CN105626583B - 状态可调离心压缩机和具有该压缩机的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及状态可调离心压缩机和具有该压缩机的涡轮增压器。涡轮增压器的离心压缩机包括在该压缩机的空气进口中的进口调节机件，该机件可操作以在空气进口中在打开位置和关闭位置之间移动。该进口调节机件包括具有多个叶片的可变几何形状圆锥形机件。在关闭位置中，叶片共同形成截头圆锥形的进口构件，进口构件具有后缘内直径，该后缘内直径小于压缩机壳体的罩表面在压缩机叶轮的进口段处的内直径，使得空气进口在进口段处的有效直径由可变几何形状圆锥形机件的后缘内直径确定。叶片在打开位置中被径向向外地枢转，从而增加了进口构件的后缘内直径并且由此增加了空气进口在进口段处的有效直径。

Description

状态可调离心压缩机和具有该压缩机的涡轮增压器

背景技术

本公开涉及离心压缩机，例如在涡轮增压器中使用的离心压缩机，并且更具体地涉及有效进口面积或直径可被调节也适应不同的运行条件的离心压缩机。

废气驱动的涡轮增压器是和内燃发动机一起使用通过压缩被传递到发送机的进气口以与燃料混合并在发动机内燃烧的空气来增加发动机的动力输出的设备。涡轮增压器包括安装在位于压缩机壳体内的轴的一端上的压缩机叶轮和安装在该轴在涡轮机壳体内的另一端上的涡轮机叶轮。通常涡轮机壳体是与压缩机壳体分开形成，并且在涡轮机壳体和压缩机壳体之间还有另外的中间壳体以包含用于该轴的轴承。涡轮机壳体限定了基本上环形的室，该室围绕涡轮机叶轮并且从发动机接收废气。涡轮机组件包括从该室通向涡轮机叶轮的喷嘴。废气从所述室流过喷嘴到达涡轮机叶轮并且涡轮机叶轮由所述废气驱动。涡轮机由此从废气提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的进口接收环境空气并且该空气由压缩机叶轮压缩并且之后被从该壳体排放到发动机进气口。

涡轮增压器通常采用离心（也称为“径向”）型的压缩机叶轮，这是因为离心压缩机能在紧凑的布置中实现相对高的压力比。压缩机的进气空气在离心压缩机叶轮的进口段处沿着大体轴向方向被接收，并且在该叶轮的出口段被沿着大体径向方向排出。来自该叶轮的被压缩的空气被传递到蜗壳，并且从该蜗壳该空气又被供应到内燃发动机的进气口。

该压缩机的运行范围是涡轮增压器的整体性能的一个重要方面。该运行范围大体上由该压缩机的运行图上的喘振线和阻塞线界定。该压缩机图通常在纵轴上表示压力比（排出压力Pout 除以进口压力Pin）而在横轴上表示修正质量流率。该压缩机图上的阻塞线被定位在高流率处并代表在一定范围的压力比上的最大质量流率点的轨迹；即，对于该阻塞线上的一个给定点而言，不可能在维持同一压力比的同时再增加所述流率，因为在该压缩机内会发生阻塞流的情况。

喘振线被定位在低流率上并且代表在一定范围的压力比上没有喘振时最小质量流率点的轨迹；即，对于该喘振线上的一个给定点而言，减小所述流率但不改变压力比，或者增加所述压力比但不改变流率，都将导致喘振的发生。喘振是一种流动不稳定，其通常发生在压缩机叶片迎角度变得很大以致于在该压缩机叶片上出现了大量的流动分离。在喘振期间可能发生压力波动和倒流。

在用于内燃发动机的涡轮增压器中，压缩机喘振可能在该发动机正在以高载荷或扭矩且低发动机速度运行时，或者在该发动机正在以低速度运行且存在高水平的废气再循环（EGR）时出现。喘振也可能在发动机从高速度状态突然减速时出现。在压缩机设计中经常追求的目标是将压缩机的无喘振运行范围扩展到更低的流率。

发明内容

本公开描述了用于离心压缩机的机件和方法，所述机件和方法能使该压缩机的喘振线选择性地被向左移动（即，在给定的压力比的情况下喘振被推迟到更低的流率）。本文中描述的一个实施例包括具有以下特征的涡轮增压器：

涡轮机壳体和安装在该涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮被连接到可旋转的轴以随该轴旋转，所述涡轮机壳体接收废气并将所述废气供应到所述涡轮机叶轮；

