CN111288018A - 具有可调节的调整机构和噪声衰减器的涡轮增压器压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有可调节的调整机构和噪声衰减器的涡轮增压器压缩机。一种用于涡轮增压器的压缩机包括在压缩机的空气入口中的入口调节机构，该入口调节机构可操作成在打开位置和闭合位置之间移动。入口调节机构包括围绕空气入口布置的多个叶片，这些叶片可从空气入口壁的环形空间径向向内移动到空气入口中，从而形成具有相对于入口的标称直径减小的直径的孔口。噪声衰减器被布置在入口调节机构下游的环形空间中，用于在入口调节机构关闭时衰减由入口调节机构引起的空气动力噪声。

Description

具有可调节的调整机构和噪声衰减器的涡轮增压器压缩机

技术领域

本公开涉及压缩机，诸如用于涡轮增压器中的压缩机，并且更具体地涉及可以针对不同的工作状况调节有效入口面积或直径的压缩机。

背景技术

排气驱动的涡轮增压器为与内燃机结合使用的装置，其用于通过压缩输送到发动机的进气口以与燃料混合并在发动机中燃烧的空气来增加发动机的功率输出。涡轮增压器包括安装在压缩机壳体中的轴的一端上的压缩机叶轮和安装在涡轮机壳体中的轴的另一端上的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开形成，并且还存在连接在涡轮机壳体和压缩机壳体之间用于容纳轴的轴承的另一个中心壳体。涡轮机壳体限定了大体环形的腔室，该腔室包围涡轮机叶轮并且接收来自发动机的排气。涡轮机组件包括从腔室通向涡轮机叶轮的喷嘴。排气从腔室通过喷嘴流向涡轮机叶轮，并且涡轮机叶轮由排气驱动。因此，涡轮机从排气中提取动力并驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气被压缩机叶轮压缩，然后从壳体排放到发动机进气口。

涡轮增压器通常采用离心（也称为“径向”）类型的压缩机叶轮，因为离心式压缩机可以以紧凑的布置实现相对高的压力比。用于压缩机的进气在离心式压缩机叶轮的导流轮部分处沿大体轴向方向被接收，并且在叶轮的出口导流轮部分处沿大体径向方向被排出。来自叶轮的压缩空气被输送到蜗壳，并且将空气从蜗壳供应到内燃机的进气口。

压缩机的工作范围是涡轮增压器整体性能的重要方面。操作范围通常由压缩机的操作图谱上的喘振线和扼流线界定。压缩机图谱通常表示为纵轴上的压力比（排出压力Pout除以入口压力Pin）对比水平轴线上的校正质量流量。压缩机图谱上的扼流线位于高流量处，并且代表压力比范围内最大质量流量点的轨迹；也就是说，对于扼流线上的给定点，由于在压缩机中发生扼流状态，因此不可能在保持相同压力比的同时增加流量。

喘振线位于低流量处，并且代表在压力比范围内没有喘振的最小质量流量点的位置；也就是说，对于喘振线上的给定点，在不改变压力比的情况下降低流量或在不改变流量的情况下增加压力比将导致喘振发生。喘振为通常在压缩机叶片入射角变得如此之大以至于在压缩机叶片上产生显著的流分离时发生的流动不稳定性。在喘振期间可能发生压力波动和流动反转。

在用于内燃机的涡轮增压器中，当发动机以高负荷或扭矩和低发动机转速运行时，或者当发动机以低速运行并且存在高水平的排气再循环（EGR）时，可能发生压缩机喘振。当发动机突然从高速状态减速时，也会出现喘振。扩展压缩机的无喘振操作范围以降低流量是压缩机设计中经常寻求的目标。

