用于径流式压气机的改进的入口系统的制作方法

本申请要求于2016年6月22日提交的、题为用于“improvedinletsystemforaradialcompressorwithawideflowrangerequirement[具有宽流量范围要求的径流式压气机的改进的入口系统]”的美国临时申请序列号62353371的优先权，其披露内容通过援引并入本文。

背景技术：

本发明总体上涉及径流式压气机领域，更具体地涉及一种用于径流式压气机的入口，该径流式压气机具有压气机轮和进气通道，该压气机轮具有限定导风轮和出口导风轮的叶片，该进气通道包含两个或多个同心区域，这些同心区域从与导风轮相邻的点到空气过滤器彼此分离。

相关技术

涡轮增压器压气机的流量范围被限定为在固定压力比下阻塞流量与喘振流量之比，是总是需要改进的一个属性。由于流量矢量随流量变化且几何形状是为特定流量矢量设计的事实，涡轮机械本身是一种窄范围技术。因此，无论何时质量流量都不是设计质量流量，实际流量矢量都不同于几何形状所设计的流量矢量。随着流量的增加，限制因素是压气机导风轮的阻塞。随着流量减少，限制因素是压气机导风轮或扩压器的喘振。

涡轮增压器用于各种各样的发动机，这些发动机中的每个可能具有不同的特点和要求。虽然存在决定涡轮增压器的特点的一组复杂的变量，但最主要的特点是发动机的速度范围。在一种极端情况下，示例是高性能汽油摩托车发动机，其中一些发动机具有16,000rpm的最大转速。在另一极端情况下，示例是以一个固定速度运行以允许发电机提供固定的交流电频率的发电机组。传统的径流式压气机对于发电机组来说效果非常好，但是对于高速汽油发动机来说是不够的。除了恒定速度发动机(诸如发电机组)，大多数其他发动机都需要宽的流量范围，这是径流式压气机最弱的属性。

决定压气机要求的第二主要发动机属性是制动平均有效压力(bmep)。发动机bmep越高，压气机增压要求越高。

压气机设计的最大流量由导风轮的喉部面积决定。随着导风轮流动面积相对于压气机轮的最大直径增加，随着最大效率下降，存在实际限制。因此，为了显著改进固定直径的压气机的流量范围，必须改进喘振线，即，将其移动到较低流量。

涡轮增压器的压气机设计的重点一直是改进流量范围，特别是将喘振线在流量与压力比图上向左移动。人们可以看看历史趋势来验证这一点。20世纪60年代使用基本原理和计算尺计算设计的压气机可以产生80％的效率。如今，使用计算机集群结合自动优化程序(其修改几何参数然后运行计算流体动力学程序和有限元应力分析)也产生大约80％的最大效率。然而，在当今的压气机中，压气机的流量范围得到了显著改进，这表明工程焦点一直在改进压气机的流量范围上。

径流式压气机设计需要注意的一个重要方面是存在两种喘振/失速机构。一个是压气机导风轮，另一个是扩压器。这可以在许多压气机图中看到，因为对于喘振线来说有两个斜率。在低压比下，扩压器失速，然后在高压比下，导风轮失速。

自20世纪80年代以来，一种通常被称为“带端口的护罩”的装置已经用于改进在高bmep发动机上使用的压气机的流量范围，典型地是在相对宽的速度范围内运行的高增压柴油发动机(对于柴油发动机)上，诸如卡车发动机和工业/农业发动机。

如图1中所示的那样，具有带端口的护罩的涡轮增压器压气机采用压气机壳体1和压气机轮2，该压气机轮具有导风轮3和通过扩压器6为蜗壳5供气的出口导风轮4。空气通过入口7和再循环通道被接收，使用带端口的护罩腔8通过槽9接收空气，以增加通过导风轮的质量流量，从而防止失速。通常结合了噪声抑制器或消音器10。由带端口的护罩提供的再循环不是热力学自由的，因为它增加了涡轮机在这个短回路中泵送额外空气所必须要做的功。但是，更糟糕的是这种再循环显著加热了再循环的空气。当这种热空气在压气机的入口处混合回到新鲜空气中时，它降低了压气机的效率(公式1)并且增加了涡轮机所需的功(公式2)。如果入口压力和温度在上游测量得足够远，而不会受到再循环的影响，再循环流量会降低效率。如果入口温度和压力在更靠近压气机的地方测量，在压气机处再循环流量影响入口温度测量，那么效率将被测量为更高，但是涡轮所需的功率仍然通过更高的t1测量值而增加。

