。
涡轮增压器的压缩机包括三个基本部件：压缩机叶轮、扩散器和壳体。压缩机典型地通过在轴向上吸入空气、通过该轮的转速使空气加速到一个高速度并且在径向方向上逐出空气来进行工作。扩散器使高速空气减慢，而作为交换这些空气增加压力和温度。扩散器由压缩机背板以及涡旋形壳体的一部分形成，该扩散器进而收集空气并且在空气到达压缩机出口之前使其减速。
压缩机叶轮的这些叶片可以具有一种高度复杂的形状，这种形状用于(a)吸入空气，(b)使空气加速，以及(c)以一种升高的压力将空气向外排放进入一个压缩机壳体的涡旋形室中。为了以最高效率和最小涡流来实现这三个不同的功能，这些叶片典型地具有三个分离的区域。
首先，可以将叶片的前缘描述为一个锐变节圆螺旋(sharp pitch helix)，该螺旋被适配为将空气汲入并在轴向上移动空气。在仅考虑叶片的前缘时，悬臂尖端或外侧尖端比最靠近该轮毂的部分行进得更快(MPS)，并且通常配备有比最靠近该轮毂的部分更大的一个螺旋角。因此，该叶片前缘的迎角经受从该轮毂附近的较低的螺距到该前缘的外部尖端处的一个更高的螺距的一种扭曲。此外，该叶片的前缘通常被弯曲，并且不是平面的。更进一步地，该叶片的前缘总体上具有在该轮毂附近的一个“下沉”以及沿叶片尖端的外三分之一部分的一个“上升”或凸起。这些设计特征全部被设计为用来增强轴向上吸入空气的功能。
其次，在这些叶片的第二区域中，将这些叶片弯曲的方式为改变气流的从轴向到径向的方向，同时迅速地使空气在离心旋转并且使空气加速到一个高速度，这样在离开叶轮之后在涡旋形室中扩散时，以增压的形式将能量回收。空气被指向通过在这些叶片之间以及在该压缩机叶轮壳体的内壁与限定了一个底部空间的轮毂的径向放大的盘形部分之间限定的多个气流通道，该壳体底部间隔在空气流动方向上变窄。
最后，在第三个区域中，这些叶片在一个后缘中终止，该后缘被设计成用于将空气逐出压缩机叶轮之外。这个叶片后缘的设计总体上是复杂的，并且配备有(a)一个螺距、(b)偏离径向的一个角度和/或(c)一个倒锥或后掠角(它与该前缘处的前掠角共同为叶片提供一个总体上呈“S”的形状)。以这种方式被驱出的空气不仅具有高流量，而且还具有高压力。
涡轮增压器内的压缩机的运行表现可以由与该涡轮增压器相关联的一个“压缩机映射图”进行图形展示，在该图中，压力比(压缩出口压力除以入口压力)被绘制在垂直轴上并且流量被绘制在水平轴上。一般而言，压缩机叶轮的运行表现被一条“喘振线”限制在该压缩机映射图的左侧上并且被一条“扼流线”限制在该压缩机映射图的右侧上。该喘振线基本上表示在压缩机入口处的气流的“失速”。当空气通过压缩机叶轮的这些叶片之间的这些空气通道时，在这些叶片表面上形成多个边界层。空气的这些低动量的质量被认为是一个阻塞和损失发生器。当发生过小的体积流量和过高的反压梯度时，该边界层不再能够依附于该叶片的吸气侧。当该边界层与该叶片分离时，发生失速和反向流动。失速可以持续到通过正的体积流速建立起一种稳定的压力比。然而，当再次积蓄起压力时，这种循环将会重复。这种流量不稳定性以一种基本上固定的频率继续，并且所导致的行为被称为“喘振”。该“扼流线”代表作为该压力比的一个函数的最高的离心压缩机体积流速，该流速(例如)受到这些叶片之间的通道的最小截面(称作喉部)的限制。当在压缩机入口处或其他喉部位置处的流速达到声速时，进一步增加流速是不可能的从而造成扼流作用。压缩机的失速和扼流均应当该避免。