本申请人是一些专利申请的所有者，这些专利描述了各种入口调节机构，其用于在给定的压缩机压力比下将喘振的开始延迟到较低流量（即，将喘振线在压缩机图谱上向左侧移动），所述专利申请包括但不限于：2015年3月10日提交的申请号14/642,825；2014年11月24日提交的14/551,218；2016年2月6日提交的14/615,428；2017年3月1日提交的15/446,054；2017年3月1日提交的15/446,090；2017年3月10日提交的15/456,403；2017年12月8日提交的15/836,781；2017年11月7日提交的15/806,267；2017年11月24日提交的15/822,093；2018年2月28日提交的15/907,420；2018年2月26日提交的15/904,493；以及2018年3月1日提交的15/909,899；所有所述申请的全部公开内容通过引用并入本文。根据所述申请的入口调节机构通常包括多个叶片或轮叶，它们共同界定一个孔口，该孔口的有效直径可通过叶片或轮叶的径向向内或向外运动来调节。通过在可能即将发生喘振的工作状况下将有效压缩机入口直径调节为减小的值，压缩机图谱上的喘振线朝较低的流量移动，从而防止在所述工作状况下发生喘振。

发明内容

本申请涉及涡轮增压器，其压缩机包括上述类型的入口调节机构。本申请人发现，当关闭入口调节机构以有效减小压缩机入口的直径时，该机构会在某些频率下产生空气动力引起的噪声。本申请的目的是解决这个问题并减轻这种噪声。

在本文所描述的一个实施例中，涡轮增压器包括：涡轮机，其包括涡轮机壳体；以及压缩机组件，其包括压缩机壳体和压缩机叶轮，该压缩机叶轮安装在压缩机壳体中并连接至可旋转轴以随其旋转。压缩机叶轮具有叶片并限定了导流轮部分，压缩机壳体具有空气入口壁，该空气入口壁限定了用于将空气大体轴向地引入压缩机叶轮中的空气入口，该空气入口壁限定了在其中在压缩机叶轮上游的环形空间，该环形空间的径向最内端通向空气入口。

入口调节机构布置在空气入口中，并且可以在打开位置和闭合位置之间调节。入口调节机构包括多个叶片，这些叶片围绕空气入口布置并且共同地界定孔口，当叶片处于闭合位置时，这些叶片可径向向内移动到空气入口中，从而使孔口具有相对于入口的标称直径减小的直径。

涡轮增压器还包括噪声衰减器，该噪声衰减器布置在入口调节机构下游的环形空间中，该噪声衰减器被构造和布置为限定轴向连续的第一环形腔和第二环形腔，每个环形腔均通向空气入口。第一环形腔具有径向高度h1，以及第二环形腔具有径向高度h2。根据本发明的该实施例，h1和h2不相等。

在一个实施例中，第一环形腔位于第二环形腔的上游，并且h1大于h2。在另一个实施例中，两个腔的高度是相等的。

在本文所描述的一个实施例中，噪声衰减器包括环形第一板和轴向地邻接第一板的环形第二板。第一板在其径向外周处限定凸缘，该凸缘从第一板的上游表面轴向向上游突出。

根据一个实施例，入口调节机构包括可旋转的协调环，用于致动叶片的运动，并且协调环抵靠第一板的凸缘，当协调环被旋转时，该凸缘形成协调环的支承面。

入口调节机构的叶片可以通过枢转销安装到第一板上，该叶片与协调环接合，使得协调环沿一个方向或相反方向的旋转引起叶片径向向内或径向向外枢转，从而调节孔口的大小。

根据本发明的另一实施例，该噪声衰减器与空气入口壁中的环形空间配合以限定环形腔，并且该噪声衰减器包括邻近其径向内端的多个细长的指状件，这些指状件从环形腔的上游侧横跨至下游侧。指状件围绕空气入口的整个圆周沿圆周不均匀地间隔开。

