CN109563839A - 具有带有喉部的扩散器的离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

提出了一种扩散器，该扩散器被形成为彼此面向的旋转对称表面之间的间隙。在径向方向上移动，间隙的轴向尺寸逐渐减小至在扩散器的喉部部分中的最小值，然后再逐渐增加。从压缩机的旋转轴线到喉部的距离可以约为压缩机叶轮的半径的至少125％。发明人已经发现，距旋转轴线该距离处的喉部可以在高流动速率下得到更高的效率，尤其是对于相对低的涡轮速度。这是因为压缩机叶轮和喉部之间的间隔允许离开压缩机叶轮的气流扩散。

Description

具有带有喉部的扩散器的离心式压缩机

技术领域

本发明涉及一种包括离心式压缩机级的涡轮机，并且特别涉及压缩机的扩散器。

背景技术

涡轮机是在转子和流体之间传递能量的机器。例如，涡轮机可以将能量从流体传递到转子或者可以将能量从转子传递到流体。涡轮机的两个示例是：动力涡轮，其使用由流体驱动的转子的旋转能量来做有用功，例如，产生电力；以及压缩机，其使用转子的旋转能量来压缩流体。

涡轮增压器是众所周知的涡轮机，用于在高于大气压的压力(增压压力)下将空气供应到内燃发动机的入口。传统的涡轮增压器基本上包括涡轮壳体内的安装在可旋转轴上的废气驱动的涡轮叶轮，该涡轮壳体连接在发动机出口歧管的下游。涡轮叶轮的旋转使压缩机壳体内的安装在轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机入口歧管。

涡轮增压器轴通常由轴颈和推力轴承支撑，包括适当的润滑系统，该润滑系统位于连接在涡轮叶轮壳体和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。

图1示出了穿过已知涡轮增压器的示意性横截面。涡轮增压器包括经由中心轴承壳体13接合到压缩机12的涡轮11。涡轮11包括用于在涡轮壳体15内旋转的涡轮叶轮14。类似地，压缩机12包括可在压缩机壳体17内旋转的压缩机叶轮16(或“推进器”)。压缩机壳体17限定压缩机腔室38，该压缩机腔室主要由压缩机叶轮16填充，并且压缩机叶轮16能够在该压缩机腔室内旋转。涡轮叶轮14和压缩机叶轮16安装在共同的涡轮增压器轴18的相对端上，该涡轮增压器轴延伸穿过中心轴承壳体13。涡轮增压器轴18由轴承壳体13中的轴承组件可旋转地支撑，该轴承组件包括分别朝向轴承壳体13的涡轮端和压缩机端安置的两个轴颈轴承34和35。轴承组件还包括推力轴承36。

涡轮壳体15具有围绕涡轮叶轮14环形定位的至少一个废气入口蜗壳19(在图1中示出了两个蜗壳)，以及轴向废气出口10。压缩机壳体17具有轴向进气通道31和围绕压缩机腔室38环形布置的蜗壳32。蜗壳32与压缩机出口33气流连通。压缩机腔室38通过径向延伸的扩散器空间39(这里也称为“扩散器”)连接到蜗壳32，该扩散器空间是壳体17的径向延伸的护罩表面20与轴承壳体13的径向延伸的轮毂表面21之间的间隙。扩散器39相对于轴18的旋转轴线旋转对称。

在使用中，涡轮叶轮14借助废气从废气入口蜗壳19到废气出口10的通过而旋转。废气从涡轮增压器所附接的发动机(未示出)的排气歧管(也称为出口歧管)提供给废气入口蜗壳19。涡轮叶轮14转而使压缩机叶轮16旋转，从而该压缩机叶轮16通过压缩机入口31吸入进气并经由扩散器39、蜗壳32、然后出口33将增压空气输送到发动机的入口歧管。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于涡轮机的压缩机的创新的且有用的扩散器。

一般而言，本发明提出在形成为彼此面对的旋转对称表面之间的间隙的扩散器中，间隙的轴向尺寸在径向方向上变化。具体地，在径向方向上移动，间隙的轴向尺寸逐渐减小至在扩散器的被称为“喉部部分”(或仅“喉部”)的部分中的最小值，然后再逐渐增加。

从压缩机的旋转轴线到喉部的距离可以是压缩机叶轮半径的至少约125％，并且不大于压缩机叶轮半径的约160％。在计算模拟中，已经发现，距旋转轴线该距离处的喉部在高流动速率下可以得到更高的效率，尤其是对于相对低的涡轮速度。这是因为压缩机叶轮和喉部之间的间隔允许离开压缩机叶轮的气流(包括射流和尾流)扩散。此外，喉部部分径向向外(即在扩散器的在喉部和涡形部之间的部分中)的间隙的增大的轴向尺寸减小了在扩散器和涡形部之间的过渡处的湍流。

