具有压力均衡式TRIM可调节机构的用于涡轮增压器的离心压缩机的制作方法

本公开涉及离心压缩机，诸如用在涡轮增压器中的离心压缩机，并且更加具体地涉及可以针对不同操作条件调节有效入口面积或者直径的离心压缩机。

背景技术：

排气驱动型涡轮增压器是一种结合内燃发动机使用的装置，其通过将输送至发动机的空气进气部以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气压缩来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一端上的压缩机轮和在涡轮机壳体中安装在轴的另一端上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且在涡轮机壳体与压缩机壳体之间连接有仍另一中心壳体，用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体限定大体上呈环状的腔室，该腔室围绕着涡轮机轮并且接收来自发动机的排气。涡轮机组件包括从腔室通往涡轮机轮中的喷嘴。排气通过喷嘴从腔室流至涡轮机轮并且涡轮机轮由排气驱动。因此，涡轮机从排气提取功率并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且该空气由压缩机轮压缩并且然后从壳体排放到发动机空气进气部。

涡轮增压器通常采用离心（也称为“径向”）类型的压缩机轮，因为离心压缩机可以以紧凑的布置实现相对较高的压力比。用于压缩机的进气空气在大体上轴向方向上在离心压缩机轮的入口导流器（inducer）部分处被接收并且在大体上径向方向上在轮的出口导流器（exducer）部分处被排放。来自轮的压缩空气被输送至蜗壳，并且空气从该蜗壳被供应至内燃发动机的进气部。

压缩机的操作范围是涡轮增压器的总体性能的一个重要方面。该操作范围通常由压缩机的操作图上的喘振线和阻塞线界定。压缩机图通常表示为垂直轴线上的压力比（排出压力pout除以入口压力pin）相对于水平轴线上的校正后的质量流动速率。压缩机图上的阻塞线位于高流动速率处并且表示在一定范围的压力比之上的最大质量流动速率点的轨迹；即，对于阻塞线上的给定点，因为在压缩机中发生阻塞流条件，所以不可能在维持相同压力比的同时增加流动速率。

喘振线位于低流动速率处并且表示在一定范围的压力比之上的未发生喘振的最小质量流动速率点的轨迹；即，对于喘振线上的给定点，减小流动速率但不改变压力比或者增加压力比但不改变流动速率都会导致发生喘振。喘振是当压缩机叶片入射角度变到大得在压缩机叶片上产生大量流动分离时通常发生的流动不稳定性。在喘振期间，压力波动和逆流可以发生。

在内燃发动机的涡轮增压器中，压缩机喘振可能会发生在当发动机在高载荷或者转矩和低发动机速度下操作时或者当发动机在低速度下操作并且存在高水平的排气再循环（egr）时。喘振还可以出现在当发动机从高速度状态突然减速时。将压缩机的无喘振操作范围扩大到更低的流动速率是压缩机设计时常常追求的目标。

申请人于2017年3月1日提交的共同待决美国专利申请号15/446,054描述了用于离心压缩机的机构和方法，其可以使压缩机的喘振线被选择性地移动到左侧（即，在给定压力比下，将喘振延迟到更低流动速率），该申请要求于2016年4月20日提交的临时申请号62/324,488的提交日期的权益，所述申请的全部公开内容以引用的方式在此被并入本文。所述申请中描述的一个实施例包括具有以下特征的涡轮增压器：

涡轮机壳体、以及安装在涡轮机壳体中并且连接至可旋转的轴以便与其一起旋转的涡轮机轮，涡轮机壳体接收排气并且将排气供应至涡轮机轮；

离心压缩机组件，该离心压缩机组件包括压缩机壳体、以及安装在压缩机壳体中并且连接至可旋转的轴以便与其一起旋转的压缩机轮，压缩机轮具有叶片并且限定入口导流器部分，压缩机壳体具有限定将空气大体上轴向地引导到压缩机轮中的空气入口的空气入口壁，压缩机壳体进一步限定用于接收从压缩机轮大体上径向向外排放的压缩空气的蜗壳；以及

