CN108019362A - 具有非对称第二级入口管的双级压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有非对称第二级入口管的双级压缩机。用于涡轮增压器的多级压缩机包括压缩机壳体，该压缩机壳体限定了用于接收压缩机叶轮的孔口以用于在第一级和第二级中连续地压缩空气。第一级入口和第二级入口在相反的轴向方向上流体地连接至该孔口，并且第一级蜗壳和第二级蜗壳至少部分地围绕其环形延伸以使得每个蜗壳被构造成接收从压缩机叶轮大体上径向向外流动的气体。第一通路和第二通路将第一级蜗壳流体地连接至第二级入口。该通路从相反的径向向内的方向上接近第二级入口，并且当在垂直于涡轮增压器轴线的横向截面上观察时，该通路相对于具有位于涡轮增压器旋转轴线上的原点的任意一对正交轴线是非对称的。

Description

具有非对称第二级入口管的双级压缩机

技术领域

本发明一般涉及一种多级压缩机，并且更特别地涉及一种具有第一级蜗壳和第二级蜗壳的两级离心或径流压缩机以用于连续输送气体通过压缩机的各级并且由此在多级中顺序地压缩气体。

背景技术

压缩机（诸如用在涡轮增压器中的压缩机）通常包括压缩机叶轮，该压缩机叶轮可旋转地安装在壳体中并且限定靠近壳体的内表面径向向外延伸的叶片。壳体限定了用于在轴向方向上接收空气或其他气体的入口，以及在叶轮周围周向地延伸的环状扩散器以便在径向方向上从其接收空气。从扩散器径向向外设置的蜗壳被构造成从扩散器接收空气。在操作期间，通过压缩机叶轮的叶片的旋转来压缩空气并且将空气通过扩散器径向向外输送至蜗壳。压缩机叶轮通常高速旋转以使得空气高速移动至扩散器，随后扩散器减缓空气并且增大空气的静态压力。在与扩散器相比提供了相对大体积的蜗壳中，空气的速度被进一步降低并且空气的静态压力也被增加。

在具有多个顺序级的压缩机的情形中，空气能够在第一级中被压缩至第一压力并且在第二级中被进一步压缩至更高的压力。例如，Arnold等人的美国专利第6,062,028号（2000年5月16日授权并转让给本申请的受让人）描述了一种“低速高压比涡轮增压器”，其能够具有两级压缩机，该两级压缩机具有背对背的径流压缩机叶轮以及整体空气流动管道。相对于单级装置，涡轮增压器的旋转速度能够被降低和/或压力比能够被增加。

虽然常规的两级压缩机已经被证明是有效的并且提供了优于一些单级压缩机的优点，但是对于能够用于在多级中顺序地压缩气体的改进的压缩机存在持续需求。特别地，压缩机应该提供从第一级的出口至第二级的入口的平稳气流，优选地同时减小离开第一级的气体涡流和/或同时减小在离开第二级的气体与从第一级流动至第二级的空气之间的热能传递。

发明内容

根据本发明的一个实施例，能够通过以非对称方式构造从第一级蜗壳通向第二级入口中的管道或通路而更容易地控制进入第二级入口中的平均涡流水平。在本文中描述的一个实施例中，涡轮增压器包括：

中心壳体，该中心壳体限定了在轴向方向上延伸通过该中心壳体的孔，其中，轴承安装在孔中并且可旋转轴支撑在轴承中以便能够围绕涡轮增压器轴线旋转，该轴具有相对端部，该中心壳体具有轴向相对的侧部；

