Турбонагнетатель (варианты)
Турбонагнетатель содержит корпус, проточный канал внутри корпуса, рабочее колесо компрессора, содержащее основную лопасть и выполненное с возможностью вращения для сжатия всасываемого воздуха, а также кольцевой элемент срыва потока на корпусе. Кольцевой элемент срыва потока расположен в области передней кромки основной лопасти и сообщается только с проточным каналом. Поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под углом к поверхности корпуса, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения передней и задней кромок. В другом варианте кольцевой элемент срыва потока расположен в области передней кромки основной лопасти и ниже по потоку от участка корпуса, параллельного центральной оси корпуса. Поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под углом с участком корпуса, параллельным центральной оси корпуса и расположенным выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена под углом к центральной оси корпуса. Задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена на одной линии в осевом направлении с передней кромкой основной лопасти. В еще одном варианте кольцевой элемент срыва потока расположен в области передней кромки основной лопасти, а поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под углом к поверхности корпуса, которая расположена выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока. Задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена на одной линии в осевом направлении с передней кромкой основной лопасти смежно поверхности передней кромки кольцевого элемента срыва потока и продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения поверхности передней и задней кромок. Группа изобретений позволяет снизить шум компрессора турбонагнетателя в широком диапазоне частот без существенного влияния на характеристики потока. 3 н. и 19 з.п. ф-лы, 19 ил.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к способам и системам для сжатия всасываемого воздуха двигателя с использованием системы наддува, такой как турбонагнетатель, а более точно, к устройствам, способам и системам турбонагнетателя, в которых уменьшается шум, производимый компрессором турбонагнетателя.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Двигатели транспортных средств могут содержать турбонагнетатели или нагнетатели, выполненные с возможностью нагнетания большой массы воздуха во впускной коллектор и камеру сгорания двигателя, сжимая всасываемый воздух с помощью турбокомпрессора. В некоторых случаях компрессор может приводиться в движение турбиной, расположенной, чтобы поглощать энергию из потока выхлопных газов двигателя. При работе компрессоров в переходном и установившемся состоянии известны проблемы шума, вибраций и неплавности движения (NVH), характеризуемые свистящим шумом или просто свистом. Состояние свиста может вызывать нежелательные или неприемлемые уровни NVH и также может приводить к помпажу турбонагнетателя/двигателя.
Были произведены попытки подавлять шум из компрессоров турбонагнетателя. Одна из них предлагает использовать небольшие пазы для срыва приграничного слоя поля набегающего потока у турбонагнетателя. Еще одна попытка для подавления шума турбины раскрыта в публикации US 2010/0098532 Даймера и других. Даймер и другие пытаются уменьшить шум срыва потока турбонагнетателя посредством предоставления канавки, которая охватывает переднюю кромку лопасти рассекателя компрессора. Канавка расположена ниже по потоку от передней кромки основных лопастей для обеспечения тракта для текучей среды вокруг вращающегося срыва потока.
Другие попытки минимизировать шум компрессора предлагали различные каналы рециркуляции, в которых часть потока подвергается рециркуляции из расположенного ниже по потоку положения в расположенное выше по потоку положение через канал, отдельный от основного проточного канала. Один из примеров такого подхода раскрыт в патенте US 7942625 Сиракова и других. Сираков предлагает канал стравливания ниже по потоку от передней кромки лопасти, который дает части текучей среды компрессора возможность рециркулировать в расположение выше по потоку через внутреннюю полость и инжекционный канал.
Все эти подходы имеют недостаток в исследовании протока компрессора в области передней кромки основной лопасти, и отсутствие принимаемых мер в ответ на свистящий шум. В дополнение, ни один из этих подходов не направлен на широкополосный диапазон частот свистящего шума с минимальным влиянием на поле потока.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением могут предлагать турбонагнетатель, содержащий:
корпус, содержащий впускной конец и выпускной конец;
проточный канал внутри корпуса, содержащий по существу непрерывную внутреннюю поверхность и выполненный с возможностью пропускания всасываемого воздуха с впускного конца на выпускной конец;
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее по меньшей мере одну основную лопасть и выполненное с возможностью вращения внутри корпуса для сжатия всасываемого воздуха; и
кольцевой элемент срыва потока на корпусе, расположенный в области передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти и в сообщении только с проточным каналом, при этом
поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом от поверхности корпуса, причем задняя кромка кольцевого элемента срыва потока является смежной поверхности передней кромки и продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения поверхности передней кромки и задней кромки.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена выше по потоку от передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена под углом от расположенного ниже по потоку конца поверхности передней кромки и продолжается в направлении к центральной оси корпуса.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока содержит ступеньку на внутренней поверхности.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором поверхность ступеньки расположена под углом к поступающему потоку всасываемого воздуха.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, дополнительно содержащий вихреобразующее устройство выше по потоку от ступеньки, выполненное с возможностью сообщения завихрения потоку всасываемого воздуха.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку в корпусе, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором один или оба из расположенного выше по потоку переходного участка и расположенного ниже по потоку переходного участка содержит скругленные углы.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором один или оба из расположенных выше по потоку и ниже по потоку переходных участков содержат непрерывно криволинейные поверхности.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором рабочее колесо компрессора также содержит одну или более рассекающих лопастей, содержащих соответствующие одну или более передних кромок, каждая из которых расположена ниже по потоку от передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти.
