用于压缩机和具有其的涡轮增压器的被动和半被动入口调节机构

技术领域

本公开涉及例如在涡轮增压器中使用的离心式压缩机，并且更具体地涉及有效入口面积或直径可调节用于不同操作情况的离心式压缩机。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器是连同内燃机一起使用的装置，用于通过压缩被递送到发动机的空气进口以与燃料混合并且在发动机中燃烧的气体来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括在压缩机壳体中的安装在轴的一个端部上的压缩机叶轮，和在涡轮壳体中的安装在轴的另一个端部上的涡轮叶轮。通常涡轮壳体与压缩机壳体分离地形成，并且存在又一个中心壳体，其连接在涡轮和压缩机壳体之间以包含用于轴的轴承。涡轮壳体限定大体环形室，其围绕涡轮叶轮并且接纳来自发动机的排气。涡轮组件包括喷嘴，其从室通向涡轮叶轮中。排气从室通过喷嘴流到涡轮叶轮并且涡轮叶轮由排气驱动。涡轮因此从排气提取动力并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接纳周围空气，并且该空气由压缩机叶轮压缩，并且然后从壳体排出到发动机空气进口。

涡轮增压器通常使用离心式（还已知为“径向”）类型的压缩机叶轮，因为离心式压缩机在紧凑布置中可获得相对高的压力比率。用于压缩机的进气在离心式压缩机叶轮的进口段部分处在大体轴向方向上接纳，并且在叶轮的进口段部分处在大体径向方向上排出。来自叶轮的压缩气体被递送到蜗壳，并且该气体从蜗壳被供应到内燃机的进口。

压缩机的操作范围是涡轮增压器总体性能的重要方面。操作范围大体由压缩机的操作图上的喘振线和阻塞线界定。压缩机图通常呈现为在竖直轴线上的压力比率（由排出压力P_out除以进口压力P_in）相对于在水平轴线上的修正的质量流速。压缩机图上的阻塞线位于高流速处并且表示在一系列压力比率范围上的最大质量流速点的位置（locus）；即，对于在阻塞线上的给定点，不可能增加流速同时保持相同的压力比率，因为在压缩机中发生阻塞流动情况。

喘振线位于低流速处并且表示在一系列压力比率范围上的最小质量流速点而没有喘振的位置；即，对于在喘振线上的给定点，减少流速而不改变压力比率或增加压力比率而不改变流速将导致喘振发生。喘振是当压缩机叶片入射角变得大的使得大量的流动分离在压缩机叶片上出现时通常发生的流动不稳定。压力波动和倒流在喘振期间可发生。

在用于内燃机的涡轮增压器中，当发动机以高载荷或扭矩和低发动机速度操作时，或当发动机以低速度操作并且存在高水平的排气再循环（EGR）时，压缩机喘振可发生。当发动机从高速度情况突然减速时，喘振也可发生。将压缩机的自由喘振操作的范围扩大到较低的流速是压缩机设计通常寻求的目标。

在现有技术中描述了用于增加压缩机范围的多个方法，例如可变的片扩压器或使用入口导向片以增加喘振裕度。与这些系统相关联的缺点是它们需要致动系统，其需要额外的空间、成本和复杂性。因此对处理上述限制的解决方案的需要。

发明内容

本公开描述用于离心式压缩机的被动机构，其可使得压缩机的喘振线能够选择性地移动到左边（即，在给定压力比率下喘振延缓到较低的流速）而不需要任何致动器。本文中描述的一个实施例包括具有以下特征的涡轮增压器：

涡轮壳体和涡轮叶轮，所述涡轮叶轮安装在所述涡轮壳体中并且连接到用于随所述涡轮叶轮旋转的可旋转轴，所述涡轮壳体接纳排气并且将排气供应到所述涡轮叶轮；

离心式压缩机组件，其包括压缩机壳体和压缩机叶轮，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中并且连接到用于随所述压缩机叶轮旋转的可旋转轴，所述压缩机叶轮具有叶片并且限定进口段部分，所述压缩机壳体限定空气入口，用于将空气大体轴向引导到所述压缩机叶轮的所述进口段部分中，所述压缩机壳体还限定蜗壳，用于接纳从所述压缩机叶轮大体径向朝外排出的压缩气体，所述空气入口具有沿着下游方向延伸一轴向长度的内表面，接着是布置在所述空气入口中的被动或半被动入口调节机构，接着是邻近所述压缩机叶轮的叶片的外尖端的护罩表面。

