带有喘振控制的离心式压缩机及有关方法.pdf

本发明涉及带有喘振控制的离心式压缩机及有关方法。用于压缩流体的离心式压缩机包括压缩机叶轮和压缩机壳体，所述压缩机叶轮具有多个周向隔开的叶片，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中。所述压缩机壳体包括进口导管和内表面，流体通过所述进口导管以轴向方向进入，并由所述进口导管引入压缩机叶轮中，所述内表面设置成径向邻近叶片末端。排泄端口在压缩机壳体的内表面中限定在叶片前缘和后缘之间的位置处，用于将流体的排泄部分排出，所述排泄端口通向再循环流动通道，所述再循环流动通道将所述排泄部分送回进口导管。大弯度轮叶设置在所述再循环流动通道中，用于使排泄部分转向以使得排泄部分中的涡流被去掉和在一些情况下反向。

1.  一种用于压缩流体的离心式压缩机，包括：
压缩机叶轮，所述压缩机叶轮限定旋转轴线，并具有轮毂和多个周向隔开的叶片，每个所述叶片均与所述轮毂相连并大致径向向外延伸到所述叶片的末端，每个叶片具有前缘和后缘；
压缩机壳体，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中，所述压缩机壳体包括进口导管，流体通过所述进口导管以大致轴向方向进入，并被引入压缩机叶轮中，所述压缩机壳体限定内表面，所述内表面设置成径向邻近叶片末端且位于叶片末端外部；
所述压缩机壳体的内表面限定排泄端口，所述排泄端口构造成围绕压缩机叶轮的圆周以大致连续的方式延伸的槽，以将由压缩机叶轮压缩的流体的排泄部分排出，所述排泄端口位于叶片前缘的下游，使得所述排泄部分以由叶片给予的切向速度分量进入所述排泄端口；
所述压缩机壳体限定再循环流动通道，所述再循环流动通道接收所述排泄部分并将所述排泄部分相对于主流体流的流动方向大致向上游传输通过所述进口导管，所述再循环流动通道具有排出端，所述排出端设置成将排泄部分排出回到趋近于压缩机叶轮的主流体流中；和
多个周向隔开的轮叶，所述轮叶设置在所述再循环流动通道中，且构造成在所述排泄部分通过排出端排出之前改变所述排泄部分的涡流角，所述轮叶各具有前缘和后缘，且具有非零的弯度，所述前缘以与前缘处的排泄部分的流动方向大致对应的非轴向方向延伸，所述后缘以这样的方向延伸：使得排泄部分由轮叶引导成在离开所述再循环流动通道的排出端时具有零涡流或反向涡流。

2.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶的后缘定向成给予离开轮叶的排泄部分零涡流。

3.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶具有0到约70°的后缘角度。

4.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶具有约10°到约70°的后缘角度。

5.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶具有约30°到约75°的前缘角度。

6.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述再循环流动通道具有入口部分，所述入口部分从所述排泄端口沿大致径向向外但也具有相对于通过压缩机叶轮的流动方向指向上游的非零轴向分量的方向延伸。

7.  根据权利要求6所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶的前缘位于所述入口部分中。

8.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，排泄端口的流通面积包括在排泄端口位置处的主流体流的流通面积的约5％到约30％。

9.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述再循环流动通道的排出端构造成以相对于旋转轴线成0°到90°的角度的方向注射排泄部分。

10.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述再循环流动通道的流通面积在趋近于排出端时减小，使得所述排泄部分在注入所述主流体流之前加速。

11.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述再循环流动通道在轴向-径向截面具有大致C形构造，所述C形构造的开口侧面向径向内部。