В одном из дополнительных аспектов предложен турбонагнетатель, содержащий:
корпус, в котором расположенный наиболее высоко по потоку участок корпуса расположен под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом участок корпуса, расположенный ниже по потоку от расположенного наиболее высоко по потоку участка корпуса, параллелен центральной оси корпуса;
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее по меньшей мере одну основную лопасть и вращаемое внутри корпуса вокруг центральной оси для сжатия всасываемого воздуха;
проточный канал внутри корпуса, содержащий внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью пропускания всасываемого воздуха от впускного конца к выпускному концу; и
кольцевой элемент срыва потока на корпусе, расположенный в области передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти и в местоположении ниже по потоку от участка корпуса, параллельного центральной оси корпуса, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом с участком корпуса, параллельным центральной оси корпуса и расположенным выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока, и задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом
задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена на одной линии в осевом направлении с передней кромкой по меньшей мере одной основной лопасти.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока находится в зоне проточного канала, которая находится в сообщении только с проточным каналом.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
В одном из еще дополнительных аспектов предложен турбонагнетатель, содержащий:
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее основные лопасти и выполненное с возможностью вращения внутри корпуса для сжатия всасываемого воздуха;
проточный канал внутри корпуса, выполненный с возможностью пропускания всасываемого воздуха, содержащего по существу непрерывную внутреннюю поверхность; и
кольцевой элемент срыва потока, нарушающий непрерывность внутренней поверхности, расположенный в области передней кромки основных лопастей, при этом
поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом от поверхности корпуса, которая расположена выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока, при этом задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена по существу на одной линии в осевом направлении с передней кромкой основных лопастей смежно поверхности передней кромки кольцевого элемента срыва потока и продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения поверхности передней кромки и задней кромки кольцевого элемента срыва потока.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока находится в зоне проточного канала, которая находится в сообщении только с проточным каналом.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором расположенный наиболее высоко по потоку участок корпуса расположен под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом участок корпуса, расположенный выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока и ниже по потоку от расположенного наиболее высоко по потоку участка корпуса, параллелен центральной оси корпуса.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока содержит ступеньку на внутренней поверхности, причем ступенька предусмотрена для резкого уменьшения поперечного сечения канала.
В одном из вариантов предложен турбонагнетатель, в котором кольцевой элемент срыва потока представляет собой кольцевой паз и поверхность передней кромки образует расположенную выше по потоку сторону кольцевого паза, а поверхность ступеньки формирует расположенную ниже по потоку кромку кольцевого паза. Варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением могут содержать элемент срыва потока, выполненный с возможностью изменения площади поперечного сечения протока, который, когда расположен на передней кромке основных лопастей компрессора, может уменьшать свист. Другие варианты осуществления могут предлагать резонансную камеру, которую можно регулировать, чтобы подавлять заданные частоты свиста.
Варианты осуществления могут предлагать компоненты элемента срыва потока, которым могут быть приданы размеры и пропорции в соответствии с конкретной математической формулой, которая соотносит компоненты определенным образом с одной или более конкретных частот свистящего шума. Таким образом, широкополосный диапазон частот, определенный свистом, может быть задан в качестве целевого, а проблема свиста уменьшаться или подавляться.
Следует понимать, что раскрытие изобретения, приведенное выше, предоставлено для ознакомления с упрощенной формой подборки концепций, которые дополнительно описаны в подробном описании. Не предполагается идентифицировать ключевые или существенные признаки заявленного предмета изобретения, объем которого однозначно определен формулой изобретения, которая сопровождает подробное описание. Более того, заявленный предмет изобретения не ограничен вариантами осуществления, которые исключают какие-либо недостатки, отмеченные выше или в любой части этого описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 - схематичное изображение примерной системы транспортного средства, содержащей турбонагнетатель в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.2 - вид в разрезе частей примерного турбонагнетателя, который может использоваться с системой транспортного средства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3 - увеличенный вид, показывающий примерный элемент срыва потока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.4 - увеличенный вид, показывающий еще один примерный элемент срыва потока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - увеличенный вид, показывающий еще один примерный элемент срыва потока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6 - увеличенный вид, показывающий еще один примерный элемент срыва потока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7 - увеличенный вид, показывающий еще один примерный элемент срыва потока в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.8 – вид в разрезе частей еще одного примерного турбонагнетателя, который может использоваться с системами транспортного средства, в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.9 - местный вид сбоку частей турбонагнетателя в соответствии с настоящим изобретением, на котором проиллюстрированы выбранные элементы, внутренние по отношению к проточному каналу.
