CN105339673B - 具有带旋流发生器的入口导管的离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种离心压缩机。该离心压缩机包括一个入口和一个叶轮，该叶轮包括一个轮毂和多个叶片。该入口用于将流输送到该叶轮并且包括引导装置，该引导装置被安排成引导经过该入口的流以邻近这些叶片的尖端在该流中引起旋流而基本上不干扰邻近该轮毂的流，旋流的方向是这些叶片的旋转方向。

Description

具有带旋流发生器的入口导管的离心压缩机
领域
本发明涉及一种用于引导流体流的引导装置。具体地讲，实施例涉及一种用于涡轮增压器中的离心压缩机的修改的入口导管。
背景
涡轮增压器在车辆发动机中的使用增加了给定发动机大小的发动机的动力输出。涡轮增压器因此通过缩小发动机的大小而减少针对特定期望的动力输出的燃料消耗，并且因此在减少导致气候变化和环境污染的气体的排放方面是重要的技术。当使用涡轮增压的较小发动机代替较大的发动机时，它们以更大的燃料经济性提供类似的性能。因此，对涡轮增压器的使用的关注激增。
然而，包括离心压缩机的常规涡轮增压器技术的有用性受到离心压缩机的操作范围的限制。操作范围由压缩机经历喘振和阻塞所在的操作点确定，其中，操作范围在这两个操作点之间。“喘振”现象的特征为经过压缩机的流体流的倒流，并且发生在压缩机不能迫使流体抵抗其叶片的任一侧的压力梯度并继续压缩空气时。其通常在压缩机中的压力比增加时发生。“阻塞”现象的特征为经过压缩机的流动速率的最大化。其通常在压缩机中的压力比减小时发生。
涡轮增压器中的压缩机的操作范围可以成为涡轮增压的发动机的性能的限制因素。压缩机的有限的操作范围意味着涡轮增压器将不能在大范围的操作条件下表现良好。一种解决方案是在车辆中使用两个或更多个涡轮增压器，这些增压器中的一个或多个被优化为用于发动机的高负载和低r.p.m.，并且这些增压器中的至少另一个被优化为用于低负载和高r.p.m。然而，这种解决方案具有增加了包括这些额外的涡轮增压器的车辆的额外成本、重量和复杂性的缺点。控制两个或更多个涡轮增压器也比控制单个涡轮增压器更复杂。因此，已经做出尝试来控制进入压缩机的空气的流动以减小喘振发生所在的质量流速并且增加阻塞发生所在的质量流速。
壳体处理(casing treatment)就是这样的一种流动控制方法。在压缩机壳体中引入通道以促使高压流体在叶轮入口处的再循环。还可以在这个再循环通道内引入旋流叶片。这种壳体处理可以减小喘振开始所在的质量流速，但是增加了涡轮增压器的复杂性和成本并且在低速下无效。
实际上旨在通过在使用期间使涡轮增压器的操作范围移位来增大该操作范围的第二种流动控制方法是可变入口引导叶片的使用。这些叶片的角度确定压缩机的叶轮入口处的空气流的角度。基于一个或多个操作条件对叶片角度进行调整。这种方法的缺点是需要主动控制叶片角度这一要求。如果不根据操作条件对叶片角度进行调整，则它们可以对压缩机具有节流效应。当叶片被设定在减小压缩机喘振发生所在的最大质量流量值的角度时，它们具有减小阻塞发生所在的最小质量流量值的节流效应。因此，涡轮增压器的操作范围没有通过使用可变入口引导叶片而扩大，而仅仅是移位。
因此，期望解决这些缺点。
概述
根据本发明的方面，提供一种离心压缩机，该离心压缩机包括入口和叶轮，该叶轮包括轮毂和多个叶片，该入口用于将流输送到该叶轮并且包括引导装置，该引导装置被安排成引导该流以邻近这些叶片的尖端在该流中引起旋流而基本上不干扰邻近该轮毂的流，旋流的方向是这些叶片的旋转方向。
