CN107304709A - 用于涡轮增压器的可调Trim的离心式压气机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于涡轮增压器的可调Trim的离心式压气机。用于涡轮增压器的离心式压气机在用于压气机的空气入口中包括入口调节机构，其可操作来在空气入口中在打开位置和关闭位置之间移动。入口调节机构包括布置在空气入口周围并各自绕着叶片的一端可枢转的多个叶片，当叶片在关闭位置中时，叶片延伸穿过空气入口壁中的槽口，从而形成具有与入口的标称直径相比减小的直径的孔口。入口调节机构从打开位置到关闭位置的移动有效地使压气机的喘振线移位到更低的流量。

Description

用于涡轮增压器的可调Trim的离心式压气机

技术领域

本发明涉及比如用在涡轮增压器中的离心式压气机，更具体地涉及可对于不同运行状况调节有效入口面积或有效入口直径的离心式压气机。

背景技术

废气驱动式涡轮增压器是与内燃机协同使用的装置，用于通过压缩空气来增加发动机的功率输出，所述空气被输送到发动机的进气口以在发动机中与燃料混合并燃烧。涡轮增压器包含被安装在轴的一端上的、在压气机壳体中的压气机叶轮，和被安装在轴的另一端上的、在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压气机壳体分开形成，并且还有连接在涡轮机壳体和压气机壳体之间的另一中心壳体用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体限定大体环形的腔，其包围涡轮机叶轮并接收来自发动机的废气。涡轮机组件包括从腔引导到涡轮机叶轮中的喷嘴。废气从腔流经喷嘴到涡轮机叶轮，涡轮机叶轮由废气驱动。因此，涡轮机从废气中汲取动力并驱动压气机。压气机通过压气机壳体的入口接收周围空气，空气由压气机叶轮压缩，然后从壳体排出到发动机进气口。

涡轮增压器通常采用离心（也被称为“径向”）类型的压气机叶轮，因为离心式压气机可以以紧凑的布置实现比较高的增压比。用于压气机的吸入空气在离心式压气机叶轮的进口段部分处沿大体轴向方向被接收，并在叶轮的出口段部分处沿大体径向方向被排出。来自叶轮的压缩空气被输送到蜗壳，空气从蜗壳被供应到内燃机的进气口。

压气机的运行范围是涡轮增压器总体性能的重要方面。运行范围由对于压气机的运行特性线图上的喘振线和阻塞线大体界定。压气机特性线图通常展现为垂直轴上的增压比（排出压力Pout除以入口压力Pin）对比水平轴上的折算质量流量。压气机特性线图上的阻塞线位于高流量处并代表在增压比范围上的最大质量流量点的轨迹；也就是，对于阻塞线上的给定点，不可能在维持相同增压比的同时增加流量，因为在压气机中发生了流动阻塞状况。

喘振线位于低流量处并代表无喘振情况下在增压比范围上的最小质量流量点的轨迹；也就是，对于喘振线上的给定点，在不改变增压比的情况下减小流量、或在不改变流量的情况下增加增压比将导致喘振发生。喘振是流动不稳定性，其典型发生在压气机叶片迎角变得如此大以致于在压气机叶片上出现显著流动分离的时候。在喘振期间可发生压力脉动和回流。

在用于内燃机的涡轮增压器中，压气机喘振可发生在发动机运行在高负载或高扭矩和低发动机转速的时候，或者发生在发动机运行在低速下并且有高水平的废气再循环的时候。喘振还可出现在发动机从高速状态突然减速的时候。扩大压气机的无喘振运行范围以降低流量是压气机设计中经常寻求的目标。

发明内容

本公开描述了用于离心式压气机的机构和方法，其可使对于压气机的喘振线能够选择性地移位到左侧（也就是，在给定的增压比下喘振被推延到更低的流量）。本文中描述的一个实施例包含具有如下特征的涡轮增压器：

涡轮机壳体和被安装在涡轮机壳体中并被连接到可旋转的轴用于与轴一起旋转的涡轮机叶轮，涡轮机壳体接收废气并将废气供应到涡轮机叶轮；

离心式压气机组件，其包含压气机壳体和被安装在压气机壳体中并被连接到可旋转的轴用于与轴一起旋转的压气机叶轮，压气机叶轮具有叶片并限定进口段部分，压气机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定用于将空气大体轴向地引导到压气机叶轮中的空气入口，压气机壳体进一步限定用于接收从压气机叶轮大体径向向外被排出的压缩空气；和