Фиг.10-14 - виды в разрезе, кроме того, дополнительных примеров частей турбонагнетателя, на которых проиллюстрированы различные примерные углы.
Фиг.15 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая примерный способ формирования турбонагнетателя в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.16-19 – блок-схемы последовательности операций способа, иллюстрирующие примерную модификацию способа, проиллюстрированного на фиг.15.
Фиг.2-14 начерчены приблизительно в масштабе, хотя, если требуется, могут использоваться другие относительные показатели.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Фиг.1 показывает схематичное изображение системы 6 транспортного средства. Система 6 транспортного средства содержит систему 8 двигателя, присоединенную к системе 22 последующей очистки выхлопных газов. Система 8 двигателя может содержать двигатель 10, содержащий множество цилиндров 30. Двигатель 10 содержит впуск 23 двигателя и выпуск 25 двигателя. Впуск 23 двигателя может содержать дроссель 62, присоединенный по текучей среде к впускному коллектору 44 двигателя через впускной канал 42. Выпуск 25 двигателя может содержать выпускной коллектор 48, ведущий в выпускной канал 35, который направляет выхлопные газы в атмосферу. Дроссель 62 может быть расположен во впускном канале 42 ниже по потоку от устройства наддува, такого как турбонагнетатель 50 или нагнетатель. Турбонагнетатель 50 может содержать компрессор 52, расположенный между впускным каналом 42 и впускным коллектором 44. Компрессор 52 может быть по меньшей мере частично механизирован турбиной 54 с приводом от выхлопной системы двигателя, расположенной между выпускным коллектором 48 и выпускным каналом 35. Компрессор 52 может быть присоединен к турбине 54 с приводом от выхлопной системы двигателя посредством вала 56. Компрессор 52 также может быть по меньшей мере частично механизирован электродвигателем 58. В изображенном примере электродвигатель 58 показан присоединенным к валу 56. Однако другие пригодные конфигурации электродвигателя также могут быть возможны. В одном из примеров электродвигатель 58 может приводиться в действие накопленной электрической энергией из аккумуляторной батареи системы (не показана), когда состояние заряда аккумуляторной батареи находится выше порогового значения заряда. Посредством использования электродвигателя 58 для приведения в действие турбонагнетателя 50, например, при запуске двигателя электрический наддув (электронаддув) может обеспечиваться для заряда всасываемого воздуха. Таким образом, электродвигатель может обеспечивать моторную поддержку для приведения в действие устройства наддува. По существу, как только двигатель работает в течение достаточного времени (например, порогового времени), выхлопные газы в выпускном коллекторе могут начинать приводить в движение турбину 54 с приводом от выхлопной системы двигателя. Следовательно, моторная поддержка электродвигателя может уменьшаться. То есть во время работы турбонагнетателя моторная поддержка, предусмотренная электродвигателем 52, может регулироваться, реагируя на работу турбины с приводом от выхлопной системы двигателя.
Выпуск 25 двигателя может быть присоединен к системе 22 последующей очистки выхлопных газов вдоль выпускного канала 35. Система 22 последующей обработки выхлопных газов может содержать одно или более устройств 70 снижения токсичности выбросов, которые могут быть установлены в близко присоединенном положении в выпускном канале 35. Одно или более устройств снижения токсичности выбросов могут содержать трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, фильтр обедненных NOx, каталитический нейтрализатор SCR и т.д. Каталитические нейтрализаторы могут давать токсичным побочным продуктам сгорания, формируемым в выхлопных газах, таким как разновидности NOx, несгоревшие углеводороды, угарный газ и т.д., возможность каталитически преобразовываться в менее токсичные продукты перед выбросом в атмосферу. Однако каталитическая эффективность каталитического нейтрализатора в значительной степени может находиться под влиянием температуры выхлопных газов. Например, восстановление разновидностей NOx может требовать более высоких температур, чем окисление угарного газа. Нежелательные побочные реакции также могут происходить при более низких температурах, такие как выработка аммиака и разновидностей N2O, которые оказывают неблагоприятное влияние на эффективность очистки выхлопных газов и ухудшают качество выбросов выхлопных газов. Таким образом, каталитическая очистка выхлопных газов может задерживаться до тех пор, пока каталитический нейтрализатор(ы) не достигли температуры розжига. Система 22 последующей очистки выхлопных газов также может содержать устройства удерживания углеводородов, устройства удерживания твердых частиц и другие пригодные устройства последующей очистки выхлопных газов (не показаны). Следует принимать во внимание, что другие компоненты могут быть включены в двигатель, такие как многообразие клапанов и датчиков.
