CN110206633A - 具有包括减涡器的可调修整机构的涡轮增压器压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有包括减涡器的可调修整机构的涡轮增压器压缩机。一种用于涡轮增压器的离心压缩机包括入口调整机构，该入口调整机构可操作以在打开位置和关闭位置之间移动。入口调整机构包括围绕压缩机空气入口设置并位于空气入口壁内的环形空间内的多个叶片。叶片可围绕相应的枢转点枢转，使得当叶片处于关闭位置时，叶片从环形空间径向向内延伸到空气入口中，从而形成直径相对于入口的标称直径减小的孔口。叶片的下游表面包括减涡器，该减涡器被构造和布置成减小由叶片的径向内边缘产生的不稳定旋涡的强度。

Description

具有包括减涡器的可调修整机构的涡轮增压器压缩机
技术领域
本公开涉及诸如在涡轮增压器中使用的离心压缩机，并且更具体地涉及其中有效入口面积或直径可针对不同的操作条件而调整的离心压缩机。
背景技术
排气驱动的涡轮增压器是结合内燃发动机使用的装置，以用于通过压缩空气而增加发动机的功率输出，所述空气被递送至发动机的进气口以与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机外壳中安装在轴的一端上的压缩机叶轮和在涡轮机外壳中安装在轴的另一端上的涡轮机叶轮。通常，涡轮机外壳与压缩机外壳单独地形成，并且存在连接在涡轮机外壳和压缩机外壳之间的又一个中央外壳，以用于包含轴的轴承。涡轮机外壳限定大体上环形的室，该室围绕涡轮机叶轮并接收来自发动机的排气。涡轮机组件包括喷嘴，喷嘴从室通入涡轮机叶轮中。排气从室通过喷嘴流至涡轮机叶轮，并且涡轮机叶轮被排气驱动。涡轮机因此从排气提取功率并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机外壳的入口接收环境空气，并且空气被压缩机叶轮压缩，然后从外壳排放到发动机进气口。
涡轮增压器通常采用离心式(也称为“径向”)压缩机叶轮，因为离心压缩机可在紧凑布置中实现相对高的压力比。压缩机的进气在离心式压缩机叶轮的进口导流部分处在大体上轴向的方向上被接收，并且在叶轮的出口导流部分部分处在大体上径向的方向上被排放。来自叶轮的压缩空气被递送至涡壳，并且空气从涡壳被供应至内燃发动机的进气口。
压缩机的操作范围是涡轮增压器的总体性能的重要方面。操作范围大体上由在压缩机的操作图上的喘振线和阻塞线来定界。压缩机图通常表现为在竖直轴线上的压力比(排放压力Pout除以入口压力Pin)与在水平轴线上的修正的质量流量的关系。在压缩机图上的阻塞线位于高流量处，并且表示在一系列压力比下的最大质量流量点的轨迹；即，对于在阻流线上的给定点来说，不可以在维持相同压力比的同时增加流量，因为在压缩机中存在扼流条件。
喘振线位于低流量处并且表示在一系列压力比下没有喘振的最小质量流量点的轨迹；即，对于喘振线上的给定点来说，在不改变压力比的情况下减小流量或在不改变流量的情况下增加压力比，将导致喘振发生。喘振是一种流动不稳定性，它通常发生在压缩机叶片迎角变得足够大以致于在压缩机叶片上出现显著的流动分离时。在喘振期间会发生压力波动和倒流。
在用于内燃发动机的涡轮增压器中，当发动机在高负载或扭矩和低发动机速度下操作时，或者当发动机在低速度下操作并且存在高水平的排气再循环(EGR)时，可能发生压缩机喘振。当发动机从高速状态下突然减速时，也可能出现喘振。将压缩机的无喘振操作范围扩大到较低流量是压缩机设计中通常追求的目标。
