CN104154045B - 具有用于喘振控制的壳体处理的离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有用于喘振控制的壳体处理的离心压缩机。具体地，一种用于压缩流体的离心压缩机包括压缩机叶轮和压缩机壳体，压缩机叶轮具有多个周向间隔的叶片，压缩机安装在压缩机壳体中。压缩机壳体包括进口导管，流体以轴向方向通过进口导管进入并且被进口导管导入压缩机叶轮，和定位成径向邻近于叶片的尖端的叶轮护罩。叶轮护罩具有端口，端口用于排出流过压缩机的空气的一部分。排出空气进入环形空间，向前流动，并且通过多个周向间隔的槽注回到进口流中，所述多个槽被限定成通过叶轮护罩。所述槽在叶轮护罩的前缘处是打开的。

Description

具有用于喘振控制的壳体处理的离心压缩机

技术领域

本公开涉及用于压缩流体(例如空气)的离心压缩机，并且更具体地涉及离心压缩机及方法，其中，通过排出至少部分压缩的流体的一部分并且使该部分再循环到压缩机的入口来控制压缩机的喘振。

背景技术

离心压缩机在各种应用中用于压缩流体。单级离心压缩机能达到高于4.0的峰值压力比，并且与相同压力比的轴流压缩机相比具有更紧凑的尺寸。因此，离心压缩机通常用在涡轮增压器中，用于提升车辆的汽油和柴油发动机的性能。

在涡轮增压器应用中，压缩机具有在“阻塞线”和“喘振线”之间测量的宽的运行范围是重要的，在“阻塞线”处，穿过压缩机的质量流率由于压缩机叶片通路中的声速流条件而达到最大可能值，在“喘振线”处，压缩机开始喘振。压缩机喘振是与贯穿整个压缩机系统的流动振动有关的压缩系统不稳定性。压缩机喘振通常由一个或多个压缩机部件中的空气动力学阻塞或流动分离引发，空气动力学阻塞或流动分离是超过射向压缩机叶片的极限流动入射角或超过极限流动通路负荷的结果。

喘振引起性能的显著损失并且因此是非常不期望的。在一些情况下，压缩机喘振还能导致发动机或其进口导管道系统的损坏。

因此，需要改进的装置和方法，用于提供压缩流体(例如在涡轮压缩机中)同时降低压缩机喘振的发生。在一些情况下，阻止压缩机喘振能够扩大压缩机的有用运行范围。

发明内容

本公开涉及一种离心压缩机，其具有用于控制喘振的流体再循环系统。根据本文公开的一个实施例，一种涡轮增压器的离心压缩机，用于压缩将要被输送到发动机进气口的空气，包括压缩机叶轮，所述压缩机叶轮具有限定了旋转轴线的轮毂和多个周向间隔的叶片，每个叶片连接到所述轮毂并且大致径向向外延伸到叶片尖端，每个叶片具有前缘和后缘，所述后缘沿着流过所述叶轮的空气的主流的流动方向间隔在所述前缘的下游。所述压缩机包括压缩机壳体，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中，从而能够绕所述压缩机叶轮的旋转轴线旋转，所述压缩机壳体包括进口导管，空气以大致平行于所述压缩机叶轮的旋转轴线的方向通过所述进口导管进入并且被所述进口导管导入所述压缩机叶轮。所述压缩机壳体限定了叶轮护罩。所述叶轮护罩定位成径向邻近于所述叶片尖端，并且关于沿着所述流动方向行进的主流从所述叶片向上游延伸并且终止在轴向间隔在所述叶片前缘的上游的所述叶轮护罩的前缘处。所述叶轮护罩具有被所述主流浸湿的径向内表面并且具有与进口导管的内表面径向向内间隔的径向外表面，使得在所述叶轮护罩的径向外表面和所述进口导管的内表面之间限定出环形空间。

所述叶轮护罩紧邻所述叶片尖端限定端口，所述端口从所述叶轮护罩的径向内表面大致径向向外延伸到径向外表面，进入所述环形空间。多个周向间隔的槽形成在所述叶轮护罩中，每个槽延伸通过所述叶轮护罩的前缘使得所述槽在所述叶轮护罩的前缘处是打开的。所述槽轴向向下游延伸到与所述叶轮护罩中的端口轴向向上游间隔的位置。每个槽在其整个长度上从所述叶轮护罩的径向内表面延伸到径向外表面。因此，经过所述压缩机叶轮的空气的一部分能通过所述端口流出并进入所述环形空间，然后在所述环形空间中向上游流动，并且最后向内通过所述槽，从而作为再循环空气被注回到所述主流中。

