[发明专利]压缩机叶轮

说明书

本发明涉及一种压缩机叶轮，尤其是用于离心式压缩机的压缩机叶轮、一种配备有这种压缩机叶轮的离心式压缩机、以及一种配备有这种离心式压缩机的内燃机废气涡轮增压器。

Robert Pietzsch教授的演义“动力与作功机械”(schmalkalden高专，机械制造，08/2007)在第46～57页阐述了常规型涡轮增压器，该讲稿第47页描述了一种压缩机叶轮，具有若干用来引导待压缩流体经过的叶轮流道，所述叶轮流道各自具有一个流体入口端和一个流体出口端，叶轮流道在流体入口端具有第一横断面，并且在流体出口端具有第二横断面。

利用压缩机叶轮的旋转叶片组使得输送介质或者待输送流体(例如常压新鲜空气)旋转，从而在离心式压缩机中完成能量转换过程。旋流流体的功率一方面与作为固体旋转的叶片组的圆周速度成正比，另一方面与其同心旋转的速度分量成正比，该速度分量与固体的旋转速度成正比，因此与压缩机叶轮的转速成正比。

对于与流体的声速相比很小的流动速度而言，离心式压缩机所输送的流量同样与旋转叶片组的转速成正比。但是随着压缩机叶轮转速逐渐增大，流体的可压缩性就会导致出现流量极限值，该极限值主要取决于叶片组之内的过流断面。因此常规离心式压缩机中作为体积比能量标志的压力与流量的关系明显过比例。

附图1以随流量或者体积流量变化的全压力比∏_tot关系图阐明了常规离心式压缩机的典型工作范围。

如果在内燃机废气涡轮增压器中使用离心式压缩机，则离心式压缩机就要遵守附图1所示的特性曲线(附图1中的直线BC)，但是在整个负荷范围内应保证与离心式压缩机的喘振线PG的最小距离。另一方面离心式压缩机的流量受其阻塞线SG的限制。在附图1中以n_konst表示旋转叶片组或压缩机叶轮的恒定转速线。

结合以WG_opt表示的最佳效率线或最优效率线来看，常规离心式压缩机的压缩压力比或者全压力比∏_tot与流量的关系不成比例，会导致与内燃机的特性曲线BC发生目标冲突。

为了使离心式压缩机稳定工作而遵守的与喘振线PG之间的距离尤其会在高负荷下导致内燃机上可实现的增压压力以及工作点中的热动力效率看起来与离心式压缩机的最优设计值相比有明显的损失。

考虑到压缩机叶轮外断面或外周上的固体旋转速度受材料技术的限制，因此常规设计将单级涡轮增压限制为大约5.5巴。

如果以超过大约5.5巴的压力比对内燃机(例如柴油机)进行单级增压，则常见的离心式压缩机将以明显低于其最佳值的效率工作。

本发明的任务在于，提供一种用于离心式压缩机的压缩机叶轮，可将其用来实现高于5.5巴的增压压力或者压缩机排气侧压力，并显著改善效率。本发明的任务还在于，提供一种配备有这种压缩机叶轮的离心式压缩机以及一种配备有这种离心式压缩机的内燃机废气涡轮增压器。

采用权利要求1所述的一种压缩机叶轮、权利要求8所述的一种离心式压缩机以及权利要求11所述的一种内燃机废气涡轮增压器，即可解决上述任务。

相应从属权利要求所述均为本发明的改进实施方式。

按照本发明的第一方面，用于离心式压缩机的压缩机叶轮具有多个用来引导待压缩流体经过的叶轮流道，所述叶轮流道各自具有一个流体入口端和一个流体出口端，相应叶轮流道在流体入口端具有第一横断面，并且在流体出口端具有第二横断面。本发明所述压缩机叶轮的特征在于，第二横断面与第一横断面的尺寸之比小于0.7。

按照本发明所述，常规压缩机叶轮的第二横断面与第一横断面的尺寸之比约为0.75，即肯定大于0.7。

按照本发明所述设计面积比或尺寸比小于0.7的流体入口端和流体出口端，可以适当改善配备有本发明所述压缩机叶轮的离心式压缩机的工作特性，使得特性曲线组中表示这种离心式压缩机最佳效率的线几乎重合于或者几乎平行于并且非常接近于与离心式压缩机作用连接的内燃机的特性曲线。

这样即可尽可能排除压缩机设计与内燃机涡轮增压之间的目标冲突。换句话说，增压压力与流量之间仅会出现略微过比例的关系，从而使得离心式压缩机能够遵循内燃机的特性曲线接近其最佳设计工况工作。

在考虑适当理论最大压力的情况下，本发明所述解决的方案可以形成尤其在部分负荷范围内具有减少流量的压缩机特性曲线组，但是仍然可以使得实际可提供的增压压力和压缩机效率有显著的增量，尤其按照本发明所述设计流体出口端的叶轮流道横断面与流体出口端的叶轮流道横断面之比即可实现这一点。