专利名称：具有可变几何形状的扩压器的离心式压缩机及其方法
技术领域：
本发明涉及离心式压缩机，具体涉及具有可变几何形状的叶片式扩压器的离心式压缩机
背景技术：
在旋转式压缩机的领域中众所周知的是大多数应用要求降低从这种压缩机装置中排出的气体的相对较高的速度用于后续利用，以比如在产生能量的气体涡轮发动机中进行后续利用。为了实现高速气体的动能转化为气体的压カ增量，目前在压缩机的下游采用扩压器以通过扩压过程实现该转化。以前，认为用于离心式压缩机的可变几何形状的扩压器能够提供宽的操作范围。通过使扩压器叶片枢转以匹配来自叶轮的气流的排出角度以及通过调节机械扩压器喉部面积来实现可变的几何形状。这些调节例如通过在阻塞状态下使得能够有较大的流量、以及在激増出现时减小流量而能够提高压缩机效率。在现有的可变几何形状的叶片式扩压器中，每个扩压器叶片安装在相应的曲轴上并且这些曲轴支承在环上。环由通过臂联接至线性致动器的曲轴致动。当致动器被致动时，该曲轴就会转动，这又使环转动。环又使其上安装有相应的扩压器叶片的各个曲轴转动。因此扩压器叶片的位置在最大流量设定和最小流量设定之间变化。以上布置的缺陷在于其采用的是线性致动器，这使得难以精确地控制扩压器叶片位置。DE102007055224A1涉及具有多个叶片的涡轮增压器装置。该涡轮增压器装置包括用于调节叶片的位置的马达。然而，不能够精确地调节叶片的位置。W02008045413A2涉及大容量冷却器压缩机，该大容量冷却器压缩机包括联接至压缩机的步进马达。该步进马达对叶片进行致动以调节叶片的位置。该装置提高了精确性。然而，该装置由于其刚性布置而缺乏抵抗振动的强度。
发明内容
本发明的目的在于改善离心式压缩机的柔性。以上目的通过权利要求I所述的离心式压缩机和权利要求5所述的方法达到。本发明的主g是提供ー种借助步进马达和蜗轮蜗杆传动机构控制扩压器叶片的位置来精确地调整通过离心式压缩机的容积流量的装置和方法。步进马达的使用有利地使扩压器叶片的位置能够被更精确地控制，且易于反馈至压缩机控制系统，因而消除了与线性致动器和曲轴相关的上述技术现状的上述困难。蜗轮蜗杆传动机构的目的是将来自步进马达的转动扭矩传递至环，并再传递至安装有扩压器叶片的扩压器轴。所提出的装置确保扩压器几何形状是紧凑的。根据本发明，步进马达通过柔性联接器联接至蜗杆。该柔性联接器允许步进马达和蜗轮具有相对位移。在一个实施方式中，每个轴通过径向臂联接至环，该径向臂将来自环的转动扭矩传递至相应的轴，并因此传递至安装在相应的轴上的相应的扩压器叶片。这样，环的角位移就转换成轴的角位移，以控制安装在轴上的扩压器叶片的位置。在另外的实施方式中，沿着环的圆周设置有多个第一支承件，其中，每个径向臂通过设置在相应的臂上的槽柔性地联接至相应的第一支承件。这就形成了径向臂和支承件之间的简易连接，这还在扩压器叶片上产生最小的作用。在一个实施方式中，压缩机包括蜗形外壳，其中，通过绕蜗形外壳周向地设置的多个第二支承件将环支承在蜗形外売上。
下文中參照附图中示出的说明性实施方式进ー步描述本发明，在附图中图I示出离心式压缩机的后视图，其示出可变的扩压器叶片，图2示出离心式压缩机的前视图，其示出蜗轮蜗杆传动机构和步进马达，图3示出沿着图2的截面III-III的离心式压缩机的截面视图。
具体实施例方式现在參照图1，图I示出离心式压缩机I的后视图。在操作中，压缩机I通过入口2轴向地接收气体。流动通过入口 2的气体由安装在转子(为清楚起见未示出)上的叶轮加速，这增大了气体的动能。然后气体的动能通过设置在叶轮下游的扩压器叶片5转化成压カ增量。叶轮和扩压器叶片容置在蜗形外壳4中，这将从扩压器中切向流出的气体朝向压缩机出ロ 3引导。扩压器叶片5以围绕机器轴线9周向间隔开的阵列的形式设置。为了提供宽的操作范围，扩压器叶片5的位置能够在最大容积流量设定和最小容积流量设定之间变化。通过使扩压器叶片5枢转以匹配来自叶轮的气流的排出角度以及通过调节机械扩压器喉部面积来实现可变的几何形状。在示出的实施方式中，扩压器叶片5中的每ー个安装在相应的轴10上。轴10——本文中还被称为扩压器轴10——能够转动以使扩压器叶片5沿方向6运动以提供増大的容积流速、以及使扩压器叶片5沿方向7运动以提供减小的容积流速。