可調(diào)入口的徑向-徑向壓縮機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及可調(diào)入口的徑向?徑向壓縮機。徑向?徑向壓縮機包括入口調(diào)節(jié)機構，其位于用于壓縮機的空氣入口中，是可操作的以在空氣入口中在打開位置與關閉位置之間移動。入口調(diào)節(jié)機構包括管狀套筒，其能在空氣入口中移動且具有軸向移動分量，以調(diào)節(jié)套筒的后緣與葉輪的導流部分的間距。在“接通”位置，間距相對較大，而在“關閉”位置，間距相對較小，套筒因此相對于處于“接通”位置的有效入口面積減小進入葉輪的導流部分中的有效入口面積。
【專利說明】
可調(diào)入口的徑向-徑向壓縮機
技術領域
[0001]本公開涉及徑向-徑向壓縮機(radial-radial compressor)，比如用于禍輪增壓器的徑向-徑向壓縮機，并且更具體地涉及能對于不同操作條件調(diào)節(jié)有效入口面積的徑向-徑向壓縮機。
【背景技術】
[0002]受排出氣體驅(qū)動的渦輪增壓器是與內(nèi)燃發(fā)動機結合使用的裝置，用于通過對空氣進行壓縮來增加發(fā)動機的動力輸出，所述空氣被傳遞到發(fā)動機的進氣口，用以與燃料混合并在發(fā)動機中燃燒。渦輪增壓器包括在壓縮機殼體中安裝于軸的一端上的壓縮機葉輪以及在渦輪殼體中安裝于軸的另一端上的渦輪葉輪。通常，渦輪殼體與壓縮機殼體分別地形成，并且還存在被連接在渦輪殼體與壓縮機殼體之間的另一中央殼體，用于容納用于軸的軸承。渦輪殼體限定出大體環(huán)形的腔室，其環(huán)繞渦輪葉輪并且接收來自發(fā)動機的排出氣體。渦輪組件包括噴嘴，所述噴嘴從腔室通向渦輪葉輪中。排出氣體從腔室穿過噴嘴流動至渦輪葉輪，并且渦輪葉輪被排出氣體驅(qū)動。渦輪因而從排出氣體中提取動力，并驅(qū)動壓縮機。壓縮機通過壓縮機殼體的入口來接收環(huán)境空氣，并且該空氣被壓縮機葉輪壓縮，然后從殼體排放至發(fā)動機進氣口。
[0003]渦輪增壓器可采用徑向-徑向類型的壓縮機葉輪，因為徑向-徑向壓縮機能以緊湊結構實現(xiàn)相對較高的壓力比。用于徑向-徑向壓縮機的進氣在接近葉輪時大體沿軸向方向被接收，但是在空氣到達葉輪的導流部分之前，空氣大致旋轉(zhuǎn)90度，以大體沿徑向向外前進到導流部分中?？諝馔ㄟ^壓縮機的葉片并且受到壓縮，然后從葉輪的出口導流部分大體沿徑向方向排出。來自葉輪的壓縮空氣被輸送至渦室，并且從渦室，空氣被供給至內(nèi)燃發(fā)動機的進氣口。
[0004]壓縮機的操作范圍是渦輪增壓器的總體性能的一個重要方面。操作范圍大體由用于壓縮機的操作特性圖上的節(jié)流線(choke line)和喘振線(surge line)界定出。壓縮機特性圖通常表現(xiàn)為縱軸上的壓力比(排氣壓力Pciut除以進氣壓力Pin)以及橫軸上的修正質(zhì)量流量。壓縮機特性圖上的節(jié)流線位于高流量處，并且示出一定范圍的壓力比內(nèi)的最大質(zhì)量流量點的軌跡，即，對于節(jié)流線上的給定點，不能在保持相同壓力比的同時增加流量，因為在壓縮機中發(fā)生了節(jié)流流動狀態(tài)。
[0005]喘振線位于低流量處，并且示出一定范圍的壓力比內(nèi)的沒有喘振的最小質(zhì)量流量點的軌跡，即，對于喘振線上的給定點，在不改變壓力比的情況下減小流量，或者在不改變流量的情況下增加壓力比，將導致發(fā)生喘振。喘振是一種不穩(wěn)定流動，其通常發(fā)生在壓縮機葉片入射角變得大到使得壓縮機葉片上出現(xiàn)實質(zhì)性的流動分離時。在喘振期間可能發(fā)生壓力波動和流動逆轉(zhuǎn)。