增加旋转轴线和喉部之间的径向距离又进一步趋向于对于更高范围的涡轮速度在高流动速率下可以得到增加的效率。另一方面，当旋转轴线和喉部之间的径向距离不那么高时，获得了对于低涡轮速度的最大水平的效率改进。换句话说，在增加获得更高效率的涡轮速度范围和增加低涡轮速度下的效率改进之间可能存在折衷。

扩散器可以形成为平面的、轴向面向的轮毂表面与护罩壁的面向轮毂表面的弯曲表面之间的间隙。在包括旋转轴线的平面中的护罩的横截面中，限定扩散器的一侧的护罩表面可以表现为平滑的曲线(即，不存在护罩表面的切线不连续地改变的位置)。从该平面观察，护罩壁可以是凸面的。例如，曲线可以是抛物线。

在喉部的径向内侧，扩散器具有径向内部部分，其中间隙的轴向尺寸大于喉部的轴向尺寸。在该径向内部部分中，间隙在连续径向向外位置处的轴向尺寸可以朝向喉部单调地减小。扩散器的径向内部部分可以与压缩机叶轮间隔开。

在喉部的径向外侧，扩散器具有延伸到涡形部的径向外部部分，其中间隙的轴向尺寸大于喉部的轴向尺寸。在扩散器的该径向外部部分中，间隙在连续径向向外位置处的轴向尺寸朝向涡形部单调地增加。在扩散器和涡形部之间的过渡处，护罩表面优选地是圆形的，以使湍流最小化。

扩散器的喉部部分可以没有径向尺寸，即它是扩散器的径向内部部分和径向外部部分相交的单个喉部位置。

在该文件中，如果第一物体的表面外的法线方向在物体的分离方向(即两个物体上彼此最接近的各个点间隔开的方向)上具有正分量，则第一物体的表面被称为“面向”第二物体，并且如果表面外的法线方向在分离方向上具有负分量，则第一物体的表面“背离”第二物体。术语“面向”并不意味着表面的法线平行于分离方向。如果表面的法线在轴向方向上具有分量，则称该表面是“径向延伸的”。

附图说明

现在将参考以下附图仅为了举例来描述本发明的非限制性实施例，其中：

图1是已知涡轮增压器的横截面图；

图2示出了扩散器的基线构造；

图3示意性地示出了作为本发明的实施例的扩散器的构造；

图4示出了与基线构造相比的本发明的三个实施例的构造；

图5由图5(a)和图5(b)组成，图5(a)示出了压力比(入口比出口)，图5(b)示出了针对实施例中的第一实施例的效率根据质量流量的变化。

图6由图6(a)和图6(b)组成，图6(a)示出了压力比(入口比出口)，图6(b)示出了针对实施例中的第二实施例的效率根据质量流量的变化；以及

图7由图7(a)和图7(b)组成，图7(a)示出了压力比(入口比出口)，图7(b)示出了针对实施例中的第三实施例的效率根据质量流量的变化。

具体实施方式

首先参考图2，示出了图1的涡轮增压器的扩散器39的基线构造。基线构造是下面在与本发明的实施例的计算模拟比较中使用的比较示例。

扩散器中的八个径向间隔的参考位置在图2中标记为1至8。表1示出了从轴18的旋转轴线的中心测量的这些参考位置的径向位置，压缩机叶轮16(未示出)的叶片的径向外尖端的径向位置表示为41，并且与轴18的旋转轴线距离为54mm。

表1

基线构造的扩散器的参考位置1具有第一轴向宽度b₂。扩散器39在径向向外方向上的连续位置处线性地变窄，直到参考位置2。然后，它具有基本恒定的宽度直到出口参考位置8。在参考位置1处，轮毂表面20的切线(垂直于周向方向)与轴向方向之间的角度被标记为α₂。在出口位置8处，(在包括旋转轴线的平面中测量的)轮毂表面的切线与轴向方向之间的角度被标记为α₃，并且出口8处的轴向宽度由b₃表示。

相反，图3示意性地示出了本发明的某些实施例中的扩散器的形状。图3中的距离未按比例绘制，并且在下面我们提供限定三个特定实施例的距离参数。在每种情况下，扩散器相对于轴的轴线旋转对称，并且参考位置1至8处于与图2中所示的基线构造相同的径向位置。

