用于壓縮機和具有其的渦輪增壓器的被動和半被動入口調節(jié)機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用于壓縮機和具有其的渦輪增壓器的被動和半被動入口調節(jié)機構。用于渦輪增壓器的離心式壓縮機包括用于壓縮機的在空氣入口中的被動或半被動入口調節(jié)機構，其僅由在機構上的氣動力在打開位置和閉合位置之間可操作的移動。入口調節(jié)機構包括共同地形成管的多個柔性片，并且空氣入口在壓縮機葉輪的進口段部分處的有效直徑由管的后緣內側直徑確定。片僅僅或部分地通過由氣體流動到壓縮機葉輪施加在片上的氣動力是可移動的。當片在放松狀態(tài)下時，管具有錐形構造，但在氣動力下，片朝外彎曲并且增加管的后緣內側直徑，從而增加空氣入口的有效直徑。
【專利說明】
用于壓縮機和具有其的渦輪増壓器的被動和半被動入口調節(jié)機構
技術領域
[0001]本公開涉及例如在渦輪增壓器中使用的離心式壓縮機，并且更具體地涉及有效入口面積或直徑可調節(jié)用于不同操作情況的離心式壓縮機。
【背景技術】
[0002]排氣驅動的渦輪增壓器是連同內燃機一起使用的裝置，用于通過壓縮被遞送到發(fā)動機的空氣進口以與燃料混合并且在發(fā)動機中燃燒的氣體來增加發(fā)動機的功率輸出。渦輪增壓器包括在壓縮機殼體中的安裝在軸的一個端部上的壓縮機葉輪，和在渦輪殼體中的安裝在軸的另一個端部上的渦輪葉輪。通常渦輪殼體與壓縮機殼體分離地形成，并且存在又一個中心殼體，其連接在渦輪和壓縮機殼體之間以包含用于軸的軸承。渦輪殼體限定大體環(huán)形室，其圍繞渦輪葉輪并且接納來自發(fā)動機的排氣。渦輪組件包括噴嘴，其從室通向渦輪葉輪中。排氣從室通過噴嘴流到渦輪葉輪并且渦輪葉輪由排氣驅動。渦輪因此從排氣提取動力并且驅動壓縮機。壓縮機通過壓縮機殼體的入口接納周圍空氣，并且該空氣由壓縮機葉輪壓縮，并且然后從殼體排出到發(fā)動機空氣進口。
[0003]渦輪增壓器通常使用離心式(還已知為“徑向”)類型的壓縮機葉輪，因為離心式壓縮機在緊湊布置中可獲得相對高的壓力比率。用于壓縮機的進氣在離心式壓縮機葉輪的進口段部分處在大體軸向方向上接納，并且在葉輪的進口段部分處在大體徑向方向上排出。來自葉輪的壓縮氣體被遞送到蝸殼，并且該氣體從蝸殼被供應到內燃機的進口。
[0004]壓縮機的操作范圍是渦輪增壓器總體性能的重要方面。操作范圍大體由壓縮機的操作圖上的喘振線和阻塞線界定。壓縮機圖通常呈現(xiàn)為在豎直軸線上的壓力比率(由排出壓力Pciut除以進口壓力Pin)相對于在水平軸線上的修正的質量流速。壓縮機圖上的阻塞線位于高流速處并且表示在一系列壓力比率范圍上的最大質量流速點的位置(locus);即，對于在阻塞線上的給定點，不可能增加流速同時保持相同的壓力比率，因為在壓縮機中發(fā)生阻塞流動情況。
[0005]喘振線位于低流速處并且表示在一系列壓力比率范圍上的最小質量流速點而沒有喘振的位置；即，對于在喘振線上的給定點，減少流速而不改變壓力比率或增加壓力比率而不改變流速將導致喘振發(fā)生。喘振是當壓縮機葉片入射角變得大的使得大量的流動分離在壓縮機葉片上出現(xiàn)時通常發(fā)生的流動不穩(wěn)定。壓力波動和倒流在喘振期間可發(fā)生。
[0006]在用于內燃機的渦輪增壓器中，當發(fā)動機以高載荷或扭矩和低發(fā)動機速度操作時，或當發(fā)動機以低速度操作并且存在高水平的排氣再循環(huán)(EGR)時，壓縮機喘振可發(fā)生。當發(fā)動機從高速度情況突然減速時，喘振也可發(fā)生。將壓縮機的自由喘振操作的范圍擴大到較低的流速是壓縮機設計通常尋求的目標。
