压缩装置
专利汇可以提供压缩装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于压缩气体的压缩装置，包括 叶轮 (1)，叶轮包括安装在 外壳 (2)内部可旋转的多个 叶片 (4)。外壳(2)具有内壁，内壁确定了 位置 和压缩装置叶片(4)的径向外缘(4a)紧邻的表面(5)，压缩装置入口包括延伸形成气体进口的外部管状壁(7)和在外部管状壁(7)内延伸并确定了入口的进口段(10)的内部管状壁(8)。在内部和外部管状壁之间确定了环形气气流道(11)。至少一个下游的缝隙(13)在环形流道(11)和外壳(2)的被叶轮的叶片(4)扫掠的表面(5)之间连通，至少一个上游的缝隙在环形流道(11)和入口的进口段或进口部分之间连通。多个入口导引叶片(14)安装在至少一个上游缝隙下游的入口的进口段(10)的内部，从而通过入口的进口段把预 涡流 引入气流中。，下面是压缩装置专利的具体信息内容。
1.用于压缩气体的压缩装置，压缩装置包括：确定了入口和出口的外壳；叶轮包括多个可旋转安装在外壳内部的叶片；外壳具有内壁，所述内壁确定了位置紧邻叶轮的叶片径向外缘的表面，当压缩装置叶轮围绕它的轴线旋转时，所述叶片在所述表面上扫掠；其中所述入口包括：沿着上游方向远离叶轮延伸出的外部管状壁，该管状壁形成所述入口的气体进口部分；在外部管状壁内部沿着上游方向远离叶轮延伸出的内部管状壁，该内部管状壁确定了入口的进口段；在内部和外部管状壁之间确定的环形气体流道；在环形流道的下游部分和被所述叶轮的叶片扫掠的所述外壳表面之间连通的至少一个下游缝隙；在环形流道的上游部分和入口的进口段或进口部分之间连通的至少一个上游缝隙；以及安装在入口的进口段内部的多个入口导引叶片，该导引叶片位于所述至少一个上游狭缝的下游，从而在流过所述入口的进口段的气体中引起预涡流。
2.依照权利要求1所述的压缩装置，其中环形流道在它的上游端开放，从而使所述至少一个上游缝隙缝是在内部管形壁的上游末端确定的环状开口。
3.依照权利要求1或2所述的压缩装置，其中通过内部管形壁支撑入口导引叶片。
4.依照权利要求3所述的压缩装置，其中每个入口导引叶片都支撑在内部管状壁和沿着压缩装置的轴线设置的中央前锥体之间。
5.依照前述任一权利要求所述的压缩装置，其中可以调整导引叶片，以有选择地改变在流线进口段的气体中引起预涡流的程度。
6.依照权利要求5所述的压缩装置，其中每个入口导引叶片绕径向轴线可枢转，以改变相对于和压缩装置的轴线平行的平面的叶片的角度，从而改变预涡流的程度。
7.依照权利要求6所述的压缩装置，其中每个叶片安装在各自的径向主干上，所述主干通过内部管状壁延伸，而且提供驱动装置以旋转每个叶轮主干，从而使各叶片作枢转运动。
8.依照权利要求7所述的压缩装置，其中所述驱动装置包括布置在内部管状壁周围的环形元件，环形元件通过各自的连接臂与每个入口导引叶片主干连接，从而使环形元件绕内部管状壁的旋转运动传输到每个入口导向叶片主干，以同时调整每个导向叶片的角度。
9.依照前述任一权利要求所述的压缩装置，其中所述环形气体流道具有沿着它的轴线在上游和下游末端之间测量的长度L1，内部管状壁在所述至少一个下游缝隙的上游延伸了沿其轴线测量为L2的长度，其中的L1/D＞0.65和/或L2/D＞0.6，D是内部管状壁的直径。
10.依照权利要求9所述的压缩装置，其中距离L1和L2或者全部是直的或至少有部分是弯曲的。
11.依照前述任一权利要求所述的压缩装置，其中内部管状壁和环形通道是共轴的，其轴线是压缩装置叶轮轴线的延续。
12.依照前述任一权利要求所述的压缩装置，其中内部管状壁被拧进由所述外部管状壁确定的环形座。
13.依照前述任一权利要求所述的压缩装置，其中通过螺钉或者类似物将外部管状壁固定到压缩装置外壳的出口导流部分。
14.一种包括依照前述任一权利要求所述的压缩装置的涡轮增压装置。
压缩装置
技术领域
背景技术