离心压缩机组件，所述离心压缩机组件包括压缩机壳体和安装在该压缩机壳体内的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮连接到所述可旋转的轴以随该轴旋转，所述压缩机叶轮具有叶片并限定了进口段，所述压缩机壳体限定了空气进口以引导空气大体轴向地进入所述压缩机叶轮的所述进口段，所述压缩机壳体还限定了蜗壳以接收压缩空气，所述压缩空气被从所述压缩机叶轮大体径向向外地排出，所述空气进口具有内表面，所述内表面沿着下游方向延伸一定轴向长度，所述内表面的下游是设置在所述空气进口内的压缩机进口调节机件，该进口调节机件的下游是罩表面，所述罩表面紧邻所述压缩机叶轮的所述叶片的外尖端。

所述压缩机进口调节机件能在打开位置和关闭位置之间移动，所述进口调节机件包括可变几何形状圆锥形机件，所述圆锥形机件包括多个叶片，所述多个叶片围绕它们的前缘枢转。在关闭位置中，所述叶片共同形成截头圆锥形的进口构件，所述进口构件具有后缘内直径，该后缘内直径小于所述压缩机壳体的所述罩表面在所述压缩机叶轮的所述进口段处的内直径，使得所述空气进口在所述进口段处的有效直径由所述可变几何形状圆锥形机件的所述后缘内直径确定。所述叶片在打开位置中被径向向外地枢转，从而增加了所述进口构件的所述后缘内直径并且由此增加了所述空气进口在所述进口段处的有效直径。

所述可变几何形状圆锥形机件在一个实施例包括多个叶片移动构件，所述多个叶片移动构件被设置在所述叶片的径向外侧上，并且还包括与所述叶片移动构件接合的致动器构件。所述致动器构件可旋转以围绕着叶片移动构件的前缘径向向内和径向向外地枢转叶片移动构件，从而相应地在关闭和打开位置之间移动所述可变几何形状圆锥形机件。

所述叶片移动构件可包括安装在所述叶片移动构件的后缘上的控制臂，并且所述致动器构件可包括可旋转环，所述可旋转环具有凸轮狭槽，所述控制臂接合在所述凸轮狭槽中使得所述致动器构件的旋转运动转换成所述控制臂的径向运动并且由此转换成所述叶片移动构件围绕它们的前缘的枢转运动。

替换地，所述叶片移动构件可被省略并且所述叶片可包括安装在部分圆锥形叶片的后缘的引导件，所述引导件被构造成用于牵簧（例如，金属弹簧丝）形式的致动器构件，该牵簧被穿过该引导件并且被拉动从而在叶片上施加径向向内的力以使所述叶片围绕它们的前缘做枢转运动。

作为又一替换方式，代替引导件和牵簧，可充气的气囊可在叶片的后缘处被围绕着所述叶片安装。所述气囊可被充气（例如，利用从压缩机泄放的空气）以在叶片上施加径向向内的力从而引起所述叶片围绕它们的前缘做枢转运动。

附图说明

因此在概括地描述了本发明后，现在将参照附图，附图不一定是按比例绘制的，并且附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的透视图，其中压缩机壳体的一部分被切去以示出内部细节，其中所述进口调节机件处于打开位置；

图2是图1的涡轮增压器的轴向横截面视图，其中所述进口调节机件处于打开位置；

图3是与图1类似的视图，但是所述进口调节机件处于关闭位置；

图4是与图2类似的视图，但是所述进口调节机件处于关闭位置；

图5是图1-4的涡轮增压器的一部分的分解图， 示出了处于打开位置的进口调节机件；

图5A是相对于空气流方向大体上向上游看时的进口调节机件的透视图，其中该进口调节机件处于打开位置；

图5B是处于打开位置的可变几何形状圆锥形机件的另一实施例的透视图；

图5C是处于打开位置的可变几何形状圆锥形机件的又一实施例的透视图；

图5D是处于打开位置的可变几何形状圆锥形机件的又一实施例的透视图；

图6是与图5类似的视图，但是所述进口调节机件处于关闭位置；

图6A是与图5A类似的视图，但是所述进口调节机件处于关闭位置；

图6B是与图5B类似的视图，但是所述可变几何形状圆锥形机件处于关闭位置；

图6C是与图5C类似的视图，但是所述可变几何形状圆锥形机件处于关闭位置；以及

图6D是与图5D类似的视图，但是所述可变几何形状圆锥形机件处于关闭位置。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图更加全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但不是全部的实施例。实际上，这些发明可以许多不同的形式被体现并且不应该被理解为被限制到本文公开的实施例；相反，这些实施例被提供是使得本公开会满足可适用的法律要求。通篇中相同的标记表示相同的元件。

