CN1420960A - 用于废气涡轮增压器的压气机的消声器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于废气涡轮增压器的压气机的消声器，其消音效果特别明显，尤其是削弱第一级旋转声。消声器(17)的至少一个消声部件置于流道(7)的一个轴向区域(19)内，该区域一方面由涡轮叶片(5)限定，另一方面由流道(7)的最大直径(d_max)限定，所述流道(7)的最大直径(d_max)由式(I)给出，其中a＝声速，j′(Z_r，1)＝(Z_r，1)模式的特征值，Z_r＝涡轮叶片数，而n_TL＝作为消声器(17)的设计转速值的废气涡轮增压器的转速。该设计转速至少等于废气涡轮增压器最大转速的2/3。此外消声器(17)布置在流道(7)的径向外侧，此处一个透声遮蔽件(18)布置在流道(7)和消声器(17)之间，将后者与流道(7)隔离开。

Description

用于废气涡轮增压器的压气机的消声器

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的废气涡轮增压器的压气机。

技术背景

压气机决定着废气涡轮增压器的噪声辐射水平。特别是，压气机进口向外界辐射出大量的噪声。为了降低该进气噪声，经常采用前置消声器，该消声器具有管道型或槽口型元件，该元件中又依次敷有吸音材料。除这种吸收式消声器外，也可以采用共振式消声器和滤声器来减弱噪声。

在现有废气涡轮增压器中，不断增大的压比和更大的流量导致了压气机进口处噪声辐射的增大。使用现有的消声器方案，在安装空间受限的条件下，不采用昂贵的特殊附加措施，使带有可接受的压力损失的废气涡轮增压器的噪声值达到足够低将日益困难。

此外发现当使用安装在压气机前方的传统单级消声器时，可以获得的最大消声量为50～60dB。然而，这尤其对于第一级压气机旋转声来说可能是不够的。

由DE 198 188 73 A1公知，用于废气涡轮增压器的消声器，其与壁齐平布置，并且基于亥姆霍兹(Helmholtz)共振器原理。此外，这样的消声器还被布置在压气机的进气支管中，并且延伸至压气机叶轮的涡轮叶片的紧邻上游处。一般而言，这些消声器的消声效果在低流速下较好，但随着流速的增大而变坏。由于压气机叶轮紧邻上游处的流速高达150m/s，所以基于亥姆霍兹共振器原理的消声器不再保证消声效果。

发明内容

本发明试图避免所有这些缺点。这基于本发明的目的，即创造一种用于废气涡轮增压器压气机的消声器，通过改善消声使其具有明显效果，尤其是削弱第一级旋转声。

根据本发明，该目的这样达到，即在一个如权利要求1的前序部分所述的设备中，消声器的至少一个有效的，即消声部件布置在流道的一个轴向区域内，该区域一方面由涡轮叶片所限定，另一方面由流道最大直径(d_max)所限定，该最大直径(d_max)这样产生，即，除由零级径向模式(Z_r，0)之外，也可由第一径向模式(Z_r，1)传播。在忽略流动的情况下，该最大直径由下式得出： $d_{\max }=\frac{a\·j^{\′}(Z_r,1)}{\mathrm{\π}\·n_{\mathrm{TL}}\·Z_r}$ 其中a＝声速，j′(Z_r，1)＝模式的特征值(Z_r，1)，Z_r＝涡轮叶片数目，而n_TL＝作为消声器的设计转速值的废气涡轮增压器的转速。此时设计转速至少等于废气涡轮增压器最大转速的2/3。在考虑流动的情况下，第一径向模式(Z_r，1)的传播能够稍有提前。

