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具有包括涡流导 风轮的可调调整机构的 涡轮 增压器 压缩机

阅读：234发布：2021-06-06

专利汇可以提供具有包括涡流导风轮的可调调整机构的涡轮增压器压缩机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及具有包括涡流导风轮的可调调整机构的涡轮增压器压缩机。用于涡轮增压器的离心压缩机包括可操作以在打开位置与关闭位置之间移动的入口调整机构。入口调整机构包括围绕压缩机空气入口设置并且位于空气入口壁内的环形空间内的多个叶片。叶片可围绕相应的枢轴点枢转，使得当叶片在关闭位置时叶片从环形空间径向向内延伸到空气入口中，以便相对于入口的标称直径形成具有减小直径的孔口。叶片的上游表面包括构造并布置成将预涡流或反向涡流给予通过孔口进入压缩机轮的空气的涡流导风轮。，下面是具有包括涡流导风轮的可调调整机构的涡轮增压器压缩机专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种涡轮增压器，包括：
涡轮机壳体和安装在所述涡轮机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮机轮，所述涡轮机壳体接收废气并将废气供应至所述涡轮机轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机壳体和安装在所述压缩机壳体中并连接至所述可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机轮，所述压缩机轮具有叶片并限定导风轮部分，所述压缩机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定用于将空气大体上轴向地引导到所述压缩机轮中的空气入口，所述压缩机壳体还限定蜗壳，所述蜗壳用于接收从所述压缩机轮大体上径向向外排出的压缩空气，所述空气入口壁限定环形空间，所述环形空间包围空气入口并在所述环形空间的径向内端处通向所述空气入口；和
压缩机入口调整机构，其设置在所述空气入口壁的所述环形空间中并可在打开位置与关闭位置之间移动，所述入口调整机构包括设置在所述环形空间内的多个叶片，所述叶片共同地确定孔口的界线，每个叶片具有相对远离并背离所述压缩机轮的上游表面和相对靠近并面朝所述压缩机轮的下游表面，当所述叶片在所述关闭位置时所述叶片围绕相应枢轴从所述环形空间径向向内枢转到所述空气入口中，以便使所述孔口相对于所述入口的标称直径具有减小的直径；
其中，所述叶片中的每一个的所述上游表面包括构造并布置成将涡流给予通过所述孔口进入所述压缩机轮的空气的多个周向隔开的涡流导风轮。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡流导风轮包括在每个叶片的所述上游表面中的槽。
3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述槽取向成给予所述空气预涡流。
4.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述槽取向成给予所述空气反向涡流。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，每个叶片的所述径向内边缘具有圆弧形状，所述叶片构造成使得所述径向内边缘在所述入口调整机构的选定位置共同地将所述孔口形成为大致圆形的。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述叶片的数量为三。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述入口调整机构还包括同步环，所述同步环能围绕所述涡轮增压器的旋转轴线旋转，其中，所述叶片中的每一个与所述同步环接合，使得所述同步环的旋转使叶片枢转。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，每个叶片包括接合所述同步环的外周的端部。

说明书全文

具有包括涡流导 风轮的可调调整机构的 涡轮 增压器 压缩机

技术领域

[0001] 本公开涉及诸如使用在涡轮增压器中的离心压缩机，并且更具体地涉及其中对于不同的操作状况能调整有效入口面积或直径的离心压缩机。

背景技术

[0002] 废气驱动的涡轮增压器是与内燃机结合使用的装置，用于通过压缩被输送至发动机的空气进气以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来提高发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中在轴的一端上的压缩机轮和安装在涡轮机壳体中在轴的另一端上的涡轮机轮。典型地，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且在涡轮机壳体与压缩机壳体之间还连接有用于包含用于轴的轴承的另一中心壳体。涡轮机壳体限定围绕涡轮机轮并从发动机接收废气的大体上环形的腔室。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机轮的喷嘴。废气从腔室通过喷嘴流向涡轮机轮，并且涡轮机轮由废气驱动。涡轮机因而从废气提取功率并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收周围空气，并且空气由压缩机轮压缩并且然后从壳体排出至发动机空气进气。

[0003] 由于离心压缩机能在紧凑的布置中实现相对高的压力比，所以涡轮增压器典型地采用离心类型(也被称为“径流式”)的压缩机轮。用于压缩机的进气空气在离心压缩机轮的导风轮部分处在大体上轴向的方向上被接收，并且在轮的出口导风轮部分处在大体上径向的方向上被排出。来自轮的压缩空气被输送至蜗壳，并且空气从蜗壳被供应至内燃机的进气。

