CN109072939A - 径流式压缩机的扩压器 - Google Patents

Abstract

在径流式压缩机的扩压器中的流动通道在扩压器区段的入口区域中经历强烈的横截面放大。由此已经在实际的扩压器通道之前给流动提供更多的空间，这导致提早的减速和相应的压力建立。因此在压缩机的随后的子部件中流动的速度减小，伴随着相应地减小的流动损失。

Description

径流式压缩机的扩压器

技术领域

本发明涉及流体机械的领域，本发明涉及径流式压缩机(Radialverdichter)的扩压器(Diffusor)、带有如此的扩压器的径流式压缩机以及具有带有如此的扩压器的径流式压缩机的废气涡轮增压器。

背景技术

径流式压缩机尤其在废气涡轮增压器中使用以用于对内燃机进行增压。径流式压缩机的压缩机叶轮给予进入的空气流转动运动，由此由于离心力建立带有径向向外增加的压力的压力场。来自压缩机叶轮的空气流的始终相对高的离开速度要求在扩压器中减速以用于使流动速度在螺旋状的收集腔(Sammelraum，有时称为集流室)(螺旋形件)中保持为低的，由此减少壁摩擦损失且总体上改进压缩机级的效率。

径流式压缩机的扩压器、还称为径流式扩压器在此通常设计为平行壁的环形空间。该环形空间径向上联接到压缩机叶轮出口处。环形空间通常由两个环状的板件限制，这两个板件垂直或近似垂直于压缩机的轴的转动轴线。

附加地，通过增加带有沿着周缘布置的导叶(具有特定轮廓的叶片，楔形叶片或圆弧状的叶片以用于流动引导)的导轮能够提高扩压器的效率。文件DE102008044505显示了针对安装有叶片的扩压器的示例。

径流式扩压器的重要的参数为在两个相邻导叶之间的最窄的横截面(喉部)、通道出口/通道入口的面积比例(AR)和通道长度和入口宽度的比例(LWR)。

在扩压器中，面积A在流动方向上随着半径增大径向地向外增大(A=2*pi*r*b，b=宽度)。通过侧壁发散(与平行性有偏差)，扩压器通道能够不仅在叶片之间而且在侧壁的方向上扩大且因此主要加强在通道部分中的减速。这相对于平行壁的扩压器在结构长度相同的情形中导致更强的减速且因此有助于附加地改进的压缩机效率。但是对于给定的运行点的在扩压器中通过几何结构变化可实现的减速或者压力提高被限制，因为在太强的减速的情形中由于在扩压器中的边界层分离发生流动不稳定性，这能够不利地影响压缩机综合特性曲线宽度(稳定的运行区域)。

发明内容

本发明的任务是，如下优化径流式压缩机的扩压器，即尽管存在大的减速但是流动不稳定性消失。

根据本发明，这通过在扩压器区段的入口区域中的被流经的面的强烈的放大实现。由此已经在实际的扩压器通道之前给流动提供更多的空间，这导致提早的减速和相应的压力建立。由此，因此在压缩机的随后的子部件中流动的速度减小，伴随着相应地减小的流动损失。此外在安装有叶片的扩压器部件之前的空间中且在一半安装有叶片的扩压器区域中强的减速连同从属的强烈的压力建立积极地影响综合特性曲线宽度。

在安装有叶片的扩压器之前/在安装有叶片的扩压器的入口区域中的流动横截面的强烈的放大通过在侧边的扩压器壁(平行壁或带有发散)中的环绕的凹进部实现。环绕的凹进部优选地通过侧边的扩压器壁的车削制造。但是在更大的生产技术耗费的情况下，借助于铣削或直接原型成形包括凹进部在内的扩压器壁制造环绕的凹进部也是可行的。凹进部能够位于两个侧壁上或仅仅位于侧壁中的一个上。凹进部能够以一个或多个阶形部实现。凹进部还能够实施为斜坡。

凹进部在此位于转动轮出口和在两个相邻的叶片之间的最窄的横截面(喉部)之间的区域中。

在喉部中的因此获得的面尤其在平的扩压器叶片角度的情形中允许在扩压器入口的区域中的提升的流动减速结合减小的错误流入损失。利用凹进部扩压器角度和喉部的面能够彼此不相关地调整。因此能够在非常平的扩压器叶片角度的情形中实现确定的喉部面，这导致接近泵送极限(Pumpgrenze)的有利的、损失减小的入流条件。

