CN104775894A - 具有成对并行压缩机叶轮及中心壳体特征的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有成对压缩机叶轮和调节流量的中心壳体的涡轮增压器，更具体地涉及一种涡轮增压器，其具有背对背布置的成对径向压缩机叶轮，并具有中心壳体，所述中心壳体调节经由第二叶轮的带气口罩体或者第二叶轮的进口导向翼叶进入第二（后）叶轮中的流动。所述带气口罩体至少部分地由中心壳体限定。在进口导向翼叶的实施例中，所述进口导向翼叶由中心壳体限定。

Description

具有成对并行压缩机叶轮及中心壳体特征的涡轮增压器

技术领域

本发明涉及用于涡轮增压器的压缩机，并且更特殊地涉及成对叶轮离心（或径向）压缩机，并涉及包括这样压缩机的涡轮增压器。

背景技术

径向压缩机被用在各种类型的涡轮机器中，包括用于内燃发动机系统的涡轮增压器。径向压缩机通常包括由旋转叶轮形成的至少一个压缩机级，该旋转叶轮安装在压缩机壳体内的轴上。壳体限定进口流动路径，进口流动路径典型地在大致轴向方向上通到叶轮中。叶轮包括轮毂，并包括沿着其周向隔开且从轮毂向外延伸的多个叶片。叶轮被构造为在轴向方向上接收流体、压缩流体并在大致径向向外方向上将流体排到由压缩机壳体限定的涡壳中。壳体包括壁或罩体，该壁或罩体靠近叶轮叶片的末端（tip）延伸,并且和叶轮的轮毂一起限定经过叶轮的主流动路径。

一些压缩机机轮具有背对背布置的两个叶轮，这样使得流体在一个轴向方向上进入一个叶轮，并且在相对轴向方向上进入另一个叶轮。当空气从涡轮机器设备（例如涡轮增压器）外侧经由合适的进口管道轴向进入时，将空气供应至设备外端上的叶轮（在本文中被称作“第一”或“前”叶轮）是简单的事情。然而另一个叶轮（在本文中被称作“第二”或“后”叶轮）典型地靠近其它结构。例如在涡轮增压器中，后叶轮典型地靠近轴承壳体或中心壳体。相应地，空气通常起初必须按径向向内的方向运动，并且随后必须转向约90度以轴向地进入后叶轮。将相当均匀的流动场提供到后叶轮中变成了一种挑战。均匀的流动场对于压缩机的性能（特别是关于压缩机的失速裕度）是重要的。

发明内容

本公开总体上涉及到往用于涡轮增压器的平行成对叶轮压缩机的后叶轮中的流动调节（flow-conditioning），例如用于改进压缩机的失速裕度(stall margin)。更具体地，本公开描述了这种流动调节，其由至少部分地（在某些情形中完全地）由涡轮增压器的中心壳体所限定的结构实现。

在本文描述的一个实施例中，涡轮增压器包括涡轮机和径向压缩机，所述涡轮机安装在可旋转轴上，用于围绕轴的轴线旋转，所述径向压缩机包括安装在轴上并布置在压缩机壳体内的压缩机机轮。压缩机机轮包括第一叶轮（impeller）和第二叶轮，其每者都具有轮毂和从轮毂延伸的多个压缩机叶片，第一叶轮的背侧邻近第二叶轮的背侧，使得叶轮处于背对背的布置，并且空气以相对地指向的轴向方向进入叶轮。压缩机壳体限定了到第一叶轮的进口，并限定了共用涡壳，共用涡壳接收来自第一和第二叶轮经由共用扩压器的加压流体，共用扩压器从叶轮通到涡壳中。压缩机壳体还限定了邻近第一叶轮的叶片的末端的第一罩体。

