扩散器的制作方法

专利名称：扩散器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于增压式内燃机的废气涡轮增压器的压缩机的 领域。其涉及位于离心式压缩机的压缩机叶轮出口处的扩散器所用 的导向装置以及带有这种导向装置的压缩机。
背景技术：
在现代的废气涡轮增压器中，为提高内燃机的进气压力，通常会 使用单级离心式压缩机，其带有位于压缩^L出口处的叶片式扩散器。 扩散器具有带叶片的导向装置，叶片具有棱形的、通常地以符合空气
动力学的方式而成形的轮廓。压缩机叶轮的排流(Abstroemung)基本上 通过所谓的射流-尾迹-流(Jet-Wake-Stroemung)来表现其特征，在其中， 径向低冲量流聚集在入口壳体一侧(轮盖侧)上，而健康的(gesunde)流 体贴靠在轮毂侧。因此，流体的径向速度分量沿扩散器通道的高度方 向下降。
在设计压缩机级时必须不断地在空气动力学性能、机械负荷饱满 以及由压缩机引起的噪声形成之间寻求妥协。带有高的单位通流能力 的压缩机级具有长的工作叶片(Laufschaufeln),其振动特性形式出现在 相对较低的频率下，且其易于被激励并被置于振动中。这种激励的一 个主要根源是由扩散器的导向装置的导向叶片(Leitschaufeln)所产生 的不均匀的压力势场。根据经验，具有高的单位通流能力的压缩机级 在压缩机出口处也产生高的噪声级，其主要地由在时间上的流体波动 在扩散器的导向装置的导向叶片上的冲击而引起。
以改善分级为目的的持续的试验的要点之一在于，这样地来设计 离心式压缩机，即，将喘振界限(Pumpgrenze)推移至尽可能小的流量处，而又不会遭受效率损失。如果特性曲线族较窄，那么，为了与不 同的应用相适应就必须备有很多的、带有不同叶片高度和/或扩散器的 规格，这导致高的库存成本。
为了减小叶片振动，可将压缩机叶轮的工作叶片加厚，或者加大 扩散器的导向装置至压缩机叶轮出口的距离，以降低该激励。加大扩 散器的导向装置的距离同时还导致噪声的降低。但是，两种措施都导 致效率降低，因此可能会达不到所期望的热力学性能。
为了与上面所描述的流层相对应，可以在扩散器的导向装置中使 用经向地倾斜的导向叶片。由此，可实现以下几点，即，降低在导向
叶片前纟彖(Leitschaufeleintrittskante)处的4普误入流(Fehlanstroemung)并 由此获得更好的效率。经向地倾斜的叶片附加地起到这样的作用，即， 减少工作叶片的振动激励并减少由工作轮/导向轮相互作用而引起的 出口噪声形成。在扩散器的导向装置中使用经向地倾斜的导向叶片 时，在高的通流能力下，有可能会无法满足严格的声学要求。此外， 带有经向倾斜的导向叶片的扩散器的加工明显地比棱形的叶片的加 工更高成本。不能在一个铣削过程中铣削叶片，取而代之的是，必须 通过多个工序而在高度上削制出该轮廓。
由US 5，178，516已知一种位于离心式压缩才几的压缩^L叶^r出口处 的导向装置，其中，为了改善流动技术特性，使导向叶片的前缘在入 口侧(eintrittsseitig)比在轮毂侧(nabenseitig)更接近压縮才几叶轮出口 。通 过导向叶片的入口侧的延长应实现以下目的，即，直接地沿径向位于 压缩机叶轮出口之外处局部地不发生回流。其中，清楚地规定，在入 口侧，叶片前缘的最大距离应小于压缩机工作叶片的外半径的百分之 十。在轮毂侧，回缩的前缘相应地与压缩才几叶轮出口相隔开这样的距 离，该距离大于压缩机工作叶片的外半径的百分之十。延长的叶片尖 端的高度以扩散器通道高度的百分之十至百分之六十来给定。