压缩机叶轮和涡轮机叶轮，该压缩机叶轮安装在轴的一端上，以及该涡轮机叶轮安装在轴的另一端上；

压缩机壳体，该压缩机壳体包围压缩机叶轮并且具有相对的第一侧部和第二侧部，第二侧部安装至中心壳体的侧部的一个；

涡轮机壳体，该涡轮机壳体安装至包围涡轮机叶轮的中心壳体的另一侧部，涡轮机壳体限定了围绕涡轮机叶轮的环状腔室以用于接收废气并且将废气径向向内引导至涡轮机叶轮中；

压缩机叶轮具有背对背设置的第一级推进器和第二级推进器，压缩机壳体限定了在轴向方向上延伸至压缩机壳体的第一侧部中的第一级入口以用于将空气提供至第一级推进器中，并且限定了在与该轴向方向相反的方向上延伸至压缩机壳体的第二侧部中的第二级入口以用于将空气提供至第二级推进器中，压缩机壳体限定了围绕第一级推进器的大体上环状的第一级蜗壳以用于接收从其排出的空气，以及围绕第二级推进器的大体上环状的第二级蜗壳以用于接收从其排出的空气的通常环状；以及

压缩机壳体限定了两个单独的通路，该两个单独的通路中的每一个从第一级蜗壳延伸并且随后继续大体上径向向内延伸至第二级入口中，其中，第一级蜗壳包括基本上共同围住第一级推进器的两个大体上半环形区段，通路中的一个连接至一个区段，以及通路中的另一个连接至另一个区段。根据本发明，在垂直于涡轮增压器轴线的横截面平面中的通路具有下述构造：当沿着涡轮增压器轴线观察时，该构造相对于具有位于涡轮增压器轴线上的原点的每一对正交轴线是非对称的。

在一个实施例中，通向第二级入口中的两个通路由形成两个在直径上相对的舌部的壁限定，该舌部用作直径D1°处于最小值处的夹点（pitch point），其中，第二级入口的直径被限定为D1，以及其中，直径比D1/D1°在约0.75至0.85的范围内。

在一个实施例中，入口结构的非对称角Δ限定在径向线L1和Y轴之间，径向线L1在舌部之间延伸，Y轴从涡轮增压器旋转轴线延伸通过假想径向线，该假想径向线将第二级蜗壳与接合至第二级蜗壳以用于将空气引导出第二级蜗壳的排出区段分开，其中，该非对称角在约15°至约30°的范围内。

在一个实施例中，通向第二级入口中的第一通路和第二通路分别由第一壁和第二壁限定，第一壁具有左侧壁和右侧壁，第二壁具有左侧壁和右侧壁，其中，第一左侧壁和第二左侧壁形成左侧舌部，以及第一右侧壁和第二右侧壁形成右侧舌部，该舌部用作直径D1°处于最小值处的夹点。根据本发明，在该实施例中，在舌部处，第一通路的右侧壁的切线以及第二通路的左侧壁的切线的每一个相对于在舌部之间延伸的径向线L1形成角度ALPHA，并且第一通路的左侧壁的切线以及第二通路的右侧壁的切线的每一个相对于线L1形成角度BETA，并且角度ALPHA超过角度BETA至少15°。

附图说明

因此已经一般地描述了本发明，现在将参照附图，附图无需按照比例绘制，以及其中：

图1是图示了根据本发明的一个实施例的具有多级压缩机的涡轮增压器的轴向横截面视图；

图2是图示了图1的涡轮增压器的压缩机壳体的立视图；

图3是如从图2的右侧观察的图示了压缩机壳体的立视图；

图4是图示了图2的压缩机壳体的轴向横截面视图；

图5是沿着图4中的线5-5截取的横截面视图；

图5A与图5类似，但是包括不同注释以用于图示本发明的实施例的其他特征；以及

图6是图示了图2至图5的压缩机壳体的流动路径的模型的立视图。

具体实施方式

现在将在下文中参照附图完整地描述本发明，其中，本发明的一些实施例但是并非全部实施例被示出。实际上，本发明可以以多种不同的形式实施并且不应被理解为限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例以使得本发明将满足可适用的法律要求。贯穿全文，相同的数字表示相同的元件。

参照图1，其示出了根据本发明的一个实施例的具有多级压缩机12的涡轮增压器10。压缩机12包括可旋转地安装在由压缩机壳体20的本体限定的腔体或孔口18中的压缩机叶轮16。涡轮增压器10包括具有置于涡轮机壳体24中的涡轮机叶轮22的涡轮机14。压缩机叶轮16通过在压缩机叶轮16和涡轮机叶轮22之间沿轴向方向延伸的轴26而连接至涡轮机叶轮22。如图1中所示，轴26可旋转地安装在压缩机12与涡轮机14之间的中心壳体28中，并且在中心壳体28中由轴承30支撑。中心壳体28还能够限定一个或多个通路32以用于接收并循环油流以用于润滑和冷却。