在一个实施例中，该噪声衰减器包括环形板，指状件从该板的邻近其径向内周的下游表面轴向向下游突出。

附图说明

已经概括地描述了本发明，现在将参考附图，附图不一定按比例绘制，并且其中：

图1为根据本发明的一个实施例的涡轮增压器的侧视图，其局部被剖开以示出压缩机的内部特征；

图1A为图1的放大部分，其示出了涡轮增压器的压缩机；

图2为图1的涡轮增压器的压缩机组件的分解图；

图3为压缩机组件的等轴测视图，其局部被剖开以示出压缩机的内部特征；

图4A为图1的涡轮增压器的噪声衰减器的分解图；

图4B为噪声衰减器的等轴测视图；

图5为根据本发明的另一实施例的压缩机组件的等轴测视图，其局部被剖开以示出压缩机的内部细节；

图6为图5的压缩机组件的分解图；以及

图7为用于图5的压缩机组件的噪声衰减器的等轴测视图。

具体实施方式

现在将在下文中参考附图更全面地描述本发明，附图中示出了本发明的一些但不是全部的实施例。实际上，这些发明可以以许多不同的形式实施，并且不应该被解释为限于本文阐述的实施例；而是，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。相同的标号贯穿全文指代相同的元件。

在图1的侧视图中示出了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，在图2中示出了该涡轮增压器的轴向截面图。涡轮增压器包括压缩机12和涡轮机22。该压缩机包括压缩机叶轮或叶轮14，该压缩机叶轮14安装在旋转轴18的一端上的压缩机壳体16中。压缩机壳体包括空气入口壁17，该空气入口壁17限定了用于将空气大体轴向地引导到压缩机叶轮14中的空气入口。该轴被支撑在安装在涡轮增压器的中心壳体20中的轴承中。轴通过涡轮机22的涡轮机叶轮（在图1中不可见）旋转。涡轮机叶轮从压缩机叶轮安装在轴18的另一端上，从而可旋转地驱动压缩机叶轮，该压缩机叶轮压缩通过压缩机入口吸入的空气，并将压缩空气从压缩机叶轮大体径向向外排放到用于接收压缩空气的蜗壳21中。空气从蜗壳21按路径传送至内燃机（未示出）的进气口，用于提高发动机的性能。

涡轮机叶轮布置在涡轮机壳体24内，该涡轮机壳体24限定用于接收来自内燃机（未示出）的排气的环形室。涡轮机壳体还限定喷嘴，该喷嘴用于将来自该腔室的排气大体上径向向内引导至涡轮机叶轮。排气在通过涡轮机叶轮时膨胀，并可旋转地驱动涡轮机叶轮，这继而如已经提到的那样可旋转地驱动压缩机叶轮14。

现在参考图1A，在所示的实施例中，空气入口壁17部分地由压缩机壳体16形成，并且部分地由单独的入口导管构件16d形成，该入口导管构件16d被容纳到由压缩机壳体限定的圆柱形容器中。空气入口壁17的靠近压缩机叶轮14的部分限定了大体圆柱形的内表面，该内表面的直径大体上与压缩机叶轮的导流轮部分14i的直径匹配。

压缩机壳体16限定了罩表面16s，该罩表面与压缩机叶片的径向外部尖端紧密相邻。罩表面限定了曲形轮廓，该曲形轮廓大体平行于压缩机叶轮的轮廓。

根据本发明的第一实施例，涡轮增压器的压缩机包括布置在空气入口壁17内的环形空间S中的入口调节机构100。环形空间S被限定在入口导管构件16d的面向下游的端面ES、压缩机壳体16的面向上游的表面30与压缩机壳体的圆柱形的径向面向内的表面32之间。入口调节机构包括环形组件，并且可操作用于调节进入压缩机叶轮的空气入口的有效直径。这样，入口调节机构可在打开位置和闭合位置之间移动，并且在一些实施例中可进一步关闭到超闭合位置，并且可被构造成调节到所述位置之间的各个点。

