压缩机 【技术领域】
本发明涉及一种压缩机。具体地,本发明涉及离心式压缩机的入口设置和与这种压缩机相结合的涡轮增压器。
背景技术
离心式压缩机包括叶轮,该叶轮带有多个安装在轴上用于在压缩机壳体内旋转的叶片(或扇叶)。叶轮的旋转导致气体(例如空气)被吸入叶轮内并被输送至出气室或出气通道。在离心式压缩机的情况下,出气通道是由围绕叶轮的压缩机壳体限定出的涡形蜗壳的形式,而在轴流式压缩机的情况下,气体被轴向排出。
涡轮增压器是一种用于以高于大气压的压力(增压压力)给内燃机的进气口提供空气的公知设备,并被广泛应用在汽车上或类似场合。涡轮增压器的压缩机由被安装在公共轴上的排气涡轮驱动。来自内燃机的排气流过涡轮并驱动涡轮叶轮旋转,涡轮叶轮旋转随即使压缩机的叶轮旋转。通过压缩机壳体的轴向入口吸入空气并将压缩空气输送至内燃机的进气歧管,从而增加发动机功率。
涡轮增压器控制的一个方面是通过避免所谓的喘振(surge)来确保稳定的运行。如果涡轮增压器在相对较低的压缩机体积排气量和较高的增压压力下运行,那么流入压缩机内的气流可能会停转(stall)并且压缩机的运行会被中断。停转之后,气流可能会通过压缩机反转,直到达到稳定的压力比且空气能够在该压力比下沿正确的方向流动为止。重复该过程并导致气流内被称为喘振的脉动(pulsation)。通过接近于喘振限制来运行可以达到发动机的最大运行效率,同时在控制过程中建立喘振边界以确保涡轮增压器在与喘振条件保持安全距离的条件下运行。
在某些涡轮增压器中,压缩机入口具有已经被公知为“扩大性能图范围”(map width enhanced)(MWE)结构的结构。例如在美国专利4743161中对MWE结构进行了介绍。这种MWE式压缩机的入口包括两个同轴的管状入口部分,外入口部分或壁部构成了压缩机进气口,而内入口部分或壁部确定了压缩机导流段或主入口。内入口部分比外入口部分短并且具有内表面,该内表面是被叶轮叶片的边缘扫过的压缩机壳体内壁表面的延伸。这样的设置使得在两个管状入口部分之间界定出一条环形的流通路径,该路径在其上游端开口并在其下游端设有孔或槽(以下称为“MWE槽”)与面向叶轮的压缩机壳体的内表面相连通。在运行时,MWE槽允许更多的空气在高流速(接近阻塞的)条件下被吸入压缩机,但是其最重要的功能还是体现在较低流速下特别是在压缩机接近喘振时。在这些条件下,MWE槽允许气流反转(这是目前在部分压缩机内的普遍流动状态),并重新循环到进气口,从而延缓喘振。
目前公知的是MWE结构稳定了压缩机的性能,增加了最大流通容量并改善了喘振边界,也就是降低了压缩机喘振时的流速,从而增加了压缩机能够以稳定方式运行的发动机转速范围。一种给定的压缩机因此能够与转速范围更广的发动机相匹配。这被称为扩大了压缩机“性能图”的范围,而性能图是压缩机的特性曲线。
已经表明增加内入口部分并因此增加环形流通路径的长度可以改善喘振边界,正如我们的欧洲专利1473465中所介绍的那样。但是,由于在很大程度上,这种压缩机的效率会被降低,因此上述优点会随着长度的增加而下降。
在某些压缩机实施例中可以通过允许将MWE槽开向周围的发动机环境而改善喘振边界也是公知的。这可以通过例如移除外入口壁而实现。开口的MWE槽具有安全和操作方面的影响。具体地,热气通过喘振附近的槽排出并且需要被引导至不会成为安全威胁的区域。而且,在压缩机以高流速运行时,碎片有可能会和空气一起通过MWE槽被吸入压缩机。在某些情况下,叶片的碎片有可能会从叶轮上脱落并被吹出MWE槽,这是很明显的安全威胁。
本发明的目标是消除或削弱上述和/或其他的缺点。
【发明内容】
