具有包括发散壁扩散器的可调整TRIM离心压缩机的涡轮增压器
技术领域
本公开涉及诸如在涡轮增压器中使用的离心压缩机，并且更特别地涉及如下的离心压缩机，在该离心压缩机中，可以针对不同的操作条件借助于设置在压缩机的空气入口中的入口调整机构来调整有效入口面积或直径。
背景技术
排气驱动的涡轮增压器是结合内燃发动机使用的装置，以用于通过压缩空气来增加发动机的功率输出，所述空气被递送到发动机的进气口以与燃料混合并在发动机中燃烧。涡轮增压器包括在压缩机壳体中安装在轴的一个端部上的压缩机轮和在涡轮机壳体中安装在轴的另一端部上的涡轮机轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体分开地形成，并且存在连接于涡轮机壳体和压缩机壳体之间的又一中央壳体，以用于包含轴的轴承。涡轮机壳体限定大体上环形的室，该室包围涡轮机轮并从发动机接收排气。涡轮机组件包括喷嘴，该喷嘴从室通入涡轮机轮中。排气从室通过喷嘴流动到涡轮机轮，并且涡轮机轮被排气驱动。涡轮机因此从排气提取功率并且驱动压缩机。压缩机通过压缩机壳体的入口接收环境空气，并且空气被压缩机轮压缩，且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”)类型的压缩机轮，因为离心压缩机可以在紧凑布置中实现相对高的压力比。压缩机的进气在离心压缩机轮的入口导流器（inducer）部分处沿大体上轴向方向被接收，并且在轮的出口导流器（exducer）部分处沿大体上径向方向被排放。来自轮的压缩空气在被递送到蜗壳之前穿过扩散器，并且该空气从蜗壳供应到内燃发动机的进气口。
压缩机的操作范围是涡轮增压器的总体性能的重要方面。操作范围大体上由在压缩机的操作图上的喘振线和阻流线来界定。压缩机图通常呈现为竖直轴线上的压力比（排放压力Pout除以入口压力Pin）与水平轴线上的修正的质量流量的关系。压缩机图上的阻流线位于高流量处，并且表示在一系列压力比之上的最大质量流量点的轨迹；即，对于阻流线上的给定点来说，因为在压缩机中发生阻流条件（choked-flow condition），不可能在维持相同压力比的同时增加流量。
喘振线位于低流量处并且表示在一系列压力比之上的未发生喘振的最小质量流量点的轨迹；即，对于喘振线上的给定点来说，在不改变压力比的情况下减小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。喘振是一种流不稳定状态，它通常发生在压缩机叶片迎角变得足够大以至于在压缩机叶片上出现显著的流动分离时。在喘振期间会发生压力波动和倒流。
在用于内燃发动机的涡轮增压器中，当发动机以高负载或扭矩和低发动机速度操作时，或者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，可能发生压缩机喘振。当发动机从高速状态突然减速时，也会出现喘振。将压缩机的无喘振操作范围扩大到较低流量是压缩机设计中常常追求的目标。
申请人是几个专利申请（下文中称为“共同拥有的申请”）的所有者，这些专利申请描述了用于在给定的压缩机压力比处将喘振的开始延迟到较低流量（即，使喘振线向压缩机图上的左侧移位）的各种入口调整机构，这些专利申请包括但不限于：2015年3月10日提交的申请号为No. 14/642,825的申请；2014年11月24日提交的申请号为No. 14/551,218的申请；2016年2月6日提交的申请号为No. 14/615,428的申请；2017年3月1日提交的申请号为No. 15/446,054的申请；2017年3月1日提交的申请号为No. 15/446,090的申请；2017年3月10日提交的申请号为No. 15/456,403的申请；2017年12月8日提交的申请号为No. 15/836,781的申请；2017年11月7日提交的申请号为No. 15/806,267的申请；2017年11月24日提交的申请号为No. 15/822,093的申请；2018年2月28日提交的申请号为No. 15/907,420的申请；2018年2月26日提交的申请号为No. 15/904,493的申请；以及2018年3月1日提交的申请号为No. 15/909,899的申请；所有所述申请的全部公开内容通过引用并入本文中。根据所述申请的入口调整机构大体上包括多个叶片或轮叶，所述多个叶片或轮叶共同地外接一个孔口，该孔口的有效直径能够通过这些叶片或轮叶的径向向内或向外移动来调整。通过在可能即将发生喘振的操作条件下将有效的压缩机入口直径调整为减小的值，使压缩机图上的喘振线朝向较低流量移位，由此防止在所述操作条件下发生喘振。