压缩机入口调节机构，该压缩机入口调节机构设置在压缩机壳体的空气入口中并且可在打开位置与关闭位置之间径向向内和径向向外地枢转，入口调节机构包括设置在空气入口周围并且各自可绕着叶片的一端枢转的多个叶片，当叶片处于关闭位置时，叶片通过空气入口壁中的槽径向向内地枢转，以便形成相对于入口的名义直径减小的直径的孔口。

申请人也是涉及采用移动叶片的其它入口调节机构的额外的申请的所有者，包括于2017年3月1日提交的美国申请号15/446,090，所述申请的全部公开内容以引用的方式在此被并入本文。

本公开涉及大体上是在前述‘054、‘488和‘090申请中描述的类型的入口调节机构，并且具体地涉及对这样的机构的修改或者重新设计，其目的在于改善所述机构的某些方面。

技术实现要素：

追求改善的前述入口调节机构的一个这样的方面涉及使致动机构在某些操作条件下无法致动叶片。已经发现，在接近压缩机喘振线的操作条件处，在这种条件下，入口调节机构通常关闭以减小由该机构限定的孔口的大小，致动机构有时不能打开叶片，或者叶片打开得比期望的更慢。例如，这可以发生在要求发动机从接近喘振的低速度条件开始突然加速时。

申请人已经将这种打开故障或者迟缓的原因归结为在轴向方向上在叶片上的高空气动力学载荷。具体地，与上游侧上的压力相比，叶片下游侧上的静态压力相对较高。因此，在上游轴向方向上叶片上的净空气动力学载荷相对较高。申请人已经发现，该较高的空气动力学载荷是打开入口调节机构的困难来源，因为载荷在叶片上产生了高于叶片的致动机构所能克服的摩擦力。因此，申请人已经试图缓解或者消除该问题。

根据本文公开的一个实施例，描述了一种具有以下特征的涡轮增压器：

涡轮机壳体、以及安装在涡轮机壳体中并且连接至可旋转的轴以便与其一起旋转的涡轮机轮，涡轮机壳体接收排气并且将排气供应至涡轮机轮；

离心压缩机组件，该离心压缩机组件包括压缩机壳体、以及安装在压缩机壳体中并且连接至可旋转的轴以便与其一起旋转的压缩机轮，压缩机轮具有叶片并且限定入口导流器部分，压缩机壳体具有限定将空气大体上轴向地引导到压缩机轮中的空气入口的空气入口壁，压缩机壳体进一步限定用于接收从压缩机轮大体上径向向外排放的压缩空气的蜗壳，空气入口壁限定围绕所述空气入口的环状空间并且在所述环状空间的径向内端处通向所述空气入口；以及

压缩机入口调节机构，该压缩机入口调节机构设置在空气入口壁的环状空间中并且可在打开位置与关闭位置之间移动，入口调节机构包括在环状空间内设置在上游壁表面与下游壁表面之间的多个叶片，叶片共同围绕孔口，每个叶片的上游表面与上游壁表面相对并且每个叶片的下游表面与下游壁表面相对，每个叶片可绕着固定在压缩机壳体中的枢转点枢转，当叶片处于关闭位置时，叶片从环状空间径向向内地枢转到空气入口中，以便使孔口具有相对于入口的名义直径减小的直径；

其中，上游壁表面和每个叶片的上游表面中的至少一个包括将每个叶片的上游表面的大部分与上游壁表面间隔开的间隔特征，从而在叶片的上游和下游表面之间实现压力连通。

由于叶片的被设计到入口调节机构中的轴向间隙，叶片上的净空气动力学载荷作用在上游轴向方向上，以自动地将叶片的下游表面与下游壁表面间隔开。叶片上游侧处的间隔特征确保在叶片与上游壁表面之间也存在空气空间，从而在叶片的上游和下游表面之间实现压力连通。因此，更差不多地均衡那些表面上的压力。因而，相对于缺少间隔特征的类似设计，在轴向方向上的叶片上的净空气动力学载荷被大幅减小。间隔特征还大幅减小了叶片与上游壁表面接触的总表面面积。空气动力学载荷的减小和接触表面面积的减小一起导致阻碍叶片枢转的摩擦力大体上更低。