所述被动或半被动入口调节机构包括由柔性材料构成的多个片，所述片具有前缘，所述前缘连接到安装在所述空气入口中的环，并且所述片围绕所述环周向分布使得所述环和所述片共同形成管。所述空气入口在所述进口段部分处的有效直径由所述管的后缘内侧直径确定。所述片仅仅或至少部分通过由气体流到所述压缩机叶轮施加在所述片上的气动力是可移动的。当所述片在放松状态下时所述管具有锥形构造使得所述管的所述后缘内侧直径小于所述护罩表面的内侧直径。径向朝外施加在所述片上的所述气动力引起所述片大体径向朝外弯曲并且从而增加所述管在所述进口段部分处的所述后缘内侧直径，从而增加所述空气入口的有效直径。

在低流速（例如，低发动机速度）时，此时在片上的气动力是小，被动入口调节机构将移动到闭合位置（即，片将在它们放松位置或邻近它们放松位置）。这具有将有效入口直径减小为压缩机叶轮的进口段部分的效果，并且从而增加到叶轮中的流动速率。这结果将是压缩机叶片入射角的减少，从而有效地稳定流动，进而使得片不太可能地失速并且压缩机不太可能地喘振。换句话说，压缩机的喘振线将移动到较低的流速（到压缩机压力比率相对于流速的图的左边）。

在高流速时，被动机构取决于特定操作情况而部分地或完全地打开（即，片朝外弯曲）。当被动机构完全打开时，压缩机恢复其高流动的性能和阻塞流动特征，基本好像入口调节机构不存在并且好像压缩机具有与在叶轮的进口段部分处的叶轮直径相匹配的传统入口。

在一个实施例中，环与压缩机壳体分离地形成并且附着在压缩机壳体的空气入口内。环可以由与片的柔性材料不同的材料形成。例如，环在一个实施例中由金属形成。

替代地，环可以由与片相同的柔性材料形成。

在一个实施例中，在片的放松状态时，在相邻片的侧缘之间的周向方向上存在间隙。

在另一个实施例中，在放松状态时片在周向方向上部分重叠。

为了消除片在操作期间摆动的任何倾向，在一个实施例中，偏压构件在邻近管的后缘处包围管，偏压构件将大体径向朝里的偏压力施加在片上。偏压构件可以例如包括金属弹簧线、弹性体的环、盘绕箍等等。

在使用金属偏压构件时，磁性环可以定位成从偏压构件径向朝外，用于将磁吸力施加在偏压构件上。该吸引力有助于片围绕圆周完全地且一致地打开片。

附图说明

因此，在概括地描述本发明后，现在将对附图作出参考，其不必要地成比例地绘制，并且在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的透视图，压缩机壳体的部分被切掉以示出内部细节，其中入口调节机构处在闭合位置；

图2是图1的涡轮增压器的轴向截面视图，其中入口调节机构处在闭合位置；

图3是压缩机壳体和处在闭合位置的入口调节机构的分解图；

图4是大体从下游向上游观察的入口调节机构的透视图，其中该机构处在闭合位置；

图5是处在打开位置的入口调节机构的一部分的放大透视图，其示出片的重叠；

图6是相似于图3的视图，其中入口调节机构处在打开位置；

图7是相似于图2的截面视图，其中入口调节机构处在打开位置；以及

图8相似于图4，其中入口调节机构处在打开位置，并且还示出具有包围片的偏压构件的替代性实施例；

图9A到9C各自示出用于入口调节机构的偏压构件的三个替代性实施例；以及

图10是与图3类似的视图，其示出具有半被动入口调节机构的另一实施例。

具体实施方式

通过此后参考附图现将更充分地描述本发明，其中示出本发明的一些但不是所有实施例。当然，这些发明可以以很多不同形式来具体实施，并且不应该解释为限制在本文中提出的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将满足适当的法律要求。贯穿本文相同数字指代相同元件。

