可调入口的径向-径向压缩机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及可调入口的径向?径向压缩机。径向?径向压缩机包括入口调节机构，其位于用于压缩机的空气入口中，是可操作的以在空气入口中在打开位置与关闭位置之间移动。入口调节机构包括管状套筒，其能在空气入口中移动且具有轴向移动分量，以调节套筒的后缘与叶轮的导流部分的间距。在“接通”位置，间距相对较大，而在“关闭”位置，间距相对较小，套筒因此相对于处于“接通”位置的有效入口面积减小进入叶轮的导流部分中的有效入口面积。
【专利说明】
可调入口的径向-径向压缩机
技术领域
[0001]本公开涉及径向-径向压缩机(radial-radial compressor)，比如用于祸轮增压器的径向-径向压缩机，并且更具体地涉及能对于不同操作条件调节有效入口面积的径向-径向压缩机。
【背景技术】
[0002]受排出气体驱动的涡轮增压器是与内燃发动机结合使用的装置，用于通过对空气进行压缩来增加发动机的动力输出，所述空气被传递到发动机的进气口，用以与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装于轴的一端上的压缩机叶轮以及在涡轮壳体中安装于轴的另一端上的涡轮叶轮。通常，涡轮壳体与压缩机壳体分别地形成，并且还存在被连接在涡轮壳体与压缩机壳体之间的另一中央壳体，用于容纳用于轴的轴承。涡轮壳体限定出大体环形的腔室，其环绕涡轮叶轮并且接收来自发动机的排出气体。涡轮组件包括喷嘴，所述喷嘴从腔室通向涡轮叶轮中。排出气体从腔室穿过喷嘴流动至涡轮叶轮，并且涡轮叶轮被排出气体驱动。涡轮因而从排出气体中提取动力，并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口来接收环境空气，并且该空气被压缩机叶轮压缩，然后从壳体排放至发动机进气口。
[0003]涡轮增压器可采用径向-径向类型的压缩机叶轮，因为径向-径向压缩机能以紧凑结构实现相对较高的压力比。用于径向-径向压缩机的进气在接近叶轮时大体沿轴向方向被接收，但是在空气到达叶轮的导流部分之前，空气大致旋转90度，以大体沿径向向外前进到导流部分中。空气通过压缩机的叶片并且受到压缩，然后从叶轮的出口导流部分大体沿径向方向排出。来自叶轮的压缩空气被输送至涡室，并且从涡室，空气被供给至内燃发动机的进气口。
[0004]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。操作范围大体由用于压缩机的操作特性图上的节流线(choke line)和喘振线(surge line)界定出。压缩机特性图通常表现为纵轴上的压力比(排气压力Pciut除以进气压力Pin)以及横轴上的修正质量流量。压缩机特性图上的节流线位于高流量处，并且示出一定范围的压力比内的最大质量流量点的轨迹，即，对于节流线上的给定点，不能在保持相同压力比的同时增加流量，因为在压缩机中发生了节流流动状态。
[0005]喘振线位于低流量处，并且示出一定范围的压力比内的没有喘振的最小质量流量点的轨迹，即，对于喘振线上的给定点，在不改变压力比的情况下减小流量，或者在不改变流量的情况下增加压力比，将导致发生喘振。喘振是一种不稳定流动，其通常发生在压缩机叶片入射角变得大到使得压缩机叶片上出现实质性的流动分离时。在喘振期间可能发生压力波动和流动逆转。
