CN101868629B - 压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种压缩机,典型地用于涡轮增压机中,该压缩机包括下游的径向压缩机叶轮(11)、上游轴向压缩机叶轮(10)和中间的定子(12)。压缩机外壳(13)具有入口(19),该入口具有内壁(22)和外壁(23),在该内壁(22)和外壁(23)之间限定MWE气体流动通道(27)。该流动通道(27)限定的上游开口在所述通道(27)和吸入口(19)之间提供连通,并且在上游开口的下游的至少一个第一槽(30)在通道(27)和内壁(22)的内表面(24)之间提供连通。定子(12)包括多个固定叶片(45),并且设置在径向和轴向叶轮(10、11)之间的入口的内壁(22)中。槽(30)的位置能够是沿气体流动通道(27)的几个位置中的一个。在其它实施例中,具有第二和第三槽(70、71),并且流动通道(27)被分成两个部分(27a、27b)。所有这些配置被设计成提高压缩机线图宽度。

Description

压缩机
技术领域
[0001] 本发明涉及一种压缩机,尤其涉及一种适用于涡轮增压机的多级压缩机。
背景技术
[0002] 压缩机包括叶轮,该叶轮携带多个刀片(或叶片),安装轴上用于在压缩机外壳内旋转。叶轮的旋转导致气体(例如空气)被吸入叶轮中并被传送到出口室或通道。在径向或离心压缩机的情况中,出口通道是由围绕叶轮的压缩机外壳所限定的卷涡旋形式,而在轴向压缩机的情况中,气体被轴向地排放。
[0003] 涡轮增压机是公知的以高于大气压的压力(增压)将空气提供到内燃机的吸入口的设备,并且广泛使用于汽车等。涡轮增压机的压缩机被排气涡轮机驱动,该排气涡轮机驱动安装在公共轴上。来自内燃机的排气流过该涡轮机并驱动涡轮旋转,于是使压缩机叶轮旋转。空气通过压缩机外壳的轴向入口吸入,被压缩的空气被传送到内燃机的进气歧管,因此提高发动机功率。
[0004] 涡轮增压机控制的一个方面是通过避免所公知的喘振确保稳定的运行。如果涡轮增压机在相对低的压缩机体积空气流量和高增压下工作时,进入压缩机的空气流可能停止,压缩机的工作会中断。在停止之后,空气流容易反向通过压缩机直至达到稳定的压力t匕,在所述稳定的压力比下空气能够沿正确的方向流动。该过程重复并导致空气流的脉动,这就是公知的喘振。通过在临近喘振极限下工作,能够实现发动机的最大工作效率,在控制过程中建立喘振裕度,以确保涡轮增压机在与喘振条件相距有安全距离的情况下工作。
[0005] 在一些涡轮增压机中,压缩机入口具有公知的“线图宽度增加”(MWE)结构。该MWE结构例如在美国专利No. 4,743,161中说明。这种MWE压缩机的入口包括两个同轴管状入口部分,形成压缩机吸入口的外部入口部分或壁,和限定压缩机引导部分或主入口的内部入口部分或壁。内部入口部分短`于外部入口部分,并且具有内表面,该内表面是压缩机外壳的内壁的表面的延伸,所述内壁的表面被叶轮叶片的边缘掠过。这种布置使得在两个管状入口部分之间限定环形流动路径,该路径在它的上游端是打开的,并且在它的下游端设置有孔或槽(下文称作“MWE槽”),该孔或槽与面对叶轮的压缩机外壳的内表面连通。在运行中,MWE槽允许额外的空气在高流速(临近节流)条件下吸入压缩机,然而它的最重要的功能是以较低的流量,尤其当压缩机临近喘振时。在这些情况下,MWE槽允许气流反向(目强在部分压缩机中这是普遍的流动方式)并被再循环到吸入口中,因而延迟喘振。
[0006] MWE结构稳定压缩机的性能,增加了最大流动能力并提高喘振裕度,即降低压缩机喘振时的流速,从而使得发动机的每分钟转数(r.p.m)的范围(在该范围下压缩机能够以稳定的方式工作)增大。因此,给定的压缩机能够匹配具有更宽速度范围的发动机。这被公知为增加压缩机“线图”的宽度,该“线图”是压缩机特性的图。
发明内容
[0007] 本发明的一个目的是提供一种压缩机,其提高了线图宽度性能。[0008] 根据本发明的第一方面,提供一种压缩机,包括:
[0009] 外壳,所述外壳限定气体入口和气体出口 ;
[0010] 径向叶轮,所述径向叶轮具有多个叶片,并安装在所述外壳内位于所述入口和出口之间,所述叶轮能够围绕轴线旋转;
[0011] 所述入口包括大致管状外壁和大致管状内壁,所述外壁在上游方向上从叶轮延伸出去并形成气体吸入口,所述内壁在上游方向上从叶轮延伸出去并位于所述外壁内,所述内壁限定内表面,所述内表面的至少一部分定位成紧靠径向叶轮的叶片的径向外边缘,当径向叶轮绕它的轴线旋转时所述径向叶轮的叶片的径向外边缘掠过所述表面;
[0012] 大致管状气体流动通道,所述气体流动通道限定在内壁和外壁之间,并从上游端延伸到靠近所述径向叶轮的下游端;
[0013] 通道具有上游开口,所述上游开口在通道和吸入口之间提供连通;
[0014] 至少一个孔,在所述上游开口的下游,并在所述通道和所述内壁的内表面之间提供连通;
[0015] 轴向叶轮,其支撑在所述径向叶轮上游的所述入口中用于旋转;和
[0016] 定子,其包括多个固定叶片,并设置在径向叶轮和轴向叶轮之间的入口中,并位于内壁内。