根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10在图1中以透视图并且在图2中以截面视图示出。涡轮增压器包括压缩机12，该压缩机12在可旋转轴18的一个端部上具有安装在压缩机壳体16中的压缩机叶轮或叶片14。压缩机壳体限定用于引导空气大体轴向进入压缩机叶轮14中的空气入口17。轴18被支撑在轴承19中，该轴承19安装在涡轮增压器的中心壳体20中。轴18由安装在自压缩机叶轮的轴18的另一端部上的涡轮叶片22旋转，从而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且将压缩气体从压缩机叶轮大体径向朝外地排出到蜗壳21中，用于接纳压缩气体。气体从蜗壳21被发送到内燃机（未示出）的进口用于提高发动机性能。

压缩机壳体16限定护罩表面16s，其紧密邻近压缩机叶片的径向外尖端。护罩表面16s限定大体平行于压缩机叶轮的轮廓的弯曲轮廓。在入口到压缩机叶轮的入口段部分14i，护罩表面16s具有比入口段部分14i的直径稍微大的直径。

涡轮增压器还包括覆盖涡轮叶轮22的涡轮壳体24。涡轮壳体限定大体环形室26，其围绕涡轮叶轮并且从内燃机接纳排气用于驱动涡轮叶轮。排气从室26大体径向朝里引导通过涡轮喷嘴28到涡轮叶轮22。当排气流过在涡轮叶轮的叶片30之间的通道时，气体膨胀到低压，并且从叶轮排出的气体通过在涡轮壳体中的大体轴向孔32离开涡轮壳体。

根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括被动入口调节机构100，其布置在护罩表面16s和入口段部分14i的正好上游在压缩机壳体的空气入口17中。机构100在闭合位置（图1-5）和打开位置（图6-8）之间是可移动的。被动入口调节机构包括由柔性材料（例如塑料）构造成的多个片110，其非限制性的示例是HYTREL®。HYTREL®是Dupont美国出售的各种等级的热塑性聚酯弹性体的商标名称。片具有连接到环120的前缘112，该环120安装在空气入口17中。片围绕环120是周向分布的，使得环和片共同地形成例如在图2中示出的管。由于管的后缘到压缩机叶轮的进口段部分14i的紧密靠近，在进口段部分处的空气入口的有效直径由管的后缘内侧直径确定。被动入口调节机构100的后缘是压缩机叶轮14的进口段部分14i的隔开尽量可行的小距离的上游，使得最大化机构对进口段部分处的空气入口的有效直径的影响。

当前实施例是被动机构，其中片110仅通过由气体流动到压缩机叶轮14施加在片上的气动力在径向朝外方向上是可移动的。当片在放松状态时管具有锥形构造，使得管的后缘内侧直径比护罩表面16s的内侧直径小，如在图2中最佳可见的。当径向朝外作用在片上的气动力变得足够大时，片朝外地枢转以便增加管的后缘内侧直径，如在图7中示出的。

在附图中示出的实施例中，片110附接到的环120与压缩机壳体16单独地形成，并且附着在压缩机外壳的空气入口17内。环可使用紧固件附接到压缩机外壳或其可以是压配合。

替代地，环120可以是压缩机外壳的部分，使得片直接附着到压缩机外壳。

在低流速（例如，低发动机速度）时，被动机构将移动到图2的闭合位置。这具有将有效入口直径减小到压缩机叶轮的进口段部分14i中的效果，并且从而增加到叶轮中的流动速率。这结果将是压缩机叶片入射角的减少，从而有效地稳定流动，使得片不太可能地失速并且压缩机不太可能地喘振。换句话说，压缩机的喘振线将移动到较低的流速（到压缩机压力比率相对于流速的图的左边）。

在高流速时，被动机构取决于特定操作情况而部分地或完全地打开（图7）。当被动机构完全打开时，压缩机恢复其高流动的性能和阻塞流动特征，基本好像入口调节机构不存在并且好像压缩机具有与在叶轮的进口段部分处的叶轮直径相匹配的传统入口。

与质量流速相关联的入口面积的改变量取决于片110的尺寸和构造。片厚度主要取决于材料性能，并且应该相对于所期望的流速来优化。如果片厚度太大，则流速的逐渐变化将不会施加足够的力以使片扩展或收缩。

