CN112443515A - 具有用于流动再循环的带端口护罩和噪声衰减器的压缩机以及包含该压缩机的涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有用于流动再循环的带端口护罩并具有用于叶片通过频率噪声衰减的噪声衰减器的压缩机以及包含该压缩机的涡轮增压器。压缩机包括压缩机壳体，该压缩机壳体包含压缩机轮并限定将空气引入压缩机轮中的入口管道，以及位于叶片尖端附近并从叶片向上游延伸的轮罩。在轮罩和入口管道的内表面之间限定环形空间。轮罩限定排出端口，该排出端口延伸到环形空间中以将进入压缩机轮的空气中的一部分排出到环形空间中，以再循环回到主流中。用于衰减压缩机叶片通过频率噪声的噪声衰减器形成为位于排出端口相对位置的盲槽，该盲槽从入口管道的径向内表面朝入口管道的径向外表面延伸长度L。

Description

具有用于流动再循环的带端口护罩和噪声衰减器的压缩机以 及包含该压缩机的涡轮增压器

技术领域

本公开涉及用于压缩诸如空气的流体的离心式压缩机，并且其中，通过放出至少部分压缩的流体的一部分并将该部分再循环到压缩机的入口来控制压缩机的喘振。本公开更具体地涉及用于衰减此类离心式压缩机中的压缩机叶片通过频率噪声的布置。

背景技术

离心式压缩机在各种应用中用于压缩流体。单级离心式压缩机可实现高于5.0的峰值压力比，并且在尺寸上比具有等效压力比的轴流式压缩机紧凑得多。因此，离心式压缩机通常用在涡轮增压器中，用于提高车辆的汽油发动机和柴油发动机的性能。

在涡轮增压器应用中，重要的是压缩机具有宽的工作范围，如在“扼流线”和“喘振线”之间测量的，由于压缩机叶片通道中的声流条件，在“扼流线”处，通过压缩机的质量流量达到最大可能值，以及压缩机在“喘振线”处开始喘振。压缩机喘振是与通过整个压缩机系统的流动振荡相关联的压缩系统不稳定性。它通常是由压缩机部件中的一个或多个中的空气动力学失速或流动分离而引发的，这是由于超出了对压缩机叶片的极限流入射角或超出了极限流通道负载。

喘振导致性能的显著下降并因此是非常不期望的。在一些情况下，压缩机喘振也可能导致对发动机或其进气管系统的损坏。

因此，已知在离心式压缩机中采用再循环以将喘振的开始延迟到较低的流速。该方案涉及放出至少部分压缩的空气的一部分并将该部分再循环到压缩机的入口。再循环有效地将压缩机喘振线在压缩机压力比与校正流速的映射图上移位到左侧。然而，申请人已经发现在一些情况下，在某些工况下，与压缩机叶片通过频率相关联的噪声可能趋于比期望的更大。例如，在采用离心式压缩机并且安装在汽车或卡车的发动机舱中的涡轮增压器的情况下，在某些工作点，压缩机叶片通过频率噪声可能趋于给车辆的乘员带来烦恼。因此，期望提供一些用于减轻这种噪声的措施。

发明内容

本公开涉及一种离心式压缩机以及包含该压缩机的涡轮增压器，其中该压缩机具有目的在于控制喘振的流体再循环系统，以及用于衰减压缩机叶片通过频率噪声的噪声衰减器。根据本文公开的一个实施例，一种用于涡轮增压器的离心式压缩机，其用于压缩将被输送到发动机进气口的空气，包括压缩机轮，所述压缩机轮具有限定旋转轴线的毂并且具有多个周向间隔开的叶片，每个叶片均连接到毂并且大致径向向外延伸到叶片尖端，叶片中的每个具有前缘和后缘，该后缘沿通过轮的主气流的流动方向从前缘向下游间隔开。

压缩机包括压缩机壳体，压缩机轮安装在其中以便可绕压缩机轮的旋转轴线旋转，压缩机壳体包括入口管道，空气通过入口管道在大致平行于压缩机轮的旋转轴线的方向上进入，并且由入口管道引入压缩机轮中。轮罩由压缩机壳体限定。轮罩在径向上位于叶片尖端附近，并且相对于沿流动方向前进的主流在叶片上游延伸，并终止于轮罩的前缘，该轮罩的前缘在叶片前缘的上游轴向间隔开。轮罩的径向内表面被主流浸湿，并且其径向外表面与入口管道壁的径向内表面径向向内间隔开，使得在轮罩的径向外表面和入口管道壁的径向内表面之间限定环形空间。

