CN108571462A - 用于涡轮增压器的可调trim的离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于涡轮增压器的离心式压缩机，该离心式压缩机包括用于压缩机的空气入口的入口调节机构，该入口调节机构可操作以便在空气入口的打开位置与关闭位置之间移动。入口调节机构包括多个轮叶，该多个轮叶形成为环形段并且设置在空气入口周围，并且其每一个能够通过空气入口壁中的槽周向地且径向地向内移动以便形成孔口，该孔口具有相对于该入口的标称直径减小的直径。入口调节机构从打开位置向关闭位置的移动能有效地使压缩机的喘振线移动至更低的流率。

Description

用于涡轮增压器的可调TRIM的离心式压缩机

技术领域

本公开内容涉及诸如用在涡轮增压器中的离心式压缩机，并且更具体地涉及能够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缩机。

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，以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便在发动机中与燃料混合并燃烧。涡轮增压器包括安装在轴的一端上的位于压缩机壳体中的压缩机叶轮，以及安装在轴的另一端上的位于涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且还有连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间的另一中心壳体以用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体限定大体环形的腔室，该腔室环绕涡轮机叶轮并接收来自发动机的废气。涡轮机组件包括从该腔室引导至涡轮机叶轮中的喷嘴。废气通过喷嘴从该腔室流至涡轮机叶轮，并且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缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周围空气，并且空气被压缩机叶轮压缩，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式（也被称为“径向式”）压缩机叶轮，因为离心式压缩机能够在紧凑的结构中实现相对高的压力比。用于压缩机的吸入空气在离心式压缩机叶轮的进口段部分处在大体轴向方向上被接收，并且在叶轮的出口段部分处在大体径向方向上被排出。来自叶轮的压缩空气被输送到蜗壳，并且空气从蜗壳被供应到内燃机的入口。

压缩机的运行范围是涡轮增压器总体性能的重要方面。运行范围由压缩机的运行特性图上的喘振线（surge line）和阻塞线（choke line）大体界定。压缩机特性图通常展现为竖直轴上的压力比（排出压力Pout除以入口压力Pin）对比水平轴上的折算质量流率。压缩机特性图上的阻塞线位于高流率处并且表示在压力比范围上的最大质量流率点的轨迹；也就是，对于阻塞线上的给定点，不可能在维持相同压力比的同时增加流率，因为在压缩机中发生了流动阻塞状况。

喘振线位于低流率处并且表示在无喘振的情况下在压力比范围上的最小质量流率点的轨迹；也就是，对于喘振线上的给定点，在不改变压力比的情况下减小流率或者在不改变流率的情况下增加压力比将导致喘振发生。喘振是流动不稳定性，其通常发生在压缩机叶片迎角变得过大以致于在压缩机叶片上出现显著的流动分离的时候。在喘振期间能够发生压力脉动和回流。

在用于内燃机的涡轮增压器中，压缩机喘振可能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存在高水平的废气再循环（EGR）的时候。喘振还能够出现在发动机从高速状态突然减速的时候。扩大压缩机的无喘振运行范围以便降低流率是压缩机设计中经常寻求的目标。

发明内容

本公开内容描述了用于离心式压缩机的机构和方法，该机构和方法使得压缩机的喘振线能够选择性地移动至左侧（即，在给定的压力比下使喘振延迟至更低的流率）。本文中描述的一个实施例包括具有如下特征的涡轮增压器：

涡轮机壳体和涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮安装在涡轮机壳体中并且连接至可旋转的轴以用于与该轴一起旋转，涡轮机壳体接收废气并且将废气供应至涡轮机叶轮；

离心式压缩机组件，该离心式压缩机组件包括压缩机壳体和压缩机叶轮，该压缩机叶轮安装在压缩机壳体中并且连接至可旋转的轴以用于与轴一起旋转，压缩机叶轮具有轮叶并且限定进口段部分，压缩机壳体具有限定用于将空气大体轴向地引导至压缩机叶轮中的空气入口的空气入口壁，压缩机壳体进一步限定用于接收从压缩机叶轮大体径向向外地排出的压缩空气的蜗壳；以及