在通常的涡轮增压装置中，叶轮安装在涡轮增压装置的轴的一端，并通过安装在位于涡轮增压装置轴另一端的涡轮外壳内部的废气驱动的涡轮来旋转。安装的轴用于在位于压缩装置和涡轮腔室之间的轴承腔室内部的轴承装置上旋转。
在一些涡轮增压装置中，压缩装置入口结构具有一种已知的，称为“图宽提高的”(MWE)的结构。MWE结构在例如号码为4743161的美国专利中就有所描述。这种MWE压缩装置的进口包括两个共轴的管形入口部分，一个是形成了压缩装置进口的外部入口部分或壁，一个是确定了压缩装置进口段或主入口的内部入口部分或壁。内部入口部分比外部入口部分短，并具有一个内部表面，内部表面是压缩装置外壳的内壁的表面的延伸，外壳内壁的表面被叶轮轮叶的边缘扫掠。该装置是这样的：在两个管状入口部分之间确定了环形流动路径，该管状入口部分的上游末端是开放的，而且在其下游末端提供缝隙，缝隙与压缩装置外壳的内部表面连通，所述内部表面面向叶轮。
在操作中，环绕压缩装置进口段的环形流道中的压力通常比大气压要低，而且当叶轮进行高速运转以及气体流量较高时，被叶轮扫掠的区域中的压力比环形通道中的要小。这样在这种情况下，空气流从环形通道向内流向叶轮，因此就增加了到达叶轮的空气量，从而也增大了压缩装置的最大流动容量。然而当通过叶轮的气流减少时，或者当叶轮的速度减小时，那么通过环形通道进入叶轮的空气量就减少，直至达到平衡。叶轮流量或流速的进一步减小导致通过叶轮扫掠的区域中的压力增大，并超过环形通道内部的压力，这样通过环形通道的空气流方向就有一个逆转。也就是在这种情况下，空气由叶轮向外流向环形通道的上游端，并回转到压缩装置的进口，以进行再循环。压缩装置的气流或叶轮速度的增加将会引起发生逆转，即通过环形通道回转到入口的气体量减少，紧接着达到平衡，再接着通过环形通道的空气回转，使空气经过连通环形通道和叶轮的缝隙进入叶轮。
众所周知该装置增大了最大流动容量并改进了湍振裕度，从而稳定了压缩装置的性能，即减小了压缩装置湍振时的气体流动。这已知可以增加了压缩装置“图”的宽度时，压缩装置“图”是压缩装置特性曲线图。所有的这些对熟练的技术人员来说是公知的。
由于通过压缩装置的压力和物质流动速率的巨大波动，在湍振情况下压缩装置的操作运转是极不稳定的。许多装置比如在涡轮增压装置中，压缩装置施加空气到往复式发动机，物质流动速率的这些波动就是不可接受的。结果就一直存在通过改进湍振裕度以延伸压缩装置可用的流动范围的需要。
发明内容
依照本发明提供了一种用于压缩气体的压缩装置，压缩装置包括：确定了入口和出口的外壳；叶轮包括多个可旋转地安装在外壳内部的叶片；外壳具有内壁，所述内壁确定了位置紧临压缩装置叶片的径向外缘的表面，当叶轮围绕它的轴线旋转时，压缩装置叶片的径向外缘扫掠所述表面；其中所述入口包括：从叶轮沿上游方向延伸出来的外部管状壁，该外部管状壁形成入口的空气进口部分；在外部管状壁的内部从叶轮沿上游方向延伸出来的内部管状壁，该内部管状壁确定了入口的进口段；在内部和外部管状壁之间确定的环状气体流道；
在环形流道的下游部分和被叶轮的叶片扫掠外壳的表面之间连通的至少一个下游缝隙；在环形流道的上游部分和入口的进口段或进口部分之间连通的至少一个上游缝隙；以及安装在进口的进口段内的多个入口导引叶片，所述入口位于所述至少一个上游缝隙的下游，从而通过进口的进口段在气流中引起预涡流。
与通常的MWE压缩装置相比，依照本发明的压缩装置在湍振裕度方面有了改进，但不具有引起常常与没有入口导向叶片系统的压缩装置相关的阻流现象显著减少的缺点。
入口导向叶片的角度优选地在0°和约45°之间，而且可以是固定的或可调的。
优选地内部管状壁在所述至少一个下游缝隙的上游延伸沿着它的轴线测量为L2的长度，其中，L2/D＞0.6，D是内部管状壁的直径。
此外，优选地，所述环形气体流道具有在上游和下游末端之间测量为L1的长度，L1/D＞0.65。
依照本发明的压缩装置适用于涡轮增压装置的内含物。