參照图2中示出的压缩机I的前视图来说明用于调整扩压器叶片5的位置的机构。如示出的那样，所提出的扩压器组件包括环8，环8能够绕着轴线9转动。就是说，环8能够绕着轴线9进行角位移。扩压器轴10中的每ー个以使得环8的转动(即，角位移)引起轴10的转动(即，角位移)的方式联接至环8。在示出的实施方式中，每个扩压器轴10通过径向臂17联接至环8。图3示出沿着图2的截面III-III的截面图。结合參照图2和图3，径向臂17在一端通过螺钉19和垫圈20刚性地固定至扩压器轴10。径向臂17的另一端包括槽18，槽18配装于设置在环8上的支承件22上。若干个这样的支承件22以周向间隔的方式设置在环8上，相应的径向臂17通过相应的槽18柔性地联接在若干个这样的支承件22中的每ー个上。參照图3，每个扩压器轴10通过螺钉23刚性地联接至扩压器叶片5，使得轴10在任一方向上的转动(即，角位移)引起相应的扩压器叶片5的位置的变化，如图I中的方向箭头6和7所示。重新參照图2，环8由步进马达14和蜗轮蜗杆传动机构11、12致动，蜗轮蜗杆传动机构11、12将来自步进马达14的转动扭矩传递至环8。蜗轮蜗杆传动机构包括蜗杆11，蜗杆11与蜗轮12啮合，蜗轮12例如通过螺钉沿着环8的圆周刚性地安装。在示出的实施方式中，蜗轮12只包括仅沿着环8的圆周的一部分安装的蜗轮的节段。该节段应具有足够的弧长以容纳蜗杆11的整个范围上的角位移。该布置提供紧凑的组件。然而，可替代地，蜗轮12可以沿着环8的整个圆周安装。在示出的实施方式中，对于十五个扩压器叶片来说，可以为蜗轮蜗杆传动机构选择218 I的齿轮速比。蜗杆11能够绕蜗杆轴线13转动，蜗杆轴线13垂直于机器轴线9。蜗杆11通过支承件16a和16b支承在蜗形外壳4上并通过柔性联接器15联接至步进马达14。步进马达14能够将旋转运动分解成足够多的不连续的角位移。在示出的示例中，步进马达与齿轮速 比为30 I的齿轮组合。蜗轮蜗杆传动机构11、12将来自步进马达14的转动扭矩传递至环8。环8通过绕蜗形外壳4周向地设置的多个支承组件24a、24b、24c而被轴向地以及径向地支承在蜗形外壳4上。在操作中，步进马达14的转动(即，角位移)引起环8的转动(即，不连续的角位移)。径向臂17将来自环8的转动扭矩传递至扩压器轴10，以因此改变安装在扩压器轴10上的扩压器叶片5的角位置，如图I中清楚地示出的那样。有利地，使用步进马达14使扩压器叶片5的角位置能够被压缩机控制系统更精确地控制以及被定位，进而知道扩压器叶片的精确位置。进ー步有利地，只要按照应用仔细地设定步进马达的尺寸，就可以在没有任何反馈机构的情况下精确地控制扩压器叶片5的角位置。虽然已參照某些优选实施方式详细地描述了本发明，但应当理解，本发明不局限于那些具体的实施方式。相反，鉴于描述用于实施本发明的现有最优模式的本公开，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，本领域的技术人员能够做出许多修改和改变。因此，本发明的范围由所附的权利要求指定而不是由以上描述指定。在权利要求的等同方案的意义和范围的范围内的所有变更、修改和变形被认为处于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种离心式压缩机(1)，包括 多个扩压器叶片(5)，所述多个扩压器叶片(5)以围绕机器轴线(9)周向间隔的阵列的形式设置，每个扩压器叶片(5)安装在相应的轴(10)上， 环(8)，所述轴(10)中的每一个联接至所述环(8)，所述环(8)能够绕所述机器轴线(9)转动， 蜗轮蜗杆传动机构(11，12)，所述蜗轮蜗杆传动机构(11，12)包括蜗杆(11)，所述蜗杆(11)与沿着所述环⑶的圆周的至少一部分安装的蜗轮(12)或者蜗轮(12)的节段啮合，以及 步进马达(14)，所述步进马达(14)联接至所述蜗杆(11)并能够操作以使所述蜗杆(11)绕垂直于所述机器轴线(9)的蜗杆轴线(13)转动，从而所述蜗轮蜗杆传动机构(11，12)将来自所述步进马达(14)的转动扭矩传递至所述环(8)，以因此改变所述扩压器叶片(5)的位置， 其特征在于，所述步进马达(14)通过柔性联接器(15)联接至所述蜗杆(11)。
