专利名称：气体压缩机的进口导向叶片的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体压缩机的进口导向叶片，所述叶片可调整以改变压缩机中的气体 流动特性，并且本发明涉及使用所述进口导向叶片的压缩机、涡轮增压器和燃气轮机。
背景技术：
为了动态地改变压缩机的气体进口的气体流动特性，已知的是使用可被转动的进 口导向叶片，因此所述叶片提供有可变拐折度或弯度。美国专利US 3，442，493和美国专利 US 5，520，511示出了由固定形状的两个活动零件构成的叶片。在这种实施方式中，例如借助于每个叶片所联接的圈环来操纵叶片。通过连接到 电动马达或者液压或气动活塞的杠杆或臂来作用于所述环。然而，这种布置需要大量的活动零件，例如致动器、环和连杆，这些活动零件遭受 机械应力、磨损和环境干扰的影响，从而使得这种系统特别易于发生机械故障。EP 274293 Al示出了一种由两个稳定零件组成的涡轮增压器进口叶片，所述两个 稳定零件中的一个被活动地连接到另一个。该方案关于其活动机械部件总体上具有之前讨 论的特性。美国专利US 3,042, 371示出了一种涡轮增压器进口叶片，其包括中空本体，该中 空本体的壁由双金属制成。在温度增加时，双金属壁改变其形状，使得叶片的弯度变化。可 通过嵌入在双金属壁中的电加热元件来弓I起温度增加。加热元件可被电操作。美国专利US 4，619，580公开了一种可变弯度叶片，该可变弯度叶片由层压板构 成，层压板允许响应于温度的叶片挠曲。PCT专利申请公开WO 2006/128827 Al示出了一种用于内燃发动机的涡轮增压器 的进气口，其进口导向叶片由吸声材料制成以实现噪音的显著减少。虽然该方案减少了机械活动零件的数量，但是作用元件仍然受到环境应力造成的 磨损，并且嵌入的加热元件提供了附加的误差源。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种可调整进口导向叶片以及使用该可调整进口导向 叶片的压缩机、涡轮增压器和燃气轮机，所述可调整进口导向叶片提供改善的可靠性和减 少的机械磨损。该目的通过权利要求1、11、13和14的主题来实现。根据权利要求1所述的发明提出了一种用于压缩机的进口导向叶片，所述叶片可 调整以改变压缩机中的气体流动特性，其特征在于导向叶片包括电活性聚合物(EAP)，所述 电活性聚合物设置成使得在向导向叶片施加电压时以特定方式调整叶片的形状。合适的电 活性聚合物例如公开于 WO 2005/086249、US 6，543，110、WO 2001/031715 和 DE 10 2004 043 403中。因此关于可用于本发明导向叶片的EAP材料可参考这些文献。当电压施加于叶片中的EAP时，EAP改变其形状，使得叶片弯曲并因此改变其拐折度和/或弯度。可通过施加相应电平的电压来直接激活EAP，从而避免使用加热元件，进一 步简化了叶片特性的电子控制。使用EAP允许大量不同的构造，其中一个或多个成形元件包含在叶片中。EAP可被 层压到叶片基体，或者可被精细地分布在叶片材料中。EAP还可被包含作为囊状元件、敷设 纤维或针织纤维。可通过导线或者通过使用导电叶片材料向EAP供应电压。总体而言，有两组EAP可用于本发明的导向叶片，即离子EAP和介电EAP，在离子 EAP中，通过使离子在聚合物内部位移来引起致动，在介电EAP中，通过挤压聚合物的两个 电极之间的静电力来引起致动。如果离子EAP被用于叶片，那么本发明可得益于正确操作 所需的低电压电平，同时实现大的弯曲位移。然而，使用介电EAP也是可能的。因此，本发明允许将叶片形状变化所需的机械零件数量降低至最小，同时提供即 时的电子可控性，从而显著地提高操作的可靠性并且简化了本发明在压缩机中的实际应 用。本发明还可根据从属权利要求中提供的特征被进一步实施。在一个实施例中，进口导向叶片包括固定部分，在向导向叶片施加电压时该固定 部分维持其形状。这种固定部分可通过将叶片的所述部分与施加的电压隔离来实现，因此 在所述部分中不会产生成形，或者不同的尺寸稳定的材料可用于该固定部分。