根据本发明的第一方面,提供了一种压缩机装置,包括:界定气体入口和气体出口的压缩机壳体;具有多个叶片并被安装在所述入口和出口之间的壳体内的压缩机叶轮,叶轮可以绕一条轴线旋转;壳体具有界定出位于叶轮叶片径向外侧边缘附近的表面的内壁,叶轮叶片在叶轮绕它的轴线旋转时扫过所述表面;入口包括沿上游方向从叶轮延伸离开的管状壁;壳体进一步包括在所述内壁和外壁之间界定出的并与所述内壁中的至少一个开口相连通的封闭腔室;外壁被绕外壁分布的多个通气孔穿透;狭长的通气管具有连接至至少一个通气孔的第一端和连接至壳体入口的上游位置的第二端。
腔室可以是任意适合的形式,但是基本上是封闭的,以消除或防止局部透出热气或碎片被吸向压缩机。腔室具体可以是大致环形的。腔室可以被设置在壳体的内壁和出口之间,它可以是蜗壳的形式。腔室还可以被至少部分地设置为绕入口的邻近叶轮的下游端。
应该理解通气管可以多于一条。
壳体入口可以被连接至狭长的进气管例如导管,并将通气管的第二端连接至此。通气管的第二端可以与气体过滤器例如空气过滤器相连通。这可以通过通气管第二端和过滤器或在过滤器下游位置的进气管之间的直接或间接连接而实现。通气管的第二端可以被连接至过滤器的套管。通气管的第二端可以和进气管在气体过滤器和壳体入口之间的位置处相连通。
外壁可以是用于封闭腔室的任意适合的形式。它可以包括大体上沿轴向(也就是基本上平行于叶轮旋转轴)延伸的第一部分和沿横穿第一部分的方向延伸并与入口的管状壁相接触的第二部分。外壁的第二部分可以基本上沿径向方向延伸。通气孔可以穿透外壁的第一或第二部分,并且在这样的通气孔多于一个的情况下这两个壁部都可以被穿透。在有多个通气孔的实施例中,这样的孔是离散的并且绕外壁分布。
某一个或者每一个通气孔都可以是非环形的。
外壁可以在叶轮的上游位置被连接至入口的管状壁或与入口的管状壁相联接,以将腔室至少部分地封闭在两壁之间。
由一个通气孔占据的面积或者由多个通气孔占据的总面积可以等于或大于由内壁中的开口所占据的面积。
外壁可以是壳体的一个整体组成部分。
根据本发明的第二方面,提供了一种涡轮增压器,包括如上所定义的压缩机和驱动所述叶轮旋转的涡轮。
根据本发明的第三方面,提供了一种内燃机,包括如上所定义的涡轮增压器,该内容及具有与压缩机入口相连通的空气过滤器,通气孔被通气管连接至入口和空气过滤器之间的位置。
根据本发明的第四方面,提供了一种用于在涡轮增压器内使用压缩机的方法,压缩机包括界定气体入口和气体出口的压缩机壳体,以及具有多个叶片并被安装在所述入口和出口之间的壳体内的叶轮,该方法包括以下步骤:绕一条轴线旋转叶轮,以使叶轮叶片的径向外侧边缘扫过壳体的内壁表面;允许将空气从上游位置到下游位置向着叶轮吸入壳体入口内;在所述内壁和外壁之间提供封闭的腔室,腔室与叶轮通过所述内壁中的至少一个开口相连通;允许空气通过开口从腔室流到叶轮或以相反方向流动;并允许空气通过腔室外壁中的多个孔流入或流出腔室;并提供至少一条通气管将某一个或者每一个通气孔与壳体入口上游的端口互连,以将空气从所述腔室输送至所述端口用于再循环到所述入口内,或从所述端口通过腔室和内壁中的开口吸入叶轮。
根据本发明的第五方面,提供了一种压缩机装置,包括:界定气体入口和气体出口的压缩机壳体;具有多个叶片并被安装在所述入口和出口之间的壳体内的压缩机叶轮,叶轮可以绕一条轴线旋转;壳体具有确定出位于叶轮叶片径向外侧边缘附近的表面的内壁,叶轮叶片在叶轮绕他的轴线旋转时扫过所述表面;入口包括沿上游方向从叶轮延伸离开的管状壁;壳体进一步包括在所述内壁和外壁之间界定出的并与所述内壁中的至少一个开口相连通的封闭腔室;外壁被至少一个通气孔穿透;通气管具有连接至所述至少一个通气孔的第一端和第二端;被连接至壳体内的气体入口的进气管;与进气管相连通的气体过滤器;通气管的第二端与进气管在气体过滤器附近但是在气体过滤器下游的位置处相连通。
