压缩机外壳
阅读：668发布：2023-02-23
专利汇可以提供压缩机外壳专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于 涡轮 增压 器 压缩机 叶轮 的示例性的压缩机叶轮 外壳 ，其包括一大体上圆柱形的外罩表面，该表面可沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，其中，该外罩表面的轴向 位置 随着对于压缩机轮叶外缘半径的径向位置增高而降低，以及扩流器表面沿径向向 外延 伸并沿轴向从圆柱形的外罩表面向下延伸，其中，扩流器表面在小于压缩机轮叶外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一最小扩流器表面轴向位置，并且该扩流器表面在一超出与最小轴向相对应的径向位置的径向位置处包括一较大的轴向位置。本 发明 还公开了其它各种示例性的方法、装置和系统等。，下面是压缩机外壳专利的具体信息内容。
1.一种用于涡轮增压器压缩机叶轮的压缩机叶轮外壳，该外壳包括：
大体上圆柱形的外罩表面，该表面能够沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，该z-平面在或接近该压缩机叶轮的一叶片的外缘的较低点处且垂直于该转动轴线，其中，该外罩表面的轴向位置随着对于压缩机叶轮的叶片外缘半径的径向位置增高而降低；以及
扩流器表面，该表面沿径向向外延伸且沿轴向从大体上圆柱形的外罩表面向下延伸，其中，扩流器表面在小于压缩机叶轮的叶片外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一扩流器表面的最小轴向位置，并且，该扩流器表面在一超出与该最小轴向位置相对应的径向位置的径向位置处包括一较大的轴向位置，其中，该扩流器表面包括这样一个部分，该部分在半径大于该最小轴向位置处的半径的范围内具有大体上恒定的轴向位置。
2.根据权利要求1所述的压缩机叶轮外壳，其中，扩流器表面沿径向向外延伸到蜗壳处。
3.根据权利要求1所述的压缩机叶轮外壳，还包括具有一个表面的板，该表面靠近z-平面并且与外壳的扩流器表面一起形成一个扩流器部分，其中该扩流器部分的轴向高度是径向尺寸的函数，并且在扩流器部分的至少一部分上根据径向尺寸而改变。
4.根据权利要求3所述的压缩机叶轮外壳，其中，该轴向高度先减少，然后再相对于增加半径增加到大体上固定的轴向高度。
5.根据前述权利要求中任何一项所述的压缩机叶轮外壳，其中，蜗壳存在于压缩机叶轮的叶片外缘半径的1.8倍的径向距离处。
6.根据前述权利要求1-4中任何一项所述的压缩机叶轮外壳，其中，该扩流器表面在压缩机叶轮的叶片外缘半径的1.2倍的径向距离与压缩机叶轮的叶片外缘半径的1.8倍的径向距离之间具有大体上固定的轴向位置。
7.根据权利要求1-4中任何一项所述的压缩机叶轮外壳，其中，该扩流器表面在小于压缩机叶轮的叶片外缘半径的约1.10倍处的径向位置包括一个扩流器表面的最小轴向位置。
8.一种用于涡轮增压器压缩机叶轮的压缩机叶轮外壳，该外壳包括：
大体上圆柱形的外罩表面，该表面能够沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，该z-平面在或接近该压缩机叶轮的一叶片的外缘的较低点处且垂直于该转动轴线，其中，该外罩表面随着对于压缩机叶轮的叶片外缘半径的径向位置增高而相对于z-平面降低约20°或更小的角度；以及