本申请涉及对具有大体上为上文所描述的类型的入口调整机构的涡轮增压器的改进。
发明内容
本公开涉及一种涡轮增压器，其具有离心压缩机并且具有用于压缩机的入口调整机构，该入口调整机构可以使得压缩机的喘振线选择性地向左移位（即，喘振在给定的压力比下被延迟到较低流量）。申请人已经发现，在入口调整机构的操作和用于压缩机的修改的扩散器构型之间存在出乎意料的协同作用。本文中所描述的一个实施例包括一种涡轮增压器，其具有以下特征：
涡轮机壳体和涡轮机轮，该涡轮机轮安装在涡轮机壳体中并连接到可旋转轴以与其一起旋转，涡轮机壳体接收排气并将排气供应到涡轮机轮；
离心压缩机组件，其包括压缩机壳体和压缩机轮，该压缩机轮安装在压缩机壳体中并连接到可旋转轴以与其一起旋转，压缩机轮具有叶片并限定入口导流器部分和出口导流器部分，压缩机壳体具有空气入口壁，该空气入口壁限定空气入口以用于将空气大体上轴向地通入压缩机轮中，压缩机壳体还限定蜗壳以用于接收从压缩机轮大体上径向向外排放的压缩空气；
压缩机入口调整机构，其设置在压缩机壳体的空气入口中并且能够在打开位置和关闭位置之间调整，该入口调整机构在关闭位置中形成相对于入口的标称直径具有减小的直径的孔口；并且
压缩机壳体限定扩散器，该扩散器设置在压缩机轮的出口导流器部分和蜗壳之间，该扩散器从压缩机轮接收压缩空气并且使该压缩空气扩散并将扩散的压缩空气递送到蜗壳中，其中，扩散器形成在第一壁和第二壁之间，并且沿着扩散器的径向长度的至少一部分，第一壁和第二壁沿径向向外方向彼此发散。
常规的离心压缩机通常包括扩散器，该扩散器形成在彼此平行的两个壁之间。尽管壁之间的轴向间距沿着穿过扩散器的流动方向是恒定的，但是流动面积随沿着流动方向的半径而线性地增加。然而，根据本发明，由于第一壁和第二壁之间的轴向间距沿着扩散器沿径向向外方向增加，因此流动面积比平行壁扩散器增加得更快。出乎意料的是，已经发现，与具有常规平行壁扩散器的在其他方面相同的压缩机相比，当在具有入口调整机构的压缩机中使用发散壁扩散器时，入口调整机构的关闭导致喘振线更大程度地移位到压缩机图上的较低流量。但是，当入口调整机构打开时，发散壁扩散器对压缩机图的影响则相当地小。
附图说明
在已如此概括地描述了本发明之后，现在将参考附图，所述附图未必按比例绘制，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从涡轮增压器的压缩机端部朝向涡轮机端部轴向地看的端视图；
图2是涡轮增压器沿着图1中的线2-2的横截面图；
图3是图1的涡轮增压器的压缩机部分的横截面图；
图4是在本发明的实践中可用的示例性入口调整机构的等轴侧视图；
图5A是在垂直于涡轮增压器轴线的平面上穿过图4的入口调整机构的横截面图，其示出了该机构处于打开位置中；
图5B类似于图5A，但是示出了该机构处于关闭位置中；以及
图6是具有常规平行壁扩散器的压缩机与具有根据本发明的实施例的发散壁扩散器的压缩机相比的压力比与修正流量的关系的台架试验（bench test）结果的图表，在具有常规平行壁扩散器的压缩机和具有根据本发明的实施例的发散壁扩散器的压缩机的每种情况下，均分别在入口调整机构处于打开位置中和关闭位置中的情况下操作。
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，附图中示出了发明的一些但非全部实施例。当然，这些发明可以以许多不同的形式具体实施且不应被解释为限于本文中所阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开将满足可适用的法定要求。通篇中，同样的附图标记指代同样的元件。
图1中的轴向端视图中图示了根据本发明的一个实施例的涡轮增压器10，并且在图2中示出了涡轮增压器的横截面图。涡轮增压器包括压缩机和涡轮机。压缩机包括在可旋转轴18的一个端部上安装在压缩机壳体16中的压缩机轮或叶轮14。压缩机壳体包括壁，该壁限定空气入口17以用于将空气大体上轴向地通入压缩机轮14中。该轴被支撑在轴承中，这些轴承安装在涡轮增压器的中央壳体20中。该轴由涡轮机轮22旋转，该涡轮机轮安装在从压缩机轮延伸的轴的另一端部上，由此可旋转地驱动压缩机轮，该压缩机轮压缩通过压缩机入口吸入的空气并且从压缩机轮大体上径向向外地排放压缩空气。压缩空气穿过扩散器19，之后进入到蜗壳21中以用于收集压缩空气。该空气从涡壳21按路线引导到内燃发动机（未示出）的进气口，以用于增强发动机的性能。
