CN114635876A - 一种带有引气机构的离心式压气机及涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的带有引气机构的离心式压气机及涡轮增压器。离心式压气机的压气机壳形成引气回流通道；引气回流通道中设置有引流叶片，引流叶片形成气流引导面；相对于旋转轴线Z，气流引导面前端的引入角

小于0，后端的引出角

大于0。由于引入角

与压气叶片相对，可以将前部失速的有害气流团引入引气回流通道中，减少这些气流团引起的hiss噪声。由于引出角

大于0，使回流的气体进入进气通道时，具有与压气叶片旋转方向相同的周向分量，同时具有轴向的分量，这样，回流的气体从导入到导出，其流动转向小，也比较平缓，可以避免气流转向过大，过急造成的气流分离，减少气体分离损失，促进压气机效率和压力效果的提高。

Description

一种带有引气机构的离心式压气机及涡轮增压器

技术领域

本发明涉及一种离心式压气机技术，尤其涉及一种带有引气机构的离心式压气机，还涉及包括该离心式压气机的涡轮增压器。

背景技术

在增加压力，控制流体的应用场景下，离心式压气机应用比较广泛。离心式压气机通过包括壳体和包括多个叶片的压气叶轮；壳体包括形成进气通道的压气机壳和形成排出通道的蜗壳；压气叶轮与进气通道相对，并能够通过离心的方式使从进气通道进入的气体进行转向并压缩，通过扩压通道使压缩后的气体进入排出通道，对外提供压缩气体，实现预定的目的。

基于应用场景的需要，离心式压气机（如无特殊说明，本文件中，“压气机”、“离心压气机”或“离心式压气机”为同一概念，表示离心式压气机）有存在多种工况，如大流量小负荷、小流量大负荷工况。在不同工况下，压气机可能会有不同效果或表现。比如在小流量大负荷的工况下，时常会出现“次”的噪声，称之为hiss噪声；其原因在于压气叶轮的叶片前缘叶尖位置气流团回流作用而形成。hiss噪声不仅造成噪声污染，还会降低压气机的压比和效率，影响压气机使用效能。

当前解决hiss噪声的方式有增加宽频消音器、放气回流、割环形槽等措施。专利CN105351240B所公开的涡轮增压器压气机中，通过在进气通道外周形成C型循环通道进行引气回流，使叶片前缘叶尖位置气流团回流到叶片后缘，形成引气机构，以减少或降低hiss噪声；并在C型循环通道远离压气机叶轮的后半部形成有叶片通道，前半部形成无叶通道，改善喘振裕度，并改善C型循环通道的通用性。研究说明，该技术导致压气机效率降低，且C型循环通道部分设置叶片，C型循环通道从前向后形成子午面形状成渐扩型，导致加工困难，产品工艺性成本很高。

因此，如何在提高压气机效率、减少或降低小流量大负荷工况的hiss噪声的同时，提高产品工艺加工性能，降低产品成本，是本领域技术人员需要解决的技术难题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种带有引气机构的离心式压气机，该离心式压气机可以在减少或降低小流量大负荷工况的hiss噪声的同时，提高压气机的效率。

本发明的第二个目的在于提供一种包括上述离心式压气机的涡轮增压器。

本发明提供的带有引气机构的离心式压气机，包括相互配合的压气机壳、蜗壳和具有多个压气叶片的压气叶轮，压气机壳形成进气通道，压气叶轮对应进气通道安装，其旋转轴线Z与进气通道回转中心线重合；压气机壳包括内外设置的外环壳和内环壳，外环壳和内环壳之间形成引气回流通道，引气回流通道通引入口和引出口连通进气通道前部和后部；

其中；引气回流通道中设置有多个周向设置的引流叶片且引流叶片与压气叶轮旋转方向相对的面上形成气流引导面；

相对于旋转轴线Z，气流引导面前端的引入角

小于0，后端的引出角

大于0。

由于气流引导面前端的引入角

小于0，即引入角

与压气叶片相对，即在周向方向上，与前部压缩气流流向相反，可以将前部失速的有害气流团引入引气回流通道中，减少这些气流团引起的hiss噪声。有害气流团通过引流叶片引导或整流，将通过引出角