Система 6 транспортного средства дополнительно может содержать систему 14 управления. Система 14 управления показана принимающей информацию с множества датчиков 16 (различные примеры которых описаны в материалах настоящего описания) и отправляющей сигналы управления на множество исполнительных механизмов 81 (различные примеры которых описаны в материалах настоящего описания). В качестве одного из примеров датчики 16 могут содержать датчик 126 выхлопных газов (расположенный в выпускном коллекторе 48), датчик 128 температуры и датчик 129 давления (расположенный ниже по потоку от устройства снижения токсичности выхлопных газов). Другие датчики, такие как датчики давления, температуры, топливно-воздушного соотношения и состава, могут быть присоединены в различных местоположениях в системе 6 транспортного средства. Примерные исполнительные механизмы 81 могут содержать топливные форсунки (не показаны), многообразие клапанов, насос и дроссель 62. Система 14 управления может содержать контроллер 12. Контроллер может принимать входные данные с различных датчиков 16, обрабатывать входные данные и приводить в действие исполнительные механизмы 81 в ответ на обработанные входные данные на основании команды или управляющей программы, запрограммированных в нем, соответствующих одной или более процедур.
Фиг.2 - вид в разрезе частей примерного турбонагнетателя 50 в соответствии с настоящим изобретением. Турбонагнетатель 50 может содержать корпус 110, имеющий впускной конец 112 и выпускной конец 114. Может быть проточный канал 42 внутри корпуса 110, который может содержать по существу непрерывную внутреннюю поверхность 116 и который может быть выполнен с возможностью пропускания всасываемого воздуха от впускного конца 112 на выпускной конец 114. Рабочее колесо 52 компрессора может быть расположено в корпусе 110 и может содержать по меньшей мере одну основную лопасть 118. Рабочее колесо 52 компрессора может быть выполнено с возможностью вращения внутри корпуса 110, чтобы сжимать всасываемый воздух. Может быть элемент 120 срыва потока на корпусе 110, который может быть выполнен с возможностью нарушения непрерывности внутренней поверхности 116. Элемент 120 срыва потока может быть расположен на или на одной линии в осевом направлении с передней кромкой 122 по меньшей мере одной основной лопасти 118. Элемент 120 срыва потока может быть закрыт для сообщения выше по потоку с проточным каналом 42 кроме как через проточный канал 42. Закрытый для сообщения выше по потоку с основным протоком здесь может указывать ссылкой на проток от элемента срыва потока до местоположения выше по потоку через любой маршрут, иной чем через проточный канал.
Проточный канал 42 может быть по существу круглым в поперечном сечении, и элемент 120 срыва потока может быть ступенькой 130, при этом проточный канал 42 резко уменьшен по диаметру. Таким образом, эффективная площадь поперечного сечения проточного канала может уменьшаться. В случае цилиндрической или круглой площади поперечного сечения ступенька может уменьшать средний диаметр потока проточного канала 42, который может уменьшать осесимметричный поступающий поток и, к тому же или взамен, увеличивать допустимый предел помпажа и уменьшать свист.
Фиг.3 - подробный вид части элемента 120 срыва потока, то есть ступеньки 130, показанной на фиг.2, с частями еще одного примерного варианта осуществления, проиллюстрированного пунктирными линиями. Ступенька 130 имеет грань 135 ступеньки, которая может быть по существу кольцевой в случае по существу цилиндрического корпуса 110 и может иметь наружный диаметр, образующий внутренний угол 136, и внутренний диаметр, образующий внешний угол 138. Внутренний угол 136 может определять или быть включенным в расположенный выше по потоку переходный участок 236 ступеньки 130, а внешний угол 138 может определять или быть включенным в расположенный ниже по потоку переходный участок 238 ступеньки 130. Вторая примерная грань 135’ ступеньки проиллюстрирована пунктирной линией, расположенной под углом относительно первой примерной грани 135 ступеньки.
Две линии 132, 132’ показаны воображаемым перпендикуляром к соответственной первой примерной грани 135 ступеньки и второй примерной грани 135’ ступеньки. У некоторых примерных вариантов осуществления линия 132, перпендикулярная к грани 135 ступеньки, может быть параллельной с центральной линией 134 корпуса 110 или общим направлением проточного канала 42. У других примерных вариантов осуществления, таких как с примерной гранью 135’ ступеньки, линия 132’, перпендикулярная грани 135’ ступеньки, может создавать угол 240 с центральной линией 134 корпуса 110. Соответственно в некоторых случаях грань ступеньки может быть расположена под углом к набегающему потоку всасываемого воздуха. Угол 240, например, может быть между 0 и 80 градусами. В некоторых случаях угол 240 может иметь значение приблизительно 45 градусов или быть отрицательным.
В различных других примерах элемент 120 срыва потока может содержать расположенный выше по потоку участок 236 и/или расположенный ниже по потоку переходный участок 238, спрофилированные по-разному. Фиг.4 - подробный вид примерного элемента 120 срыва потока, воплощенный в качестве варианта ступеньки 130, имеющей расположенный выше по потоку переходный участок 236 и расположенный ниже по потоку переходный участок 238, имеющие скругленные углы. Ступенька 130 может содержать грань 135 ступеньки, ориентированную по существу в направлении набегающего потока 42, как показано, или установленную под углом иначе, как обсуждено ниже.
Фиг.5 иллюстрирует еще один пример элемента 120 срыва потока, в котором один или оба из расположенных выше по потоку и ниже по потоку переходных участков являются сплайновыми поверхностями. Ступенька 130 может содержать непрерывно криволинейную поверхность, которая переходит с расположенного выше по потоку положения в расположенное ниже по потоку положение. Грань 135 ступеньки может быть ориентирована под углом к направлению набегающего потока 42.