在至少某些实施例中，引导装置被安排成引导流以邻近这些叶片的尖端引起旋流的事实减小喘振发生所在的经过该压缩机的最大质量流速。邻近该轮毂的流基本上不受干扰的事实防止将由于流邻近该轮毂形成旋流所导致的节流效应并且因此不会显著减小阻塞发生所在的最小质量流速。这通过扩大该压缩机可以操作而不会经历喘振或阻塞所在的条件范围来增加压缩机的稳定性。
该流可以是该入口中的流。该流可以是邻近或在该入口的出口的流。该流可以是邻近或在该叶轮的流。
每一个尖端可以包括这些叶片中的一个叶片的径向外部部分可以包括这些叶片的径向外部部分。它们可以包括这些叶片的径向外部边缘。
该引导装置可以被安排成引导该流的径向外部部分以便使该部分形成旋流而基本上不干扰该流的其余部分。该引导装置可以被安排成引导该流以便不干扰径向内部部分中的轴向流。该引导装置可以被安排成将该流引导为基本上不干扰邻近该轮毂的大致轴向流。
该引导装置可以包括使该流偏转的结构。该引导装置可以被安排成通过提供基本上倾斜于入射在该引导装置上的流的至少一个表面来引导该流。
在至少某些实施例中，基本上倾斜于该流的表面的提供迫使流在该表面成角度的方向行进。这促使流体旋流。
该至少一个表面可以基本上倾斜于该入口的轴线。该至少一个表面可以在该叶轮的旋转方向至少部分地成角度。
在至少某些实施例中，表面基本上倾斜于该入口的轴线来确保该表面倾斜于这些叶轮叶片的旋转轴线。因此，通过该表面发生偏转而通过的流体朝向该叶轮的旋转方向形成旋流，但不干扰邻近该叶轮轮毂的轴向流。旋流的流通过减小该流入射到这些叶轮叶片尖端的角度而提高该叶轮的稳定性。与使流跨越该叶轮的宽度形成旋流的情况相比，邻近该叶轮轮毂流动的流体保持在轴向方向的事实减小该压缩机的节流。
该至少一个表面中的每一个可以由一个通道来实施。可以有多个通道。该多个通道中的每一个通道可以倾斜于该入口的轴线。每一个通道可以基本上在相切并平行于该入口的轴线的平面中。每一个通道在其相应平面中与该轴线的角度可以与每一个其他通道基本上相同。每一个通道可以形成在该入口的结构中。
该至少一个通道中的每一个可以是孔。该孔的横截面可以基本上为圆形。可以有三十个孔。该至少一个通道中的每一个可以是通向该入口的径向内部部分的通道。
该入口可以包括一个限制部分，该限制部分的内径小于其余部分的内径。该限制部分可以包括基本上垂直于该入口的轴线的面。该至少一个通道中的每一个可以位于该限制部分中。该至少一个通道中的每一个可以沿该限制部分延伸。当这些通道是孔时，它们可以穿过该限制部分。当有多个通道时，每一个通道可以围绕该轴线并相对于该轴线成角度分布在该限制部分中。这些通道可以绕该限制部分均匀地环圆周地分布。任何两个邻近的通道之间的周向距离可以基本上等于任何其他两个邻近通道之间的周向距离。
在至少某些实施例中，通过减小该入口的内径，通过该入口导管的流体中的一些被迫使经过该至少一个通道。该限制部分的基本上垂直于该轴线的该面促使流体流过该至少一个通道。
该限制部分可以被成形为包括从该垂直面向该入口的壁倾斜的表面。
在至少某些实施例中，该限制部分的该倾斜表面充当整流罩以防止流体流的分离。
根据本发明的第二方面，提供了一种包括如上文定义的压缩机的涡轮增压器。
该第一方面的可选特征也是该第二方面的可选特征。
根据本发明的第三方面，提供了一种如上文定义的入口。
该第一方面和该第二方面的可选特征也是该第三方面的可选特征。
根据本发明的第四方面，提供了一种如上文定义的引导装置。
该第一方面、该第二方面以及该第三方面的可选特征也是该第四方面的可选特征。
附图的简要说明
下面仅通过举例的方式并参照附图描述特定实施例，在附图中：
图1是包括修改的入口导管的离心压缩机的示意图；