扩流器表面，该表面沿径向向外延伸和沿轴向从大体上圆柱形的外罩表面向下，其中，扩流器表面在小于压缩机叶轮的叶片外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一扩流器表面的最小轴向位置，并且，该扩流器表面在相对于z-平面约10°或更小的角度处达到其最小轴向位置，其中，该外壳还包括具有一个表面的板，该表面靠近z-平面并且与外壳的扩流器表面一起形成一个扩流器部分，该扩流器部分的轴向高度先减少到扩流器表面的最小轴向位置所对应的最小轴向高度，然后再相对于增加半径保持在一个大体上固定的轴向高度上。
9.根据权利要求8所述的外壳，其中该扩流器部分的轴向高度是径向尺寸的函数，并且在通向扩流器表面的最小轴向位置的扩流器部分的至少一部分上根据径向尺寸而改变。
10.根据权利要求9所述的外壳，其中，该大体上固定的轴向高度包括该最小轴向位置所对应的最小轴向高度。
压缩机外壳
技术领域
背景技术
[0002] 在具有无叶片扩流器外壳的离心式压缩机中的效率将受到扩流器外壳形状的影响。常规外壳使用了一种收缩断面继之以延伸到压缩机涡壳的平行断面，其中，收缩断面在靠近压缩机叶轮出口处提供了节流部，而平行断面则提供了扩流。本说明书公开了用来增加效率(例如与各种常规外壳相比较时)的各种示例性的收缩断面和/或扩流断面。
发明内容
[0003] 本发明的第一个方面提供了一种用于涡轮增压器的压缩机叶轮的压缩机叶轮外壳，该外壳包括：大体上圆柱形的外罩表面，该表面可沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，其中，该外罩表面的轴向位置随着径向位置向着压缩机轮叶外缘半径增高而降低；以及扩流器表面，该表面沿径向向外延伸和沿轴向从圆柱形的外罩表面向下，其中，扩流器表面在小于压缩机轮叶外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一个最小扩流器表面轴向位置，以及其中，扩流器表面在一个径向位置(该位置超出与最小轴向相对应的径向位置)处包括一个较大的轴向位置。
[0004] 本发明的第二个方面提供了一种用于涡轮增压器的压缩机叶轮的压缩机叶轮外壳，该外壳包括：大体上圆柱形的外罩表面，该表面可沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，其中，该外罩表面的轴向位置随着径向位置向着压缩机轮叶外缘半径增高而相对于z-平面降低约20°或更小的角度；以及扩流器表面，该表面沿径向向外延伸和沿轴向从圆柱形的外罩表面向下，其中，扩流器表面在小于压缩机轮叶外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一个最小扩流器表面轴向位置，以及其中，扩流器表面在相对于z-平面约10°或更小的角度处接近其最小值。附图说明
[0005] 通过阅读下面的详细说明，连同参考附图将可对本文所公开的各种方法，系统，装置及其等同物取得更完全的理解，附图中：
[0006] 图1是一个简化的近似图，图中示出了一个包括涡轮增压器和内燃发动机的示例性的系统图；
[0007] 图2是一个示例性的压缩机装置的截面图，该装置具有包括一个扩流器的压缩机外壳，该扩流器具有会聚和扩张壁部分；
[0008] 图3是一个示例性的压缩机装置的截面图，该装置具有包括一个扩流器的压缩机外壳，该扩流器具有一个早期会聚部分；
[0009] 图4是一个示例性的压缩机外壳的截面图，该外壳具有会聚和扩张壁部分；
[0010] 图5 A是一个示例性的压缩机外壳的截面图，该外壳具有早期收缩或会聚壁部分；
[0011] 图5B是图5A的压缩机外壳的放大的截面图；
[0012] 图6是具有会聚和扩张壁部分(约3.00毫米至约3.30毫米)的示例性的压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图；