附图说明

本发明随后根据图纸进一步被解释。其中：

图1显示了传统的废气涡轮增压器的示意图，其中带有安装有叶片的径流式扩压器的压缩机侧相比于涡轮侧更详细地显示，

图2显示了带有在壳体壁中的护罩侧(shroudseitig)的凹进部的根据本发明构造的扩压器的压缩机侧的局部，

图3显示了带有在壳体壁中的轮毂侧的、斜坡状的凹进部的根据本发明地构造的扩压器的压缩机侧的局部，

图4显示了带有在壳体壁中的两侧的凹进部的根据本发明构造的扩压器的压缩机侧的局部，

图5显示了带有在壳体壁中的两侧的、斜坡状的凹进部的根据本发明构造的扩压器的压缩机侧的局部，

图6显示了带有在壳体壁中的两侧的、多阶的凹进部的根据本发明构造的扩压器的压缩机侧的局部，且

图7显示了带有在壳体壁中的在护罩侧上斜坡状的和在轮毂侧上多阶的凹进部的根据本发明构造的扩压器的压缩机侧的局部。

具体实施方式

图1显示了带有示意性地示出的废气涡轮50的废气涡轮增压器，该废气涡轮通过气体入口51加载有借助于废气涡轮增压器待增压的内燃机的废气。在废气流中包含的能量在涡轮中被转变为旋转能量以用于驱动通过轴30与涡轮的转动轮(Laufrad，有时称为叶轮)连接的压缩机叶轮。压缩机叶轮包括轮毂10和大量布置在轮毂上的动叶11。轴30可转动地支承在轴承壳体40中。压缩机叶轮本身布置在邻接轴承壳体40的压缩机壳体2中。压缩机壳体在示出的实施方式中包括外部的部件(外部的压缩机壳体22)和插入的内部的部件(内部的压缩机壳体20)。压缩机壳体的不同的部件连同压缩机叶轮的轮毂和轴承壳体的壁部分限制用于待压缩的空气质量的流动通道。以在图中利用箭头表明的方式，待压缩的空气在轴向方向上输送到压缩机叶轮上。压缩机叶轮的动叶的区域，流动通道通过轮毂10和内部的压缩机壳体20限制。在该区段中流经历从轴向方向到径向的方向中的方向变化。紧接着流进入到扩压器的区域中，该区域形成从压缩机叶轮的出口直至在外部的压缩机壳体中的收集腔24的流动区段23。收集腔构造为螺旋状的，其中在螺旋形件的宽的端部处空气流在朝向增压空气冷却器或内燃机的空气入口的方向上离开压缩机。

扩压器区域基本上为环状的空腔，该空腔在两侧由环面状的壁限制。从压缩机叶轮的动叶的角度来看提及护罩侧的(叶片顶端侧的)壁区段21和轮毂侧的壁区段41。两个壁区段21和41(这两个壁区段从压缩机叶轮出口延伸直至通入到螺旋状的收集腔中的通口)在示出的实施方式中垂直于画入的轴轴线伸延。可选地，如在开头所描述的那样，要么护罩侧的壁区域要么轮毂侧的壁区域要么两个壁区域能够与严格径向的方向有偏差，从而产生轻微地发散的壁走向。

如在开头所描述的那样，扩压器区域能够被安装有叶片，带有大量沿着周缘布置的导叶25。所述导叶通常构造为具有特定轮廓的叶片、楔形叶片或圆弧状的叶片以用于流动引导。它们能够规则地或不规则地分布且布置在相同的或有偏差的径向高度上且相同地或不同地成型地构造。在两个相邻地布置的导叶之间分别存在带有最窄的横截面的部位，该部位在专业术语中称作为喉部。

在图2到图7中显示了带有流动通道横截面的根据本发明的放大的扩压器的不同的实施方式。图2和图3显示了不同的设计方案的单侧地布置的凹进部，图4到图7显示了不同的设计方案的双侧地布置的凹进部。

在根据图2的实施方式中，带有限制扩压器的壁区段41的轮毂侧的壳体壁与压缩机叶轮的出口是齐平的，从而在轮毂侧没有发生流动横截面扩大。流动横截面扩大能够为此在相对而置的护罩侧上发现。在该第一实施方式中，凹进部211构造为直角的阶形部，该直角的阶形部相对于壳体壁以大约90°的角度伸延。可选地，角度能够为更尖的，从而凹进部以倾斜的斜坡的形状呈现。

根据图3的实施方式具有如此的斜坡形的凹进部。但是在该实施方式中单侧的横截面扩大布置在轮毂侧，即布置在从属于轴承壳体的壁区段41中。在压缩机叶轮的输出口处的流动通道231由于轮毂侧的凹进部402在流动方向上扩大成在扩压器的导叶25的区域之前且在扩压器的导叶25的区域中的横截面扩大的流动通道区段232。可选地，角度还能够不太尖地直至为90°，从而凹进部以更陡的斜坡或甚至直角的阶形部的形状呈现。

图4和图5显示刚才描述的单侧的横截面扩大的两侧的实施方案。首先带有两侧的、直角的凹进部211和401，然后带有两侧的斜坡形的凹进部212和402。

所描述的单侧的或两侧的凹进部还能够各自由多个、在径向上间隔开的部分阶形部组合而成，其中部分阶形部本身能够各自相对于壳体壁具有相同的或不同的角度。带有多阶的凹进部213和403的相应地构造的两侧的横截面扩大在图6中示出。