通气管的第二端可以被直接或间接地连接至进气管,或壳体,或与气体过滤器相关联的套管。
根据本发明的第六方面,提供了一种用于在涡轮增压器内使用压缩机的方法,压缩机包括界定气体入口和气体出口的压缩机壳体,以及具有多个叶片并被安装在所述入口和出口之间的壳体内的叶轮,该方法包括以下步骤:绕一条轴线旋转叶轮以使叶轮叶片的径向外侧边缘扫过壳体的内壁表面;允许将空气从上游位置到下游位置向着叶轮吸入壳体入口内;在所述内壁和外壁之间提供封闭的腔室,腔室与叶轮通过所述内壁中的至少一个开口相连通;允许空气通过开口从腔室流到叶轮或以相反方向流动;并允许空气通过腔室外壁中的至少一个通气孔流入或流出腔室;并提供通气管用于将气体输送到与入口相连通的气体过滤器附近但是在气体过滤器下游的位置处,以从所述腔室输送空气用于再循环到所述入口内,或通过腔室和内壁中的开口将空气吸入叶轮。
【附图说明】
现在参照附图,仅以举例的方式,介绍本发明的具体实施例,在附图中:
图1是根据本发明的压缩机壳体的正视图;
图2是图1中的压缩机壳体的截面侧视图;
图3是图1和图2中所示的压缩机以原位连接时的示意图;
图4a和图4b是示出了将图1至图3中的压缩机性能与具有传统的MWE结构的压缩机的性能相对比的压缩机性能图;
图5a和图5b是给出了图1至图3中的具有三条通气管的压缩机与具有一条和两条通气管的同一压缩机的性能对比的压缩机性能图;
图5c和图5d是给出了具有一个、两个和三个通气孔和导管的压缩机和传统的“标准”MWE结构的性能对比的压缩机性能图;
图6是示出了增加通气管的长度对压缩机喘振边界的影响的曲线图。
【具体实施方式】
参照图1和图2,图示的压缩机是在涡轮增压器中使用的那类离心式压缩机。压缩机包括在压缩机壳体2内安装在沿压缩机轴3延伸的旋转轴一端上的叶轮1。叶轮通常具有多个叶片4,其中每个叶片都具有外边缘,在叶轮绕轴3旋转时叶片的外边缘扫过壳体内壁5的内表面。
压缩机壳体2界定出围绕叶轮的出口蜗壳6和中心空气进气端口7,端口7由从上游端到下游端紧贴叶轮1与压缩机轴同轴延伸的环形壁界定。形式为封闭的环形腔室9的一体化MWE入口结构位于进气端口7的下游端和出口蜗壳6之间。环形槽9a在叶轮和腔室9的内部之间提供气体连通。壳体2是整体铸造结构并被设计用于连接至涡轮增压器的轴承箱(未示出)。
环形腔室9具有外壁10,外壁10具有相对于压缩机轴大致径向延伸的前壁部分11和基本上与进气端口7的下游端同心的侧壁部分12。外壁10被穿有三个在腔室9和进气端口7的上游位置之间提供连通的通气孔13。在图示的特定实施例中,前壁部分11被穿有两个通气孔13,而侧壁部分12被穿有一个这样的孔。应该理解,根据发动机的要求可以使用任意适当数目和设置方式的孔。为了使装置有效工作,孔13的总面积应该等于或大于槽9a的面积。
图3示出了作为涡轮增压器20的一部分连接至机动车辆的内燃机21的压缩机2。压缩机入口被连接至狭长的进气管22,进气管22在其一端具有接收环境空气(用箭头24表示)的空气过滤器23。压缩机壳体2的环形腔室9内的进气孔13被通过管路连接到空气过滤器下游的进气管22内的位置26,该管路在此情况下是柔性软管25。为了清楚起见,在图3中仅示出了三条管路中的两条。压缩机出口通过传统的后冷却器28向内燃机21的进气歧管27提供压缩空气。涡轮增压器20的涡轮部分29如图所示将其入口连接至内燃机21的排气歧管30并将其出口通过消音器32连接至排气管31。