12.  根据权利要求1所述的离心式压缩机，其中，所述轮叶具有约30°到约145°的弯度。

带有喘振控制的离心式压缩机及有关方法
相关申请的交叉引用
[0001]本申请与在2006年6月22日提交的美国专利申请No.10/583,937和在2007年4月4日提交的美国专利申请No.11/696,294有关。
技术领域
[0002]本发明涉及用于压缩诸如空气的流体的离心式压缩机，且具体地涉及一种离心式压缩机和方法，在所述离心式压缩机和方法中，压缩机的喘振通过排出至少部分被压缩的流体的一部分并将所述部分再循环到压缩机的进口来控制。
背景技术
[0003]离心式压缩机在用于压缩流体的各种应用中使用，且特别适于需要相对低的总压力比的应用。单级离心式压缩机可以实现趋近于约4.0的峰值压力比，且在尺寸上比具有同样压力比的轴流式压缩机更加紧凑。因而，离心式压缩机通常用于涡轮增压器中，以提高车辆的汽油和柴油发动机的性能。
[0004]在涡轮增压器应用中，对于压缩机而言重要的是具有宽的工作包线(operating envelope)，所述工作包线在“阻塞线”和“喘振线”之间测得，由于压缩机叶片通路中的声速流状况，通过压缩机的质量流率在所述阻塞线处达到最大可能值，压缩机在喘振线处开始喘振，其中在恒定压力比时流量减小或在恒定流量时压力比增加。压缩机喘振是与通过整个压缩机系统的流量振荡有关的压缩系统不稳定性。它通常由一个或更多压缩机部件由于超过压缩机叶片的极限流动入射角或超过极限流动通路负载而造成的气动失速或流分离引起。
[0005]喘振造成性能的显著损失，因而是非常不希望的。在一些情况下，压缩机喘振也可能导致对发动机或其进气管路系统的损害。
[0006]因而，需要改进例如在涡轮增压器中提供压缩流体的装置和方法，同时减少压缩机喘振的发生。在一些情况下，防止压缩机喘振可以扩展压缩机的有用工作范围。
发明内容
[0007]本发明涉及一种离心式压缩机，所述离心式压缩机具有旨在控制喘振的流体再循环系统。根据在此公开的一个实施例，用于压缩流体的离心式压缩机包括压缩机叶轮和压缩机壳体，所述压缩机叶轮具有多个周向隔开的叶片，所述压缩机叶轮安装在所述压缩机壳体中，从而能围绕所述压缩机叶轮的旋转轴线旋转。所述压缩机壳体具有进口导管，流体通过所述进口导管以大致平行于压缩机叶轮的旋转轴线的方向进入，并由所述进口导管引入压缩机叶轮中。所述压缩机壳体限定径向内表面，所述径向内表面设置成邻近叶片末端且位于叶片末端的径向外部。
[0008]在压缩机壳体的内表面中叶片前缘和后缘之间的位置处限定排泄端口(bleed port)，用于将由压缩机叶轮压缩的流体的排泄部分排出。所述排泄端口通向再循环流动通道，所述再循环流动通道相对于通过压缩机叶轮的主流大致向上游延伸。所述再循环流动通道具有排出端，所述排出端设置成将排泄部分排出到所述进口导管中。
[0009]多个大弯度轮叶设置在所述再循环流动通道中，且构造成在所述排泄部分通过排出端排出之前改变所述排泄部分的涡流角。所述轮叶能够在排泄部分注入到主流体流中之前将排泄部分的涡流减小为零。可选地，所述轮叶能够颠倒涡流方向，使得所述排泄部分以与压缩机叶轮旋转相反的涡流(所谓的“反向涡流”)注射。
[0010]每个轮叶具有相对于通过所述再循环流动通道的流动方向的前缘和后缘。根据本发明，所述轮叶具有非零的弯度。所述前缘以与前缘处的排泄部分的流动方向大致对应的非轴向方向延伸。所述后缘以这样的方向延伸：使得排泄部分由轮叶引导成在离开所述再循环流动通道的排出端时具有零涡流或反向涡流。因而，所述轮叶具有大弯度或“杯形”形状，以给予必要量的流动转向以便去掉进入排泄端口的涡流，且在一些情况下使得进入排泄端口的涡流反向。
