專利名稱：具有可變幾何形狀的擴壓器的離心式壓縮機及其方法
技術領域：
本發明涉及離心式壓縮機，具體涉及具有可變幾何形狀的葉片式擴壓器的離心式壓縮機
背景技術：
在旋轉式壓縮機的領域中眾所周知的是大多數應用要求降低從這種壓縮機裝置中排出的氣體的相對較高的速度用于后續利用，以比如在產生能量的氣體渦輪發動機中進行后續利用。為了實現高速氣體的動能轉化為氣體的壓カ增量，目前在壓縮機的下游采用擴壓器以通過擴壓過程實現該轉化。以前，認為用于離心式壓縮機的可變幾何形狀的擴壓器能夠提供寬的操作范圍。通過使擴壓器葉片樞轉以匹配來自葉輪的氣流的排出角度以及通過調節機械擴壓器喉部面積來實現可變的幾何形狀。這些調節例如通過在阻塞狀態下使得能夠有較大的流量、以及在激増出現時減小流量而能夠提高壓縮機效率。在現有的可變幾何形狀的葉片式擴壓器中，每個擴壓器葉片安裝在相應的曲軸上并且這些曲軸支承在環上。環由通過臂聯接至線性致動器的曲軸致動。當致動器被致動時，該曲軸就會轉動，這又使環轉動。環又使其上安裝有相應的擴壓器葉片的各個曲軸轉動。因此擴壓器葉片的位置在最大流量設定和最小流量設定之間變化。以上布置的缺陷在于其采用的是線性致動器，這使得難以精確地控制擴壓器葉片位置。DE102007055224A1涉及具有多個葉片的渦輪增壓器裝置。該渦輪增壓器裝置包括用于調節葉片的位置的馬達。然而，不能夠精確地調節葉片的位置。W02008045413A2涉及大容量冷卻器壓縮機，該大容量冷卻器壓縮機包括聯接至壓縮機的步進馬達。該步進馬達對葉片進行致動以調節葉片的位置。該裝置提高了精確性。然而，該裝置由于其剛性布置而缺乏抵抗振動的強度。
發明內容
本發明的目的在于改善離心式壓縮機的柔性。以上目的通過權利要求I所述的離心式壓縮機和權利要求5所述的方法達到。本發明的主g是提供ー種借助步進馬達和蝸輪蝸桿傳動機構控制擴壓器葉片的位置來精確地調整通過離心式壓縮機的容積流量的裝置和方法。步進馬達的使用有利地使擴壓器葉片的位置能夠被更精確地控制，且易于反饋至壓縮機控制系統，因而消除了與線性致動器和曲軸相關的上述技術現狀的上述困難。蝸輪蝸桿傳動機構的目的是將來自步進馬達的轉動扭矩傳遞至環，并再傳遞至安裝有擴壓器葉片的擴壓器軸。所提出的裝置確保擴壓器幾何形狀是緊湊的。根據本發明，步進馬達通過柔性聯接器聯接至蝸桿。該柔性聯接器允許步進馬達和蝸輪具有相對位移。在一個實施方式中，每個軸通過徑向臂聯接至環，該徑向臂將來自環的轉動扭矩傳遞至相應的軸，并因此傳遞至安裝在相應的軸上的相應的擴壓器葉片。這樣，環的角位移就轉換成軸的角位移，以控制安裝在軸上的擴壓器葉片的位置。在另外的實施方式中，沿著環的圓周設置有多個第一支承件，其中，每個徑向臂通過設置在相應的臂上的槽柔性地聯接至相應的第一支承件。這就形成了徑向臂和支承件之間的簡易連接，這還在擴壓器葉片上產生最小的作用。在一個實施方式中，壓縮機包括蝸形外殼，其中，通過繞蝸形外殼周向地設置的多個第二支承件將環支承在蝸形外売上。
下文中參照附圖中示出的說明性實施方式進ー步描述本發明，在附圖中圖I示出離心式壓縮機的后視圖，其示出可變的擴壓器葉片，圖2示出離心式壓縮機的前視圖，其示出蝸輪蝸桿傳動機構和步進馬達，圖3示出沿著圖2的截面III-III的離心式壓縮機的截面視圖。
具體實施例方式現在參照圖1，圖I示出離心式壓縮機I的后視圖。在操作中，壓縮機I通過入口2軸向地接收氣體。流動通過入口 2的氣體由安裝在轉子(為清楚起見未示出)上的葉輪加速，這增大了氣體的動能。然后氣體的動能通過設置在葉輪下游的擴壓器葉片5轉化成壓カ增量。葉輪和擴壓器葉片容置在蝸形外殼4中，這將從擴壓器中切向流出的氣體朝向壓縮機出ロ 3引導。擴壓器葉片5以圍繞機器軸線9周向間隔開的陣列的形式設置。為了提供寬的操作范圍，擴壓器葉片5的位置能夠在最大容積流量設定和最小容積流量設定之間變化。通過使擴壓器葉片5樞轉以匹配來自葉輪的氣流的排出角度以及通過調節機械擴壓器喉部面積來實現可變的幾何形狀。在示出的實施方式中，擴壓器葉片5中的每ー個安裝在相應的軸10上。軸10——本文中還被稱為擴壓器軸10——能夠轉動以使擴壓器葉片5沿方向6運動以提供増大的容積流速、以及使擴壓器葉片5沿方向7運動以提供減小的容積流速。