CN1657786A - 压缩机 - Google Patents

Abstract

一种压缩机包括设有多个径向叶片(4)的叶轮(1)。叶轮(1)具有由叶片(4)的前边缘(5)的外径限定的导流直径，和由叶片尖端(6)的外径限定的外径。每一叶片(4)相对于叶轮(1)的旋转方向向后倾斜，该向后倾斜角在45°至55°范围之内。叶轮导流直径与叶轮外径之比在0.59至0.63范围之内。压缩机扩散器出口直径与叶轮外径之比在1.4至1.55之间。

Description

压缩机

技术领域

本发明涉及一种压缩机。尤其地，本发明涉及一种离心式压缩机，例如涡轮压缩机。

一种压缩机包括叶轮，其具有多个安装在轴上以在压缩机壳体中进行旋转的叶片。叶轮的旋转使气体(如，空气)被吸入叶轮中并被传送到输出腔或输出通道中。根据离心式压缩机，输出通道是由环绕叶轮的压缩机壳体所限定的涡壳形式。气体通过被称之为扩散器的环形输出通道流过叶轮进入出口涡壳。扩散器具有环绕叶轮的上游环形入口和朝涡壳开口的下游环形出口。

发明背景

在传统的涡轮机中，例如，叶轮安装到涡轮机轴的一端上并在涡轮机轴的另一端通过安装在涡轮壳体中的从动涡轮叶轮而旋转。该轴安装在轴承组件上以进行旋转，轴承组件容装在位于压缩机和涡轮壳体之间的轴承壳体中。

更详细地说，传统的压缩机叶轮包括绕中心轮毂支撑一列叶片的支撑板。叶片从支撑板轴向地延伸并从轮毂径向地延伸，从轮毂处的相对长的底部向相对短的尖端逐渐变细，该相对短的尖端绕扩散器入口弯曲。

每一叶轮片具有后边缘、从轮毂轴向延伸的前边缘和限定在前边缘和尖端之间的弯曲边缘，其中在后边缘处叶片通过叶轮的支撑板支撑。弯曲边缘沿压缩机导流片(入口)和扩散器之间的压缩机壳体的壁弯曲。由叶片的前边缘限定的叶轮前侧的直径作为导流叶轮的直径。导流叶轮直径和叶轮外直径之比(由叶片尖端限定)被称之为叶轮的“垂直度”。叶轮外径和扩散器出口直径之比是扩散器半径比。传统的压缩机典型地具有1.6至2.0范围内的扩散器半径比，传统的叶轮的垂直度典型地在0.64至0.71范围内。

通常压缩机叶轮片相对于叶轮的旋转方向向后倾斜。即，每一叶片相对于叶轮的旋转方向向后弯曲。叶片表面上的任一点处的向后倾斜角度是限定在切线和经过叶轮的轴线的径向线之间的角度，其中该切线相切于该点处的叶片表面并位于垂直于轴线的平面中。叶轮片通常从底部向尖端弯曲，从而向后倾斜角沿叶片的表面变化。传统的叶轮片在叶片表面上的任一点处所测的向后倾斜角典型地在30°至40°范围内。

传统地，使叶轮片相对于叶轮的旋转方向向后倾斜。即，每一叶片的后边缘(限定在叶片与后盘相接触处)位于叶片的前边缘之后(相对于旋转方向)，从而叶片的尖端(和底部)相对于叶轮的轴歪斜。叶片表面上的任一点处的斜角是切线和平行于叶轮轴的线之间的角度，其中该切线相切于由叶片的恒定半径横截部分限定的线。使叶轮片弯曲以使斜角从叶片的底部向尖端变化。传统的叶轮在叶片表面上的任一点处的斜角典型地在0°至35°范围内。

例如，具有常量为0°倾斜角的叶片在平行于叶轮的轴线的方向上从叶轮支撑板延伸(但是请注意：由于该叶片如上面所提到的那样向后弯曲，则该叶片并不一定严格地径向延伸)。在其底部处具有0°倾斜角和在其尖端处具有20°倾斜角的叶片具有沿叶轮的轴设置的底部和相对于轴位于20°斜角处的尖端边缘。