涡轮增压器10被构造成从内燃机（未示出）的废气中提取能量。特别地，涡轮机叶轮22能够通过经过涡轮机壳体24的废气流而旋转，由此使轴26旋转以使得压缩机叶轮16压缩流过压缩机壳体20的空气并且将该压缩空气输送至发动机的进气口（未示出）。虽然在图1中图示了涡轮增压器10的一个实施例，但要意识到的是，根据本发明可以使用涡轮增压器的其他构造。另外，在本发明的其他实施例中，压缩机12能够用于压缩其他气体（该气体能够用于其他目的），并且与涡轮增压器之外的其他装置结合使用。

多个叶片34a、34b从压缩机叶轮16径向向外延伸，并且叶片34a、34b靠近壳体20的成型内表面36延伸，因此压缩机叶轮16能够用于压缩并输送空气或其他气体穿过壳体20。更特别地，压缩机12包括第一级和第二级38a、38b以用于连续地压缩空气或其他气体，通常在第一级38a中压缩至第一压力，并且随后在第二级38b中压缩至更高的第二压力。以该方式，压缩机12通常能够比传统的单级压缩机实现更高的压力和/或具有较低的操作旋转速度。

压缩机12能够包括多个压缩机叶轮以用于连续地压缩空气，诸如对应于压缩的第一级和第二级的第一叶轮和第二叶轮，并且该叶轮能够沿着相同或不同的旋转轴线以类似或不类似的构造而构造。替代地，如图1中所示，单个压缩机叶轮16能够限定对应于不同压缩级的不同部分。即，压缩机叶轮16能够限定置于压缩机12的第一级38a中的第一叶片组34a，以及置于压缩机12的第二级38b中的第二叶片组34b。叶片34a、34b径向向外延伸并且沿着压缩机12的轴向方向。特别地，第一叶片组34a沿着朝向压缩机壳体20的第一级入口40的第一轴向方向，以及第二叶片组34b沿着朝向压缩机壳体20的第二级入口42的相反的第二轴向方向。

如图1中所示，压缩机12的第一级和第二级38a、38b限定了“背对背”构造，其中，第一级入口40和第二级入口42指向相反的轴向方向。即，压缩机叶轮16被构造成在第一方向上接收气体进入第一级入口40中，并且在通常相反的共线方向上接收气体进入第二级入口42中。如下面进一步描述的，气体从压缩机12的第一级38a循环至第二级38b。此后，气体能够经由第二级出口44从第二级38b排出，第二级出口44能够朝向内燃机等的入口沿大体上切向方向延伸。

例如如图1和图4中所示，压缩机壳体20限定了第一级蜗壳和第二级蜗壳46、48，其对应于压缩机12的第一级和第二级38a、38b。蜗壳46、48的每一个被构造成在大体上径向向外的方向上经由扩散器50、52从压缩机叶轮16的相应叶片组34a、34b接收气体。即，由壳体20限定的第一级扩散器50围绕第一叶片组34a周向延伸，并且将孔口18流体地连接至第一级蜗壳46。类似地，由壳体20限定的第二级扩散器52围绕第二叶片组34b周向延伸，并且将孔口18流体地连接至第二级蜗壳48。因此，压缩机12的每级38a、38b被构造成沿大体上轴向方向接收气体并且沿大体上径向方向向外输送气体穿过相应的扩散器50、52并进入相应蜗壳46、48中。

第一和第二扩散器50、52由挡板54或密封板隔开。挡板54被构造成相对于壳体20保持静止以使得压缩机叶轮16邻近于挡板54旋转，但是在其他情形中，挡板54能够与叶轮16一起旋转。在任何情形中，能够在挡板54与叶轮16和/或壳体20之间设置密封件56以防止气体在扩散器50、52或蜗壳46、48之间直接流动。