从随后的描述可以更清楚的显现出本发明的其它优选和有益特征。
附图说明
现在参照附图描述本发明的优选实施例，如下：图1是通常的MWE压缩装置的部分横截面图；图2是通过包括依照本发明的第一实施例的固定的入口导引叶片系统的MWE压缩装置的部分横截面图；图3是依照图2的压缩装置的入口的正视图；图4是与可变的入口导引叶片系统相配合的非-MWE压缩装置在导引叶片分别呈0°和20°角时的重叠曲线图；图5a是将依照图2的实施例的压缩装置图和与入口导引叶片系统相配合的非-MWE压缩装置图相比较的重叠曲线图；图5b是将依照图2的实施例的压缩装置的效率同与类似导引叶片系统相配合的非-MWE压缩装置的效率相比较的重叠曲线图；图6a是依照图2的实施例的压缩装置图与不具有导引叶片系统的标准MWE压缩装置图相比较的重叠曲线图；图6b是依照图2的实施例的涡轮增压装置的效率与传统的MWE压缩装置的效率相比较的重叠曲线图；图7a是具有的入口导引叶片以45°向前扫掠的依照本发明的压缩装置的图和与以0°设置的导引叶片相配合的类似的MWE压缩装置的图相比较的重叠曲线图；图7b是具有在图6a中给出的图的压缩装置的效率的重叠曲线图；图8是依照本发明的第二实施例的一个MWE压缩装置的部分截面图，该压缩装置包括一个可变的入口导引叶片系统；图9a是将依照本发明的压缩装置在入口导引叶片以0°设置时的图和标准的MWE压缩装置的图相比较的重叠曲线图；图9b是具有图9a中给出的图的压缩装置的效率的重叠曲线图。
具体实施方式
环状流道11在内部和外部壁9和8之间分别环绕进口段10。流道11在其上游末端开放至入口8，并通过外壳2的环状壁12关闭于它的下游末端。环状流道11由穿过外壳形成的缝隙13和叶轮1连通，而缝隙13在环状流道11的下游部分和外壳2的内壁5之间连通，通过叶轮的轮叶4的外缘4a在所述外壳2的内表面5上进行扫掠。
图1给出的通常的MWE压缩装置按照在上面的详细说明的介绍运转。概括的说，当通过压缩装置的气体流动速率较高时，空气向着叶轮1在轴向沿环形流道11流动，并通过缝隙13流向叶轮1。当经过压缩装置的气流流动较弱时，经过环形流道11的空气流动的方向就是相反的，从而使由叶轮流出的空气通过狭缝13，并沿着上游方向经过环形流道11，并将空气再次引入空气入口8，以经过压缩装置进行再循环。这一压缩装置功能上的稳定性使其湍振裕度和阻流现象的状况都得到了改善。
参照图2给出了依照本发明的第一个实施例的图1中的通常的MWE压缩装置的改进。通过与图1中使用的相同的参考数字表示相应于图1中压缩装置的那些结构。这样依照本发明给出的压缩装置包括在压缩装置外壳2内部旋转的叶轮1，横向扫掠外壳2内部表面5的轮叶的外缘4a。
出口涡旋形6与图1的通常的MWE压缩装置中的相同，但是依照本发明的入口结构作了修改。具体的，内部和外部管状外壳壁9和8向上游方向延伸，从而容纳入口导引叶片系统的内含物，该导引叶片系统的内含物包括在中央头锥体15和内部管状壁9之间延伸的多个导向叶片14。相对于叶轮1的旋转方向，导向叶片14向前扫掠，以将空气流的预涡流引导到压缩装置的叶轮。在给出的例子中，每个导向叶片14基本上是平面的，具有径向前缘14a和成角度的后缘14b，在和叶轮1的轴相平行的平面成锐角的平面上沿着下游方向延伸，并经过各自的叶片前缘14a。图3最为清晰地示出了入口导向叶片14的向前扫掠，图3是图2中的压缩装置的入口的正视图。在给出的优选实施例中，入口导向叶片14以20°的角度向前扫掠。
我们知道提供的轴向入口导引叶片对扩展非-MWE压缩装置的工作范围是有用的。所知的导向叶片系统包括固定的导向叶片系统和可变的导向叶片系统，在可变的导向叶片系统中，导向叶片向前扫掠的角度是可调整的。在压缩装置入口处通过导向叶片引入的预涡流可以改善压缩装置的湍振裕度，即可以减小压缩装置湍振时的流量。这可从图4中看出：这是一幅与可变的入口导向叶片装置(未给出)相匹配的非-MWE压缩装置图的重叠曲线图，可变的开口导向叶片装置的叶片分别以0°(没有涡流引入)和20°设置。