压缩机性能的特征在于：在不同叶轮旋转速度下，根据流入压缩机中的不同气体质量流速，压缩机中的压力比(即，出口压力/入口压力)变化。在各种旋转速度下，压力比对应流速的图被认为是“压缩机图”。通常包含有压缩机图，即，压缩机效率对应于在最大运行速度下流过压缩机的质量流速的关系的图。

任何特殊压缩机的图由喘振线和节流线来限定。喘振线由压力比/质量流速点限定，其中在该喘振线处压缩机将在叶轮速度范围内喘振。这是压缩机的低流速运行极限。节流线由压力比/质量流速点限定，其中在节流线处压缩机将在叶轮速度范围内节流。这表示任何叶轮速度下的压缩机的最大流量。适于压缩机的最大压力比通常是最大速度线的喘振点。喘振线和节流线之间的质量流量范围被称之为“图的宽度”。

由于压缩机中的压力和质量流速波动大，压缩机在喘振条件下的运行特别不稳定。对于许多应用来说，例如在压缩机将空气输送到往复运动的发动机的这种涡轮机中，这种质量流速的波动是不能接受的。因此，不断地要求扩展压缩机的可使用流量范围，特别是通过提高喘振极限来实现。

但是，在过去，发动机制造者对超过压缩比大约为3∶1的情况下的压缩机性能没有什么兴趣，不断地施加在发动机制造者上的严格排放要求迫使制造者考虑在压缩比高于3∶1的情况下运行涡轮机。本发明的目的是提供一种新颖的压缩机，提高了该压缩机在更高的压缩比情况下的性能，尤其提高了喘振极限和效率。对于用于往复式涡轮机的压缩机而言，当在更高的压缩比情况下运行时提高效率将减小燃油消耗。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于压缩气体的压缩机，该压缩机包括：

叶轮，其被安装以在由壳体所限定的腔体中绕轴旋转；

该壳体具有轴向吸入涡壳和环形出口涡壳；

该腔体具有轴向入口和环形出口；

所述轴向入口由壳体的管状导流部分限定，所述环形出口由环绕叶轮的环形扩散器通道限定，该扩散器具有与出口涡壳相通的环形出口；

叶轮包括多个叶片，每一叶片具有在壳体的导流部分内旋转的前边缘、沿扩散器的环形入口弯曲的尖端、和限定在前边缘和尖端之间的弯曲边缘，其中该弯曲边缘沿限定在导流片和扩散器之间的壳体的表面弯曲；

叶轮具有由叶片的前边缘的外径限定的导流片直径、和由叶片尖端的外径限定的外径；

每一叶片相对于叶轮绕所述轴旋转的方向向后倾斜；

其中叶片表面上的任一点处的向后倾斜角在45°至55°的范围内；

其中叶轮导流直径与叶轮外径之比在0.59至0.63的范围内；

其中扩散器的外径与叶轮外径之比在1.4至1.55之间。

已经发现：不寻常低的叶轮垂直度与不寻常高的叶轮片向后倾斜角和不寻常低的扩散器直径比的相互结合能显著提高在高的压缩比情况下的流量范围，并在高的运行速度下提高效率。在将空气输送到内燃机中的涡轮式压缩机中，提高效率将减小燃油消耗。本发明的实施例已经表明：与传统的压缩机相比在压缩比3∶1以上时流量增加高达30％，在压缩机的最大运行速度下压缩机效率提高达5％。

采用本发明的设计参数将与传统压缩机的设计程序背道而驰。例如，在现代的压缩机设计中，特别是对于装配于车辆中的压缩机而言，重点在于减小尺寸和重量。与传统设计相比，根据本发明采用不寻常低的叶轮垂直度将增加叶轮(对于给定的液流/导流直径)的整体尺寸。但是，尺寸增加所带来的任何不利影响是大于性能改进所带来的补偿的。类似地，与传统叶轮相比，采用高的向后倾斜角(和优选实施例中的斜角)将使加工和制造程序更加复杂化，这将增加花费。但是，性能的改进将补偿所增加的复杂化和制造花费。