2.根据权利要求I所述的离心式压缩机(I)，其中，每个轴(10)通过径向臂(17)联接至所述环(8)，所述径向臂(17)将来自所述环(8)的转动扭矩传递至相应的所述轴(10)，并因此传递至安装在相应的所述轴(10)上的相应的所述扩压器叶片(5)。
3.根据权利要求2所述的离心式压缩机(1)，其中，沿着所述环(8)的圆周设置有多个支承件(22)，其中，每个径向臂(17)通过设置在相应的所述臂(17)上的槽(18)柔性地联接至相应的支承件(22)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的离心式压缩机(I)，还包括蜗形外壳(4)，其中所述环(8)通过绕所述蜗形外壳(4)周向地设置的多个支承组件(24a-c)而被轴向地以及径向地支承在所述蜗形外壳(4)上。
5.一种用于提供离心式压缩机(I)的扩压器叶片的可变几何形状的方法，包括 将多个扩压器叶片(5)中的每一个安装在相应的轴(10)上，使得所述扩压器叶片(5)以绕机器轴线(9)周向间隔的阵列的形式布置， 将所述轴(10)中的每一个联接至能够绕所述机器轴线(9)转动的环(8)， 设置蜗轮蜗杆传动机构(11，12)，所述蜗轮蜗杆传动机构(11，12)包括蜗杆(11)，所述蜗杆(11)与沿着所述环⑶的圆周的至少一部分安装的蜗轮(12)或者蜗轮(12)的节段啮合，以及 将步进马达(14)联接至所述蜗杆(11)，所述步进马达是能够操作的马达以使所述蜗杆(11)绕垂直于所述机器轴线(9)的蜗杆轴线(13)转动，从而所述蜗轮蜗杆传动机构(11，12)将来自所述步进马达(14)的转动扭矩传递至所述环(8)，以因此改变所述扩压器叶片(5)的位置， 其特征在于，通过柔性联接器(15)将所述步进马达(14)联接至所述蜗杆(11)。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括通过径向臂(17)将每个轴(10)联接至所述环(8)，所述径向臂(17)将来自所述环(8)的转动扭矩传递至相应的所述轴(10)，并因此传递至安装在相应的所述轴(10)上的相应的所述扩压器叶片(5)。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括 沿着所述环(8)的圆周设置多个支承件(22)，以及通过设置在相应的所述臂(17)上的槽(18)将每个径向臂(17)柔性地联接至相应的支承件(22)。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，还包括 绕所述压缩机(I)的蜗形外壳(4)周向地设置多个支承组件(24a-c)，以及通过所述多个支承组件(24a-c)将所述环(8)轴向地以及径向地支承在所述蜗形外壳(4)上。
全文摘要
一种具有可变几何形状的扩压器的离心式压缩机及其方法。一种离心式压缩机(1)包括多个扩压器叶片(5)，多个扩压器叶片(5)以围绕机器轴线(9)周向间隔的阵列的形式设置。每个扩压器叶片(5)安装在相应的轴(10)上。轴(10)中的每一个联接至环(8)，环(8)能够绕机器轴线(9)转动。设置了蜗轮蜗杆传动机构(11，12)，蜗轮蜗杆传动机构(11，12)包括蜗杆(11)，蜗杆(11)与沿着所述环(8)的圆周的至少一部分安装的蜗轮(12)或者蜗轮(12)的节段啮合。步进马达(14)联接至蜗杆(11)。步进马达(14)是能够操作的以使蜗杆(11)绕垂直于机器轴线(9)的蜗杆轴线(13)转动，从而蜗轮蜗杆传动机构(11，12)将来自步进马达(14)的转动扭矩传递至所述环(8)，以因此改变扩压器叶片(5)的位置。
文档编号F04D29/44GK102628453SQ20121002243
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月4日
发明者克劳斯·斯米茨·汉森, 约根·利奎斯特 申请人:西门子公司