另外，该消声器被布置在流道的径向外侧，一个将消声器与流道隔开但透声的遮蔽件被布置在流道和消声器之间。

由于该消声器被布置在压气机的工作介质流道的外侧，同时又因为它与这种工作介质相隔离，所以该消声器可以免受压气机叶轮紧邻上游区域处的高流速的侵害。因此，不仅在高流速下不具有足够寿命的消声器可以被应用，而且，工作能力在此流速下通常无法保证的消声器也可以被采用。由于消声器的至少一个有效部件被布置在压气机叶轮的涡轮叶片的紧邻上游处，且一直延伸至流道的最大直径(d_max)处，所以压气机的旋转声，尤其是第一级压气机旋转声，因为声场的特殊模态结构而被十分有效地削弱。从而，消声效果得以全面明显地改善。

特别有利的是，在遮蔽件和消声器之间形成一个用于保护消声器免受工作介质流动侵害的隔离空隙。对于亥姆霍兹共振器和/或遮蔽件本身不足以保护消声器免受工作介质流动侵害的情况，这样一个隔离空隙是尤为有利的。因此是否需要附加的隔离间隙不仅取决于所用遮蔽件的类型，而且还取决于消声器。

用一种织造物、一种非织造物或一种穿孔状扁平元件制成的透声遮蔽件是尤为有利的。合适的抗流动和抗热的织造物(例如玻璃织造物或金属织造物)或非织造物(例如玻璃非织造物)价格便宜，并且可以以多种不同的形式获得。不同的是，当使用一个孔状扁平元件时，其优点是无需任何类型的支撑结构，这是由于其固有的刚性。

一个同时沿径向和轴向延伸且消声器贴靠其上的导声元件可有利地布置在所用遮蔽件的径向外侧。按这种方式，声音从一个流动直径处传导到另一个直径处，并在那里被吸收。从而使声音与流动分开，这样就能实现特别有效的消声。

最后的优点是将一个传统的消声器布置在压气机的上游处。从而可以获得两个消声器的有效组合，其中传统的消声器用于削弱干扰噪声和压气机进口处产生的旋转声，布置在压气机叶轮的紧邻上游处的根据本发明的消声器用于进一步减弱压气机叶轮附近区域内产生的旋转声。通过使用这样一种组合，传统消声器在改善效果的同时还可减小尺寸，从而减小整个废气涡轮增压器所需的轴向结构空间。

附图说明

本发明的数个实施例通过一个废气涡轮增压器表示在附图中。附图所示为：

图1表示了穿过现有技术的废气涡轮增压器压气机端部的一个局部纵剖视图；

图2表示了图1压气机叶轮区域的局部剖视图，其中具有根据本发明的消声器；

图3表示了涡轮叶片数目Z_r＝10(计算值)时模式Z_r，0和Z_r，1的声压径向分布；

图4表示了如图2所示的内容，但表示的是第二个示例性实施例中的内容；

图5表示了如图2所示的内容，但表示的是第三个示例性实施例中的内容。

附图中只示出了为了理解本发明所必需的元件。未示出的例如是废气涡轮增压器的涡轮端以及与该废气涡轮增压器相连接的内燃机。

具体实施方式

图1表示了穿过一个现有技术的废气涡轮增压器的局部纵剖视图。该废气涡轮增压器主要由一个被设计为离心式压气机的压气机1和一个未示出的废气涡轮组成。压气机1装备有一个压气机壳体2，其中布置有一个压气机叶轮3。压气机叶轮3与同样也未示出的涡轮转于一起旋转支撑在一个共用轴4上。它具有一个被数个涡轮叶片5所占据的轮毂6。轮毂6和压气机壳体2之间形成流道7。一个径向布置的叶片式扩压器8与转子叶片5下游的流道7相连，扩压器8又汇入压气机1的蜗壳9内。压气机壳体2主要包括一个进气壳体10、一个出气壳体11和一个中间壁12，该中间壁12位于废气涡轮增压器的一个轴承箱13中。轮毂6在涡轮端具有一个用于轴4的固紧套筒14。固紧套筒14被容纳在压气机壳体2的中间壁12中。

