專利名稱：壓氣機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種離心式壓氣機，特別地，但不局限于涉及一種渦輪增壓器的離心壓氣機。
眾所周知，渦輪增壓器是在超過大氣壓力的壓力(增壓壓力)下把空氣供給內(nèi)燃機進氣通道的裝置，并且廣泛適用于機動車，動力船以及類似的機械。一個普通的渦輪增壓器基本上包括一個安裝在渦輪機殼體內(nèi)的一個旋轉(zhuǎn)軸上的一個廢氣驅(qū)動的渦輪機葉輪。例如，在一個向心式渦輪機中，渦輪機殼體確定一個在渦輪機葉輪周圍的環(huán)形進口通道和從渦輪機葉輪延伸的大體圓柱形的軸向出口通道。渦輪機葉輪的旋轉(zhuǎn)帶動安裝在壓氣機殼體中的此軸另一端的一個壓氣機葉輪轉(zhuǎn)動。壓氣機葉輪把壓縮空氣供給發(fā)動機的進氣管，從而增加發(fā)動機動力。
所有的離心式壓氣機在低流量的情況下，即，在一個壓力和質(zhì)量流量出現(xiàn)波動的不穩(wěn)定的運轉(zhuǎn)狀態(tài)下都要受到喘振的影響。在許多情況下，如當(dāng)壓氣機作為把空氣供給一個往復(fù)式內(nèi)燃機的渦輪增壓器的一部分時，質(zhì)量流量的波動是不能被接受的。因此，已經(jīng)作出了大量的努力來改進離心式壓氣機的喘振極限以擴大壓氣機可使用的流量范圍。
特性線圖寬度增加的壓氣機被認(rèn)為是改進喘振和阻塞的極限(壓氣機的“特性線圖”是指通過壓氣機的質(zhì)量流量與壓氣機的總增壓比之間的關(guān)系圖，此圖的寬度確定在喘振和阻塞的流量極限之間)。在一個普通的特性線圖寬度增加的壓氣機中，通過具有一環(huán)形槽、或一組徑向孔的一個壁把臨近壓氣機入口的一個室與壓氣機葉輪葉片的外圍分開，其中的槽或孔使得室和壓氣機葉輪相通。這種相通使在高流量和高轉(zhuǎn)速的運轉(zhuǎn)期間到達壓氣機葉輪的氣體量和在低流量運轉(zhuǎn)期間到達壓氣機進口的再循環(huán)氣體的量增加，從而分別在阻塞和喘振速度下穩(wěn)定了壓氣機。
雖然實踐證實這樣的裝置對改進壓氣機喘振極限是有效的，但本發(fā)明還是要進一步改進壓氣機的喘振極限。
本發(fā)明提供一種壓氣機，它包括一個確定一個進口和一個出口的殼體，和一個壓氣機葉輪，它被安裝成繞由進口和出口之間的殼體確定的一室中的一個軸轉(zhuǎn)動，此壓氣機葉輪的前部面對所述進口和此壓氣機葉輪的后部的一部分被設(shè)置進入由所述殼體的壁所限定的凹槽中，該凹槽的外徑比壓氣機葉輪的凹入部分的外徑大，從而在壓氣機葉輪的凹入部分周圍確定出一個環(huán)形間隙，其中凹槽的外徑至少是壓氣機葉輪的凹入部分外徑的1.05倍并且/或在所述間隙的區(qū)域范圍內(nèi)凹槽的深度比壓氣機葉輪凹入部分的軸向?qū)挾鹊?.5倍還大。
試驗表明一個與葉輪相連的被擴大的壓氣機葉輪凹槽的構(gòu)造為在接近喘振的狀態(tài)下在壓氣機葉輪出口(擴壓器)中形成渦旋提供了空間，這在出口有效地形成了一個空氣動力限制，從而改進了壓氣機的喘振極限。但是，渦旋在較高流量下就消失了并且因此在壓氣機的運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)沒有性能損失，如果有固定的機械條件限制，那么將會產(chǎn)生性能損失。
試驗還表明喘振極限的改進在相對高的增壓比的情況下尤其明顯。由于更加嚴(yán)格的污染排放法規(guī)使發(fā)動機制造商要求渦輪增壓器(和這樣的壓氣機)在較高增壓壓力下運轉(zhuǎn)，所以這在把此壓氣機用在渦輪增加器中的情況下尤其是個優(yōu)點。
