CN1217436A

CN1217436A - 压缩机

Info

Publication number: CN1217436A
Application number: CN98121438A
Authority: CN
Inventors: W·K·布拉夫尔
Original assignee: Holset Engineering Co Ltd
Current assignee: Cummins Turbo Technologies Ltd
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 1999-05-26
Anticipated expiration: 2018-10-30
Also published as: GB9722916D0; DE69824808D1; DE69824808T2; EP0913585B1; CN1119532C; EP0913585A1

Abstract

一种MWE压缩机包括含有进口和出口的壳体和安装其内的压缩机叶轮,进口由下列部分形成;第一筒形部分,其是壳体内壁表面的延伸;第二筒形部分并位于第一筒形部分的径向外侧,并在两筒形部分之间形成环形通道;一壁件横过上述环形通道延伸;位于第一部分上游沿径向向外和朝上游从靠近第一部分上游端向第二部分上游端延伸的锥形壁件。在锥形壁件下游端和第一部分上游端之间至少一个孔与环形通道相连。在壳体内靠近叶轮处至少一孔与环形通道相连。

Description

压缩机

本发明涉及一种压缩机，特别是关于这样一类压缩机：它有一进气道装置，其特征使此装置表面的噪音水平与常规的进气道装置(的噪音水平)相比有所下降。

涡轮增压器已被设计成装有称之为“增宽工作范围”(MWE)装置的压缩机进气道装置。这种MWE装置，例如，在美国专利NO4930979中有所介绍。在此类构造中，压缩机进气道包括两个同轴的筒形进气段，内进气段比外进气段短，而且具有一个由压缩机壳体内壁表面延伸成的内表面，此表面对着安装在壳体内的压缩器叶轮形成的诸叶片。在两个筒形进气段之间形成一个环形流通通道。此环形流动通道在上游端是敞开的，在下游端通过与面对压缩机叶轮的壳体内表面连通的若干个孔而形成开口。

在使用MWE进气道装置的情况下，当通过压缩机的流量较大时，空气在轴向沿两个筒形段间形成的流动通道向压缩机叶轮流动。当通过压缩机的流量较小时，通过该流动通道的空气流方向就逆转从而使空气从邻近压缩机叶轮的那些孔流向进气道装置的内筒形段的上游端。众所周知，此类流动通道的构造使压缩机的性能得以稳定。

人们已知道，装有MWE进气道装置的压缩机与进气道只由一个筒形部件形成的常规结构相比，其噪音水平是增大的。在英国专利号2256460中，对此有所说明。该专利还披露了一种MWE进气道装置，在此装置的内筒形段的上游安装了一个降噪音隔板，而且其被保持在外筒形段上游端的内部。因此，该隔板挡住了进气道装置内、外筒形段间形成的环形流动通道的轴向敞开的一端，此流动通道通过在隔板与进气道装置的内筒形段上游端之间形成的缝隙与进气道连通。此隔板可以与从靠近进气道装置内筒形段上游端的缝隙向外扩张的锥形段组成一体。

在英国专利2256460中介绍的那种锥形隔板结构的确降低了从进气道装置的两个筒形段间形成的环形流动通道发出的噪音，一般来说，总的噪音水平有所降低。然而，在有些工作环境下，主进气道流动通道内的噪音水平却有所增加。

本发明的目的是提供一种改进的MWE装置，以求减小上述噪音问题。

按照本发明，提供一种压缩机包括：一个用以限定进口(气道)和出口的壳体和一个安装在该壳体内可以旋转的压缩机叶轮，因此当叶轮旋转时，进气道内的气体流向出口；此壳体具有一内壁，其限定一个非常靠近由叶轮支撑的叶片径向外缘的表面；其中，进气道是由下列部分形成的：一个第一筒形部分，其内表面是壳体内壁所述表面的延伸段，一个第二筒形部分，它位于第一筒形部分径向外侧，从而在第一和第二部分之间形成一环形通道；一个壁件，其横过由第一和第二筒形部分间的环形通道延伸；此壁面位于第一筒形部分的上游端和下游端之间；在此壁之相反对置侧的通道部分至少通过一个孔相连通；并且在壳体内壁所述表面内并靠近叶轮处至少设有一个孔以与环形通道相连通。

该横过环形通道延伸的壁件可抑制噪音沿环形通道的传播。此壁面最好置于或靠近在正常使用压缩机期间预计会沿环形通道传播的噪音波波腹的位置上。此壁面可以是简单的沿径向延伸的凸缘结构，或是朝径向倾斜的方向延伸的，也可以是与一轴向部件组成一螺旋形或其他形式的构件。