在图1的透视图和图2的横截面视图中示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10。该涡轮增压器包括具有压缩机叶轮或推进轮14的压缩机12，所述压缩机叶轮在压缩机壳体16中安装在可旋转的轴18的一端上。所述压缩机壳体限定了空气进口17以引导空气大体轴向地进入压缩机叶轮14。轴18被安装在该涡轮增压器的中间壳体20中的轴承19支撑。轴18由安装在轴18的与压缩机叶轮相对的另一端上的涡轮机叶轮22旋转，由此可旋转地驱动压缩机叶轮，所述压缩机叶轮压缩通过压缩机进口吸入的空气并且压缩空气大体径向向外地从压缩机叶轮排出到用于接收所述压缩空气的蜗壳21内。从蜗壳21，所述空气被引导到内燃发动机（未示出）的进气口以增加该发动机的性能。

压缩机壳体16限定了罩表面16s，该罩表面紧邻于压缩机叶片的径向外尖端。罩表面16s限定了弯曲轮廓，该弯曲轮廓大体上平行于压缩机叶轮的轮廓。在通向压缩机叶轮的进口段14i的进口处，罩表面16s具有的直径略大于进口段14i的直径。

涡轮增压器还包括容纳涡轮机叶轮22的涡轮机壳体24。该涡轮机壳体限定了大体上环形的室26，所述室围绕涡轮机叶轮并且接收来自内燃发动机的废气以驱动该涡轮机叶轮。废气被从室26大体上径向向内地通过涡轮机喷嘴28引导到涡轮机叶轮22。当废气流过在涡轮机叶轮的叶片30之间的通道时，该废气膨胀到更低压力，并且从该叶轮被排出的废气通过涡轮机壳体中的大体上轴向孔32离开涡轮机壳体。

根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括进口调节机件100，该进口调节机件设置在压缩机壳体的空气进口17内并刚好在罩表面16s和进口段14i的上游。进口调节机件100可在打开位置（图1、2和5）和关闭位置（图3、4和6）之间移动。进口调节机件包括可变几何形状圆锥形机件。该可变几何形状圆锥形机件在处于关闭位置时具有的后缘内直径d _con （图4）小于压缩机壳体的罩表面16s在压缩机叶轮的进口段处的内直径，并且该可变几何形状圆锥形机件在关闭位置时被定位成使得空气进口在所述进口段处的有效直径由所述可变几何形状圆锥形机件的内直径d _con 确定。可变几何形状圆锥形机件在打开位置时被移动以增加所述后缘内直径，使得空气进口在进口段处的有效直径由罩表面16s确定。

可变几何形状圆锥形机件100位于压缩机叶轮14的进口段14i的上游并与其间隔开一小段距离，所述距离在切实可行的情况下要很小以最大化对空气进口在进口段处的有效直径的孔眼效应。

更尤其地，可变几何形状圆锥形机件100包括多个部分圆锥形叶片110，所述叶片110在关闭位置时（图3和4）共同形成了截头圆锥形进口构件。所述机件包括多个叶片移动构件120，所述多个叶片移动构件被设置在所述叶片110的径向外侧上，并且还包括与所述叶片移动构件接合的致动器构件130。所述致动器构件可移动以径向向内和径向向外地推叶片移动构件120，从而相应地在关闭和打开位置之间移动所述可变几何形状圆锥形机件。更确切地说，叶片移动构件120被布置成围绕着它们的前缘（即，相对于穿过压缩机进口17的空气流在上游最远处的边缘）枢转，并且同样地叶片110也围绕着它们的前缘枢转。

在图5中最佳示出的实施例中，当可变几何形状圆锥形机件打开时，在相邻的叶片110的边缘之间有三角形间隙，并且类似地在相邻的叶片移动构件120的边缘之间有三角形间隙。叶片110的位置相对于叶片移动构件120的位置被周向地移动，从而在叶片之间的间隙不与在叶片移动构件之间的间隙对准。以这种方式，叶片移动构件覆盖叶片之间的间隙并且由此有助于阻止空气穿过所述间隙。

叶片移动构件120可包括控制臂122，所述控制臂122从叶片移动构件的后缘径向向外地延伸，并且致动器构件130可包括可旋转环，所述环具有大体上周向延伸的凸轮狭槽132（图5A和6A）。尤其是，控制臂122具有端部部分，所述端部部分大体轴向地延伸并且被接合在凸轮狭槽132中。每个凸轮狭槽132的半径都从该狭槽的一端到另一端地变化，使得所述致动器构件的旋转运动转换成控制臂的径向运动并由此转换成叶片移动构件围绕它们的前缘的枢转。所述狭槽的半径较大的一端对应进口调节机件的打开位置（图5A）并且半径较小的一端对应关闭位置（图6A）。不过，代替附图中示出的特定的布置，可以采用其它布置来致动叶片110的枢转运动。