[0013] 图7是具有扩流器的常规压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图，该扩流器具有平行壁部分(约3.30毫米的间隔)；
[0015] 图9是具有早期收缩或会聚壁部分(约2.47毫米的间隔)的示例性的压缩机外壳与常规压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图的重叠比较；
[0016] 图10是具有早期收缩或会聚壁部分(约2.87毫米的间隔)的示例性的压缩机外壳与常规压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图的重叠比较；
[0017] 图11是具有早期收缩或会聚壁部分(约3.27毫米的间隔)的示例性的压缩机外壳与常规压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图的重叠比较。
具体实施方式
[0018] 图1示出了一个示例性的系统100，该系统包括示例性的内燃机110和示例性的涡轮增压器120。内燃机110包括安装有一个或更多可操纵地驱动轴112的燃烧室(例如缸体等)的发动机缸体118。如图1所示，进气口114为进入空气提供一条通向发动机缸体118的流动通道，而排气口116为从发动机缸体118的排气提供一条流动通道。
[0019] 示例性的涡轮增压器120从排气中提取能量，并且利用该能量来使进气压力(例如进口空气的压力等)增压。如图1中所示，涡轮增压器120包括轴122，该轴上装有压缩机124，涡轮机126，进气口134和排气口136。来自内燃机110的转向涡轮机126的排气使轴122转动，然后该轴又使压缩机124转动。当转动时，压缩机124向进气提供能量，从而在进气压力(即，每单位面积的力或每单位体积的能量)中产生一个通常称作增压压力的“升压”。这样，涡轮增压器就可以帮助向内燃机提供大量的进气(通常与碳基和/或氢基燃料相混合)，在燃烧期间，这些进气可以转换成更大的内燃机输出功率。
[0020] 排气涡轮或涡轮增压器可任选地包括一个用来控制向该排气涡轮的排气流量的可变几何形状机构或其他机构。市场上可以买到的可变几何形状涡轮增压器(VGT)包括，TM但不受此限制， 和AVNT 涡轮增压器，这些涡轮增压器使用了多个调整叶片来控制通过喷嘴并穿过涡轮的排气流量。此外，示例性的系统100还可以包括一个涡轮增压器或压缩机，它们具有能够使轴(例如压缩机轴，涡轮轴等)加速和/或减速的辅助电机和/或发电机以及辅助的电源电子设备。电源电子设备在直流电源上操作并且产生交流信号，以便驱动电机和/或发电机。
[0021] 图2示出了压缩机装置200的截面图(固定角Φ的r-z平面)，该装置包括压缩机叶轮202，示例性的压缩机外壳210和板230。压缩机叶轮202包括一个以轴线为中心并且具有一个或更多叶片206的转子204，其中，每个叶片具有外缘208。如图所示，叶片206的外缘208有一个半径r1(从转子204的轴线测量)。各种不同的特征可以相对于r轴线和/或z轴线进行描述，该轴线是压缩机叶轮202的转动轴线。例如，压缩机叶轮包括在或接近一个叶片的外缘208的较低点处的z-平面。在各个不同的实施例中，该z-平面可以用作z-轴线的起始点。
[0022] 示例性的压缩机外壳210大体上包括轴向罩壁部分212，成形罩壁部分214，该成形罩壁部分在半径大于半径r1处通向扩流器部分。该扩流器部分可进一步分成会聚和扩张的扩流壁部分216和通向压缩机蜗壳220的大体上平行的扩流壁部分。外壳210的表面形状对于罩壁部分212大体上是圆筒形，其轴向尺寸还随着半径向半径r1增加而减少。在半径r1处，该罩壁部分过渡到扩流器部分，该扩流器部分的一部分由扩流器表面或壁所限定。