该进气道可包括一个壁件，其限定一个面对环形通道的环形表面、并从靠近第一筒形部分的上游端向处朝第二筒形部分的上游端延伸；在第一筒形部分上游端与环形表面的径向内缘之间还设有一个孔。此环形表面可以是截锥形的，并可以从靠近第一筒形部分的上游端沿径向向外和朝上游方向延伸。

进气道最好包括一个壁件，其限定一个从靠近第一筒形部分上游端沿上游方向延伸的筒形壁面。这种结构可确保，朝上游方向沿进气道传播的噪音在筒形表面的上游端得到快速扩张。这就进一步降低了噪音输出。

该横过环形通道延伸的壁件可以是从第一筒形部分径向往外延伸的凸缘结构，至少设有一个孔并置于靠近第二筒形部分的凸缘之径向外侧部分中。

至少第一筒形部分和横过环形通道延伸的壁件可以用一个安装在第二筒形部分内的组件构成。通过在限定环形表面的壁件之径向外侧部分和在第二筒形部分内设置的凹槽之间的接合可以把上述组件定位在第二筒形部分内。

本发明还提供一种压缩机，它包括：一个用以限定进口(气道)和出口的壳体和一个安装在壳体内可以旋转的压缩机叶轮，因此当叶轮旋转时，进气道内的气体流向出口；此壳体具有一内壁，其限定一个非常靠近由叶轮支撑的叶片径向外缘的表面；其中，进气道是由下列部分形成的：一个第一筒形部分，其内表面是壳体内壁所述表面的延伸段，一个第二筒形部分，它位于第一筒形部分的径向外侧，从而在第一和第二部分之间形成一环形通道，一个壁件，其限定一个面对环形通道的表面并从靠近第一筒形部分的上游端向第二筒形部分的上游端延伸，以及一个壁件，其限定一个从第一筒形部分的上游端朝上游方向轴向延伸的筒形表面，在限定该筒形表面的壁件的下游端和第一筒形部分的上游端之间至少设有一个第一孔以与环形通道相连通；在壳体内壁所述表面上并靠近叶轮处至少设有一个第二孔以与环形通道相连通，以及该面对环形通道的表面是朝径向倾斜的。

现通过实施例，并参考附图说明本发明的一种实施方案，这些图中：

图1为涡轮增压式压缩机的常规进气段的剖视简图；

图2为已知的带有增宽工作范围(map)进气道的压缩机进气段的剖视简图；

图3为装有降噪音隔板的、已知的压缩机进气段的局部剖视筒图；

图4为本发明压缩机壳体局部剖视图；

图5和图6为用于装在图4所示壳体中的隔板装置的透视图；

图7为图5和图6所示隔板的截面图；

图8示出了从图3所示的进气道装置、从图4所示的进气道装置和从图4所示型进气道装置在除去图4所示装置的筒形部分后分别获得的噪音输出曲线；

图9为可以在本发明的一种具体方案中使用的另一种隔板装置的剖视图；

图10为装有图9所示那种类型隔板的进气道装置造成的噪音输出曲线；

图11为图9所示那种类型的隔板除去构成锥形表面的环形部分后的剖视图；

图12为装有图11所示隔板的压缩机进气道装置的噪音输出曲线。

参阅图1，图中所示为未带增宽工作范围装置的压缩机的常规进气段。该图所示结构具有壳体1，壳体1的筒形进气部分2形成了进气通道3，此通道的截面积向下游方向逐渐变小。该进气道与壳体1内形成的一空腔相通，此空腔内装有压缩机叶轮4，叶轮4可绕用虚线5表示的轴线旋转。叶轮4支撑着叶片6，叶片6的径向外缘旋转时扫过由壳体1所形成的内表面7。

众所周知，图1所示那种常规装置在某些运行工况下是不稳定的，特别是只能在比较有限的压缩机叶轮流动范围内满意地工作。人们已知道，使用图2所示那种MWE进气道装置来解决这个问题。

现参阅图2，图2中那些相应部分使用了与图1中所用的相同的数字代号。图2所示的进气道装置包括：一个筒形第一部分8，它的内表面是壳体内表面7的延伸；一个筒形第二部分9，它位于筒形第一部分8的径向外侧，并在第一和第二部分之间形成一环形通道10。在筒形第一部分8的下游端穿过壳体制有若干个孔11，这些孔开口到由壳体1形成的表面7上。叶片6的径向外缘在叶轮旋转时扫过其上设有孔11的表面7。