如图5B和6B所示， 根据另一实施例的可变几何形状圆锥形机件包括薄挠性材料（例如，薄金属、海翠等）的交叠叶片140，所述叶片即使在该机件处于打开位置（图5A）时也在周向方向上交叠。可用交叠叶片140替换之前实施例的叶片，使得仍然有基本上如在前面实施例中所述那样的叶片移动构件120，叶片移动构件120被设置在交叠叶片的径向外侧上并且可围绕着它们的前缘枢转以使交叠叶片140围绕它们的前缘枢转。替换地，仅提供叶片移动构件120的径向延伸部分，所述径向延伸部分被直接附接到交叠叶片140的后缘区域，并且使控制臂122如在前面的实施例中那样与致动器构件130接合。如描绘的，交叠叶片140可包括在它们的前缘处的引导件142，金属线144等被周向地穿过该引导件，使得叶片140阵列以环布置方式被该金属线保持在一起并且该叶片可围绕该金属线枢转。

图5C和6C中示出了另一个实施例。它类似于图5B和6B中的实施例， 它也包括交叠叶片140，该交叠叶片140具有前缘引导件142和供该叶片枢转围绕的金属线144。区别在于，在当前的实施例中还有安装在叶片的后缘部分上的后缘引导件146，并且牵簧（例如，金属线）148被穿过所述引导件，牵簧148的两端沿相反的方向延伸出来，使得当这两端被沿相反的方向拉动时，该牵簧的环部分的周长变小（图6C）。因此，牵簧148是交叠叶片140的致动器，使得不再需要之前实施例中的叶片移动构件。

图5D和6D中示出了又一实施例。它类似于图5B-C和6B-C中的实施例， 它也包括交叠叶片140，该交叠叶片140具有前缘引导件142和供该叶片枢转围绕的金属线144。不过，在当前实施例中，代替牵簧致动器，可充气气囊150被围绕着交叠叶片140的后缘区域安装，供应管线152被连接到加压流体源（例如，从压缩机泄放的加压空气）。对该气囊充气在叶片140上引起径向向内的压力，使得它们围绕着在该叶片的前缘处的金属线144枢转。

在低流率（例如，低发动机速度）时，本发明的进口调节机件可被置于图3、4、6和6A-D中的关闭位置。这可具有减小通向压缩机叶轮的进口段的有效进口直径的效果并因此具有增加进入该叶轮的流速的效果。结果是减小了压缩机叶片迎角，有效地稳定了流动（即，使得叶片失速和压缩机喘振不太可能发生）。换句话说，该压缩机的喘振线被移动到更低的流率（在压缩机压力比与流率图上被向左移动）。

在更高流率时，进口调节机件被部分地（未示出）或完全地（图1、2、5、和5A-D）打开， 这取决于该压缩机的特定运行点。这可具有增加有效进口直径的效果并由此相对于该机件处于关闭位置时的流速减小进入压缩机叶轮的流速的效果。

在受益于前面的描述和附图中给出的教导下，本发明所属领域的技术人员会想到本文公开的本发明的许多改进和其它实施例。因此，应该理解本发明不是被限制于所公开的具体实施例，且改进和其它实施例都应该被包含在所附权利要求的范围内。虽然本文中采用的是具体的术语，但是它们仅是在一般的且描述性的意义下被使用且不是用于限制目的。

Claims (5)

1.一种涡轮增压器，其包括：

涡轮机壳体和安装在该涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮被连接到可旋转的轴以随该轴旋转，所述涡轮机壳体接收废气并将所述废气供应到所述涡轮机叶轮；

离心压缩机组件，所述离心压缩机组件包括压缩机壳体和安装在该压缩机壳体内的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮连接到所述可旋转的轴以随该轴旋转，所述压缩机叶轮具有叶片并限定了进口段，所述压缩机壳体限定了空气进口以引导空气大体轴向地进入所述压缩机叶轮，所述压缩机壳体还限定了蜗壳以接收压缩空气，所述压缩空气被从所述压缩机叶轮大体径向向外地排出，所述空气进口具有内表面，所述内表面沿着下游方向延伸一定轴向长度，所述内表面的下游是设置在所述空气进口内的压缩机进口调节机件，该进口调节机件的下游是罩表面，所述罩表面紧邻所述压缩机叶轮的所述叶片的外尖端；