[0006]在用于內(nèi)燃發(fā)動機的渦輪增壓器中，壓縮機喘振可能發(fā)生在以下時候:發(fā)動機在以高載荷或扭矩和低發(fā)動機速度進行操作時，或者發(fā)動機在以低速進行操作并且存在高水平的排氣再循環(huán)(EGR)時。喘振還可能發(fā)生在發(fā)動機突然從高速狀態(tài)減速時。擴大壓縮機的無喘振操作范圍以降低流量是壓縮機設計中常常尋找的一個目標。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本公開描述用于徑向-徑向壓縮機的機構和方法，其能實現(xiàn)用于壓縮機的喘振線選擇性地偏移向左側(cè)(即，在給定壓力比時喘振被延遲為低流量)，方法是調(diào)節(jié)葉輪的導流部分處的有效面積。本文描述的一個實施例包括具有以下特征的徑向-徑向壓縮機:
壓縮機殼體和徑向-徑向壓縮機葉輪，所述徑向-徑向壓縮機葉輪安裝在壓縮機殼體中，并連接至可旋轉(zhuǎn)的軸以便與之一起旋轉(zhuǎn)，所述徑向-徑向壓縮機葉輪具有輪轂并且具有葉片，所述葉片連結至所述輪轂，并由此延伸并終止于葉片的外側(cè)末端處，所述壓縮機殼體限定出用于將空氣大體沿軸向方向引導向所述徑向-徑向壓縮機葉輪的空氣入口，并且限定出與所述葉片的外側(cè)末端相鄰的護罩表面，所述徑向-徑向壓縮機葉輪的輪轂構造成與所述護罩表面協(xié)同操作，以使前進通過所述空氣入口的空氣相對于所述徑向-徑向壓縮機葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線大體朝徑向向外方向大致旋轉(zhuǎn)90度，所述葉片限定出導流部分，所述導流部分配置成接收大體沿徑向向外方向前進的空氣，所述壓縮機殼體進一步限定出渦室，所述渦室用于接收從所述徑向-徑向壓縮機葉輪大體沿徑向向外排出的壓縮空氣;和
入口調(diào)節(jié)機構，其設置在所述空氣入口中，位于所述徑向-徑向壓縮機葉輪的上游，并且能在打開或“接通”位置與閉合或“關閉”位置之間移動，以調(diào)節(jié)所述徑向-徑向壓縮機葉輪的導流部分處的有效入口面積。
[0008]所述入口調(diào)節(jié)機構包括管狀套筒，所述管狀套筒能在所述空氣入口內(nèi)移動并具有軸向移動分量。所述管狀套筒具有后緣，所述后緣在上游與壓縮機葉輪隔有間距。所述管狀套筒的軸向移動調(diào)節(jié)所述后緣與壓縮機葉輪的間距。在所述入口調(diào)節(jié)機構的閉合或“關閉”位置，所述間距相對較小，并且在打開或“接通”位置，所述間距相對較大。處于“接通”位置的間距形成為使得進入所述壓縮機葉輪的導流部分中的有效入口面積由所述壓縮機葉輪的輪轂和所述壓縮機殼體的護罩表面限定出，即，管狀套筒不阻止空氣沿護罩表面而行，從而對有效入口面積沒有影響，或者具有相對較小的影響。處于“關閉”位置的間距形成為使得進入壓縮機葉輪的導流部分中的有效入口面積相對于處于“接通”位置的有效入口面積減小，g卩，管狀套筒在一點處延伸到流路中，在該點處，空氣將轉(zhuǎn)而大體沿徑向向外前進，以便阻止空氣沿壓縮機殼體的護罩表面而行，從而使得有效入口面積在輪轂與管狀套筒的后緣之間被限定出。