[0006]在用于内燃发动机的涡轮增压器中，压缩机喘振可能发生在以下时候:发动机在以高载荷或扭矩和低发动机速度进行操作时，或者发动机在以低速进行操作并且存在高水平的排气再循环(EGR)时。喘振还可能发生在发动机突然从高速状态减速时。扩大压缩机的无喘振操作范围以降低流量是压缩机设计中常常寻找的一个目标。
【发明内容】
[0007]本公开描述用于径向-径向压缩机的机构和方法，其能实现用于压缩机的喘振线选择性地偏移向左侧(即，在给定压力比时喘振被延迟为低流量)，方法是调节叶轮的导流部分处的有效面积。本文描述的一个实施例包括具有以下特征的径向-径向压缩机:
压缩机壳体和径向-径向压缩机叶轮，所述径向-径向压缩机叶轮安装在压缩机壳体中，并连接至可旋转的轴以便与之一起旋转，所述径向-径向压缩机叶轮具有轮毂并且具有叶片，所述叶片连结至所述轮毂，并由此延伸并终止于叶片的外侧末端处，所述压缩机壳体限定出用于将空气大体沿轴向方向引导向所述径向-径向压缩机叶轮的空气入口，并且限定出与所述叶片的外侧末端相邻的护罩表面，所述径向-径向压缩机叶轮的轮毂构造成与所述护罩表面协同操作，以使前进通过所述空气入口的空气相对于所述径向-径向压缩机叶轮的旋转轴线大体朝径向向外方向大致旋转90度，所述叶片限定出导流部分，所述导流部分配置成接收大体沿径向向外方向前进的空气，所述压缩机壳体进一步限定出涡室，所述涡室用于接收从所述径向-径向压缩机叶轮大体沿径向向外排出的压缩空气;和
入口调节机构，其设置在所述空气入口中，位于所述径向-径向压缩机叶轮的上游，并且能在打开或“接通”位置与闭合或“关闭”位置之间移动，以调节所述径向-径向压缩机叶轮的导流部分处的有效入口面积。
[0008]所述入口调节机构包括管状套筒，所述管状套筒能在所述空气入口内移动并具有轴向移动分量。所述管状套筒具有后缘，所述后缘在上游与压缩机叶轮隔有间距。所述管状套筒的轴向移动调节所述后缘与压缩机叶轮的间距。在所述入口调节机构的闭合或“关闭”位置，所述间距相对较小，并且在打开或“接通”位置，所述间距相对较大。处于“接通”位置的间距形成为使得进入所述压缩机叶轮的导流部分中的有效入口面积由所述压缩机叶轮的轮毂和所述压缩机壳体的护罩表面限定出，即，管状套筒不阻止空气沿护罩表面而行，从而对有效入口面积没有影响，或者具有相对较小的影响。处于“关闭”位置的间距形成为使得进入压缩机叶轮的导流部分中的有效入口面积相对于处于“接通”位置的有效入口面积减小，g卩，管状套筒在一点处延伸到流路中，在该点处，空气将转而大体沿径向向外前进，以便阻止空气沿压缩机壳体的护罩表面而行，从而使得有效入口面积在轮毂与管状套筒的后缘之间被限定出。
[0009]入口调节机构的管状套筒能以多种方式中的任一种受到致动，并且本发明并不局限于任何特定的致动系统。在本文描述的一个实施例中，管状套筒限定出外螺纹形的第一螺纹。致动系统包括驱动轮齿，其具有螺旋形的驱动螺纹，所述螺旋形的驱动螺纹与套筒的第一螺纹啮合。驱动轮齿能围绕其轴线旋转，但是轴向移动受到制约，使得驱动轮齿的旋转向管状套筒施加螺旋运动(即，组合的旋转运动和轴向运动)。因此，驱动轮齿沿一个方向的旋转将管状套筒移动向“关闭”位置，并且沿相反方向的旋转将管状套筒移动向“接通”位置。优选地但并非必需地，管状套筒还限定出外螺纹形的第二螺纹，其与第一螺纹沿轴向间隔开，并且套筒被旋入螺母中，所述螺母具有相应的内螺纹，其与套筒的第二螺纹啮合。螺母的内螺纹与压缩机叶轮大致同轴。螺母有助于引导套筒的运动，并保持套筒与压缩机叶轮大致同轴。