布置在压气机壳体的空气入口中并在打开位置和关闭位置之间径向向内及径向向外可枢转的压气机入口调节机构，入口调节机构包含布置在空气入口周围并各自绕着叶片的一端可枢转的多个叶片，当叶片在关闭位置中时，叶片通过空气入口中的槽口径向向内枢转从而形成孔口，该孔口具有与入口的标称直径相比减小的直径。

根据一个实施例，每个叶片包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片构造成使得所述径向内边缘在入口调节机构的选择位置中共同使孔口形成为大致圆形的。

在本发明的一些实施例中，叶片的径向内边缘使孔口形成为大致圆形所在的选择位置可以是关闭位置。

在一个实施例中，多个叶片是共面的，并且相邻叶片的相应的边缘部分具有互补的形状，所述互补的形状构造成当叶片从关闭位置径向向内枢转到过关闭位置时允许所述相邻叶片部分重叠，叶片在所述过关闭位置形成具有与关闭位置相比进一步减小的直径的孔口。

每个叶片可包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片构造成使得所述径向内边缘在入口调节机构的所述过关闭位置中共同使孔口形成为大致圆形的。

在一个实施例中，入口调节机构包含轴向间隔开的一对环形端板并且叶片布置在所述端板之间，使得入口调节机构形成可安装在压气机中的“筒”。入口调节机构或筒布置在由压气机壳体限定的环形空间中。环形空间可限定在压气机壳体的主要部分和形成到压气机的空气入口的大部分的单独入口管件之间。管件被接收到在压气机壳体的主要部分中限定的容器中。

端板可由穿过叶片中的孔的多个销间隔开，并且叶片可绕着所述销枢转。

替代地，销可固定在压气机壳体中使得不需要单独的端板（也就是，入口调节机构不是独立的筒）例如，一个端板的功能可由压气机的一体部分充当，并且另一端板的功能可由入口管件的一体部分充当。

根据一个实施例，入口调节机构进一步包含包围叶片的同步环，同步环绕着涡轮增压器的旋转轴线可旋转，其中叶片中的每个与同步环接合使得同步环的旋转促使叶片绕着所述销枢转。每个叶片包含接合在同步环的内周缘中限定的槽口的端部。

入口调节机构可进一步包含多个导向件用于导向同步环的旋转。导向件可被固定到端板中的至少一个上（或者在入口调节机构的非筒形式的情况下，固定到压气机壳体和/或入口管件）。

附图说明

因此已经概括地描述了本发明，现在将对附图作出参考，附图不一定按照比例绘制，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端视图，其从涡轮增压器的压气机端轴向看向涡轮机端；

图2是沿着图1中的线2-2的涡轮增压器的截面图；

图3是图1的涡轮增压器的压气机部分的透视图；

图4是图3的压气机部分的局部分解图；

图5是用于压气机的入口调节机构的透视图，其中入口调节机构的顶板被移去以示出叶片的细节，图示了入口调节机构的关闭位置；

图6是入口调节机构的侧视图；

图7是沿着图6中的线7-7通过入口调节机构的截面图，示出入口调节机构在过关闭位置中，所述过关闭位置以机构的共面叶片的部分重叠为特征；

图8是相似于图7的视图，其中入口调节机构在关闭位置中；

图9是相似于图7的视图，其中入口调节机构在完全打开的位置中；

图10是在过关闭位置的入口调节机构的轴视图；以及

图11是入口调节机构沿着图10中的线11-11的截面图。

具体实施方式

现在将参考附图在下文中更加充分地描述本发明，其中示出了本发明的一些实施例，但不是所有实施例。事实上，这些发明可以以许多不同的形式具体化但不应被解释成限于本文中陈述的实施例；更确切地，这些实施例被提供以便该公开将满足适用的法律要求。相同标号始终指的是相同元件。

在本公开中，术语“孔口”意思是“开口”而不考虑开口的形状。因此，“孔口”可以是圆形的或非圆形的。另外，当入口调节机构的叶片被描述为“径向”向内或“径向”向外枢转时，术语“径向”不排除叶片运动的一些非径向成分（例如，叶片可占据相对于压气机的旋转轴线稍微倾斜的平面，以致当叶片径向向内及径向向外枢转时，它们的移动还带有小的轴向成分的运动）。