[0007]在現(xiàn)有技術中描述了用于增加壓縮機范圍的多個方法，例如可變的片擴壓器或使用入口導向片以增加喘振裕度。與這些系統(tǒng)相關聯(lián)的缺點是它們需要致動系統(tǒng)，其需要額外的空間、成本和復雜性。因此對處理上述限制的解決方案的需要。

【發(fā)明內容】

[0008]本公開描述用于離心式壓縮機的被動機構，其可使得壓縮機的喘振線能夠選擇性地移動到左邊(即，在給定壓力比率下喘振延緩到較低的流速)而不需要任何致動器。本文中描述的一個實施例包括具有以下特征的渦輪增壓器:
渦輪殼體和渦輪葉輪，所述渦輪葉輪安裝在所述渦輪殼體中并且連接到用于隨所述渦輪葉輪旋轉的可旋轉軸，所述渦輪殼體接納排氣并且將排氣供應到所述渦輪葉輪；
離心式壓縮機組件，其包括壓縮機殼體和壓縮機葉輪，所述壓縮機葉輪安裝在所述壓縮機殼體中并且連接到用于隨所述壓縮機葉輪旋轉的可旋轉軸，所述壓縮機葉輪具有葉片并且限定進口段部分，所述壓縮機殼體限定空氣入口，用于將空氣大體軸向引導到所述壓縮機葉輪的所述進口段部分中，所述壓縮機殼體還限定蝸殼，用于接納從所述壓縮機葉輪大體徑向朝外排出的壓縮氣體，所述空氣入口具有沿著下游方向延伸一軸向長度的內表面，接著是布置在所述空氣入口中的被動或半被動入口調節(jié)機構，接著是鄰近所述壓縮機葉輪的葉片的外尖端的護罩表面。
[0009]所述被動或半被動入口調節(jié)機構包括由柔性材料構成的多個片，所述片具有前緣，所述前緣連接到安裝在所述空氣入口中的環(huán)，并且所述片圍繞所述環(huán)周向分布使得所述環(huán)和所述片共同形成管。所述空氣入口在所述進口段部分處的有效直徑由所述管的后緣內側直徑確定。所述片僅僅或至少部分通過由氣體流到所述壓縮機葉輪施加在所述片上的氣動力是可移動的。當所述片在放松狀態(tài)下時所述管具有錐形構造使得所述管的所述后緣內側直徑小于所述護罩表面的內側直徑。徑向朝外施加在所述片上的所述氣動力引起所述片大體徑向朝外彎曲并且從而增加所述管在所述進口段部分處的所述后緣內側直徑，從而增加所述空氣入口的有效直徑。
[0010]在低流速(例如，低發(fā)動機速度)時，此時在片上的氣動力是小，被動入口調節(jié)機構將移動到閉合位置(即，片將在它們放松位置或鄰近它們放松位置)。這具有將有效入口直徑減小為壓縮機葉輪的進口段部分的效果，并且從而增加到葉輪中的流動速率。這結果將是壓縮機葉片入射角的減少，從而有效地穩(wěn)定流動，進而使得片不太可能地失速并且壓縮機不太可能地喘振。換句話說，壓縮機的喘振線將移動到較低的流速(到壓縮機壓力比率相對于流速的圖的左邊)。
[0011 ]在高流速時，被動機構取決于特定操作情況而部分地或完全地打開(S卩，片朝外彎曲)。當被動機構完全打開時，壓縮機恢復其高流動的性能和阻塞流動特征，基本好像入口調節(jié)機構不存在并且好像壓縮機具有與在葉輪的進口段部分處的葉輪直徑相匹配的傳統(tǒng)入口。
[0012]在一個實施例中，環(huán)與壓縮機殼體分離地形成并且附著在壓縮機殼體的空氣入口內。環(huán)可以由與片的柔性材料不同的材料形成。例如，環(huán)在一個實施例中由金屬形成。
[0013]替代地，環(huán)可以由與片相同的柔性材料形成。
[0014]在一個實施例中，在片的放松狀態(tài)時，在相鄰片的側緣之間的周向方向上存在間隙。
[0015]在另一個實施例中，在放松狀態(tài)時片在周向方向上部分重疊。