在本发明的一些实施例中，每一叶片的平均向后倾斜角在50°至55°之间。

优选地，每一叶轮片相对于叶轮的旋转方向向后倾斜，该斜角最好在35°至55°的范围内。在本发明的一些实施例中，每一叶片的平均斜角在35°至40°的范围内。

值得注意的是：由于叶片厚度变化，除了向后倾斜角和斜角发生变化外，本发明设计的叶轮片的表面也会发生相应的变化。因此，通常是在假定叶片厚度为零时确定向后倾斜角和斜角。因此，在说明书中所确定的角是在假定叶片厚度为零的情况下进行的，其在实践中会随着叶片厚度的变化发生一些小的变化。

在一些涡轮机中，压缩机入口具有被认为是“图的宽度被加宽(MWE)”的结构。例如，美国专利号为4743161的专利中描述了该MWE结构。这种MWE压缩机的入口包括两个共轴的管状入口部分，即，形成压缩机进口的外入口部分和限定压缩机导流片的内入口部分或主入口。内入口部分短于外入口部分并具有内表面，该内表面是沿叶片的弯曲边缘弯曲的压缩机壳体的内壁表面的延伸。环形液流通道限定在两个管状的入口部分之间，该通道在其上游端开口并在其下游端(相对于进口)具有孔，该孔与面向叶轮的压缩机壳体的内表面相通。

在运行中，环绕压缩机导流片的环形液流通道内的压力通常低于大气压。在叶轮的高气体流量和高速操作期间，沿叶轮弯曲的区域中的压力低于环形通道中的压力。因此，在这种条件下，空气从环形通道朝叶轮向内流动，从而增加了到达叶轮的空气数量，增加了压缩机的最大液流量(节流极限)。

但是，因为流入叶轮的液流流量下降，或因为叶轮速度下降，则通过环形通道被吸入叶轮中的空气数量将下降，直到压力达到平衡。叶轮气体流量和速度的进一步下降将导致沿叶轮弯曲的区域中的压力增加，高于环形通道之内的压力，从而通过环形通道的气体流动方向相反。即，在这种条件下，空气从叶轮朝环形通道的上游端向外流动并返回到压缩机进口中以进行再次循环。

增加流入叶轮中的气体流量或叶轮速度将发生相反的情况，即，通过环形通道返回到进口中的空气数量减小，接着达到平衡，然后空气流入环形通道的方向相反，从而空气通过在环形通道和叶轮之间相通的孔被吸入叶轮中。

众所周知：这种MWE设置稳定了压缩机的性能，增加了最大流量并提高了喘振极限，即，压缩机在超过压缩机速度范围发生喘振时减小流量。因为最大流量(节流)和喘振极限被提高，所以增加了压缩机图的宽度。至此有了术语“图的宽度被加宽”的压缩机。

将本发明运用到其他传统的MWE压缩机中将进一步提高喘振极限，特别是在高压力比的情况下提高喘振极限，也提高了效率。

从下面的描述中，本发明的其他优选和有益的特征将显得清楚。

附图说明

现在将仅通过示例的方式并参见附图来描述本发明的具体实施例，附图如下：

图1是普通的MWE压缩机壳体和叶轮的横截面图；

图2是图1中的压缩机叶轮的前视图；

图3是图1中的叶轮的侧视图；

图4是传统压缩机与本发明第一实施例的压缩机的性能比较图；

图5是传统压缩机与本发明第二实施例的压缩机的性能比较图。

具体实施方式

参见图1，图1表示典型地包含在涡轮机的总体设计中的普通MWE压缩机的横截面。该压缩机包括叶轮1，叶轮1在压缩机壳体2内安装在沿轴2a延伸的旋转轴(未示出)的一端上。该轴(未示出)穿过轴承壳体进入涡轮壳体中(未示出)，该轴承壳体的—部分用3表示。叶轮具有多个叶片4，每一叶片具有前边缘5、尖端6和在前边缘5和尖端6之间延伸的弯曲边缘7。下面将参照图2和3更详细地描述叶轮。

压缩机壳体2限定了环绕叶轮1的出口涡壳8和MWE入口结构，该结构包括外端管状壁9和内端管状壁11，外端管状壁9在叶轮1的上游延伸并限定了用于气体(如空气)的进口1o，内端管状壁11局部地伸入进口1o并限定压缩机导流片12。内端管状壁11的内表面是壳体壁表面13的上游端的延伸，壳体壁表面13沿叶轮片4的弯曲边缘7弯曲。环形液流通道14在内壁11和外壁9之间环绕导流片12。液流通道14在其上游端处朝吸入口10开口并通过壳体2的环形壁15关闭其下游端。但是，环形通道14通过孔16与叶轮1相通，其中孔16穿过壳体形成(在该实施例中是穿过管状内壁11形成的)，该孔16保持环形通道14的下游部分和壳体2的内表面13相通，内表面13沿叶轮片4的弯曲边缘7弯曲。