向后流动，由于引出角

大于0，即在周向方向上，使回流的气体进入进气通道时，具有与压气叶片旋转方向相同的周向分量。同时具有轴向的分量，这样，回流的气体从导入到导出，其流动转向小，也比较平缓，可以避免气流转向过大，过急造成的气流分离，减少气体分离损失。同时，引流叶片可以使回流气体在周向或切向速度降低，实现整流的同时，缩短回流气体沿程损失，提高气体流动效率。基于验证效果，发明人也推测，在使回流气体具有压气叶片旋转方向相同的分量，也有利于减少进气通道不均匀性，提高进入压气叶轮压缩空间的均匀性，进而也促进压气机效率和压力效果的提高。

优选技术方案中，过所述气流引导面上任意点的、所述旋转轴线Z的垂线与过所述旋转轴线Z的平面之间的夹角形成气流引导面的引导角

，

为：

其中，Z为以气流引导面前端为原点，以气流引导面后端为正坐标方向，以旋转轴线Z为轴线的坐标参数；

a、b为常数，且a范围为0至2.5；b范围为0至1.73，2a+b的范围为1.2至5；

c为周向定位参数，控制导向叶片的周向位置。

这样可以定量地确定引流叶片轨迹，进而保证其加工精度，进一步保证对回流气体的控制，在减小或降低小流量大负荷工况下hiss噪声的同时，保证压气机的工作效率。

优选技术方案中，引入角

大于-30度（负30度），后端的引出角

小于35度（正35度）。这样可以在精准控制回流的气体从导入到导出的转向程度的同时，保证其整流效果，保证压气机的整体综合效果。

优选技术方案中，在旋转轴线Z方向上，气流引导面的尺寸L大于7毫米，以形成适合的导流路程，可以保证回流气体的整流效果。

优选技术方案中，引气回流通道的引入口与压气叶片的叶尖缘相对。且更优选的方案，引气回流通道的引入口与压气叶片的叶尖缘的、靠近压气叶片的叶后缘的部分相对。可以将小流量大负荷工况下，更多的有害气流团进行通过引气机构进行引导回流，保证降低噪声的效果。

优选技术方案中，引气回流通道中，引入口靠近压气叶片的叶前缘边缘形成过渡圆角半径为0.5-1毫米的圆角过渡。这样可以进一步减少回流阻力，提高回流引导整流效果。

优选技术方案中，引气回流通道中，在引流叶片后方形成无叶片的气体混合引流段，气体混合引流段通过引出口与进气通道相通，引出口形成的射出角S使回流气体减少从后向前的运动分量。保证回流气体具有从后向前的运动分量，可以促进压气的工作效率提高。

优选技术方案中，内环壳和引流叶片通过铸造一体成型；引流叶片外边缘与外环壳内表面通过过盈配合方式安装固定。结合引导角

定量的确定方式，利用铸造使内环壳和引流叶片一体成型；同时结合外环壳内表面为圆形结构，可以充分利用机加工提高精度，可以保证压气机进气通道及回流气体的可控性，在保证工作效率的同时，大幅度降低压气机制造成本。

本发明提供的涡轮增压器，包括涡轮机和配合使用的压气机，其中，压气机为上述任一种带有引气机构的离心式压气机。由于上述带有引气机构的离心式压气机具有上述技术效果，该涡轮增压器也具有相对应的技术效果。

附图说明

包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书示出了本发明的示例性、特征和方面，并且用于解释本发明的原理。

图1为本发明一个实施例中，离心式压气机总体结构示意图；

图2为图1中A——A剖视结构示意图；

图3为图2中B部分放大图；

图4为图3中，一体成型的内环壳120和引流叶片130立体结构图；

图5为气流引导面131在内环壳120外表面投影轨迹;

图6-1为对比实施例（现有技术）性能曲线图；

图6-2为本发明实施例性能曲线图；

图7示意了引导角

的具体位置；

图8示意了，相对于旋转轴线Z，引导角

与旋转轴线Z之间关系。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或者相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或者说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或者好于其他实施例。