[0016]為了消除片在操作期間擺動的任何傾向，在一個實施例中，偏壓構件在鄰近管的后緣處包圍管，偏壓構件將大體徑向朝里的偏壓力施加在片上。偏壓構件可以例如包括金屬彈簧線、彈性體的環(huán)、盤繞箍等等。
[0017]在使用金屬偏壓構件時，磁性環(huán)可以定位成從偏壓構件徑向朝外，用于將磁吸力施加在偏壓構件上。該吸引力有助于片圍繞圓周完全地且一致地打開片。
【附圖說明】
[0018]因此，在概括地描述本發(fā)明后，現(xiàn)在將對附圖作出參考，其不必要地成比例地繪制，并且在附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪增壓器的透視圖，壓縮機殼體的部分被切掉以示出內部細節(jié)，其中入口調節(jié)機構處在閉合位置；
圖2是圖1的渦輪增壓器的軸向截面視圖，其中入口調節(jié)機構處在閉合位置；
圖3是壓縮機殼體和處在閉合位置的入口調節(jié)機構的分解圖；
圖4是大體從下游向上游觀察的入口調節(jié)機構的透視圖，其中該機構處在閉合位置；
圖5是處在打開位置的入口調節(jié)機構的一部分的放大透視圖，其示出片的重疊；
圖6是相似于圖3的視圖，其中入口調節(jié)機構處在打開位置；
圖7是相似于圖2的截面視圖，其中入口調節(jié)機構處在打開位置;以及圖8相似于圖4，其中入口調節(jié)機構處在打開位置，并且還示出具有包圍片的偏壓構件的替代性實施例；
圖9A到9C各自示出用于入口調節(jié)機構的偏壓構件的三個替代性實施例；以及圖10是與圖3類似的視圖，其示出具有半被動入口調節(jié)機構的另一實施例。
【具體實施方式】
[0019]通過此后參考附圖現(xiàn)將更充分地描述本發(fā)明，其中示出本發(fā)明的一些但不是所有實施例。當然，這些發(fā)明可以以很多不同形式來具體實施，并且不應該解釋為限制在本文中提出的實施例;而是，提供這些實施例使得本公開將滿足適當?shù)姆梢?。貫穿本文相同?shù)字指代相同元件。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪增壓器10在圖1中以透視圖并且在圖2中以截面視圖示出。渦輪增壓器包括壓縮機12，該壓縮機12在可旋轉軸18的一個端部上具有安裝在壓縮機殼體16中的壓縮機葉輪或葉片14。壓縮機殼體限定用于引導空氣大體軸向進入壓縮機葉輪14中的空氣入口 17。軸18被支撐在軸承19中，該軸承19安裝在渦輪增壓器的中心殼體20中。軸18由安裝在自壓縮機葉輪的軸18的另一端部上的渦輪葉片22旋轉，從而可旋轉地驅動壓縮機葉輪，其壓縮通過壓縮機入口吸入的空氣并且將壓縮氣體從壓縮機葉輪大體徑向朝外地排出到蝸殼21中，用于接納壓縮氣體。氣體從蝸殼21被發(fā)送到內燃機(未示出)的進口用于提尚發(fā)動機性能。
[0021]壓縮機殼體16限定護罩表面16s，其緊密鄰近壓縮機葉片的徑向外尖端。護罩表面16s限定大體平行于壓縮機葉輪的輪廓的彎曲輪廓。在入口到壓縮機葉輪的入口段部分14i，護罩表面16s具有比入口段部分14i的直徑稍微大的直徑。
[0022]渦輪增壓器還包括覆蓋渦輪葉輪22的渦輪殼體24。渦輪殼體限定大體環(huán)形室26，其圍繞渦輪葉輪并且從內燃機接納排氣用于驅動渦輪葉輪。排氣從室26大體徑向朝里引導通過渦輪噴嘴28到渦輪葉輪22。當排氣流過在渦輪葉輪的葉片30之間的通道時，氣體膨脹到低壓，并且從葉輪排出的氣體通過在渦輪殼體中的大體軸向孔32離開渦輪殼體。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，渦輪增壓器的壓縮機包括被動入口調節(jié)機構100，其布置在護罩表面16s和入口段部分14i的正好上游在壓縮機殼體的空氣入口 17中。