在某些实施例中，在叶轮护罩的径向外表面处，在每个槽和相邻槽之间周向延伸的每个护罩部分具有比每个槽更大的周向范围。换句话说，所述槽在周向方向相对窄。

在本文描述的一些实施例中，槽以相对于压缩机叶轮的旋转方向相反的方式关于径向方向是倾斜的，使得再循环的空气以相反的漩涡注回到主流中。替代地，槽能够基本径向定向从而在基本没有漩涡分量的情况下将再循环空气注入主流中。又一个替代方式是使槽以与压缩机叶轮的旋转方向相同的方式倾斜，从而赋予所注入的流体预漩涡。

在其他实施例中，所述压缩机还包括环形的流动导引构件，所述流动导引构件从所述进口导管径向向内延伸并且轴向向下游延伸到所述流动引导件的后缘。该后缘紧邻所述叶轮护罩的前缘。所述流动导引构件用于基本防止空气的主流经过所述槽而允许所述再循环空气经过所述槽。所述流动导引构件的后缘可与所述叶轮护罩的前缘轴向间隔开，使得在所述流动导引构件的后缘和所述叶轮护罩的前缘之间存在360度的间隙。

在一些实施例中，有至少八个所述槽绕所述叶轮护罩360度分布。

附图说明

已经概括地描述了本发明，现在将对附图进行参考，附图不一定是按照比例绘制的，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的轴向截面图；

图1A是图1的涡轮增压器的压缩机部分的轴向截面图；

图2是图1的涡轮增压器的轴向剖切透视图；

图3是用于图1的涡轮增压器的压缩机壳体组件的轴向剖切透视图；

图4是类似于图3的视图，示出了根据本发明的替代实施例；

图5是图4的压缩机壳体组件的透视图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更详细地描述本发明，附图中示出了本发明的一些而非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式来实现，并且不应被认为限于本文所阐述的实施例；相反，所提供的这些实施例使得本公开将满足相关的法律要求。遍及全文，相同的数字代表相同的元件。

根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10在图1和2中示出，并且图1A示出了涡轮增压器的压缩机部分。该涡轮增压器包括压缩机叶轮12，压缩机叶轮12安装在压缩机壳体22中并且具有轮毂14和多个周向间隔的叶片16，所述多个叶片16连接到轮毂并且从轮毂大致径向向外延伸。每个叶片具有附连于轮毂的根部18和相对的尖端20。压缩机叶轮12连接到轴11，轴11能够绕旋转轴线旋转并且被涡轮机叶轮72驱动，涡轮机叶轮72固定到轴11的相对端并且安装在涡轮机壳体82中。压缩机壳体22包括由环绕轴线的导管壁26形成的进口导管24。压缩机壳体还包括叶轮护罩28，叶轮护罩28径向地邻近于压缩机叶片的尖端20并且与压缩机叶轮的轮毂14一起限定流动路径，用于流体流过压缩机叶轮的叶片通路。进口导管24构造成使得流体流以基本平行于旋转轴线的方向接近压缩机叶片16的前缘30。由轮毂和叶轮护罩限定的流动路径构造成在流体流过叶片通路时使流体流径向向外转向。流体在叶片后缘32以大致径向向外方向(尽管也具有漩涡的或周向的速度分量)离开叶片通路，并且经过扩散器通路34进入排出蜗壳36，排出蜗壳36包括环绕压缩机叶轮的大致螺旋管形的或环形的室。

特别参照图1A和3，该压缩机还包括用于控制压缩机喘振的排出流再循环系统40。该再循环系统包括在压缩机叶片的前缘30和后缘32中间的位置限定于叶轮护罩28中的排出端口42。在一个实施例中，排出端口是基本连续的全360度的环状端口，其环绕压缩机叶片的尖端。在给定的压缩机速度下，当压缩机排放压力增加或当压缩机质量流降低时，流过叶片通路的流体的一部分通过排出端口42排出。该排出部分被部分地压缩，从而处于比进入压缩机进口导管24的流体更高的总压力。由于旋转的压缩机叶片的作用，排出部分也具有周向的或漩涡的速度分量。

排出端口42连接到限定于压缩机壳体22中的通路44。更具体地，通路44限定在叶轮护罩28的径向外表面和导管壁26的径向内表面之间。在一个实施例中，通路44包括基本连续的全360度的环状通路，除了存在相对小数量的支撑柱27，支撑柱27在导管壁26和叶轮护罩28之间延伸，下面将描述。通路44沿与进口导管24中的主流体流的方向相反的大致轴向方向延伸到间隔在压缩机叶片前缘的上游(关于主流体流)的点。