[0004] 压缩机的操作范围是涡轮增压器的整体性能的重要方面。操作范围大体上由压缩机的操作图上的喘振线和阻塞线界定。压缩机图典型地被呈现为垂直轴线上的压力比(排出压力Pout除以入口压力Pin)对水平轴线上的校正质量流量。压缩机图上的阻塞线位于高的流量处，并表示在压力比的范围上的最大质量流量点的轨迹；也就是说，对于阻塞线上的给定点，由于在压缩机中出现阻塞流动状况，所以不能在维持相同的压力比的同时提高流量。

[0005] 喘振线位于低流量处，并表示在压力比的范围上在没有喘振的情况下的最小质量流量点的轨迹；也就是说，对于喘振线上的给定点，在不改变压力比的情况下降低流量或者在不改变流量的情况下提高压力比将导致喘振出现。喘振是一种流动不稳定性，其典型地出现在当压缩机叶片入射角度变大到使得在压缩机叶片上出现显著的流动分离时。在喘振期间能发生压力波动和流动反转。

[0006] 在用于内燃机的涡轮增压器中，压缩机喘振可发生在当发动机以高负荷或扭矩和低发动机速度操作时或者发生在当发动机以低速度操作并且存在高水平的废气再循环(EGR)时。喘振还能出现在当发动机突然从高速状况减速时。将压缩机的无喘振操作范围扩展至较低的流量是压缩机设计中经常寻求的目标。

[0007] 申请人的2017年3月1日提交的共同未决的美国专利申请No.15/446,054描述了用于能够使压缩机的喘振线选择性地向左移动(即，喘振在给定的压力比延迟至较低的流量)的离心压缩机的机构和方法，所述共同未决的美国专利申请要求2016年4月20日提交的临时申请No.62/324,488的提交日期的权益，所述申请的全部公开据此通过引用并入本文中。在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：
涡轮机壳体和安装在涡轮机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮机轮，涡轮机壳体接收废气并将废气供应至涡轮机轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机轮，压缩机轮具有叶片并限定导风轮部分，压缩机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定用于将空气大体上轴向地引导到压缩机轮中的空气入口，压缩机壳体还限定蜗壳，所述蜗壳用于接收从压缩机轮大体上径向向外排出的压缩空气；和压缩机入口调整机构，其设置在压缩机壳体的空气入口中并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，入口调整机构包括多个叶片，所述多个叶片围绕空气入口设置并各自可围绕叶片的一端枢转，当叶片在关闭位置时叶片径向向内枢转通过空气入口壁中的槽，以便形成相对于入口的标称直径具有减小直径的孔口。

[0008] 申请人也是涉及采用活动叶片的其他入口调整机构的另外申请的所有人，所述另外申请包括2017年3月1日提交的美国申请No.15/446,090，所述另外申请的全部公开据此通过引用并入本文中。

[0009] 本公开涉及大体上在前述’054、’488和’090申请中所描述类型的入口调整机构，并且尤其地涉及旨在对所述机构的特定方面加以改进的这样的机构的变型或重新设计。发明内容

[0010] 寻求改善的前述入口调整机构的一个这样的方面涉及当入口调整机构关闭时在低的发动机速度下的压缩机的效率。

[0011] 根据在本文公开的一个实施例，描述了具有以下特征的涡轮增压器：涡轮机壳体和安装在涡轮机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的涡轮机轮，涡轮机壳体接收废气并将废气供应至涡轮机轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机壳体和安装在压缩机壳体中并连接至可旋转的轴用于与之一起旋转的压缩机轮，压缩机轮具有叶片并限定导风轮部分，压缩机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定用于将空气大体上轴向地引导到压缩机轮中的空气入口，压缩机壳体还限定蜗壳，所述蜗壳用于接收从压缩机轮大体上径向向外排出的压缩空气，空气入口壁限定环形空间，所述环形空间包围空气入口并在环形空间的径向内端处通向空气入口；和
压缩机入口调整机构，其设置在空气入口壁的环形空间中并可在打开位置与关闭位置之间移动，入口调整机构包括设置在环形空间内的多个叶片，叶片共同地确定孔口的界线，每个叶片具有相对远离并背离压缩机轮的上游表面和相对靠近并面朝压缩机轮的下游表面，当叶片在关闭位置时叶片围绕相应枢轴从环形空间径向向内枢转到空气入口中，以便使孔口相对于入口的标称直径具有减小的直径；
其中，叶片中的每一个的上游表面包括构造并布置成将涡流给予通过孔口进入压缩机轮的空气的多个周向隔开的涡流导风轮。