在一个实施例中，间隔特征由叶片限定，并且可以包括凸起的凸部或者肋或者脊部，其构成叶片的总表面面积的一小部分。在另一实施例中，上游间隔特征被限定在上游壁表面中。变型在所描述且要求保护的本发明的范围内。

在一个实施例中，每个叶片包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片被配置为使得所述径向内边缘在入口调节机构的所选位置中共同地将孔口形成为基本上圆形。

在本发明的一些实施例中，叶片的径向内边缘将孔口形成为基本上圆形的所选位置可以是关闭位置。

在一个实施例中，入口调节机构包括一对（即，上游和下游）轴向间隔开的环状端板并且叶片设置在所述端板之间，从而使入口调节机构形成可安装在压缩机中的“匣盒（cartridge）”。上游端板限定上游壁表面，并且下游端板限定下游壁表面。入口调节机构或者匣盒设置在由空气入口壁限定的环状空间中。环状空间可以被限定在压缩机壳体的主要部分与单独的入口导管构件之间，该入口导管构件形成通往压缩机的空气入口的大部分。导管构件被接收在接收部中，该接收部被限定在压缩机壳体的主要部分中。

端板可以被穿过叶片中的孔的多个销间隔开，并且叶片可以绕着所述销枢转。

可替代地，销可以被固定在压缩机壳体中，从而不需要单独的端板（即，入口调节机构不是独立的匣盒）。例如，可以通过压缩机壳体的一体式部分来发挥一个端板的功能，并且可以通过入口导管构件的一体式部分来发挥另一个端板的功能。

根据一个实施例，入口调节机构还包括围绕叶片的协调环，该协调环可绕着涡轮增压器的旋转轴线旋转，其中，每个叶片与协调环接合，从而使协调环的旋转导致叶片绕着所述销枢转。每个叶片包括端部部分，该端部部分与限定在协调环的内周界中的槽接合。

入口调节机构还可以包括用于引导协调环旋转的多个引导件。引导件可以固定至端板中的至少一个（或者在入口调节机构的非匣盒形式的情况下，固定至压缩机壳体和/或入口导管构件）。

附图说明

因此，在已经概括地描述了本发明之后，现在将参照附图，这些附图不必按照比例绘制而成，并且其中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的端部视图，轴向地从压缩机端部看向涡轮增压器的涡轮机端部；

图2是涡轮增压器沿图1中的线2-2选取的横截面视图；

图3是图1的涡轮增压器的压缩机部分的部分分解视图；

图4是图3的压缩机部分的等距视图，其中压缩机盖（入口导管构件）被分解开从而使入口调节机构可见；

图5是入口调节机构并因此是致动器的部分组件的等距视图，其中入口调节机构处于打开位置；

图6是与图5相似的视图，其中入口调节机构处于关闭位置；

图7是入口调节机构的叶片的等距视图，示出了具有间隔特征的叶片的上游表面；

图8是叶片的等距视图，示出了叶片的下游表面；以及

图9是通过图1的涡轮增压器的压缩机壳体组件和入口调节机构的横截面视图。

具体实施方式

现在将参照附图在下文更充分地描述本发明，其中示出了本发明的一些但非所有实施例。事实上，这些发明可以实施成许多不同的形式并且不应该被理解为局限于本文阐述的实施例；而是，这些实施例被提供，使得本公开将满足适用的法律要求。贯穿其中，相似的附图标记表示相似的元件。

在本公开中，术语“孔口”是指“开口”而不管开口的形状如何。因此，“孔口”可以是圆形的或者非圆形的。另外，当将入口调节机构的叶片描述为“径向”向内或者向外枢转时，术语“径向”不排除叶片的一些非径向的移动分量（例如，叶片可能会占据相对于压缩机的旋转轴线稍微成角度的平面，从而，当叶片径向向内和向外枢转时，它们也以小的轴向运动分量移动）。