在图的不需要带端口的护罩的区域中，在那里还会产生额外的损失并且降低效率。带端口的护罩通常将压气机的峰值效率降低1-3个点。

美国专利8,511,083“portedshroudwithfilteredexternalventilation[过滤外部通风的带端口护罩]”中示出了一种装置，该装置消除了热空气从带端口的护罩再循环到入口。但是，带端口的护罩的其他损失仍然存在。

带端口的护罩仅在较高压力比下有效地将喘振线移动到较低流量。大多数汽油和柴油乘用车发动机上没有使用带端口的护罩，因为在带端口的护罩没有效的较低压力比值下，他们的压气机图宽要求最严格。

带端口的护罩的另一负面特征是，它会引起噪音问题，并且经常需要在设计中结合噪音挡板。如果存在共振情况，这种声音振动也会使压气机叶片失效。

在涡轮增压器技术中存在对一种装置的未满足需求，该装置在高压和低压比下都改进压气机的喘振性能，并且不会降低压气机的效率或引起声音振动或引起与叶片共振。

技术实现要素：

本文中的实施例公开了一种与径流式压气机一起使用的设备，该径流式压气机具有：压气机轮，该压气机轮具有限定导风轮和出口导风轮的叶片；进气通道，该进气通道具有第一区域和第二区域，该第二区域从邻近该导风轮的点到空气过滤器与该第一区域分离，每个区域具有单独的空气过滤器。

附图说明

已经讨论的特征、功能和优势可以在本披露的各种实施例中独立实现，或者还可以组合在另外其他实施例中组合，参考以下说明和附图可以看到其进一步的细节。

图1是具有消音器的典型现有技术带端口护罩的截面图；

图2是基本宽流量范围入口的第一实施例的截面图；

图3是示出了基本宽流量范围入口的实施例并且示出了入口连接的截面图；

图4是示出了具有轴向和径向入口的宽流量范围入口的实施例的截面图；

图5是示出了入口的外部区域中的旋流叶片的透视图；

图6是处于非激活状态的宽流量范围入口的一个实施例的截面图，该入口具有主动设计；图7是处于激活状态的图5的实施例的截面图；

图8是示出了与带端口的护罩组合的宽流量范围入口的实施例的截面图；并且，

图9是热交换冷却系统的示意性表示的截面图。

具体实施方式

本文所示的宽流量范围入口的实施例解决了这些问题。参考附图，图2示出了涡轮增压器压气机100，该涡轮增压器压气机具有压气机壳体101和压气机轮102，该压气机轮具有导风轮103和通过扩压器106为蜗壳105供气的出口导风轮104。空气通过入口107被接收。宽流量范围入口108将入流通道分成第一内部区域109和第二内部区域110，第一内部区域和第二内部区域由入口分隔壁111同心地分离，该入口分隔壁将第二区域与第一区域分离，并且终止于导风轮103的入口平面112处。这消除了与带端口的护罩相关的损失，也消除了热气到压气机中的再循环。虽然被限定为入口平面，但是在替代性实施例中，压气机叶片上的型材可以在导风轮中采用扫掠，从而产生叶片的入流区域，该入流区域沿着入口轴线延伸，并且分隔壁的末端被定位在叶片型材的某个点处，以将区域中的流分离来获得将在后面描述的期望的特点。

宽流量范围入口将进入的空气流分离成多个同心区域，最简单的版本是第一实施例的内部和外部区域109、110。在替代性实施例中，可以采用多个同心区域，每个同心区域由终止于导风轮入口平面附近(或沿叶片型材的点)的同心分隔壁分离。对于所示的具有两个同心区域的实施例，通过导风轮叶片的亚音速流反馈回入口流量流中允许产生两个不同量的旋流，这可以改进压气机的效率。可移动叶片阵列可以包括在一个或所有区域中，以对相关联通道中的流量引起正或负旋流。