[0012] 在一个实施例中，涡流导风轮包括在叶片的上游表面中的槽或沟槽。槽能取向成给予预涡流(在与压缩机轮旋转相同的方向上的涡流)或反向涡流。

[0013] 在本发明的一个实施例中，每个叶片包括具有圆弧形状的径向内边缘，叶片构造成使得所述径向内边缘在入口调整机构的选定位置共同地将孔口形成为大致圆形的。

[0014] 叶片的径向内边缘将孔口形成为大致圆形的选定位置在本发明的一些实施例中可以是关闭位置。

[0015] 在一个实施例中，入口调整机构包括轴向间隔开的一对(即，上游和下游)环形端板，并且叶片设置在所述端板之间，使得入口调整机构形成可安装在压缩机中的“盒”。入口调整机构或盒设置在由空气入口壁限定的环形空间中。环形空间能被限定在压缩机壳体的主要部分与形成到压缩机的空气入口的大部分的单独入口管道构件之间。管道构件被接纳到限定于压缩机壳体的主要部分中的插座中。

[0016] 端板能由穿过叶片中的孔的多个销间隔开，并且叶片能围绕所述销枢转。

[0017] 替代性地，销能固定在压缩机壳体中，使得不需要单独的端板(即，入口调整机构不是独立的盒)。例如，一块端板的功能可由压缩机壳体的整体部分提供，并且另一端板的功能可由入口管道构件的整体部分提供。

[0018] 根据一个实施例，入口调整机构还包括包围叶片的同步环，同步环可围绕涡轮增压器的旋转轴线旋转，其中，叶片中的每一个与同步环接合，使得同步环的旋转使叶片围绕所述销枢转。每个叶片包括接合限定在同步环的内周中的槽的端部。

[0019] 入口调整机构还能包括用于引导同步环的旋转的多个引导件。引导件能固定至端板中的至少一个(或者在入口调整机构的非盒形式的情况下固定至压缩机壳体和/或入口管道构件)。附图说明

[0020] 如此已概括地描述了本发明，现在将参考不一定按比例绘制的附图，并且其中：图1是从涡轮增压器的压缩机端轴向地朝着涡轮机端看的根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的端视图；
图2是沿着图1中的线2-2的涡轮增压器的横截面视图；
图3是图1的涡轮增压器的压缩机部分的局部分解图；
图4是图3的压缩机壳体组件的等轴测图，其中，压缩机盖(入口管道构件)分解掉，使得入口调整机构是可见的；
图5是如从机构的上游侧观察的入口调整机构和因此致动器的局部装配的等轴测图，其中，入口调整机构在打开位置；
图6是与图5相似的视图，其中，入口调整机构在关闭位置；
图7是入口调整机构的叶片的等轴测图，示出具有涡流导风轮的叶片的上游表面；
图8是如从压缩机的上游朝着涡轮增压器的涡轮机观察的在机构的关闭位置中的压缩机轮和入口调整机构的叶片的轴向视图；和
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整机构的横截面视图。

具体实施方式

[0021] 现在将参考附图在下文中更完全地描述本发明，在附图中示出本发明的一些但非所有实施例。实际上，这些发明可以许多不同的形式具体化，并且不应被理解为限于本文陈述的实施例；相反，提供这些实施例，使得该公开满足适用的法律要求。相同的附图标记自始至终指的是相同的元件。

[0022] 在本公开中，术语“孔口”是指不考虑开口的形状的“开口”。因而，“孔口”可以是圆形的或非圆形的。此外，当入口调整机构的叶片被描述成“径向”向内或向外枢转时，术语“径向”不排除叶片的移动的某一非径向分量(例如，叶片可占据相对于压缩机的旋转轴线稍微倾斜的平面，使得当叶片径向向内和向外枢转时，它们还以小的轴向运动分量移动；替代性地，叶片可诸如以螺旋型运动枢转和平移)。

[0023] 在图1中的轴向端视图中图示了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，并且在图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。压缩机包括在可旋转的轴18的一端上安装在压缩机壳体16中的压缩机轮或叶轮14。压缩机壳体包括限定空气入口17的壁，用于将空气大体上轴向地引导到压缩机轮14中。轴支撑在安装于涡轮增压器的中心壳体20中的轴承中。轴通过安装在轴的离开压缩机轮的另一端上的涡轮机轮22旋转，从而可旋转地驱动压缩机轮，所述压缩机轮压缩通过压缩机入口吸入的空气，并将压缩空气从压缩机轮大体上径向向外地排出到用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21被送至内燃机(未示出)的进气，用于提高发动机的性能。