涡轮增压器包括安装在压缩机壳体和涡轮机壳体之间并容纳用于轴的轴承的中心壳体。中心壳体限定了第二叶轮的进口流动路径。存在第二罩体，其邻近第二叶轮的叶片的末端。

涡轮增压器还包括安装在中心壳体和压缩机壳体之间的罩环。罩环至少限定了第二罩体的一部分。罩环还限定了共用扩压器的一个壁。

第二罩体限定了穿过第二罩体的至少一个泄出口，并且中心壳体至少部分地限定了泄出流动通道，泄出流动通道从至少一个泄出口通到至少一个泄出口的上游位置处的第二叶轮的进口流动路径中。这样使得流体能够经由至少一个泄出口和泄出流动通道在进口流动路径和第二叶轮之间以任一（either）方向通过。该“带气口罩体”的布置对失速裕度可能是有益的。

在一个实施例中，该至少一个泄出口是由限定在罩环和中心壳体之间的大致环形空间形成。该大致环形空间还部分地限定了所述泄出流动通道。

在一个实施例中，中心壳体限定了泄出流动通道的一部分，其从大致环形空间通到第二叶轮的进口流动路径中。在特定的实施例中，泄出流动通道的这一部分包括开口。例如，开口可以是长形周向延伸的开口。

在本文描述的另一个实施例中，涡轮增压器包括涡轮机和径向压缩机，所述涡轮机安装在可旋转轴上，用于围绕轴的轴线旋转，所述径向压缩机包括安装在轴上并布置在压缩机壳体内的压缩机机轮，所述压缩机机轮包括第一叶轮和第二叶轮，每者都具有轮毂和从轮毂延伸的多个压缩机叶片，第一叶轮的背侧邻近第二叶轮的背侧，使得叶轮处于背对背的布置，并且空气以相对地指向的轴向方向进入叶轮。压缩机壳体限定了到第一叶轮的进口，并限定了共用涡壳，共用涡壳接收来自第一和第二叶轮经由共用扩压器的加压流体，共用扩压器从叶轮通到涡壳中。压缩机壳体限定了邻近第一叶轮的叶片的末端的第一罩体，并存在第二罩体，其邻近第二叶轮的叶片的末端。

涡轮增压器包括中心壳体，该中心壳体安装在压缩机壳体和涡轮机壳体之间，并容纳了用于轴的轴承，该中心壳体限定了第二叶轮的进口流动路径。

中心壳体限定放置在第二叶轮的进口流动路径内的进口导向翼叶，用于调节到第二叶轮中的流动。

在一个实施例中，该第二叶轮的进口流动路径大体上360度地围绕轴线延伸，并且压缩机壳体限定了到第二叶轮的进口流动路径中的入口通道，该入口通道沿着大致径向方向延伸至第二叶轮的进口流动路径中。

在特定实施例中，一些进口导向翼叶相对于其它的进口导向翼叶具有构造区别。该构造差异可包括设置角差异和/或沿着进口流动路径中的至第二叶轮的流动方向上的翼叶长度差异和/或翼叶的拱形差异。

在本文描述的实施例中，容纳轴承并且还限定泄出流动通道和/或进口导向翼叶的“中心壳体”是单件式整体形成结构（对比于单独形成部件的组件，其的一部分容纳轴承，其另一部分限定泄出流动通道和/或进口导向翼叶）。

附图说明

如此已经概括地描述本发明，现将谈及附图，附图不必按比例绘制，在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的涡轮增压器的截面视图；

图2是图1的涡轮增压器的一部分的截面视图；

图3是图2中示出部分的截面视图，但是是在与图2不同的平面上；

图4是包括了用于图1的涡轮增压器中的中心壳体和罩环的组件的分解透视图；

图5是图1的涡轮增压器的轴向截开透视图；

图6是根据本发明另一个实施例的涡轮增压器的部分截开透视图；

图7是图6的涡轮增压器的轴向截面视图；

图8是用于图6的涡轮增压器中的中心壳体的部分截开的透视图；

图9是图8的中心壳体的透视图，其被截开以示出进口导向翼叶的细节；

图10是图9的被截开中心壳体的端视图；并且

图11是图8的中心壳体的透视图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文更完整地描述本公开，附图中示出了本发明的某些但非所有实施例。实际上，这些发明可以具体化为许多不同的形式，并且不应当看做局限于本文陈述的实施例；相反地，所提供的这些实施例使本公开将会满足相关法律要求。从始至终，相同的数字指代相同的元件。