靠近叶片尖端的轮罩限定排出端口，该排出端口从轮罩的径向内表面向径向外表面大致径向向外延伸到环形空间中。排出端口允许进入压缩机轮的空气的一部分通过排出端口排出到环形空间中。轮罩的前缘在入口管道的径向内表面径向向内间隔开，使得其上游端处的环形空间向沿入口管道前进的主流敞开，由此经由排出端口排出的该部分空气向上游前进通过环形空间并再循环回到主流中。

压缩机还包括用于衰减压缩机叶片通过频率噪声的噪声衰减器。该噪声衰减器包括位于排出端口相对位置的盲槽，该盲槽从入口管道壁的径向内表面朝入口管道壁的径向外表面延伸长度L。

在一个实施例中，盲槽的长度L在压缩机叶片通过频率的波长的1/5至1/4之间，在该频率处，噪声将被衰减。

在一些实施例中，排出端口在包含压缩机的旋转轴线的径向-轴向平面上沿相对于旋转轴线形成角度α的第一轴线延伸，其中45°≤α≤90°。

在一些实施例中，盲槽在所述径向-轴向平面上沿相对于旋转轴线形成角度β的第二轴线延伸，并且其中45°≤β≤135°。

在一些实施例中，α和β是相等的并且具有在45°和90°之间的值（包括端点值）。

在一些实施例中，盲槽绕旋转轴线连续地周向延伸360°。在其他实施例中，盲槽可以是周向不连续的，包括共同围绕旋转轴线的多个局部圆周段。

附图说明

已经以通用术语描述了本公开，现在将参考不一定按比例绘制的附图，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的轴向剖视图；

图2是用于图1的涡轮增压器的压缩机壳体的轴向剖视图；

图3类似于图2，但是示出了本发明的第二实施例；

图4示出了本发明的第三实施例；以及

图5示出了本发明的第四实施例。

具体实施方式

现在将参考上述附图更详细地描述本公开，该附图描绘了本公开所属的本发明的一些而非全部的实施例。这些发明可以以各种形式来体现，包括在此未明确描述的形式，并且不应被解释为限于在此描述的特定示例性实施例。在下面的描述中，相似的标号始终指相似的元件。

在图1中描绘了根据本发明的第一实施例的具有压缩机的涡轮增压器10，图2描绘了涡轮增压器的压缩机壳体。涡轮增压器包括压缩机轮12，该压缩机轮12安装在压缩机壳体22内并且具有毂14和多个周向间隔开的叶片16，叶片16连接到毂并且从毂大致径向向外延伸。每个叶片具有附接到毂的根部18和相对的尖端20。压缩机轮12连接到轴11，该轴11可绕旋转轴线旋转并且由附连到轴11的相对端并安装在涡轮机壳体82内的涡轮机轮72驱动。轴被支撑在轴承13中，轴承13容纳在设置在压缩机壳体和涡轮机壳体之间的中心壳体62中。

压缩机壳体22包括由围绕轴线的管道壁26形成的入口管道24。压缩机壳体还包括轮罩28，其在径向上邻近压缩机叶片的尖端20，与压缩机轮的毂14一起限定用于流体流过压缩机轮的叶片通道的流动路径。轮罩28从压缩机轮向上游延伸，并终止于在压缩机叶片16的前缘上游轴向间隔开的前缘29。入口管道24被配置为使得流体流在基本上平行于旋转轴线的方向上接近压缩机叶片16的前缘31。由毂和轮罩限定的流动路径被配置为随着流体流过叶片通道，将流体流径向向外转动。流体在叶片后缘32处在大致径向向外的方向上（尽管也具有速度的涡旋或圆周分量）离开叶片通道，并经过扩散器通道34进入排放蜗壳36，该排放蜗壳36包括围绕压缩机轮的大致环面或环形的腔室。

压缩机还包括用于控制压缩机喘振的排出流再循环系统40。再循环系统包括在轮罩28中限定的在压缩机叶片的前缘31和后缘32中间的位置处的排出端口42。在一个实施例中，排出端口是围绕压缩机叶片的尖端的基本上不间断的完整的360°环形端口。在给定的压缩机速度下，当压缩机排放压力增加时或当压缩机质量流量减小时，流过叶片通道的流体的一部分通过排出端口42排出。该排出部分被部分压缩，并因此相比进入压缩机入口管道24的流体处于较高的总压力下。由于旋转的压缩机叶片的作用，排出部分还具有速度的周向分量或涡流分量。