图1中以轴向端部视图示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，并且图2中示出了涡轮增压器的轴向横截面视图。涡轮增压器包括压缩机和涡轮机。压缩机包括在压缩机壳体16中被安装在可旋转的轴18的一端上的压缩机轮或者叶轮14。压缩机壳体包括限定用于将空气大体上轴向地引导到压缩机轮14中的空气入口17的壁。轴被支撑在轴承中，轴承安装在涡轮增压器的中心壳体20中。通过安装在轴的与压缩机轮间隔开的另一端上的涡轮机轮22来使轴旋转，从而可旋转地驱动压缩机轮，压缩机轮对通过压缩机入口吸入的空气进行压缩并且将压缩空气从压缩机轮大体上径向向外地排放到用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21被引导到内燃发动机（未示出）的进气部，用于提升发动机的性能。

涡轮机轮22设置在涡轮机壳体24内，该涡轮机壳体24限定用于接收来自内燃发动机（未示出）的排气的环状腔室26。涡轮机壳体还限定用于将来自腔室26的排气大体上径向向内地引导到涡轮机轮22的喷嘴28。排气在其通过涡轮机轮的时候膨胀，并且可旋转地驱动涡轮机轮，涡轮机轮继而可旋转地驱动压缩机轮14，如已经提到的。

参照图1至图4，在图示的实施例中，限定空气入口17的壁部分地由压缩机壳体16形成并且部分地由单独的盖或者入口导管构件16d形成，该入口导管构件16d被接收到由压缩机壳体限定的圆柱形接收部中。空气入口17接近压缩机轮14的部分限定大体上呈圆柱形的内表面17i，该内表面17i具有大体上与压缩机轮的入口导流器部分14i的直径相匹配的直径。

压缩机壳体16限定包覆表面16s，该包覆表面16s与压缩机叶片的径向外部尖端紧密相邻。包覆表面限定与压缩机轮的轮廓大体上平行的弯曲轮廓。

根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括设置在压缩机壳体的空气入口17中的入口调节机构100。入口调节机构包括环形组件并且设置在被限定在压缩机壳体16与单独的入口导管构件16d之间的环状空间中。环状空间被限制在上游壁表面105与下游壁表面107之间。入口调节机构可操作，以用于调节空气入口进入压缩机轮的有效直径。如此，入口调节机构可在打开位置与关闭位置之间移动，并且可以配置为被调节到介于所述位置之间的各个点。

现在参照图3、图5和图6，入口调节机构包括多个叶片102，所述多个叶片102设置在空气入口的中心轴线周围并且各自可绕着在叶片的一端处或附近定位的枢轴销枢转。在图示的实施例中，用于叶片的枢轴销固定在压缩机壳体的下游壁表面107中。叶片设置在上游壁表面105与下游壁表面107之间，在那些壁表面之间具有用于叶片的小量的轴向间隙或者游隙，从而使叶片可以自由地枢转，而不会受到束缚。

入口调节机构还包括用于将枢转移动施加至叶片的协调环106。协调环围绕叶片102的组件并且基本上与叶片共面，并且可绕着与压缩机轮的旋转轴线一致的轴线旋转。协调环包括位于其径向内周界中的多个凹部108，并且每个叶片包括被接合在凹部108中的一个相应凹部中的端部部分102e。因此，协调环在一个方向上旋转会使叶片102径向向内枢转，并且协调环在另一方向上旋转会使叶片径向向外枢转。叶片102和协调环106的组件被捕获地保持在上游壁表面105与下游壁表面107之间。

多个引导件103也固定在下游壁表面105中，或者可选地，可以替代地固定在上游壁表面107中，或者可以固定到这两个壁表面。引导件被定位成使得与协调环106的圆形内周界接合。引导件103用于在绕着其中心轴线旋转时引导协调环，从而使协调环基本上保持成相对于压缩机轮同心。引导件103可以包括辊子或者固定的引导销。