压缩机入口调节机构，该压缩机入口调节机构设置在压缩机壳体的空气入口中并且能够在打开位置与关闭位置之间移动，入口调节机构包括设置在空气入口周围的多个轮叶，每个轮叶包括完整的360°环的一部分，轮叶的每一个能够通过围绕压缩机的旋转轴线的旋转运动同时相对于所述旋转轴线的径向运动的组合式运动而移动，轮叶通过空气入口壁中的槽移动至关闭位置以便形成具有相对于入口的标称直径减小的直径的孔口。

根据一个实施例，每个轮叶包括具有圆弧形状的径向内边缘，轮叶被构造成使得在入口调节机构的关闭位置中径向内边缘共同使孔口形成为基本上圆形。

在一个实施例中，入口调节机构包括独立式筒体，该独立式筒体包括第一环形端板和第二环形端板，第一环形端板和第二环形端板是静止的并且轴向地间隔分开，并且轮叶设置在所述端板之间。该筒体设置在由压缩机壳体限定的环形空间中。该环形空间能够被限定在压缩机壳体的主要部分与单独的入口管件之间，该单独的入口管件形成压缩机的空气入口的大部分。该入口管件被接收在容器中，该容器被限定在压缩机壳体的主要部分中。

根据替代实施例，入口调节机构具有非筒体形式，其中，第一端板的功能由压缩机壳体的整体部分来执行，并且第二端板的功能由入口管件的整体部分来执行。

根据一个实施例，入口调节机构进一步包括同步环（unison ring），该同步环能够围绕压缩机的旋转轴线旋转。轮叶的每一个包括一对周向隔开的第一销，该第一销从轮叶的第一面朝向同步环突出。同步环包括多对第一导槽，所述第一导槽的每一对用于一个轮叶，并且每个轮叶的第一销接合在同步环中的所述第一导槽的对应对中。第一导槽的每一个遵循沿着第一周向方向径向向外前进的路径。每个轮叶进一步包括一对周向隔开的第二销，该第二销从轮叶的第二面突出。能够作为第二端板的静止构件或者替代地在该机构的非筒体形式的情况中的入口管件包括多对第二导槽，所述第二导槽中的每一对用于一个轮叶，并且每个轮叶的第二销接合在所述第二导槽的对应对中。第二导槽的每一个遵循沿着所述第一周向方向径向向内前进的路径。第一导槽和第二导槽在交叉点处彼此交叉，该交叉点位于圆上，该圆从压缩机的旋转轴线起的半径随着同步环的旋转位置而变化。因此，同步环在第一周向方向上的旋转使得每个轮叶沿着第二导槽移动并且因此随着轮叶在所述第一周向方向上移动而径向向内移动。相反地，同步环在相反的第二周向方向上的旋转使得每个轮叶沿着第二导槽移动并且因此随着轮叶在所述第二周向方向上移动而径向向外移动。

附图说明

因此已经概括地描述了本发明，现在将参照附图，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缩机端轴向地看向涡轮机端，其中，入口调节机构处于打开位置；

图2是沿着图1的线2-2截取的涡轮增压器的横截面图；

图3是图2的涡轮增压器的压缩机部分的部分分解图；

图4是根据本发明的实施例的入口调节机构的透视图，其在大体上从该机构的前侧朝着后侧观察，示出了处于打开位置的机构；

图5是图4的入口调节机构的分解图；

图5A是图4的入口调节机构的侧立视图；

图5B是沿着图5A中的线5B-B截取的横截面图；

图6是类似于图4的视图，其示出了处于关闭位置的入口调节机构；

图7是图6的入口调节机构的分解图；以及

图8是如在图1中的涡轮增压器的端视图，但入口调节机构处于关闭位置。

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实施但不应被解释为限于本文中陈述的实施例；相反地，这些实施例被提供以便该公开内容将满足适用的法律要求。相同的附图标记始终表示相同的元件。

在图1中的轴向端视图中图示了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，在图2中示出了涡轮增压器的轴向横截面图。涡轮增压器包括压缩机和涡轮机。压缩机包括安装在压缩机壳体16中位于可旋转轴18的一端上的压缩机叶轮或压缩机轮14。压缩机壳体包括限定用于将空气大体轴向地引导至压缩机叶轮14中的空气入口17的壁。该轴支撑于安装在涡轮增压器的中心壳体20中的轴承中。通过与压缩机叶轮相比安装在轴的另一端上的涡轮机叶轮22使轴旋转，由此可旋转地驱动压缩机叶轮，压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并且将压缩空气从压缩机叶轮大体径向向外地排出至用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21被引导至内燃机（未示出）的入口以用于提高发动机的性能。