[0009]入口調(diào)節(jié)機構的管狀套筒能以多種方式中的任一種受到致動，并且本發(fā)明并不局限于任何特定的致動系統(tǒng)。在本文描述的一個實施例中，管狀套筒限定出外螺紋形的第一螺紋。致動系統(tǒng)包括驅(qū)動輪齒，其具有螺旋形的驅(qū)動螺紋，所述螺旋形的驅(qū)動螺紋與套筒的第一螺紋嚙合。驅(qū)動輪齒能圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)，但是軸向移動受到制約，使得驅(qū)動輪齒的旋轉(zhuǎn)向管狀套筒施加螺旋運動(即，組合的旋轉(zhuǎn)運動和軸向運動)。因此，驅(qū)動輪齒沿一個方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“關閉”位置，并且沿相反方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“接通”位置。優(yōu)選地但并非必需地，管狀套筒還限定出外螺紋形的第二螺紋，其與第一螺紋沿軸向間隔開，并且套筒被旋入螺母中，所述螺母具有相應的內(nèi)螺紋，其與套筒的第二螺紋嚙合。螺母的內(nèi)螺紋與壓縮機葉輪大致同軸。螺母有助于引導套筒的運動，并保持套筒與壓縮機葉輪大致同軸。
[0010]在本文描述的另一實施例中，線性的沿軸向延伸的齒條由管狀套筒限定出或者固定在管狀套筒上，齒條限定出沿軸向間隔開的齒。致動系統(tǒng)包括驅(qū)動齒輪，其旋轉(zhuǎn)軸線垂直于軸向方向延伸，所述驅(qū)動齒輪的齒與齒條的齒嚙合。驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)向管狀套筒施加純軸向運動。因此，驅(qū)動輪齒沿一個方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“關閉”位置，并且沿相反方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“接通”位置。
[0011]也可使用基于不同原理工件的其它致動系統(tǒng)。例如，可使用氣動或液壓致動系統(tǒng)。
【附圖說明】
[0012]在已經(jīng)如此概括地描述了本發(fā)明的情況下，現(xiàn)在將參看附圖，所述附圖并不一定按比例進行繪制，并且附圖中:
圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的徑向-徑向壓縮機的透視圖，其中壓縮機殼體的一部分被剖切以顯示內(nèi)部細節(jié)，其中入口調(diào)節(jié)機構處于“關閉”位置；
圖2是圖1所示徑向-徑向壓縮機的軸向截面圖，其中入口調(diào)節(jié)機構處于“關閉”位置；
圖3是類似于圖1的視圖，但其中入口調(diào)節(jié)機構處于“接通”位置；
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施例的徑向-徑向壓縮機的透視圖；
圖5是圖4所示壓縮機的軸向截面圖，其中入m周節(jié)機構處于“關閉”位置;并且圖6是類似于圖5的視圖，但其中入口調(diào)節(jié)機構處于“接通”位置。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)在將在以下參考附圖更全面地描述本發(fā)明，在附圖中示出了本發(fā)明的某些但非全部實施例。實際上，這些發(fā)明可以以許多不同的形式來體現(xiàn)，并且不應該被解釋為局限于本文所給出的實施例;相反，這些實施例被提供來使得本公開將滿足可適用的法律要求。文中相似的附圖標記表示相似的元件。