现在参考图2，入口调节机构包括多个叶片102，其围绕空气入口的中心轴线布置，并且每个叶片可绕位于叶片的一端或其附近的枢转销枢转。该机构还包括可绕中心轴线旋转并与每个叶片102接合的协调环106，使得协调环在一个方向上的旋转使叶片径向向内枢转，而在相反方向上的旋转使叶片径向向外枢转。替代地，入口调节机构可以包括其他类型的叶片或轮叶布置，其致动叶片或轮叶以不同的方式向内或向外移动，例如径向平移，或以组合的径向和周向运动（即，螺旋运动）移动。

叶片102的枢转运动的范围足以使叶片能够通过协调环沿一个方向旋转到打开位置而径向向外枢转，在该打开位置，叶片完全在空气入口壁17的内表面径向向外。这样，在叶片的打开位置，入口调节机构不会改变由入口表面所限定的标称入口直径。

叶片还可以通过协调环沿与闭合位置相反的方向旋转而径向向内枢转。在闭合位置，沿着叶片102的径向内侧的圆弧边缘共同形成孔口，该孔口基本上为直径小于入口内表面的直径的圆形。结果是，入口的有效直径相对于标称入口直径减小。以这种方式，入口调节机构能够调节接近压缩机叶轮的空气入口的有效直径。

在低流量（例如，低发动机转速）下，入口调节机构100可被置于闭合位置。这可以具有减小有效入口直径并因此增加进入压缩机叶轮的流速的效果。结果将是减少压缩机叶片的入射角，从而有效地稳定流动（即，使叶片失速和压缩机喘振的可能性较小）。换句话说，压缩机的喘振线将移动到较低的流量（在压缩机压力比对流量的图谱上向左移）。

在中等和高流量下，入口调节机构100可以部分打开或完全打开。这可以具有增加有效入口直径的效果，从而压缩机恢复其高流动性能和基本上就像没有入口调节机构并且就像在叶轮的导流轮部分处压缩机具有与叶轮直径相匹配的常规入口一样的扼流。

如前所述，本申请人已经发现，当入口调节机构处于闭合位置时，该机构倾向于在某些频率下产生空气动力引起的噪声。希望在不损害机构的喘振延迟益处的情况下尽可能地衰减该噪声。根据本发明，在一个实施例中，通过提供恰好位于入口调节机构100下游的噪声衰减器120来实现噪声衰减，如图1A、4A和4B最佳可见。噪声衰减器120布置在空气入口壁17的环形空间S内。如图1A所示，入口调节机构100也布置在环形空间S内，紧邻入口导管构件16d的端面ES。噪声衰减器120布置在入口调节机构的下游，并且包括环形第一板P1和环形第二板P2，所述环形第一板P1和环形第二板P2连续地轴向布置，使得第一板P1面对入口调节机构100，并且第二板P2紧接在第一板的下游。噪声衰减器被构造和布置成限定至少两个轴向连续的环形腔，每个环形腔通向空气入口。在所示的实施例中，噪声衰减器限定两个这样的轴向连续的环形腔C1和C2。通过从第一板P1的径向外周的第一凸缘F1与入口调节机构的协调环106邻接，限定另一个环形腔C3，但是该腔C3与噪声衰减无关，相反，它是入口调节机构100所处的空间。第一凸缘从第一板沿上游方向延伸以邻接协调环，从而使协调环与第一板P1的上游表面沿轴向间隔开。入口调节机构的叶片102可枢转地安装（如下文进一步描述）至第一板P1，并且至少部分地位于第三环形腔C3内。

第一环形腔C1通过从第二板P2的第二凸缘F2与第一板P1的下游侧邻接而限定，第二凸缘F2从第二板的径向外周朝上游方向突出。第二环形腔具有径向高度h1。应当理解，第一腔可以由第二凸缘从第一板P1向下游突出并邻接第二板P2（于是第二板P2在其上游侧将不具有凸缘）而形成。本发明不限于用于形成腔的任何特定结构或布置。

第二环形腔C2由从第二板P2的径向外周朝下游方向突出的第三凸缘F3与被限定在空气入口壁17中的环形空间S的下游壁30邻接而限定。第二环形腔具有径向高度h2。h1和h2的值可以相等或彼此不同。