В некоторых вариантах осуществления расположенные выше по потоку и ниже по потоку переходные участки могут содержать участки, которые могут менять направление на обратное по той причине, что они, например, начинают продолжаться ниже по потоку, а затем продолжаются выше по потоку по меньшей мере на короткое расстояние. Примеры проиллюстрированы на фиг.6 и 7.
Фиг.6 - подробный вид еще одного примерного элемента 120 срыва потока, воплощенного в качестве ступеньки 130. Ступенька 130 может содержать выступающий элемент 242 и утопленный элемент 244. Выступающий элемент 242 может содержать внешние углы 246, а утопленный элемент может содержать внутренние углы 248. В некоторых случаях один или более внешних углов 246 и внутренних углов 248 могут быть прямыми углами, как проиллюстрировано, хотя возможны варианты.
Фиг.7 - подробный вид еще одного примера элемента 120 срыва потока, воплощенного в качестве ступеньки 130. В этом примере один или более из выпяченного элемента 242 и утопленного элемента 244 может быть или может содержать поверхности, которые выполнены с возможностью плавного перехода со смежных поверхностей. Например, углы могут быть скругленными или сплайновыми поверхностями. У некоторых примеров выступающий элемент и утопленный элемент могут быть по существу цилиндрическими элементами и могут иметь тороидальную форму.
Как видно на фиг.2, некоторые варианты осуществления могут предусматривать турбонагнетатель 50, который может содержать корпус 110. Рабочее колесо 52 компрессора может быть расположено в корпусе 110, может содержать основные лопасти 118 и может быть выполнено с возможностью вращения внутри корпуса 110, чтобы сжимать всасываемый воздух. Проточный канал 42 внутри корпуса 110 может содержать внутреннюю поверхность 116, выполненную с возможностью пропускания всасываемого воздуха с впускного конца 112 на выпускной конец 114. Варианты осуществления могут содержать ступеньку 130 на внутренней поверхности 116, резко уменьшающую площадь поперечного сечения проточного канала 42, расположенную по существу на одной линии с передней кромкой 122 основных лопастей 118. Ступенька может содержать грань 135 ступеньки, которая может образовывать угол между 10 и 170 градусами с центральной осью 134 проточного канала 42.
Ступенька 130 может содержать кольцевую поверхность или грань 135, имеющую наружный диаметр, образующий круговой внутренний угол 136 с расположенным выше по потоку участком внутренней поверхности, и внутренний диаметр, образующий круговой внешний угол 138 с расположенным ниже по потоку участком внутренней поверхности 116. Ступенька может быть расположена в зоне проточного канала 42, которая может быть закрытой для сообщения выше по потоку с проточным каналом 42, кроме как через проточный канал 42.
Фиг. 8 - вид в разрезе частей еще одного примерного турбонагнетателя 50 в соответствии с настоящим изобретением. Турбонагнетатель 50 может содержать рабочее колесо 52 компрессора, расположенное в корпусе 110. Рабочее колесо 52 компрессора может содержать основные лопасти 118 и может быть выполнено с возможностью вращения внутри корпуса 110, чтобы сжимать всасываемый воздух. Канал 42 может быть расположен внутри корпуса 110, который может быть выполнен с возможностью пропускания всасываемого воздуха и который может содержать по существу непрерывную внутреннюю поверхность 116.
Турбонагнетатель 50 также может содержать кольцевой элемент 120, нарушающий непрерывность внутренней поверхности 116, расположенный на передней кромке 122 основных лопастей 118. Канал может быть закрыт для сообщения выше по потоку на кольцевом элементе 120 кроме как через канал 42.
Рабочее колесо 52 компрессора также может содержать рассекающие лопасти 128 и/или другие элементы. Каждая рассекающая лопасть 128 может содержать переднюю кромку 129, которая может быть расположена ниже по потоку относительно передней кромки 122 основных лопастей 118.
В различных вариантах осуществления кольцевой элемент 120 может быть резонансной камерой 140. Резонансная камера 140 может быть наделена размерами и формой, чтобы уменьшать свистящий шум, вырабатываемый рабочим колесом 52 компрессора. Резонансная камера может быть открыта в канал 42 только через паз 142, образованный на по существу непрерывной внутренней поверхности 116. Свистящий шум может содержать один или более звуковых частот «f». Паз 142 и резонансная камера 140 могут быть наделены размерами согласно формуле f=[C/2Pi]⋅sqrt[(площадь отверстия паза)/((объем резонансной камеры)(продольная длина резонансной камеры))], где С - скорость звука.
Описание «на передней кромке основных лопастей» может указывать ссылкой на заданное максимальное расстояние, на котором элемент срыва потока может быть расположен от передней кромки основной лопасти или лопастей. Заданное максимальное расстояние может измеряться в абсолютных единицах или измеряться относительно опорного расстояния между другими точками устройства турбонагнетателя, описанного в материалах настоящего описания. Примерное опорное расстояние может быть продольным расстоянием от передней кромки до задней кромки основной лопасти.