众所周知，压缩装置图绘出对于各种叶轮旋转速率从压缩装置入口到出口通过压缩装置的空气流动速率与压力的比。图中左手侧的线表示压缩装置在各种涡轮增压器速度下产生湍振时的流动速率，该线称为湍振线。图4中用于引入预涡流的20°导向叶片的压缩装置的图用点线示出的预涡流。可以清楚地看出，与以0°设置的没有预涡流的叶片相比，对于所有工作速度压缩装置湍振时的流量减小了。而且图4也给出了在压缩装置入口中引入预涡流的熟知的不理想效果，也就是压缩装置压力比率容量(图的最高点)的减小以及最大空气流量的减小，即所谓的阻流现象，这通过图中右手侧的线表示。实际上，阻流现象的减小常常胜过湍振裕度的改进，从而形成了压缩装置特性线图的总体上较窄的宽度。
此外，本发明者已经发现在MWE压缩装置中入口导引叶片系统的设置可以提供与通常的MWE压缩装置相比较进一步改进的湍振裕度，以及与设有类似的导引叶片的非-MWE压缩装置相比的压缩装置压力比率容量或者阻流现象的改进，提供的导向叶片安装在压缩装置的进口段内，位于从压缩装置叶轮到压缩装置进口的返回气体的再度引入点的下游位置。这通过图5和图6给出。
首先参照图5，它是将图2(以点线示出)中非-MWE压缩装置图和设有对应于图2的导向叶片装置的非-MWE压缩装置图相比较的重叠曲线图。图2中的导向叶片以20°延伸，以引起预涡流(例如在图4中以点线示出的图)。这说明本发明在湍振裕度上相对于没有导向叶片的非-MWE压缩装置相比有了显著的改进，在压缩装置压力比率容量和阻流现象上也有所改进。
图5b是具有在图5a中给出的图的压缩装置的效率的重叠曲线图。它清楚地表明了效率没有明显的损失，甚至在一些情况中效率还有所提高，这与在MWE压缩装置中增加了入口导引叶片系统有关。
参照图6a，是将图2(在该例子中以实线示出)中的压缩装置的图与不具有入口导向叶片(以点线示出)的标准MWE压缩装置的图的相比较的重叠曲线图。它说明当固定导引叶片系统增加到MWE压缩装置中时，会在消除阻流现象的同时增大湍振裕度，图的总体宽度基本上不会受影响。换句话说，阻流现象的减小，以及压力比率容量的减小，不会像在非-MWE压缩装置中那样显著。
图6b是具有图6a中绘出的图的压缩装置效率的重叠曲线图，再次说明了效率没有因为本发明的实施而产生明显的损失。
如果增大入口叶片的角度，阻流现象的负效应也得到增加。这通过图7a示出，图7a是设有导引入口叶片的依照本发明的压缩装置的重叠曲线图，这种导引入口叶片相对于类似的设有0°(以实线示出)的导引入口叶片的MWE压缩装置系统相比以45°(以虚线示出)向前扫掠。可以看出当预涡流的量增加时，阻流现象明显降低了。此外，图7b画出两个压缩装置的效率，说明了效率会同样减小。
在图2中描述的本发明的实施例是一个相对简单的固定的入口导引叶片系统，以证明了本发明通过在图1中示出的通常MWE压缩装置的微小改进可以获得的好处。这样是优选的，即入口导引叶片是可调整的，以改变预涡流的程度，从而适合各种工作环境，从而使增大湍振裕度的益处最大化以及将减小阻流现象所造成的损失减到最小。本发明的实施例包括可调整或者可变入口导引叶片(AVIGV)系统，它在图8中以部分横截面中给出。
参照图8给出的压缩装置具有标准的外壳，该外壳具有容纳叶轮17的出口导流部分16，该出口导流部分还确定了出口涡旋形18，该外壳还具有入口部分，入口部分包括确定了压缩装置的入口部分20的外部管状壁19和确定了压缩装置进口段22的内部管状壁21。实际上，内部管状壁21是一个自身为两部分的结构，包括了通过螺栓22螺栓结合到管形部分21的主体部分的向外展开的入口锥形体21a。外部管形入口19螺栓连接到压缩装置外壳的出口导流部分16，并在19a区域向外展开，从而容纳执行上述机理的可变入口导向叶片。