叶轮护罩28关于沿着流动方向行进的主流从叶片16向上游延伸，并且终止在轴向间隔在叶片前缘30的上游的叶轮护罩的前缘29处。叶轮护罩限定了在叶轮护罩中的多个周向间隔的槽50，形成再循环系统40的一部分。每个槽延伸通过叶轮护罩的前缘29使得槽在叶轮护罩的前缘处是打开的，并且轴向地向下游延伸到与叶轮护罩中的端口42轴向间隔的位置。每个槽在其整个长度上从叶轮护罩28的径向内表面延伸到径向外表面。叶轮护罩限定了在每个槽和相邻槽之间周向延伸的护罩部分。在叶轮护罩的径向外表面处，每个护罩部分可具有比每个槽更大的周向范围。

经过压缩机叶轮12的空气的一部分能通过端口42流出并进入环形空间44，然后在环形空间中向上游流动，并且最后向内通过槽50，从而作为再循环空气被注回到接近压缩机叶轮的主流中。空气的这种再循环用来帮助控制压缩机的喘振。

在一些实施例中，槽50以相对于压缩机叶轮12的旋转方向相反的方式关于径向方向是倾斜的，使得再循环的空气以相反的漩涡注回到主流中。因此，在图2中，所示的槽50将以逆时针方向的漩涡速度分量注入再循环空气，而压缩机叶轮12顺时针旋转。替代地，在其它实施例中，槽能够基本径向定向从而在没有漩涡分量的情况下注入空气，或者能够以与叶轮旋转相同的方式倾斜，从而以预漩涡注入空气。

槽50的数量可根据具体应用而变化。在一些实施例中，有至少8个槽。槽的周向间隔可以是均匀的或不对称的(非均匀的)。不对称间隔的槽可用于克服由于壳体22而导致的端口42处的不均匀流动条件，并且从而使得流动排出系统40更有效。

在图1、1A、2和3的实施例中，压缩机还包括流动导引构件60。该流动导引构件是环形构件，其从进口导管24径向向内延伸并且轴向向下游延伸到流动导引构件的后缘62。后缘62紧邻叶轮护罩28的前缘29，有利地与其轴向间隔开，使得在流动导引构件的后缘和叶轮护罩的前缘之间存在360度的间隙64。该流动导引构件用于基本防止空气主流从径向向内经过槽50，而允许再循环空气经过槽。该流动导引构件还帮助引导再循环空气通过槽。

在其他实施例中，例如在图4和5所示的实施例中，压缩机不包括流动导引构件。在其他方面，图4和5的实施例与图1-3的实施例基本相同。

受益于前面的描述和附图所呈现的教导，本文所述发明所属领域的技术人员将会明白这些发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解的是，本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例意图被包括在所附权利要求的范围中。尽管本文使用了特定的术语，但它们是以广义和描述性的涵义使用的并且不是为了限制的目的。

Claims (8)

1.一种涡轮增压器的离心压缩机，用于压缩将要被输送到发动机进气口的空气，包括：

压缩机叶轮，所述压缩机叶轮具有限定了旋转轴线的轮毂和多个周向间隔的叶片，每个叶片连接到所述轮毂并且大致径向向外延伸到叶片尖端，每个叶片具有前缘和后缘，所述后缘沿着流过所述叶轮的空气的主流的流动方向间隔在所述前缘的下游；

压缩机壳体，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中，从而能够绕所述压缩机叶轮的旋转轴线旋转，所述压缩机壳体包括进口导管，空气的主流以大致平行于所述压缩机叶轮的旋转轴线的流动方向通过所述进口导管进入并且被所述进口导管导入所述压缩机叶轮；

叶轮护罩，所述叶轮护罩定位成径向邻近于所述叶片尖端，所述叶轮护罩关于沿着所述流动方向行进的主流从所述叶片向上游延伸并且终止在轴向间隔在所述叶片前缘的上游的所述叶轮护罩的前缘处，所述叶轮护罩具有被所述主流浸湿的径向内表面并且具有与进口导管的内表面径向向内间隔的径向外表面，使得在所述叶轮护罩的径向外表面和所述进口导管的内表面之间限定出环形空间；