機構100在閉合位置(圖1-5)和打開位置(圖6-8)之間是可移動的。被動入口調節(jié)機構包括由柔性材料(例如塑料)構造成的多個片110，其非限制性的示例是HYTREL ? C3HYTREL ?是Dupont美國出售的各種等級的熱塑性聚酯彈性體的商標名稱。片具有連接到環(huán)120的前緣112，該環(huán)120安裝在空氣入口17中。片圍繞環(huán)120是周向分布的，使得環(huán)和片共同地形成例如在圖2中示出的管。由于管的后緣到壓縮機葉輪的進口段部分14i的緊密靠近，在進口段部分處的空氣入口的有效直徑由管的后緣內側直徑確定。被動入口調節(jié)機構100的后緣是壓縮機葉輪14的進口段部分14i的隔開盡量可行的小距離的上游，使得最大化機構對進口段部分處的空氣入口的有效直徑的影響。
[0024]當前實施例是被動機構，其中片110僅通過由氣體流動到壓縮機葉輪14施加在片上的氣動力在徑向朝外方向上是可移動的。當片在放松狀態(tài)時管具有錐形構造，使得管的后緣內側直徑比護罩表面16s的內側直徑小，如在圖2中最佳可見的。當徑向朝外作用在片上的氣動力變得足夠大時，片朝外地樞轉以便增加管的后緣內側直徑，如在圖7中示出的。
[0025]在附圖中示出的實施例中，片110附接到的環(huán)120與壓縮機殼體16單獨地形成，并且附著在壓縮機外殼的空氣入口 17內。環(huán)可使用緊固件附接到壓縮機外殼或其可以是壓配入口 ο
[0026]替代地，環(huán)120可以是壓縮機外殼的部分，使得片直接附著到壓縮機外殼。
[0027]在低流速(例如，低發(fā)動機速度)時，被動機構將移動到圖2的閉合位置。這具有將有效入口直徑減小到壓縮機葉輪的進口段部分14i中的效果，并且從而增加到葉輪中的流動速率。這結果將是壓縮機葉片入射角的減少，從而有效地穩(wěn)定流動，使得片不太可能地失速并且壓縮機不太可能地喘振。換句話說，壓縮機的喘振線將移動到較低的流速(到壓縮機壓力比率相對于流速的圖的左邊)。
[0028]在高流速時，被動機構取決于特定操作情況而部分地或完全地打開(圖7)。當被動機構完全打開時，壓縮機恢復其高流動的性能和阻塞流動特征，基本好像入口調節(jié)機構不存在并且好像壓縮機具有與在葉輪的進口段部分處的葉輪直徑相匹配的傳統(tǒng)入口。
[0029]與質量流速相關聯(lián)的入口面積的改變量取決于片110的尺寸和構造。片厚度主要取決于材料性能，并且應該相對于所期望的流速來優(yōu)化。如果片厚度太大，則流速的逐漸變化將不會施加足夠的力以使片擴展或收縮。
[0030]除了厚度，所提出的被動可變入口管的設計取決于各種其他參數(shù)，例如:
片之間的距離；
片的長度；
片的形式或形狀；
管的出口直徑；以及片的數(shù)量。
[0031 ]被動入口調節(jié)機構的性能可由這些變量的適當選擇定制。
[0032]在一個實施例中，環(huán)120由與片110的柔性材料不同的材料形成。例如，環(huán)可由金屬形成。
[0033]替代地，環(huán)可由與片相同的柔性材料形成。
[0034]在一個實施例中，在片110的放松狀態(tài)時，在相鄰片的側緣之間的周向方向上存在間隙。
[0035]在另一個實施例中，在放松狀態(tài)時片在周向方向上部分地重疊，例如在圖4和5中示出的。該部分重疊在機構閉合時可有助于減少空氣通過相鄰片之間的空間的泄露。