可以通过以23示出的螺纹接合将内部管状壁部分21固定连接到外部管状壁部分19。环状流道形成在内壁部分21的周围，内壁部分具有三个轴向部分，即上游的轴向部分24a，由压缩装置外壳的出口导流部分16确定的中间轴向部分24b，以及在压缩装置外壳的出口导流部分16内部形成的下游轴向部分24c。缝隙25提供了环状通道24和压缩装置外壳的出口导流部分16的内部表面26之间的连通。通过压缩装置的轮叶17a的边缘对压缩装置外壳进行扫掠。
入口导引叶片系统与图2中给出的类似，包括了在中央前锥体28和内部管状壁部分21之间延伸的多个导引叶片27，内部管状壁部分位于环状气流通道24开口到入口的进口20中的位置的下游。而且在每个入口导引叶片27可绕通过内壁部分21径向延伸的主干28枢转的情况下，使每个叶片可绕位于叶片前缘邻近处的径向轴枢转。每个叶片主干的末端从内壁部分21径向延伸，并通过各自的连接臂30和公共操作环状结构29连接在一起。这样的布置可以使操作环状结构在内壁21周围的旋转的同时，使各自的主干结构28上的所有导引叶片27枢转，以改变导引叶片27相对于叶轮17的旋转方向向前扫掠的角度。基本类型的可变或者可调整的入口导引叶片系统是熟知的，并允许对引起的流进叶轮的气体的预涡流的程度进行适当的调整。
除了可变导引叶片系统的结构和操作以外，图8的实施例的操作基本上和图2中的一样，在压缩装置的性能方面进行了改进。实际上，发明人已经发现，本发明的实施例提供的可变的入口导引叶片系统中，将导引叶片的角度设置为0°可以提供与标准的MWE压缩装置相比较湍振裕度上的一些改进，而阻流现象并没有显著的减小。这可由图9示出。图9是将叶片角度以0°设置的依照本发明的压缩装置(以点线示出)与图1中给出的通常的MWE压缩装置(以实线示出)相比较的重叠曲线图。在这种情况下，湍振裕度的改进被认为是至少在部分程度上应归结于内部管状壁(图6中的部分21)与通常的MWE入口装置相比长度的增加。
重新回到图1，2，6，在每种情况下，环状流道11/24具有一个在它的上游末端(确定通道开放至入口的位置)和它的下游末端(通道的轴向最里面的位置)之间确定的总的轴向长度L1。环状通道还具有在它的上游末端和缝隙13/25的轴向位置之间确定的轴向长度L2，该长度对应于在缝隙13/25上游延伸的内部管壁9/21的部分的轴向长度。从本发明的实施例中可以看出，距离L1和L2相比较于在图1中给出的通常的MWE涡轮增压装置的相应尺寸有所延长。更特殊的，本发明人已经发现延伸环形通道的长度到L1/D＞0.65和/或L2/D＞0.6的程度，这里的D是内部管状壁的内部直径，使得压缩装置的湍振裕度会得到显著增加。更具体的，当尺寸L2/D是湍振时气流经过的环形通道11/24的有效长度时，该尺寸被认为是最有价值的。
可以理解，压缩装置外壳的精密结构和导引叶片系统可以与上面描述的实施例有很大不同。重要的是提供的导向叶片用于引入预涡流到入口，该入口位于在压缩装置中来自叶轮的再循环的气流被再次引入入口位置的下游位置。相应的，上面描述的可能的修改和选择的构造对熟练的技术人员来说是容易理解的。
可以理解，入口不必是直的，可以有一个或多个弯曲。换句话说，内部和外部管状壁可以具有从叶轮旋转轴以曲线离开的轴线的部分。为了决定最适宜的用于这些弯曲开口的尺寸L1/D和L2/D，沿着管形部分的轴线(它可以包括直和弯曲的部分)测量各自的长度。这里内部管状壁的直径是可变的，优选的直径D作为内部管状壁的下游直径。
可以理解，围绕入口的内部环状部分确定的环形流通道可包括径向延伸的壁或者导流板，以及其它所知的可以减少噪音产生的有益设计。
同样可以理解，依照本发明的压缩装置可以具有多种应用。一种本领域公知的应用是作为燃烧发动机的涡轮增压装置的压缩机级，其中压缩机叶轮装配在涡轮增压装置的轴的一端。因此可以改变压缩装置外壳以便以惯常的方式连接轴承外壳。本发明其它可能的应用对熟练的技术人员来说是容易理解的。
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