[0014]根據(jù)本發(fā)明一個實施例的徑向-徑向壓縮機1在圖1中的透視圖中以及在圖2和3中的截面圖中示出。渦輪增壓器包括徑向-徑向壓縮機葉輪14，其安裝在壓縮機殼體16中位于可旋轉(zhuǎn)的軸(未示出)的一端上。壓縮機殼體限定出空氣入口 17，用于大體軸向地朝壓縮機葉輪14引導空氣。壓縮機葉輪的軸被支承在軸承(未示出)中，并且所述軸通過渦輪葉輪或電動機或聯(lián)接至軸的其它裝置(未示出)旋轉(zhuǎn)，由此可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動壓縮機葉輪，其壓縮通過壓縮機入口吸入的空氣，并將壓縮空氣從壓縮機葉輪大體沿徑向向外排出到用于接收壓縮空氣的渦室21中。從渦室21，空氣可用于任一種不同目的，比如供給至內(nèi)燃發(fā)動機(未示出)的進氣口，以提升發(fā)動機的性能。
[0015]壓縮機葉輪14包括輪轂14h和多個葉片14b，所述多個葉片14b連結至輪轂，并由此延伸并終止于葉片的外側(cè)末端處。
[0016]壓縮機殼體16限定出護罩表面16s，其緊鄰壓縮機葉片的外側(cè)末端。護罩表面16s限定出彎曲輪廓，其大體平行于壓縮機葉輪的彎曲輪廓。輪轂14h和護罩表面16s協(xié)同操作以在它們之間限定出流路，該流路被構造成在空氣與壓縮機葉輪的導流部分14i相遇時大體沿徑向向外方向引導空氣。空氣沿徑向向外前進，并在它前進通過在葉片14b之間限定出的通路時被壓縮，然后空氣向外排出到渦室21中。
[0017]依據(jù)本發(fā)明，渦輪增壓器的壓縮機包括入口調(diào)節(jié)機構，其設置在壓縮機殼體的空氣入口 17中，正好位于護罩表面16s和導流部分14i的上游。入口調(diào)節(jié)機構包括管狀套筒30，所述管狀套筒30的內(nèi)徑參考壓縮機葉輪14的導流部分14i選出。機構30是可移動的，在閉合或“關閉”位置(圖1和2)與打開或“接通”位置(圖3)之間具有軸向移動分量，用于調(diào)節(jié)徑向-徑向壓縮機的導流部分處的有效入口面積。套筒30可以只軸向地移動(S卩，沒有旋轉(zhuǎn)移動分量)，或者可以既軸向地又旋轉(zhuǎn)地移動(即，類似螺絲)。在圖1-3的特定實施例中，套筒的運動是螺旋運動，但是以下描述的第二實施例只經(jīng)歷軸向運動。套筒30具有后緣30t，其在上游與壓縮機葉輪14間隔一定間距。套筒的軸向移動能有效地調(diào)節(jié)后緣30t與壓縮機葉輪的間距。
[0018]因此，在入口調(diào)節(jié)機構的閉合或“關閉”位置，間距30t相對較小，如圖2中所示。處于“關閉”位置的間距形成為使得進入壓縮機葉輪的導流部分14i中的有效入口面積Aeff,避相對于處于“接通”位置的有效入口面積減小，原因是套筒30在一點處延伸到流路中，在該點，處于“接通”位置的空氣將轉(zhuǎn)而大體沿徑向向外前進，以便阻止空氣沿壓縮機殼體的護罩表面16s而行，使得有效入□面積Aeff, Clff在輪轂14h與套筒30的后緣30t之間被限定出。
[0019]在圖3所示的打開或“接通”位置，葉輪14與套筒的后緣30t之間的間距相對較大。處于“接通”位置的間距形成為使得空氣大體能夠轉(zhuǎn)向徑向向外方向，并沿護罩表面16s而行。因此，在套筒30的“接通”位置，進入壓縮機葉輪的導流部分14i中的有效入口面積Arff, Cin由壓縮機葉輪的輪轂14h和壓縮機殼體的護罩表面16s限定出。