[0017] 所述入口的内壁和外壁可以形成一体或是单独的部件。内壁和外壁可以大致同轴。内壁的长度可以短于外壁。
[0018] 轴向叶轮可以设置在入口的内壁内。
[0019] 所述至少一个第一孔可以设置在入口的内壁中,它可以是槽的形式,槽可以是不连续的,槽可以是大致环形的。可替换地该孔包括一个或更多个孔,这些孔围绕内壁间隔地设置。
[0020] 内、外壁和流动通道可以是大致环形的。
[0021] 所述至少一个第一孔可以定位在径向叶轮的叶片上。所述径向叶轮的每个叶片包括径向外边缘,所述至少一个孔靠近径向外边缘。径向压缩机的叶片还可以包括前边缘和后边缘,前边缘和后边缘由所述外边缘互连,所述至少一个孔设置成邻近叶片的外边缘和前边缘之间的接合点。
[0022] 在所述内壁中与所述至少一个第一孔轴向间隔开的位置处设置有至少一个第二孔和至少一个第三孔,所述第二孔设置在定子的叶片上方,所述第三孔设置在轴向压缩机的叶片上方。所述定子和所述轴向压缩机的每个叶片可以包括径向外边缘、前边缘和后边缘。所述至少一个第二孔可以设置在定子的径向外边缘上方任意轴向位置处。例如,可以设置成邻近所述叶片的前边缘或在(或邻近)后边缘或者两者之间的某个地方。更精确地,所述至少一个第二孔可以具有与大致径向平面一重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述定子的叶片相交。所述径向平面可以与所述定子的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交,或者可以与所述定子的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交;或者可以在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述定子的叶片的外边缘相交,例如在所述两个接合点之间的中间轴向位置处。
[0023] 所述轴向压缩机叶轮的每个叶片可以包括径向外边缘、前边缘和后边缘,所述至少一个第三孔设置在所述径向外边缘上方。所述至少一个第三孔可以设置成邻近所述轴向压缩机叶轮的至少一个叶片的前边缘。
[0024] 所述至少一个第三孔具有与大致径向平面重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述轴向压缩机叶轮的叶片相交。所述径向平面可以与所述轴向压缩机叶轮的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交,或者与所述轴向压缩机叶轮的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交;或者在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述轴向压缩机的叶片的外边缘相交,例如在所述两个接合点之间的中间轴向位置处。
[0025] 在气体流动通道中可以设置分隔壁,用于将通道分成两部分,并且分隔壁可以设置在所述至少一个第一孔和所述至少一个第二孔之间。
[0026] 所述分隔壁能够在气体流动通道中沿轴向方向移动,以便调节通道的第一和第二部分的相对容积。
[0027] 所述至少一个第一孔可以定位在所述定子的叶片上方。所述定子的每个叶片可以包括径向外边缘、前边缘和后边缘,所述至少一个第一孔设置在所述径向外边缘上方。所述至少一个第一孔可以设置成靠近所述定子的叶片的前边缘。更具体地,所述至少一个第一孔具有与大致径向平面重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述定子的叶片相交。所述径向平面可以与所述定子的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交,或者与所述定子的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交;或者在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述定子的叶片的外边缘相交,例如在所述两个接合点之间的中间轴向位置处。
[0028] 替换地,所述 至少一个第一孔可以定位在所述轴向压缩机的叶片上方,所述轴向压缩机的每个叶片可以包括径向外边缘、前边缘和后边缘,所述至少一个第一孔可以设置在所述径向外边缘上方,并且可以设置成靠近所述轴向压缩机叶轮的叶片的前边缘。
[0029] 所述至少一个第一孔可以具有与大致径向平面重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述轴向压缩机叶轮的叶片相交。所述径向平面可以与所述轴向压缩机叶轮的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交,或者与所述轴向压缩机叶轮的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交;或者在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述轴向压缩机的叶片的外边缘相交,例如在所述两个接合点之间的中间轴向位置处。