[0023] 平行的扩流壁部分表明在上表面与下表面之间有一个固定的间距。通常，该上表面是外壳的表面或者是其组成部分，而下表面则是板的表面。尽管这些表面沿着z-轴线的位置可能会出现某些变化，但是随着在平行扩流壁部分中半径的增加在这些表面之间的间距大体上可以保持不变。
[0024] 在该实施例中，板230从位于接近叶片206的外缘208(例如半径r1)处的内壁234延伸到贴近压缩机蜗壳220和扩流器部分的远端的外壁238。该板具有上表面232，该表面从内壁234延伸到外壁238并且形成扩流器部分的下壁。如图所示，大体上平行的扩流壁部分218大体上平行于板230的上表面232，并且沿着轴线具有一个高度hdiff(h扩流壁)。在平行的扩流壁部分218中，hdiff(h扩流壁)相对于尺寸r是基本上不变的，即，hdiff(r)＝hII+/-ε，其中，ε同hII相比是一个小偏差值。
[0025] 在图2的实施例中，最大的壁扩张发生在扩张壁部分216的扩张部分上，并且在较大的直径或半径处，壁部分基本上是平行的，特别是在它接近蜗壳220处。会聚和扩张的扩流壁部分216具有一个相对于板230的上表面232的最小高度，其中，最小高度(例如hmin)发生在半径rmin处。
[0026] 通常，常规压缩机装置具有一个平行的扩流器部分，大部分扩流在其中产生。在这样的扩流器部分内，壁的摩擦将随着扩流器高度的降低而增加。反过来，压缩机效率将随着该平行扩流器部分的扩流器高度的降低而显著地减少。此外，在zΦ-平面内的全部流动面积由于几何形状的作用将随着半径的增加而增加，从而减少沿着r轴线的气体速度和气体混合。
[0027] 根据示例性的压缩机装置200，会聚和扩张的扩流壁部分216提供了改进的效率和/或性能。具体地说，会聚部分起着收缩作用，它在靠近压缩机叶轮出口处提供了一个节流部(由此建立了通过该扩流器部分的更加均匀的流动)，同时扩张部分又减少了壁的摩擦(由此增加了扩流器部分的“液压半径”)。扩流可以在扩张部分发生并且还可以稳定流动和提高扩流器部分的效率。
[0028] 图3示出了压缩机装置300的截面图(固定角Φ的r-z平面)，该装置包括压缩机叶轮302，示例性的压缩机外壳310和板330。压缩机叶轮302包括一个以轴线为中心并且具有一个或更多叶片306的转子304，其中，每个叶片具有外缘308。如图所示，叶片306的外缘308有一个半径r1(从转子304的z-轴线测量)。示例性的压缩机外壳310大体上包括轴向罩壁部分312，成形罩壁部分314，该成形罩壁部分在半径大于半径r1处通向扩流器部分，会聚扩流壁部分316和通向压缩机蜗壳320的大体上平行的扩流壁部分318。在该实施例中，板330从位于接近叶片306的外缘308(例如半径r1)处的内壁334延伸到贴近压缩机蜗壳320和扩流器部分的远端的外壁338。该板具有上表面332，该表面从内壁334延伸到外壁338并且形成该扩流器部分的下壁。如图所示，大体上平行的扩流壁部分318大体上平行于板330的上表面332，并且沿着z-轴线具有一个高度hdiff。在该实施例中，最大的扩张壁会聚发生在会聚壁部分316上，该会聚部分位于在半径r1(例如，接近叶片306的外缘308处)与大体上平行的扩流壁部分318的开始端之间的半径rconv.(r会聚)处，并且在半径rII处开始。会聚壁部分316相对于板330的上表面332会聚到一个最小高度(例如hmin)其中，该最小高度发生在半径rII或者在大于rII的半径处。