扩散器间隙在被称为喉部位置的单个径向位置44处具有最窄的轴向尺寸。扩散器的从喉部部分44径向向内的部分是径向内部部分42。扩散器的从喉部部分44径向向外并延伸到涡形部的部分是径向外部部分43。因为喉部位置44没有径向尺寸，所以间隙的径向内部部分42和径向外部部分43在喉部位置44处接触。

然而，更一般地，可以存在一系列径向位置，在这些径向位置处，间隙具有相同的最小轴向尺寸。换句话说，扩散器具有喉部部分，该喉部部分可以具有任何径向尺寸。遍及喉部部分，护罩表面20上的所有位置与轮毂表面21上的相应位置轴向间隔开该相同的轴向距离。喉部部分将扩散器的径向内部部分与径向外部部分径向地间隔开。

图3的布置可以被认为是这种情况的限制情况，其中喉部部分具有零径向尺寸：护罩表面20的最靠近轮毂表面21的部分在喉部位置44处仅是圆形线。换句话说，在图3的布置中，间隙的喉部部分是单个径向喉部位置44。

现在，我们转向图2的基线构造以及具有图3中示意性示出的大致形状的三个实施例的参数的更精确的定义。

与在基线构造中相同，在所有三个实施例中，压缩机叶轮16具有108mm的直径，即半径为54mm。表2示出了基线构造和三个实施例之间共有的其他参数。推进器尖端宽度是指压缩机叶轮6的叶片在其径向外部点处的轴向长度。叶片的径向外部边缘沿叶片的全长具有距旋转轴线相等的距离。如上所述，扩散器入口宽度b₂是扩散器在参考位置1处的轴向宽度。扩散器长度是从参考位置1到出口参考位置8的径向距离。入口角度α₂是轮毂表面20在参考位置1处的切线与轴向方向之间的角度。

参数
		推进器尖端宽度(mm)	6.13
扩散器入口宽度(mm)b2	5.4
		扩散器长度(mm)L	35.4
扩散器入口角度α<sub>2</sub>	77.5

表2

表3示出了基线构造和三个实施例的其他参数，而表4示出了基线构造和三个实施例在径向位置1至8中的每一个处的轴向宽度。

表3

表4

图4示出了根据表4的基线构造和三个实施例在位置1至8中每个位置处的轴向宽度。

图5(a)示出了针对基础构造和针对实施例1的入口和出口处的压力比与共同质量流量(corporate mass flow)之间的关系。这里使用共同质量流量(在图5至图7中示出为“共同质量流量”)是指针对入口温度和压力校正的质量流量。线101示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为65k转/分钟(rpm)。线102示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线111示出了针对实施例1的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线112示出了针对实施例1的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，除了最高质量流量之外，压力比在实施例1和基线构造之间几乎没有差别。

图5(b)示出了针对基础构造和针对实施例1的效率根据共同质量流量的变化。线201示出了基线构造的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线202示出了基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线211示出了实施例1的所述关系，涡轮速度为65krpm。线212示出了实施例1的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，对于低流动速率，基线构造和实施例1具有相似的效率水平。然而，在低涡轮速度(65k rpm)下，对于高流动速率，实施例1比基线构造的效率高得多。在高涡轮速度(95rpm)下，对于高流动速率，实施例1的效率略低。

图6(a)示出了针对基础构造和针对实施例2的入口和出口处的压力比与共同质量流量之间的关系。线101示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线102示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线121示出了针对实施例2的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线122示出了针对实施例2的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，除了最高质量流量之外，压力比在实施例2和基线构造之间几乎没有差别。

图6(b)示出了针对基础构造和针对实施例2的效率根据共同质量流量的变化。线201示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线202示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线221示出了针对实施例2的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线222示出了实施例2的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，对于低流动速率，基线构造和实施例2具有相似的效率水平。然而，在低涡轮速度(65k rpm)下，对于高流动速率，实施例2比基线构造的效率高得多。在高涡轮速度(95k rpm)下，对于高流动速率，实施例2的效率略低。

图7(a)示出了针对基础构造和针对实施例3的入口和出口处的压力比与共同质量流量之间的关系。线101示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线102示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线131示出了针对实施例3的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线132示出了针对实施例3的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，压力比在实施例3和基线构造之间几乎没有差别。

图7(b)示出了针对基础构造和针对实施例3的效率根据共同质量流量的变化。线201示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线202示出了针对基线构造的所述关系，涡轮速度为95k rpm。线231示出了针对实施例3的所述关系，涡轮速度为65k rpm。线232示出了针对实施例3的所述关系，涡轮速度为95k rpm。可以看出，在高涡轮速度(95krpm)下，对于低流动速率并且对于高流动速率，基线构造和实施例3具有相似的效率水平。在低涡轮速度(65k rpm)下，对于高流动速率，实施例3比基线构造的效率高得多。