当叶轮4旋转时，空气经由进气通道3吸入，并被输送到蜗壳12。如果叶轮4在高速流动状态下旋转，空气则通过筒形第一进气部分8，也通过环形通道10和孔11被吸入壳体。然而，当经过压缩机叶轮4的质量流量下降时，经过孔11的压力降也下降，而且可能变成相反。此时，在环形通道10中的空气流动方向也产生逆转，以致于通过筒形第一进气部分8进入壳体的一些空气经由环形通道10发生回流。这就是使压缩机输入级的运转得以稳定的公知方式。

现参阅图3，图中所示进气道装置在已公开的英国专利说明书第2256460号的图14中已有说明。除了在筒形第二部分9内并在筒形第一部分8的上游加了一个隔板外，图3所示装置基本相似于图2的装置。此隔板是一种由锥形表面13和筒形部分14形成的截锥形环形结构。此隔板的筒形部分14在进气道装置的筒形第二部分9内为紧配合配置。在筒形表面13的下游端和进气道装置之筒形第一部分8的上游端之间则形成一个缝隙15。

在图3所示的配置结构中，通过孔11在环形通道10中传播的压力波振面突然通过缝隙15进入进气道装置筒形第一部分8中的较高速度的空气流中。因此，由此组件造成的总的噪音输出减少了。而且，由于通过环形通道10的空气流运动方向的改变也会使噪音输出有所下降。然而，已经发现，就图3所示这类已知结构，虽然其噪音输出小于图2所示采用常规MWE结构时的噪音输出，但是仍大于图1所示采用不带MWE的常规结构时的噪音输出。

现参阅图4、图5、图6和图7，以描述本发明的第一种实施方案。图示的实施方案具有一筒形第一部分16，其内安装一个模制塑料组件，此组件把构成整个组件的第二、第三、第四和第五部分的各元件组合在一起。第二部分是一个从靠近缝隙18处朝上游方向延伸的筒形结构17，缝隙18的功能与前面图2和图3中所介绍的缝隙15的功能相同。在筒形第一部分16和筒形第二部分17之间形成一环形通道19。第三部发则是从筒形第二部分17径向向外横过环形通道19伸展的一壁件20。第四部分是一截锥形壁件21，它从筒形第二部分的上游端沿径向向外和朝上游方向延伸到筒形第一部分16的内表面。壁件21相对于径向的倾斜角也可以反过来，致使该壁面沿径向向外和朝下游方向延伸。在这两种情况下，截锥形表面在整个频率范围内都能抑制噪音。如果该壁件是径向的，则只能在某一频率上对噪音有所抑制。第五部分是筒形第二部分17的一个筒形延伸段22。在筒形第二和第五部分之间则形成了缝隙23。该缝隙23起着上述图3中所述的缝隙15的作用。

壁件20在环形通道19中只延伸横过一部分，其上带有四个凸耳24，这四个凸耳24则支撑在筒形第一部分16的内表面上。因此，环形通道19被分割成位于壁件20的相对两侧的两个分开的部分。由于每相邻两个凸耳24之间形成一条缝隙，总共有四条缝隙，所以实际上此壁件20是如带孔的。因此，空气是经由壁件20上限定的那些孔流过缝隙18和23之间的环形通道19的。通过环形通道19的空气流的方向作为整体是通过进气道装置的流量的函数，如同任何常规MWE进气道装置的情况。

该锥形第四部分21的径向外端带有四个凸耳25，其上还设有径向凸出的棱条，这些棱条被嵌置在筒形第一部分16内形成的环形凹槽中。

现参阅图8，图中示出了三种不同的进气道装置以输出噪音表示的性能。图中上方那条实线迹线代表采用图3所示进气道装置的涡轮增压式压缩机工作时产生的加权声压水平。下方那条虚线迹线示出了用图4至图7所示进气道装置替换图3所示进气道装置后的结果。中间那条实线迹线给出的是从经修改去掉第五部分即筒形延伸段22后图4至图7所示那种进气道装置记录到的噪音水平。应该注意，无论是经修改的还是未经修改的进气道装置，其输出噪音都有实质性的下降，特别是在频率较高时。采用未以修改的图4至图7所示那种进气道装置获得的性能最好，但是采用经修改的进气道装置，也就是没有筒形延伸段22的进气道装置，其性能也有很大改善。