[0029] 通常，作为涡轮增压器应用的具有无叶片外壳的离心式压缩机的效率取决于扩流器的形状。常规的压缩机外壳通常包括成形的罩壁，该罩壁从与压缩机叶轮出口外缘308在半径r1处的半径相同的半径通过一条线延伸，该线具有与在r-z平面内的叶轮出口的有罩侧的斜度相同的斜度。该半径增加而轴向尺寸减小的斜线形成了一个收缩扩流器部分，然后再沿径向延伸，从而形成一个大体上平行的扩流器部分。在示例性的压缩机装置300内，压缩机外壳310具有一个曲线的会聚壁部分，该会聚壁部分在某个半径处会聚成一个扩流收缩部分，该半径小于通常在涡轮增压器的常规压缩机外壳中使用的半径。
[0030] 就流体动力学而论，当流体从压缩机叶轮排出(例如在大于r1的半径处)时，将发生流体混合，从而将会产生相关的和显著的混合损失，这种损失将使压缩机的效率降低。通常，扩流器效率取决于在该入口点的流体入流特性。具有薄边界层的均匀流场的效率通常比具有较弱的动量区和较厚的边界层的流场的效率更高。根据示例性的压缩机外壳310，早期的收缩将在压缩机叶轮的出口处产生流体的早期和巨大的加速。反过来，这种加速也将在扩流器入口处产生具有薄边界层的更均匀的流场。这种流场为随后的扩流作了很好的准备，因此降低了在压缩机出口处的混合损失。
[0031] 本说明书中所描述的各种压缩机外壳包括会聚和扩张的壁部分和/或早期会聚部分，例如(但不受此限制)上面所描述的图2和3中的那些结构。具体地说，就是指对具有会聚和扩张部分的示例性的压缩机外壳的详细说明，以及后面的对具有早期会聚部分的示例性的压缩机外壳的详细说明。可以将这些实施例的特征进行组合，例如，组合在一个具有早期会聚和扩张部分的示例性的压缩机外壳中。
[0032] 图4示出了示例性压缩机装置400的截面图(r-z平面)。示例性的压缩机装置400包括板430和具有会聚和扩张扩流壁部分的压缩机外壳410。压缩机外壳410还形成压缩机蜗壳420。在一个实施例中，示例性的压缩机外壳410具有以下用半径(由中心轴线算起)给出的尺寸和对r1的归一化值，r1是压缩机轮叶外缘的半径：
[0033]
[0034] 根据该实施例，示例性的压缩机外壳包括会聚和扩张壁部分，该部分处于无因次半径(即，对r1归一化的半径)小于约1.2的位置上，以及扩流器部分，该部分在无因次半径约1.8或更大处与压缩机蜗壳相连接。在该实施例中，该会聚和扩张部分发生在一个半径位置上，该半径约为扩流器部分与压缩机蜗壳相连接位置处的半径的2/3或更小。
[0035] 在该实施例中，压缩机叶轮出口具有的轴向尺寸为4.00毫米，扩流器在平行部分具有的最大轴向尺寸为3.30毫米，以及在rconv.处所测量(从限定扩流器的下板的上表面测量)的最大轴向尺寸为2.97毫米。压缩机叶轮出口的环形面积约为653平方毫米(4.00毫米*π*2.26毫米)，扩流器在rconv.处对叶轮出口的环形面积比约为0.80或更小，以及在rdiv(r扩张)对rconv.处的扩流器环形面积比约为1.25或更大。虽然尺寸是以半径的形式规定的，但是也可以使用直径。此外，各种表面可以用尺寸r和/或z的函数形式来描述。在该实施例中，A-平面也可以用来使轴向尺寸特征化，记为hA-plane(hA平面)。例如，扩流器在rconv.处的上表面可以包括约6.59毫米的hA-plane，以及在扩流器的平行部分处可以包括约
6.92毫米的hA-plane。因此，该轴向尺寸是径向尺寸的函数并且可以在扩流器的至少一部分上改变。从A-平面测量的叶轮尺寸hwheel(h叶轮)也可以参看图4。
6.92毫米的hA-plane。因此，该轴向尺寸是径向尺寸的函数并且可以在扩流器的至少一部分上改变。从A-平面测量的叶轮尺寸hwheel(h叶轮)也可以参看图4。