由US 5,529,457已知一种类似的布置，为了实现更筒单的生产， 导向叶片的不同的前缘可通过一个分级来实现。利用在这两个文件中所建议的导向叶片的延长，人们力求扩大压 缩机的运行范围。在这些实施例中用于降低噪声的措施无关重要。但 是，由于导向叶片的前缘距离压缩机叶轮出口的间距的减小，压缩机 出口处的噪声以及叶片振动的激励可能随着所建议的导向叶片的前 缘的分级而显著地增加。

发明内容
本发明的目的是，提供用于带有较高通流能力的压缩机的降低噪 声的措施。
根据本发明，通过用于位于离心式压缩机的压缩机叶轮出口处 的扩散器的导向装置来实现该目的，在该导向装置中，导向叶片具 有经向地分级的前缘，其中，通过轮毂侧的前缘的回缩来实现该分
级。这种经向的分级将导向叶片分成两个子叶片(Teilschaufeln),其 中的第一子叶片被设计成长于第二子叶片。
轮穀侧的子叶片的前缘的回缩以及伴随而来的声场的重叠(这 些声场在扩散器的导向叶片的前部前缘和后部前缘处产生)使得带 有经向地倾斜的导向叶片的扩散器的、本身已较优的声学特性得到 额外的改善。
与经向地倾斜的扩散器相比，利用分级的扩散器可在相同的效 率和更低的出口噪声下获得更大的可用特性曲线族宽度。
通过带有经向地分级的导向叶片的扩散器，热力学性能同样得 到改善。沿径向低冲量的流体在入口侧由轮廓的较长的部分以如下 方式来导引，即，使得流体具有所期望的方向，而与此同时，在轮 毂侧为健康流(径向沖量较高)而采用相当短的扩散器，该扩散器带 有较大的、极窄的横截面。从具有短的导向叶片而没有经向倾斜或 分级的扩散器中可知，它们改善了压缩机级的稳定性并且实现了良 好的效率，因为被流体所浸润的面积较小并由此产生较小的摩擦损 失。经改善的流体稳定性导致了更宽的特性曲线族。由此可利用一种规格而覆盖发动机运行特性曲线的更大的带宽(其在通流特性上 互不相同)。由此，所需规格的数目有所减少，并因此而降低了库 存成本。
此外，与经向地倾斜的导向叶片相比，设计成分级状的、带有 不同长度子叶片的导向叶片在制造方面具有优点。在此，以有利的 方式，首先将该导向叶片轮廓如同棱形轮廓 一 般地制造出来，接着， 在恒定的高度上从该轮毂侧部分中再加工出较小的、同样为棱形的 轮廓。由此，与经向地倾斜的扩散器相比，生产费用明显降低。
其它优点由从属权利要求给出。


下面借助于附图来描述根据本发明的导向装置的实施例。附图
中
图1示出了位于离心式压缩机的工作轮的出口处的扩散器的截面 图，该扩散器带有根据本发明的导向装置的第一实施例，其带有缩短 的子导向叶片(Teilleitschaufel)，
图2示出了位于离心式压缩机的出口处的扩散器的截面图，该扩 散器带有根据本发明的导向装置的第二实施例，
图3示出了用于不同的子导向叶片高度的、依赖于各个子导向叶 片的前缘离压缩机叶轮工作叶片后缘(Austrittskante)的距离之比的噪 声变化的曲线图，
图4示出了根据图3的曲线图的不同的曲线走向的三维视图。
实施本发明的途径
在压缩机壳体(其在图1中仅局部地被示出)中以围绕轴线A可 旋转的方式布置有压缩机叶轮。压缩机壳体示意性地包括入口侧的 壳体部分41和轮毂侧的壳体部分42。压缩才几叶4仑承座在轴上，在 废气涡轮增压器中该轴通过未示出的涡轮而被驱动。压缩机叶轮包
7括轮毂32以及布置在轮毂上的多个工作叶片31。它们从压缩才几叶
轮的流入侧端部延伸直到位于压缩机叶轮径向外边缘处的流出侧 端部。流动方向通过粗箭头表示。
在流动方向上从压缩机叶轮的流出侧端部继续往下游处布置 有扩散器。该扩散器包括扩散器壁体和导向装置，该导向装置带有 沿周边分布地布置的多个导向叶片。扩散器壁体限定了位于压缩机
叶4仑下游处的流动通道。
根据本发明，导向装置的导向叶片包括多个子叶片。在第一实
施例中其为两个子叶片10和20。第一子叶片IO贴靠在入口侧的 壳体壁上并延伸到扩散器通道的内部。第一子叶片的前缘11位于 半径n上，其有利地约为压缩机叶轮的工作叶片31的流出棱边 (Abstroemkanten)33的外半径r的110 %至125 % 。太小的距离可导 致振动问题，而太大的距离影响效率。