现在参照蜗壳46、48的构造，在图2中示出的是，第一级蜗壳46包括第一段和第二段或第一部分和第二部分46a、46b。每个部分46a、46b围绕压缩机叶轮16延伸大约180度并且通过由压缩机壳体20形成的两个通路58a、58b或管道中的相应的一个而流体地连接至第二级入口42。每个通路58a、58b在第一级蜗壳46和第二级入口42之间轴向延伸并且径向向外经过第二级蜗壳48。

通路58a、58b的构造进一步图示在图5和图6中。图5是在图4的线5-5上的横截面视图。图6为了清楚图示的目的以实心形式示出了由通过压缩机的流动路径的一部分限定的空隙，并且特别地示出了由蜗壳46、48以及通路58a、58b限定的空隙。在这方面，要注意的是，本文中使用的术语“蜗壳”、“通路”和“扩散器”表示对应的结构以及由此限定的空隙或空间。如所示，第二级蜗壳48能够围绕壳体20的孔口18基本上连续且环形地延伸。通常，第二级蜗壳48限定沿穿过其的气流方向增大的横截面大小。第二级蜗壳48的出口44能够从第二级蜗壳48向外沿大体上切向方向延伸。类似地，第一级蜗壳46能够以环形构造连续地延伸，其中，第一级蜗壳46的每个部分46a、46b延伸大约180度。第一级蜗壳46的每个部分46a、46b也能够具有沿气流方向增大的横截面大小，即，朝向从其延伸至第二级入口42的通路58a、58b的相应的一个。因此，气体的速度能够在蜗壳46/48中降低。

如上所述，第二级蜗壳48通常轴向定位在第一级蜗壳46与第二级入口42之间，并且每个通路58a、58b轴向地延伸经过第二级蜗壳48以便将第一级蜗壳46连接至第二级入口42。在这方面，每个通路58a、58b能够从第一级蜗壳46延伸至第二级蜗壳48径向向外的位置，并且由此延伸至第二级入口42。通常，通路58a、58b在基本上切向方向上从第一级蜗壳46的相应部分延伸，但是通路58a、58b能够邻近于第二级入口42在基本上径向方向上延伸以便减小第二级入口42中的气体的涡流。另外，通路58a、58b能够从第一级蜗壳46处的大体上环状构造转变至第二级入口42处的平坦构造，即，具有压缩机壳体20的横向方向上的第一尺寸的横截面大小的构造，该第一尺寸大于第一级蜗壳46的宽度和/或大于在轴向方向上的每个通路58a、58b的第二垂直尺寸。

在根据本发明的一个实施例的操作中，空气在压缩机12的第一级和第二级38a、38b中被连续压缩。特别地，通过第一级入口40接收空气至压缩机叶轮16的第一叶片组34a，即，涡轮16的第一级。当压缩机叶轮16旋转时，空气被压缩至第一压力并且输送至第一级蜗壳46。空气从第一级蜗壳46循环通过第一通路和第二通路58a、58b并且由此在大体上轴向方向上通过第二级入口42至叶轮16的第二叶片组34b，即，叶轮16的第二级。特别地，空气在径向向外延伸超出第二级蜗壳48的路径中循环通过每个通路58a、58b并且从第一级蜗壳46至与第一级蜗壳46径向相反的第二级蜗壳48的位置。空气能够沿与进入第一级38a的空气方向相反的轴向方向进入第二级38b。空气随后被再次压缩并且在第二压力下输送至第二级蜗壳48。

根据本发明，第一通路和第二通路58a和58b被构造成提供进入第二级入口42的最佳流动条件。特别地，如图5和图6所示，第一通路和第二通路58a、58b能够围绕第二级入口42的圆周使流体扩散，使得空气以基本上均匀的压力和速度进入第二级入口42。第一通路和第二通路58a、58b被构造成非对称的以便提供进入第二级入口42中的所需流动。特别地参照图5，第一通路58a由左壁59aL和相对的右壁59aR限定。第二通路58b由左壁59bL和右壁59bR限定。根据本发明，在通过第一通路和第二通路58a和58b的横向横截面上（即，在垂直于涡轮增压器的旋转轴线的平面上，如由图5中的横截面所示例的），不存在具有位于第一通路和第二通路58a和58b关于其对称的涡轮增压器轴线上的原点的正交轴线组。