图2是示出修改的入口导管的内表面的轮廓的示意图；
图3是修改的入口导管的经向横截面的示意图；
图4示出了经过修改的入口导管的流线；
图5(a)示出了不具有修改的入口导管的压缩机中的叶轮的入口附近的绝对流动角的分布；
图5(b)示出了包括修改的入口导管的压缩机中的叶轮的入口附近的绝对流动角的分布；
图6(a)示出了不具有修改的入口导管的压缩机中的叶轮前缘后面的表面中的相对马赫数分布；
图6(b)示出了包括修改的入口导管的压缩机中的叶轮前缘后面的表面中相对马赫数分布；
图7是包括修改的入口导管的压缩机和不具有修改的入口导管的压缩机的叶轮入口处的偏差角(流动方向的角度与叶片角度之间的差)的曲线图；并且
图8是示出修改的入口导管中的孔的数量对压缩机的喘振质量流速和阻塞质量流速的影响的曲线图。
某些示例性实施例的具体说明
[构造]
图1示出了包括用于引导流体流的引导装置的离心压缩机10。引导装置是修改的入口导管1的形式。压缩机10形成车辆内燃发动机(ICE)的涡轮增压器(未示出)的一部分。在本实施例中，车辆是乘用车。在其他实施例中，可以设想其为使用ICE的任何其他形式的机动车辆，例如公交车、商用车辆或摩托车。压缩机10还包括：叶轮14，其具有围绕叶轮轴线16安排的叶轮叶片12；修改的入口导管1，其将空气引导到叶轮12中；以及蜗壳15，以接纳已通过叶轮的空气。在本实施例中，压缩机10具有4.0的压力比、65000rpm的设计速度(N)和1.3kg/s的设计质量流量。到叶轮14的出口的半径是75mm。叶轮叶片12的最接近空气入口的前缘的末端(即，其入口尖端)处的马赫数是1.08。叶轮叶片12的扫掠角是-35度。最后，叶片数量在本实施例中是9+9；也就是说，有围绕轴线安排的一组九个叶片12以及插入在这些叶片之间但轴向偏置的第二组九个叶片12。这些部件类似于现有的部件。
现在将继续参照图1以及图2(该图是示出修改的入口导管1的内表面的轮廓的示意图)和图3(该图是修改的入口导管1的经向横截面的示意图)更详细地描述修改的入口导管1。如在图1中可以看到，修改的入口导管1是在两端开口的中空圆柱体。它被安排在压缩机10中，使得其轴线与叶轮14的旋转轴线16相同。它的一端邻近叶轮14，而其另一端打开，以接纳环境空气。修改的入口导管1的内壁上具有圆周肋状物21。这可以在图2和图3中最清楚地看到。圆周肋状物21是形成修改的入口导管1的壁的比壁的其他部分厚的一个区域，使得其以环形向空气从中通过的空间中突出。换句话说，圆周肋状物21形成修改的入口导管1中的限制部分。
现在将参照图3进一步描述该圆周肋状物21的形状。在图3中正视修改的入口导管1的横截面并且从右向左移动(从修改的入口导管1的被联接用于接纳环境空气的一端向邻近叶轮叶片12的一端)，圆周肋状物21具有前端，该前端是具有深度Hr的径向壁31。在本实施例中，Hr为10mm。径向壁31以半径过渡到修改的入口导管1的内壁。在径向壁后面(即，图3中的左侧)，圆周肋状物21更平缓地倾斜以与修改的入口导管1的内壁相接。径向壁31以平缓的半径过渡到倾斜部分32，并且倾斜部分32以进一步平缓的半径过渡到修改的入口导管1的内壁。径向壁31和倾斜部分32过渡到修改的入口导管的内壁的所在的点之间的轴向距离是Lr。在本实施例中，Lr为37.6mm。
现在参照图1，在圆周肋状物21中形成孔11的阵列。孔11的形状和取向各自彼此相同。因此，现在将参照图3描述单个孔11。孔11在两端是开放的。这两端通向修改的入口导管1的内部。孔的一端在圆周肋状物的前端中，即在径向壁31中。孔11的另一端在圆周肋状物21的倾斜部分32中。孔的轴线在与叶轮14的旋转轴线16的径向距离Rh处。Rh约等于修改的入口导管1的半径减去圆周肋状物21的深度的二分之一(即，距离Hr的二分之一)。在本实施例中，Rh为50mm