[0036]由于當質量流速增加時片110變形并且由于可存在質量流動波動，所以存在片擺動的可能性。為消除該可能性，圖8示出替代性的實施例，其中在鄰近管的后緣處存在包圍該管的偏壓構件。偏壓構件將大體徑向朝里的偏壓力施加在片110上，以便保持葉片位置并且最小化振動或擺動。例如在圖8和9A中所描繪的，偏壓構件140可以是金屬彈簧線，其通過由附接在片的后端部處的支架150限定的開口。替代地，如在圖9B中示出的，偏壓構件140可以是相似地固定在片的后緣處的彈性體的環(huán)，例如橡膠環(huán)等等。在圖9C中示出又一個實施方式，示出以盤繞箍形式的偏壓構件140。圖9A-9C的偏壓構件都具有以下功能:在徑向朝外氣動力對片110的影響下允許偏壓構件的直徑擴展；以及由于該擴展而在片上施加徑向朝里的偏壓力，使得當氣動力減少時偏壓構件促使片返回到它們放松的位置。
[0037]所提出的壓縮機被動入口調節(jié)機構與現(xiàn)存可變調整(trim)機構相比提供以下優(yōu)勢:
不需要致動系統(tǒng)以用于改變壓縮機的入口面積，這意味著減少的重量和成本；
與現(xiàn)存系統(tǒng)相比，在壓縮機入口中減少的安裝復雜性；
由于優(yōu)化的柔性片厚度，而導致的與流速有關的逐漸調整變量。
[0038]根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，在圖10中示出半被動入口調節(jié)機構。半被動實施例大體相似于圖8的實施例，其具有金屬彈簧線作為偏壓構件140，該金屬彈簧線保持在固定在片110的后緣處的支架150中。該機構是半被動的而不是全被動的，因為片110的朝外擴展由在金屬彈簧線140上的磁吸力輔助，該磁吸力由從線徑向朝外布置的電磁環(huán)160產(chǎn)生。當希望輔助入口調節(jié)機構的擴展時，電磁體160可被通電(經(jīng)由連接到合適電源供應器的電力供應電纜170，未示出)。在完全地和一致地打開所有片時，作用在金屬彈簧線上的磁力輔助在片上的氣動力。電磁體還可有助于保持片的打開位置。當操作情況是使得入口調節(jié)機構應該返回到更小直徑構造的操作情況時，電磁體可被斷開，并且彈簧線140將有助于徑向朝里樞轉片110。從而，該裝置在管收縮期間是被動的，但在管擴展期間是電磁輔助的一因此如上述的術語“半被動的”。
[0039]所提出的用于被動和半被動入口調節(jié)機構的設計可用于各種類型的壓縮機的入口，包括但不限于在渦輪增壓器中的離心式壓縮機、在氣體渦輪發(fā)動機中的壓縮機以及增壓器中，以便改善壓縮機穩(wěn)定性和其低流動性能。所述系統(tǒng)有助于在給定壓縮機葉輪旋轉速度的低質量流速下移動喘振極限。
[0040]這些發(fā)明所屬領域的技術人員將想到在本文提出的本發(fā)明的具有在前面描述和相關附圖中呈現(xiàn)的教導的益處的很多修改和其他實施例。例如，盡管本公開的入口調節(jié)機構描述為幾何結構可變的圓錐機構，但將理解“圓錐”僅意味著沿著靠近壓縮機葉輪的流動方向上直徑變得更小的大體錐形結構。未嚴格要求結構是完全地或甚至大體圓錐的。作為示例，形成幾何結構可變的圓錐機構的片沿著軸向方向可以是彎曲的。因此，應該理解本發(fā)明不限于所公開的具體實施例，并且修改和其他實施例旨在被包括在所附的權利要求書的范圍內。盡管本文使用具體術語，但是它們僅僅以一般的和描述性的意義被使用并且不是為了限制性的目的。
【主權項】