涡轮机叶轮22置与涡轮机壳体24内，该涡轮机壳体限定用于从内燃机（未示出）接收废气的环形腔室26。涡轮机壳体还限定喷嘴28，以用于将废气从腔室26大体径向向内地引至涡轮机叶轮22。当废气经过涡轮机叶轮时废气膨胀并且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缩机叶轮14。

参照图1-2，在图示的实施例中，限定空气入口17的壁部分地由压缩机壳体16形成并且部分地由单独的入口管件16d形成，该入口管件被接收到由压缩机壳体限定的柱形容器中。靠近压缩机叶轮14的空气入口17的部分限定大体柱形的内表面17i，其直径大体与压缩机叶轮的进口段部分14i的直径匹配。

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

根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括置于压缩机壳体的空气入口17中的入口调节机构100。在图示的实施例中入口调节机构包含环形组件或筒体，该环形组件或筒体置于压缩机壳体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进入压缩机叶轮的空气入口的有效直径。因此，入口调节机构能够在打开位置和关闭位置之间移动，并且能够被构造成被调节至介于所述位置之间的不同位置。

现在参照图4、图5、图5A以及图5B，入口调节机构包括多个轮叶102，多个轮叶102围绕空气入口的中心轴线设置并且其每一个能够通过组合的旋转运动和径向运动而移动，以用于调节由该机构限定的孔口的直径。每个轮叶102包括完整的360°环形环的一部分，并且轮叶共同地形成所述环。在图示的实施例中，入口调节机构是筒体，该筒体包括第一端板105、同步环106以及第二端板107。轮叶102轴向地设置在同步环106与第二端板107之间，同步环106邻近于轮叶的第一面，第二端板107邻近于轮叶的相对的第二面。第一端板105设置在与轮叶相对的同步环的一侧上。每个轮叶包括一对周向隔开的第一销P1（见图5B），该第一销P1从轮叶的第一面朝向同步环突出。同步环包括多对第一导槽106g，所述第一导槽的每一对用于一个轮叶。每个轮叶的第一销P1接合在同步环中的所述第一导槽106g的对应对中。每个第一导槽106g遵循沿着第一周向方向（即，在图5中为顺时针方向）径向向外前进的路径。

每个轮叶102进一步包括一对周向隔开的第二销P2，该第二销P2从轮叶的第二面突出（图4），并且入口调节机构包括静止构件，该静止构件邻近于轮叶的第二面并且在其中限定多对第二导槽107g。在本发明的图示的筒体实施例中，该静止构件是第二端板107，但是替代地在非筒体形式中，该静止构件能够是入口管件16d，并且第二导槽能够限定在该入口管件中。所述第二导槽107g的每一对用于一个轮叶，并且每个轮叶的第二销P2接合在所述第二导槽107g的对应对中。每个第二导槽107g遵循沿着所述第一周向方向（在图5中为顺时针方向）径向向内前进的路径。第一导槽106g和第二导槽107g在交叉点处彼此交叉，该交叉点位于圆上，该圆从压缩机的旋转轴线起的半径随着同步环106的旋转位置而变化。有利地，每对交叉的第一导槽和第二导槽的相应长度方向大致垂直于彼此。

因此，同步环106在第一周向方向（在图5中为顺时针方向）上的旋转引起每个轮叶沿着第二导槽107g移动并且因此虽然轮叶在所述第一周向方向上移动而径向向内移动。同步环在相反的第二周向方向上的旋转引起每个轮叶沿着第二导槽107g移动并且因此随着轮叶在所述第二周向方向上移动而径向向外移动（将示出打开位置的图4和图5与示出关闭位置的图6和图7进行比较）。通过从第二端板107突出的多个轴向突耳107e防止端板105和107相对于彼此旋转，该多个轴向突耳107e接合在第一端板105的径向外周中的对应的多个切口105c中。

在图示的实施例中，导槽106g和107g被示出为基本上直的。然而，替代地，导槽能够具有其它形状，诸如，弯曲的形状。在一些情况中，弯曲的导槽在轮叶102的运动和轨迹方面可能是有利的。