在这样的实施例中，固定部分可位于前侧(前缘、上游边缘)，或者可位于前侧的 第一部分和后侧(后缘、下游边缘)的第二部分之间。所述第一和第二部分可以是包含电 活性聚合物材料的部分。在本发明的实施例中，电活性聚合物的至少一部分可位于沿叶片的纵向方向延伸 的层中。因此，叶片区域的大部分可受到形状控制的影响。这也允许在叶片的至少一个纵向侧面用柔性涂层来覆盖所述层。这样，形状设置 元件被保护不受外部影响和机械磨损。此外，针对叶片中的应用(例如涡轮增压器中的应 用)可以优化表面特性。柔性涂层因此可包括柔性金属层和/或柔性聚合物层。在柔性涂 层包括吸声材料层的实施例中，叶片可将形状灵活性与噪音降低相结合。在实际的实施例中，所述层可被层压到柔性涂层。进口导向叶片可被构造成使其面向压缩机通道壁的表面具有大体上球形形状。根据权利要求11的发明提供了一种包括根据本发明的进口导向叶片的压缩机。 根据权利要求13的发明提供了包括根据本发明及其实施例的压缩机的涡轮增压器。根据 权利要求14的发明提供了具有根据本发明的压缩机的燃气轮机。
下面使用以下附图更详细地解释本发明及其实施例图1示出了本发明第一实施例的示意纵剖面；图2示出了本发明第二实施例的示意纵剖面；图3示出了第二实施例的侧视图，详细示出了叶片的表面成形；以及图4示出了本发明第三实施例的示意纵剖面；图5示出了本发明第四实施例的示意纵剖面。
具体实施例方式图1和2示出了本发明第一和第二实施例的示意纵剖面，本发明可用于压缩机，例 如涡轮增压器的压缩机。进口叶片1包括刚性的结构固定部分10，该结构固定部分联接到后部部分，后部 部分包括电活性聚合物(EAP)构件12和由金属或聚合物材料制成的柔性外皮14。在本实 施例中，EAP构件12被层压到外皮14，并且使用导线(未示出)来供应电压。导线可被引 导通过结构固定部分10。替代地，结构固定部分10本身可以是导电的，从而代替导线中的 一条或多条导线。如果该结构固定部分代替多于一条导线，那么其将包括彼此电隔离的相 应数量的导电部分。如本领域技术人员将会认识到的，在整个说明书和权利要求书中，前部和后部分 别指的是上游边缘和下游边缘、或者前缘和后缘、流动方向在附图中从左到右，前部被显示 为左侧，后部被显示为右侧。类似地，图2中示出的第二实施例的进口叶片1’包括刚性的结构固定部分10’，该 结构固定部分联接到后部部分，后部部分包括EAP构件12’和由金属或聚合物材料制成的 柔性外皮14’。同样，在该实施例中，EAP构件12’被层压到外皮14’，并且使用导线来供应 电压。如第一实施例那样，导线可被引导通过结构固定部分，或者结构固定部分可代替一条 或多条导线。然而，在叶片1’中，另外的前部部分被联接到结构固定部分10’。在该部分中，EAP 构件16也被层压到柔性外皮。该EAP构件16也通过导线和/或结构固定构件10’来供应 电压。EAP层12、12’和16包含EAP材料或者由EAP材料构成，并且设计成使得在可施 加到EAP层的特定电压时获得特定形状。在本情况中，挠曲的具体度数与输入电压相关联。 柔性外皮14和14’围绕EAP构件以保护EAP构件不受外部影响和机械磨损。在实施例中，外皮14、14’不必与EAP构件12、12’(类似地EAP构件16)沿着整 个构件长度直接接触。如果EAP构件和外皮仅在限定部分中直接接触，那么就允许在改变 形状(即，弯曲)时由于叶片的曲率和变化厚度产生的相对位移。此外，通过与EAP构件的 限定部分的这种接触，EAP构件必须提供以便实现叶片弯曲的力被减小。代替一个整体EAP 构件，如果联接了多个条，例如达到12个条，使得所述条能够相对于彼此滑动，那么叶片的 特定弯曲所需的力或功率就被进一步减小。图3示出了根据第二实施例的叶片平面的侧视图。如图可见，叶片的边缘具有球 形形状，使得球形压缩机通道的叶片和壁之间的泄漏最小化。在20标记的位置，叶片的形 状调节部分构造成使得球形形状被保持，同时增加叶片拐折度/弯度。图4和5分别示出了本发明的第三和第四实施例的示意纵剖面，本发明可用于涡 轮增压器的消声器。这些实施例的构造大体上对应于关于图1和图2描述的实施例的构造。