В некоторых примерах задняя кромка 144 элемента срыва потока может быть расположена по существу на одной линии в направлении потока с передней кромкой 122 по меньшей мере одной лопасти 118. В некоторых примерах большая часть элемента 120 срыва потока может быть расположена выше по потоку от передней кромки 122 основных лопастей 118. Задняя кромка 144 элемента 120 срыва потока может быть расположена на расстоянии от передней кромки 122 основных лопастей 118. В некоторых случаях по меньшей мере часть элемента 120 срыва потока может быть расположена выше по потоку от передней кромки основных лопастей 118.
В некоторых примерах элемент срыва потока может быть резонатором 140, имеющим отверстие 142 резонатора, отверстие резонатора может содержать заднюю кромку 144, расположенную по существу на одной линии в продольном направлении с передней кромкой 122 основных лопастей 118 компрессора.
Элемент 120 срыва потока может быть кольцевым пазом на внутренней поверхности проточного канала, и паз может открываться в камеру. Элемент срыва потока может содержать паз и камеру, при этом паз сформирован на внутренней поверхности проточного канала и камера открывается в проточный канал только через паз. Фраза «при этом камера открывается в проточный канал только через паз» может быть интерпретирована для обозначения того, что камера ограничена или закрыта повсюду, кроме как в пазу, при этом она открывается в проточный канал.
В некоторых примерах паз и камера могут быть выполнены в качестве единой детали и, например, могут быть литой деталью. В некоторых вариантах осуществления паз и камера могут быть двумя или более деталями. В некоторых примерах паз может быть вырезан в проточном канале, например, сформированном в качестве трубы, трубопровода или тому подобного, а камера может быть объемом, добавленным снаружи потока, или основным проточным каналом поверх паза.
В некоторых примерах паз и камера могут иметь размеры, которые приданы относительно заданной частотной «f» характеристики свистящего шума, испускаемого рабочим колесом компрессора, в соответствии с формулой:
f = [C/2π]⋅sqrt[s/VL]
где: C - скорость звука;
s - площадь паза = 2πrl;
где: r - радиус внутреннего канала;
l - продольная длина или ширина паза;
V - объем камеры, определенный согласно V=π(Ro2 - Ri2)⋅L:
где Ro - внешний радиус камеры в качестве измеренного от центральной оси проточного канала;
Ri - внутренний радиус камеры в качестве измеренного от центральной оси проточного канала; и
L - длина камеры в качестве измеренной в продольном направлении.
Скорость звука, рассматриваемая в конструктивных соображениях в соответствии с различными вариантами осуществления, может быть скоростью звука в среде турбонагнетателя. Например, размер и/или относительные пропорции компонентов паза и камеры могут определяться с учетом конкретной среды турбонагнетателя, например температуры и/или давления в и/или вокруг воздухозаборника и/или двигателя.
Различные варианты осуществления могут предусматривать турбонагнетатель, содержащий корпус, образующий проточный канал, выполненный с возможностью пропускания всасываемого воздуха с впускного конца на выпускной конец; рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее одну или более основных лопастей и выполненное с возможностью вращения внутри корпуса для сжатия всасываемого воздуха; и по существу цилиндрический паз, расположенный в проточном канале, имеющий переднюю кромку паза, расположенную по существу на одной линии в осевом направлении с передней кромкой одной или более основных лопастей. Камера может иметь по существу тороидальную форму и может быть расположена снаружи проточного канала в радиальном направлении.
Фиг.9 - местный вид сбоку частей еще одного примерного турбонагнетателя 50. Выбранные элементы, внутренние по отношению к проточному каналу, показаны не прегражденными наружной стенкой проточного канала в целях иллюстрации. Чертеж иллюстрирует примерный вариант осуществления, в котором элемент 120 срыва потока в соответствии с настоящим изобретением воплощен в качестве ступеньки 130. Чертеж также показывает пример, в котором вихреобразующее устройство 150 может быть расположено выше по потоку от ступеньки 130, выполненное с возможностью придания завихрения потоку всасываемого воздуха.
Фиг.10-14 иллюстрируют различные примерные варианты осуществления турбонагнетателя в соответствии с настоящим изобретением, в котором кольцевой элемент 120, 130 может содержать поверхность 250 передней кромки, которая может быть выполнена с возможностью выполнения одного или более из: отклонения радиально наружу в направлении от центральной оси 134 корпуса 110 (фиг. 10); отклонения радиально внутрь в направлении к центральной оси 134 корпуса 110 (фиг. 11); и продолжения радиально внутрь в направлении к центральной оси 134 корпуса 110 (фиг. 12).
