带有具有形成可调节的不间断叶片环的枢转叶片的入口调节
机构的涡轮增压器压缩机
技术领域
本公开涉及诸如用在涡轮增压器中的离心式压缩机,并且更具体地涉及其中有效入口面积或直径可以针对不同操作条件进行调节的离心式压缩机。
背景技术
废气驱动的涡轮增压器是一种与内燃机结合使用的装置,用于通过压缩输送到发动机进气口以便与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端上的压缩机叶轮和安装在涡轮壳体中的该轴的另一端上的涡轮叶轮。通常,涡轮壳体与压缩机壳体分开形成,并且还存在连接在涡轮壳体和压缩机壳体之间的另一个中心壳体,用于容纳轴的轴承。涡轮壳体限定了围绕涡轮叶轮并接收来自发动机的废气的大体环形室。涡轮组件包括从该室引向涡轮叶轮的喷嘴。废气从该室通过喷嘴流到涡轮叶轮,并且涡轮叶轮由废气驱动。因此,涡轮从废气中提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气,并且空气被压缩机叶轮压缩,并且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(也称为“径向”)类型的压缩机叶轮,因为离心式压缩机可以在紧凑的布置中实现相对高的压力比。压缩机的吸入空气在离心式压缩机叶轮的导入部分处在大体轴向方向中接收,并在叶轮的导出部分处在大体径向方向中排出。来自叶轮的压缩空气被输送到蜗壳,并且空气从蜗壳供应到内燃机的进气口。
压缩机的操作范围是涡轮增压器整体性能的重要方面。操作范围通常由压缩机操作图上的喘振线和阻流线界定。压缩机图通常呈现为纵轴上的压力比(排气压力Pout除以入口压力Pin)与横轴上的校正的质量流量。压缩机图上的阻流线位于高流量处,并且表示在压力比范围内最大质量流量点的轨迹;也就是说,对于阻流线上的给定点,不可能在保持相同压力比的同时增加流量,因为在压缩机中发生阻流情况。
喘振线位于低流量处并且表示在压力比范围内没有喘振的最小质量流量点的轨迹;也就是说,对于喘振线上的给定点,在不改变压力比的情况下降低流量,或在不改变流量的情况下增加压力比,都会导致喘振发生。喘振是一种流动不稳定性,其通常在压缩机叶片入射角变得如此之大以致在压缩机叶片上出现显著的流动分离时发生。喘振期间可能发生压力波动和逆流。
在用于内燃机的涡轮增压器中,当发动机以高负荷或扭矩和低发动机速度操作时,或者当发动机以低速操作并且存在高水平的废气再循环(EGR)时,压缩机喘振可能发生。当发动机从高速状态突然减速时,也会产生喘振。扩大压缩机的无喘振操作范围以降低流量是压缩机设计中经常寻求的目标。
发明内容
本公开描述了一种具有离心压缩机的涡轮增压器,该涡轮增压器配备有入口调节机构,该入口调节机构可操作以调节将空气引入压缩机叶轮的空气入口的有效直径。在存在喘振发生风险的操作条件期间,可以操作入口调节机构以减小空气入口的有效直径,这具有增加进入压缩机叶轮的空气的流通速度的作用,从而减少压缩机叶片入射角,以便延迟喘振的开始以降低流量。
根据本文所述的一个实施例,涡轮增压器包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体中并连接到可旋转轴以随其旋转的涡轮叶轮,涡轮壳体接收废气并将废气供应到涡轮叶轮;以及离心式压缩机组件,其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接到可旋转轴以随其旋转的压缩机叶轮。压缩机叶轮限定导入部分,并且压缩机壳体具有限定用于将空气大体上轴向地引入压缩机叶轮的空气入口的空气入口壁。压缩机壳体限定了在上游壁和与其轴向间隔开的下游壁之间界定的环形空间,环形空间围绕空气入口并且在环形空间的径向内端处对空气入口敞开。
压缩机入口调节机构设置在压缩机壳体的环形空间中,该入口调节机构包括多个共面的弧形的叶片,该多个共面的弧形的叶片围绕圆周分布并彼此部分重叠,以便形成不间断的360度叶片环。每个叶片可围绕相应的固定枢轴点枢转,使得叶片环可在其中叶片环的内直径具有最大值的最大打开位置和其中叶片环的内直径具有最小值的最小打开位置之间调节。叶片环经由叶片围绕相应的固定枢轴点的同时协调枢转而可调节,并且叶片被构造和布置成在最大打开位置和最小打开位置以及它们之间的任何中间位置中形成所述不间断的360度叶片环。