在运行中,涡轮29被来自发动机的排气以正常方式驱动旋转,并且叶轮1的后续旋转导致空气通过空气过滤器23被吸入,沿进气管22到达压缩机进气端口7。腔室9内的空气压力通常低于大气压,并且在高速气流期间,由叶轮空气扫过的区域内的空气压力还会更低。因此通过环形槽9a从环形腔室9吸入空气,以增加到达叶轮1的气流量。随着空气流量的下降,来自环形腔室9的流量也下降,直到达到平衡为止。叶轮内流量的进一步下降导致由叶轮1扫过的区域内的压力升高到腔室9内的压力之上,并由此使得通过环形槽9a的空气反向流动。也就是说,在这样的条件下,空气从叶轮1向外流入腔室9内,并通过通气孔13和管路25流出到达空气过滤器23附近但是在其下游的位置,空气由该位置返回到压缩机进气管22用于再循环。这就确保了当压缩机在传统的压缩机性能图中间的区域内运行并接近喘振状态时将洁净的空气引入压缩机内。
这种设置保持了传统的MWE结构用于通过增加最大流通容量并改善喘振边界,也就是降低压缩机喘振时的流速来稳定压缩机性能的优点。但是,初始测试表明图1至图3中的压缩机和具有传统MWE结构的压缩机相比在喘振流速方面有大约20%的改善,正如图4b的压缩机性能图中用标记X示出的那样。如图4a中的曲线图所示,压缩机的效率与传统压缩机相比也有所改善。另外,消除了碎片通过环形槽9a被吸入压缩机内的危险。而且,在叶轮1被损坏的情况下,例如在碎片从叶轮飞出或叶轮破碎的情况下,就可以容纳碎片以使得碎片不会从压缩机中以高速甩出。
在图5a和图5b中示出了具有一个、两个、三个通气孔同一压缩机的效率和压缩机性能图。在每种情况下关于每台压缩机的喘振线(surge line)由标记Sn表示,其中n为通气孔的数量。显而易见的是,随着通气孔的数量从一个增加为两个甚至再进一步增加为三个,喘振线明显向曲线图的左侧移动。因此通过采用多于一个的通气孔(也就是多于一条的通气管)就使喘振边界明显增加。
在图5c和图5d中再次示出了图a和5b的压缩机性能图,一起示出的还有用作参照的具有传统或“标准”的康明斯入口结构(部件编号为3598174的康明斯压缩机)的压缩机的压缩机性能图,以上作为现有技术对这种压缩机进行了介绍。为了方便和清楚起见,这样的结构可以被总结为包括具有同轴的内侧和外侧管状入口部分的入口。外侧入口部分构成了压缩机进气管,而内侧入口部分确定了压缩机导流段或主入口。内入口部分比外入口部分短并且具有内表面,该内表面是被叶轮叶片的边缘扫过的压缩机壳体内壁表面的延伸。具有标准MWE结构的压缩机的喘振线用Ss表示。根据这些结果应该注意到,具有单个通气孔和单条通气管的压缩机的喘振线S
1在感兴趣的区域(性能图5d中的中部至上部)移动到了具有标准MWE入口结构的压缩机的喘振线Ss的右侧。因此试验在一定程度上令人惊讶地表明,与传统技术相比,使用单个通气孔和单条通气管并没有什么好处,而只有通过使用两个、三个或者更多个通气孔才可以获得好处。
只使用一个通气孔被认为可能是有问题的,原因在于在环形腔室内的某些MWE流动在其能够通过孔流出之前不得不绕腔室经过一段相当长的距离。这与由环形腔室的壁部施加的流动阻力一起用于增加在低流速下反向MWE流动将经过压缩机叶轮进气口而不是进入MWE入口结构的环形腔室的可能性。这也就意味着压缩机叶轮的叶片将有更大的可能性停转,导致循环的喘振现象。
如上所述,通气管可以被连接至发动机空气过滤器下游的任意方便的位置,以使空气被再循环至压缩机进气管22。已经确定,通气管的长度越长,喘振边界就增加得越多。这由图6中的曲线图示出,其中图6是对比喘振边界增加的、关于管路长度相对于标准康明斯MWE入口结构(存在于部件编号为3598174的康明斯压缩机壳体中)的长度增加的百分比的曲线图。标准MWE入口结构的长度是沿内侧入口部分测量的从MWE槽的内边缘到尖端的距离,如在曲线图顶部示出的简图(sketch)所示。应该理解简图仅仅是示出了穿过压缩机壳体轴线一侧的内侧和外侧入口部分的截面。在本示例中该长度为24mm,是压缩机壳体导流段直径的36%。
