用于涡轮增压器的可调节TRIM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（排放压力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。

申请人是涉及具有用于调节进入压缩机中的入口流动面积的大小的入口调节机构的涡轮增压器压缩机的若干待决专利申请的所有者，诸如于2017年3月1日提交的美国专利申请序列号15/446,054，其要求于2017年4月19日提交的美国临时专利申请序列号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。所述申请中描述的入口调节机构对于将压缩机喘振线移动到更低的流动速率是有效的。

技术实现要素：

本公开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，将喘振延迟到更低的流动速率），同时优化压缩机性能。本文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和出口导流器部分，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，空气入口在入口导流器部分处具有直径f，压缩机壳体进一步限定扩散器，所述扩散器接收来自出口导流器部分的压缩空气并且将压缩空气扩散并输送到由压缩机壳体限定的蜗壳中，出口导流器部分具有直径d；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调节，入口调节机构包括设置在空气入口周围的多个叶片，叶片共同围绕由叶片界定的孔口，叶片可通过空气入口壁中的槽径向向内地移动，以便调节由孔口围绕的流动面积ar，其中，arc表示当入口调节机构被调节到关闭位置时ar的最小值；

其中，l是入口导流器部分的前缘与孔口的流动面积ar最小的位置之间的轴向距离，

其中，入口调节机构配置为使得0.28*π*(f/2)²<arc<0.95*π*(f/2)²，以及

其中，l≤0.4*d。

根据一个实施例，l≥g，其中，g是压缩机轮的出口导流器部分与压缩机壳体之间的轴向间隙。

在本发明的一个实施例中，每个叶片具有弧形形状。每个叶片可绕着枢转销枢转，并且叶片与围绕孔口的可旋转协调环接合，协调环绕着其轴线在一个方向上的旋转使叶片枢转至入口调节机构的关闭位置，协调环在相反方向上的旋转使叶片枢转至打开位置。

根据一个实施例，在入口调节机构的关闭位置中的孔口为圆形。

根据另一个实施例，在入口调节机构的关闭位置中的孔口为非圆形。例如，在入口调节机构的关闭位置中的孔口可以为椭圆形。

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，在轴向上从涡轮增压器的压缩机端部看向涡轮机端部；

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透视图；

图4是图3的压缩机部分的部分分解视图；

图5是压缩机的入口调节机构的透视图，其中入口调节机构的顶板被移除以示出叶片的细节，示出了入口调节机构的关闭位置；

图6是入口调节机构的侧视图；

图7是沿图6中的线7-7选取的通过入口调节机构的横截面视图，示出了在打开位置中的入口调节机构；

图8是与图7相似的视图，其中入口调节机构在中间位置中；

图9是与图7相似的视图，其中入口调节机构在关闭位置中；

图10是根据本发明的实施例的压缩机的轴向横截面视图，示出了对压缩机的最佳性能有重要意义的入口调节机构的若干关键参数；

图11是根据本发明的另外的实施例的涡轮增压器的端部视图，在轴向上从涡轮增压器的压缩机端部看向涡轮机端部；以及

图12是图10的涡轮增压器的压缩机入口的端部视图，示出了入口调节机构的非圆形孔口。

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解释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”向内或者向外移动时，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移动时，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的出口导流器部分14e大体上径向向外地排放。压缩空气行进通过扩散器19进入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。入口调节机构可操作，以用于调节空气入口进入压缩机轮中的有效直径。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位于叶片的一端处或附近的枢轴销104枢转。在图示的实施例中，入口调节机构包括具有一对环状端板105和107的独立组件或者“匣盒（cartridge）”。枢转销被固定在环状端板105中，并且叶片设置为抵靠端板。叶片102和协调环106的组件被捕获地保持在环状端板105与相对的第二环状端板107之间。枢转销104也可以用于将两个端板彼此轴向间隔开的另外的功能。多个引导件103也固定在端板105中，或者可选地，可以替代地固定在另一个端板107中，或者可以固定到这两个端板。引导件被定位成使得其接合基本上与叶片102共面的协调环106的圆形内周界。（可选地，如果端板直径大得足以支撑协调环的径向向外的引导件，则引导件103可以接合协调环的外周界。）引导件103用于在绕着其中心轴线（该中心轴线与涡轮增压器的旋转轴线一致）旋转时引导协调环，从而使协调环相对于端板105基本上保持同心。引导件103可以包括辊子或者固定的引导销。协调环的内周界限定多个槽108，槽108的数量等于叶片102的数量。每个叶片包括与槽108中的一个接合的端部部分102e，从而，当协调环绕着其轴线旋转时，叶片绕着枢转销104枢转。