有利的是包括某种机械止动件，用于在入口调节机构的完全打开位置中限制叶片102的径向向外枢转。在本发明的实践中可以采用多种方式来设置止动件。作为一个示例，在图5中所示，协调环106的径向内周界充当止动件。可替代地，压缩机壳体16的内直径处的加工特征可用作止动件。仍另外的替代方案是配置引导件103来双重用途地用作协调环引导件和叶片的机械止动件。在本发明的范围内，也可以设想其它变型。

叶片102的径向内边缘包括优选地是大体上为圆弧形的部分，并且这些边缘共同围绕并且界定出大体上为圆形的开口或者孔口（虽然圆度会取决于叶片的位置而变化，如下面将进一步描述的）。

叶片的枢转移动范围是充足的，使得叶片可以被径向向外地枢转（通过协调环在一个方向上的旋转，图5中是顺时针旋转）到打开位置，如图5中所示，在打开位置中，叶片完全在入口的内表面17i（图2）的径向外部。如此，在叶片的打开位置中，入口调节机构不更改由入口表面17i限定的名义入口直径。如指出的，在该具体实施例中，叶片抵靠由协调环的径向内周界形成的止动件枢转出来。

叶片也可以被径向向内地枢转（通过协调环在相反方向上的旋转，图5中是逆时针旋转）到关闭位置，如图6中所示。在关闭位置中，沿着叶片的径向内侧的圆弧形边缘共同形成孔口。在图示的实施例中，在关闭位置中，孔口基本上是圆，具有小于入口表面17i的直径的直径。（“基本上是圆”在本公开中是指圆弧形边缘都位于相同的圆上并且共同占据该圆的圆周的至少80%。）这样做的结果是，相对于名义入口直径，减小了入口的有效直径。而且，在未图示的实施例中，叶片可以枢转额外的量到达超关闭位置（super-closedposition），在该超关闭位置中，相邻叶片之间存在一定程度的重叠，这通过将相邻叶片的相应重叠边缘部分形成为互补或者凸-凹形状来实现。当叶片处于超关闭位置中时，叶片的圆弧形边缘共同限定开口或者孔口，该开口或者孔口不是完美的圆形，但即便比图6的关闭位置的开口更小，也仍然是有效的。因此，相对于关闭位置，入口调节机构使入口的有效直径得到进一步地减小。按照这种方式，入口调节机构能够调整空气入口接近压缩机轮的有效直径。

然而，应该指出，由入口调节机构限定的孔口在关闭位置中是圆形并非是必要的。可替代地，孔口可以是非圆形的。本发明不限于孔口的任何具体形状。

如前面所描述的，叶片102被致动以由可绕着空气入口的中心轴线旋转的协调环106在其打开位置和关闭位置（以及，可选地，超关闭位置）之间枢转。现在参照图4至图6，通过致动器116向协调环施加旋转运动，该致动器116被接收到限定在压缩机壳体中的接收部116a中。致动器包括致动杆117，该致动杆117延伸通过限定在压缩机壳体中的空间并且在其远端处被附连到与协调环106的外周界中的槽109（图3）接合的销118。致动器可操作成沿着其长度方向使杆117线性地延伸和收缩，以便使协调环106旋转并且由此致动叶片102。使杆延伸会使叶片朝着关闭位置枢转，并且使杆收缩会使叶片朝着打开位置枢转。

如指出的，入口调节机构100使得能够调节入口进入压缩机轮14的有效大小或者直径。如图2中所示，当入口调节机构处于关闭位置时，入口进入压缩机轮的有效直径取决于由叶片102限定的内侧直径。为了实现这种效果，在叶片与压缩机轮之间的轴向间隔距离必须尽实际可能地小，从而使得在叶片下游存在的距离不足以使得在空气遇到其时所述流膨胀到压缩机轮14的入口导流器部分的整个直径。因此，入口直径被有效地减小到取决于叶片的值。