參照圖2中示出的壓縮機I的前視圖來說明用于調整擴壓器葉片5的位置的機構。如示出的那樣，所提出的擴壓器組件包括環8，環8能夠繞著軸線9轉動。就是說，環8能夠繞著軸線9進行角位移。擴壓器軸10中的每ー個以使得環8的轉動(即，角位移)引起軸10的轉動(即，角位移)的方式聯接至環8。在示出的實施方式中，每個擴壓器軸10通過徑向臂17聯接至環8。圖3示出沿著圖2的截面III-III的截面圖。結合參照圖2和圖3，徑向臂17在一端通過螺釘19和墊圈20剛性地固定至擴壓器軸10。徑向臂17的另一端包括槽18，槽18配裝于設置在環8上的支承件22上。若干個這樣的支承件22以周向間隔的方式設置在環8上，相應的徑向臂17通過相應的槽18柔性地聯接在若干個這樣的支承件22中的每ー個上。參照圖3，每個擴壓器軸10通過螺釘23剛性地聯接至擴壓器葉片5，使得軸10在任一方向上的轉動(即，角位移)引起相應的擴壓器葉片5的位置的變化，如圖I中的方向箭頭6和7所示。重新參照圖2，環8由步進馬達14和蝸輪蝸桿傳動機構11、12致動，蝸輪蝸桿傳動機構11、12將來自步進馬達14的轉動扭矩傳遞至環8。蝸輪蝸桿傳動機構包括蝸桿11，蝸桿11與蝸輪12嚙合，蝸輪12例如通過螺釘沿著環8的圓周剛性地安裝。在示出的實施方式中，蝸輪12只包括僅沿著環8的圓周的一部分安裝的蝸輪的節段。該節段應具有足夠的弧長以容納蝸桿11的整個范圍上的角位移。該布置提供緊湊的組件。然而，可替代地，蝸輪12可以沿著環8的整個圓周安裝。在示出的實施方式中，對于十五個擴壓器葉片來說，可以為蝸輪蝸桿傳動機構選擇218 I的齒輪速比。蝸桿11能夠繞蝸桿軸線13轉動，蝸桿軸線13垂直于機器軸線9。蝸桿11通過支承件16a和16b支承在蝸形外殼4上并通過柔性聯接器15聯接至步進馬達14。步進馬達14能夠將旋轉運動分解成足夠多的不連續的角位移。在示出的示例中，步進馬達與齒輪速 比為30 I的齒輪組合。蝸輪蝸桿傳動機構11、12將來自步進馬達14的轉動扭矩傳遞至環8。環8通過繞蝸形外殼4周向地設置的多個支承組件24a、24b、24c而被軸向地以及徑向地支承在蝸形外殼4上。在操作中，步進馬達14的轉動(即，角位移)引起環8的轉動(即，不連續的角位移)。徑向臂17將來自環8的轉動扭矩傳遞至擴壓器軸10，以因此改變安裝在擴壓器軸10上的擴壓器葉片5的角位置，如圖I中清楚地示出的那樣。有利地，使用步進馬達14使擴壓器葉片5的角位置能夠被壓縮機控制系統更精確地控制以及被定位，進而知道擴壓器葉片的精確位置。進ー步有利地，只要按照應用仔細地設定步進馬達的尺寸，就可以在沒有任何反饋機構的情況下精確地控制擴壓器葉片5的角位置。雖然已參照某些優選實施方式詳細地描述了本發明，但應當理解，本發明不局限于那些具體的實施方式。相反，鑒于描述用于實施本發明的現有最優模式的本公開，在不脫離本發明的范圍和精神的情況下，本領域的技術人員能夠做出許多修改和改變。因此，本發明的范圍由所附的權利要求指定而不是由以上描述指定。在權利要求的等同方案的意義和范圍的范圍內的所有變更、修改和變形被認為處于權利要求的范圍內。
權利要求
1.一種離心式壓縮機(1)，包括 多個擴壓器葉片(5)，所述多個擴壓器葉片(5)以圍繞機器軸線(9)周向間隔的陣列的形式設置，每個擴壓器葉片(5)安裝在相應的軸(10)上， 環(8)，所述軸(10)中的每一個聯接至所述環(8)，所述環(8)能夠繞所述機器軸線(9)轉動， 蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)，所述蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)包括蝸桿(11)，所述蝸桿(11)與沿著所述環⑶的圓周的至少一部分安裝的蝸輪(12)或者蝸輪(12)的節段嚙合，以及 步進馬達(14)，所述步進馬達(14)聯接至所述蝸桿(11)并能夠操作以使所述蝸桿(11)繞垂直于所述機器軸線(9)的蝸桿軸線(13)轉動，從而所述蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)將來自所述步進馬達(14)的轉動扭矩傳遞至所述環(8)，以因此改變所述擴壓器葉片(5)的位置， 其特征在于，所述步進馬達(14)通過柔性聯接器(15)聯接至所述蝸桿(11)。