如在图2中所示，入口调节机构100的整个组件置于限定在压缩机壳体16与入口管件16d之间的环形空间中。在如图示的本发明的筒体实施例中，两个端板105和107具有与靠近压缩机叶轮的进口段14i的柱形入口表面17i的直径匹配的内径，以便使得两个端板实际上是限定空气入口17的壁的一部分，并且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S（图4）。轮叶102被设置成通过该槽。轮叶102的径向内边缘包括优选地大体圆弧形的部分，并且这些边缘共同地环绕和界定大体圆形的开口。轮叶的移动范围是足够的以便使得轮叶能够通过同步环在一个方向上的旋转而径向向外移动至如图4中所示的打开位置，在该打开位置中，轮叶完全位于端板105和107的内周的径向外部。这样一来，在轮叶的打开位置中，入口调节机构不会改变如由板的内周和入口表面17i限定的标称内径。

如所指出的，在替代实施例中（未示出），入口调节机构被实施为非筒体形式，其中，不存在单独的端板105和107。因此，第一端板105的功能能够由压缩机壳体16的整体部分来执行，并且第二端板107的功能可以由入口管件16d的整体部分来执行。

轮叶还能够通过同步环在相反方向上的旋转而径向向内移动至如图6中所示的关闭位置。在关闭位置中，沿着轮叶的径向内侧的圆弧边缘共同地形成孔口，该孔口是圈，该圈的直径小于入口表面17i的直径。这具有如下结果：入口的有效直径相对于标称内径被减小。以此方式，入口调节机构能够调节靠近压缩机叶轮的空气入口的有效直径。

如先前描述的，轮叶102由能够围绕空气入口的中心轴线旋转的同步环106致动以便在其打开位置与关闭位置之间移动。现在参照图3，旋转运动通过致动器116被传递至同步环，致动器116被接收在限定于压缩机壳体中的容器116a中。致动器包括致动器杆117，致动器杆117延伸通过限定在压缩机壳体中的空间并且在其远端处附接至销118，销118与同步环106的外周中的槽109（在图4中更清楚地看到）接合。致动器可操作以使杆117沿着其长度方向线性地延伸和缩回以便使同步环106旋转并且因此致动轮叶102。使杆延伸使轮叶朝向打开位置（图4）枢转，并且使杆缩回使轮叶朝向关闭位置（图6）枢转。

如所指出的，入口调节机构100能够实现对进入压缩机叶轮14中的入口的有效大小或直径进行调节。如在图6中所示，当入口调节机构处于关闭位置时，进入压缩机叶轮中的入口的有效直径由轮叶102限定的内径规定。为了实现该效果，在轮叶与压缩机叶轮之间的轴向间隔距离必须尽可能的小，以便使得在空气遇到其时在轮叶下游没有充足的距离来使流扩张至压缩机叶轮14的进口段部分14i的完整直径。因此，有效地将入口直径减小至由轮叶规定的值。

在低流率下（例如，低发动机速度），入口调节机构100能够置于图6至图8的关闭位置。这能够具有如下效果：减小有效入口直径并且因此增加进入压缩机叶轮中的流速。其结果将是压缩机叶片迎角的减小，从而有效地使流稳定（即，使得更不可能出现轮叶失速和压缩机喘振）。换言之，压缩机的喘振线将移动至更低流率（移动至压缩机压力比对比流率的特性图上的左侧）。

在中间流率和高流率下，入口调节机构100能够部分地打开或者完全地打开，如在图4至图5中所示。这能够具有如下效果：增加有效入口直径，以便使得压缩机重新获得其高流动性能和扼流，就如同入口调节机构不存在一样并且就如同压缩机在叶轮的进口段部分处具有与叶轮直径匹配的常规入口一样。