[0030] 优选地,所述轴向和径向压缩机叶轮的每个叶片从相应的毂朝外延伸。所述轴线和所述轴向压缩机的毂的外表面之间的径向距离大于从所述轴线到所述径向压缩机叶轮的毂的外表面的径向距离。从所述轴线到所述径向压缩机的毂的外表面的径向距离小于从所述轴线到所述轴向压缩机的毂的外表面的径向距离的85%,并且更优选地,小于从所述轴线到所述轴向压缩机的毂的外表面的径向距离的60%。
[0031] 所述轴向叶轮的毂的外表面的至少一部分可以是凸起的。
[0032] 所述轴向压缩机叶轮的毂可以具有内螺纹,以便用作螺母来安装在所述轴的末端上。
[0033] 所述定子可以包括内壁和外壁,并且所述定子的内壁可以大致在所述径向叶轮的毂和轴向叶轮的毂之间延伸。所述内壁可以具有锥度或可以具有限定在所述内壁的内表面上的锥度。所述外壁可以具有锥度,该锥度可以限定在所述外壁的内表面上。所述内壁的锥度可以大于所述外壁的锥度。
[0034] 所述定子的内壁的外表面可以具有上游凸起部分和下游凹陷部分。
[0035] 所述压缩机外壳可以包括多个部件。例如所述外壳可以包括主体,该主体具有整体的或可分离的入口部分。所述主体可以限定出口并容纳径向压缩机叶轮。所述入口自身可以具有单独的内壁和外壁,或者内壁和外壁可以整体地连接。所述入口可以包括与主体一体的或连接到主体的外壁,以及在外壁中的插入件,该插入件限定内壁的至少一部分。
[0036] 内壁的内表面可以由外壳的主体上的内表面部分地限定。
[0037] 由流动通道限定的所述上游开口可以是大致环形的。
[0038] 所述至少一个第一孔可以是大致环形的第一槽,所述大致环形第一槽可以是不连续的。类似地,所述至少一个第二和第三孔的每个可以是大致环形槽的形式。替换地,每个孔可以是围绕入口的内壁布置的一个或更多个孔的形式。
[0039] 轴向和径向压缩机叶轮的叶片可以从各自的毂延伸。所述轴线和所述轴向压缩机的毂的外表面之间的径向距离大于从所述轴线到所述径向压缩机叶轮的毂的外表面的径向距离。
[0040] 定子可以包括内壁和外壁。所述内壁可以在所述径向叶轮的毂和轴向叶轮的毂之间延伸。它的内壁和外壁可以是锥形的。
[0041] 所述轴向叶轮的毂的至少在叶片的前边缘和后边缘之间的区域的外表面的至少一部分可以是凸起的。
[0042] 所述定子的内壁的外表面可以具有上游凸起部分和下游凹陷部分。
[0043] 优选地,从所述轴线到靠近所述径向压缩机的毂的叶片的基部的径向距离小于从所述轴线到所述轴向压缩机叶片的基部的径向距离的85%,更优选地小于60% .
[0044] 优选地,所述轴向压缩机叶轮的毂可以具有内螺纹,以便用作螺母来安装在所述轴的末端上。
[0045] 根据本发明的第二方面,提供一种涡轮增压机,包括:前面限定的压缩机;和驱动所述叶轮旋转的涡轮机。
[0046] 根据本发明的第三方面,提供一种内燃机,所述内燃机装配有前面限定的涡轮增压机。
[0047] 根据本发明的第四方面,提供一种用于操作涡轮增压机中的压缩机的方法,包括:旋转外壳内的径向叶轮,以便压缩从入口吸入外壳的气体并将该气体传送到外壳的出口,所述入口包括大致管状内壁和外壁和大致管状流动通道,所述大致管状内壁和外壁在上游方向上从叶轮延伸出去并形成气体吸入口,所述大致管状流动通道限定在内壁和外壁之间并从上游端处的开口延伸到靠近所述径向叶轮的下游端;在临近喘振条件下操作压缩机,从而使气体从内壁内部再循环通过内壁中的至少一个第一孔并进入气体流动通道;旋转在径向叶轮上游的所述入口中的轴向压缩机叶轮,以便压缩进入气体并将该气体传送到轴向和径向压缩机叶轮中间的叶片式定子,其中所述再循环气体在通道中从所述至少一个第一孔流动到内壁的至少一个轴向间隔开的第二孔,然后再循环气体通过该第二孔到达内壁的内表面,沿内壁的所述内表面再循环气体轴向地朝上游流动到内壁的至少一个第三孔,气体通过所述至少一个第三孔,从而使得它再次出现在气体流动通道中,用于传送到开口。
[0048]根据本发明的第五方面,提供一种压缩机,包括:[0049] 外壳,其限定气体入口和气体出口;
[0050] 径向叶轮,其轮具有多个叶片,并安装在所述外壳内位于所述入口和出口之间,所述叶轮能够围绕轴线旋转;
[0051] 所述入口包括大致管状壁,所述壁在上游方向上从叶轮延伸出去并形成气体吸入口,所述入口壁限定内表面,所述内表面的至少一部分定位成紧靠径向叶轮的叶片的径向外边缘,当径向叶轮绕它的轴线旋转时所述径向叶轮的叶片的径向外边缘掠过所述内表面;
[0052] 轴向叶轮,其具有多个叶片并支撑在所述径向叶轮上游的所述入口中用于旋转;和
[0053] 定子,其包括多个固定叶片,并设置在径向叶轮和轴向叶轮之间的入口的壁中,
[0054] 其中所述轴向和径向压缩机叶轮的每个叶片从各自的毂朝外延伸,并且所述轴线和所述轴向压缩机的毂的外表面之间的径向距离大于从所述轴线到所述径向压缩机叶轮的毂的外表面的径向距离。