被称作扩散器19的环形通道通过环绕叶轮片尖端6的壳体2限定并具有与涡壳8相通的环形出口19a。

图1所示的传统MWE压缩机如上所述那样运行。总之，当空气流过压缩机的流速高时，空气沿环形流动通道14朝叶轮1轴向地流动，通过孔16流向叶轮。当流入压缩机的流量低时，气体流过环形通道14的方向相反，从而空气从叶轮1穿过孔16，在上游方向上流入环形流动通道14，并再次被吸入空气吸入口10中以再次循环入压缩机中。这稳定了压缩机的性能，提高了喘振极限和节流。

现在参看图2和3，它们更详细地显示了叶轮1的特征。可以看出叶片4包括主叶片4a和更小的中间“分裂”叶片4b。叶片4通过支撑板17被支撑在中心叶轮轮毂18周围。每一叶片的前边缘5通常朝叶轮的轴2a径向地延伸，由前边缘5限定的最大直径被认为是导流片直径。叶轮的外径由叶片尖端6的直径限定。

叶轮导流片直径在图1中标记为D1，叶轮外径在图1中标记为D2。扩散器出口直径在图1中标记为D3。

如该说明书的介绍部分所提到的那样，叶轮的导流片直径D1与叶轮外径D2之比被称之为叶轮的“垂直度”。扩散器出口直径D3与叶轮外径D2之比被称之为扩散器半径比。传统的涡轮式压缩机的叶轮具有垂直度在0.64至0.71范围内且扩散器半径比在1.6至2.0范围内。但是，根据本发明，垂直度在0.59至0.63的范围内，扩散器半径比在1.4至1.55的范围内。

从图2和3可以清楚地看出叶轮片4向后倾斜。在经过叶轮的轴线的径向线和在切线处延伸的线之间测量向后倾斜角，其中该切线相切于给定点处的叶片表面并位于垂直于轴的平面上(即平行于支撑板17)。在图2中显示了在叶片的尖端处所测的向后倾斜角B。由于每一叶片的弯曲，向后倾斜的角沿叶片表面变化，但是对于传统涡轮式压缩机而言，叶片表面的任一点处的向后倾斜角典型地在30°至40°之间。但是，根据本发明，在叶片表面上的任一点处的向后倾斜角在45°至55°范围内。

图2，特别是在图3中，也表示了叶轮片4的斜角。如上所述，叶片表面上的任一点处的叶片的斜角在平行于叶轮的轴的线和某线之间测量，其中该线在由叶片的径向横截部分限定的方向上相切于该点处的叶片。由于叶轮片5的弯曲，斜角随着叶片表面变化。图3表示了在叶片5的尖端处所测的斜角R。传统的涡轮式压缩机典型地具有在0°至35°之间的斜角。根据本发明的压缩机具有在该范围内的斜角，但是优选地该斜角在35°至55°的范围内。

图4是根据本发明的压缩机的第一实施例的性能图(虚线所示)，其与传统的MWE压缩机的性能(实线所示)作比较。传统压缩机具有平均向后倾斜角为40°和斜角为35°的叶片。叶轮具有0.68的垂直度，压缩机具有1.65的扩散器半径比。本发明的实施例中的每一叶轮片的平均叶轮向后倾斜角大约为52°(向后倾斜角根据叶片表面在48.5°至55°之间变化)。斜角基本上是常量，为40°(由于叶片厚度变化而成为变量)。叶轮具有0.6的垂直度，扩散器半径比是1.52。

下面的图是性能图，众所公知，该图是在各种叶轮转速下流入压缩机的空气流速与从压缩机入口到出口的压力比的关系图。流速轴被规范化为100％。如上所讨论的，图的左手线表示流速，在该线处该压缩机将在各种涡轮机速度下喘振，该线被认为是喘振线。能看出：与传统压缩机的喘振极限相比，根据本发明的压缩机显著地提高了喘振极限。最大流量(节流)未受到影响(如图的右手线所示)。