图1中以轴向端视图图示了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，图2中示出了涡轮增压器的轴向截面图。涡轮增压器包括压气机和涡轮机。压气机包含安装在压气机壳体16中、在可旋转的轴18的一端上的压气机叶轮或压气机轮14。压气机壳体包括限定用于将空气大体轴向地引导到压气机叶轮14中的空气入口17的壁。轴支撑于安装在涡轮增压器的中心壳体20中的轴承中。通过与压气机叶轮隔开地安装在轴的另一端上的涡轮机叶轮22使轴旋转，从而可旋转地驱动压气机叶轮，压气机叶轮压缩通过压气机入口吸入的空气并将压缩的空气从压气机叶轮大体径向向外地排出到用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21被运送到内燃机（未示出）的进气口用于提高发动机的性能。

涡轮机叶轮22布置在涡轮机壳体24内，该涡轮机壳体限定用于从内燃机（未示出）接收废气的环形腔26。涡轮机壳体还限定喷嘴28，用于将废气从腔26大体径向向内地引到涡轮机叶轮22。当废气经过涡轮机叶轮时废气膨胀并可旋转地驱动涡轮机叶轮，涡轮机叶轮进而如已指出的那样可旋转地驱动压气机叶轮14。

参考图1-4，在图示的实施例中，限定空气入口17的壁部分由压气机壳体16形成并部分由单独的入口管件16d形成，所述入口管件被接收到由压气机壳体限定的圆柱形容器中。空气入口17的接近压气机叶轮14的部分限定大体圆柱形的内表面17i，其直径大体与压气机叶轮的进口段部分14i的直径匹配。

压气机壳体16限定紧邻压气机叶片的径向外尖端的罩表面16s。罩表面限定大体平行于压气机叶轮轮廓的弯曲轮廓。

根据本发明，涡轮增压器的压气机包括被布置在压气机壳体的空气入口17中的入口调节机构100。入口调节机构包含环状组件并布置在压气机壳体16和单独的入口管件16d之间限定的环形空间中。入口调节机构可操作用于调节空气入口进入压气机叶轮的有效直径。因此，入口调节机构在打开位置和关闭位置之间是可移动的，并且在一些实施例中可更进一步关闭到过关闭位置，并可构造成被调节到介于所述位置之间的不同地方。

现在参考图5和6，入口调节机构包含多个叶片102，所述叶片绕着空气入口的中心轴线布置并且各自可绕着定位在叶片的一端处或附近的枢轴销104枢转。在图示的实施例中，入口调节机构包含具有一对环形端板105和107的独立组件或“筒”。枢轴销固定在环形端板105中，叶片布置成支靠在端板上。叶片102和同步环106的组装被捕获地保持在环形端板105和相对的第二环形端板107之间。枢轴销104还可提供使两个端板彼此轴向间隔开的另外功能。多个导向件103也被固定在端板105中，或可选地可替代地被固定在另一端板107中，或者可被固定到两个端板。导向件定位成接合与叶片102大致共面的同步环106的圆形内周缘。（可选地，如果端板直径足够大以在同步环的径向外侧支撑导向件，那么导向件103可接合同步环的外周缘。）当同步环绕着它的中心轴线（其与涡轮增压器的旋转轴线一致）旋转时，导向件103用于导向同步环，使得同步环相对于端板105大致保持同心。导向件103可包含滚柱或固定的导向销。同步环的内周缘限定数目上相等于叶片102数目的多个槽口108。每个叶片包括接合槽口108之一的端部102e，以便当同步环绕着它的轴线旋转时，叶片绕着枢轴销104枢转。

如图2和图4所示，整个组件布置于压气机壳体16和入口管件16d之间限定的环形空间中。两个端板105和107具有匹配于接近压气机叶轮的进口段14i的圆柱形入口表面17i直径的内径，使得两个端板实际上是限定空气入口17的壁的一部分，并使得在两个端板之间的轴向空间实际上形成通过空气入口的壁的开口或槽口S（图2）。叶片102布置成穿过该槽口。叶片102的径向内边缘包括优选是大体圆弧形的部分，并且这些边缘共同包围并界定大体圆形的开口（尽管如下面进一步描述的，圆的程度根据叶片的位置变化）。