可以相信，由于从缝隙18沿环形通道19传播的压力波，先是在壁件处遇到通道截面积的减小，而后又遇到截面积的突然扩张，所以带孔壁件20(进气道装置的第三部分)的存在使输出噪音大为下降。理想地，壁件20应该位于通过环形通道19的噪音波波腹处，但是对于大多数应用场合，波腹位置是噪音频率的函数。一种波腹将位于从缝隙18为起点测量的噪音波波长四分之一的距离处。在大多数装置正常工作期间，噪音波频率在宽广的范围内变化。实验已经表明，在压缩机叶轮转速变化从而频率十分宽广的各种应用场合，此壁件大致应该置于缝隙18和缝隙23之间的中间位置。在预定转速下持续运转的应用场合，壁件20理想地应设置在此给定运行转速下所予计的噪音波波腹处。

正如图8所示，在常规的进气道装置中设置壁件20可导致噪音输出实质性的下降。在加装了筒形延伸段22后，情况可得到进一步的改善。可以相信，加装这种筒形延伸段是有效果的，因为噪音波沿着通道传到延伸段22的上游端的话，这朝上游方向通过的噪音波先遇到让其从中传播的通道截面积的突然扩张。虽然图8中没有示出有关曲线，但是实际上装有筒形延伸段22后，即使不存在壁件20，也会使噪音输出有一些下降。

图5、图6和图7所示的进气道装置可以是单个的模制件，也可以是由若干分开的模制件装配成的组件。通常，这类组件是用塑料制成的，虽然也可以采用金属构件。

在壁件20上所设的凸耳24用于使配置成一体的模制件在压缩机壳体内支承定位。但是，这些凸耳没有任何空气动力功能或减少噪音的功能，如果换用其他结构配置来确保各部件正确的相对位置时，这些凸耳就可以省略。曾对除去凸耳24的装置做过试验，未见噪音输出有可测知的增加。

由图可见，筒形延伸段22的内径略大于筒形段17的内径。这两个内径之差会影响噪音输出和空气动力性能，可以就各种特定的应用场合，通过实验来选定这些部件的合适的内径。同样，壁件20的外径，亦即不带凸耳24的壁件20的外径，也可以就各种特定的应用场合，通过实验选择其最佳外径。

应该看到，图5至图7所示装置可以是由若干单独的模制件或铸件装配成的组件。例如，壁件20可以是一个能装配在筒形部分17上的一个分离的部件。又如，筒形部分16和17可以制成一个限定环形通道的整体铸件之一部分，而构成壁件20的环形件则可以插在此铸件中。锥形壁件21和筒形延伸段22也都可以制成单独的模制件或铸件。

为了评定在远离压缩机叶轮的环形旁路通道端部设置锥形表面的重要性，也做了若干试验。现参阅图9至图12来说明这些试验。

参看图9，图示的组件曾被装在通向压缩机的筒形进气道内，其径向外表面26与进气道筒形部分的径向内表面相接合，它的一个端面27则构成缝隙的一侧，此缝隙的作用与图4至图7所示装置中的缝隙18的作用相当，一个锥形壁件28的作用相当于图4至图7所示装置中的锥形部分21的作用，一个径向壁件29的作用相当于图4至图7所示装置中的壁件20的作用。此组件上也设有其作用与图4至图7所示装置中缝隙23之作用相当的缝隙。与图4至图7所示装置相反，位于缝隙30上游的、该组件之第五部分不是筒形的，而是向外朝表面26喇叭张开的。

图10中的实线迹线是图2所示那种常规MWE压缩机装置的噪音输出。应该注意，其噪音输出在4000至8000赫弱频率范围内出现一个明显的峰值。在图10中还用虚线表示了一个MWE进气装置组合图9所示组件的性能情况。可以看出，在横跨这些频率范围内，这两个迹线是重叠的，但在4000至8000的噪音输出频率范围内存在一个明显下降。

图9所示的组件由三个部件构成：一是形成表面26和27及缝隙30的带凸缘圆筒，二是形成锥形表面28的、其截面形状为三角形的环形件，三是形成壁件29的、其截面形状为矩形的环形件。此外，对去掉形成锥形表面28的环形件但其余部分与图9所示组件相同的进气道装置进行了试验。这种装置就是图11所示的装置，其噪音输出示于图12。