再次参照图1，孔11的横截面为圆形。孔11的轴线倾斜于叶轮14的旋转轴线16。孔11位于相切并平行于叶轮14的旋转轴线16的平面中，但在该平面中与旋转轴线16成角度。孔11的轴线的倾斜方向取决于叶轮14的旋转方向，这在下面描述修改的入口导管1的操作时将变得清楚。有彼此等距离安排在圆周肋状物21周围的数个孔11，每一个孔在相切并平行于叶轮14的旋转轴线16的平面中并且在其相应平面中与旋转轴线16成相同的角度。在本实施例中，有三十个孔11。在其他实施例中，可以有不同数量的孔11，这将在后面参照图8进一步讨论。
[操作]
现在将参照图4描述包括修改的入口导管1的离心压缩机10的操作。图4示出了压缩机10的侧视图。未示出修改的入口导管1，但示出了穿过其圆周肋状物12的孔11。在操作中，叶轮14顺时针转动(当沿轴线观看并且朝叶轮叶片12看时)。如上文所提及，修改的入口导管1的一端被联接用于抽吸空气并且另一端邻近叶轮14。因此，叶轮14的旋转抽吸空气经过修改的入口导管1并且旋转的叶轮14将这些空气递送到蜗壳15中。
为了帮助理解，下面作了关于入口导管未经修改的压缩机的操作的论述。在这种压缩机中，被抽吸经过其入口导管的所有空气在轴向方向流过入口导管并且因此遇到在平行于叶轮14的旋转轴线16的方向运转的叶轮叶片12。这将参照图5(a)进一步讨论。导致喘振(在本说明书的“背景技术”部分中所讨论)的不稳定性往往出现在叶轮14中。诸位发明人已经发现，尖端间隙流与在叶轮14入口的入口导管附近的跨音速流之间的相互作用是叶轮14喘振的主要因素。由于大的压力梯度，来自入口导管间隙的泄漏旋涡往往由入口导管附近的叶轮叶片12的吸力表面上的冲击波分解为大量低动量流，从而触发叶轮14的不稳定性。壳体处理和可变入口引导叶片的使用可有助于抑制这种相互作用并且增加压缩机稳定性，但它们分别具有与它们相关联的缺点：增加涡轮增压器的复杂性和成本并且在低速下无效；以及减小阻塞初现所在的质量流量。
现在返回参照图4对修改的入口导管1的操作的描述，已令人惊奇地发现，仅修改叶轮叶片12的尖端处的空气流的角度可以减小喘振质量流量。这是因为已经发现导致喘振的不稳定性的先兆出现在叶轮叶片12的尖端。图4示出了通过修改的入口导管1中的孔11中的两个孔的空气的流线41。未示出通过修改的入口导管1的中心的空气的流线。通过修改的入口导管1的中心的空气沿修改的入口导管1大致轴向行进并且因此遇到叶轮轴线16以及轴向地在其周围的区域。这将在下文参照图5(b)更详细讨论。较接近修改的入口导管1的壁的空气流由突出的圆周肋状物21迫使通过肋状物21中的孔11。如上文参照图1所提及，孔11的轴线倾斜于叶轮14的旋转轴线16。孔11朝向叶轮14的旋转方向成角度。因此，通过孔11的空气朝向叶轮14的旋转方向形成旋流。修改的入口导管1的出口附近的此旋流的流影响叶轮叶片12尖端处的入射角度并且因此影响经过叶轮14的流场。旋流角度主要由孔11的倾斜角度确定。圆周肋状物21在距离Lr上的弯曲的平滑形状充当整流罩以防止没有通过孔11的任何流由于越过圆周肋状物21而分开。
图5(a)示出了接近喘振条件并且在100％的设计速度(N)时不具有修改的入口导管的压缩机中的叶轮14的入口附近的绝对流动角的分布。空气流与叶轮叶片14的角度为大约0度并且沿叶片14比较均匀。