在替代的实施例（未示出）中，代替入口调节机构的筒形式，入口调节机构可包含非筒的组件，其中用于叶片102的销104被固定在压气机壳体16和/或入口管件16d中。换句话说，端板105变成压气机壳体16的一体部分，另一端板107变成入口管件16d的一体部分。

叶片的枢转移动的范围是足够的，使得叶片可（通过同步环沿一个方向的旋转，图5中顺时针方向）径向向外枢转到如图7所示的打开位置，在该打开位置叶片整个在入口的内表面17i的径向外侧。因此，在叶片的打开位置中，入口调节机构不改变由入口表面17i限定的入口标称直径。可选地，导向件103可还用作用于限制叶片径向向外枢转到打开位置的挡块。

叶片也可（通过同步环沿相反方向的旋转，在图5中逆时针方向）径向向内枢转到如图8所示的关闭位置。在关闭位置中，沿着叶片的径向内侧面的圆弧边缘共同形成孔口，该孔口大致是个圆，具有小于入口表面17i直径的直径。（“大致是个圆”在本公开中意思是圆弧边缘都坐落在同一个圆上并共同占据该圆的至少80%的周长。）这具有如下结果，即入口的有效直径相比于入口标称直径减小。此外，在图示的实施例中，可使叶片枢转额外的量到如图9和图10所示的过关闭位置。在过关闭位置，相邻的叶片有一定程度的重叠，这通过使相邻叶片的相应的重叠边缘部分形成为互补形状或凹凸形状成为可能，如图5和图11中最佳可见。当叶片在过关闭位置中时，叶片的圆弧边缘共同限定开口或孔口，该开口或孔口不是十足圆形的但实际上比关于图8的关闭位置的开口更加小。因此，入口调节机构促使入口的有效直径与关闭位置相比进一步减小。通过这样的方式，入口调节机构能够调节靠近压气机叶轮的空气入口的有效直径。

在本发明的一些实施例中，可实现多于一个的过关闭位置（也就是，可有多于一个的相邻叶片重叠的位置，重叠的程度在这些多个过关闭位置之间变化）。

如先前所描述的，叶片102被促动以通过绕着空气入口的中心轴线可旋转的同步环106在叶片的打开、关闭和过关闭位置之间枢转。现在参考图4，旋转运动由促动器116传递给同步环，所述促动器被接收到在压气机壳体中限定的容器116a中。促动器包括促动器杆117，其延伸穿过在压气机壳体中限定的空间并在它的远端处附连到销118，该销接合在同步环106的外周缘中的槽口109。促动器可操作来沿着杆的长度方向直线地伸出杆和缩回杆117，以便旋转同步环106并从而促动叶片102。伸出杆使叶片朝着过关闭位置枢转，缩回杆使叶片朝着打开位置枢转。

如所指出的，入口调节机构100能够实现进入压气机叶轮14的入口的有效尺寸或有效直径的调节。如图2中图示的，当入口调节机构处在关闭位置或过关闭位置中时，进入压气机叶轮的入口的有效直径受由叶片102限定的内径控制。为了实现该效果，叶片和压气机叶轮之间的轴向间隔距离必须在可行情况下尽可能小，从而在叶片下游的距离不足以使得在到空气遇到压气机叶轮时流膨胀到压气机叶轮14的进口段部分的全直径。入口直径因此有效减小到由叶片控制的值。

在低流量（例如，低发动机转速）下，入口调节机构100可被安置在图8的关闭位置或图9的过关闭位置中。这可具有减小入口有效直径的效果并因此具有增加进入压气机叶轮的流速的效果。结果将是压气机叶片迎角的减小，有效稳定了流（也就是，使叶片失速和压气机喘振可能性更小）。换言之，压气机的喘振线将被移到更低流量（到压气机增压比对比流量的特性线图上的左边）。

在中等流量和高流量下，入口调节机构100可如图7中一样部分打开或完全打开。这可具有增加有效入口直径的效果，从而压气机本质上重新获得它的高流动性能和扼流，就好像入口调节机构不存在并好像压气机具有在叶轮的进口段部分处与叶轮直径相配的传统入口。