申请人于2017年3月1日提交的共同待审的美国专利申请第15/446,054号描述了离心压缩机的机构和方法，该离心压缩机能够使压缩机的喘振线选择性地向左移动(即，在给定的压力比下喘振被延迟到较低的流量)，该申请要求2016年4月20日提交的临时申请第62/324,488号的申请日的权益，所述申请的全部公开内容通过引用结合于此。在所述申请中描述的一个实施例包括具有以下特征的涡轮增压器：
涡轮机外壳和涡轮机叶轮，涡轮机叶轮安装在涡轮机外壳中且连接到可旋转的轴以随轴一起旋转，涡轮机外壳接收排气并将排气供应至涡轮机叶轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机外壳和安装在压缩机外壳中的压缩机叶轮，压缩机叶轮连接到可旋转的轴以随所述轴一起旋转，压缩机叶轮具有叶片并限定进口导流部分，压缩机外壳具有限定空气入口以用于将空气大体上轴向地引入压缩机叶轮的空气入口壁，压缩机外壳还限定涡壳以用于接收从压缩机叶轮大体上径向向外排出的压缩空气；以及
压缩机入口调整机构，其设置在压缩机外壳的空气入口中，并在打开位置和关闭位置之间可径向向内和径向向外枢转，入口调整机构包括围绕空气入口设置的多个叶片，每个叶片可围绕叶片的一端枢转，当叶片处于关闭位置时，叶片通过空气入口壁中的狭槽径向向内枢转，从而形成具有相对于入口的标称直径减小的直径的孔口。
申请人也是涉及采用移动叶片的其它入口调整机构的附加申请的所有者，包括2017年3月1日提交的美国申请第15/446,090号，其全部公开内容通过引用结合于此。
本公开涉及大体具有上述‘054、‘488和‘090申请中描述的类型的入口调整机构，特别涉及旨在改进所述机构的某些方面的这种机构的修改或再设计。
发明内容
寻求改进的前述入口调整机构的一个这样的方面涉及压缩机产生的噪音。已经发现，当入口调整机构处于关闭位置(减小通向压缩机叶轮的有效入口直径)时，压缩机产生的噪声水平增加，噪声标志（signature）在特定频率(例如，4200Hz )达到峰值。已经发现，这种噪声增加的原因是该频率下的流量脉动。通过非稳态计算流体力学分析的进一步研究表明，流量脉动是由于入口调整机构的孔口处的流动分离区域造成的。流动分离区域似乎有一些旋涡运动，因此在本公开中这种流动现象被称为“旋涡”。这个旋涡似乎是以一种随机的方式从孔口中流出的。旋涡从孔口流出，继续进行运动的轴向分量，并且由于在叶轮上游感觉到的旋转的压缩机叶轮的影响，旋涡还获得了一定程度的旋转分量。结果，旋涡的运动是螺旋的，当旋涡撞击压缩机叶轮的前缘时，它从一个压缩机叶片(相对地)移动到下一个叶片，再移动到下一个叶片，等等，因为旋涡的旋转速度小于叶轮的速度。旋涡和叶轮之间的相互作用导致了已经指出的流量脉动和噪声。
因此，申请人试图减轻这一噪声问题。
根据本文公开的一个实施例，描述了一种具有以下特征的涡轮增压器：
涡轮机外壳和涡轮机叶轮，涡轮机叶轮安装在涡轮机外壳中且连接到可旋转的轴以随轴一起旋转，涡轮机外壳接收排气并将排气供应至涡轮机叶轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机外壳和安装在压缩机外壳中的压缩机叶轮，压缩机叶轮连接到可旋转的轴以随轴一起旋转，压缩机叶轮具有叶片并限定进口导流部分，压缩机外壳具有限定空气入口以用于将空气大体上轴向地引入压缩机叶轮的空气入口壁，压缩机外壳还限定涡壳以用于接收从压缩机叶轮大体上径向向外排出的压缩空气，空气入口壁限定环形空间，环形空间围绕空气入口并在环形空间的径向内端处通向空气入口；以及
压缩机入口调整机构，其设置在空气入口壁的环形空间中，并可在打开位置和关闭位置之间移动，入口调整机构包括设置在环形空间内的多个叶片，所述叶片共同限制孔口，每个叶片具有相对远离且背对压缩机叶轮的上游表面和相对靠近且面向压缩机叶轮的下游表面，当叶片处于关闭位置时，叶片围绕相应的枢轴从环形空间径向向内枢转到空气入口中，从而使得孔口相对于入口的标称直径具有减小的直径；