[0036] 本说明书中公开的各种示例性的外壳的目的在于减少流动的切向分量，例如切向速度。在常规外壳中，截面积和流动体积随着半径的增加而增加。当与在常规外壳中发现的关系相比较时，示例性的外壳相对于半径呈现出逐渐增加的截面积和流动体积的同时，还包括会聚壁部分相对于半径使截面积和流动体积减少。如本文中已经描述过的，流动通道和环形面积(即，截面积)在轴向尺寸中的变化对于表面摩擦力和扩流损失具有相当大的影响。这种变化影响流动的径向分量，例如径向速度。示例性的外壳可以使径向速度增加，由此减少了失速和喘振的危险。失速和喘振通常与不充分的流动有关，它可以以流动的不充分的径向分量(例如不充分的径向速度)为特征。
[0037] 图5A示出了示例性压缩机装置500的截面图(r-z平面)。示例性的压缩机装置500包括板530，该板的外缘限定了扩流器的底界面，以及具有早期会聚壁部分的压缩机外壳510。压缩机外壳510还形成压缩机蜗壳520。压缩机外壳510具有有各种尺寸，包括内壁半径rwall，半径rII，在该半径位置上扩流器部分基本上与板530的上表面相平行，半径rend，在该半径位置上扩流器部分与压缩机蜗壳520相连接。在该实施例中，图示的半径rII是常规压缩机外壳的，而图示的半径rII-EP则是具有早期收缩或会聚部分的示例性的压缩机外壳的。示例性的压缩机外壳510还包括一个与半径rII-EP相对应的角度ΘII-EP以及一个与半径rII相对应的常规压缩机外壳的角度ΘII。
[0038] 在一个实施例中，示例性的压缩机外壳510具有如表2中所示的尺寸，这些尺寸以角度，高度或半径(从中心轴线测量)的形式给出，并在适当处以对r1归一化的形式给出，r1是压缩机轮叶的外缘的半径。
[0039] 表2.示例性的压缩机外壳的尺寸
[0040]
[0041] 根据该实施例，示例性的压缩机外壳在某个位置上包括一个会聚壁部分，该位置具有小于约1.25的无因次半径。
[0042] 图5B示出了示例性的压缩机外壳510的放大的视图，该外壳包括一个与半径rII-EP，相对应的角度ΘII-EP，以及一个与半径rII相对应的常规压缩机外壳的角度ΘII。在该实施例中，早期的收缩或会聚可以以下列参数为特征：(i)半径rII-EP，在该半径处，壁基本上相平行，以及(ii)在该半径处壁的一个角度ΘII-EP，当半径接近半径rII-EP时，该角度与壁的表面相对准。在该实施例中，在壁与基本上与板530的上表面相平行的位置上的那个半径显著地小于常规压缩机外壳的半径(例如半径rII)。此外，应该注意的是，常规压缩机外壳的该角度显著地大于示例性的压缩机外壳510的该角度。图5B还示出了沿着z轴的扩流器部分高度hdiff.以及沿着z轴叶片的外缘在半径r1处的的叶片高度hB。
[0043] 一种用于涡轮增压器的示例性的压缩机叶轮的压缩机叶轮外壳，该外壳包括：一个大体上圆柱形的外罩表面，该表面可沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，其中，该外罩表面的轴向位置随着径向位置向着压缩机轮叶外缘半径增高而降低；以及扩流器表面沿径向向外延伸和沿轴向从圆柱形的外罩表面向下，其中，扩流器表面在小于压缩机轮叶外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一个最小扩流器表面轴向位置，以及其中，扩流器表面在一个径向位置(该位置超出与最小轴向相对应的径向位置)处包括一个较大的轴向位置。这样一种示例性的压缩机叶轮的外壳任选地包括一个具有某个部分的扩流器表面，在该部分的半径范围内具有基本上固定的轴向位置，和/或一个扩流器表面，该扩流器表面沿径向向外延伸到蜗壳处，其中，该蜗壳是随着围绕轴线的角度变化的。