在本發(fā)明中，凹槽能徑向擴大或軸向擴大(在壓氣機葉輪的葉片頂端的區(qū)域中)，或徑向與軸向都擴大。凹槽的擴大提供了一個上述的渦旋形成的空間。凹槽直徑通常擴大的范圍是在壓氣機葉輪的凹入部分外徑的1.05和1.15倍之間。試驗顯示出在凹槽至少是壓氣機葉輪凹入部分(通常是葉輪后面的板)直徑的1.05倍時喘振極限的改進是明顯的，并且這種改進隨著凹槽擴大部分的增加而增加。但是，在凹槽直徑大于葉輪直徑的1.15倍時，性能損失抵消了喘振極限的增益。較佳的擴大范圍是在葉輪直徑的1.10至1.12倍之間。
在實施例中，凹槽深度的增加能通過在臨近葉輪的凹入部分外周的凹槽中加工一個槽來實現(xiàn)。
通過以下對本發(fā)明的各種不同實施例進行的說明，本發(fā)明其它的較佳特征將會變得清楚明了。
現(xiàn)在，本發(fā)明的具體實施例僅作為例子，參照附圖被描述，其中

圖1是一個外部示圖，它顯示了一個普通渦輪增壓器的主要部件；圖2a是一個通過圖1所示的渦輪增壓器的一部分的剖面圖，它顯示了壓氣機的零部件；
圖2b是一個圖2a的一個細(xì)節(jié)放大圖，它顯示了壓氣機葉輪在其中轉(zhuǎn)動的凹槽；圖3顯示了圖1和2所示的渦輪增壓器的一種改型，它根據(jù)本發(fā)明的第一具體實施例擴大了壓氣機凹槽；圖4a和4b顯示了在喘振狀態(tài)下，把圖1和2所示的普通的壓氣機和圖3所示的改型的壓氣機進行對比的實例的CFD(計算流體動力學(xué))的結(jié)果；圖5是氣流的總增壓力比與空氣流量之間的關(guān)系圖(即，壓氣機特性線圖)，它顯示了圖3中所示的改型中的喘振極限的改進；以及圖6和7顯示了本發(fā)明的另一個具體實施例。
參照附圖，圖1和2顯示了一種普通的離心式渦輪增壓器，它包括一種由附圖標(biāo)記1標(biāo)出的渦輪機，一個由附圖標(biāo)記2標(biāo)出的壓氣機，和一個由附圖標(biāo)記3標(biāo)出的中央軸承蓋。
圖2a顯示了一個通過圖1所示的渦輪增壓器的壓氣機部件的一部分所作的一個剖面圖，由此可以看出壓氣機包括一個殼體，此殼體由擴壓器部件4和壓氣機蓋5分別確定，其中擴壓器部件4是軸承蓋鑄件3的一部分，而壓氣機蓋5確定一個進口蝸殼6和一個出口蝸殼7，一個壓氣機葉輪8被安裝以繞一個通過軸承蓋3延伸至渦輪機1的軸9旋轉(zhuǎn)，壓氣機葉輪8包括一組由后圓盤10支承的葉片9，此后圓盤10凹進擴散器部件4中。
所示的壓氣機是一個特性線圖寬度增大型的壓氣機，其中進口6包括一個管狀進口部分11，繞其延伸一個管狀進氣部分12，在管狀進口部分11和管狀吸入部分之間確定一個環(huán)形室13。一個環(huán)形槽14通過管狀進口部分11形成，以使環(huán)形室13連接由壓氣機葉片9掠過的壓氣機殼體的進口段部分。至壓氣機蝸殼的出口7通過一擴壓器通道15，它限定在壓氣機蓋5和軸承蓋3的擴壓器部分4之間，它是一個圍繞壓氣機葉片9頂部的一個環(huán)形通道。
圖2b是一個圖2a的一部分的放大圖，它更清楚地顯示了在殼體中的壓氣機葉輪后圓盤10凹入其中的凹槽16。在一個所述的普通的渦輪增壓器中，凹槽被加工凹入殼體以在葉輪8的外徑(在這種情況下是在后圓盤10的直徑)周圍留有最小的必需的環(huán)形間隙以提供一個使壓氣機葉輪8轉(zhuǎn)動的間隙。例如，凹槽16的直徑通常是壓氣機葉輪凹入部分的外徑的1.01和1.04倍之間的某個值，所述例子中的凹入部分的外徑是后圓盤10的直徑。
現(xiàn)在參照圖3，說明本發(fā)明的具體實施例中的凹槽16的第一個改型。圖3是相應(yīng)于圖2c的一個圖，顯示了與圖2c中所示的普通渦輪增壓器相比的一個被擴大的壓氣機葉輪的凹槽16。在這個實施例中，雖然它和圖2c中的凹槽有大致相同的深度，但凹槽徑向被加大。在所述的例子中，凹槽的直徑是壓氣機葉輪8的凹入部分(即，后圓盤10)直徑的1.05倍。