喘振极限在超过压力比范围时增加，尤其在高于3∶1的高压力比下显著增加。也能看出：与传统压缩机相比，在最大运行速度下的压缩机流量增加了。具体地，在高压力比下的喘振极限增加了20％，压力比增加了15％。两发动机运行线L1和L2都加在了压缩机图上。L1表示典型的传统涡轮燃油机的运行条件，而L2表示满足于新的排放目的的典型涡轮燃油机的运行条件。当将本发明组合在被设计用来满足新的排放规定的燃油机的涡轮机中时，可清楚地看出本发明的优点。

图4的上面的图表示压缩机效率，作为气体流量的函数。又，涉及本发明的实施例的图用虚线表示。能看出在高的运行速度下，本发明提高了效率(在高压力比下提高了3％)。

图5是本发明第二实施例的压缩机性能图，其与图4中用作较的相同传统MWE压缩机作比较。在这种情况下，根据本发明的压缩机的叶轮片的向后倾斜角根据每一叶片表面在51°至55°之间变化，平均向后倾斜角为53°。斜角常量基本上是35°。叶轮具有0.63的垂直度，压缩机扩散器半径比为1.4。又，能看出：提高了喘振极限，提高了最大运行速度下的最大流量，并提高了在最大运行速度下的效率。又，能看出在高于3∶1的高压力比下显著提高了喘振极限。在这种情况下，喘振极限提高了30％，压力比提高了7％，高压力比下的效率提高了5％。另外，线L1和L2分别表示用于传统涡轮燃油机的发动机运行条件和用于典型的下一代燃油机的发动机运行条件。

尽管根据本发明的压缩机作为涡轮机的一部分特别具有实用性，对于技术人员来说其他的运用是显而易见的。类似地，对于合适的技术人员来说，对上述的细节结构作出的相应变化是显而易见的。

Claims (8)

1、一种用于压缩气体的压缩机，该压缩机包括：

叶轮，其被安装以在由壳体所限定的腔体中绕轴旋转；

该壳体具有轴向进口涡壳和环形出口涡壳；

该腔体具有轴向入口和环形出口；

所述轴向入口由壳体的管状导流部分限定，所述环形出口由环绕叶轮的环形扩散器通道限定，扩散器具有与出口涡壳相通的环形出口；

叶轮包括多个叶片，每一叶片具有在壳体导流部分内旋转的前边缘、穿过扩散器的环形入口的尖端、和限定在前边缘和尖端之间的弯曲边缘，其中该弯曲边缘沿限定在导流片和扩散器之间的壳体的表面弯曲；

叶轮具有由叶片的前边缘的外径限定的导流直径，和由叶片尖端的外径限定的外径；

每一叶片相对于叶轮绕轴的旋转方向向后倾斜；

其中叶片表面上任一点处的向后倾斜角在45°至55°范围之内；

其中叶轮导流直径和叶轮外径之比在0.59至0.63的范围内；

其中扩散器出口直径与叶轮外径之比在1.4至1.55范围内。

2、根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于：向后倾斜角在48°至55°之间。

3、根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：沿叶片表面所测的平均向后倾斜角在50°至55°范围之内。

4、根据权利要求1或2所述的压缩机，其特征在于：每一叶片相对于叶轮绕所述轴的旋转方向向后倾斜。

5、根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于：在叶片表面上任一点处所测的向后倾斜角在35°至55°范围内。

6、根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于：每一叶片的后斜角基本上是常量。

7、根据权利要求6所述的压缩机，其特征在于：斜角在35°至40°范围之内。

8、根据前述任一项权利要求所述的压缩机，其特征在于：壳体限定了入口，该入口包括沿上游方向远离叶轮延伸而形成入口的气体进口部分的外管状壁，和内管状壁，其在上游方向上在外管状壁内远离叶轮延伸且限定壳体的所述导流部分；

环形气体流动通道限定在内管状壁和外管状壁之间，并具有上游端和下游端，环形通道的上游端通过至少一个上游孔与入口的进口部分或导流部分相通，环形通道的下游端通过至少一个下游孔与壳体的所述表面相通，其中该表面沿叶轮的弯曲边缘弯曲。

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