[0044] 另一个示例性的装置包括这样一种示例性的压缩机叶轮外壳和板，该板包括一个表面，该表面靠近z-平面并且与该外壳的扩流器表面一起形成一个扩流器部分，其中，对于扩流器部分的至少一部分来说，该扩流器部分的轴向高度相对于径向尺寸是变化的。这样一种示例性的装置任选地包括具有一个轴向高度的扩流器部分，该轴向高度先减少然后再相对于渐增的半径增加到一个基本上固定的轴向高度。
[0045] 另一个示例性的压缩机叶轮外壳包括一个大体上圆柱形的外罩表面，该表面可沿着压缩机叶轮的一条具有与压缩机叶轮的z-平面相重合的起始点的转动轴线限定其径向尺寸和轴向尺寸，其中，该外罩表面的轴向位置随着径向位置向着压缩机轮叶外缘半径增高而相对于z-平面降低约20°或更小的角度；以及扩流器表面沿径向向外延伸和沿轴向从圆柱形的外罩表面向下，其中，扩流器表面在小于压缩机轮叶外缘半径约1.25倍的径向位置处包括一个最小扩流器表面轴向位置，以及其中，扩流器表面在相对于z-平面约10°或更小的角度处接近其最小值。
[0046] 一种示例性的装置包括这样一种示例性的压缩机叶轮外壳和板，该板包括一表面，该表面靠近z-平面并且与该外壳的扩流器表面一起形成扩流器部分，其中，对于通向扩流器最小轴向位置的扩流器部分的至少一部分来说，该扩流器部分的轴向高度相对于径向尺寸是变化的。这样一种示例性的装置任选地包括具有一轴向高度的扩流器部分，该轴向高度先减少到最小值，然后再相对于渐增的半径(例如，任选地在该最小轴向高度)保持一基本上固定的轴向高度。
[0047] 图6-11示出了用于各种示例性的压缩机外壳和/或常规压缩机外壳的压缩机流线谱，这些流线谱用来作为比较的原始资料。具体地说，图6-8附属于具有示例性的会聚和扩张部分的压缩机外壳，而图9-11附属于具有示例性的早期收缩或早期会聚部分的压缩机外壳。
[0048] 压缩机流线谱，例如压力比对空气质量流量的曲线图，可以帮助表征压缩机的特性。在流线谱中，压力比通常定义为压缩机出口处的空气压力除以压缩机入口处的压力。空气质量流量可以通过空气密度或空气压力和空气温度方面的知识转换成空气体积流量。压力将引起空气分子之间的摩擦，并由此产生摩擦热。因此，在压缩机出口处的温度通常显著地高于在压缩机入口处的温度，并且压缩机的效率总是小于1。
[0049] 压缩机流线谱一般表示压缩机的效率。压缩机效率取决于各种因素，包括压力，压力比，温度，温度增加，压缩机叶轮转速等。通常，压缩机应该在较高效率或者至少在某个效率范围内工作。一个工作极限通常称为喘振极限，另一个工作极限通常称为节流口面积。当条件接近喘振极限或节流口面积时，压缩机效率将显著地下降。节流口面积由与压缩机叶轮转速和空气中的音速相关的限制而产生。通常，当压缩机叶轮中的流速超过空气中的音速时，压缩机效率就急剧地下降。因此，节流口面积极限通常接近最大的空气质量流量而与压缩机效率或压缩机压力比无关。
[0050] 喘振极限对大部分压缩机叶轮转速都存在，它在压缩机流线谱上限定一个面积，其中较低的空气质量流量和较高的压力比都不可能达到。换言之，喘振极限代表一个最小的空气质量流量，它可以在给定的压缩机叶轮转速和给定的压缩机进口与出口之间的压力差条件下保持不变。此外，压缩机工作在该面积内通常是不稳定的。当压缩机出口处的背压增大，喘振就可能发生，从而使通过压缩机的空气质量流量减少。在最坏的情况下，通过压缩机的背压的解除可能引起负的空气质量流量，这将使压缩机叶轮失速的可能性很大。
[0051] 图6示出了具有在表1中示出尺寸的示例性的压缩机外壳410的流线谱。图7示出了可以与图6的流线谱600相比较的常规压缩机外壳的基准流线谱700。