在一个实施例中,叶片中的每个叶片包括在叶片一端处的导流部分、在叶片相对端处的杠杆臂以及设置在杠杆臂和导流部分中间的安装部分。叶片的导流部分共同包围并形成叶片环的内直径。叶片完全位于叶片环的最大打开位置中的环形空间内。在叶片环的任何中间和最小打开位置中,叶片从环形空间径向向内枢转进入空气入口,使得空气入口的有效直径减小到由叶片环的内直径界定的直径。
在一些实施例中,叶片的数量至少为5个。
在特定实施例中,涡轮增压器进一步包括围绕叶片的协调环,该协调环可围绕与涡轮增压器的旋转轴线基本上同轴的旋转轴线旋转。协调环具有径向内周和径向外周,径向外周限定多个周向间隔开的凹口,每个所述叶片一个所述凹口。可替代地,凹口可限定在径向内周中。每个叶片由连接到安装部分并接合在压缩机壳体中的孔中的枢轴销支撑,使得叶片围绕由枢轴销限定的轴线枢转。叶片的安装部分从协调环的径向内周径向向内设置,每个叶片的杠杆臂包括钩部,该钩部接合在协调环中的凹口中的相应凹口中。因此,协调环的旋转经由杠杆臂的钩部在协调环的凹口中的接合而赋予叶片枢转运动。
在其中杠杆臂的钩部接合协调环的径向外周中的凹口的实施例中,每个叶片的安装部分可包括支撑垫,协调环的下游面轴向地支撑在该支撑垫上。
在一个实施例中,每个叶片的导流部分限定从协调环的内周径向向内延伸并且朝向叶片的相邻叶片的导流部分的远侧端周向延伸的下面的凸缘,并且叶片中的相邻叶片的导流部分的远侧端限定阶梯部分,该阶梯部分具有与下面的凸缘重叠的上覆凸缘。下面的凸缘和上覆凸缘被构造和布置成在叶片环的所有位置中至少部分地彼此重叠,从而形成所述不间断的360度叶片环。
在一个实施例中,上覆凸缘分别与下面的凸缘的轴向上游面相邻设置。
在一个实施例中,叶片可以共同限定在压缩机壳体中的环形空间内轴向延伸的圆柱形管道,每个叶片限定整体形成在叶片上的弧形管道部分,当叶片环被调节到最小打开位置时,叶片的管道部分围绕环形空间在周向上首尾相连,以便形成所述圆柱形管道。当叶片环处于最小打开位置时形成的圆柱形管道有助于将环形空间与压缩机入口流体地隔离,并且从而有助于避免否则会由环形空间引起的叶轮入口处的流动扰动。在叶片环的其它位置中,管道部分彼此分离,并且因此不执行此类密封功能。
在一个实施例中,每个叶片的径向内周缘包括圆弧,叶片被构造和布置为使得叶片的径向内周缘在叶片环的最小打开位置中共同形成基本上圆形的孔口。
根据特定实施例,压缩机壳体包括限定蜗壳和轮廓的主壳体部分,以及限定空气入口的单独形成的盖部分,盖部分被轴向接收到由主壳体部分的上游侧限定的容座中并且由紧固件固定到主壳体部分,环形空间的上游壁由盖部分限定,并且环形空间的下游壁由主壳体部分限定。
盖部分可以限定接触垫,该接触垫面对入口调节机构的叶片中的每个叶片的上游面并且约束叶片的轴向上游运动。
在一个实施例中,压缩机壳体限定从压缩机叶轮的导出部分引向蜗壳的扩散器,并且扩散器是发散扩散器。扩散器限定在上游扩散器壁和下游扩散器壁之间,并且上游扩散器壁和下游扩散器壁之一相对于径向方向倾斜,使得扩散器的轴向宽度随着距涡轮增压器的旋转轴线的增加半径而增加。倾斜的扩散器壁可以是圆锥形的。
附图说明
已经概括地描述了本公开,现在将参考附图,这些附图不一定按比例绘制,在附图中:
图1是如从压缩机端大体上朝向涡轮增压器的涡轮端观看的根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的等距视图;
图2是如从压缩机端朝向涡轮端观看的图1的涡轮增压器的端视图;
图3是涡轮增压器沿图2中的线2-2的横截面视图;
图4是涡轮增压器子组件的分解图,该涡轮增压器子组件包括压缩机壳体和安装在其中的入口调节机构;
图4A是盖部分的等距视图,示出盖部分面对入口调节机构的一侧;
图5是根据本发明的实施例的入口调节机构的叶片的等距视图;
图6是图5的叶片的进一步等距视图;
图7是根据本发明的实施例的压缩机的端视图,示出处于最小打开位置的入口调节机构;