图5(b)示出了同样接近喘振条件并且在100％的N时包括修改的入口导管1的压缩机10中的叶轮14的入口附近的绝对流动角的分布。在叶轮轴线16附近，流动类似于不具有修改的入口导管的压缩机中的流动：其主要在轴向方向。修改的入口导管1中的孔11和圆周肋状物21使流动角在叶片尖端附近增加，由此产生正旋流效应。此旋流效应通过减小流入射到叶轮叶片12尖端的角度而提高叶轮14的稳定性。
相比之下，如背景技术部分中所讨论的入口引导叶片的使用使从叶轮轴线16到叶片12尖端的所有空气流形成旋流。此旋流效应对入口流量节流，因为其减少空气流动速度的轴向分量。这减小使用入口引导叶片的压缩机的阻塞质量流速。如在本发明压缩机中，通过将空气流的预旋流集中在压缩机叶片12尖端附近的区域上，该节流效应大大减小。
图6(a)示出了接近喘振条件时不具有修改的入口导管1的压缩机中的叶轮14前缘后面的表面中的相对马赫数分布。图6(b)示出了同样在喘振条件下在叶轮前缘后面的相同表面中的相对马赫数分布，但这次是在包括修改的入口导管1的压缩机10中。在两个压缩机中，径向最接近入口导管的叶轮的区域中存在低动量流。然而，在包括修改的入口导管1的压缩机10中，接近喘振条件时的低动量流的量减少。换句话说，喘振发生所在的最大质量流速在包括修改的入口导管1的压缩机10中减小。也可以看到叶轮轴线16附近的低动量流由于修改的入口导管1而减小。入口导管处理1的壁附近的流由圆周肋状物21迫使朝向轴线16移动。这样减小了轴线16附近的空气流的入射角，由此增加接近喘振条件时轴线16附近的轴向流动速率。
叶轮轴线16附近的增加的轴向流动以及叶轮叶片12尖端附近的流的预旋流影响经过叶轮14通道的流的发展。图7是在100％的N下，包括修改的入口导管1的压缩机10(用正方形标示的点)和不具有修改的入口导管的压缩机(用三角形标示的点)两者的叶轮14入口处的流动方向的角度与叶轮叶片12角度之间的差的曲线图。这个偏差角反映了叶轮中的流动状况：较大的值表示叶轮14通道(即，叶轮叶片12之间的空间)中的更大的二次流。这些通道中的二次流由于修改的入口导管1而减少，这可以从具有修改的入口导管1的压缩机10的偏差角的减小看出。
图8是示出修改的入口导管1中的孔11的数量对压缩机10的喘振质量流速和阻塞质量流速的影响的曲线图。不具有修改的入口导管1的压缩机的喘振质量流量和阻塞质量流量在该曲线图上由零孔数量下的点表示。修改的入口导管1的引入减小了喘振质量流速。随着修改的入口导管1中的孔的数量增加至30个，喘振质量流量甚至进一步减小。尽管阻塞质量流速由于修改的入口导管1的引入而稍微减小，但喘振质量流量的减小足够补偿这种稍微减小，由此增加压缩机10的稳定操作质量流量范围。这与可变入口引导叶片在压缩机中的使用形成对比，如在“背景技术”部分中所讨论，可变入口引导叶片在压缩机中的使用显著减小了使用了它们的压缩机中的阻塞质量流速，由此仅仅使压缩机的稳定操作质量流量范围移位。应注意，阻塞质量流速随着孔的数量的增加相对稳定，这表明了阻塞流动速率主要由圆周肋状物21的形状确定。
在替代性实施例中，修改的入口导管的圆周肋状物在其表面中形成有开放的通道，而非孔11。类似于孔，这些通道在相切并平行于叶轮14的旋转轴线16的平面中，但在该平面中与旋转轴线16成角度。正如上文所描述的实施例，该替代性实施例的圆周肋状物具有平坦前面31，该面在操作中促使流过修改的入口导管的空气流过这些通道。在叶轮14入口处从这些通道排出的空气在叶轮叶片12的旋转方向流动。因此，该替代性实施例与第一实施例一样在叶轮叶片12尖端的区域中提供类似的旋流的流，而叶轮轴线16的区域中的轴向流几乎不受干扰。