[0011]排泄端口的流通面积能够定尺寸使得在预定工作状况时所述排泄部分的质量流率包括进入所述进口导管的流体的总质量流率的5％以上，更具体地是所述总质量流率的10％以上，还更具体地是所述总质量流率的15％以上。
[0012]在一个实施例中，所述再循环流动通道的排出端构造成以相对于旋转轴线成0°到90°的角度的方向注射排泄部分。
[0013]在一个实施例中，所述再循环流动通道的流通面积在趋近于排出端时减小，使得所述排泄部分在注入所述主流体流之前加速。
[0014]根据一个实施例，所述再循环流动通道在轴向-径向截面具有大致C形构造。所述C形构造的开口侧面向径向内部。
[0015]所述再循环流动通道在轮叶前缘附近的入口区域的作用就像径向扩压器，其中，来自于排泄端口的高速流被扩散，使得流动通道中的损失将减小。此外，所述C形流动通道使得排泄部分逐渐改变流动方向而不是突然改变流动方向，以便避免流分离，使得排泄部分中的损失进一步减小。
[0016]轮叶是大弯度的，以给予使得排泄部分中涡流被去掉或反向所需要的相对大的流动转向。由于轮叶的大弯度，利用相对大的轮叶数，以使得所述再循环流动通道中的损失最小化。通常，有取决于轮叶弯度和压缩机叶轮直径的最佳轮叶数。在优选实施例中，所述轮叶数在6和20之间。在一些实施例中，所述轮叶数限定为压缩机叶片数量的0.7和1.3倍之间。
附图说明
[0017]已经总体上描述了本发明，现在将参考附图，附图不必按比例绘制，且在附图中：
[0018]图1是根据本发明一个实施例的离心式压缩机的轴向-径向截面图；
[0019]图2是用于图1的压缩机中的排泄流动再循环系统的内环和轮叶的透视图；
[0020]图3是径向向内看的放大局部图，示出了一个轮叶的后缘区域；
[0021]图4是径向向内看的放大局部图，示出了一个轮叶的前缘区域；
[0022]图5示出了以轴向方向从轮叶的后缘朝前缘看(图1中从左向右)的内环和轮叶；
[0023]图6是沿图5的线6-6的截面图；和
[0024]图7示出了以与图5的视图方向相反的轴向方向看(图1中从右向左)的内环和轮叶。
具体实施方式
[0025]现在将在下文参考附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的一些而不是所有实施例。实际上，这些发明可以许多不同形式实施，且不应理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例以便本发明将满足可适用的法律要求。相同的附图标记指代相同的元件。
[0026]根据本发明一个实施例的离心式压缩机10在图1的经向(即，轴向-径向)截面图中描绘。所述压缩机包括压缩机叶轮12，所述压缩机叶轮12具有轮毂14和多个周向隔开的叶片16，所述叶片16连接到所述轮毂并从所述轮毂大致径向向外延伸。每个叶片具有附接到所述轮毂的根部18和相对的末端20。压缩机叶轮12连接到轴(未示出)，所述轴能围绕旋转轴线A旋转并由诸如涡轮机或电动马达(未示出)的装置驱动。所述压缩机叶轮安装在压缩机壳体22内。所述压缩机壳体包括具有径向内表面26的进口导管24，所述径向内表面26包围轴线A。所述进口导管24构造成使得流体流以大致平行于旋转轴线A的方向趋近于压缩机叶片16的前缘30。所述压缩机壳体还包括叶轮罩28，所述叶轮罩28在径向上靠近压缩机叶片的末端20。由所述轮毂和压缩机壳体限定的流路构造成在流体流经叶片通路时使得所述流体流径向向外转向。所述流体在叶片后缘32处以大致径向向外的方向(但是也具有涡流或周向速度分量)离开叶片通路，并经过扩压器通路34进入排出蜗壳36，所述排出蜗壳36包括环绕压缩机叶轮的大致环形或环状室。