在授予Fisher等人的美国专利号4,743,161中可以发现解决叶轮失速问题的一种尝试。如图1所示，Fisher等人示出了在涡轮增压器压缩机壳体10中的一个再循环通路36，该压缩机壳体具有安装在轴13上的一个叶轮12。叶轮12包括多个叶片或轮叶14，每个叶片或轮叶包括一个前缘16、一个后缘18以及一个外部自由边缘20。壳体10包括限定了用于气体如空气的进气口24的一个外壁22，以及用于从环形扩散器27运送压缩气体的一个通路或涡旋形26。一个内壁28限定了到达叶轮的一个入口30，并且内壁28的一个内表面32是非常接近于这些叶片或轮叶14的外部自由边缘20、并且具有与其非常类似的轮廓。内壁28从叶轮12的这些叶片14的上游延伸一个短距离，以便在这些壁22与28之间形成一个环形的空间或室34。环形室34部分地环绕叶轮12。环形缝隙36是在臂28内形成的，并且一系列辐板38用于以环绕其周围的间隔将环形涡形36桥接。涡形36位于距这些叶片14的前缘16至最小压力点的距离的73％处，并且是这些叶轮的叶片14距这些叶片的前缘16的长度的30％。
Fisher再循环通道36旨在用来在喉部处的入口处产生一个正的差值压力并且在喘振时在入口上产生一个负的差值压力。虽然再循环通路36有助于减少这种压差，但它产生的问题是增加了所发出的噪声量。进一步地，在再循环时，相同的空气两次通过该压缩机通路，从而增加了该压缩机上的工作负荷。
因此，存在对减少失速噪声同时保持效率的一种压缩机壳体的一种需求。还存在对这样一种壳体的需求，该壳体具有成本效率、燃料效率，并且在制造时廉价。
发明内容
该壳体的以及使用了该壳体的涡轮增压器或其他空气增压装置的示例性实施方案减少了失速噪声。该壳体能够在该压缩机部分中提供围绕旋转失速的一个流动路径，它导致在压缩机失速过程中减少或消除噪声。
在一方面，提供了用于具有一个叶轮的空气增压装置的一种压缩机壳体，该叶轮带有多个叶片。该压缩机壳体包括一个本体，该本体具有一个内表面并且限定了一个扩散器以及一个叶轮室。该叶轮被至少部分地安装在该叶轮室中。该内表面具有环绕该叶轮的一个闭式槽以形成一个连续的环形通道。该闭式槽是在扩散器的上游。
在另一方面，提供了一种涡轮增压器，它包括：具有一个涡轮机转子的一个涡轮机壳体；具有一个内表面并且限定一个叶轮室的一个压缩机壳体；以及一个压缩机叶轮，该压缩机叶轮被安装在该压缩机壳体内并且具有多个叶片。该压缩机叶轮被可操作地连接到该涡轮机转子上用于驱动该压缩机叶轮。该压缩机壳体的内表面具有在该压缩机叶轮的多个叶片附近的一个闭式槽。
在另一方面，提供了减少涡轮增压器中的失速噪声的一种方法。该方法包括沿一个叶轮的多个叶片附近的一个壳体的内表面形成一个闭式槽，以便为流体提供围绕旋转失速的一个路径。
附图说明
本发明是通过举例而非限制的方式展示在附图中，在这些附图中，类似的参考号表示相似的部分，在这些附图中：
图1是一个现代的涡轮增压器系统的压缩机部分的一种示意性图示；
图2是根据本发明的一个空气增压装置的压缩机部分的一个示例性实施方案的截面视图；
图3是图2的压缩机部分的一个局部的放大视图，该图仅示出了叶轮的一部分；
图4是根据本发明的一个空气增压装置的压缩机部分的另一个示例性实施方案的放大视图，该图仅示出了叶轮的一部分；并且
图5是根据本发明的一个示例性实施方案的在压缩机壳体中使用了一个闭式槽的涡轮增压器的一个截面透视图。
具体实施方式
本发明的多个实施方案是针对减少或消除空气增压装置中的失速噪声。将结合一个压缩机部分对本发明的多个方面进行说明，该压缩机部分具有不同的部件，这些部件包括一个扩散器和蜗壳，但详细的说明仅旨在作为示范。图2至图5示出了本发明的多个示例性实施方案，但本发明不限于所示出的结构或应用。
参见图2至图3，图中示出了用于涡轮增压器或其他空气增压装置的一个压缩机部分，并且该压缩机部分总体上用参考号100表示。压缩机部分100具有一个壳体或本体110，该壳体或本体限定了一个叶轮室115、一个扩散器120以及一个蜗壳125。压缩机部分100可旋转地容纳一个压缩机叶轮130，该叶轮压缩流体、引导该流体经过扩散器120和蜗壳125，并且将经过压缩的流体送到其目的地，如一台内燃机。叶轮130可以有多个叶片，例如有前缘145的多个完整的叶片140以及带有被交替地安排并且与一个轮毂135相连接的前缘155的多个分离的叶片150。本披露考虑了与压缩机部分100一起使用不同的压缩机叶轮，这些叶轮可以具有不同的大小、形状和叶片构形，并且用不同的材料制成，这些材料包括铝、钛及它们的合金。压缩机叶轮130的具体的大小、形状、叶片构形和材料可以由本领域中普通的技术人员根据多种因素来进行选择，包括所希望的空气增压性能。