图8是图7的压缩机的端视图,移除压缩机壳体的盖部分,以揭示入口调节机构的细节;
图9是沿图8中的线9-9的横截面视图;
图10是图7的压缩机的端视图,示出处于中间打开位置的入口调节机构;
图11是图10的压缩机的端视图,移除压缩机壳体的盖部分,以揭示入口调节机构的细节;
图12是沿图11中的线12-12的横截面视图;
图13是图7的压缩机的端视图,示出处于最大打开位置的入口调节机构;
图14是图13的压缩机的端视图,移除压缩机壳体的盖部分,以揭示入口调节机构的细节;以及
图15是沿图14中的线15-15的横截面视图。
具体实施方式
现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明,其中示出了本发明的一些但不是所有实施例。实际上,这些发明可以以许多不同的形式实施并且不应被解释为限于在此阐述的实施例;而是,提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。相同的数字始终指相同的元素。
在本公开中,术语“孔口”意指“开口”而不考虑开口的形状。因此,“孔口”可以是圆形或非圆形的。此外,当本公开提及叶片共同地形成“不间断的360度叶片环”时,此类语言不需要相邻叶片之间存在物理接触。
根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10在图1和图2中示出,并且涡轮增压器的轴向横截面视图在图3中示出。涡轮增压器包括压缩机和涡轮。该压缩机包括压缩机叶轮(wheel)或叶轮(impeller)14,该叶轮14安装在可旋转轴18的一端上的压缩机壳体16中。压缩机壳体包括一个壁,该壁限定空气入口17,用于将空气大体上轴向引入压缩机叶轮14中。该轴由安装在涡轮增压器的中心壳体20中的轴承支撑。轴由安装在离压缩机叶轮的轴的另一端上的涡轮叶轮22旋转,从而可旋转地驱动压缩机叶轮,该压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并将压缩空气从压缩机叶轮大体上径向向外通过扩散器19排出到用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21被引导到内燃机(未示出)的进气口以提高发动机的性能。
涡轮叶轮22设置在涡轮壳体24内,该涡轮壳体24限定环形室26,用于接收来自内燃机(未示出)的废气。涡轮壳体还限定喷嘴28,用于将来自室26的废气大体上径向向内引导至涡轮叶轮22。在所示实施例中,喷嘴是具有喷嘴环34的可变喷嘴,在喷嘴环34上支撑一排周向间隔开的可枢转轮叶36。通过调节轮叶36的位置来调整通过喷嘴的废气流量。废气在它们通过涡轮叶轮时膨胀,并且可旋转地驱动涡轮叶轮,该涡轮叶轮进而可旋转地驱动压缩机叶轮14,如已经提到的。
参考图1-4,在所示实施例中,限定用于压缩机的空气入口17的壁部分地由压缩机壳体16(本文也称为“主壳体部分”)形成并且部分地由单独的入口管道构件16d(本文也称为“盖部分”)形成,该单独的入口管道构件16d被接收到由压缩机壳体限定的圆柱形容座16r中。空气入口17的靠近压缩机叶轮14的部分限定了大体圆柱形的内表面17i,该内表面17i具有大体上与压缩机叶轮的导入部分14i的直径相匹配的直径。
压缩机壳体16限定了护罩表面16s,该护罩表面16s与叶轮叶片的径向外部尖端紧密相邻。护罩表面限定了大体平行于压缩机叶轮的轮廓的弯曲轮廓。
在所示实施例中,从压缩机叶轮14的导出部分引向蜗壳21的扩散器19是发散扩散器,其轴向宽度随着距涡轮增压器旋转轴线的增加半径而增加。扩散器限定在上游扩散器壁和下游扩散器壁之间,并且上游扩散器壁和下游扩散器壁之一相对于径向方向倾斜以产生发散扩散器。倾斜的扩散器壁可以是圆锥形的。在所示实施例中,下游扩散器壁是倾斜的,但替代地,上游壁可以是倾斜的。