当与废气涡轮增压器相连的内燃机运转时，其废气通过废气涡轮的涡轮转子膨胀，该转子又驱动通过轴4与之相连的压气机叶轮3。因此压气机叶轮3吸入作为工作介质15的环境空气，该环境空气经过流道7和扩压器8进入蜗壳9，在那里被进一步压缩并最终通过一个与出气壳体11相连的未示出的增压空气管道而用于增压，即用于增大内燃机的功率。在环境空气吸入过程中产生的噪声，通过一个位于进气壳体10上游的消声器16而被减弱。

与之相比，根据本发明的压气机1具有一个消声器17，其被布置在压气机叶轮3的涡轮叶片5的邻近上游，同时被置于进气壳体10内处于流道7的径向外侧。其中一个透声的遮蔽件18被布置在流道7和消声器17之间，并且使后者与流道7相隔离(图2)。

并入进气壳体10的壁面轮廓的消声器17，被用于减弱涡轮叶片5处产生的旋转声，尤其减弱第一级旋转声。该第一级旋转声以所谓的离心模式进行传播。每个离心模式具有一个极限频率(截止频率)，高于该频率时它才能够传播。第一级压气机旋转声的绝大部分以方位角模式级(周围压力峰值的数目)的模式辐射，其中该方位角模式级相应于压气机1的主叶片数Z_r。这尤其适用于较高转速的情况。较低的方位角模式，是由涡轮叶片/导向叶片综合作用而产生的，此处由于压气机叶轮3中的高流速，它只在进口处起次要的作用。在流道7限定的直径范围内，只有径向级0的模式(Z_r，0模式)才能够传播，其余的都低于截止频率。该径向级给出了压力相对于半径的分布曲线中通过零点的数目。图3表示了当叶片数目Z_r＝1时模式Z_r，0和Z_r，1的声压的径向分布，其中纵坐标为相对声压值，横坐标为相对半径。

当几何条件给定时当在压气机叶轮3的涡轮叶片5附近。只有(Z_r，0)模式能够传播，因此该模式变为主导模式。此时辐射出的声功率在进气壳体10的内壁附近最大。因此消声器17在此区域内尤为有效。相反，如果(Z_r，1)模式能够传播，那么效果将特别差，这种情况在由进气壳体10所包围的流道7的某个最大直径d_max处是可能的。

由此可知，最大直径d_max的选择必须使(Z_r，1)模式不能够传播，根据本发明的消声器17的至少一个有效的，即消声部件应该安装在该最大直径d_max处。在忽略流动情况下，该直径由下式得出： $d_{\max }=\frac{a\·j^{\′}(Z_r,1)}{\mathrm{\π}\·n_{\mathrm{TL}}\·Z_r}$ 其中a＝声速，j′(Z_r，1)＝(Z_r，1)模式的特征值，Z_r＝涡轮叶片数，而n_TL＝消声器设计用废气涡轮增压器的转速。此时设计转速至少等于废气涡轮增压器的最大转速的2/3。

对于常用的涡轮叶片数，特征值j′(Z_r，n)如下表所示：

Zr	7	8	9	10	11	12	13	14	15
										j′(Zr，0)	8.6	9.6	10.7	11.8	12.8	13.9	14.9	16.0	17.0
j′(Zr，1)	12.9	14.1	15.3	16.4	17.6	18.7	19.9	21.0	22.1

上述用于放置消声器17的流道7的直径范围在下文中通过一个例子给出，其中废气涡轮增压器的压气机叶轮3具有10个涡轮叶片5，并且压气机进口直径等于300mm。由于废气涡轮增压器通常在大气条件下运用，所以用于计算的声速约为340m/s。消声器设计用废气涡轮增压器的转速为425转/秒。使用该转速由上述方程得出最大直径d_max为： $d_{\max }=\frac{340m\·s^{-1}\·16.4}{\mathrm{\π}\·425\·s^{-1}\·10}=0.416m$

由此得出，该例中消声器17的有效直径区域在压气机壳体2的流道7的一个轴向区域19内，其中流道7的直径介于300mm(压气机1的进口)和416mm之间。因此，消声器17或消声器17的至少一个有效的，即消声部件，必须布置在给定的轴向区域19内，以便有效地减弱(Z_r，0)模式，从而特别有效地减小第一级旋转声。