其中每个叶片的下游表面包括多个周向间隔开的减涡器，这些减涡器被构造和布置成减小从入口调整机构的孔口流出的旋涡的强度。
在一个实施例中，减涡器包括在叶片的下游表面中的空腔或凹陷。设置在相邻空腔之间的分隔壁可以径向定向或者可以非径向定向。或者，狭槽或通道(径向或非径向)可以用作减涡器。减涡器可有效地减小从叶片的内边缘流出的旋涡的强度，从而降低旋涡-压缩机叶轮相互作用导致的噪声。
减涡器有利地包括形成在入口调整机构的每个叶片的下游表面中的一系列空腔或凹穴。当入口调整机构关闭时，导致压缩机噪声峰值的脉动强度可以通过凹穴的适当设计来降低。更具体地，凹穴的数量、凹穴的形状以及相邻凹穴之间的壁相对于压缩机的径向方向的角度都是设计者可以选择的设计变量，以调节本发明的旋涡减小效果。
附图说明
已经如此概括地描述了本发明，现在将参考未必按比例绘制的附图，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的端视图，从涡轮增压器的压缩机端朝向涡轮端轴向观察；
图2是涡轮增压器沿图1中的线2-2的剖视图；
图3是图1的涡轮增压器的压缩机部分的局部分解图；
图4是图3的压缩机外壳组件的等距视图，其中压缩机盖(入口管道构件)被分解开，以使得入口调整机构可见；
图5是从入口调整机构的上游侧观察的入口调整机构及其致动器的部分组件的等距视图，其中入口调整机构处于打开位置；
图6是类似于图5的视图，其中入口调整机构处于关闭位置，并且从该机构的下游侧观察；
图7是入口调整机构的叶片的等距视图，示出了叶片的上游表面；
图8是叶片的等距视图，示出了根据本发明的另一个实施例的具有减涡器的叶片的下游表面；和
图9是通过图1的涡轮增压器的压缩机外壳组件和入口调整机构的剖视图。
具体实施方式
现在将在下面参照附图更全面地描述本发明，附图中示出了发明的一些但非全部实施例。当然，这些发明可以许多不同的形式实施且不应该被理解为仅限于本文所阐述的实施方式；相反地，提供这些实施方式使得本公开将满足可适用的法定要求。在全文中相同的附图标记表示相同的元件。
在本公开中，术语“孔口”表示“开口”，而与开口的形状无关。因此，“孔口”可以是圆形或非圆形的。此外，当入口调整机构的叶片被描述为“径向”向内或向外枢转时，术语“径向”不排除叶片的移动的一些非径向分量(例如，叶片可以占据相对于压缩机的旋转轴线稍微成角度的平面，使得当叶片径向向内和向外枢转时，它们也以较小的轴向运动分量移动；或者，叶片可以枢转和平移，例如在螺旋式运动中)。
根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10在图1中以轴向端视图示出，涡轮增压器的轴向剖视图在图2中示出。涡轮增压器包括压缩机和涡轮机。压缩机包括在可旋转轴18的一端上安装在压缩机外壳16中的压缩机叶轮或转轮14。压缩机外壳包括限定空气入口17的壁，用于将空气大体轴向地引入压缩机叶轮14。轴支撑在安装在涡轮增压器的中心外壳20中的轴承中。轴由涡轮机叶轮22旋转，涡轮机叶轮22相对于压缩机叶轮安装在轴的另一端上，从而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上径向向外地排放到用于接收压缩空气的涡壳21中。空气被从涡壳21引导至内燃发动机(未示出)的进气口，以用于增强发动机的性能。
涡轮机叶轮22设置在涡轮机外壳24内，涡轮机外壳24限定了用于接收来自内燃发动机(未示出)的排气的环形室26。涡轮机外壳还限定了喷嘴28，用于将排气从室26大体径向向内引导至涡轮机叶轮22。排气在它们经过涡轮机叶轮时膨胀，并可旋转地驱动涡轮机叶轮，涡轮机叶轮又可旋转地驱动压缩机叶轮14，如前所述。