排出端口42连接到在压缩机壳体22中限定的环形空间或通道44。环形通道44限定在轮罩28的径向外表面与入口管道壁26的径向内表面之间。在一个实施例中，通道44包括基本上不间断的完整的360°环形通道，除了存在相对少量的支撑柱30之外，该支撑柱30在入口管道壁26和轮罩28之间延伸，如下文进一步所述。通道44在与入口管道24中的主流体流的方向相反的大致轴向方向上延伸到在压缩机叶片前缘的上游（相对于主流体流）间隔开的一点。

压缩机还包括导流构件27。导流构件是环形构件，其从入口管道壁26径向向内且向轴向下游延伸至导流构件的后缘，该导流构件的后缘靠近轮罩28的前缘29、但与轮罩28的前缘29向上游轴向间隔开，使得在导流构件的后缘和轮罩的前缘之间存在360°的间隙46。导流构件用于基本上防止空气的主要流径向向内经过间隙46，同时允许再循环的空气经过间隙。导流构件还帮助引导再循环空气通过间隙46。因此，经过压缩机轮12的空气的一部分通过排出端口42流出进入环形空间44中，然后在环形空间内向上游流动，并且最终作为再循环空气，通过间隙46注入回到接近压缩机轮的主流中。空气的这种再循环用于帮助控制压缩机的喘振。

参考图2，压缩机还包括噪声衰减器，该噪声衰减器用于衰减与压缩机叶片通过频率（CBPF）相关联的噪声。噪声衰减器包括与排出端口42相对地定位的盲槽50，该盲槽50从入口管道壁26的径向内表面朝入口管道壁的径向外表面延伸长度L。根据要衰减的CBPF噪声的频率选择盲槽50的长度L。在识别出要衰减的叶片通过频率F以及因此对应于该频率的波长λ之后，将长度L选择为在波长λ的1/5至1/4之间。盲槽50本质上用作四分之一波长谐振器。叶片通过频率F的入射声波进入盲槽，并从该槽的末端壁反射并沿其进入的路径返回；入射波和反射波相消地相互干涉，从而使该频率处的声音衰减。

作为示出盲槽的尺寸的非限制性示例，假定发现CBPF噪声在压缩机转速为90,000rpm时很麻烦，并且压缩机轮有七个叶片。叶片通过频率与叶片数量N和转速相关，为

F = N * RPM ÷ 60。

因此，在此示例中，叶片通过频率等于7 * 90,000÷60 = 10,500 Hz。对应于该频率的波长与声速和频率相关，为

λ = V _sound ÷F

= 340 m/s ÷ 10500 Hz

= 0.0324 m (32.4 mm)。

因此，基于该波长的1/5至1/4，盲槽的长度L应在约6.5mm与约8.1mm之间。

根据本发明，可以采用排出端口42和噪声衰减器盲槽50的各种构造。有利地，在每种情况下，盲槽50的口应当与排出端口42的出口对准。排出端口和盲槽的定向可以变化，但是要受该一般约束。如图2所示，在包含压缩机轮的旋转轴线的径向-轴向平面上，排出端口42沿相对于旋转轴线成角度α的第一轴线延伸。盲槽50在所述径向-轴线平面上沿相对于旋转轴线成角度β的第二轴线延伸。根据本发明，角度α和β各自可以变化。在图2的实施例中，α的值约为60°并且β的值等于α。因此，在该第一实施例中，排出端口和盲槽沿相对于旋转轴线成60°定向的轴线共线对准。