Кольцевой элемент 120, 130 также может содержать грань 135 ступеньки задней кромки, которая может резко уменьшать поперечное сечение канала 42. Поверхность 250 передней кромки может быть одной или более из: граничащей с гранью 135 ступеньки (фиг. 10, 11); прилегающей к грани ступеньки; и расположенной на расстоянии от грани ступеньки (фиг. 11-14). Грань передней кромки может образовывать расположенную выше по потоку сторону кольцевого паза, и грань 135 ступеньки может формировать расположенную ниже по потоку кромку кольцевого паза (фиг. 13 и 14).
В некоторых случаях грань 250 передней кромки может образовывать острый угол выше по потоку от или приводящий к грани 135 ступеньки (фиг. 10). В некоторых случаях грань 250 передней кромки может образовывать тупой угол выше по потоку от или приводящий к грани 135 ступеньки (фиг. 11); и в некоторых случаях грань 250 передней кромки может формировать прямой угол выше по потоку от или приводящий к грани 135 ступеньки (фиг. 12). Кроме того, в некоторых случаях грань 250 передней кромки может образовывать отрицательный угол выше по потоку от или приводящий к грани 135 ступеньки (фиг.14).
Фиг.15 - блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая примерный способ 1000 формирования турбонагнетателя. Способ 1000 может включать в себя этап 1010, на котором конструируют проточный канал внутри корпуса. Способ 1000 также может включать в себя этап 1020, на котором устанавливают рабочее колесо компрессора внутри корпуса, имеющего одну или более основных лопастей. Способ 1000 может включать в себя этап 1030, на котором формируют элемент срыва потока в проточном канале на передней кромке одной или более основных лопастей.
Фиг.16 – еще одна блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая модификацию способа 1000, проиллюстрированного на фиг.15. Модифицированный способ 1100 может включать в себя дополнительный этап 1110, на котором гарантируют отсутствие тракта, чтобы всасываемый воздух перемещался вверх по потоку только через проточный канал.
Фиг.17 – еще одна блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая модификацию способа 1000, проиллюстрированного на фиг.15. Модифицированный способ 1200 может включать в себя модификацию, при которой формирование элемента 1030 срыва потока может включать в себя этап 1230, на котором обеспечивают кольцевой паз в проточном канале, и этап 1240, на котором обеспечивают камеру, открытую в проточный канал только через паз.
Фиг.18 – еще одна блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая модификацию способа 1000, проиллюстрированного на фиг.15. Модифицированный способ 1300 может включать в себя модификацию, при которой формирование элемента 1330 срыва потока может включать в себя этап 1330, на котором формируют ступеньку для создания завихрения в направлении вращения компрессора.
Фиг.19 – еще одна блок-схема последовательности операций способа, иллюстрирующая модификацию способа 1000, проиллюстрированного на фиг.15. Модифицированный способ 1400 может включать в себя дополнительный этап 1410, на котором обеспечивают вихревые лопатки выше по потоку от элемента срыва потока.
Следует понимать, что система 10 двигателя показана только в целях примера, и что системы и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, могут быть реализованы в или применены к любому другому пригодному двигателю, имеющему любые подходящие компоненты и/или компоновку компонентов.
Специфичные процедуры, описанные в материалах настоящего описания, могут представлять собой одну или более из любого количества стратегий обработки, таких как управляемая событиями, управляемая прерыванием, многозадачная, многопоточная, и тому подобная. По существу, проиллюстрированные различные действия, операции или функции могут выполняться в проиллюстрированной последовательности, параллельно, или в некоторых случаях пропускаться. Подобным образом, порядок обработки не обязательно требуется для достижения признаков и преимуществ примерных вариантов осуществления, описанных в материалах настоящего описания, но приведен для облегчения иллюстрации и описания. Одно или более из проиллюстрированных действий, функций или операций могут выполняться неоднократно, в зависимости от конкретной используемой стратегии. Кроме того, описанные операции, функции и/или действия могут графически представлять управляющую программу, которая должна быть запрограммирована в машинно-читаемый запоминающий носитель в системе управления.
Кроме того, еще следует понимать, что системы и способы, раскрытые в материалах настоящего описания, являются примерными по природе, и что эти специфичные варианты осуществления или примеры не должны рассматриваться в ограничительном смысле, так как предполагаются многочисленные варианты. Соответственно, настоящее раскрытие содержит новейшие и неочевидные комбинации различных систем и способов, раскрытых в материалах настоящего описания, а также любые и все их эквиваленты.
1. Турбонагнетатель, содержащий:
корпус, содержащий впускной конец и выпускной конец;
проточный канал внутри корпуса, содержащий по существу непрерывную внутреннюю поверхность и выполненный с возможностью пропускания всасываемого воздуха от впускного конца к выпускному концу;
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее по меньшей мере одну основную лопасть и выполненное с возможностью вращения внутри корпуса для сжатия всасываемого воздуха; и
кольцевой элемент срыва потока на корпусе, расположенный в области передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти и в сообщении только с проточным каналом, при этом
поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом от поверхности корпуса, причем задняя кромка кольцевого элемента срыва потока является смежной поверхности передней кромки и продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения поверхности передней кромки и задней кромки.
2. Турбонагнетатель по п. 1, в котором поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена выше по потоку от передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти.