在进一步的替代性实施例中，通过在叶轮14入口处注入额外的流体来实现叶轮叶片12尖端的区域中的旋流的流和叶轮轴线16的区域中的几乎不受干扰的轴向流。这种额外的流体以一个角度被注入，使得其速度的分量在叶轮叶片12的旋转方向。在这个替代性实施例中，额外的流体是来自压缩机10的出口的空气。在其他替代性实施例中，额外的流体可以是(例如)来自压缩机的内部部分的流体。替代性地，它可以是来自压缩机形成其一部分的涡轮增压器的涡轮机侧的发动机排放气体。

Claims (22)

1.一种离心压缩机，包括：
一个入口；以及
一个叶轮，该叶轮包括一个轮毂和多个叶片；
用于将流输送到该叶轮的该入口包括引导装置，该引导装置被安排成引导经过该入口的流以邻近这些叶片的尖端在该流中引起旋流而基本上不干扰邻近该轮毂的流，旋流的方向是这些叶片的旋转方向，
其中，该入口包括一个连续地延伸的限制部分，该限制部分的内径小于该入口的其余部分的内径，所述引导装置位于所述限制部分中，并且，该限制部分包括基本上垂直于该入口的轴线的一个面。
2.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，该引导装置包括使该流偏转的结构。
3.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，该引导装置被安排成通过提供基本上倾斜于入射在该引导装置上的流的至少一个表面来引导该流。
4.如权利要求2所述的离心压缩机，其中，该引导装置被安排成通过提供基本上倾斜于入射在该引导装置上的流的至少一个表面来引导该流。
5.如权利要求3所述的离心压缩机，其中，该至少一个表面基本上倾斜于该入口的轴线。
6.如权利要求4所述的离心压缩机，其中，该至少一个表面基本上倾斜于该入口的轴线。
7.如权利要求3-6中任一项所述的离心压缩机，其中，该至少一个表面中的每一个由一个通道来实施。
8.如权利要求7所述的离心压缩机，其中，每一个通道形成在该入口的结构中。
9.如权利要求7所述的离心压缩机，其中，每一个通道基本上在相切并平行于该入口的轴线的平面中。
10.如权利要求8所述的离心压缩机，其中，每一个通道基本上在相切并平行于该入口的轴线的平面中。
11.如权利要求9所述的离心压缩机，其中，每一个通道在其相应平面中与该入口的轴线的角度可以与每一个其他通道基本上相同。
12.如权利要求10所述的离心压缩机，其中，每一个通道在其相应平面中与该入口的轴线的角度可以与每一个其他通道基本上相同。
13.如权利要求7所述的离心压缩机，其中，每一个通道是一个孔。
14.如权利要求7所述的离心压缩机，其中，每一个通道是通向该入口的径向内部部分的通道。
15.如权利要求1所述的离心压缩机，其中，该限制部分被成形为包括从该基本上垂直于该入口的轴线的一个面向该入口的壁倾斜的一个表面。
16.如权利要求7所述的离心压缩机，其中每一个通道位于该限制部分中。
17.如权利要求16所述的离心压缩机，其中，这些通道是孔并且穿过该限制部分。
18.如权利要求16所述的离心压缩机，其中，有多个通道，每一个通道围绕该轴线并相对于该轴线成角度分布在该限制部分中。
19.如权利要求17所述的离心压缩机，其中，有多个通道，每一个通道围绕该轴线并相对于该轴线成角度分布在该限制部分中。
20.一种包括如任一前述权利要求所述的离心压缩机的涡轮增压器。
21.一种如权利要求1至19中任一项所述的入口。
22.一种如权利要求1至19中任一项所述并且用于装配到离心压缩机的入口的引导装置。
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