参照图1-4，在图示的实施例中，限定空气入口17的壁部分地由压缩机外壳16形成，部分地由接纳在由压缩机外壳限定的圆柱形容器中的单独的盖或入口管道构件16d形成。空气入口17靠近压缩机叶轮14的部分限定了大体圆柱形的内表面17i，该内表面17i的直径与压缩机叶轮的进口导流部分14i的直径大体匹配。
压缩机外壳16限定护罩表面16s，护罩表面16s紧邻压缩机叶片的径向外部末端。护罩表面限定弯曲轮廓，该弯曲轮廓大体上平行于压缩机叶轮的轮廓。
根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括入口调整机构100，入口调整机构100设置在压缩机外壳的空气入口17中。入口调整机构包括环形组件，并且设置限定于压缩机外壳16和单独的入口管道构件16d之间的环形空间中。环形空间界定在上游壁表面105和下游壁表面107之间。入口调整机构可操作用于调整进入压缩机叶轮的空气入口的有效直径。这样，入口调整机构可在打开位置和关闭位置之间移动，并且可被构造成调整到在所述位置之间的不同点。
现在参照图3-8，入口调整机构包括多个叶片102，多个叶片102围绕空气入口的中心轴线布置，并且各自可围绕位于叶片的一端或其附近的枢轴销102p枢转。在图示的实施例中，叶片的枢轴销被轴颈支撑在压缩机外壳的下游壁表面107中的孔中，使得枢轴销可以在所述孔中旋转。在该实施例中，枢轴销与叶片成一体并刚性附接到叶片上。叶片布置在上游壁表面105和下游壁表面107之间，在这些壁表面之间存在用于叶片的少量的轴向间隙或游隙，使得叶片可以自由枢转而不结合。
入口调整机构还包括协调环106，用于赋予叶片枢转运动。协调环围绕叶片102的组件，并且与叶片基本上共面，并且可围绕与压缩机叶轮的旋转轴线重合的轴线旋转。协调环在其径向外周边包括多个凹部108，并且每个叶片包括接合在凹部108中的相应一个中的端部102e。因此，协调环在一个方向上的旋转导致叶片102径向向内枢转，而协调环在另一个方向上的旋转导致叶片径向向外枢转。叶片102和协调环106的组件被约束性地保持在上游壁表面105和下游壁表面107之间。
叶片102的径向内边缘包括优选为大体圆弧形的部分，并且这些边缘共同围绕并界定大体圆形的开口或孔口(尽管圆度根据叶片的位置而变化，如下文进一步描述的)。
叶片的枢转运动的范围足以使叶片能够径向向外枢转(通过协调环在一个方向上的旋转，在图5中顺时针)到如图5所示的打开位置，在该打开位置，叶片完全地在入口的内表面17i (图2)的径向外侧。这样，在叶片的打开位置，入口调整机构不改变由入口表面17i限定的标称入口直径。
叶片也可以径向向内枢转(通过协调环在相反方向上的旋转，在图5中为逆时针方向)到如图6所示的关闭位置。在关闭位置，沿着叶片的径向内侧的圆弧边缘共同形成孔口。在图示的实施例中，孔口在关闭位置是基本上圆形的，其直径小于入口表面17i的直径。(在本公开中，“基本上圆形的”意味着圆弧边缘都位于同一圆上，并且共同占据该圆的圆周的至少80%)。这导致入口的有效直径相对于标称入口直径减小。此外，在未图示的实施例中，叶片可以枢转额外的量至超关闭位置，在该超关闭位置，相邻叶片存在一定程度的重叠，这可以通过将相邻叶片的相应重叠边缘部分形成为互补形状或凸-凹形状来成为可能。当叶片处于超关闭位置时，叶片的圆弧边缘共同限定了开口或孔口，该开口或孔口不是完全圆形的，但实际上甚至小于图6的关闭位置的开口。因此，入口调整机构使得入口的有效直径相对于关闭位置进一步减小。以这种方式，入口调整机构能够调节接近压缩机叶轮的空气入口的有效直径。