第二子叶片的前缘21相对于第一子叶片的前缘经向地回缩。 导致本发明的思考和以其为基础的噪声计算表明，可根据子叶片的 高度的比例来对与第一子叶片10的叶片轮廓长度h相关的第二子 叶片20的叶片轮廓长度12、或者说对各个子叶片前缘与工作叶片 流出棱边外半径之间的距离之比(n-r)/(r2-r)进行优化。图3中的 曲线图示出了与分级的导向叶片的不同配置相对应的噪声变化。在 此,每个曲线分别示出在给定的第一子叶片高度与所有子叶片高度 总和之比h"h下，与各子叶片前缘离工作叶片流出棱边外半径的距 离之比(r! - r)/(r2 - r)相关的噪声变化。
计算表明，在第一子叶片的高度ln约为所有子叶片的高度的 总和h的30%至70%时、在这样的范围中，噪声可^f皮降低，该范 围指的是，第 一子叶片前缘离工作叶片的流出棱边的外半径的距离 (ri - r)约为第二子叶片前缘离工作叶片的流出棱边的外半径的距离 (i"2-r)的50%至85%。
计算出的噪声变化的绝对最小值在第一子叶片高度h,约为所有子叶片的高度的总和h的38 %至42 % (对于计算所采用的值为40 %)时位于第一子叶片前缘至工作叶片的流出棱边的外半径的距离 (r, - r)约为第二子叶片前缘至工作叶片的流出棱边的外半径的距离 (r2 - r)的55 %至60 %的范围中。在此要注意，在不同的压缩机几何 结构下，例如在不同的叶片数目或不同的单位通流能力下，这些值 可能会有一定的偏差。因此，根据压缩机的具体几何结构，优化的 范围可能位于上述值附近。
计算的值可以试验的方式进行校验。
在图4中在立体图中再一次地示出了图3的曲线图的曲线簇。 带有不变的噪声值的曲线被投影到底面上。在此，再次地显示出， 优化值位于上面所述的范围中。
图2示出了根据本发明的导向装置的第二实施例。在第一子叶 片IO与缩短的第二子叶片20之间设置有第三子叶片25。该第三 子叶片具有这样的叶片轮廓长度，该叶片轮廓长度介于第 一 子叶片 的叶片轮廓长度和第二子叶片的叶片轮廓长度之间。根据本发明可 通过更多的子叶片来实现更多的分级。通过附加的子叶片，导向叶 片获得更细的经向分级，由此可使导向装置总体上更好地与沿扩散 器通道的高度方向的流体结构相匹配。
在本发明的一种实施例中第一子叶片及第二子叶片以及可能 存在的其它子叶片具有共同的后缘。其横向地在扩散器通道的整个 高度上延伸。
导向装置的工作叶片具有符合空气动力学的、直的或曲线状的 叶片轮廓。
在本发明的 一种实施例中，较短的子叶片的叶片轮廓分别完全 地在距离最近的较长的子叶片的叶片轮廓之内延伸。
在本发明的 一种实施例中，各较短的子叶片的叶片轮廓与相应 的较长的子叶片的、以小于1的缩小系数按比例缩放过的叶片轮廓 相对应。在该分开的导向叶片的生产中，在第一工序中导向叶片以扩散 器通道的高度被制造出。这些导向叶片已经具有了入口侧的第一子 叶片的叶片轮廓。接着，从该原始导向叶片的叶片轮廓中铣削出较 短的子叶片。在反复的过程中可以这样地生产出若干子叶片一 一 分 别从距离最近的较长的子叶片的叶片轮廓中生产出较短的子叶片。 这样，根据本发明叶片前缘被设计成分级状，这使得加工变容易了 。
导向装置的两个子叶片的经向地分级地布置的前缘导致了由 流体在压缩机叶轮的出口处所产生的压力脉动有所减弱。这种压力 脉动的减弱又对压缩机叶轮工作叶片振动的激励产生积极影响，其 尤其在减少工作叶片厚度方面起到积极作用，因为，其可明显地降 低工作叶片的负荷。另一方面，这种压力脉动的减弱和以及与此相 关的较弱的激励允许在保持不变的扩散器和压缩机尺寸下实现更 高的容积流量。由于扩散器导向叶片的径向地分级的前缘的缘故， 该更高的容积流量并不会导致所不允许的、压缩机叶轮工作叶片的 激励的提高。参考标号列表