圖4a和4b分別顯示在接近喘振運轉(zhuǎn)的情況下圖2a和3中所示的壓氣機的CFD的結(jié)果。由此可以看出根據(jù)本發(fā)明的幾何結(jié)構(gòu)，一個渦旋形成于壓氣機葉輪8周圍的放大的凹槽16的區(qū)域中。這個渦旋17有效地產(chǎn)生了一個對于擴壓器的空氣動力學(xué)意義上的“擠壓”，在接近喘振運轉(zhuǎn)的情況下減小擴壓器的尺寸有效地延遲了喘振的沖擊。喘振極限的改進通過對圖5中所示的兩個幾何結(jié)構(gòu)中的每一個的壓氣機特性線圖進行對照可明顯地得出。它顯示出與圖2c中的沒有改進的幾何結(jié)構(gòu)的喘振線19比較起來，改進的幾何結(jié)構(gòu)的喘振線18被移至左邊。此結(jié)果在相對高的增壓比(超過大約3∶1)的情況下特別明顯，在那里喘振極限增加了15％。
試驗得出，產(chǎn)生空氣動力學(xué)擠壓的渦旋17形成在喘振狀態(tài)，但是在較高流量的情況下卻消失了并且因此不產(chǎn)生通常與機械的限制有關(guān)的性能損失，從而能改進擴壓器的喘振極限。換句話說，本發(fā)明的改型在不有損于它的工作范圍內(nèi)的壓氣機的效率的情況下改進了揣振極限。
普通壓氣機葉輪的凹槽被加工成一個緊公差，這樣使由壓氣機葉輪周圍的凹槽形成的環(huán)形間隙最小的一個原因是避免了已被意識到的漏油的問題。即，在本領(lǐng)域中通常認(rèn)為凹槽尺寸的增加將減小壓氣機葉輪背后的壓力并且增加了從軸承蓋漏油的可能性。本發(fā)明已經(jīng)顯示了不是這種情況，事實上壓氣機葉輪凹槽尺寸增加的結(jié)果是壓氣機葉輪背后的壓力略有增加，這一點是可以測量得到的，以使漏油不再是一個問題。
圖6顯示了本發(fā)明的另一個實施例，其中一個環(huán)形槽20形成在環(huán)形間隙區(qū)域的壓氣機凹槽16中，此環(huán)形間隙區(qū)域是由壓氣機葉輪的外部直徑的凹入部分的外徑和凹槽的外徑之間來確定的。在通常的普通渦輪增壓器中，在這個區(qū)域中凹槽的深度是壓氣機葉輪(通常是后圓盤)凹入部分軸向?qū)挾鹊?.2倍。在本發(fā)明的這個實施例中，此深度增加到比壓氣機葉輪的凹入部分的軸向?qū)挾鹊?.5倍還大。試驗顯示出即使凹槽的直徑?jīng)]有增加，這也使喘振極限得到了改進。但是，得知增大了的凹槽深度能夠與凹槽直徑的增加相結(jié)合以增強效果。再有，對喘振極限的改進是由于在喘振流量下在壓氣機葉輪周圍的凹槽內(nèi)形成了一個渦旋。
圖7顯示了一個本發(fā)明的一個實施例，其中一個第一槽22形成在壓氣機凹槽16內(nèi)并且一個第二槽23形成在壓氣機凹槽的周圍，這與在圖6的實施例中的槽內(nèi)形成一個環(huán)形的分隔區(qū)的效果是一樣的。
可以想到的是可以對上述的本發(fā)明實施例的具體結(jié)構(gòu)進行多種改進變化。試驗將顯示出本發(fā)明所產(chǎn)生的效果能夠怎樣被優(yōu)選用于任何單個的申請。本發(fā)明的重要特性是在壓氣機的殼體中得出了一個用于形成在圖4b中所示的渦旋的位置，那個位置通過擴大壓氣機葉輪在其中轉(zhuǎn)動的凹槽的一個部分而得到。
可以想到的是本發(fā)明能夠適用于不同結(jié)構(gòu)的壓氣機和壓氣機葉輪。例如，壓氣機葉輪凹入的程度可以比所述的大或小并且葉片的結(jié)構(gòu)也可以與所述的那些相比有很大的差別。例如，雖然在上述例子中，后圓盤的直徑比葉片頂部的外徑大，但不必是這種情況。例如，葉片和后圓盤可以有相同的外徑，同樣，壓氣機葉輪的殼體可以與所述的殼體有很大的差別并且例如可以包括一個單個的用螺栓固定到軸承蓋上的鑄件而不是由壓氣機蓋和軸承蓋相結(jié)合來構(gòu)成。另外，雖然所述的單個的壓氣機是一個特性線圖寬度增加的壓氣機，但不必是這種情況。同樣地，所述的壓氣機是一個無葉的結(jié)構(gòu)，但本發(fā)明同樣能適用了在擴壓器中具有葉片的壓氣機。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來講，其它可能的改型將是很明顯的。