图5包括额外的注释以用于解释特征化本发明的实施例的非对称角和直径。在图5中能够看到的是，左侧壁59aL和59bL在它们的径向内端彼此接合并且形成舌部59tL，舌部59tL用作直径处于最小值处的夹点。右侧壁59aR和59bR类似地形成舌部59tR，舌部59tR与左侧舌部59tL在直径上相对。限定在舌部59tL和59tR之间的直径被标注为D1°。第二压缩机入口42的直径被标注为D1。根据本发明的实施例，直径比D1/D1°在大约0.75至0.85的范围内。

图5还图示了入口结构的非对称角Δ。非对称角限定在于舌部59tL和59tR之间延伸的直线L1以及参照图2和图3清楚示出的Y轴之间。由轴线X、Y和Z限定的相互正交的XYZ笛卡尔坐标系绘制在图2和图3上。Y轴被限定为从涡轮增压器旋转轴线延伸通过第二压缩机级的T-T截面的轴线。如本领域中已知的，T-T截面（参见图6）是划分蜗壳（在该情形中，第二蜗壳48）与排放区段或管道44的假想径向线。X轴正交于Y轴，并且沿着与空气经由排出管道44离开第二压缩机级的方向相反的方向对准。Z轴与X轴和Y轴相互正交，并且遵循右侧螺旋准则以使得压缩机叶轮沿一方向旋转以将X轴旋转至Y轴，Z轴随后指向“拇指”方向。非对称角Δ限定在于舌部之间延伸的直线L1以及如图5所示的Y轴之间。根据本发明的实施例，非对称角Δ在大约15°至大约30°的范围内。

参照图5A，其示出了通路非对称性的另一方面。在右侧壁59aR与右侧舌部59tR相遇处第一通路58a的右侧壁59aR的切线相对于线L1形成角度ALPHA。第二通路58b的左侧壁59bL的切线相对于线L1形成相同的角度ALPHA。另一方面，第一通路的左侧壁59aL的切线以及第二通路58b的右侧壁59bR的切线相对于线L1形成角度BETA。根据本发明的实施例，ALPHA减去BETA为15°和30°之间。作为一个示例，ALPHA能够为约45°，并且BETA能够为约30°（因此BETA/ALPHA=0.66）。作为另一示例，ALPHA能够为约60°，并且BETA能够为约40°（因此BETA/ALPHA=0.66）。在舌部处的右侧壁和左侧壁的角度定向的差值在本文中称为通路的“斜交角（skew angle）”。在双级串联压缩机的现有技术结构中（诸如在由本申请共同所有并且在此通过全文引用方式并入本文中的美国专利序列号7,014,418中），斜交角为零。通过采用非零的斜交角，并且特别地通过使斜交角为约15°至30°，进入第二级推进器中的涡流角能够被控制为最佳，尤其在喘振（surge）状况下或接近喘振状况以及在扼流（choke）状况下或接近扼流状况。例如，斜交角能够被选择成使得在喘振下的涡流角在0°和25°之间，平均为12°，并且在扼流下的涡流角在-5°和15°之间，平均为5°。当然，这些涡流水平仅是用于图示说明目的的示例；本发明不限于任何特别的涡流值。

通路58a和58b的非对称构造提供了在通路设计中的额外的自由度，因此在第二级入口42处的平均涡流能够被控制为期望水平。非对称设计对于控制扼流状况下的平均涡流尤其有效，这对于维持从喘振至扼流的压缩机性能的宽范围是重要的。

在本文中使用的特定术语是为了解释说明的目的而非限制的目的而采用。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，并且改进例和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。没有脱离所描述的本发明的概念的其他变形例也包括在所附权利要求的范围内。

Claims (6)