10 第一子叶片(入口侧)
11 第一子叶片的前缘
20 第二子叶片(轮毂侧)
21 第二子叶片的前缘
25 第三子叶片
31 压缩机叶轮的工作叶片
32 压缩机叶轮的轮毂
33 压缩机叶轮的工作叶片的流出棱边
41 入口侧的壳体
42 轮毂侧的壳体
h 第一子叶片的叶片轮廓长度
12 第二子叶片的叶片轮廓长度 第一子叶片的叶片高度
h 第一子叶片和第二子叶片的总高度
r 压缩机叶轮的在工作叶片的流出棱边处的外半径
r, 第 一子叶片的前缘的内半径
r2 第二子叶片的前缘的内半径
权利要求
1. 一种用于扩散器的导向装置，所述扩散器位于离心式压缩机的压缩机叶轮出口处，所述导向装置包括多个导向叶片，其中，所述导向叶片布置在入口侧的壳体部分(41)与轮毂侧的壳体部分(42)之间，每个导向叶片分成第一入口侧子叶片(10)和至少另一个第二轮毂侧子叶片(20)，且该第一子叶片(10)的叶片轮廓长度(11)大于该第二子叶片(20)的叶片轮廓长度(12)，其特征在于，所述第一子叶片(10)延伸成这样的高度(h1)，该高度(h1)为所有子叶片的沿叶片前缘(11，21)的高度的总和(h)的30％至70％，并且所述第一子叶片(10)的前缘(11)离工作叶片流出棱边(33)外半径(r)的距离(r1-r)为所述第二子叶片(20)的前缘(12)离工作叶片流出棱边(33)外半径(r)的距离(r2-r)的50％至85％，以使得，在所述导向装置在离心式压缩机中的运行中，压缩机叶轮的排流的第一部分经由所述第一子叶片(10)而被导引，而所述排流的、以带有更强烈地显现出来的径向分量的方式而流动的第二部分经由较短的、设计成带有回缩的叶片前缘(21)的所述第二子叶片(20)而被导引。
2. 根据权利要求1所述的导向装置，其特征在于，所述第一 子叶片(10)在叶片前缘(ll)处具有内半径(n),其为压缩机叶轮出口 的外半径(r)的110%至125%。
3. 根据权利要求1所述的导向装置，其特征在于，在所述第 一子叶片(10)与所述第二子叶片(20)之间布置有至少一个第三子叶 片(25)，其中，所述第三子叶片在这样的长度上延伸，该长度介于 所述第 一子叶片的叶片轮廓长度与所述第二子叶片的叶片轮廓长度之间。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的用于离心式压缩机的 扩散器的导向装置，其特征在于，所述子叶片的流出棱边共同地形 成所述导向叶片的连贯的流出棱边。
5. 根据权利要求1至3中任一项所述的用于离心式压缩机的扩散器的导向装置，其特征在于，各个较短子叶片的叶片轮廓完全 地位于相应的较长子叶片的叶片轮廓之内。
6. 根据权利要求1至3中任一项所述的用于离心式压缩机的 扩散器的导向装置，其特征在于，各个较短子叶片的叶片轮廓对应 于相应的较长子叶片的、以缩小系数按比例缩放过的叶片轮廓。
7. —种废气涡轮增压器，其特征在于带有根据权利要求1至6 中任一项所述的导向装置的离心式压缩机。
全文摘要
用于位于离心式压缩机的压缩机叶轮出口处的扩散器的导向装置具有导向叶片(10，20)，导向叶片(10，20)带有分级状的前缘(11，21)。通过轮毂侧前缘(21)的回缩来实现该分级。这种经向分级将导向叶片分成两个子叶片(10，20)，其中，第一子叶片(10)被构造成长于第二子叶片(20)。轮毂侧子叶片的前缘的回缩和伴随而来的声场的叠加(其产生于扩散器的前部前缘和后部前缘处)导致了压缩机的声学特性的改善。
文档编号F04D29/44GK101454577SQ200780019314
公开日2009年6月10日 申请日期2007年4月30日 优先权日2006年5月26日
发明者C·林德布洛姆, H·-J·费尔德, J·库尼尔 申请人:Abb涡轮系统有限公司