除了厚度，所提出的被动可变入口管的设计取决于各种其他参数，例如：

片之间的距离；

片的长度；

片的形式或形状；

管的出口直径；以及

片的数量。

被动入口调节机构的性能可由这些变量的适当选择定制。

在一个实施例中，环120由与片110的柔性材料不同的材料形成。例如，环可由金属形成。

替代地，环可由与片相同的柔性材料形成。

在一个实施例中，在片110的放松状态时，在相邻片的侧缘之间的周向方向上存在间隙。

在另一个实施例中，在放松状态时片在周向方向上部分地重叠，例如在图4和5中示出的。该部分重叠在机构闭合时可有助于减少空气通过相邻片之间的空间的泄露。

由于当质量流速增加时片110变形并且由于可存在质量流动波动，所以存在片摆动的可能性。为消除该可能性，图8示出替代性的实施例，其中在邻近管的后缘处存在包围该管的偏压构件。偏压构件将大体径向朝里的偏压力施加在片110上，以便保持叶片位置并且最小化振动或摆动。例如在图8和9A中所描绘的，偏压构件140可以是金属弹簧线，其通过由附接在片的后端部处的支架150限定的开口。替代地，如在图9B中示出的，偏压构件140可以是相似地固定在片的后缘处的弹性体的环，例如橡胶环等等。在图9C中示出又一个实施方式，示出以盘绕箍形式的偏压构件140。图9A-9C的偏压构件都具有以下功能：在径向朝外气动力对片110的影响下允许偏压构件的直径扩展；以及由于该扩展而在片上施加径向朝里的偏压力，使得当气动力减少时偏压构件促使片返回到它们放松的位置。

所提出的压缩机被动入口调节机构与现存可变调整（trim）机构相比提供以下优势：

不需要致动系统以用于改变压缩机的入口面积，这意味着减少的重量和成本；

与现存系统相比，在压缩机入口中减少的安装复杂性；

由于优化的柔性片厚度，而导致的与流速有关的逐渐调整变量。

根据本发明的另一个实施例，在图10中示出半被动入口调节机构。半被动实施例大体相似于图8的实施例，其具有金属弹簧线作为偏压构件140，该金属弹簧线保持在固定在片110的后缘处的支架150中。该机构是半被动的而不是全被动的，因为片110的朝外扩展由在金属弹簧线140上的磁吸力辅助，该磁吸力由从线径向朝外布置的电磁环160产生。当希望辅助入口调节机构的扩展时，电磁体160可被通电（经由连接到合适电源供应器的电力供应电缆170，未示出）。在完全地和一致地打开所有片时，作用在金属弹簧线上的磁力辅助在片上的气动力。电磁体还可有助于保持片的打开位置。当操作情况是使得入口调节机构应该返回到更小直径构造的操作情况时，电磁体可被断开，并且弹簧线140将有助于径向朝里枢转片110。从而，该装置在管收缩期间是被动的，但在管扩展期间是电磁辅助的—因此如上述的术语“半被动的”。

所提出的用于被动和半被动入口调节机构的设计可用于各种类型的压缩机的入口，包括但不限于在涡轮增压器中的离心式压缩机、在气体涡轮发动机中的压缩机以及增压器中，以便改善压缩机稳定性和其低流动性能。所述系统有助于在给定压缩机叶轮旋转速度的低质量流速下移动喘振极限。

这些发明所属领域的技术人员将想到在本文提出的本发明的具有在前面描述和相关附图中呈现的教导的益处的很多修改和其他实施例。例如，尽管本公开的入口调节机构描述为几何结构可变的圆锥机构，但将理解“圆锥”仅意味着沿着靠近压缩机叶轮的流动方向上直径变得更小的大体锥形结构。未严格要求结构是完全地或甚至大体圆锥的。作为示例，形成几何结构可变的圆锥机构的片沿着轴向方向可以是弯曲的。因此，应该理解本发明不限于所公开的具体实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附的权利要求书的范围内。尽管本文使用具体术语，但是它们仅仅以一般的和描述性的意义被使用并且不是为了限制性的目的。