第一环形腔C1的轴向宽度为tC1，以及第二环形腔C2的轴向宽度为tC2。第二板P2的轴向厚度为tP2。有利地，tC1和tC2的值不等于板厚度tP2。例如，如图1A所示，腔宽度tC1和tC2可以彼此相等，并且可以大于第二板厚度tP2。

如前所述，入口调节机构的叶片102可枢转地安装到第一板P1上。这通过多个销113（图2）来实现，每个叶片有一个这样的销，它们固定地安装在压缩机壳体16的下游壁30（图1A）中的孔（未示出）中，壁30界定环形空间S的下游末端。销113穿过第二板P2中的相应孔124并且穿过第一板P1中的相应孔123，并被容纳在每个叶片102中的轴承孔103中，如在图2中最佳地看到。因此叶片102可绕销113枢转。叶片的端部被容纳在协调环106的内周中的槽107中，因此如所述，协调环绕涡轮增压器轴线的旋转引起叶片枢转。协调环的旋转由固定安装在下游壁30中的孔（未显示）中的多个导销111引导。导销穿过第二板P2中的相应孔122并穿过第一板P1中的相应孔121，并与协调环106的内周接合以引导其旋转运动并使其保持基本上与涡轮增压器轴线同心。

两个环形腔C1和C2充当四分之一波长谐振器，用于通过空气入口流向压缩机叶轮的主流体流。如本领域技术人员将认识到的那样，可以将四分之一波长谐振器调谐到某个基本频率，以便基于腔的长度（在这种情况下为径向高度h1或h2）衰减该频率和该频率的谐波。因此，两个腔C1和C2可以通过使它们的径向高度相等而被调谐到相同的频率，或者可以通过使它们的径向高度彼此不同而被调谐到不同的频率。两种可能性都包括在本发明的范围内。另外，两个腔之间的板P2用作分隔壁，该分隔壁有助于减小由入口调节机构100的叶片产生的涡流的能量，并因此有助于减小与这种涡流相关的噪声。尽管所示的实施例具有两个这样的作为四分之一波长谐振器的环形腔，但是本发明不限于该方面，并且如果在特定情况下有利，则可以采用两个以上的这种腔。

现在参考图5至7描述根据本发明的第二实施例的涡轮增压器。第二实施例的涡轮增压器在噪声衰减器方面与第一实施例的涡轮增压器不同，但是在其他方面相似，并且将不重复两个实施例之间共同的相同或相似的特征的描述。第二实施例的噪声衰减器220包括环形板，该环形板具有凸缘F，该凸缘F从该板的径向外周朝上游方向延伸并且邻接协调环106，与第一实施例的第一板类似。入口调节机构的叶片102通过穿过该板中的孔223的销113可枢转地安装到噪声衰减器220，并且固定地安装在空气入口壁的环形空间的下游壁30的孔中，也类似于第一实施例。用于协调环106的导销111穿过该板中的孔221延伸，并安装在壁30中的孔中（特别参见图5）。

然而，与第一实施例不同，第二实施例的噪声衰减器包括多个指状件222，其从噪声衰减器的径向内周朝下游方向延伸。噪声衰减器220与环形空间S协作以限定环形腔C。指状件222横跨腔C，并且围绕空气入口的整个圆周在圆周上不均匀地间隔开。每个指状件222引起对接近压缩机叶轮的空气的阻抗的突然变化，并且由于这些指状件不均匀地间隔，因此阻抗围绕圆周连续地变化，这有助于防止噪声的传播。

受益于前述描述和相关附图中呈现的教导，这些发明所属领域的技术人员将想到本文所阐述的发明的许多修改和其他实施例。因此，应当理解，本发明不限于所公开的特定实施例，并且修改和其他实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。

Claims (13)