[0055] 所述入口可以具有前面限定的内壁和外壁。
[0056] 根据本发明的第六方面,提供一种压缩机,包括:
[0057] 外壳,其限定气体入口和气体出口;
[0058] 径向叶轮,其具有多个叶片,并安装在所述外壳内位于所述入口和出口之间,所述叶轮能够围绕轴线旋转;
[0059] 所述入口包括大致管状壁,所述壁在上游方向上从叶轮延伸出去并形成气体吸入口,所述入口壁限定内表面,所述内表`面的至少一部分定位成紧靠径向叶轮的叶片的径向外边缘,当径向叶轮绕它的轴线旋转时所述径向叶轮的叶片的径向外边缘掠过所述内表面;
[0060] 轴向叶轮,其具有多个叶片,并支撑在所述径向叶轮上游的所述入口中用于旋转,
[0061] 所述轴向和径向叶轮安装在共同的轴上,所述轴向叶轮具有内螺纹,用于连接到轴的对应螺纹上,以便将所述径向压缩机叶轮保持在适当位置。
[0062] 所述螺纹可以限定在轴向叶轮的毂的内表面上,叶片从该毂延伸。
[0063] 具有固定叶片的轴向定子可以设置在轴向和径向压缩机叶轮之间,具有螺纹的轴向叶轮还用于将定子保持在适当位置。
附图说明
[0064] 下面参考附图,仅通过示例,来说明本发明的具体实施例。
[0065] 图I是表示具有根据本发明的装配到内燃机的压缩机的示意图;
[0066] 图2是根据本发明的压缩机的第一实施例的局部侧视图;
[0067] 图3是图2的压缩机的局部放大图,示出涡轮增压机的轴;
[0068] 图4是压缩机的第二实施例的局部侧视图,其具有不同的定子设计;
[0069] 图5是图2的压缩机的局部侧视图,显示喘振时MWE通道中的气流,仅显示了在中心轴线上方的那一半压缩机;
[0070] 图6-11对应于图5的视图,但是显示MWE通道中的槽的各种替换位置;
[0071] 图12对应于图5的视图,但是显示MWE通道的替换结构,其中有三个槽和分隔壁;和
[0072] 图13-15显示与图12相似的压缩机配置,但是以替换的结构来布置槽的位置。具体实施方式
[0073] 图I显示本发明的压缩机,其属于装配到内燃机的涡轮增压机领域。图2和图3显示压缩机细节的详细放大示例性实施例。所示压缩机是用于实现高压缩比的两级压缩机,并且包括轴向压缩机叶轮10,该轴向压缩机叶轮10位于径向(离心)压缩机叶轮11的上游并通过中间轴向定子12与径向压缩机叶轮11隔开。叶轮10、11在压缩机外壳13内安装在共同的旋转轴14(仅图3显示)上,该共同的旋转轴14绕图2中的点划线所表示的压缩机轴线旋转。
[0074] 压缩机外壳13连接到涡轮增压机16的轴承座15,并且轴14设计成支撑排气涡轮17,该排气涡轮17设置在轴承座15的另一侧。在操作中,来自内燃机18的排气流过排气涡轮17并驱动涡轮旋转,于是旋转压缩机叶轮10、11。空气通过压缩机外壳13的轴向入口 19吸入,并且压缩空气被传送到内燃机的进气歧管20,从而增大发动机功率。压缩机外壳13限定出口卷涡旋21,该出口卷涡旋21围绕径向叶轮11。涡轮增压机在内燃机18的E⑶的控制下工作。
[0075] 入口 19由同心的内壁22和外壁23限定,该内壁22和外壁23与压缩机轴线同轴地延伸离开径向叶轮11。内壁22是大致圆筒形的,并限定入口 19的气体引导部分。内壁22的内表面24从下游端延伸到上游端,在前述下游端处叶轮叶片的外边缘25紧靠内表面24掠过,前述上游端远离径向叶轮11。相似地,外壁23是大致圆筒形的,并限定入口的吸入部分。外壁在上游端延伸超出内壁22并在它的内表面28和内壁22的外表面29之间限定环形气流通道27。
[0076] 除了不连续的环形槽30外,环形气流通道27在上游端处打开并在下游端处闭合,前述环形槽30穿过内壁22,在`径向叶轮11和通道27的内部之间实现空气(或者其它气体)连通。槽30通过多个翅翼31 (仅图2显示)被制成不连续,该多个翅翼31 (web)围绕槽30的外周间隔地桥接该槽30。
[0077] 在图2和图3的实施例中,压缩机外壳13具有包括多个独立部件的入口结构19。具体地,外壁23以及内壁22的主要部分是单独的部件,外壁23通过任何适当的连接配置被可拆卸地连接到外壳13的主体32,内壁22是容纳在外壁中的插入件并由一个或多个大致径向柱33支撑。一个示例的连接是V型带等,该V型带绕外壁23与主体32的一部分之间的接合处通过,以将它们保持在一起。在一个替换配置中,入口 19可以是可拆卸地连接到外壳13的主体32的单个部件。在另一个替换配置中,外壳是一体结构,并且在又一个替换配置中,主体32和入口 19的外壁23利用可分离的插入件整体地形成,该插入件设置用于入口的内壁22。
[0078] 从图2和图3的实施例可以看出,内壁部分由插入件限定,部分由外壳13的主体限定。
[0079] 径向叶轮11具有多个传统设计的叶片26,该多个叶片从毂39延伸,并且每个叶片包括前边缘40、后边缘41和外边缘25,这些边缘掠过内壁22的下游部分所限定的内表面
24。叶片26构造成将进入空气的方向从大致轴流方向改变成朝向出口卷涡旋21的大致径流方向。