本文件中，除非结合上下文有其他表示或有特别说明，“内”、“外”、“周向”、“轴向”等方位词，是以离心式压气机中，压气叶轮的旋转轴线Z为基础确定的；“前”、“后”是离心式压气机中，进气通道中主要气体的流动方向为基础确定，与流动方向一致，为“前”，与流动方向相反，为后。

请参考图1、图2和图3，图1为本发明一个实施例中，离心式压气机总体结构示意图；图2为图1中A——A剖视结构示意图；图3为图2中B部分放大图。

实施例中，带有引气机构的离心式压气机包括相互配合的压气机壳100、蜗壳200和压气叶轮300。

压气机壳100形成进气通道101，用于使空气进入。蜗壳200与压气机壳100配合，并对应进气通道101形成叶轮安装座，用于安装压气叶轮300。压气叶轮300包括叶轮轴310、叶轮毂320和压气叶片330。叶轮毂320通过叶轮轴310安装在叶轮安装座上，多个压力叶片330固定在叶轮毂320上。压气叶轮300的回转中心与进气通道101的中心轴基本同轴。蜗壳200在压气叶轮300形成环形蜗道，环形蜗道通过扩压通道与压气叶轮300下游相通，即与叶前缘333相对。压力叶片330包括与进气通道101相对的叶后缘331，周面与扩压通道配合的叶前缘333，以及位于叶后缘331和叶前缘333之间叶片体。其中，叶片体的外周为叶尖缘332。压气机壳100或/和蜗壳200形成与叶尖缘332相匹配的部分，并与叶尖缘332保持适合的间隙；该间隙一方面保证压气叶轮300的旋转，同时保证压缩气体的泄漏。本实施例中，蜗壳200形成与叶尖缘332相匹配的部分。

压气叶轮300在涡轮或其他动力驱动下旋转，可以将进气通道101中的空气吸入。吸入的气体大部分通过叶后缘331、叶片体和叶前缘333向前流动。旋转的压气叶轮300产生离心力并压缩气体，压缩后的气体通过叶前缘333排出，再通过扩压通道到达环形蜗道，对外形成高压气体。

如图3所示，本实施例中，压气机壳100包括内外设置的外环壳110和内环壳120，外环壳110和内环壳120之间形成引气回流通道102。引气回流通道102通过引入口102a和引出口102d连通进气通道101前部和后部，以将前部的气体引向后部循环。

本实施例中，引气回流通道102中设置有多个周向设置的引流叶片130，以引导回流气体回流。实施例中，可以设置10-15个引流叶片。从前向后，引气回流通道102包括位于引入口102a、从前向后倾斜的引气槽102b、设置引流叶片130的引流段、后部无叶片的气体混合引流段102c，最后通过引出口102d从靠后的位置回流到进气通道101。图3中实线箭头示意了进气通道101气流的整体流动方向，即从后向前流动（图中为从左向右）；虚线箭头示意出的回流气体流动路径。引气回流通道102内应当圆滑过渡，以减少流动阻力，同时避免回流气体的转向过急。

如图3所示，本实施例中，引气回流通道102中，引入口102a靠近压气叶片330的叶前缘333边缘形成过渡圆角半径为0.5-1的圆角过渡。这样可以进一步减少回流阻力，提高回流引导整流效果。

如图3所示，回流的气体在气体混合引流段102c混合、整流之后通过引出口102d射出，引出口102d形成的射出角S使回流气体至少具有从后向前的运动分量。保证回流气体具有从后向前的运动分量，可以促进压气的工作效率提高。

本实施例中，内环壳120和引流叶片130为一体成型，图4为图3中，一体成型的内环壳120和引流叶片130立体结构图。图中，示意了旋转轴线Z的位置，并示意了引流叶片130延伸轮廓。引流叶片130与压气叶轮300旋转方向相对的面上形成气流引导面131。

结合图4，请参考图5，图5为气流引导面131在内环壳120外表面投影轨迹。为了保证引流叶片130的引导、整流效果，在旋转轴线Z方向上，气流引导面的尺寸L大于10毫米，本实施例中为11毫米，以形成适合的导流路程。