2.根據權利要求I所述的離心式壓縮機(I)，其中，每個軸(10)通過徑向臂(17)聯接至所述環(8)，所述徑向臂(17)將來自所述環(8)的轉動扭矩傳遞至相應的所述軸(10)，并因此傳遞至安裝在相應的所述軸(10)上的相應的所述擴壓器葉片(5)。
3.根據權利要求2所述的離心式壓縮機(1)，其中，沿著所述環(8)的圓周設置有多個支承件(22)，其中，每個徑向臂(17)通過設置在相應的所述臂(17)上的槽(18)柔性地聯接至相應的支承件(22)。
4.根據前述權利要求中任一項所述的離心式壓縮機(I)，還包括蝸形外殼(4)，其中所述環(8)通過繞所述蝸形外殼(4)周向地設置的多個支承組件(24a-c)而被軸向地以及徑向地支承在所述蝸形外殼(4)上。
5.一種用于提供離心式壓縮機(I)的擴壓器葉片的可變幾何形狀的方法，包括 將多個擴壓器葉片(5)中的每一個安裝在相應的軸(10)上，使得所述擴壓器葉片(5)以繞機器軸線(9)周向間隔的陣列的形式布置， 將所述軸(10)中的每一個聯接至能夠繞所述機器軸線(9)轉動的環(8)， 設置蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)，所述蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)包括蝸桿(11)，所述蝸桿(11)與沿著所述環⑶的圓周的至少一部分安裝的蝸輪(12)或者蝸輪(12)的節段嚙合，以及 將步進馬達(14)聯接至所述蝸桿(11)，所述步進馬達是能夠操作的馬達以使所述蝸桿(11)繞垂直于所述機器軸線(9)的蝸桿軸線(13)轉動，從而所述蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)將來自所述步進馬達(14)的轉動扭矩傳遞至所述環(8)，以因此改變所述擴壓器葉片(5)的位置， 其特征在于，通過柔性聯接器(15)將所述步進馬達(14)聯接至所述蝸桿(11)。
6.根據權利要求5所述的方法，還包括通過徑向臂(17)將每個軸(10)聯接至所述環(8)，所述徑向臂(17)將來自所述環(8)的轉動扭矩傳遞至相應的所述軸(10)，并因此傳遞至安裝在相應的所述軸(10)上的相應的所述擴壓器葉片(5)。
7.根據權利要求6所述的方法，還包括 沿著所述環(8)的圓周設置多個支承件(22)，以及通過設置在相應的所述臂(17)上的槽(18)將每個徑向臂(17)柔性地聯接至相應的支承件(22)。
8.根據權利要求5至7中任一項所述的方法，還包括 繞所述壓縮機(I)的蝸形外殼(4)周向地設置多個支承組件(24a-c)，以及通過所述多個支承組件(24a-c)將所述環(8)軸向地以及徑向地支承在所述蝸形外殼(4)上。
全文摘要
一種具有可變幾何形狀的擴壓器的離心式壓縮機及其方法。一種離心式壓縮機(1)包括多個擴壓器葉片(5)，多個擴壓器葉片(5)以圍繞機器軸線(9)周向間隔的陣列的形式設置。每個擴壓器葉片(5)安裝在相應的軸(10)上。軸(10)中的每一個聯接至環(8)，環(8)能夠繞機器軸線(9)轉動。設置了蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)，蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)包括蝸桿(11)，蝸桿(11)與沿著所述環(8)的圓周的至少一部分安裝的蝸輪(12)或者蝸輪(12)的節段嚙合。步進馬達(14)聯接至蝸桿(11)。步進馬達(14)是能夠操作的以使蝸桿(11)繞垂直于機器軸線(9)的蝸桿軸線(13)轉動，從而蝸輪蝸桿傳動機構(11，12)將來自步進馬達(14)的轉動扭矩傳遞至所述環(8)，以因此改變擴壓器葉片(5)的位置。
文檔編號F04D29/44GK102628453SQ20121002243
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月1日 優先權日2011年2月4日
發明者克勞斯·斯米茨·漢森, 約根·利奎斯特 申請人:西門子公司