1.一种涡轮增压器，包括：

中心壳体，所述中心壳体限定了在轴向方向上延伸通过所述中心壳体的孔，其中，轴承安装在所述孔中并且可旋转轴支撑在所述轴承中以便能够围绕涡轮增压器轴线旋转，所述轴具有相对端部，所述中心壳体具有轴向相对的侧部；

压缩机叶轮和涡轮机叶轮，所述压缩机叶轮安装在所述轴的一端上，所述涡轮机叶轮安装在所述轴的另一端上；

压缩机壳体，所述压缩机壳体包围所述压缩机叶轮并且具有相对的第一侧部和第二侧部，所述第二侧部安装至所述中心壳体的侧部中的一个；

涡轮机壳体，所述涡轮机壳体安装至包围所述涡轮机叶轮的所述中心壳体的另一侧部，所述涡轮机壳体限定了围绕所述涡轮机叶轮的环状腔室以用于接收废气并且将废气径向向内引导至所述涡轮机叶轮中；

所述压缩机叶轮具有背靠背设置的第一级推进器和第二级推进器，所述压缩机壳体限定了在轴向方向上延伸至所述压缩机壳体的第一侧部中的第一级入口以用于将空气提供至所述第一级推进器中，并且限定了与所述轴向方向相反地延伸至所述压缩机壳体的第二侧部中的第二级入口以用于将空气提供至第二级推进器中，所述压缩机壳体限定了围绕所述第一级推进器的大体上环状的第一级蜗壳以用于接收从其排出的空气，以及围绕所述第二级推进器的大体上环状的第二级蜗壳以用于接收从其排出的空气；以及

所述压缩机壳体限定了两个单独的第一通路和第二通路，所述第一通路和第二通路的每一个从所述第一级蜗壳延伸并且随后大体上径向向内继续延伸至所述第二级入口中，其中，所述第一级蜗壳包括基本上共同地围住所述第一级推进器的两个大体上半环状的区段，所述第一通路连接至所述区段中的一个并且所述第二通路连接至所述区段中的另一个，其中，在垂直于所述涡轮增压器轴线的横截面平面中的所述第一通路和第二通路具有下述构造：当沿着所述涡轮增压器轴线观察时，所述构造关于具有位于所述涡轮增压器轴线上的原点的每对正交轴线是非对称的。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第一级蜗壳限定两个部分，每个部分在两个通路之间延伸并且具有在朝向相应的一个通路的方向上增大的横截面大小，所述相应的一个通路从所述部分大体上切向延伸。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第二级蜗壳的横截面大小在朝向所述出口管道的方向上增加。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，通向所述第二级入口的所述第一通路和第二通路分别由第一壁和第二壁限定，所述第一壁和第二壁形成用作直径D1°处于最小值处的夹点的两个在直径上相对的左侧舌部和右侧舌部，其中，所述第二级入口的直径被限定为D1，以及其中，直径比D1/D1°在约0.75至0.85的范围内。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述入口结构的非对称角Δ限定在径向线L1与Y轴之间，所述径向线L1在所述舌部之间延伸，所述Y轴从所述涡轮增压器旋转轴线延伸通过假想径向线，所述假想径向线将所述第二级蜗壳与接合至所述第二级蜗壳以用于将空气引导出所述第二级蜗壳的排出区段分开，其中，所述非对称角Δ在约15°至约30°的范围内。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，通向所述第二级入口的所述第一通路和第二通路分别由第一壁和第二壁限定，所述第一壁具有左侧壁和右侧壁，所述第二壁具有左侧壁和右侧壁，其中，所述第一左侧壁和第二左侧壁形成左侧舌部，以及所述第一右侧壁和第二右侧壁形成右侧舌部，所述舌部用作直径D1°处于最小值处的夹点，其中，在所述舌部处，所述第一通路的右侧壁的切线以及所述第二通路的左侧壁的切线的每一个相对于在所述舌部之间延伸的径向线L1形成角度ALPHA，以及所述第一通路的左侧壁的切线以及所述第二通路的右侧壁的切线的每一个相对于所述线L1形成角度BETA，并且所述角度ALPHA超过所述角度BETA至少15°。