本实施例中，引流叶片130由等厚的板状件形成，气流引导面131在内环壳120外表面投影轨迹为曲线。

为了解决现有技术存在的问题，特别是小流量工况下，hiss噪声过大的问题，如图5所示。实施例中，相对于旋转轴线Z，气流引导面前端的引入角

小于0，后端的引出角

大于0。

本发明实施例中，使引入角

为-30度（负30度），后端的引出角

小于35度（正35度）。本发明实施例的试验数据如下：

对比实施例（现有技术）试验数据

上述表格中，相应参数如下：

其中，T_1t为压气机进口总温，T_2t压气机出口总温，P_1t压气机进口总压，P_2t压气机出口总压。

根据上述数据，可以形成现有技术性能曲线图6-1和实施例性能曲线图6-2。根据图6-1和6-2可以看出，大流量时，本发明实施例的压比特性与对比实施例（现有技术）的压比特性基本相同；小流量时，本发明实施例压比特性得到了明显的改善。同转速、流量条件下，效率与现有技术没化不大。根据噪声测试，小流量工况下，噪声明显改善。

根据试验数据，其工作机制推导如下：

由于气流引导面前端的引入角

小于0，即引入角

与压气叶片330相对，即在周向方向上，与前部压缩气流流向相反，可以将前部失速的有害气流团引入引气回流通道102中，减少这些气流团引起的hiss噪声。同时，有害气流团通过引流叶片130引导或整流，将通过引出角

向后流动，由于引出角

大于0，即在周向方向上，使回流的气体进入进气通道101时，具有与压气叶片330旋转方向相同的周向分量。同时具有轴向的分量，这样，回流的气体从导入到导出，其流动转向小，也比较平缓，可以避免气流转向过大，过急造成的气流分离，减少气体分离损失。同时，引流叶片130可以使回流气体在周向或切向速度降低，实现整流的同时，缩短回流气体沿程损失，提高气体流动效率。

基于验证效果，发明人也推测，在使回流气体具有压气叶片330旋转方向相同的分量，也有利于减少进气通道101不均匀性，提高进入压气叶轮300压缩空间的均匀性，进而也促进压气机效率和压力效果的提高。

为了进一步优化引流叶片130设计，同时确定引流叶片130加工数据或加工曲线。申请人基于弧线具有二次函数特性，通过无量纲化后，确定引导角

。如图7所示，该图为引导角

具体位置的示意图。

过所述气流引导面上任意点的、所述旋转轴线Z的垂线与过所述旋转轴线Z的平面之间的夹角形成气流引导面的引导角

，

的确定方式为。

公式1

为其中，旋转轴线Z为以气流引导面前端为原点，以气流引导面后端为正坐标方向，以旋转轴线Z为轴线的坐标参数；

a、b为常数，且a范围为0至2.5；b范围为0至1.73，2a+b的范围为1.2至5；

c为周向定位参数，控制引流叶片的周向位置。

这样可以定性地确定引流叶片130轨迹，进而保证其加工精度，进一步保证对回流气体的控制，在减小或降低小流量大负荷工况下hiss噪声的同时，保证压气机的工作效率。

可选技术方案中，引入角

可以大于-30度（使引入角绝对值更小），后端的引出角

小于35度。这样可以在精准控制回流的气体从导入到导出的转向程度的同时，保证其整流效果，保证压气机的整体综合效果。

优选技术方案中，引气回流通道102的引入口102a与压气叶片330的叶尖缘332相对。且更优选的方案，引气回流通道102的引入口102a与压气叶片330的叶尖缘332的、靠近压气叶片330的叶后缘331的部分相对。可以将小流量大负荷工况下，更多的有害气流团进行通过引气机构进行引导回流，保证降低噪声的效果。

在引入角

为-25度（负值25度），后端的引出角

为27度（正值27度）的情况下，通过以下数据进行了验证：

根据上述数据，满足公式1时可能保证较低的Hiss噪声，并能保持良好的功能效率；相反的情形（b为负值时），产生的Hiss噪声较高，且功能效率有下降趋势。当然，根据不同需要，可以调节引入角