[0027]压缩机10还包括用于控制压缩机喘振的排泄流动再循环系统40。所述再循环系统包括在压缩机壳体的径向内表面中限定的排泄端口42。所述排泄端口42位于压缩机叶片的前缘30和后缘32之间。在一个实施例中，所述排泄端口是包围压缩机叶片末端的大致连续的完整360°环状槽。当流体流经叶片通路且在其沿叶片通路流动期间被逐渐压缩时，流体流的一部分通过排泄端口42排出。所述排泄部分被压缩机叶轮部分地压缩，且因而比进入压缩机进口导管24的流体具有更高的总压力。由于旋转压缩机叶片的作用，所述排泄部分也具有周向或涡流速度分量。
[0028]排泄端口42连接到在压缩机壳体中限定的再循环流动通道44。在一个实施例中，所述再循环流动通道26包括大致连续的完整360°环状通路，除了有如下所述的多个轮叶70之外。所述再循环流动通道44以与进口导管24中的主流体流的方向相反的大致轴向方向延伸到在压缩机叶片前缘上游(相对于主流体流)隔开的点。在该点处，所述再循环流动通道44与渐缩排出端46连接，所述排出端46通向进口导管24中的主流体流路。
[0029]在一个实施例中，排出端46是大致连续的完整360°环状端口。所述排出端46具有渐缩形状，意味着其流通面积沿流动方向减小，使得流体的排泄部分在注入进口导管24之间加速。在所示实施例中，排出端定向成使得流体以向下游的轴向速度分量和径向向内速度分量注入进口导管。在所示实施例中，所述排出端定向且构造成使得轴向速度分量大于径向速度分量。
[0030]在所示实施例中，所述再循环流动系统40由插入件50形成，所述插入件50与压缩机壳体22分开形成并安装在压缩机壳体22内。所述插入件50形成进口导管24并大致延伸到压缩机叶轮12的前缘区域。所述插入件50限定大致环形的内环52、大致环形的外环54、和多个流动转向轮叶70，所述外环54设置在内环52的大致径向外部，所述轮叶70在内环52的径向外表面和外环54的径向内表面之间大致径向地延伸。排泄端口42和再循环流动通道44限定在内环52和外环54的这两个表面之间。所述再循环流动通道44在轴向-径向截面中具有大致C形构造，所述C形构造的开口侧面向径向内部。
[0031]在所示实施例中，来自于所述再循环流动通道44的排出端46的流体注入的方向相对于旋转轴线A形成一角度。通常，所述角度可以从约0°(完全轴向)到约90°(完全径向)。应当理解，借助于具有一定量的轴向速度分量，尤其利于喘振抑制，但是完全径向注入也是有益的。
[0032]排泄端口42的流通面积相对于通过主流体流路的流通面积定尺寸成使得总质量流量的实质部分通过排泄端口排出。例如，所述排泄端口能够定尺寸使得在预定工作状况时所述流体的排泄部分包括总质量流量的约5％以上，更具体地是所述总质量流量的约10％以上，在一些情况下是所述总质量流量的约15％以上。在一些情况下，所述排泄部分可包括高达所述总质量流量的约30％。作为示例，所述排泄端口的流通面积能够包括在排泄端口位置处的主气体流路的流通面积的约5％到30％，更具体地约10％到30％，还更具体地约15％到30％。由流体的排泄部分表示的实质部分意味着，由排出端46定向的再次注入流体能够影响压缩机叶片跨距的实质部分。这与在过去采用的压缩机喘振控制技术不同，在这些技术中，注入流体通常可以包括总质量流量的仅1％到2％，因而在叶片最末端处仅仅影响局部区域。根据在此描述的实施例，再循环注入的流体能够在压缩机叶片前缘处影响大面积的流场。注入的流体能够使得流场重新分配，并有益地影响喘振现象。还应当理解，如上文所述，通过由排出端使流体加速和排出端的定向，给予注入流体大致轴向速度分量，有助于有益地影响喘振现象的能力。