1.一种涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机壳体；

压缩机组件，所述压缩机组件包括压缩机壳体和安装在所述压缩机壳体中并连接至可旋转轴以与其一起旋转的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮具有叶片并限定导流轮部分，所述压缩机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定了用于将空气大体轴向地引入所述压缩机叶轮中的空气入口，所述空气入口壁限定了在其中在所述压缩机叶轮上游的环形空间，所述环形空间的径向最内端通向所述空气入口；

入口调节机构，所述入口调节机构布置在所述空气入口中并且能在打开位置和闭合位置之间调节，所述入口调节机构包括多个叶片，所述叶片围绕所述空气入口布置并且共同地界定孔口，当所述叶片处于闭合位置时，所述叶片能径向向内移动到所述空气入口中，从而使所述孔口具有相对于所述入口的标称直径减小的直径；以及

噪声衰减器，所述噪声衰减器布置在所述入口调节机构下游的环形空间中，所述噪声衰减器被构造并布置为限定轴向连续的第一环形腔和第二环形腔，所述第一环形腔和第二环形腔中的每个通向所述空气入口，所述第一环形腔具有径向高度h1并且所述第二环形腔具有径向高度h2。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，h1和h2不相等。

3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第一环形腔和第二环形腔中的每个的轴向宽度大于所述第二板的轴向厚度。

4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，h1和h2相等。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述噪声衰减器包括环形第一板和轴向地邻接所述第一板的环形第二板。

6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其中，所述第一板在其径向外周处限定凸缘，所述凸缘从所述第一板的上游表面轴向向上游突出。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述入口调节机构包括用于致动所述叶片的运动的可旋转协调环，所述协调环邻接所述凸缘，当所述协调环旋转时，所述凸缘形成所述协调环的支承面。

8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述叶片可枢转地安装到所述第一板上，所述叶片接合所述协调环，使得所述协调环沿一个方向或相反方向的旋转使所述叶片径向向内或径向向外枢转，从而调节所述孔口的大小。

9.一种涡轮增压器，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括涡轮机壳体；

压缩机组件，所述压缩机组件包括压缩机壳体和安装在所述压缩机壳体中并连接至可旋转轴以与其一起旋转的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮具有叶片并限定导流轮部分，所述压缩机壳体具有空气入口壁，所述空气入口壁限定了用于将空气大体轴向地引入所述压缩机叶轮中的空气入口，所述空气入口壁限定了在其中在所述压缩机叶轮上游的环形空间，所述环形空间的径向最内端通向所述空气入口；

入口调节机构，所述入口调节机构布置在所述空气入口中并且能在打开位置和闭合位置之间调节，所述入口调节机构包括多个叶片，所述叶片围绕所述空气入口布置并且共同地界定孔口，当所述叶片处于闭合位置时，所述叶片能径向向内移动到所述空气入口中，从而使所述孔口具有相对于所述入口的标称直径减小的直径；以及

噪声衰减器，所述噪声衰减器布置在所述入口调节机构下游的所述空气入口壁的环形空间中，所述噪声衰减器与所述环形空间协作以限定环形腔，并且所述噪声衰减器包括邻近其径向内端的多个细长的指状件，所述指状件从所述环形腔的上游侧横跨到下游侧，所述指状件围绕所述空气入口的整个圆周在圆周上不均匀地间隔开。

10.根据权利要求9所述的涡轮增压器，其中，所述噪声衰减器包括环形板，所述指状件从所述板的邻近其径向内周的下游表面轴向向下游突出。

11.根据权利要求10所述的涡轮增压器，其中，所述板在其径向外周处限定凸缘，所述凸缘从所述板的上游表面轴向向上游突出。

12.根据权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述入口调节机构包括用于致动所述叶片的运动的可旋转协调环，所述协调环邻接所述凸缘，当所述协调环旋转时，所述凸缘形成所述协调环的支承面。

13.根据权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述叶片可枢转地安装到所述板上，所述叶片接合所述协调环，使得所述协调环沿一个方向或相反方向的旋转使所述叶片径向向内或径向向外枢转，从而调节所述孔口的大小。

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