壳体110具有沿该壳体的一个内表面112形成的一个闭式槽或通道175。优选该槽175是在这些分离叶片150的这些前缘155附近并且形成环绕叶轮130的一个连续的环形路径。槽175优选位于一个平面内，该平面垂直于叶轮130的旋转轴线。然而，本披露考虑了对槽175使用一个不连续的路径，连同对于该槽的其他形状、方向和平面。
可以根据多种因素(包括叶轮130的大小、形状和叶片构形)来选择用于槽175的具体的形状、方向、平面和连续性。在一个实施方案中，如图3中更清楚地示出，槽175是沿壳体110的内表面112定位，以便跨在这些分离的叶片150的如线LE所示的这些前缘155上。图2至图3的示例性实施方案具有特定大小和形状的一个单件式壳体110。然而，应该理解，本披露还考虑了使用具有其他大小和形状的并且由两个或更多壳体部分组装的压缩机壳体。壳体110可以用不同的材料(例如铝)或材料的组合制成，并且可以包括不同的处理和涂层。
槽175优选环绕壳体110的内表面112以形成一个连续的环形槽或通道。槽175可以具有相对的侧壁180和185以及一个基部190，以限定一个穿过该槽的体积。槽175优选具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度，并且更优选地介于1.75至2.75毫米。槽175在径向方向上的深度是可以在1至4毫米之间并且更优选在1.75至2.75毫米之间。然而，本披露还考虑了用于这些槽175的其他尺寸，这些尺寸的选择可以根据多种因素来，包括该涡轮增压器或其他空气增压装置的大小和压力比。例如，可以选择槽175的径向深度大于2.75毫米，但更大的尺寸可能受这些压缩机壳体壁厚度的限制。槽175优选具有均匀的宽度和深度。然而本发明考虑了使用一个不均匀的宽度和/或深度的槽175。
槽175可以被加工在内表面112中、可以被铸造在壳体110中，并且可以通过铸造和加工的一种组合来形成。虽然图2至图3的示例性实施方案在截面图中具有基本上呈正方形或U形的槽175，但本披露考虑了用于形成该槽的其他形状。例如，如图4所示，可以沿壳体110的内表面112形成一个弯曲的或基本上呈半球形的槽275，以减少压缩机的失速噪声。该弯曲的槽275优选是在这些分离叶片150的前缘155附近，并且更优选跨在如线LE所示的这些前缘上。弯曲的槽275的形状可以是对称的或非对称的，并且可以通过铸造、机加工或铸造与机加工的一种组合来形成。本披露还考虑了用于槽175和275的在截面视图中其他形状。
在测试过程中，沿压缩机壳体110的内表面112使用的槽175减少了压缩机的失速噪声。这些结果在实例1中进行了详细地说明。
实例1
一个现代压缩机部分被用于同图2至图3的示例性实施方案的压缩机部分100进行比较，该现代的压缩机部分具有一个67毫米直径的叶轮以及一个壳体，该壳体有在叶轮的这些分离叶片的前缘附近的一个基本上光滑的内表面。使该现代的压缩机部分的叶轮以约为引发失速的最大速度的75％旋转。测量的失速噪声约在48至50dba。
具有67毫米直径的压缩机叶轮130被安装在图2至图3的示例性实施方案的壳体110内。壳体110具有一个连续的槽175，该槽在轴向方向上有2毫米的宽度并且在径向方向上有2毫米的深度。槽175是沿着壳体110的内表面112，以此跨在这些分离叶片150的这些前缘155上。叶轮130以引发失速的最大速度的75％进行旋转。用于压缩机部分100的示例性实施方案的失速噪声被测量约为38dba。使用槽175明显地减少了压缩机失速过程中的噪声。