这些发明所属领域的技术人员将想到本文中陈述的发明的许多修改和其它的实施例，具有在前述描述和附图中展现的教导的益处。例如，尽管图示的实施例采用三个叶片102，但本发明不限于叶片的任何特定数目。本发明可以以少到两个叶片、或多到12个叶片或更多叶片被实施。叶片的数目越大，由叶片界定的开口可更加接近圆形（尽管一般只在叶片的一个位置中开口会是圆形的）。因此，考虑到越大数目的叶片伴随着越大的复杂性，其将抵消增加圆度的好处，因此叶片的数目可按要求选择。另外，在图示的实施例中，叶片构造成使得当叶片在关闭位置时由叶片界定的开口是近似圆形的，并且在过关闭位置中开口是非圆形的。然而，替代地，叶片可构造成使得开口在过关闭位置时是圆形的，在这种情况下开口在关闭位置将不是圆形的。此外，在图示的实施例中，叶片构造成部分重叠使得能够实现过关闭位置；然而，替代地，叶片可构造成没有重叠的能力，因此没有过关闭位置。此外，尽管图示并描述了具有圆弧边缘的叶片，但叶片不必非要具有圆弧边缘。具有不同形状（线形的、椭圆形的等）的边缘的叶片也被包括在本发明的范围内。因此，将理解的是，本发明将不被限制于公开的特定实施例，并且修改和其它实施例意图被包括在所附权利要求的范围内。尽管在本文中采用特定的术语，但它们仅从一般和描述性的意义上来使用，并不用于限制的目的。

Claims (12)

1.一种涡轮增压器，其包含：

涡轮机壳体和被安装在涡轮机壳体中并被连接到可旋转的轴用于与轴一起旋转的涡轮机叶轮，涡轮机壳体接收废气并将废气供应到涡轮机叶轮；

离心式压气机组件，其包含压气机壳体和被安装在压气机壳体中并被连接到可旋转的轴用于与轴一起旋转的压气机叶轮，压气机叶轮具有叶片并限定进口段部分，压气机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定用于将空气大体轴向引导到压气机叶轮中的空气入口，压气机壳体进一步限定用于接收从压气机叶轮大体径向向外被排出的压缩空气的蜗壳；和

布置在压气机壳体的空气入口中并在打开位置和关闭位置之间径向向内及径向向外地能枢转的压气机入口调节机构，入口调节机构包含布置在空气入口周围并各自绕着叶片的一端能枢转的多个叶片，当叶片在关闭位置中时叶片通过空气入口壁中的槽口径向向内枢转，从而形成具有与入口的标称直径相比减小的直径的孔口。

2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中每个叶片包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片构造成使得所述径向内边缘在入口调节机构的选择位置中共同使孔口形成为大致圆形的。

3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其中所述径向内边缘使孔口形成为大致圆形所在的所述选择位置是关闭位置。

4.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中多个叶片是共面的，并且相邻叶片的相应的边缘部分具有互补的形状，所述互补的形状构造成当叶片从关闭位置径向向内枢转到过关闭位置时允许所述相邻叶片部分重叠，在所述过关闭位置中叶片形成具有与关闭位置的直径相比进一步减小的直径的孔口。

5.如权利要求4所述的涡轮增压器，其中每个叶片包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片构造成使得所述径向内边缘在入口调节机构的所述过关闭位置中共同使孔口形成为大致圆形的。

6.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述叶片的数目是三。

7.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中入口调节机构包含筒，所述筒包括轴向间隔开的一对环形端板，并且其中叶片布置在所述端板之间，筒布置在由压气机壳体限定的环形空间中。

8.如权利要求7所述的涡轮增压器，其中端板由穿过叶片中的孔的多个销间隔开，并且叶片绕着所述销枢转。

9.如权利要求1所述的涡轮增压器，其中入口调节机构进一步包含同步环，同步环绕着涡轮增压器的旋转轴线能旋转，其中叶片中的每个与同步环接合使得同步环的旋转促使叶片枢转。

10.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中每个叶片包括接合在同步环的内周缘中限定的槽口的端部。

11.如权利要求9所述的涡轮增压器，其中入口调节机构进一步包含多个导向件用于导向同步环的旋转。

12.如权利要求11所述的涡轮增压器，其中导向件布置成限制叶片径向向外枢转到打开位置的量。