[0024] 涡轮机轮22设置在涡轮机壳体24内，所述涡轮机壳体24限定用于从内燃机(未示出)接收废气的环形腔室26。涡轮机壳体还限定用于使废气从腔室26大体上径向向内引导至涡轮机轮22的喷嘴28。废气随着它们穿过涡轮机轮而膨胀，并且可旋转地驱动涡轮机轮，所述涡轮机轮继而如已指出地可旋转地驱动压缩机轮14。

[0025] 参考图1-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，并且部分地由被接纳到由压缩机壳体限定的圆柱形插座中的单独的盖或入口管道构件16d形成。空气入口17的接近压缩机轮14的部分限定大体上圆柱形的内表面17i，所述大体上圆柱形的内表面17i具有大体上与压缩机轮的导风轮部分14i的直径匹配的直径。

[0026] 压缩机壳体16限定紧密邻近压缩机叶片的径向外部尖端的护罩表面16s。护罩表面限定大体上与压缩机轮的轮廓平行的弯曲轮廓。

[0027] 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中的入口调整机构100。入口调整机构包括环形组件，并设置在被限定于压缩机壳体16与单独的入口管道构件16d之间的环形空间中。环形空间被界定在上游壁表面105与下游壁表面107之间。入口调整机构可操作用于调整到压缩机轮中的空气入口的有效直径。因此，入口调整机构可在打开位置与关闭位置之间移动，并能构造成被调整至在所述位置之间的各个中间点。

[0028] 现在参考图3-图8，入口调整机构包括多个叶片102，所述多个叶片102围绕空气入口的中心轴线布置，并且各自可围绕位于或靠近叶片的一端的枢轴销102p枢转。在图示的实施例中，用于叶片的枢轴销轴颈连接在压缩机壳体的下游壁表面107中的孔中，使得枢轴销能在所述孔中旋转。在该实施例中，枢轴销一体并且刚性地附接至叶片。叶片布置在上游壁表面105与下游壁表面107之间，其中，在那些壁表面之间有用于叶片的小量的轴向间隙或游隙，使得叶片能无束缚地自由枢转。

[0029] 入口调整机构还包括用于给予叶片枢转移动的同步环106。同步环包围叶片102的组件，大致与叶片共面，并且可围绕与压缩机轮的旋转轴线一致的轴线旋转。同步环在其径向外周中包括多个凹进108，并且每个叶片包括接合在凹进108中的相应一个中的端部102e。因此，同步环在一个方向上的旋转使叶片102径向向内枢转，并且同步环在另一方向上的旋转使叶片径向向外枢转。叶片102与同步环106的组件被束缚地保持在上游壁表面
105与下游壁表面107之间。

[0030] 叶片102的径向内边缘包括优选地大体上圆弧形的部分，并且这些边缘共同地包围并界定大体上圆形的开口或孔口(尽管圆度取决于叶片的位置而改变，如以下进一步描述的)。

[0031] 叶片枢转移动的范围足够叶片能(通过同步环在一个方向上的旋转，在图5中顺时针旋转)径向向外枢转至如图5中所示的打开位置，在所述打开位置，叶片完全在入口的内表面17i(图2)的径向向外。因此，在叶片的打开位置，入口调整机构不改变如由入口表面17i所限定的标称入口直径。

[0032] 叶片还能(通过同步环在相反方向上的旋转、在图5中逆时针旋转)径向向内枢转至如图6所示的关闭位置。在关闭位置，沿着叶片的径向内侧的圆弧边缘共同地形成孔口。在图示的实施例中，孔口在关闭位置大致是圆，以具有比入口表面17i的直径小的直径。(在本公开中的“大致地圆”是指圆弧边缘都位于相同的圆上并且共同地占据该圆的圆周的至少80%。)结果，入口的有效直径相对于标称入口直径减小。此外，在未图示的实施例中，叶片能枢转一附加量至其中存在相邻叶片的某一程度的重叠的超闭位置，这通过将相邻叶片的相应重叠边缘部分形成为互补或凹凸形状来实现。当叶片在超闭位置时，叶片的圆弧边缘共同地限定开口或孔口，所述开口或孔口不完全是圆形的，但比对于图6的关闭位置的开口有效地更小。因而，入口调整机构使入口的有效直径相对于关闭位置进一步减小。这样，入口调整机构能够调节接近压缩机轮的空气入口的有效直径。