[0080] 定子12包括内环形壁42和外环形壁43,该内环形壁42和外环形壁43由径向地延伸的柱44间隔地相互连接。这些壁42、43之间限定流动路径,并且支撑多个圆周地间隔开的叶片45,该多个叶片45具有表面,这些表面在大致轴向方向上从前边缘45a延伸到后边缘45b,并用于引导空气沿从轴向叶轮10到径向叶轮11的流动路径流动。入口 19的内壁22的内表面24具有用于容纳定子12的外壁43的环形凹陷46,从而使得定子12的外壁43保持在入口 19中,而不接触轴14或其它压缩机元件。
[0081] 轴向压缩机叶轮10包括多个朝外延伸的叶片50,所述叶片50支撑在围绕轴14的中心毂51上,每个叶片具有前边缘52、后边缘53和径向外边缘54,这些边缘掠过内壁23的内表面24。叶片50用于对空气执行初始压缩,但不显著地改变大致轴流方向,被压缩的空气被传送到定子12。
[0082] 在压缩机的操作中,在高流速和高每分钟转数(r. p. m)期间,槽30的径向叶轮11端处的压力小于槽的通道27端处的压力,因此空气通过槽30从通道27流到径向叶轮11,由此增加了在接近节流条件时到达叶轮11的空气的容积。具体地,在较低的流量下,当压缩机临近湍振时,环形通道27中的空气流反向并再循环到吸入口(如图5中的虚线箭头所示),因此延迟瑞振。环形流动通道27 (常称作线图-宽度增加(MWE,Map-widthEnhanced)结构)通过增加最大流动能力和提高喘振裕度(即降低压缩机喘振时的流速)来稳定压缩机的性能,从而使得发动机的每分钟转数的范围(在该范围内压缩机能够以稳定方式工作)被增加。
[0083] 环形槽30的轴向位置设置在径向叶轮11的叶片的外边缘上,并且在图2和3的实施例中,靠近叶片26的前边缘40.然而,可以理解的是,槽30的精确的轴向位置可以相对于叶片26变化。
[0084] 在图3中,轴14以虚线表示,并且与轴向叶轮11的毂51的表面相面对的上游的轮廓形成为用于改善空气流 的凸起形状。
[0085] 图4显示可替换的压缩机实施例,与图2和3的压缩机相比,在该实施例中,唯一的变化在于定子的设计。为了表示方便和便于理解,与图2和3对应的部件用相同的参考标记表示。与径向叶轮11的毂39的径向位置相比,轴向叶轮10的毂51的径向位置到轴线的距离更远。为了适应流动路径的横截面积的这种不同,借助于定子12’的内壁42’和外壁43’所限定的锥度,定子流动路径被构造成是发散的。外壁43’的径向面向内部的表面43a’具有平缓的锥度,内壁42’的径向面向外部的表面42a’具有更加明显的锥度,以便使通过定子12’的流动路径的横截面积逐渐变化。可以看出,内壁42’的面向外部的表面42a’从与轴向压缩机叶轮10的毂51的表面大致邻接的一端处的径向位置延伸到与径向压缩机叶轮11的毂39的表面大致邻接的位置。
[0086] 因此,在相应的叶片50、26的前边缘52、40和后边缘53、41之间的对应轴向位置处,轴向压缩机叶轮10的流动横截面积小于径向压缩机叶轮11的流动横截面积。通过给定的压缩机叶轮10、11的流动横截面积可以定义为叶轮的叶片的前边缘和后边缘之间的中间位置、或者在叶片的后边缘处、或进一步可选地在叶轮毂的直径处于最大的点处。
[0087] 如果Rtl是从压缩机轴线到径向压缩机11的毂39的表面/叶片26的基部的表面的距离,并且R1是从轴线到轴向压缩机的径向距离(参见图4)。径向压缩机叶轮11的径向距离Rtl优选地小于轴向压缩机10的等同径向距离R1的85%,更优选地小于轴向压缩机10的径向距离R1的60%。
[0088] 轴向压缩机10的毂51在叶片50的前边缘52和后边缘53之间的区域可以是凸起,从而使得它的最大直径在前边缘和后边缘之间的位置处。定子12、12’的内壁42、42’的上游部分也可以是凸起的,而下游部分可以是凹陷的。
[0089] 轴向压缩机叶轮10的毂51可以具有内螺纹60,毂51通过该内螺纹60以螺母的方式固定到轴14上,因此将径向压缩机叶轮11和定子12保持在轴上,如图3中所描述。
[0090] 现在参考图6-11,显示了压缩机的可替换的环形流动路径结构的范围。在每个图示实施例中,叶轮10、11和定子12的结构是相同的,但是入口 19的内壁22上的槽30的轴向位置是不同的。为了便于表示和理解,在每个例子中,槽用相同的参考标记(30)表示。在图6的实施例中,槽30设置成与压缩机叶轮叶片50的外边缘54相对,并在前边缘52处,即通过槽的再循环流动路径(以虚线表示)的中心轴线开始于或紧靠与轴14的旋转轴线垂直的径向平面,并且与轴向叶轮10的叶片50的前边缘52和径向外边缘54之间的接合点相交。槽30可以位于轴向压缩机叶轮10的叶片50的前边缘52和后边缘53之间的任何轴向位置处。在图7的示例中,示出它在外边缘54分别与前、后边缘52、53之间的接合点之间的中间位置处,在图8中,槽30开始于与延伸通过叶片50的后边缘53和外边缘54之间的接合点的径向平面大致重合的位置处。