權(quán)利要求
1．一個壓氣機，它包括一個確定一個進口和一個出口的殼體，和一個壓氣機葉輪，它被安裝成繞由該進口和該出口之間的殼體確定的一個室中的一個軸轉(zhuǎn)動，該壓氣機葉輪的前部面對所述進口和該壓氣機葉輪的后部的一部分被設(shè)置進入由所述殼體的壁所限定的一凹槽中，該凹槽的外徑比該壓氣機葉輪的凹入部分的外徑大，從而在該壓氣機葉輪的凹入部分周圍確定出一個環(huán)形間隙，其中該凹槽的外徑至少是該壓氣機葉輪的凹入部分外徑的1.05倍并且/或在所述間隙的區(qū)域范圍內(nèi)該凹槽的深度比該壓氣機葉輪凹入部分的軸向?qū)挾鹊?.5倍還大。
2．一種如權(quán)利要求1所述的壓氣機，其中該凹槽有一個比壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的1.05倍還大的外徑并且在該間隙的區(qū)域范圍內(nèi)所述凹槽的深度比壓氣機葉輪凹入部分的軸向?qū)挾?.1倍還大。
3．一種如權(quán)利要求1所述的壓氣機，其中凹槽的外徑比壓氣機的葉輪的凹入部分的外徑的1.01倍還大并且在所述間隙中凹槽的深度比壓氣機葉輪的凹入部分的軸向?qū)挾鹊?.5倍還大。
4．一種如權(quán)利要求3所述的壓氣機，其中凹槽的深度由至少部分圍繞壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的所述凹槽的環(huán)形槽的構(gòu)造而增加。
5．一種上述的任何一項權(quán)利要求所述的壓氣機，其中凹槽的外徑是在壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的1.05和1.15倍之間。
6．一種上述的任何一項權(quán)利要求所述的壓氣機，其中凹槽的外徑是在壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的1.1和1.15倍之間。
7．一種上述的任何一項權(quán)利要求所述的壓氣機，其中凹槽的外徑是在壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的1.1和1.12倍之間。
8．一種如權(quán)利要求1至5中的任一項所述的壓氣機，其中凹槽的外徑是在壓氣機葉輪的凹入部分的外徑的1.05和1.12倍之間。
9．一種上述任何一項權(quán)利要求所述的壓氣機，其中壓氣機葉輪包括多個安裝在一個后圓盤上的壓氣機葉片，所述后圓盤包括該壓氣機葉輪的所述的凹入部分。
10．一種包括上述任何一項權(quán)利要求所述的壓氣機的渦輪增壓器。
11．一種參照附圖如上所述的壓氣機。
12．一種大體上參照附圖如上所述的渦輪增壓器。
全文摘要
一種壓氣機包括一確定一個進口(6)和一個出口(15,7)的殼體(4,5),和一個壓氣機葉輪(8),它被安裝成繞由進口(6)和出口(7)之間的殼體確定的室中的一個軸(9)轉(zhuǎn)動,此壓氣機葉輪(8)的后部被設(shè)置進入由所述殼體(4)的壁所限定的凹槽(16)中,凹槽(16)的外徑比壓氣機葉輪(8)的凹入部分(10)的外徑大,從而在壓氣機葉輪(8)的凹入部分周圍確定出一個環(huán)形間隙,其中凹槽(16)的外徑至少是壓氣機葉輪的凹入部分外徑的1.05倍并且/或在所述間隙的區(qū)域范圍內(nèi)凹槽的深度比壓氣機葉輪凹入部分的軸向?qū)挾鹊?.5倍還大。
文檔編號F04D25/02GK1312439SQ01117339
公開日2001年9月12日 申請日期2001年2月23日 優(yōu)先權(quán)日2000年2月23日
發(fā)明者B·尼克波爾 申請人:奧爾塞特工程有限公司