3. Турбонагнетатель по п. 1, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена под углом от расположенного ниже по потоку конца поверхности передней кромки и продолжается в направлении к центральной оси корпуса.
4. Турбонагнетатель по п. 3, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
5. Турбонагнетатель по п. 3, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока содержит ступеньку на внутренней поверхности.
6. Турбонагнетатель по п. 5, в котором поверхность ступеньки расположена под углом к поступающему потоку всасываемого воздуха.
7. Турбонагнетатель по п. 6, дополнительно содержащий вихреобразующее устройство выше по потоку от ступеньки, выполненное с возможностью сообщения завихрения потоку всасываемого воздуха.
8. Турбонагнетатель по п. 3, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку в корпусе, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
9. Турбонагнетатель по п. 8, в котором один или оба из расположенного выше по потоку переходного участка и расположенного ниже по потоку переходного участка содержит скругленные углы.
10. Турбонагнетатель по п. 8, в котором один или оба из расположенных выше по потоку и ниже по потоку переходных участков содержат непрерывно криволинейные поверхности.
11. Турбонагнетатель по п. 1, в котором рабочее колесо компрессора также содержит одну или более рассекающих лопастей, содержащих соответствующие одну или более передних кромок, каждая из которых расположена ниже по потоку от передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти.
12. Турбонагнетатель, содержащий:
корпус, в котором расположенный наиболее высоко по потоку участок корпуса расположен под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом участок корпуса, расположенный ниже по потоку от расположенного наиболее высоко по потоку участка корпуса, параллелен центральной оси корпуса;
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее по меньшей мере одну основную лопасть и вращаемое внутри корпуса вокруг центральной оси для сжатия всасываемого воздуха;
проточный канал внутри корпуса, содержащий внутреннюю поверхность, выполненную с возможностью пропускания всасываемого воздуха от впускного конца к выпускному концу; и
кольцевой элемент срыва потока на корпусе, расположенный в области передней кромки по меньшей мере одной основной лопасти и в местоположении ниже по потоку от участка корпуса, параллельного центральной оси корпуса, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом с участком корпуса, параллельным центральной оси корпуса и расположенным выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока, и задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом
задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена на одной линии в осевом направлении с передней кромкой по меньшей мере одной основной лопасти.
13. Турбонагнетатель по п. 12, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
14. Турбонагнетатель по п. 12, в котором кольцевой элемент срыва потока находится в зоне проточного канала, которая находится в сообщении только с проточным каналом.
15. Турбонагнетатель по п. 12, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
16. Турбонагнетатель, содержащий:
рабочее колесо компрессора, расположенное в корпусе, содержащее основные лопасти и выполненное с возможностью вращения внутри корпуса для сжатия всасываемого воздуха;
проточный канал внутри корпуса, выполненный с возможностью пропускания всасываемого воздуха, содержащего по существу непрерывную внутреннюю поверхность; и
кольцевой элемент срыва потока, нарушающий непрерывность внутренней поверхности, расположенный в области передней кромки основных лопастей, при этом
поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока расположена под тупым или острым углом от поверхности корпуса, которая расположена выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока, при этом задняя кромка кольцевого элемента срыва потока расположена по существу на одной линии в осевом направлении с передней кромкой основных лопастей смежно поверхности передней кромки кольцевого элемента срыва потока и продолжается к центральной оси проточного канала от местоположения пересечения поверхности передней кромки и задней кромки кольцевого элемента срыва потока.
17. Турбонагнетатель по п. 16, в котором кольцевой элемент срыва потока находится в зоне проточного канала, которая находится в сообщении только с проточным каналом.
18. Турбонагнетатель по п. 16, в котором расположенный наиболее высоко по потоку участок корпуса расположен под углом от и продолжается в направлении к центральной оси корпуса, при этом участок корпуса, расположенный выше по потоку от кольцевого элемента срыва потока и ниже по потоку от расположенного наиболее высоко по потоку участка корпуса, параллелен центральной оси корпуса.
19. Турбонагнетатель по п. 16, в котором кольцевой элемент срыва потока образован в виде непрерывного перехода от участка выше по потоку к участку ниже по потоку, при этом поверхность передней кромки кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный выше по потоку переходный участок, а задняя кромка кольцевого элемента срыва потока формирует расположенный ниже по потоку переходный участок.
20. Турбонагнетатель по п. 16, в котором острый угол образован между поверхностью передней кромки кольцевого элемента срыва потока и задней кромкой кольцевого элемента срыва потока.
21. Турбонагнетатель по п. 20, в котором задняя кромка кольцевого элемента срыва потока содержит ступеньку на внутренней поверхности, причем ступенька предусмотрена для резкого уменьшения поперечного сечения канала.
22. Турбонагнетатель по п. 21, в котором кольцевой элемент срыва потока представляет собой кольцевой паз и поверхность передней кромки образует расположенную выше по потоку сторону кольцевого паза, а поверхность ступеньки формирует расположенную ниже по потоку кромку кольцевого паза.