然而，应该注意的是，在关闭位置，由入口调整机构限定的孔口不一定是圆形的。替代地，孔口可以是非圆形的。本发明不限于孔口的任何特定形状。
如前所述，叶片102被致动以通过协调环106在叶片的打开和关闭(以及可选地，超关闭)位置之间枢转，协调环106可围绕空气入口的中心轴线旋转。现在参考图4-6，旋转运动通过致动器116施加到协调环，致动器116被接纳到限定在压缩机外壳中的容器116a (图3)中。致动器包括致动器杆117，该致动器杆117延伸穿过限定在压缩机外壳中的空间，并在其远端固定到从协调环106的外周边伸出的突起109(图3)。致动器可操作以沿着杆117的长度方向线性地延伸和缩回杆117，以旋转协调环106，从而致动叶片102。延伸杆使叶片朝向关闭位置枢转，缩回杆使叶片朝向打开位置枢转。
如上所述，入口调整机构100能够调整进入压缩机叶轮14的入口的有效尺寸或直径。如图2所示，当入口调整机构处于关闭位置时，进入压缩机叶轮的入口的有效直径取决于由叶片102限定的内径。为了实现这种效果，叶片和压缩机叶轮之间的轴向间隔距离必须在可行情况下尽可能小，使得在空气遇到压缩机叶轮时，叶片下游没有足够的距离使流膨胀到压缩机叶轮14的进口导流部分的整个直径。因此，入口直径被有效地减小到由叶片决定的值。
在低流量(例如，低发动机速度)下，入口调整机构100可以置于图2和图6的关闭位置。这可能具有减小有效入口直径并因此增加进入压缩机叶轮的流速的效果。结果将是压缩机叶片迎角减小，从而有效地稳定流(即，使叶片失速和压缩机喘振较不可能)。换句话讲，压缩机的喘振线将被移动至更低流量(在压缩机压力比与流量的关系图上向左)。
在中等流量和高流量下，入口调整机构100可以如图5所示部分打开或完全打开。这可以具有增加有效入口直径的效果，使得压缩机基本上恢复其高流量性能和扼流，就像入口调整机构不存在一样，并且就像压缩机在叶轮的进口导流部分具有与叶轮直径匹配的常规入口一样。
根据本文公开的本发明的一个方面，入口调整机构100包括用于减少由压缩机叶轮14和从叶片102的径向内边缘流出的旋涡之间的相互作用产生的噪声的特征。当入口调整机构100如图2所示关闭时，这个问题尤其严重。参照图6、图8和图9，入口调整机构的每个叶片102包括多个周向间隔开的(即，沿着叶片的长度间隔开，其大体周向延伸)减涡器VR，减涡器VR设置在叶片的下游表面102d中或上。减涡器可以包括形成在叶片的下游表面中的一系列间隔开的凹穴或空腔，其中在每对相邻空腔之间设置有分隔壁102w。图6所示的叶片是根据本发明的一个实施例，而图8所示的叶片是根据另一个实施例，不同之处在于凹穴的形状和相邻凹穴之间的壁102w的取向。在图6的实施例中，凹穴具有大体矩形或梯形的形状，并且分隔壁102w被定向为非径向的，所有取向都具有相同的符号(即，正或负)。在图8的实施例中，凹穴的形状为大体三角形的，并且分隔壁102w的取向是非径向的，这些壁与径向方向形成的角度在正和负之间交替(其中零的角度表示径向方向)。
本发明不限于如所示的包括空腔的减涡器。叶片的下游表面上的其它结构也可以有效降低从叶片流出的旋涡的强度。这种其它结构可以包括下游表面中的狭槽或通道。狭槽或通道可以径向延伸或者可以相对于径向以非零角度延伸。
受益于以上描述和相关联的附图中提出的教导的发明所涉及的领域的技术人员将会想到本文阐述的这些发明的许多修改和其它实施例。例如，尽管图示实施例采用三个叶片102，但是本发明不限于任何特定数量的叶片。本发明可以用少至两个叶片或者多达12个或更多个叶片来实施。可以根据需要选择叶片的数量。此外，虽然已经图示和描述了具有圆弧边缘的叶片，但是叶片不必具有圆弧边缘。具有不同形状(线性、椭圆形等)边缘的叶片也包括在本发明的范围内。因此，应当理解本发明不限于公开的具体实施例，并且修改和其它实施例旨在涵盖在所附权利要求的范围内。尽管本文使用特定的术语，但是它们是在一般和描述的意义上使用的而非用于限制性的目的。