[0033]如上文所述，再循环系统包括多个轮叶70，所述轮叶70设置在再循环流动通道44中，以在流体排泄部分注入回到主流体流之前改变流体排泄部分的涡流角。进入排泄端口42的排泄部分具有由旋转压缩机叶片给予的涡流速度分量。在将排泄部分注入回到主流体流之前希望去除所述涡流，在一些情况下希望使所述涡流反向以便在排泄部分中施加反向涡流。因而，轮叶70是大弯度的，以实现要求的大量流动转向。例如，在一些情况下希望排泄部分以零涡流注入主流体流，且轮叶能够构造成实现该功能。在其它情况下希望具有非零的反向涡流，轮叶能够相应地构造。在所示实施例中，轮叶的前缘72沿流动方向与排泄端口42的入口隔开，且轮叶的后缘74位于排出端46开始收缩的点的上游(相对于排泄部分的流动方向)。在本发明一些实施例中，轮叶前缘72处的半径与排泄端口42进口处的半径的比大于1.05。然而，轮叶的替代性位置是可能存在的。
[0034]轮叶70在图2-7中更清楚地显示，图2-7描绘了插入件50的一部分，具体地是内环52和轮叶70(省去外环54以允许轮叶没有阻挡)。可以看出，轮叶70是大弯度的，因而在径向向内看时具有“杯形”构造。在所示实施例中，前缘72位于再循环流动通道44的入口部分。该入口部分沿大致径向但也具有相对于压缩机中的主流体流指向上游(图1中向左)的非零轴向分量的方向延伸。轮叶在沿大致C形的流动通道44转向之前从前缘72沿大致径向方向延伸。因而，如图7所示，前缘72定向成相对于径向方向成角度θ。(如果前缘位于轴向延伸的流动通道的一部分中，那么该角度将相对于轴向方向限定，例如参见图4中的角度α。更具体地，轮叶70在特定点处的角度定义为在以与该点处的经向流表面正交的方向看时，轮叶在该点处的脊线和包含该点以及压缩机旋转轴线的平面之间的角度。在下文中以及在所附权利要求中，术语“前缘角度”和“后缘角度”与该定义一致。)
[0035]前缘角度θ的范围可以从约30°到约75°，具体值部分取决于排泄部分中的涡流量。通常，前缘角度被选择成使得前缘与排泄部分的流动方向大致对齐。因而，如果排泄部分具有较大的涡流量，那么角度θ较大；如果涡流较小，那么角度θ较小。
[0036]如上文提到的，轮叶70构造成去掉排泄部分中的所有涡流，且在一些情况下使得所述涡流反向，使得排泄部分具有与压缩机叶轮的旋转相反的反向涡流。为此，轮叶必须具有相对大的弯度(即，在前缘和后缘之间的脊线角度变化)。因此，轮叶的后缘角度β(图5)的范围可以从约0°(在给予离开轮叶的排泄流零涡流时)到约70°(在给予排泄流反向涡流时)。在一些实施例中，后缘角度β的范围可以从约10°到约70°。由于在后缘角度和离开轮叶的实际流动方向之间通常有非零的偏差角，因此在一些情况下当希望离开轮叶的排泄部分流具有零涡流时，后缘角度β需要具有小的非零值(在大小上等于偏差角)。轮叶的弯度定义为θ+β。在一些实施例中，弯度的范围可以从约30°到约145°。
[0037]大弯度轮叶70在涡流排泄部分沿再循环流动通道44前进时使得所述涡流排泄部分转向，在排泄部分通过排出端46注入进口导管24中的主流体流之前去掉涡流并在一些情况下给予一定量的反向涡流。由于轮叶的大弯度，利用相对大的轮叶数，以使得所述再循环流动通道中的损失最小化。通常，有取决于轮叶弯度和压缩机叶轮直径的最佳轮叶数。在优选实施例中，所述轮叶数在6和20之间。在一些实施例中，所述轮叶数限定为压缩机叶片数量的0.7和1.3倍之间。
[0038]受益于在前述说明书和相关附图中阐述的教导，本发明所属领域技术人员将想到在此所述发明的许多变型和其它实施例。因而，应当理解的是，本发明并不限于所公开的具体实施例，且所述变型和其它实施例旨在包含在所附权利要求的范围内。虽然在此采用了具体术语，但是它们仅仅以一般性和说明性的含义使用而不是为了限制。