[0091] 在图9-11的替换结构中,槽30设置在内壁22中沿定子12的轴向范围的地方。在实践中,槽30可以定位成使得它的任何部分与定子叶片45的外边缘43的任何部分重叠。例如,在图9中,槽开始于或者紧靠与定子12的叶片45的前边缘45a和外边缘43的接合点相交的径向平面,而在图10中,它开始于前边缘45a和后边缘45b之间的大致中间点,在图11中,它开始于或 紧靠与叶片45的外边缘43和后边缘45b之间的接合点相交的径向平面。
[0092] 可以理解的是,与图4相关的上述叶轮毂39、51和定子12的结构可以用于图6_11的任一个压缩机实施例中。
[0093] 现在参见图12-15,MWE流动通道27可以被壁65分成单独的部分27a、27b,从而使得再循环空气被分成两个MWE流动路径。在图12的实施例中,再循环空气流动具有第一路径并被槽30朝外引导到空气流动的环形通道27的第一部分27a(如虚线所示),前述第一路径开始于环形槽30或紧靠径向压缩机叶轮叶片26的外和前边缘40。第二槽70设置在定子叶片45的前边缘45a处,并提供用于第一流动路径的出口,从而使得空气径向朝内流动到定子12。第三槽71设置在轴向压缩机叶轮10的叶片50的后边缘53处,并提供用于第二路径的开始点,该第二路径通过槽71朝外到达流动通道的第二部分27b,并沿流动通道27的该其余部分到达吸入口。
[0094] 在图13的压缩机实施例中,与图12所示的不同仅在于第二槽70设置在定子叶片45的前边缘45a和后边缘45b之间的大致中间位置处,从而使得再循环空气在环形通道的第一部分中的流动距离被缩短,如虚线所示。在图14中,第二槽70甚至更加靠近第一槽30,并且与定子叶片45的后边缘45b大致重合。图15显示出与图14相同的配置,但是双头箭头显示,分隔壁65的轴向位置可以沿环形通道27被调节,以便改变第一和第二部分27a、27b的容积,具体地,可以改变第一部分27a的由第二槽70提供的它的出口的下游(从循环流动来说)的那部分。
[0095] 可以理解的是,第二和第三槽70、71可以分别相对于定子和轴向叶轮叶片45、50以任意互换的轴向位置设置。
[0096] 在有两个MWE流动路径的上述实施例中,可以设置额外的可调节的流动路径节流口或开口。在一个配置中,该节流口设置在与两个流动路径相交的路径上。
[0097] 在一个替换配置中,两个MWE流动路径具有共同的出口,并且仅在一个路径上具有额外的节流口,例如在从径向压缩机叶轮延伸的路径上。
[0098] 在每种情况中,该节流口可以变化,并且可以是阀的形式。它可以被涡轮增压机控制系统(例如车辆的内燃机的ECU,请参见图I)控制。
[0099] 上述所有压缩机实施例具有加宽它装配的涡轮增压机的压缩机特性线图的效果,因此允许压缩机在更宽的发动机速度范围内使用。具体地,该配置具有移动喘振线的效果,以便在压缩机的整个每分钟转数(r.p.m)范围内降低流量。
[0100] 轴向和径向压缩机叶轮10、11中的每个可以单独地制造并连接到轴14,定子12在适当位置,然后平衡轴向和径向压缩机叶轮10、11。它们也可以在固定到轴14之前单独地平衡。在替换配置中,两个压缩机叶轮10、11被制造成一体件并装配到轴14,在该情况中,包括几个可连接部件的定子12然后装配在叶轮10、11之间的互连的部分上。
[0101] 对于本领域的熟练技术人员而言,用于各种元件的适当材料是显然的。例如,入口、定子和压缩机外壳可以例如由铸铁、铝合金或不锈钢制造。在更高温度的应用中,其它材料也许是合适的,例如钛、复合材料和陶瓷。
[0102] 可以理解的是,在不脱离所附权利要求限定的本发明的保护范围的情况下,可以对上述设计作出各种变化。具体地,与前面描述的相比,入口的吸入和引导部件的相对长度可以变化。此外,可以酌情增加额外的`压缩机级。另外,限定在内壁和外壁之间的MWE通道可以不必是环形的,而可以是部分环形的或者可以包括单独的通道,该通道圆周地围绕入口而隔开。类似地,在通道和内壁的内表面之间提供连通的槽可以是部分环形的,不连续的或者可以被在圆周方向上间隔开的多个孔代替。
[0103] 尽管已在附图和前述说明书中详细显示和说明了本发明,但是这些仅是说明性的,而不是对特征的限定。可以理解的是,它仅显示和说明了优选实施例,但是在权利要求所限定的本发明的保护范围内的各种变化和修改也希望被保护。应当理解的是,尽管在上述说明中使用了优选的、优选地、较佳的或更佳的等词语,这些词语表示所述特征可以是更希望的,但是它不是必须的,缺少该特征的实施例可以认为在本发明的保护范围之内,该保护范围是下面的权利要求限定的范围。在阅读权利要求时,可以理解的是,当使用“一个”、“至少一个”或“至少一部分”等词语时,不是用于将权利要求限制成仅一个部件,除非在权利要求中有与此相反的特别声明。当使用“至少一部分”和/或“一部分”时,该部件能够包括一部分和/或整个部件,除非有与此相反的特别声明。

Claims (56)