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改进例和其它实施例，这些改进例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八个轮叶102，但本发明不限于任何特定数量的轮叶。而且，如先前指出的，虽然在附图中图示了直的导槽106g和107g，但导槽不必是直的；如另一示例，导槽能够是弯曲的。图示的实施例包括彼此没有重叠的轮叶，但替代地，轮叶能够重叠。轮叶能够具有各种形状，诸如，镰刀形。此外，在图示的实施例中，入口调节机构100被形成为独立式筒体，但替代地，如所指出的，本发明的非筒体实施例也落在本发明的范围内。另外，在图示的实施例中，具有移动导槽106g的同步环106和具有固定导槽107g的端板107位于轮叶102的相对侧上。然而，替代地，这些部件的顺序能够更改以便使得端板107置于同步环106与轮叶102之间，在这种情况中，能够存在从每个轮叶的一个面上突出的单对销，该销经过固定导槽并且进入同步环的移动导槽中。因此，要理解的是，本发明不限于所公开的特定实施例并且改进例和其它实施例旨在被包括在所附权利要求书的范围内。尽管本文中使用了特定术语，但其仅仅是用于通用和描述性含义并且不是为了限制的目的。

Claims (5)

1.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器包括：

涡轮机壳体和涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮安装在所述涡轮机壳体中并且连接至可旋转的轴以用于与所述轴一起旋转，所述涡轮机壳体接收废气并且将所述废气供应至所述涡轮机叶轮；

离心式压缩机组件，所述离心式压缩机组件包括压缩机壳体和压缩机叶轮，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中并且连接至所述可旋转的轴以用于与所述轴一起旋转，所述压缩机叶轮具有轮叶并且限定进口段部分，所述压缩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至所述压缩机叶轮中的空气入口，所述压缩机壳体进一步限定蜗壳，所述蜗壳用于接收从所述压缩机叶轮大体径向向外排出的压缩空气；以及

压缩机入口调节机构，所述压缩机入口调节机构设置在所述压缩机壳体的所述空气入口中并且能够在打开位置与关闭位置之间移动，入口调节机构包括围绕所述空气入口设置的多个轮叶，每个轮叶包括完整的360°环的一部分，所述轮叶的每一个能够通过围绕所述压缩机的轴线的旋转运动同时相对于所述轴线的径向运动的组合式运动而移动，当所述轮叶处于所述关闭位置时，所述轮叶通过所述空气入口壁中的槽向内移动以便形成具有相对于所述入口的标称直径减小的直径的孔口。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，每个轮叶包括具有圆弧形状的径向内边缘，所述轮叶被构造成使得在所述入口调节机构的所述关闭位置中所述径向内边缘共同使所述孔口形成为基本上圆形。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述入口调节机构进一步包括同步环，所述同步环能够围绕所述涡轮增压器的旋转轴线旋转，其中，所述轮叶的每一个与所述同步环接合以便使得所述同步环的旋转使得所述轮叶径向地且周向地移动。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，所述轮叶的每一个包括一对周向隔开的第一销，所述第一销从所述轮叶的第一面朝向所述同步环突出，所述同步环包括多对第一导槽，所述第一导槽中的每一对用于一个轮叶，并且每个轮叶的所述第一销接合在所述同步环中的所述第一导槽的对应对中，其中，所述第一导槽的每一个遵循沿着第一周向方向径向向外前进的路径；

其中，每个轮叶进一步包括一对周向隔开的第二销，所述第二销从所述轮叶的第二面突出，所述入口调节机构包括静止构件，所述静止构件邻近于所述轮叶的所述第二面并且在其中限定多对第二导槽，所述第二导槽中的每一对用于一个轮叶，并且每个轮叶的所述第二销接合在所述第二导槽的对应对中，其中，所述第二导槽的每一个遵循沿着所述第一周向方向径向向内前进的路径，以及其中，所述第一导槽和所述第二导槽在交叉点处彼此交叉，所述交叉点位于圆上，所述圆从所述压缩机的所述旋转轴线起的半径随着所述同步环的旋转位置而变化；

所述同步环在所述第一周向方向上的旋转使得每个轮叶沿着所述第二导槽移动并且因此随着所述轮叶在所述第一周向方向上移动而径向向内移动，并且所述同步环在相反的第二周向方向上的旋转使得每个轮叶沿着所述第二导槽移动并且因此随着所述轮叶在所述第二周向方向上移动而径向向外移动。

5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述入口调节机构包括筒体，所述筒体包括第一环形端板和第二环形端板，所述第一环形端板和所述第二环形端板是静止的并且轴向地间隔分开，并且所述轮叶设置在所述端板之间，其中，所述筒体设置在由所述压缩机壳体限定的环形空间中，以及其中，具有所述第二导槽的所述静止构件包括所述第二端板。