对于宽流量范围入口，每个同心区域在进气管道的过滤端与其他同心区域分离，并且每个区域通过单独的空气过滤器接收进气。在邻近导风轮入口的端部处，这些区域由(多个)分隔壁分离，直到非常接近压气机轮的叶片型材。每个同心区域都有流沿着任一方向流动的可能。

如图3中看到的那样，对于两个同心区域的实施例，分隔壁111通过延伸穿过外部同心区域110的至少一个支柱113(多个支柱可以围绕分隔壁周向隔开)连接到压气机壳体120。内部同心区域109仍由将分隔壁111连接到第一空气滤清器115(未按比例示出)的内部管114分离，以提供通入内部同心区域的主要空气通道116。外部软管117在外部同心区域110的外周界处接合压气机壳体120，该外部同心区域连接到第二空气滤清器118(其可以同心地围绕第一空气滤清器，但是与第一空气滤清器115分离)，以提供通入外部同心区域的二次空气通道119。从第一和第二空气滤清器进入内部和外部同心区域的流基本上是轴向的。如箭头121所示，在提供双向腔的外部同心区域110中的流、以及在提供双向空气通道的辅助空气通道119中的流可以沿任一方向流动。由此，由导风轮排出的流可以被向外排出。叶片138可以是可移动的，并且被布置成一个或多个阵列，可以用来在后面描述地引起旋流。

在图4中看到的第一替代性实施例中，主要空气通道116接合到第一空气滤清器115，提供轴向流，而连接到外部同心区域110的辅助空气通道122转动以接收来自第二空气滤清器123的径向入流。

在压气机轮或叶轮的设计中，导风轮处的叶片形状相对于从轮毂到护罩的进流具有变化的角度。这是因为叶片的叶尖速度从轮毂到护罩增加。作为导风轮前面的通道中的亚音速流，导风轮中的流场反馈到通道流场中，并且在通道中产生旋流，通道的外部部分的旋流最高，以及通道的中心的旋流最小。

作为亚声速流，这种旋流容易自调整。如先前描述的，在进气通道中具有分离的同心区域，容易允许进气通道的不同区域与压气机轮导风轮中的相应区域对齐。进一步地，每个区域可以在一部分长度或整个长度上采用叶片139或纹理，从而产生细分通道，如图5中看到的，这些通道构造有正或负旋流角。

图6和图7中所示的第二替代性实施例允许仅使用一个具有一个空气滤清器的入口。该实施例包括可以打开或关闭的阀124。如图6中所示，当阀打开时，如箭头126指示，空气从空气滤清器125流动穿过辅助空气通道122进入外部区域110并且进入压气机导风轮103。于是，这种流动增强了穿过内部区域109进入导风轮的主流量(由箭头127指示)。

如图7中所示，当关闭时，阀124将从导风轮排出的流(由箭头128指示)引导到出口管道129中。

示例性实施例的阀124是被动的，使用壳体内存在的真空和压力，将载于气缸131中的控制活塞130移动到气缸适当开关端口的两个位置中的任一个。该阀也可以被设计成主动控制，其中如果螺线管(未示出)被激励，可以在气缸131中活塞的一侧施加增压压力，或者如果螺线管未被激活，气缸从入流通气到环境压力或低于环境压力。

如图8中所示，宽流量范围入口也可以与带端口的护罩结合。从进气通道的外部区域110到邻近压气机护罩管线132的槽9，以带端口的护罩腔8的形式设置附加通道，该附加通道沿在导风轮与出口导风轮之间的压气机护罩管线基本上位于中间(40-60％)。

如图9中所示，添加第二空气过滤器的另一替代方案是，当被诱导论排出时，冷却外部同心区域中的热空气，然后将其合并回内部同心区域中的主流。发动机冷却水通常太热，不能提供冷却，因此需要低温度冷却源。各种发动机现在具有非常接近环境温度的第二冷却回路134，并且因此将是附接到位于远离导风轮平面的外部同心区域110中的热交换器135的合适的冷却源。分隔壁111经过热交换器终止于靠近空气过滤器125的公共进气增压室135。导风轮排出的流流动通过热交换器136，然后返回到内部同心区域109(如箭头137表示的)。