所述叶轮护罩限定端口，所述端口紧邻所述叶片尖端并且从所述叶轮护罩的径向内表面大致径向向外延伸到径向外表面，进入所述环形空间；

形成在所述叶轮护罩中的多个周向间隔的槽，每个槽延伸通过所述叶轮护罩的前缘使得所述槽在所述叶轮护罩的前缘处是打开的，并且轴向向下游延伸到与所述叶轮护罩中的端口轴向间隔的位置，并且每个槽在其整个长度上从所述叶轮护罩的径向内表面延伸到径向外表面，使得经过所述压缩机叶轮的空气的一部分能通过所述端口流出并进入所述环形空间，然后在所述环形空间中向上游流动，并且最后向内通过所述槽，从而作为再循环空气被注回到所述主流中；和

环形的流动导引构件，所述流动导引构件从所述进口导管径向向内延伸并且轴向向下游延伸到所述流动引导件的后缘，所述后缘紧邻所述叶轮护罩的前缘，所述流动导引构件用于基本防止空气的主流经过所述槽而允许所述再循环空气经过所述槽，其中，所述流动导引构件的后缘与所述叶轮护罩的前缘轴向间隔开，使得在所述流动导引构件的后缘和所述叶轮护罩的前缘之间存在360度的间隙。

2.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，所述槽关于径向方向是倾斜的，使得所述再循环空气在具有漩涡速度分量的情况下注回到所述主流中。

3.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，有至少八个所述槽绕所述叶轮护罩360度分布。

4.如权利要求3所述的离心压缩机，其中，所述叶轮护罩限定了在每个槽和相邻槽之间周向延伸的护罩部分，并且其中，在所述叶轮护罩的径向外表面处，每个护罩部分具有比每个所述槽更大的周向范围。

5.一种涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体中并且固定到轴的一端，所述轴能够绕其轴线旋转；

用于压缩将要被输送到发动机进气口的空气的离心压缩机，所述离心压缩机包括固定到所述轴的相对端并且安装在压缩机壳体中的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮具有限定了旋转轴线的轮毂和多个周向间隔的叶片，每个叶片连接到所述轮毂并且大致径向向外延伸到叶片尖端，每个叶片具有前缘和后缘，所述后缘沿着流过所述叶轮的空气的主流的流动方向间隔在所述前缘的下游；

所述压缩机壳体包括进口导管，空气的主流以大致平行于所述压缩机叶轮的旋转轴线的流动方向通过所述进口导管进入并且被所述进口导管导入所述压缩机叶轮；

叶轮护罩，所述叶轮护罩定位成径向邻近于所述叶片尖端，所述叶轮护罩关于沿着所述流动方向行进的主流从所述叶片向上游延伸并且终止在轴向间隔在所述叶片前缘的上游的所述叶轮护罩的前缘处，所述叶轮护罩具有被所述主流浸湿的径向内表面并且具有与进口导管的内表面径向向内间隔的径向外表面，使得在所述叶轮护罩的径向外表面和所述进口导管的内表面之间限定出环形空间；

所述叶轮护罩限定端口，所述端口紧邻所述叶片尖端并且从所述叶轮护罩的径向内表面大致径向向外延伸到径向外表面，进入所述环形空间；

形成在所述叶轮护罩中的多个周向间隔的槽，每个槽延伸通过所述叶轮护罩的前缘使得所述槽在所述叶轮护罩的前缘处是打开的，并且轴向向下游延伸到与所述叶轮护罩中的端口轴向间隔的位置，并且每个槽在其整个长度上从所述叶轮护罩的径向内表面延伸到径向外表面，使得经过所述压缩机叶轮的空气的一部分能通过所述端口流出并进入所述环形空间，然后在所述环形空间中向上游流动，并且最后向内通过所述槽，从而作为再循环空气被注回到所述主流中；和

环形的流动导引构件，所述流动导引构件从所述进口导管径向向内延伸并且轴向向下游延伸到所述流动引导件的后缘，所述后缘紧邻所述叶轮护罩的前缘，所述流动导引构件用于基本防止空气的主流经过所述槽而允许所述再循环空气经过所述槽，其中，所述流动导引构件的后缘从所述叶轮护罩的前缘轴向向上游间隔开，使得在所述流动导引构件的后缘和所述叶轮护罩的前缘之间存在360度的间隙。

6.如权利要求5所述的涡轮增压器压缩机，其中，所述槽关于径向方向是倾斜的，使得所述再循环空气在具有漩涡速度分量的情况下注回到所述主流中。

7.如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，有至少八个所述槽绕所述叶轮护罩360度分布。

8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述叶轮护罩限定了在每个槽和相邻槽之间周向延伸的护罩部分，并且其中，在所述叶轮护罩的径向外表面处，每个护罩部分具有比每个所述槽更大的周向范围。