图1示出了根据本发明一个实施例的涡轮增压器100，其具有成对叶轮压缩机。涡轮增压器100包括旋转轴102，涡轮机机轮103安装在旋转轴102的一端上。涡轮增压器100的涡轮机部分包括涡轮机壳体（未示出），该壳体限定了涡轮机涡壳，涡轮机涡壳被布置为将流体引导至涡轮机机轮103。来自发动机（未示出）的排气气体被提供到涡轮机涡壳中，气体随后穿过涡轮机机轮103并且膨胀，使得涡轮机机轮103被可旋转地驱动，由此可旋转地驱动轴102。膨胀气体从涡轮机壳体排出。涡轮机可以是径向涡轮机，其中流动以大致径向向内的方向进入涡轮机；但是，本发明不局限于任何特定的涡轮机布置。而且，涡轮增压器可包括除了用于驱动轴102的涡轮机以外的装置，例如电马达。

轴102穿过涡轮增压器的中心壳体110。中心壳体将涡轮机壳体与涡轮增压器的压缩机壳体130连接，这将在下文中进一步描述。中心壳体容纳轴102的轴承108。压缩机壳体130以合适的方式被固定至中心壳体110，例如使用螺纹紧固件（未示出）或类似方式。优选地，中心壳体是单件式整体形成结构。

从涡轮机机轮103被安装在轴102的相对端的是压缩机机轮140，其包括第一叶轮142和第二叶轮144。围绕压缩机机轮的是压缩机壳体130。压缩机壳体的前部限定了通到（lead）第一叶轮142中的压缩机进口132。

第一叶轮142和第二叶轮144背对背安装，即第一叶轮142的下游侧比叶轮的上游侧更靠近涡轮机，而第二叶轮144的下游侧比叶轮的上游侧更远离涡轮机。空气轴向进入进口132，并直地进入到第一叶轮142中。然而，关于第二叶轮144，因为两个叶轮是背对背布置的，空气必须以相对的轴向方向进入其中。相应地，正如在下文中所进一步描述，空气必须按照从涡轮增压器外侧以朝向涡轮增压器轴线的大致径向向内方向的路线运动，并随后必须转向约90度以径向流到第二叶轮144中。用于以有利方式实现该效果的布置是本公开的一个关键特征。

在详细地描述第二叶轮之前仍然描述压缩机壳体130。共用蜗壳(scroll)或涡壳134由压缩机壳体限定。由两个叶轮142、144加压的空气从叶轮以大致径向向外方向（尽管流动当然具有由压缩机机轮施加的显著的周向或旋转速度分量）排出到共用扩压器135中，并且空气向外流动通过扩压器（diffuser）并被扩压（即其速度下降且其静压上升），并且被排出到共用涡壳134中。压缩机壳体限定了排气管道（在图1中不可见），用于将加压空气从涡壳134排出，用于供应至内燃发动机的入口。

压缩机壳体包括第一罩体136，第一罩体136围绕第一叶轮142紧密地靠近叶轮的叶片末端周向延伸；经过第一叶轮的主流动路径被限定在第一罩体和叶轮的轮毂之间。第一罩体可任选地包括流动再循环特征，例如位于第一叶轮142附近的泄出口137、再循环流动通道138和间隔在第一叶轮上游的泄出流动注入口139，用于允许流动再循环以增加压缩机的失速裕度。在所说明的实施例中，第一叶轮的进口132由大致环形部分限定，其与压缩机壳体130的剩余部分分开，注入口139被限定在这一环形部分和由压缩机壳体限定的第一罩体136之间。但是可选地，进口132可以是与压缩机壳体的剩余部分成一体的。