最后，不同地构造的两侧的凹进部还能够彼此组合，如这在图7中表明的那样。轮毂侧的多阶的凹进部403和护罩侧的斜坡形的凹进部212的示出的组合能够在此仅仅理解为可能的组合。所有的组合可能性是可设想的且通过后面的权利要求被保护。

在两侧地布置的、起横截面扩大作用的凹进部的情形中，所述凹进部能够布置在相同的径向高度上，从而在流动方向上总的来说产生唯一的横截面扩大。备选地，两侧的凹进部能够布置在不同的径向高度上，从而总的来说产生两个相继的横截面扩大，或在多阶的或斜坡形的凹进部的情况中产生连续地经由更大的区段产生更大的横截面扩大。

在示出的实施方式中，各自的凹进部在流动方向上明显地布置在导叶的进入边缘(Eintrittskante，有时称为前缘)251之前。但是根据本发明，当横截面扩大在两个相邻地布置的导叶之间的各自最窄的部位之前发生时，则横截面扩大是尤其起作用的。在该情况中，凹进部布置在这样的径向高度上，即该径向高度相比于在两个相邻地布置的导叶之间的最窄的部位(喉部)的径向高度更小。

参考符号列表

10 压缩机叶轮的轮毂

11 压缩机叶轮的动叶

2 压缩机壳体(包括20-24)

20 内部的压缩机壳体

21 环面的壁区段(护罩侧)

211 用于扩大扩压器横截面的凹进部(护罩侧)

212 用于扩大扩压器横截面的倾斜的凹进部(护罩侧)

213 用于扩大扩压器横截面的多阶的凹进部(护罩侧)

22 外部的压缩机壳体(螺旋壳体)

23 在扩压器区域中的流动通道

231 在扩压器区域中的流动通道区段

232 在扩压器区域中的横截面扩大的流动通道区段

24 在外部的压缩机壳体中的收集腔(螺旋形件)

25 扩压器的导叶

251 导叶的进入边缘

30 涡轮增压器的轴

40 轴承壳体

41 环面的壁区段(轮毂侧)

411 用于扩大扩压器横截面的凹进部(轮毂侧)

412 用于扩大扩压器横截面的倾斜的凹进部(轮毂侧)

413 用于扩大扩压器横截面的多阶的凹进部(轮毂侧)

50 涡轮

51 气体入口(导入内燃机的废气)

52 气体出口(从涡轮导出废气到排气管)

Claims (11)

1.一种径流式压缩机的扩压器，包括带有径向地位于内部的进入开口的由两个环面的壁区段(21,41)限制的、径向地向外敞开的流动通道(23)，其特征在于，由于在所述壁区段的至少一个中的在轴向方向上的环绕的凹进部，所述流动通道以所述径向地位于内部的进入开口为出发点在流动方向上径向地向外经历横截面扩大(232)。

2.根据权利要求1所述的径流式压缩机的扩压器，包括布置在所述壁区段(21,41)之间的多个导叶(25)。

3.根据权利要求2所述的径流式压缩机的扩压器，其中在两个相邻的导叶之间各自构造有最窄的部位且其中在轴向方向上的所述至少一个凹进部布置在这样的径向高度上，即该径向高度相比于在两个相邻的导叶之间的最窄的部位的径向高度更小且所述流动通道的所述横截面扩大因此在流动方向上在两个相邻的导叶之间的最窄的部位之前发生。

4.根据权利要求2或3所述的径流式压缩机的扩压器，其中所述导叶(25)各自具有进入边缘(251)且其中在轴向方向上的所述至少一个凹进部布置在这样的径向高度上，即该径向高度相比于所述导叶的所述进入边缘(251)的径向高度更小且所述流动通道的所述横截面扩大因此在流动方向上在所述导叶之前发生。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的径流式压缩机的扩压器，其中所述凹进部在两个所述壁区段中的至少一个中相对于相应的壁区段以在45°和90°之间的角度实现。

6.根据权利要求1到4中任一项所述的径流式压缩机的扩压器，其中所述凹进部在两个所述壁区段中的至少一个中以分别带有轴向的部分凹进部的径向地间隔开的多个阶形部实现。

7.根据权利要求5所述的径流式压缩机的扩压器，其中相应的所述部分凹进部在两个所述壁区段中的至少一个中相对于相应的壁区段以在45°和90°之间的角度实现。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的径流式压缩机的扩压器，其中在两个壁区段中布置有凹进部且其中两个壁区段的所述凹进部在相同的径向高度上实现。

9.根据权利要求1到6中任一项所述的径流式压缩机的扩压器，其中在两个壁区段中布置有凹进部且其中两个壁区段的所述凹进部在不同的径向高度上实现。

10.一种径流式压缩机，包括根据权利要求1到8中任一项所述的扩压器。

11.一种废气涡轮增压器，包括根据权利要求9所述的径流式压缩机。