[0010]在本文描述的另一实施例中，线性的沿轴向延伸的齿条由管状套筒限定出或者固定在管状套筒上，齿条限定出沿轴向间隔开的齿。致动系统包括驱动齿轮，其旋转轴线垂直于轴向方向延伸，所述驱动齿轮的齿与齿条的齿啮合。驱动齿轮的旋转向管状套筒施加纯轴向运动。因此，驱动轮齿沿一个方向的旋转将管状套筒移动向“关闭”位置，并且沿相反方向的旋转将管状套筒移动向“接通”位置。
[0011]也可使用基于不同原理工件的其它致动系统。例如，可使用气动或液压致动系统。
【附图说明】
[0012]在已经如此概括地描述了本发明的情况下，现在将参看附图，所述附图并不一定按比例进行绘制，并且附图中:
图1是根据本发明第一实施例的径向-径向压缩机的透视图，其中压缩机壳体的一部分被剖切以显示内部细节，其中入口调节机构处于“关闭”位置；
图2是图1所示径向-径向压缩机的轴向截面图，其中入口调节机构处于“关闭”位置；
图3是类似于图1的视图，但其中入口调节机构处于“接通”位置；
图4是根据本发明第二实施例的径向-径向压缩机的透视图；
图5是图4所示压缩机的轴向截面图，其中入m周节机构处于“关闭”位置;并且图6是类似于图5的视图，但其中入口调节机构处于“接通”位置。
【具体实施方式】
[0013]现在将在以下参考附图更全面地描述本发明，在附图中示出了本发明的某些但非全部实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式来体现，并且不应该被解释为局限于本文所给出的实施例;相反，这些实施例被提供来使得本公开将满足可适用的法律要求。文中相似的附图标记表示相似的元件。
[0014]根据本发明一个实施例的径向-径向压缩机1在图1中的透视图中以及在图2和3中的截面图中示出。涡轮增压器包括径向-径向压缩机叶轮14，其安装在压缩机壳体16中位于可旋转的轴(未示出)的一端上。压缩机壳体限定出空气入口 17，用于大体轴向地朝压缩机叶轮14引导空气。压缩机叶轮的轴被支承在轴承(未示出)中，并且所述轴通过涡轮叶轮或电动机或联接至轴的其它装置(未示出)旋转，由此可旋转地驱动压缩机叶轮，其压缩通过压缩机入口吸入的空气，并将压缩空气从压缩机叶轮大体沿径向向外排出到用于接收压缩空气的涡室21中。从涡室21，空气可用于任一种不同目的，比如供给至内燃发动机(未示出)的进气口，以提升发动机的性能。
[0015]压缩机叶轮14包括轮毂14h和多个叶片14b，所述多个叶片14b连结至轮毂，并由此延伸并终止于叶片的外侧末端处。
[0016]压缩机壳体16限定出护罩表面16s，其紧邻压缩机叶片的外侧末端。护罩表面16s限定出弯曲轮廓，其大体平行于压缩机叶轮的弯曲轮廓。轮毂14h和护罩表面16s协同操作以在它们之间限定出流路，该流路被构造成在空气与压缩机叶轮的导流部分14i相遇时大体沿径向向外方向引导空气。空气沿径向向外前进，并在它前进通过在叶片14b之间限定出的通路时被压缩，然后空气向外排出到涡室21中。
[0017]依据本发明，涡轮增压器的压缩机包括入口调节机构，其设置在压缩机壳体的空气入口 17中，正好位于护罩表面16s和导流部分14i的上游。入口调节机构包括管状套筒30，所述管状套筒30的内径参考压缩机叶轮14的导流部分14i选出。机构30是可移动的，在闭合或“关闭”位置(图1和2)与打开或“接通”位置(图3)之间具有轴向移动分量，用于调节径向-径向压缩机的导流部分处的有效入口面积。套筒30可以只轴向地移动(S卩，没有旋转移动分量)，或者可以既轴向地又旋转地移动(即，类似螺丝)。在图1-3的特定实施例中，套筒的运动是螺旋运动，但是以下描述的第二实施例只经历轴向运动。套筒30具有后缘30t，其在上游与压缩机叶轮14间隔一定间距。套筒的轴向移动能有效地调节后缘30t与压缩机叶轮的间距。