在低流动速率（例如，低发动机速度）下，入口调节机构100可以被置于图2和图6中的关闭位置中。这样做可以产生的效果是减小了有效入口直径并且因此增加了至压缩机轮的流动速度。所产生的结果将是减小了压缩机叶片入射角度，从而有效地稳定了所述流（即，使叶片失速和压缩机喘振不太可能发生）。换言之，压缩机的喘振线将会被移动到较低流动速率（移动到压缩机压力比相对于流动速率图的左侧）。

在中等流动速率和高流动速率的情况下，入口调节机构100可以被部分打开或者完全打开，如图5中所示。这样做可以产生的效果是增加有效入口直径从而使压缩机重新获得其高流动性能和基本上好像不存在入口调节机构并且好像压缩机具有与在轮的入口导流器部分处的轮直径匹配的常规入口一样的阻塞流（chokeflow）。

根据本发明，通过设置将每个叶片的上游表面102u的大部分与相邻上游壁表面105间隔开的间隔特征，明显减小了阻碍叶片102的枢转移动的摩擦力。参照图5至图9，在一个实施例中，间隔特征r包括与上游壁表面105接触的凸起区域（例如，但非限制性的，肋、脊部、凹痕等）。间隔特征r共同构成每个叶片的总上游表面102u的一小部分，从而使每个叶片的上游表面面积的大部分与上游壁表面105间隔开。（短语“每个叶片的上游表面面积”是指叶片的本可与上游壁表面105摩擦接触但是由于设置了间隔特征而不能与上游壁表面105摩擦接触的表面面积。）可替代地，间隔特征可以限定在上游壁表面105中或者由上游壁表面105限定。

参照图9，如之前所描述的，由于叶片的被设计到入口调节机构中的轴向间隙，叶片102上的净空气动力学载荷作用在上游轴向方向上（图9中的左侧）以自动地将叶片的下游表面102d与下游壁表面107间隔开。叶片上游侧处的间隔特征r确保在叶片与上游壁表面105之间也存在空气空间，从而在叶片的上游和下游表面之间实现压力连通。因此，更差不多地均衡那些表面上的压力。因而，相对于缺少间隔特征的类似设计，在轴向方向上的叶片上的净空气动力学载荷被大幅减小。间隔特征r还大幅减小了叶片102与上游壁表面105接触的总表面面积。空气动力学载荷的减小和接触表面面积的减小一起导致阻碍叶片枢转的摩擦力大体上更低。因此，本发明大幅缓解或者消除了当在接近喘振的操作条件（低发动机速度和高压缩比）期间从入口调节机构的关闭位置开始的叶片不能向外移动或者移动得太慢的任何趋势。

这些发明所属领域的、获益于前述描述和相关附图中提出的教导的技术人员将会想到本文阐述的本发明的许多修改和其它实施例。例如，虽然图示的实施例采用了三个叶片102，但本发明不限于任何具体数量的叶片。可以用少到两个叶片或者多到12个或者更多的叶片来实践本发明。叶片的数量越多，叶片所围绕的开口越可以接近圆形（虽然，通常来说，开口可以在叶片的仅一个位置中是圆形的）。因此，可以如期望地选择叶片的数量，同时要考虑到具有更多数量的叶片时复杂度会更大，这可能会抵消增加的圆度所带来的优势。另外，在图示的实施例中，叶片被配置为使得由叶片围绕的开口在叶片处于关闭位置时大约为圆形。然而，可替代地，叶片可以被配置为使得在关闭位置时开口为非圆形。而且，虽然已经图示并描述了具有圆弧形边缘的叶片，但是叶片不是必须具有圆弧形边缘。具有不同形状（线性的、椭圆的等）的边缘的叶片也包括在本发明的范围内。因此，要理解，本发明不限于所公开的具体实施例并且修改和其它实施例都旨在被包括在随附权利要求的范围内。虽然本文采用了具体的术语，但是这些术语的使用仅是出于通用和描述性的意义，并且不具有限制的目的。