现在转到第二叶轮144和相关特征，主要参考图2和3，第二叶轮的第二罩体146至少部分地由罩环148限定，罩环148与压缩机壳体130和中心壳体110分开。罩环148被安装在中心壳体110和压缩机壳体130之间，并由紧固件149紧固至中心壳体（图1和4）。在所说明的实施例中，罩环限定了第二罩体146的一部分，中心壳体110限定了第二罩体的剩余部分。共用扩压器135形成在压缩机壳体130的壁和罩环148的壁之间。还将从图1注意的是，压缩机壳体130限定了空间或容所，（包括轴102和压缩机机轮140、罩环148和中心壳体110）的部分组件以图1的从右到左的方向被接收到该空间或容所中，直至中心壳体的外法兰部分112邻接由压缩机壳体限定的环形表面。法兰部分112与压缩机壳体上环形表面的邻接确保了罩环148在轴向意义上关于压缩机壳体被恰当地定位（例如，使得压缩机机轮140具有关于第一罩体136的正确轴向位置，并且使得扩压器135具有预期轴向宽度尺寸）。另外，由中心壳体法兰部分112邻接的环形表面由台阶围绕，该台阶在径向意义上恰当地定位了法兰部分112（例如，使得压缩机机轮140具有关于第一罩体136的正确径向位置）。

根据本发明的这一实施例，第二罩体146限定了经过第二罩体的至少一个泄出口150，并且中心壳体110至少部分地限定了泄出流动通道152，泄出流动通道152从至少一个泄出口通到至少一个泄出口150的上游位置处的第二叶轮144的进口流动路径中，这样使得流体能够经由至少一个泄出口150和泄出流动通道152在进口流动路径和第二叶轮之间以任一方向通过。

在所说明的实施例中，该至少一个泄出口150是由限定在罩环148和中心壳体110之间的大致环形空间形成。这一大致环形空间部分地限定泄出流动通道152。另外，中心壳体限定了泄出流动通道152的一部分，其从大致环形空间通到第二叶轮的进口流动路径中。更具体地，泄出流动通道的这一部分包括限定在中心壳体110中的开口154。正如在图4中最佳看到，在所说明实施例中的开口154是长形周向延伸的开口。

流体首先遇到的叶轮上游部分通常被称作叶轮的进口段（inducer）。当经过压缩机的流动速率降低而压力比维持在相对高的水平时，在一些点处遭遇了压缩机图（compressor map）的喘振（surge）线。典型地，由于在一个或两个叶轮的进口段失速而在相对高的压力比处发生喘振，其中，在进口段的叶片末端处的流动局部开始再循环，由此减少了进口段的有效流动面积。相反地，在某一压力比之下，典型地，喘振是扩压器失速的结果。许多压缩机的喘振线具有弯曲或“膝部”，在其之上，喘振是由进口段失速导致的，在其之下，喘振是由扩压器失速导致的。

本发明的当前实施例特别说明了在膝部之上由进口段失速导致的喘振。根据本发明，使用带气口的第二罩体146以为了延迟第二叶轮144的进口段失速的开始，以提高压力与流量的比（或者换句话说，以降低流量与压力的比）。因此，进入第二叶轮144的进口段的靠近叶片末端的流体有可能可以进入泄出口150，并大致径向向外地流动经过泄出流动通道152，并经过开口154离开到第二叶轮的进口流动路径中。流体还可穿过相反方向，从进口流动通道经过开口154到泄出流动通道152中，经过口150到第二叶轮的进口段中。流动方向取决于进口段位置和上游进口流动路径位置之间的压力梯度的指向。

在更高压力比处，在通常开始发生第二叶轮144的进口段失速的地方，带气口的第二罩体（对比于其它都一致的不带气口罩体）可延迟喘振的开始。据信在近喘振条件处，带气口罩体允许流体穿到泄出流动通道152中，并经过开口154回到进口流动路径中，并由此阻止或减弱进口段末端区域中的局部流动再循环，该区域常常伴随进口段失速和喘振。

正如之前关于图1所描述的，根据本发明当前实施例的压缩机还可包括带气口的第一罩体136。可选地，压缩机可具有不带气口的第一罩体。

参考图1，用于罩环148的一个紧固件149具有通孔，该通孔与罩环中的孔114连通，紧固件被接收到该罩环中。中心壳体110还限定了通道115和通道116，通道115与孔114连通，通道116与通道115连通并延伸到中心壳体的钻孔中，用于转子轴102的密封件109位于该钻孔中。通过这种方式，来自扩压器135的加压空气经由孔114和通道115、116连通至密封件109，用于对密封件进行加压。