[0018]因此，在入口调节机构的闭合或“关闭”位置，间距30t相对较小，如图2中所示。处于“关闭”位置的间距形成为使得进入压缩机叶轮的导流部分14i中的有效入口面积Aeff,避相对于处于“接通”位置的有效入口面积减小，原因是套筒30在一点处延伸到流路中，在该点，处于“接通”位置的空气将转而大体沿径向向外前进，以便阻止空气沿压缩机壳体的护罩表面16s而行，使得有效入□面积Aeff, Clff在轮毂14h与套筒30的后缘30t之间被限定出。
[0019]在图3所示的打开或“接通”位置，叶轮14与套筒的后缘30t之间的间距相对较大。处于“接通”位置的间距形成为使得空气大体能够转向径向向外方向，并沿护罩表面16s而行。因此，在套筒30的“接通”位置，进入压缩机叶轮的导流部分14i中的有效入口面积Arff, Cin由压缩机叶轮的轮毂14h和压缩机壳体的护罩表面16s限定出。
[0020]在低流量时，入口调节套筒30可位于“关闭”位置，以将进入压缩机叶轮的有效入口面积设定为最小值。在高流量时，套筒30可位于“接通”位置，以增加有效入口面积。如果需要的话(例如，为了中间流量)，套筒30也可位于“关闭”位置与“接通”位置之间的各个中间位置中的任一位置处，以便为径向-径向压缩机准许一定范围的入口区域调节。
[0021]在图1-3的实施例中，管状套筒30被丝杠类型的致动系统致动。管状套筒30限定出外螺纹形的第一螺纹32。致动系统包括驱动轮齿40，其具有螺旋形的驱动螺纹42，所述螺旋形的驱动螺纹42与套筒的第一螺纹32啮合。驱动轮齿40能围绕其轴线旋转，但是轴向移动受到制约，使得驱动轮齿的旋转向管状套筒施加螺旋运动(即，组合的旋转运动和轴向运动)30。因此，驱动轮齿40沿一个方向的旋转将管状套筒30移动向“关闭”位置(图1和2)，并且沿相反方向的旋转将管状套筒移动向“接通”位置(图3)。
[0022]优选地但并非必需地，管状套筒30还限定出外螺纹形的第二螺纹34，其与第一螺纹32沿轴向间隔开，并且套筒被旋入螺母50中，所述螺母50具有相应的内螺纹54，其与套筒的第二螺纹34啮合。螺母的内螺纹54与压缩机叶轮14大致同轴。螺母50有助于引导套筒的运动，并保持套筒与压缩机叶轮大致同轴。
[0023]本发明的第二实施例在图4-6中示出，并且大致类似于第一实施例，例外的是用于管状套筒30的致动系统。因此，第二实施例的与第一实施例大致类似的方面在这里不再描述。根据第二实施例，致动系统包括齿条齿轮系统。因此，线性齿条60设置或被限定在管状套筒30上，沿着套筒轴向地延伸。齿条限定出沿轴向间隔开的齿62。致动系统包括驱动齿轮70，其旋转轴线垂直于轴向方向延伸，所述驱动齿轮的齿72与齿条的齿62啮合。驱动齿轮70的旋转向管状套筒30施加纯轴向运动。因此，驱动齿轮沿一个方向的旋转将管状套筒移动向“关闭”位置(图4和5)，并且沿相反方向的旋转将管状套筒移动向“接通”位置(图6)。
[0024]如第一实施例中那样，进入压缩机叶轮的导流部分14i中的有效入口面积Aeff是可变的，方法是通过将管状套筒30定位在不同轴向位置，其在套筒的后缘30t与压缩机叶轮14之间具有不同的间距。这样，可基于大致如第一实施例中那样的操作条件，来调节压缩机的有效入口面积。