Claims (8)

1.一种涡轮增压器，包括：
涡轮机外壳和涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮安装在所述涡轮机外壳中且连接到可旋转的轴以随该轴一起旋转，所述涡轮机外壳接收排气并将所述排气供应至所述涡轮机叶轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机外壳和压缩机叶轮，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机外壳中并连接到所述可旋转的轴以随所述轴一起旋转，所述压缩机叶轮具有叶片并限定进口导流部分，所述压缩机外壳具有限定空气入口以用于将空气大体上轴向地引入所述压缩机叶轮的空气入口壁，所述压缩机外壳还限定涡壳以用于接收从所述压缩机叶轮大体上径向向外排出的压缩空气，所述空气入口壁限定环形空间，所述环形空间围绕所述空气入口并在所述环形空间的径向内端处通向所述空气入口；以及
压缩机入口调整机构，其设置在所述空气入口壁的所述环形空间中，并在打开位置和关闭位置之间可移动，所述入口调整机构包括设置在所述环形空间内的多个叶片，所述叶片共同限制一孔口，每个叶片具有相对远离且背对所述压缩机叶轮的上游表面和相对靠近且面向所述压缩机叶轮的下游表面，当所述叶片处于所述关闭位置时，所述叶片围绕相应的枢轴从所述环形空间径向向内枢转到所述空气入口中，从而使得所述孔口相对于所述入口的标称直径具有减小的直径；
其中，所述叶片中每一个的所述下游表面包括多个周向间隔开的减涡器，所述减涡器被构造和布置成减小从所述入口调整机构的所述孔口流出的旋涡的强度。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述减涡器包括在每个叶片的所述下游表面中的空腔。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述减涡器包括在每个叶片的所述下游表面中的一系列空腔，所述空腔沿着所述叶片的长度间隔开。
4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中，在每对相邻空腔之间限定有分隔壁，所述分隔壁相对于所述压缩机的径向方向以非零角度定向。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述空腔大体是三角形的，并且所述空腔之间的所述分隔壁相对于所述径向方向在正角度和负角度之间交替。
6.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述空腔大体是矩形的，并且所述空腔之间的所述分隔壁的角度都具有相同的符号。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述入口调整机构还包括协调环，所述协调环围绕所述涡轮增压器的旋转轴线可旋转，其中，所述叶片中的每一个与所述协调环接合，以致所述协调环的旋转引起所述叶片枢转。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，每个叶片包括接合所述协调环的外周边的端部。
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