[0020]在低流量時，入口調(diào)節(jié)套筒30可位于“關閉”位置，以將進入壓縮機葉輪的有效入口面積設定為最小值。在高流量時，套筒30可位于“接通”位置，以增加有效入口面積。如果需要的話(例如，為了中間流量)，套筒30也可位于“關閉”位置與“接通”位置之間的各個中間位置中的任一位置處，以便為徑向-徑向壓縮機準許一定范圍的入口區(qū)域調(diào)節(jié)。
[0021]在圖1-3的實施例中，管狀套筒30被絲杠類型的致動系統(tǒng)致動。管狀套筒30限定出外螺紋形的第一螺紋32。致動系統(tǒng)包括驅(qū)動輪齒40，其具有螺旋形的驅(qū)動螺紋42，所述螺旋形的驅(qū)動螺紋42與套筒的第一螺紋32嚙合。驅(qū)動輪齒40能圍繞其軸線旋轉(zhuǎn)，但是軸向移動受到制約，使得驅(qū)動輪齒的旋轉(zhuǎn)向管狀套筒施加螺旋運動(即，組合的旋轉(zhuǎn)運動和軸向運動)30。因此，驅(qū)動輪齒40沿一個方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒30移動向“關閉”位置(圖1和2)，并且沿相反方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“接通”位置(圖3)。
[0022]優(yōu)選地但并非必需地，管狀套筒30還限定出外螺紋形的第二螺紋34，其與第一螺紋32沿軸向間隔開，并且套筒被旋入螺母50中，所述螺母50具有相應的內(nèi)螺紋54，其與套筒的第二螺紋34嚙合。螺母的內(nèi)螺紋54與壓縮機葉輪14大致同軸。螺母50有助于引導套筒的運動，并保持套筒與壓縮機葉輪大致同軸。
[0023]本發(fā)明的第二實施例在圖4-6中示出，并且大致類似于第一實施例，例外的是用于管狀套筒30的致動系統(tǒng)。因此，第二實施例的與第一實施例大致類似的方面在這里不再描述。根據(jù)第二實施例，致動系統(tǒng)包括齒條齒輪系統(tǒng)。因此，線性齒條60設置或被限定在管狀套筒30上，沿著套筒軸向地延伸。齒條限定出沿軸向間隔開的齒62。致動系統(tǒng)包括驅(qū)動齒輪70，其旋轉(zhuǎn)軸線垂直于軸向方向延伸，所述驅(qū)動齒輪的齒72與齒條的齒62嚙合。驅(qū)動齒輪70的旋轉(zhuǎn)向管狀套筒30施加純軸向運動。因此，驅(qū)動齒輪沿一個方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“關閉”位置(圖4和5)，并且沿相反方向的旋轉(zhuǎn)將管狀套筒移動向“接通”位置(圖6)。
[0024]如第一實施例中那樣，進入壓縮機葉輪的導流部分14i中的有效入口面積Aeff是可變的，方法是通過將管狀套筒30定位在不同軸向位置，其在套筒的后緣30t與壓縮機葉輪14之間具有不同的間距。這樣，可基于大致如第一實施例中那樣的操作條件，來調(diào)節(jié)壓縮機的有效入口面積。
[0025]獲得了前述描述和相關聯(lián)附圖所呈現(xiàn)的教導的優(yōu)點后，這些發(fā)明所屬技術領域的技術人員將會想到本文所給出的發(fā)明的許多改進和其它實施例。因此，應該明白的是，本發(fā)明并不局限于所公開的特定實施例，并且改進和其它實施例旨在被包括在所附權利要求書的范圍內(nèi)。雖然本文中采用了特定的術語，但其僅僅是以通用的和說明性的意義來使用的，并非用于進行限制的目的。
【主權項】