所述压缩机进口调节机件能在打开位置和关闭位置之间移动，所述进口调节机件包括可变几何形状圆锥形机件，所述可变几何形状圆锥形机件包括多个叶片，每个所述叶片从所述叶片的前缘到后缘地沿着下游方向延伸，所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片在关闭位置时共同形成了截头圆锥形进口构件，所述进口构件具有的后缘内直径小于所述压缩机壳体的所述罩表面在所述压缩机叶轮的所述进口段处的内直径，使得所述空气进口在所述进口段处的有效直径由所述可变几何形状圆锥形机件的所述后缘内直径确定，所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片在打开位置时被围绕着这些叶片的所述前缘径向向外地枢转，从而增加了所述进口构件的所述后缘内直径，并且由此增加了所述空气进口在所述进口段处的所述有效直径；

其中所述可变几何形状圆锥形机件包括多个叶片移动构件，每个所述叶片移动构件从所述叶片移动构件的前缘到后缘地沿着下游方向延伸，所述叶片移动构件设置在所述可变几何形状圆锥形机件的所述叶片的径向外侧，所述可变几何形状圆锥形机件的所述叶片中的每一个都有一个所述叶片移动构件，并且所述可变几何形状圆锥形机件还包括致动器构件，所述致动器构件与所述叶片移动构件接合，其中所述叶片移动构件中的每一个都围绕着所述叶片移动构件的前缘枢转，并且所述致动器构件可移动以径向向内和径向向外地枢转所述叶片移动构件，以相应地在所述关闭位置和所述打开位置之间移动所述可变几何形状圆锥形机件。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述叶片移动构件包括控制臂，所述控制臂从所述叶片移动构件的所述后缘延伸，并且所述致动器构件包括可旋转环，所述可旋转环具有大体上周向延伸的凸轮狭槽，所述控制臂接合在所述凸轮狭槽中，每个凸轮狭槽的半径都在所述致动器构件的周向方向上变化，使得所述致动器构件的旋转运动转换成所述控制臂的径向运动并且由此转换成所述叶片移动构件的枢转运动。

3.一种涡轮增压器，其包括：

涡轮机壳体和安装在该涡轮机壳体内的涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮被连接到可旋转的轴以随该轴旋转，所述涡轮机壳体接收废气并将所述废气供应到所述涡轮机叶轮；

离心压缩机组件，所述离心压缩机组件包括压缩机壳体和安装在该压缩机壳体内的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮连接到所述可旋转的轴以随该轴旋转，所述压缩机叶轮具有叶片并限定了进口段，所述压缩机壳体限定了空气进口以引导空气大体轴向地进入所述压缩机叶轮，所述压缩机壳体还限定了蜗壳以接收压缩空气，所述压缩空气被从所述压缩机叶轮大体径向向外地排出，所述空气进口具有内表面，所述内表面沿着下游方向延伸一定轴向长度，所述内表面的下游是设置在所述空气进口内的压缩机进口调节机件，该进口调节机件的下游是罩表面，所述罩表面紧邻所述压缩机叶轮的所述叶片的外尖端；

所述压缩机进口调节机件能在打开位置和关闭位置之间移动，所述进口调节机件包括可变几何形状圆锥形机件，所述可变几何形状圆锥形机件包括多个叶片，每个所述叶片从所述叶片的前缘到后缘地沿着下游方向延伸，所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片在关闭位置时共同形成了截头圆锥形进口构件，所述进口构件具有的后缘内直径小于所述压缩机壳体的所述罩表面在所述压缩机叶轮的所述进口段处的内直径，使得所述空气进口在所述进口段处的有效直径由所述可变几何形状圆锥形机件的所述后缘内直径确定，所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片在打开位置时被围绕着这些叶片的所述前缘径向向外地枢转，从而增加了所述进口构件的所述后缘内直径，并且由此增加了所述空气进口在所述进口段处的所述有效直径；以及

多个前缘引导件，所述多个前缘引导件分别安装在所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片的前缘处，以及还包括金属线，所述金属线穿过所述前缘引导件，所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片围绕着所述金属线枢转。

4.如权利要求3所述的涡轮增压器，还包括多个后缘引导件，所述多个后缘引导件分别安装在所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片的后缘处，并且还包括牵簧，所述牵簧穿过所述后缘引导件，所述牵簧的端部部分沿相反方向从所述后缘引导件延伸出来，使得沿相反方向拉动所述端部部分引起所述牵簧的周长减小，从而围绕着所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片的所述前缘处的所述金属线向内地枢转这些叶片。

5.如权利要求3所述的涡轮增压器，还包括可充气气囊，所述气囊围绕着所述可变几何形状圆锥形机件的所述多个叶片的后缘安装，所述气囊的充气在这些叶片上施加径向向内的压力以使这些叶片向内枢转。