参见图5，一个涡轮增压器501具有一个涡轮机壳体502、一个中心壳体503以及一个压缩机壳体503a，这些壳体被相互连接并且沿一条旋转轴线R定位。涡轮机壳体502在一个支撑环506的圆周上具有多个导向叶片507的一个外部导向栅。这些导向叶片507可以由插入支撑环506的多个孔中的枢转轴508枢转，以便每一对叶片根据这些叶片507的枢转位置来限定截面可选择性地改变的喷嘴。这就允许将更大或更小量的排气提供给一个涡轮机转子504。
这些排气是由具有入口600的一个供应通道509提供给这些导向叶片507和转子504。这些排气经过一个中央的短送气管510被排出，并且转子504驱动压缩机叶轮、驱动轮、或被紧固到该叶轮的轴520上的转子521。本披露还考虑了涡轮机壳体502、中心壳体503以及压缩机壳体503a中的一个或多个被相互形成一体。
为了控制这些导向叶片507的位置，可以提供具有控制壳体512的一个致动装置511，该致动装置控制容纳在其中的一个杵构件514的致动运动，其轴向运动被转换成位于支撑环506后面的一个调节环或控制环505的旋转运动。通过这个旋转运动，这些导向叶片507可以从基本上切向的极限位置被移位到基本上在径向上延伸的极限位置中。以此方式，由供应通道509提供的来自燃烧发动机的或大或小的量的排气可以送至涡轮机转子504，并且经过轴向送气管510被排出。
在叶片支撑环506与涡轮机壳体502的一个环状部分515之间，可以有一个相对较小的空间513，以允许这些叶片507的自由运动。可以选择叶片空间513的形状和尺寸，以提高涡轮增压器501的效率，同时允许由于热排气而导致的热膨胀。为确保叶片空间513的宽度以及叶片支撑环506距对面的壳体环515的距离，叶片支撑环506可以具有在其上形成的多个间隔件516。其他不同的涡轮增压器部件也可以与压缩机叶轮521和涡轮增压器501一起使用。槽175是沿压缩机壳体503a的内表面形成的，以降低或消除压缩机的失速噪声。
尽管在此就适合于汽车或载重货车工业的一个实施方案已详细地对压缩机驱动轮或叶轮进行了说明，但容易看清楚的是该压缩机叶轮以及其制造方法也适合用于大量的其他应用(例如燃料电池动力的车辆)中，并且适合用于其他空气增压装置。可以将该示例性实施方案的这些特征应用于会经受失速的其他叶轮的壳体。尽管本发明以其优选的方式并且通过关于汽车内燃压缩机叶轮的某些特质进行了说明，但应该理解本披露的优选形式仅通过举例方式给出，并且无须脱离本发明的精神和范围即可在结构的以及组合的构成的细节中采取多种变化。

Claims (20)

1.一种压缩机壳体(110)，用于具有一个叶轮(130)的一个空气增压装置，该叶轮带有多个叶片(150)，该压缩机壳体(110)包括：
一个本体，该本体具有一个内表面(112)并且限定了一个扩散器(120)以及一个叶轮室(115)，其中该叶轮(130)被至少部分地安装在该叶轮室(115)中，其中该内表面(112)具有环绕该叶轮(130)的一个闭式槽(175，275)以形成一个连续的环形通道，并且其中该闭式槽(175，275)是在该扩散器(120)的上游。
2.如权利要求1所述的压缩机壳体(110)，其中该闭式槽(175，275)接近于该叶轮(130)的这些叶片(150)中的至少一个叶片的一个前缘(155)。
3.如权利要求1所述的压缩机壳体(110)，其中该闭式槽(175，275)是沿该内表面(112)定位的，以便跨在该叶轮(130)的这些叶片(150)中的至少一个叶片的一个前缘(155)上。
4.如权利要求1所述的压缩机壳体(110)，其中该闭式槽(175，275)具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度。
5.如权利要求1所述的压缩机壳体(110)，其中该闭式槽(175，275)具有在径向方向上的介于1至4毫米的深度。
6.如权利要求1所述的压缩机壳体(110)，其中该闭式槽(175，275)具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度、在径向方向上的介于1至4毫米的深度，并且其中该宽度和深度沿该连续的环形通道基本上是均匀的。