[0052] 在流线谱600、700中，示例性的压缩机外壳和常规的压缩机外壳具有相同的扩流器间隙(约3.3毫米)，而会聚-扩张压缩机则具有更小的最小间隙(约2.97毫米)。流线谱600和流线谱700的比较显示，使用具有表1中所示尺寸的示例性的会聚-扩张压缩机可以获得单点效率增益。
[0053] 图8示出了流线谱800，它包括常规压缩机外壳和在可动后板可变几何形状的压缩机结构中使用的示例性的会聚-扩张压缩机外壳的结果。该可动后板可变几何形状的压缩机具有一个后板(例如图3中的元件330)，该后板可以沿轴向移动由此调整扩流器的轴向间隙h。当间隙减小时，压缩机喘振线通常将在压缩机流线谱中向左移动。
[0054] 在比较流线谱800时，两种外壳具有相同的最小扩流器间隙，而会聚-扩张外壳在扩流器出口处则具有较大的间隙，此处扩流器部分与蜗壳部分相连接。流线谱800显示，两种外壳具有类似的喘流，但是，适度的改进发生在会聚-扩张外壳中。此外，示例性的会聚-扩张外壳的每条转速线的压力比显著地增大，这显示获得了更高的效率。具体地说，在每分钟约80，000转时，压缩机效率可以增加8点，而在每分钟约180，000转时，压缩机效率可以增加1.5点。对于客运车辆的涡轮增压器来说，低速和低流量时压缩机效率的显著增加是特别重要的。因此，在低速和低流量时效率增加的示例性的会聚-扩张压缩机外壳是适合在客运车辆的涡轮增压器中使用的。此外，该压缩机的节流也由于效率的提高而增加，从而使可用的压缩机特性线图的宽度更大，由此改进了这种可变几何形状的装置的可调节性。
[0055] 图9-11示出了各种示例性的早期收缩或早期会聚的壁部分。例如，图5A和图5B示出了示例性的早期会聚壁部分。图9-11中的曲线与在三种扩流器间隙(在平行部分)下进行的汽油台架试验相对应，这三种扩流器间隙为：约2.47毫米，约2.87毫米和约3.27毫米。不同的扩流器间隙可以通过对外壳进行机械加工将金属除去并由此扩大该扩流器间隙而实现。图9-11的曲线显示，压缩机效率可以通过各种不同的示例性的早期收缩或早期会聚壁部分而得到提高。
[0056] 图9示出了一种具有早期收缩或会聚壁部分的示例性的压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图900。在曲线图900中，粗线代表示例性的会聚壁部分外壳的性能，该外壳包括一个约2.47毫米的间隙，而细线代表常规的壁部分的性能，该部分包括一个约2.46毫米的间隙。在示例性的外壳数据与常规外壳数据之间的比较显示，示例性的外壳增加了效率。例如，76％和77％效率的等高线扩大了。
[0057] 图10示出了一种具有早期收缩(即，早期会聚)壁部分的示例性的压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图1000。在曲线图1000中，粗线代表示例性的会聚壁部分外壳的性能，该外壳包括一个约2.87毫米的间隙，而细线代表常规的壁部分的性能，该部分包括一个约2.86毫米的间隙。在示例性的外壳数据与常规外壳数据之间的比较显示，示例性的外壳增加了效率。例如，76％和78％效率的等高线扩大了。
[0058] 图11示出了一种具有早期收缩(即，早期会聚)壁部分的示例性的压缩机外壳的压力比对修正气流的曲线图1100。在曲线图1100中，粗线代表示例性的会聚壁部分外壳的性能，该外壳包括约3.27毫米的间隙，而细线代表常规的壁部分的性能，该部分包括约3.26毫米的间隙。在示例性的外壳数据与常规外壳数据之间的比较显示，示例性的外壳增加了效率。例如，78％和80％效率的等高线扩大了。
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