[0025]获得了前述描述和相关联附图所呈现的教导的优点后，这些发明所属技术领域的技术人员将会想到本文所给出的发明的许多改进和其它实施例。因此，应该明白的是，本发明并不局限于所公开的特定实施例，并且改进和其它实施例旨在被包括在所附权利要求书的范围内。虽然本文中采用了特定的术语，但其仅仅是以通用的和说明性的意义来使用的，并非用于进行限制的目的。
【主权项】
1.一种径向-径向压缩机，包括: 压缩机壳体和径向-径向压缩机叶轮，所述径向-径向压缩机叶轮安装在压缩机壳体中，并连接至可旋转的轴以便与之一起旋转，所述径向-径向压缩机叶轮具有轮毂并且具有叶片，所述叶片连结至所述轮毂，并由此延伸并终止于叶片的外侧末端处，所述压缩机壳体限定出用于将空气大体沿轴向方向引导向所述径向-径向压缩机叶轮的空气入口，并且限定出与所述叶片的外侧末端相邻的护罩表面，所述径向-径向压缩机叶轮的轮毂构造成与所述护罩表面协同操作，以使前进通过所述空气入口的空气相对于所述径向-径向压缩机叶轮的旋转轴线大体朝径向向外方向大致旋转90度，所述叶片限定出导流部分，所述导流部分配置成接收大体沿径向向外方向前进的空气，所述压缩机壳体进一步限定出涡室，所述涡室用于接收从所述径向-径向压缩机叶轮大体沿径向向外排出的压缩空气;和 入口调节机构，其设置在所述空气入口中，位于所述径向-径向压缩机叶轮的上游，并且能在打开或“接通”位置与闭合或“关闭”位置之间移动，以调节所述径向-径向压缩机叶轮的导流部分处的有效入口面积，所述入口调节机构包括管状套筒，所述管状套筒能在所述空气入口内移动并具有轴向移动分量，所述管状套筒具有后缘，所述后缘在上游与压缩机叶轮隔有间距，所述管状套筒的轴向移动能有效地调节所述后缘与压缩机叶轮的间距，其中在所述入口调节机构的闭合或“关闭”位置，所述间距相对较小，并且在打开或“接通”位置，所述间距相对较大，处于“接通”位置的间距形成为使得进入所述压缩机叶轮的导流部分中的有效入口面积由所述压缩机叶轮的轮毂和所述压缩机壳体的护罩表面限定出，并且处于“关闭”位置的间距形成为使得进入所述压缩机叶轮的导流部分中的有效入口面积在所述轮毂与所述管状套筒的后缘被限定出。2.如权利要求1所述的径向-径向压缩机，进一步包括:致动系统，其用于使所述管状套筒在“关闭”位置与“接通”位置之间移动。3.如权利要求2所述的径向-径向压缩机，其中，所述致动系统包括丝杠结构。4.如权利要求3所述的径向-径向压缩机，其中，所述丝杠结构包括位于所述管状套筒上的外螺纹形的第一螺纹，以及驱动轮齿，所述驱动轮齿的螺旋形的螺纹与管状套筒上的第一螺纹啮合，所述驱动轮齿围绕其轴线的旋转向所述管状套筒施加螺旋运动，从而调节所述间距。5.如权利要求4所述的径向-径向压缩机，其中，所述丝杠结构进一步包括具有内螺纹的螺母，并且所述管状套筒包括与第一螺纹沿轴向间隔开的外螺纹形的第二螺纹，所述螺母的螺纹与所述管状套筒的第二螺纹啮合，所述螺母引导所述管状套筒的螺旋运动，并且保持所述管状套筒与压缩机叶轮大致同轴。6.如权利要求2所述的径向-径向压缩机，其中，所述致动系统包括齿条齿轮结构。7.如权利要求6所述的径向-径向压缩机，其中，所述齿条齿轮结构包括:位于所述管状套筒上的沿轴向延伸的齿条，所述齿条具有沿轴向间隔开的齿；以及驱动齿轮，所述驱动齿轮的旋转轴线垂直于轴向方向延伸，所述驱动齿轮的齿与所述齿条的齿啮合，所述驱动齿轮的旋转向所述管状套筒施加轴向运动。
【文档编号】F04D17/10GK105889085SQ201610088446
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年2月17日
【发明人】M.内耶德利, V.豪斯特, D.图雷策克
【申请人】霍尼韦尔国际公司