总的来说，通过图，实施例3效率提高(尽管在非常高的涡轮速度下程度很小)，而实施例1和2仅在低涡轮速度下表现出效率提高。另一方面，对于低涡轮速度，实施例1和2示出了对于高质量流动速率的最高水平的效率提高。在低涡轮速度(约65k rpm)和高质量流量下，所有实施例都比基线构造更显著更有效。

与实施例相比，基线构造具有用于流动混合的较小扩散长度，但扩散过程较早地开始(即，在径向向内位置)。相反，实施例具有用于流动混合的扩展的的扩散长度，并且延迟扩散过程。这些因素产生更好的性能，尤其是在低速时。

尽管已经描述了扩散器的仅几个实施例，但是如对于技术人员而言将是明显的，在本发明的范围内可以进行许多变化。

Claims (14)

1.一种用于涡轮机的压缩机，所述压缩机包括：

壳体，所述壳体限定入口、出口和压缩机腔室；

压缩机叶轮，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机腔室内以绕旋转轴线旋转，所述压缩机叶轮具有多个叶片；

所述壳体限定：

涡形部，所述涡形部在所述压缩机腔室的径向外侧并与所述壳体的出口连通；以及

在所述壳体的径向延伸的护罩表面与径向延伸的轮毂表面之间的扩散器空间，所述扩散器空间具有与所述压缩腔室连通的入口和进入所述涡形部中的出口，所述扩散器空间相对于所述轴线旋转对称，

所述扩散器空间具有：

喉部部分，在该喉部部分处所述扩散器具有最小轴向尺寸；

径向内部部分，所述径向内部部分从所述喉部部分径向向内延伸，并且遍及所述径向内部部分，所述扩散器空间具有比所述最小轴向尺寸更大的轴向尺寸；以及

径向外部部分，所述径向外部部分从所述喉部部分径向向外延伸到所述涡形部，并且遍及所述径向外部部分，所述扩散器空间具有比所述最小轴向尺寸更大的轴向尺寸；

所述扩散器空间的径向内部部分的径向外部边缘与所述旋转轴线的径向距离不小于所述压缩机叶轮的半径的125％；并且

所述扩散器空间的径向外部部分的径向内部边缘与所述旋转轴线的径向距离不大于所述压缩机叶轮的半径的160％。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述扩散器空间的径向内部部分的径向外部边缘与所述旋转轴线的距离不小于所述压缩机叶轮的半径的130％。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其中，所述扩散器空间的径向内部部分的径向外部边缘与所述旋转轴线的距离不小于所述压缩机叶轮的半径的140％。

4.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，所述扩散器空间的径向外部部分的径向内部边缘与所述旋转轴线的距离不大于所述压缩机叶轮的半径的150％。

5.根据权利要求4所述的压缩机，其中，所述扩散器空间的径向外部部分的径向内部边缘与所述旋转轴线的距离不大于所述压缩机叶轮的半径的140％。

6.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，在所述扩散器空间的径向外部部分的径向外部边缘处，所述轮毂表面的与周向方向垂直的切线与轴向方向成小于90度并且优选不大于80度的角度。

7.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，从所述旋转轴线到所述径向外部部分的径向内部边缘的距离与从所述旋转轴线到所述径向外部部分的径向外部边缘的距离的比率在75％至90％的范围内，并且可选地小于85％。

8.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，所述扩散器空间在所述喉部位置处的轴向尺寸是所述叶片在其径向外部端部处的轴向尺寸的至少65％。

9.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，遍及所述径向外部部分，所述扩散空间的轴向尺寸在径向向外方向上增加。

10.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，遍及所述径向内部部分，所述扩散空间的轴向尺寸在径向向内方向上增加，并且所述径向内部部分向内延伸到一位置，所述位置与所述旋转轴线间隔开至多所述压缩机叶轮的半径的110％。

11.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，所述喉部部分没有径向尺寸。

12.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，在所述压缩机叶轮和所述涡形部之间，当在包括所述轴线的平面中观察时，所述护罩壁是非凹面的。

13.根据权利要求12所述的压缩机，其中，在所述压缩机叶轮和所述涡形部之间，当在包括所述轴线的平面中观察时，所述护罩壁是凸面的。

14.一种涡轮增压器，包括根据任一前述权利要求所述的压缩机。