1.一種渦輪增壓器，其包括: 渦輪殼體和渦輪葉輪，所述渦輪葉輪安裝在所述渦輪殼體中并且連接到用于隨所述渦輪葉輪旋轉的可旋轉軸，所述渦輪殼體接納排氣并且將排氣供應到所述渦輪葉輪； 離心式壓縮機組件，其包括壓縮機殼體和壓縮機葉輪，所述壓縮機葉輪安裝在所述壓縮機殼體中并且連接到用于隨所述壓縮機葉輪旋轉的可旋轉軸，所述壓縮機葉輪具有葉片并且限定進口段部分，所述壓縮機殼體限定空氣入口，用于將空氣大體軸向引導到所述壓縮機葉輪的所述進口段部分中，所述壓縮機殼體還限定蝸殼，用于接納從所述壓縮機葉輪大體徑向朝外排出的壓縮氣體，所述空氣入口具有沿著下游方向延伸一軸向長度的內表面，接著是布置在所述空氣入口中的入口調節(jié)機構，接著是鄰近所述壓縮機葉輪的葉片的外尖端的護罩表面； 所述入口調節(jié)機構包括由柔性材料構成的多個片，所述多個片具有前緣，所述前緣連接到安裝在所述空氣入口中的環(huán)，并且所述片圍繞所述環(huán)周向分布使得所述環(huán)和所述片共同形成管，其中所述空氣入口在所述進口段部分處的有效直徑由所述管的后緣內側直徑確定，所述片通過由氣體流動到所述壓縮機葉輪施加在所述片上的氣動力在徑向朝外方向上是可移動的，當所述片在放松狀態(tài)下時所述管具有錐形構造使得所述管的所述后緣內側直徑小于所述護罩表面的內側直徑，徑向朝外施加在所述片上的所述氣動力引起所述片大體徑向朝外彎曲并且增加所述管在所述進口段部分處的所述后緣內側直徑，從而增加所述空氣入口的有效直徑。2.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述環(huán)與所述壓縮機殼體分離地形成并且附著在所述壓縮機殼體的所述空氣入口內。3.如權利要求2所述的渦輪增壓器，其中，所述環(huán)由與所述片的柔性材料不同的材料形成。4.如權利要求3所述的渦輪增壓器，其中，所述環(huán)由金屬形成。5.如權利要求2所述的渦輪增壓器，其中，所述環(huán)由與所述片相同的柔性材料形成。6.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，在所述片的放松狀態(tài)時，在相鄰片的側緣之間的周向方向上存在間隙。7.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，在放松狀態(tài)時所述片在周向方向上部分重置。8.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，還包括偏壓構件，所述偏壓構件在鄰近所述管的后緣處包圍所述管，所述偏壓構件將大體徑向朝里的偏壓力施加在所述片上。9.如權利要求8所述的渦輪增壓器，其中，所述偏壓構件包括金屬彈簧線。10.如權利要求8所述的渦輪增壓器，其中，所述偏壓構件包括彈性體的環(huán)。11.如權利要求8所述的渦輪增壓器，其中，所述偏壓構件包括盤繞箍。12.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，所述入口調節(jié)機構是被動的使得所述片僅由施加在所述片上的氣動力在徑向朝外方向上是可移動的。13.如權利要求1所述的渦輪增壓器，其中，還包括金屬偏壓構件和電磁體，所述偏壓構件在鄰近所述管的后緣處包圍所述管，所述偏壓構件將大體徑向朝里的偏壓力施加在所述片上，所述電磁體從所述金屬偏壓構件徑向朝外布置，所述電磁體在通電時將徑向朝外磁吸力施加在所述金屬偏壓構件上，用于促使所述片徑向朝外。
【文檔編號】F02B37/22GK105863826SQ201610081577
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發(fā)明人】H.莫塔, S.皮斯, P.德拉皮埃爾, W.J.史密斯, P.維爾曼
【申請人】霍尼韋爾國際公司