和引出角

的具体角度，如引入角

可以是负18度、负22度、负50度、负78度；引出角

可以是15度、18度、22度或25度等等，优选小于60度。相对于旋转轴线Z，引导角

与旋转轴线Z之间关系可以为如图8所示的坐标曲线图。可以理解，由于公式1中，a和b为常数范围，其坐标曲线也可以在一定范围内移动或变化，以进行定量数据加工（图中虚线示意了坐标曲线的范围）。

可以理解，内环壳120和引流叶片130通过铸造一体成型；引流叶片130外边缘与外环壳110内表面通过过盈配合方式安装固定。结合引导角

定量的确定方式（公式1），利用铸造使内环壳120和引流叶片130一体成型；同时结合外环壳110内表面为圆形结构，可以充分利用机加工提高精度，可以保证压气机进气通道101及回流气体的可控性，在保证工作效率的同时，大幅度降低压气机制造成本。

本发明提供的涡轮增压器，包括涡轮机和配合使用的压气机，其中，压气机为上述任一种带有引气机构的离心式压气机，涡轮机可以驱动压气叶轮300旋转。由于上述带有引气机构的离心式压气机具有上述技术效果，该涡轮增压器也具有相对应的技术效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰。这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种带有引气机构的离心式压气机，包括相互配合的压气机壳（100）、蜗壳（200）和具有多个压气叶片（330）的压气叶轮（300），压气机壳（100）形成进气通道（101），压气叶轮（300）对应进气通道（101）安装，其旋转轴线Z与进气通道（101）回转中心线重合；压气机壳（100）包括内外设置的外环壳（110）和内环壳（120），外环壳（110）和内环壳（120）之间形成引气回流通道（102），引气回流通道（102）通过引入口（102a）和引出口（102d）连通进气通道（101）前部和后部；

其中；引气回流通道（102）中设置有多个周向设置的引流叶片（130）且引流叶片（130）与压气叶轮（300）旋转方向相对的面上形成气流引导面；

相对于旋转轴线Z，气流引导面前端的引入角

小于0，后端的引出角

大于0。

2.根据权利要求1所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，

过所述气流引导面上任意点的、所述旋转轴线Z的垂线与过所述旋转轴线Z的平面之间的夹角形成气流引导面的引导角

，

为：

其中，旋转轴线Z为以气流引导面前端为原点，以气流引导面后端为正坐标方向，以旋转轴线Z为轴线的坐标参数；

a、b为常数，且a范围为0至2.5；b范围为0至1.73，2a+b的范围为1.2至5；

c为周向定位参数，控制引流叶片的角向位置。

3.根据权利要求2所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，引入角

大于-30度，后端的引出角

小于35度。

4.根据权利要求2所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，在旋转轴线Z方向上，气流引导面的尺寸L大于7毫米。

5.根据权利要求1至4任一项所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，引入口（102a）与压气叶片（330）的叶尖缘（332）相对。

6.根据权利要求5所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，引入口（102a）与压气叶片（330）的叶尖缘（332）的、靠近压气叶片（330）的叶后缘（331）的部分相对。

7.根据权利要求6所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，引气回流通道（102）中，引入口（102a）靠近压气叶片（330）的叶前缘（333）的边缘形成过渡圆角半径为0.5-1毫米的圆角过渡。

8.根据权利要求7所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，引气回流通道（102）中，在引流叶片（130）后方形成无叶片的气体混合引流段（102c），气体混合引流段（102c）通过引出口（102d）与进气通道（101）相通，引出口（102d）形成的射出角S使回流气体至少具有从后向前的运动分量。

9.根据权利要求5所述的带有引气机构的离心式压气机，其中，内环壳（120）和引流叶片（130）通过铸造一体成型；引流叶片（130）外边缘与外环壳（110）内表面通过过盈配合方式安装固定。

10.一种涡轮增压器，包括涡轮机和配合使用的压气机，其中，压气机为权利要求1至9任一项所述的带有引气机构的离心式压气机。

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