应该理解可以对上述设计进行各种修正而并不背离有所附权利要求定义的本发明的保护范围。以下介绍了一些示例。
通气孔在腔室内的准确数量和位置将取决于发动机结构而变化。至少需要一个孔,而在实际应用中根据每个孔的尺寸可能会有最多7个或8个甚至更多的孔。而且,管路可以被连接至发动机空气过滤器下游的任意方便的位置。
在一个优选实施例中,通气管的长度至少是从各自的通气孔到空气过滤器的距离的95%。在可选实施例中,管路的长度可以短一些,例如是孔到过滤器的距离的90%。更多可选的管路长度包括例如孔到过滤器的距离的至少7%、15%、30%、50%或70%。压缩机在压缩机进气管和空气过滤器套管之间的连接为60cm、30cm、20cm、10cm或最优选地为5cm的范围内,管路例如可以连接至压缩机进气管。在通气管长度方面,每根通气管都可以进一步延伸超出压缩机入口上游5cm、10cm、20cm、30cm、60cm或最优选地超出100cm。每根通气管都可以是与彼此相同的长度,或者也可以是不同的长度。在后一种情况下,管路可以被连接至压缩机进气管内以等间距或不规则间距且在相同或不同的圆周位置处设置的各个端口。管路可以被连接至过滤器上游或下游的其中的空气过滤器套管、过滤器的上游位置、发动机散热器或反过来可以被连接至任意上述位置的空气冷却器。多条通气管可以被连接在一起远离压缩机以构成管束,或者可选地可以被设置为汇聚在一起以构成数量更少的管路,优选地仅为一条,然后可以被连接至上述位置中的任意一个上。
MWE入口结构的环形腔室可以被分为多段,各段可以是相同或不同的尺寸和形状并且可以通过局部或完整的壁部分离。每个分段都可以具有各自的通气孔和通气管。可选地,两个或多个相邻的分段可以共用共同的孔和管。
通气孔和通气管可以从腔室沿平行于压缩机叶轮旋转轴的方向延伸,或者可以朝着轴线向内延伸,或者远离轴向向外延伸。每个孔和/或每根管都可以采用任意合适的形状并且可以具有任意合适的截面面积并且彼此之间的这些因素都可以改变。孔和管可以是关于压缩机轴线被等角度间隔开或者也可以是不规则间隔。孔可以是圆形、椭圆形或者是具有至少延伸5度角或至少延伸10度角的槽的槽形。
MWE入口结构的环形槽9a可以被设置为沿平行于通气孔方向的方向引导MWE空气或气流。两个或多个通气孔可以被设置用于将空气或气流引导至公共管路。
上述的设置可以被应用于电力驱动的压缩机和具有电机和/或发电机的涡轮增压器,例如用于在混合动力系统中使用,以及用于燃料‑电池气体压缩机,其中工作流体可以是在燃烧过程中使用的任何气体。
尽管已经在附图和上述的说明内容中详细地图示和介绍了本发明,但是这些内容应该被认为是说明性的而不是对特征的限制,应该理解仅仅示出和介绍了优选的实施例,而且在权利要求所确定的本发明保护范围内的所有修改和变形都应该得到保护。应该理解尽管在上述说明中使用了例如“优选的”、“优选地”、“优选”或“更优选”这样的词语表示所描述的特征可能是更加期望的,但是可能并不是必要的,而且缺少了该特征的实施例仍然可以被认为是落在本发明的保护范围之内,该保护范围由以下的权利要求确定。在阅读权利要求时,应该理解在使用了例如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”这样的词语时,并不是为了将权利要求限制为只有一个部件,除非在权利要求中明确地声明了相反的情况。在使用“至少一部分”和/或“一部分”时,该术语可以包括一部分和/或整个部件,除非明确声明了相反的情况。