如图2和图4中所示，整个组件设置在被限定在压缩机壳体16与入口导管构件16d之间的环状空间中。两个端板105和107具有与圆柱形入口表面17i接近压缩机轮的入口导流器14i的直径相匹配的内直径，从而这两个端板有效地成为限定空气入口17的壁的一部分，并且从而这两个端板之间的轴向空间有效地形成通过空气入口的壁的开口或者槽s（图2）。叶片102设置为穿过该槽。叶片102的径向内边缘包括优选地大体上呈圆弧形的部分，并且这些边缘共同围绕并且界定大体上圆形的开口（虽然圆度会根据叶片的位置而变化，如下面进一步描述的）。

在替代性实施例（未示出）中，代替匣盒形式的入口调节机构，入口调节机构可以包括非匣盒组件，在非匣盒组件中，用于叶片102的销104固定在压缩机壳体16和/或入口导管构件16d中。换句话说，端板105变成了压缩机壳体16的整体部分，并且另一个端板107变成了入口导管构件16d的整体部分。

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7中所示，在打开位置中，叶片完全在入口的内表面17i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。可选地，引导件103也可以用作将叶片的径向向外枢转限制到打开位置的止动件。

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）到中间位置，如图8中所示。在中间位置中，沿着叶片的径向内侧的圆弧形边缘共同形成孔口or，其具有小于入口表面17i的直径的直径。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，叶片可以枢转额外的量到达关闭位置，如图9中所示。当叶片处于关闭位置中时，叶片的圆弧形边缘共同限定开口或者孔口or，该开口或者孔口or仍比图8的中间位置的开口更小。因此，相对于中间位置，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。

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之间枢转。现在参照图4，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中的有效大小或者直径。如图2中所示，当入口调节机构在关闭位置中时，入口进入压缩机轮中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8或图9的中间位置或关闭位置中。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进入压缩机轮中的流动速度。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的图的左侧）。

在中等流动速率和高流动速率的情况下，入口调节机构100可以被打开，如图7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，通过选择入口调节机构100的某些几何特征或者参数，可以优化压缩机的性能。参照图10，描绘了根据本发明的实施例的压缩机。图10是图2的一部分的放大图，并且因此对图2中的压缩机的先前描述同样适用于图10。但是，图10包括了用于解释怎样根据本发明优化压缩机性能的额外附图标记。附图标记f表示在入口导流器14i位置处至压缩机的空气入口的直径，或者换句话说，在入口导流器处的入口表面17i的直径。换句话说，f是入口导流器14i的直径和入口导流器与入口表面17i之间的径向间隙的两倍之和。附图标记arc表示由当入口调节机构100关闭时的入口调节机构100的孔口or界定的流动面积，如图10中所示。附图标记l是压缩机入口导流器14i的前缘与限定入口调节机构的孔口or的轴向位置（即通过入口调节机构的流动面积最小的轴向位置）之间的轴向间距。附图标记d是压缩机轮的出口导流器14e的直径。附图标记g是出口导流器14e与压缩机壳体（即扩散器19的上游壁）之间的轴向间隙。

根据本发明，通过确保入口调节机构在关闭时的孔口流动面积arc大于在压缩机入口导流器入口17i处的空气入口的流动面积的28%，可以优化压缩机的性能。arc的实际最大上限是入口导流器入口流动面积的95%。因此，

0.28*π*(f/2)²<arc<0.95*π*(f/2)²。

更优选地，arc的上限是入口导流器入口流动面积的90%，并且仍更优选地为入口导流器入口流动面积的85%。

此外，根据本发明，孔口最小面积位置（在该位置处，限定ar）与压缩机轮入口导流器的前缘之间的轴向间距l不大于压缩机出口导流器直径d的40%，或者

l≤0.4*d。

轴向间距l优选地不小于出口导流器-压缩机壳体间隙g，或者

l≥g。

因此，g≤l≤0.4*d。

优选地，l可以在出口导流器直径d的5%与35%之间的范围内，更优选地在d的5%与30%之间的范围内，并且仍更优选地在d的5%与25%之间的范围内，甚至更优选地在d的5%与20%之间的范围内，并且最优选地在d的5%与15%之间的范围内。

参照图11和图12，描绘了本发明的另外的实施例，其中，由入口调节机构100限定的孔口or的形状为非圆形，并且具体为椭圆形，这和上面描述的实施例中的圆形孔口形成对比。

申请人已经发现，通过使用入口调节机构（诸如本文中描述的机构类型），可以拓宽或者扩大压缩机操作范围（在高流动速率处的阻塞线与低流动速率处的喘振线之间）。该机构有效地将喘振线移动到更低的流动速率，从而扩大了可用操作范围。另外，对于没有入口调节机构的压缩机，可以通过使用入口调节机构来限制进入压缩机中的孔口，从而改善在将接近喘振的操作条件（通常是低流动速率和中到高压力比）时的压缩机效率。但是，申请人已经发现，如果入口调节机构设计不当，则可能会部分或者完全丢失效率增益。申请人已经发现，本文中描述的参数在设计入口调节机构时是重要的，以便在接近喘振的条件下就范围扩大和效率改善而言提供最大效益。

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。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。