现参阅图12，标准MWE进气道装置的噪音输出迹线用实线表示。图11所示装置的噪音输出迹线则用虚线表示。应该注意，图11所示装置的性能比图9所示装置的性能差，特别是在5000至7000赫兹频率范围内。这表明，虽然在MWE装置两个缝隙间的环形通道中加装壁件29会得到一些好处，但是如果在远离这邻近压缩机叶轮之缝隙的环形通道端部用锥形表面封住的话，效果会更好。

文中曾用“锥形的”这个术语来描述实际上是“截锥形的”表面。应该看到，也可以采用实际上不是截锥形的表面，包括那些精确校准的表面。用截锥形表面来抑制预定频率处的噪音是十分有效的。并且在压缩机转速预计为稳定不变因而噪音传播在预定频率的场合时，应用截锥表面更有特别的优点。然而在叶轮转速变化的情况下，采用部分球形的或部分椭圆形的或其他曲线形的表面则更为有效。

Claims

1．一种压缩机包括：一个限定进口和出口的壳体和一个安装在该壳体内可以旋转的压缩器叶轮，因此当叶轮旋转时，进气道内的气体流向出口；此壳体有一内壁。其限定一个非常靠近由叶轮支撑的叶片径向外缘的表面；其中，该进口(气道)是由下列部分形成的：一个第一筒形部分，其内表面是壳体内壁所述表面的延伸段；一个第二筒形部分，它置于第一筒形部分径向外侧，从而在这第一和第二部分之间形成一环形通道；以及一个横过由第一和第二筒形部分间的环形通道而延伸的壁件，该壁件置于第一筒形部分的上游端和下游端之间，在此壁相对侧的通道部分至少通过一个孔相连通，并且在壳体内壁之所述表面中靠近叶轮处至少设有一个孔以与环形通道相连通。

2．按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于：横过环形通道延伸的壁件被设置于或靠近在压缩机工作时在此环形通道内传播的噪音波的波腹处。

3．按照权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：进气道包括一壁件，其形成面对环形通道的一环形表面并从靠近第一筒形部分的上游端向外延伸到第二筒形部分上游端，在第一筒形部分的上游端和环形表面的径向内缘之间限定有一个孔。

4．按照权利要求3所述的压缩机，其特征在于：该环形表面是截锥形的。

5．按照权利要求3或4所述的压缩机，其特征在于：该面对环形通道的表面从靠近第一筒形部分的上游端在径向向外和朝上游方向延伸。

6．按照上述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于：该进气道包括一壁件，此壁件限定一个从靠近第一筒形部分上游端朝上游方向延伸的筒形表面。

7．按照上述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于：横过环形通道延伸的壁件是一个从第一筒形部分径向向外延伸的凸缘结构，在该凸缘的径向外侧部分中并靠近第二筒表部分处至少形成一个孔。

8．按照上述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于，至少第一筒形部分和横向于环形通道延伸的壁件是由安置在第二筒形部分内的组件形成的。

9．按照权利要求8并基于权利要求2所述的压缩机，其特征在于：限定环形通道的壁件是由组件构成的，并且该形成环形表面的壁件之径向外侧部分被安置在第二筒形部分内形成的凹槽中以确保此组件定位。

10．一种压缩机包括：一个用以限定进口和出口的壳体和一个安装在该壳体内可以旋转的压缩器叶轮，因此当叶轮旋转时，进气道内的气体流向出口；此壳体有一内壁，它限定一个非常靠近由叶轮支撑的叶片径向外缘的表面；其中，进气道(口)是由下列部分形成的：一个第一筒形部分，其内表面是壳体内壁所述表面的延伸段，一个第二筒形部分，它置于第一筒形部分的径向外侧，从而在第一和第二筒形部分之间形成一环形通道；一个形成面对环形通道之一表面的并从靠近第一筒形部分的上游端向第二筒形部上游端延伸的壁件；以及一个壁件，其限定一个从第一筒形部分之上游端朝上游方向轴向延伸的筒形表面；在形成此筒形表面的该壁面之下游端和第一筒形部分之上游端之间至少设有一个第一孔以与所述环形通道连通，在壳体内壁的所述表面内并靠近叶轮处至少设有一个第二孔以与环形通道相连通；该面对环形通道的表面朝径向倾斜。

11．按照权利要求10所述的压缩机，其特征在于：该面对环形通道的表面是截锥形的。

12．按照权利要求10或11所述的压缩机，其特征在于：该面对环形通道的表面从靠近第一筒形部分的上游端沿径向向外和朝上游方向延伸。

13．一种实质上参照本发明的附图所描述的压缩机。