根据本发明,涡轮增压器的压缩机包括设置在压缩机壳体的空气入口17中的入口调节机构100。入口调节机构包括环形组件并且设置在由主壳体部分16限定的下游壁105d和由单独的盖部分16d限定的上游壁105u之间限定的环形空间S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,入口调节机构可在最大打开位置和最小打开位置之间以及在所述最大打开位置和最小打开位置之间的一个或多个中间打开位置之间移动。
现在参考图3和图4,入口调节机构包括多个叶片102,叶片102围绕空气入口的中心轴线布置,并且每个叶片可围绕位于叶片一端或附近的枢轴销104枢转。叶片102的组件形成不间断的360度叶片环103,其内直径可经由叶片围绕枢轴销的枢转来调节。
另外参考图5和图6,叶片102中的每个叶片包括在叶片一端处的导流部分102f、在叶片相对端处的杠杆臂102a以及设置在杠杆臂和导流部分中间的安装部分102m。叶片的导流部分102f共同包围并形成叶片环的内直径。在最大打开位置中,叶片完全位于环形空间S内(图3),并且因此入口调节机构不会改变压缩机的有效入口直径,即入口直径是由紧靠压缩机叶轮前面的压缩机壳体的入口表面17i决定的。在中间打开位置和最小打开位置中,叶片环103形成直径小于入口表面17i的直径的孔口,并且从而相对于标称直径减小有效入口直径,如下文进一步描述的。
在所示实施例中,用于叶片的枢轴销104被固定在限定在主壳体部分16的下游壁105d中的孔中并且被接收在形成在每个叶片的安装部分中的孔102h中。叶片布置成紧靠下游壁105d。围绕孔102h的凸台102b从每个叶片的下游面突出并与下游壁105d接合,以便将大部分叶片与壁间隔开,以最小化叶片上的摩擦力。入口调节机构进一步包括协调环106,该协调环106围绕叶片102的组件并且与叶片基本上共面。在图示实施例中,协调环的径向外周限定多个切口或凹口108,其数量等于叶片102的数量。每个叶片的杠杆臂102a延伸经过协调环的径向内周到径向外周并且包括接合切口108之一的端部或钩部102e,使得当协调环围绕其轴线旋转时,叶片围绕枢轴销104枢转,以便调节由叶片环103产生的孔口的大小。在未示出的替代实施例中,叶片杠杆臂的凹口被限定在协调环的径向内周中。
叶片的导流部分102f的径向内边缘包括优选为圆弧形的部分,并且当叶片环处于最小打开位置时,这些边缘共同围绕并界定大体圆形的孔口。
如图4A中所示,所示实施例中的盖部分16d限定了接触垫CP,该接触垫CP面对入口调节机构的叶片102中的每个叶片的上游面并且约束叶片的轴向上游运动(见图9)。相应地,每个叶片包括接触垫CP',用于接触盖部分的接触垫中的相应接触垫,如图5中所示。
在替代实施例 (未示出) 中,入口调节机构可以以包括两个环形端板的筒形式提供,叶片和协调环被俘获地保持在该两个环形端板之间,并且整个组件可以安装在压缩机壳体内的环形空间内。在该情况下,叶片102的枢轴销104可以固定在端板之一中。
叶片的枢转运动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,图8中的顺时针方向)到如图14中所示的最大打开位置,其中叶片完全位于入口内表面17i的径向外侧。如前所述,在叶片的最大打开位置中,入口调节机构不改变如由入口表面17i限定的标称入口直径。
叶片也可以径向向内枢转(通过在相反方向中协调环的旋转,在图14中的逆时针方向)到如图8中所示的最小打开位置。在最小打开位置中,沿叶片的径向内侧的圆弧边缘共同形成孔口,该孔口基本上是具有小于入口表面17i的直径的直径的圆形。这导致入口的有效直径相对于标称入口直径减小。此外,在所示实施例中,叶片可以被枢转到至少一个中间打开位置,如图10和11中所示。在中间打开位置中,叶片环103界定其直径大于最小打开位置的直径、但仍小于入口表面17i的直径的孔口。