具体而 言，关于第一和第二实施例已经讨论的有关为EAP供应电压的内容也适用于第三和第四实 施例。在图4中示出的消声器叶片3中，刚性部分30位于前部部分和后部部分之间，并 且连接到前部部分和后部部分，前部部分包括层压到覆盖层34的EAP层36，后部部分也包括层压到覆盖层34的EAP层32。关于第三和第四实施例的EAP层和覆盖层之间的接触区域，关于本发明第一和第 二实施例给出的细节也相应地适用。在图5中示出的消声器叶片3’中，刚性部分30’形成叶片的电压不变前部部分， 并且联接到与叶片3的后部部分等效的后部部分。在第三和第四实施例的叶片3和3’中，覆盖层34和34’的材料被选择成均为叶 片提供吸声特性并且是柔性的，因此，在噪音水平被降低时，EAP构件在改变其自身形状时 能够影响叶片的总体形状。此外，结构固定部分30和30’可通过适当的材料选择而具有吸
声性质。因此，目前示出的系统以电子方式有效且可靠地改变叶片形状，从而显著地提高 操作的可靠性并且简化其在涡轮增压器中的实际应用。如本领域技术人员将会认识到的，本发明的进口导向叶片及其实施例不限于涡轮 增压器。本发明能够以有益方式应用于压缩不同气体(例如天然气、氧气、氮气等)的各种 类型的离心压缩机。此外，本发明可应用于轴流压缩机，在此情况下，第一排可变导向叶片 可配备本发明的技术，其中压缩机工作温度在EAP材料的工作温度范围内。
权利要求
一种用于压缩机的进口导向叶片(1、1’、3、3’)，所述叶片可调整以改变压缩机中的气体流动特性，其特征在于导向叶片包括电活性聚合物(12、12’、16、32、32’、36)，所述电活性聚合物设置成使得在向导向叶片施加电压时以特定方式调整叶片的形状。
2.根据权利要求1所述的进口导向叶片，其特征在于，包括固定部分(10、10’、30’、 30’)，在向导向叶片施加电压时所述固定部分维持其形状。
3.根据权利要求2所述的进口导向叶片，其特征在于，固定部分(10、30’)位于前侧。
4.根据权利要求2或3所述的进口导向叶片，其特征在于，固定部分位于前侧的第一部 分(16,36)和后侧的第二部分(12、12，、32、32，)之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的进口导向叶片，其特征在于，电活性聚合物的至 少一部分位于沿叶片的纵向方向延伸的层(12、12’、16、32、32’、36’)中。
6.根据权利要求5所述的进口导向叶片，其特征在于，在叶片的至少一个纵向侧面用 柔性涂层(14、14’、34、34’ )来覆盖所述层
7.根据权利要求6所述的进口导向叶片，其特征在于，柔性涂层包括柔性金属层和/或 柔性聚合物层(14、14’)。
8.根据权利要求6或7所述的进口导向叶片，其特征在于，柔性涂层包括吸声材料层 (34,34')。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的进口导向叶片，其特征在于，所述层被层压到柔 性涂层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的进口导向叶片，其特征在于，其面向压缩机通 道壁的表面具有大体上球形形状。
11.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的进口导向叶片的压缩机。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其特征在于，其构造为离心压缩机。
13.具有根据权利要求11或12所述的压缩机的涡轮增压器。
14.具有根据权利要求11或12所述的压缩机的燃气轮机。
全文摘要
一种用于压缩机的进口导向叶片(1)，所述叶片可调整以改变压缩机中的气体流动特性，其中导向叶片包括电活性聚合物(12)，所述电活性聚合物设置成使得在向导向叶片施加电压时以特定方式调整叶片的形状。
文档编号F04D27/02GK101925746SQ200980102972
公开日2010年12月22日 申请日期2009年1月14日 优先权日2008年1月25日
发明者U·尼尔森 申请人:西门子公司