涡轮机轮22设置在涡轮机壳体24内，该涡轮机壳体限定环形室26以用于从内燃发动机（未示出）接收排气。涡轮机壳体还限定喷嘴28以用于将排气从室26大体上径向向内地引导到涡轮机轮22。排气在它们穿过涡轮机轮时发生膨胀，并且可旋转地驱动涡轮机轮，涡轮机轮继而如已经叙述的那样可旋转地驱动压缩机轮14。
参考图2，在所图示的实施例中，限定空气入口17的壁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，该入口导管构件被接收到由压缩机壳体限定的柱形容座中。空气入口17的最接近压缩机轮14的部分限定了大体上柱形的内表面17i，该内表面的直径大体上与压缩机轮的入口导流器部分14i的直径匹配。
压缩机壳体16限定护罩表面16s，该护罩表面与压缩机叶片的径向外尖端紧密相邻。护罩表面限定曲形轮廓，该曲形轮廓大体上平行于压缩机轮的轮廓。
根据本发明，涡轮增压器的压缩机包括入口调整机构100，该入口调整机构设置在压缩机壳体的空气入口17中。入口调整机构能够操作以用于调整进入压缩机轮中的空气入口的有效直径。如此一来，入口调整机构能够在打开位置和关闭位置以及在所述打开和关闭位置中间的各个点之间移动。
现在参考图4、图5A和图5B，在所图示的实施例中，入口调整机构包括多个叶片102，所述多个叶片绕空气入口的中心轴线布置并且每一者均能够绕位于叶片的一个端部处或附近的枢轴销104枢转。在所图示的实施例中，入口调整机构包括具有一对环形端板105和107的独立组件或“盒”。枢轴销被固定在环形端板105中，并且叶片布置成抵靠端板搁置。叶片102和协调环106的组件被俘获地（captively）保持在环形端板105和相对的第二环形端板107之间。枢轴销104还可以起到将两个端板彼此轴向地间隔的另外的功能。多个引导件103也被固定在端板105中，或者可选地可以替代地被固定在另一端板107中，或者可以被固定到两个端板。这些引导件定位成以便接合与叶片102基本上共面的协调环106的圆形内周界。（可选地，如果端板直径大到足以支撑在协调环的径向外侧的引导件103，则这些引导件可以接合协调环的外周界。）当协调环绕其中心轴线（该中心轴线与涡轮增压器的旋转轴线重合）旋转时，引导件103用于引导协调环，使得协调环相对于端板105保持基本上同心。引导件103可以包括辊或固定的引导销。协调环的内周界限定多个槽108，所述多个槽的数量等于叶片102的数量。每个叶片包括接合槽108中的一个的端部部分102e，使得当协调环绕其轴线旋转时，叶片绕枢轴销104枢转。
如图2中所示，整个组件设置在被限定于压缩机壳体16和入口导管构件16d之间的环形空间中。两个端板105和107的内直径与接近压缩机轮的入口导流器14i的柱形入口表面17i的直径匹配，使得两个端板有效地作为限定空气入口17的壁的一部分，并且使得两个端板之间的轴向空间有效地形成了穿过空气入口的壁的开口或槽。叶片102布置成穿过该槽。叶片102的径向内边缘包括优选地为大体上圆弧形的部分，并且这些边缘共同地包围并界定大体上圆形的开口（不过圆度取决于叶片的位置而变化，如下文进一步描述的那样）。
替代地，代替盒形式的入口调整机构的是，入口调整机构可以包括非盒组件，其中用于叶片102的销104被固定在压缩机壳体16和/或入口导管构件16d中。换句话说，端板105成为压缩机壳体16的一体式部分，并且另一端板107成为入口导管构件16d的一体式部分。
叶片的枢转移动范围足以使叶片可以径向向外枢转（通过协调环沿一个方向（在图4中为顺时针）旋转）到如图5A中所示的打开位置，在该打开位置中，叶片完全在入口的内表面17i的径向外侧。如此一来，在叶片的打开位置中，入口调整机构不更改如由入口表面17i限定的标称入口直径。可选地，引导件103还可以用作止挡件以用于限制叶片径向向外枢转到打开位置。
叶片也可以径向向内枢转（通过协调环沿相反方向（在图4中为逆时针）旋转）到如图5B中所示的关闭位置。在关闭位置中，沿着叶片的径向内侧的圆弧边缘共同地形成孔口OR，该孔口的直径小于入口表面17i的直径。这样做的结果是，入口的有效直径相对于标称入口直径而减小。此外，叶片可以根据需要枢转到在打开位置和关闭位置之间的各种中间位置中的任一个。以这种方式，入口调整机构能够调节接近压缩机轮的空气入口的有效直径。