1. 一种压缩机,包括: 外壳,其限定气体入口和气体出口 ; 径向叶轮,其具有多个叶片并安装在所述外壳内,位于所述入口和出口之间,所述叶轮能够围绕轴线旋转; 所述入口包括大致管状外壁和大致管状内壁,所述外壁在上游方向上从叶轮延伸并形成气体吸入口,所述内壁在上游方向上从叶轮延伸并位于所述外壁内,所述内壁限定内表面,所述内表面的至少一部分定位成紧靠所述径向叶轮的叶片的径向外边缘,当径向叶轮绕它的轴线旋转时所述径向叶轮的叶片的径向外边缘掠过所述表面; 大致管状气体流动通道,其限定在所述内壁和所述外壁之间,并从上游端延伸到靠近所述径向叶轮的下游端; 由所述流动通道限定的上游开口,其在所述通道和所述吸入口之间提供连通; 至少一个第一孔,其在所述上游开口的下游并在所述通道和所述内壁的内表面之间提供连通; 轴向叶轮,其具有多个叶片,并支撑在所述径向叶轮上游的所述入口中用于旋转;和 定子,其包括多个固定叶片并设置在所述径向叶轮和所述轴向叶轮之间的入口的内壁中; 其中所述至少一个第 一孔定位在所述径向叶轮的叶片上方;和在所述内壁中与所述至少一个第一孔轴向间隔开的位置处设置有至少一个第二孔和至少一个第三孔,至少一个第二孔和至少一个第三孔的每一个在所述通道和所述内壁的内表面之间提供连通,所述第二孔设置在定子的叶片上方,所述第三孔设置在轴向叶轮的叶片上方。
2.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述轴向叶轮能够绕与所述径向叶轮相同的轴线旋转。
3.根据权利要求2所述的压缩机,其中所述轴向叶轮和径向叶轮连接到用于绕所述轴线旋转的共同的旋转轴。
4.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述轴向叶轮设置用于在所述入口的内壁内旋转。
5.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述至少一个第一孔设置在所述入口的内壁中。
6.根据前述权利要求1所述的压缩机,其中所述至少一个第一孔是狭缝。
7.根据权利要求6所述的压缩机,其中所述狭缝是不连续的。
8.根据权利要求6或7所述的压缩机,其中所述狭缝是大致环形的。
9.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述内壁、外壁和流动通道是大致环形的。
10.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述径向叶轮的每个叶片包括径向外边缘,所述至少一个第一孔邻近径向外边缘。
11.根据权利要求10所述的压缩机,其中所述径向叶轮的叶片还包括前边缘和后边缘,所述前边缘和后边缘被所述外边缘互连,所述至少一个第一孔设置成邻近所述叶片的外边缘和前边缘之间的接合点。
12.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述定子的每个叶片包括径向外边缘、前边缘和后边缘,所述至少一个第二孔设置在所述径向外边缘上方。
13.根据权利要求12所述的压缩机,其中所述至少一个第二孔设置成邻近所述定子的叶片的前边缘。
14.根据权利要求13所述的压缩机,其中所述至少一个第二孔具有与大致径向平面重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述定子的叶片相交。
15.根据权利要求14所述的压缩机,其中所述径向平面与所述定子的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交。
16.根据权利要求14所述的压缩机,其中所述径向平面与所述定子的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交。
17.根据权利要求14所述的压缩机,其中所述径向平面在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述定子的叶片的外边缘相交。
18.根据权利要求17所述的压缩机,其中所述径向平面在所述两个接合点之间的中间的轴向位置处与所述叶片的外边缘相交。
19.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述轴向叶轮的每个叶片包括径向外边缘、前边缘和后边缘,所述至少一个第三孔设置在所述径向外边缘上方。
20.根据权利要求19所述的压缩机,其中所述至少一个第三孔设置成邻近所述轴向叶轮的至少一个叶片的前边缘。
21.根据权利要求20所述的压缩机,其中所述至少一个第三孔具有与大致径向平面重合或紧邻的一端,所述大致径向平面与所述轴线垂直并与所述轴向叶轮的叶片相交。
22.根据权利要求21所述的压缩机,其中所述径向平面与所述轴向叶轮的叶片的前边缘和外边缘之间的接合点相交。
23.根据权利要求21所述的压缩机,其中所述径向平面与所述轴向叶轮的叶片的后边缘和外边缘之间的接合点相交。
24.根据权利要求21所述的压缩机,其中所述径向平面在前边缘与外边缘的接合点和后边缘与外边缘的接合点之间的轴向位置处与所述轴向叶轮的叶片的外边缘相交。