当废气涡轮增压器的转速高于消声器17的设计转速时，消声器17只有一部分处在上述计算得出的流道7(未示出)的轴向区域19内。相反，当废气涡轮增压器的转速较低时，由该转速计算出的流道7的轴向区域19只有一部分被消声器17(同样未示出)覆盖。

各种不同的设计方案或者它们的组合都可被用作消声器元件。它们是，例如，简单的吸收元件、滤芯(低通滤波器)或者共振器(亥姆霍兹共振器)。遮蔽件18用于保护这些元件免受压气机叶轮3紧邻上游区域内的高流速的侵害。此处的遮蔽件18由一种抗流动和抗热的织造物构成，例如玻璃织造物或金属织造物。当然，也可以采用带有相应支撑结构的非织造物(例如玻璃非织造物)或薄膜(例如聚四氟乙烯薄膜)(未示出)。

在第二个实施例中，遮蔽件18由一个孔状扁平元件构成，具体是由一个孔板构成，此时在遮蔽件18和消声器17之间形成一个隔离间隙20(图4)。该隔离间隙20用于进一步保护消声器17免受工作介质15主流的侵害。该孔板通过未示出的点焊固定在进气壳体10上。

在第三个实施例中，一个同时沿径向和轴向延伸，且消声器17贴靠在其上的导声元件21布置于遮蔽件18的径向外侧(图5)。从而实现了流动与声音的隔离，这是因为声音被导声元件21引导至与工作介质15的流动直径不同的直径上，并最终在消声器17内被吸收。

在所有的实施例中，都可以在压气机1的上游附加地布置一个传统的消声器16，以便改善消声效果(未示出)。

                      附图标记1   压气机2   压气机壳体3   压气机叶轮4   轴5   涡轮叶片6   轮毂7   流道8   扩压器9   蜗壳10  进气壳体11  出气壳体12  中间壁13  轴承箱14  固紧套筒15  工作介质16  消声器，传统的17  消声器，按照本发明的18  遮蔽件19  轴向区域20  隔离间隙21  导声元件d_max 7的最大直径

Claims (5)

1.一种废气涡轮增压器的压气机，其具有一个带有涡轮叶片(5)的压气机叶轮(3)、一个压气机壳体(2)、一个形成在压气机叶轮(3)和压气机壳(2)之间用于压气机(1)的一种工作介质(15)的流道(7)，以及一个布置在涡轮叶片(5)紧邻上游的消声器(17)，其特征在于，

a)消声器(17)的至少一个消声部件布置在流道(7)的一个轴向区域(19)内，该区域一方面由涡轮叶片(5)限定，而另一方面由流道(7)的最大直径(d_max)限定，该最大直径(d_max)由下式给出： $d_{\max }=\frac{a\·j^{\′}(Z_r,1)}{\mathrm{\π}\·n_{\mathrm{TL}}\·Z_r}$ 其中a＝声速，j′(Z_r，1)＝(Z_r，1)模式的特征值，Z_r＝涡轮叶片数，而n_TL＝作为消声器(17)的设计转速值的废气涡轮增压器的转速，该设计转速至少等于废气涡轮增压器的最大转速的2/3，和

b)消声器(17)布置在流道(7)的径向外侧，一个透声遮蔽件(18)被布置在流道(7)和消声器(17)之间，并且将后者与流道(7)隔离开。

2.如权利要求1所述的压气机，其特征在于，一种织造物、一种非织造物或一种孔状扁平元件构成了透声遮蔽件(18)。

3.如权利要求1或2所述的压气机，其特征在于，一个隔离间隙(20)形成在遮蔽件(18)和消声器(17)之间。

4.如权利要求1或2所述的压气机，其特征在于，一个同时沿径向和轴向延伸，且消声器(17)贴靠在其上的导声元件(21)被置于遮蔽件(18)的径向外侧。

5.如前述权利要求中任一项所述的压气机，其特征在于，一个传统的消声器(16)布置在压气机(1)的上游。

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