本发明的一个特征在于,在叶片环103的所有位置中,叶片102共同形成不间断的360度叶片环。这通过叶片102的数量、结构和布置以及它们的枢轴销104相对于叶片的其它部分的位置来实现,如下文进一步描述。因此,参考图5和图6,每个叶片的导流部分102f的近侧端(术语“近侧”和“远侧”相对于叶片的枢轴销104的位置)限定了从与用于枢轴销的孔102h相邻的点朝向导流部分的远侧端(即,当叶片作为叶片环103的一部分安装时,沿着大体上径向向内的方向)延伸的下面的凸缘102u。下面的凸缘102u还朝向叶片中的相邻叶片的导流部分的远侧端周向延伸。相应地,叶片中的所述相邻叶片的导流部分的远侧端限定阶梯部分,该阶梯部分具有与第一叶片的所述下面的凸缘102u重叠的上覆凸缘102o。下面的凸缘和上覆凸缘被构造和布置成在叶片环的所有位置中至少部分地彼此重叠,从而形成所述不间断的360度叶片环(参见图14中的最大打开位置,示出了重叠如何保持)。在所示实施例中,上覆凸缘102o分别与下面的凸缘102u的轴向上游面相邻设置。叶片在所有位置中形成不间断叶片环的该能力部分地取决于叶片的数量。优选有至少5个叶片;所示实施例采用了6个叶片,但如果需要,可以使用更多数量的叶片。
在所示实施例中,叶片102中的每个叶片限定了整体形成在叶片上的弧形管道部分102d。当叶片环103被调节到最小打开位置(图8)时,叶片的管道部分102d围绕压缩机壳体中的环形空间S沿周向首尾相连,以便形成在压缩机壳体中的环形空间内轴向延伸的圆柱形管道D,邻近环形空间的径向内端(图9)。仅当叶片环处于最小打开位置时才形成的圆柱形管道有助于将环形空间与压缩机入口流体地隔离,并且从而可以有助于避免否则会由环形空间引起的在叶轮入口处的流动扰动。在叶片环的其它位置中,管道部分彼此分开,并且因此不执行此类密封功能。
如前所述,叶片102被致动以在它们的最大打开位置、最小打开位置和中间打开位置之间通过可围绕空气入口的中心轴线旋转的协调环106枢转。现在参考图4,由致动器116将旋转运动赋予协调环。致动器的致动器杆117被接收到限定在压缩机壳体16中的容座116a中。致动器包括延伸通过限定在压缩机壳体中的空间并且在其远侧端固定到臂118,该臂118通过延伸通过压缩机壳体的壁的长孔口119从协调环径向向外伸出。致动器可操作以沿其长度方向线性地延伸和缩回杆117,以便使协调环106旋转,并且从而致动叶片102。延伸杆使叶片朝向最小打开位置枢转并且缩回杆使叶片朝向最大开位置枢转。
如上所述,入口调节机构100能够调节进入压缩机叶轮14的入口的有效大小或直径。如图7和图8中所示,当入口调节机构处于最小打开位置时,进入压缩机叶轮的入口的有效直径由叶片环103限定的内直径决定。为了实现这种效果,轴向间距应针对特定的压缩机叶轮进行优化,使得将入口直径有效地减小到由叶片环决定的值,同时避免不可接受的噪音水平。
在低流量(例如,低发动机速度)下,入口调节机构100可以放置在图7和图8的最小打开位置。这可具有降低有效入口直径的效果,并且从而增加进入压缩机叶轮的流速。结果将减小叶轮叶片的入射角,有效地稳定流动(即,使叶轮叶片失速和压缩机喘振不太可能)。换句话说,压缩机的喘振线将移动到较低的流量(在压缩机压力比与流量的图上向左移动)。
在中等和高流量下,入口调节机构100可以被调节到最大打开位置,如图13和图14中所示。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阻流,好像入口调节机构不存在一样,并且好像压缩机在叶轮的导入部分处具有与叶轮直径相匹配的传统入口。
对于其它操作条件,将机构放置于中间打开位置可能是有利的,诸如在图10和图11中。中间位置可能是有利的,例如当从低流量状态暂态地移动到高流量状态时,其中,叶片环在向完全打开到最大打开位置的途中可以从最小打开位置过渡到一个或多个中间打开位置。这样,可以避免从最小打开位置到最大打开位置的突然变化。应当注意,根据本发明的入口调节机构(其中叶片的数量优选地至少为5个)的优点是由处于中间位置的叶片形成的孔口的形状可以基本上是圆形的,有利于压缩机的性能。相对大数量的叶片进一步有利于减少通过机构的泄漏。
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,可以对本文描述的发明进行修改和其它实施例。本文使用的特定术语用于说明目的而非限制目的。因此,本发明不限于所公开的特定实施例,并且修改和其它实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。