7.一个涡轮增压器(501)，包括：
一个涡轮机壳体(502)，该涡轮机壳体具有一个涡轮机转子(504)；
一个压缩机壳体(110)，该压缩机壳体具有一个内表面(112)并且限定一个叶轮室(115)；以及
一个压缩机叶轮(130)，该叶轮被安装在该压缩机壳体(110)中并且具有多个叶片(150)，该压缩机叶轮(130)被可运行地连接到用于驱动该压缩机叶轮(130)的涡轮机转子(504)上，
其中，该压缩机壳体(110)的内表面(112)具有在该压缩机叶轮(130)的多个叶片(150)附近的一个闭式槽(175，275)。
8.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)是在该多个叶片(150)中的至少一个叶片的一个前缘(155)的附近。
9.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该多个叶片(150)包括多个完整的叶片(140)以及多个分离叶片(150)，并且其中该闭式槽(175，275)是在该多个分离叶片(150)的前缘(155)的附近。
10.如权利要求9所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)跨在该多个分离叶片(150)的这些前缘(155)上。
11.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该压缩机壳体(110)至少部分地限定了一个扩散器(120)，其中该闭式槽(175，275)是在该扩散器(120)的上游，并且其中该闭式槽(175，275)是在该压缩机叶轮(130)的一个前缘(145)的下游。
12.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度。
13.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)具有在径向方向上的介于1至4毫米的深度。
14.如权利要求7所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)环绕着该压缩机叶轮(130)，以便沿该压缩机壳体(110)的内表面(112)形成一个连续的环形通道。
15.如权利要求14所述的涡轮增压器(501)，其中该闭式槽(175，275)具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度、在径向方向上的介于1至4毫米的深度，并且其中该宽度和深度沿该连续的环形通道基本上是均匀的。
16.减少一台涡轮增压器(501)中的失速噪声的一种方法，该方法包括：
沿一个壳体(110)的一个内表面(112)、在一个叶轮(130)的多个叶片(150)附近形成一个闭式槽(175，275)，以便为围绕一个旋转失速的流体提供一个路径。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括在该叶轮(130)的一个分离叶片(150)的一个前缘(155)的附近形成该闭式槽(175，275)。
18.如权利要求16所述的方法，进一步包括将该闭式槽(175，275)形成为环绕该叶轮(130)的一个连续的环形通道。
19.如权利要求17所述的方法，进一步包括将该闭式槽(175，275)形成为具有在轴向方向上的介于1至4毫米的宽度以及在径向方向上的介于1至4毫米的深度。
20.如权利要求17所述的方法，进一步包括将该闭式槽(175，275)形成为具有在轴向方向上的介于1.75至2.75毫米的宽度以及在径向方向上的介于1.75至2.75毫米的深度。
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