[0033] 然而，应指出的是，由入口调整机构限定的孔口在关闭位置为圆形并不重要。替代性地，孔口可以是非圆形的。本发明不限于孔口的任何特定的形状。

[0034] 如前所述，叶片102被可围绕空气入口的中心轴线旋转的同步环106致动，以在它们的打开位置与关闭(和可选地超闭)位置之间枢转。现在参考图4-图6，由被接纳到限定于压缩机壳体中的插座116a(图3)中的致动器116给予同步环旋转运动。致动器包括致动器杆117，所述致动器杆117延伸通过限定在压缩机壳体中的空间，并且在其远端处固定至从同步环106(图3)的外周径向向外突出的突起109。致动器可操作以使杆117沿着其长度方向线性地延伸和缩回，以便使同步环106旋转并从而致动叶片102。延伸杆使叶片朝着关闭位置枢转，并且缩回杆使叶片朝着打开位置枢转。

[0035] 如所指出的，入口调整机构100能够实现到压缩机轮14中的入口的有效尺寸或直径的调整。如图2中所图示的，当入口调整机构在关闭位置时，到压缩机轮中的入口的有效直径由叶片102限定的内径决定。为了实现该效果，叶片与压缩机轮之间的轴向间隔距离必须尽可能小，使得叶片下游的距离不足以使流动到空气遇到压缩机轮时为止膨胀至压缩机轮14的导风轮部分的完全直径。入口直径从而有效地减小至由叶片决定的值。

[0036] 在低流量(例如，低的发动机速度)时，入口调整机构100可处于图2和图6的关闭位置。这能具有减小有效入口直径和因而提高到压缩机轮中的流动速度的效果。结果是压缩机叶片入射角度的减小，以有效地稳定流动(即，使叶片失速和压缩机喘振不太可能)。换句话说，压缩机的喘振线向较低的流量(在压缩机压力比对流量的图上向左)移动。

[0037] 在中间和高的流量，入口调整机构100可部分打开或如图5中地完全打开。这能具有增大有效入口直径的效果，使得基本上如同入口调整机构不存在一样，并且如同压缩机在轮的导风轮部分处具有与轮直径匹配的传统入口一样，压缩机重新获得其高的流动性能和喘振流动。

[0038] 根据在本文公开的本发明的一个方面，入口调整机构100包括用于当入口调整机构关闭时改善压缩机的低端性能的特征。更具体地，如图7中最佳地看到的，机构的叶片102中的每一个包括在叶片的上游表面102u上的涡流导风轮SW。涡流导风轮可包括在上游表面中的槽或沟槽。参考图8，槽或沟槽以关于压缩机的径向方向(由线R指示)的角度α延伸。角度α可以是正的或者负的，其中，正角度表示预涡流(如图8所示，在与压缩机轮14的旋转相同的方向上的涡流)，并且负角度表示反向涡流。涡流导风轮使穿过机构的孔口的空气从没有周向分量的流动方向转到具有某一周向分量的流动方向。

[0039] 相邻涡流导风轮槽之间的壁或肋如图8所示具有厚度t。槽SW的数量、肋的厚度t和槽的角度α是当设计入口调整机构的叶片时可选择的设计变量。

[0040] 当入口调整机构关闭时，涡流导风轮SW能有效用于改善压缩机的低端性能。例如，当涡流导风轮倾斜以在流动中引起预涡流时，能减小压缩机叶片的入射角度；这当压缩机靠近压缩机图的喘振线操作时特别有利，在喘振线处，入射角度高，使得在压缩机叶片上能开始出现流动分离，导致效率较低的压缩机操作。预涡流减小入射角度，并从而能改善效率。

[0041] 受益于在前述说明和附图中展现的教导，本文中陈述的发明所属的领域的技术人员将想到这些发明的许多变型及其他实施例。例如，尽管图示的实施例采用三个叶片102，但本发明不限于任何特定数量的叶片。本发明能以少至两个的叶片或多达12个或更多的叶片实践。可根据需求选择叶片的数量。此外，尽管已经图示并描述了带有圆弧边缘的叶片，但叶片不是必须具有圆弧边缘。在本发明的范围内还包括带有不同形状(线形、椭圆形等)的边缘的叶片。因此，应理解的是，本发明不限于所公开的特定的实施例，并且变型和其他的实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文中采用了特定的术语，但它们仅在一般和描述的意义上使用，并且不用于限制的目的。

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具有包括涡流导风轮的可调调整机构的涡轮增压器压缩机

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