本发明的第二实施例在图3中示出。在该实施例中，α为约60°并且β为约90°。与第一实施例中一样，盲槽50的口与排出端口42的出口对准。

本发明的第三实施例在图4中示出。在该实施例中，排出端口42和盲槽50均沿径向定向并对准，或者换言之，α和β均等于90°。

本发明的第四实施例在图5中描绘。在该实施例中，α为约60°并且β为约120°。与其他实施例中一样，盲槽50的口与排出端口42的出口对准。

更一般地，根据本发明，α的值可从约45°至约90°（包括端点值）变化，并且β的值可从约45°至约135°（包括端点值）变化。

在本发明的一些实施例中，盲槽42可绕压缩机的旋转轴线连续地周向延伸360°。在其他实施例中，盲槽可以是周向不连续的，包括共同围绕旋转轴线的多个局部圆周段。

基于本公开，本领域技术人员将认识到，在不脱离本文描述的发明构思的情况下，可以对本文描述的本发明做出修改和其他实施例。本文使用的特定术语用于说明性目的而非限制性目的。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种用于涡轮增压器的离心式压缩机，其包括：

压缩机轮，所述压缩机轮具有限定旋转轴线的毂并且具有多个周向间隔开的叶片，每个叶片连接到所述毂并大致径向向外延伸到叶片尖端，所述叶片中的每个叶片具有前缘和后缘，所述后缘沿通过所述轮的空气的主流的流动方向从所述前缘向下游间隔开，所述压缩机轮附连到可绕所述旋转轴线旋转的轴的一端；

压缩机壳体，所述压缩机轮安装在所述压缩机壳体中，以便可绕所述压缩机轮的旋转轴线旋转，所述压缩机壳体包括入口管道，空气通过所述入口管道在大致平行于所述压缩机轮的所述旋转轴线的方向上进入，并由所述入口管道引导到所述压缩机轮中，所述入口管道由围绕所述旋转轴线并具有径向外表面和径向内表面的入口管道壁形成；

在径向上邻近所述叶片尖端定位的轮罩，所述轮罩相对于沿所述流动方向前进的主流从所述叶片向上游延伸并终止于所述轮罩的前缘，所述轮缘的前缘在所述叶片前缘的上游轴向间隔开，所述轮罩具有由所述主流浸湿的径向内表面，并具有与所述入口管道壁的径向内表面径向向内间隔开的径向外表面，使得在所述轮罩的径向外表面与所述入口管道壁的径向内表面之间限定环形空间；

所述轮罩限定靠近所述叶片尖端的排出端口，并且所述排出端口从所述轮罩的径向内表面到所述轮罩的径向外表面大致径向向外延伸到所述环形空间中；以及

用于衰减压缩机叶片通过频率噪声的噪声衰减器，该噪声衰减器包括与所述排出端口相对地定位、并从所述入口管道壁的径向内表面向所述入口管道壁的径向外表面延伸长度L的盲槽，所述盲槽围绕所述旋转轴线。

2.根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中所述盲槽的长度L在要衰减噪声的压缩机叶片通过频率的波长的1/5和1/4之间。

3.根据权利要求2所述的离心式压缩机，其中所述排出端口在包含所述压缩机的旋转轴线的径向-轴向平面上沿相对于所述旋转轴线形成角度α的第一轴线延伸，并且其中45°≤α≤90°。

4.根据权利要求3所述的离心式压缩机，其中所述盲槽在所述径向-轴向平面上沿相对于所述旋转轴线形成角度β的第二轴线延伸，并且其中45°≤β≤135°。

5.根据权利要求4所述的离心式压缩机，其中，α和β相等并且具有在45°和90°之间的包括端点值的值。

6.一种涡轮增压器，其包括：

根据权利要求1所述的压缩机；

中心壳体，其与所述压缩机壳体联接并包含用于轴的轴承；以及

涡轮机，其包括附连到所述轴的相对端的涡轮机轮，和容纳所述涡轮机轮的涡轮机壳体。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述盲槽的长度L在要衰减噪声的压缩机叶片通过频率的波长的1/5和1/4之间。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中所述排出端口在包含所述压缩机的旋转轴线的径向-轴向平面上沿相对于所述旋转轴线形成角度α的第一轴线延伸，并且其中45°≤α≤90°。

9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中所述盲槽在所述径向-轴向平面上沿相对于所述旋转轴线形成角度β的第二轴线延伸，并且其中45°≤β≤135°。

10.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，α和β相等并且具有在45°和90°之间的包括端点值的值。

11.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述压缩机壳体还包括导流构件，所述导流构件包括环形构件，所述环形构件从所述入口管道壁径向向内且向轴向下游延伸到所述导流构件的后缘，所述导流构件的所述后缘靠近所述轮罩的前缘、但从所述轮罩的前缘向上游轴向地间隔开，使得在所述导流构件的后缘和所述轮罩的前缘之间限定360°间隙。

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