1.一種徑向-徑向壓縮機，包括: 壓縮機殼體和徑向-徑向壓縮機葉輪，所述徑向-徑向壓縮機葉輪安裝在壓縮機殼體中，并連接至可旋轉(zhuǎn)的軸以便與之一起旋轉(zhuǎn)，所述徑向-徑向壓縮機葉輪具有輪轂并且具有葉片，所述葉片連結至所述輪轂，并由此延伸并終止于葉片的外側(cè)末端處，所述壓縮機殼體限定出用于將空氣大體沿軸向方向引導向所述徑向-徑向壓縮機葉輪的空氣入口，并且限定出與所述葉片的外側(cè)末端相鄰的護罩表面，所述徑向-徑向壓縮機葉輪的輪轂構造成與所述護罩表面協(xié)同操作，以使前進通過所述空氣入口的空氣相對于所述徑向-徑向壓縮機葉輪的旋轉(zhuǎn)軸線大體朝徑向向外方向大致旋轉(zhuǎn)90度，所述葉片限定出導流部分，所述導流部分配置成接收大體沿徑向向外方向前進的空氣，所述壓縮機殼體進一步限定出渦室，所述渦室用于接收從所述徑向-徑向壓縮機葉輪大體沿徑向向外排出的壓縮空氣;和 入口調(diào)節(jié)機構，其設置在所述空氣入口中，位于所述徑向-徑向壓縮機葉輪的上游，并且能在打開或“接通”位置與閉合或“關閉”位置之間移動，以調(diào)節(jié)所述徑向-徑向壓縮機葉輪的導流部分處的有效入口面積，所述入口調(diào)節(jié)機構包括管狀套筒，所述管狀套筒能在所述空氣入口內(nèi)移動并具有軸向移動分量，所述管狀套筒具有后緣，所述后緣在上游與壓縮機葉輪隔有間距，所述管狀套筒的軸向移動能有效地調(diào)節(jié)所述后緣與壓縮機葉輪的間距，其中在所述入口調(diào)節(jié)機構的閉合或“關閉”位置，所述間距相對較小，并且在打開或“接通”位置，所述間距相對較大，處于“接通”位置的間距形成為使得進入所述壓縮機葉輪的導流部分中的有效入口面積由所述壓縮機葉輪的輪轂和所述壓縮機殼體的護罩表面限定出，并且處于“關閉”位置的間距形成為使得進入所述壓縮機葉輪的導流部分中的有效入口面積在所述輪轂與所述管狀套筒的后緣被限定出。2.如權利要求1所述的徑向-徑向壓縮機，進一步包括:致動系統(tǒng)，其用于使所述管狀套筒在“關閉”位置與“接通”位置之間移動。3.如權利要求2所述的徑向-徑向壓縮機，其中，所述致動系統(tǒng)包括絲杠結構。4.如權利要求3所述的徑向-徑向壓縮機，其中，所述絲杠結構包括位于所述管狀套筒上的外螺紋形的第一螺紋，以及驅(qū)動輪齒，所述驅(qū)動輪齒的螺旋形的螺紋與管狀套筒上的第一螺紋嚙合，所述驅(qū)動輪齒圍繞其軸線的旋轉(zhuǎn)向所述管狀套筒施加螺旋運動，從而調(diào)節(jié)所述間距。5.如權利要求4所述的徑向-徑向壓縮機，其中，所述絲杠結構進一步包括具有內(nèi)螺紋的螺母，并且所述管狀套筒包括與第一螺紋沿軸向間隔開的外螺紋形的第二螺紋，所述螺母的螺紋與所述管狀套筒的第二螺紋嚙合，所述螺母引導所述管狀套筒的螺旋運動，并且保持所述管狀套筒與壓縮機葉輪大致同軸。6.如權利要求2所述的徑向-徑向壓縮機，其中，所述致動系統(tǒng)包括齒條齒輪結構。7.如權利要求6所述的徑向-徑向壓縮機，其中，所述齒條齒輪結構包括:位于所述管狀套筒上的沿軸向延伸的齒條，所述齒條具有沿軸向間隔開的齒；以及驅(qū)動齒輪，所述驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)軸線垂直于軸向方向延伸，所述驅(qū)動齒輪的齒與所述齒條的齒嚙合，所述驅(qū)動齒輪的旋轉(zhuǎn)向所述管狀套筒施加軸向運動。
【文檔編號】F04D17/10GK105889085SQ201610088446
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年2月17日
【發(fā)明人】M.內(nèi)耶德利, V.豪斯特, D.圖雷策克
【申請人】霍尼韋爾國際公司