25.根据权利要求24所述的压缩机,其中所述径向平面在所述两个接合点之间的中间轴向位置处与所述轴向叶轮的叶片的外边缘相交。
26.根据权利要求1所述的压缩机,其中在所述气体流动通道中设置分隔壁,将通道分成两部分。
27.根据权利要求26所述的压缩机,其中所述分隔壁设置在所述至少一个第一孔和所述至少一个第二孔之间。
28.根据权利要求27所述的压缩机,其中所述分隔壁能够在气体流动通道中沿轴向方向移动。
29.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述轴向叶轮和径向叶轮的每个叶片从各自的毂朝外延伸。
30.根据权利要求29所述的压缩机,其中所述轴线和所述轴向叶轮的毂的外表面之间的径向距离大于从所述轴线到所述径向叶轮的毂的外表面的径向距离。
31.根据权利要求30所述的压缩机,其中从所述轴线到所述径向叶轮的毂的外表面的径向距离小于从所述轴线到所述轴向叶轮的毂的外表面的径向距离的85%。
32.根据权利要求30所述的压缩机,其中从所述轴线到所述径向叶轮的毂的外表面的径向距离小于从所述轴线到所述轴向叶轮的毂的外表面的径向距离的60%。
33.根据权利要求32所述的压缩机,其中所述轴向叶轮的毂的外表面的至少一部分是凸起的。
34.根据权利要求29所述的压缩机,其中所述轴向叶轮的毂具有内螺纹,以便用作螺母来安装在所述轴的末端上。
35.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述定子包括内壁和外壁。
36.根据权利要求29所述的压缩机,其中定子包括内壁和外壁,并且所述定子的内壁在所述径向叶轮的毂和轴向叶轮的毂之间延伸。
37.根据权利要求36所述的压缩机,其中所述内壁具有锥度。
38.根据权利要求37所述的压缩机,其中所述锥度限定在所述定子的内壁的内表面上。
39.根据权利要求37所述的压缩机,其中所述定子的外壁具有锥度。
40.根据权利要求39所述的压缩机,其中所述定子的外壁锥度限定在所述外壁的内表面上。
41.根据权利要求39所述的压缩机,其中所述定子的内壁的锥度大于所述定子外壁的锥度。
42.根据权利要求35所述的压缩机,其中所述定子的内壁的外表面具有上游凸起部分和下游凹陷部分。
43.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述压缩机外壳包括多个部件。
44.根据权利要求43所述的压缩机,其中所述外壳包括主体和可分离的入口,所述主体限定出口并容纳所述径向叶轮。
45.根据权利要求44所述的压缩机,其中所述可分离的入口包括连接到所述主体的外壁和在所述外壁中的插入件,所述插入件限定所述内壁的至少一部分。
46.根据权利要求43所述的压缩机,其中所述压缩机外壳包括:主体,所述主体限定出口并容纳所述径向叶轮,并与所述入口的外壁一体地形成;和在所述外壁中的单独的插入件,所述插入件限定所述内壁。
47.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述开口是大致环形的。
48.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述至少一个第二孔是大致环形第二狭缝。
49.根据权利要求48所述的压缩机,其中所述大致环形第二狭缝是不连续的。
50.根据权利要求1所述的压缩机,其中所述至少一个第三孔是大致环形第三狭缝。
51.根据权利要求50所述的压缩机,其中所述大致环形第三狭缝是不连续的。
52.一种涡轮增压机,包括:根据权利要求1所述的压缩机;和驱动所述压缩机的轴向叶轮和径向叶轮旋转的涡轮机。
53.一种内燃机,所述内燃机装配有根据权利要求52所述的涡轮增压机。
54.一种用于操作涡轮增压机中的压缩机的方法,包括: 旋转外壳内的径向叶轮,以便压缩从入口吸入外壳的气体并将该气体传送到外壳的出口,所述入口包括大致管状内壁和外壁和 大致管状流动通道,所述大致管状内壁和外壁在上游方向上从叶轮延伸出去并形成气体吸入口,所述大致管状流动通道限定在内壁和外壁之间并从上游端处的开口延伸到靠近所述径向叶轮的下游端; 在临近喘振条件下操作压缩机,从而使气体从内壁内部再循环通过内壁的至少一个第一孔而进入气体流动通道; 旋转径向叶轮上游的所述入口中的轴向叶轮,以便压缩进入气体并将该气体传送到轴向叶轮和径向叶轮中间的叶片式定子, 其中再循环气体在通道中从所述至少一个第一孔流动到内壁的至少一个轴向间隔开的第二孔,然后再循环气体通过该第二孔到达内壁的内表面,沿内壁的所述内表面再循环气体轴向地朝上游流动到内壁的至少一个第三孔,气体通过所述至少一个第三孔,从而使得它再次出现在气体流动通道中,用于传送到开口。
55.根据权利要求54所述的方法,其中所述气流大致在定子上方的轴向位置处再次进入内壁。
56.根据权利要求54所述的方法,其中所述气流大致在轴向叶轮的叶片上方的轴向位置处再次出现在流动通道中。
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