本发明不限于具有如所示的弓形可枢转叶片的入口调整机构。可以在本发明的实践中使用各种其他类型的入口调整机构，包括但不限于在如先前所提到的并通过引用并入本文中的共同拥有的申请中描述的机构。
在低流量（例如，低发动机转速）下，入口调整机构100可以被置于图5B的关闭位置中。这可以具有以下效果：减小有效入口直径，并因此增加进入压缩机轮中的流速。结果将是压缩机叶片迎角减小，从而有效地稳定了流（即，使叶片失速和压缩机喘振较不可能发生）。换句话说，压缩机的喘振线将移动到较低流量（在压缩机压力比与流量的关系图上向左移动）。
在中等或高流量下，入口调整机构100可以如图5A中那样部分地打开。这可以具有以下效果：增加有效入口直径，使得压缩机恢复其高流量性能和阻流，基本上就像入口调整机构不存在一样，并且就像压缩机具有与在轮的入口导流器部分处的轮直径匹配的常规入口一样。
根据本发明，由于扩散器是发散壁扩散器，因此能够在入口调整机构100和扩散器19的操作之间获得出乎意料的协同作用。参考图3，与形成在两个平行壁之间的常规扩散器不同，扩散器19的径向长度的至少一部分形成在第一壁19a和第二壁19b之间，所述第一壁和第二壁沿径向向外方向彼此发散。即，第一壁和第二壁之间的轴向间距沿由图3中的径向轴线r所指示的径向向外方向增加。壁在扩散器的整个径向长度上发散并无必要，但在长度的至少一部分上，壁必须发散。因此，穿过扩散器的扩散率相对于平行壁扩散器增加。在台架试验（bench test）中已发现，发散壁扩散器对入口调整机构100在调整到关闭位置时表现如何具有有益的影响。
图6是对于压缩机的两种不同构型而言压力比与通过压缩机的修正流量的关系的图表。一个压缩机具有常规平行壁扩散器和大体上为本文中所图示和描述的类型的入口调整机构。第二个压缩机在其他方面是相同的，除了具有发散壁扩散器之外，在该发散壁扩散器中，第二壁19b是圆锥半角为大约4.5度的圆锥形，基本上如图3中所示。第一壁19a位于rθ平面中。每个压缩机在入口调整机构处于打开位置中和关闭位置中的情况下操作。在图6中，基线构型（平行壁扩散器）针对入口调整机构打开的情况以实线组成的线示出并且针对该机构关闭的情况而以虚线-虚线-点线组成的线示出。根据本发明的实施例的构型（发散壁扩散器）针对入口调整机构打开的情况以点线-点线-虚线组成的线示出，并且针对该机构关闭的情况而以虚线-虚线组成的线示出。
试验结果是出乎意料的。可以看到，在入口调整机构打开的情况下，平行壁扩散器和发散壁扩散器的喘振线几乎相同。然而，当入口调整机构关闭时，在发散壁扩散器的情况下喘振线移位到较低流量的量实质上大于在平行壁扩散器的情况下喘振线移位到较低流量的量。尚未完全理解这些结果，但是据推理，在低流量下，由于发散壁扩散器将需要快速扩散，因此在发散壁19b上发生了流分离，并且流分离区导致扩散器的有效宽度实际上减小。据认为，由于离开压缩机出口导流器14e（图3）和进入扩散器19的流速较高，因此当入口调整机构关闭时，这种流分离效果实质上更明显。因此，扩散器起到如下作用：进一步增加通过压缩机的流速（基本上增加了由关闭的入口调整机构引起的速度增加），由此进一步将喘振延迟到相对于平行壁扩散器甚至更低的流量。
在任何情况下，无论发生什么具体的流体力学，试验结果均清楚地指示在发散壁扩散器的情况下喘振延迟方面的实质性益处。
受益于以上描述和相关联的附图中呈现的教导，发明所涉及的领域的技术人员将会想到本文中所阐述的这些发明的许多修改和其他实施例。例如，尽管在所图示实施例中，发散壁扩散器具有径向的第一壁19a和圆锥形的第二壁19b，但是本发明不限于用于实现发散扩散器的任何具体的壁形状。一个壁或两个壁可以是非径向的（即，相对于rθ平面倾斜），并且可以采用非圆锥形的壁。附加地，在所图示的实施例中，发散壁19b相对于rθ平面倾斜一直到扩散器的出口。然而，在其他实施例中，扩散器可以包括具有平行壁的部分，并且平行壁部分可以位于沿着扩散器的径向长度的任何位置。因此，将理解，本发明将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。尽管本文中采用特定的术语，但是它们仅在一般和描述的意义上使用而非用于限制的目的。