在图6至11中说明了本发明的第二个实施例。在图6和7中描述的涡轮增压器200在许多方面都类似于前述的涡轮增压器100，主要区别在于中心壳体210和压缩机壳体230的结构和布置。涡轮增压器200包括安装在轴202的一端上的涡轮机机轮203和安装在轴202另一端上的压缩机机轮240。该轴支撑在安装于中心壳体210内的轴承208中。涡轮机机轮203容纳在涡轮机壳体220内，涡轮机壳体220例如通过图7中示出的所说明的V带被固定至中心壳体210。压缩机机轮240容纳在压缩机壳体230内。压缩机机轮是成对叶轮机轮，其具有背对背安装的第一叶轮242和第二叶轮244。流动经由第一进口管道232进入第一叶轮242，第一进口管道232将流动轴向引导至第一叶轮中。流动经由第二进口管道233进入第二叶轮244，第二进口管道233将流动径向向内引导至围绕中心壳体110的一部分的环形空间228中。中心壳体的这一部分限定了第二叶轮244的进口流动路径。流体被分配在环形空间228周围并大致径向地向内流动经过进口流动路径，并随后转向约90度，使得以大致轴向方向进入第二叶轮244。

根据本发明的第二个实施例，并主要参考图8-11，中心壳体210是整体单件式结构，其包括限定第二叶轮244的第二罩体246且还限定用于压缩机机轮的共用扩压器235（图7）的一个壁的部分。中心壳体210还在第二叶轮244的进口流动路径中限定进口导向翼叶250。进入经过进口管道233（图7）的流动首先遇到楔形构件252，楔形构件252将流动分开为两个部分，其中流动的部分大致顺时针地前进经过环形空间228，而流动的另一部分大致逆时针地前进经过环形空间228，这两部分流动在环形空间228上遇到进口导向翼叶250。特别参考图8，顺时针流动遇到进口导向翼叶250a、250b和250c。在所说明的实施例中，这些进口导向翼叶在构造中是不一致的。具体地，进口导向翼叶250a-250c关于径向方向的设置角是不一样的，并且在流动方向上的长度以及翼叶的拱形数量也是不一样的。用于逆时针流动部分的进口导向翼叶250d-250f关于进口导向翼叶250a-250c成镜像布置。与楔形构件252沿直径相对的是鸟翼形构件254，其还被用以帮助将流动引导到第二叶轮中。例如CFD（计算流体动力学）的详细流动研究可用于调整进口导向翼叶250和构件252和254的构造。

将从图7注意的是，压缩机壳体230限定了空间或容所，（包括轴202和压缩机机轮240和中心壳体210）的部分组件以图7的从右到左的方向被接收到该空间或容所中，直至中心壳体的外法兰部分212邻接由压缩机壳体限定的环形表面。法兰部分212与压缩机壳体上环形表面的邻接确保了限定第二罩体246的中心壳体部分在轴向意义上关于压缩机壳体被恰当地定位（并且例如，使得压缩机机轮240具有关于第一罩体236的正确轴向位置，并且使得扩压器235具有预期轴向宽度尺寸）。另外，由中心壳体法兰部分212邻接的环形表面由台阶围绕，该台阶在径向意义上恰当地定位了法兰部分212（例如，使得压缩机机轮240具有关于第一罩体236的正确径向位置）。

第二个实施例的进口导向翼叶250被构造使得调节进入第二叶轮244的流动。具体地，进口导向翼叶被构造使得改变或调整流动的方向，以改进围绕周向的流动均匀性。更均匀的流动通常引起压缩机的更大稳定性以及改进的喘振裕度。

受益于前面的描述和相关附图中给出的教导，本发明所属领域的技术人员将会明白本文阐述的本发明的许多改型及其它实施例。因此，要理解的是，本发明不局限于所公开的特定实施例，并且改型及其它实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。虽然本文采用了特定的术语，但是它们仅仅是以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。

Claims (12)

1. 一种涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机安装在可旋转轴上，用于围绕所述轴的轴线旋转；

径向压缩机，所述径向压缩机包括安装在所述轴上并布置在压缩机壳体内的压缩机机轮，所述压缩机机轮包括第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮和第二叶轮每者都具有轮毂和从所述轮毂延伸的多个压缩机叶片，所述第一叶轮的背侧邻近所述第二叶轮的背侧，使得所述叶轮处于背对背的布置，并且空气以相对地指向的轴向方向进入叶轮，所述压缩机壳体限定了到所述第一叶轮的进口，并限定了共用涡壳，所述共用涡壳接收来自所述第一和第二叶轮经由共用扩压器的加压流体，所述共用扩压器从所述相应的叶轮通到所述涡壳中，所述压缩机壳体限定了邻近所述第一叶轮的所述叶片的末端的第一罩体，并且其中，第二罩体邻近所述第二叶轮的所述叶片的末端；

中心壳体，所述中心壳体安装在所述压缩机壳体和所述涡轮机壳体之间，并容纳了用于所述轴的轴承，所述中心壳体限定了用于所述第二叶轮的进口流动路径；

罩环，所述罩环安装在所述中心壳体和所述压缩机壳体之间，其中，所述罩环限定了所述第二罩体的一部分，所述中心壳体限定了所述第二罩体的剩余部分，所述罩环还限定了共用扩压器的一个壁；

其中，所述第二罩体限定了穿过所述第二罩体的至少一个泄出口，并且所述中心壳体至少部分地限定了泄出流动通道，所述泄出流动通道从所述至少一个泄出口通到所述至少一个泄出口的上游位置处的用于所述第二叶轮的所述进口流动路径中，使得所述流体能够经由所述至少一个泄出口和所述泄出流动通道在所述进口流动路径和所述第二叶轮之间以任一方向通过。

2. 如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述至少一个泄出口由限定在所述罩环和所述中心壳体之间的大致环形空间形成。

3. 如权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述大致环形空间部分地限定了所述泄出流动通道。

4. 如权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述中心壳体限定了从所述大致环形空间通到用于所述第二叶轮的所述进口流动路径中的所述泄出流动通道的一部分。

5. 如权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述泄出流动通道的所述部分包括开口。

6. 如权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述开口是长形周向延伸的开口。

7. 如权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述中心壳体是单件式整体形成结构。

8. 一种涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机安装在可旋转轴上，用于围绕所述轴的轴线旋转；

径向压缩机，所述径向压缩机包括安装在所述轴上并布置在压缩机壳体内的压缩机机轮，所述压缩机机轮包括第一叶轮和第二叶轮，所述第一叶轮和第二叶轮每者都具有轮毂和从所述轮毂延伸的多个压缩机叶片，所述第一叶轮的背侧邻近所述第二叶轮的背侧，使得所述叶轮处于背对背的布置，并且空气以相对地指向的轴向方向进入叶轮，所述压缩机壳体限定了到所述第一叶轮的进口，并限定了共用涡壳，所述共用涡壳接收来自所述第一和第二叶轮经由共用扩压器的加压流体，所述共用扩压器从所述叶轮通到所述涡壳中，所述压缩机壳体限定了邻近所述第一叶轮的所述叶片的末端的第一罩体，并且其中，第二罩体邻近所述第二叶轮的所述叶片的末端；

中心壳体，所述中心壳体安装在所述压缩机壳体和所述涡轮机壳体之间，并容纳了用于所述轴的轴承，所述中心壳体限定了用于所述第二叶轮的进口流动路径；

其中，所述中心壳体限定放置在用于所述第二叶轮的所述进口流动路径内的进口导向翼叶，用于调节到往所述第二叶轮中的流。

9. 如权利要求8所述的涡轮增压器，其中，所述第二叶轮的所述进口流动路径基本上360度地围绕所述轴线延伸，并且所述压缩机壳体限定了到用于所述第二叶轮的所述进口流动路径中的入口通道，所述入口通道沿着大致径向方向延伸至用于所述第二叶轮的所述进口流动路径中。

10. 如权利要求9所述的涡轮增压器，其中，所述进口导向翼叶中的某些相对于所述进口导向翼叶中的其他者具有构造差异。

11. 如权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述构造差异包括设置角差异。

12. 如权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述构造差异包括在沿着到往所述第二叶轮的所述进口流动路径中的流动方向的长度上差异。