CN107448417B - 离心压气机及叶轮冷却装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种离心压气机及叶轮冷却装置。该叶轮冷却装置用于离心压气机，离心压气机包括轮轴、叶轮和扩压器，叶轮设于轮轴，扩压器环绕叶轮并密封连接。本公开的叶轮冷却装置包括冷却盘、环形凸台、多个气孔和供气组件。冷却盘具有第一盘面、第二盘面和中心孔，中心孔能套设于轮轴并与轮轴间具有间隙，第一盘面能正对于叶轮的轮背，且第一盘面的边缘能与扩压器的侧壁密封配合，以在第一盘面与轮背间形成冷却腔。环形凸台设于第二盘面的边缘，且环形凸台内设有环形腔，环形凸台上设有与环形腔连通的进气口。多个气孔设于第一盘面的边缘且均与环形腔连通。供气组件与进气口连接，用于输入冷却气流。

Description

离心压气机及叶轮冷却装置

技术领域

本公开涉及压气机冷却技术领域，具体而言，涉及一种离心压气机及叶轮冷却装置。

背景技术

压气机是对空气进行压缩，提高空气压力，为燃气膨胀做功创造条件的设备。离心压气机是应用较为广泛的一类压气机，其通常用于涡轮增压器、燃气轮机等。现有的离心压气机一般包括壳体叶轮、扩压器和蜗壳等部件。由于叶轮的高速旋转，使气流进入蜗壳，经过通道和蜗室后排出蜗壳，通过此过程实现对空气的压缩。但叶轮在高速旋转过程中，会产生大量的热量，导致叶轮及增压气体的温度过高，容易导致离心压气机结构失效，并造成应用离心压气机的设备效率降低。而且，过高的增压气体温度会使得燃烧温度提高，将会增加有害气体的排放量，因而叶轮的冷却效果十分重要。

现有的冷却方式通常采用对流换热的方式，具体言之，在叶轮的顶部或轮背处设置专门的冷却通道，利用专门的冷却流体沿冷却通道流动，在流动的过程中交换热量，从而实现叶轮的冷却。但是，现有的冷却通道无法直接对离心叶轮尾缘进行冷却，使得叶轮的边缘温度过高，严重影响了离心压气机的性能。同时，由于叶轮是旋转部件，若在叶轮上开设冷却通道，会使叶轮的制造难度增加，且不利于保证叶轮的强度。此外，现有的对流换热的方式对冷却流体的利用率较低，冷却效果有待提高。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开的目的在于提供一种离心压气机及叶轮冷却装置，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本公开的一个方面，提供一种叶轮冷却装置，用于离心压气机，所述离心压气机包括轮轴、叶轮和扩压器，所述叶轮设于所述轮轴，所述扩压器环绕所述叶轮并密封连接，所述叶轮冷却装置包括：

冷却盘，具有第一盘面、第二盘面和中心孔，所述中心孔能套设于所述轮轴并与所述轮轴间具有间隙，所述第一盘面能正对于所述叶轮的轮背，且所述第一盘面的边缘能与所述扩压器的侧壁密封配合，以在所述第一盘面与所述轮背间形成冷却腔；

环形凸台，设于所述第二盘面的边缘，且所述环形凸台内设有环形腔，所述环形凸台上设有与所述环形腔连通的进气口；

多个气孔，设于所述第一盘面的边缘且均与所述环形腔连通；

供气组件，与所述进气口连接，用于输入冷却气流；

冷却气流能从所述进气口进入所述环形腔，经所述气孔吹向所述轮背的边缘，并通过所述冷却腔由所述中心孔与所述轮轴间的间隙排出。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一盘面设有多个导流肋板，多个所述导流肋板环绕所述中心孔设置，用于引导冷却气流向所述中心孔流动。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述导流肋板均为弧形结构，且环绕所述中心孔呈放射状设置。

在本公开的一种示例性实施例中，各所述导流肋板均为直线形结构，且环绕所述中心孔呈放射状设置。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一盘面的边缘设有环形的挡圈，所述挡圈能与所述扩压器的侧壁贴合并固定连接，各个所述气孔均位于所述挡圈环绕的范围内。

在本公开的一种示例性实施例中，多个所述气孔呈圆形分布于所述第一盘面的边缘。

在本公开的一种示例性实施例中，所述中心孔为扩口形结构，且其大端位于所述第一盘面。

在本公开的一种示例性实施例中，所述环形凸台的外壁设有向外凸出的凸出部，所述进气口设于所述凸出部。

在本公开的一种示例性实施例中，所述第一盘面与所述中心孔通过弧面过渡连接。

根据本公开的一个方面，提供一种离心压气机，包括：

壳体；

轮轴，穿设于所述壳体内；

叶轮，设于所述壳体内，并套设于所述轮轴上；

扩压器，设于所述叶轮外侧，并与所述叶轮密封连接；以及

上述任意一项所述的叶轮冷却装置，所述中心孔套设于所述轮轴且与所述轮轴间具有间隙，所述第一盘面正对于所述叶轮的轮背，所述第一盘面的边缘与所述扩压器的侧壁密封配合，且所述第一盘面与所述轮背间形成冷却腔，所述气孔与所述轮背的边缘正对。

本公开的离心压气机及叶轮冷却装置，冷却盘的第一面正对于叶轮的轮背，中心孔可套设于轮轴上；可由供气组件通过进气口向环形凸台内的环形腔输入冷却气流；进入环形腔的冷却气流可由多个气口朝向叶轮轮背的边缘喷射并进入冷却腔；由于冷却盘的第一盘面的边缘可与扩压器的侧壁密封配合，使得进入冷却腔的冷却气流在与轮背发生冲击后，可汇聚至中心孔，并沿中心孔与轮轴的间隙排出。在此过程中，通过冷却气流对轮背的冲击，可在轮背表面形成气流扰动，促进冷却气流与叶轮的热交换，便于通过冷却气流带走更多的热量。同时，多个气口喷射出的冷却气流可对叶轮的边缘进行了冷却，有利于提高叶轮整体的冷却效果。此外，可避免在叶轮上开设专门的冷却通道，使叶轮的结构简单，便于制造，且有利于提高叶轮的强度。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本公开叶轮冷却装置一实施方式的示意图一。

图2是本公开叶轮冷却装置一实施方式的示意图二。

图3是图1中叶轮冷却装置的俯视图。

图4是图1中叶轮冷却装置的前视图。

图5是图3中叶轮冷却装置的A-A剖视图。

图6是图3中叶轮冷却装置的B-B剖视图。

图7是本公开离心压气机一实施方式的局部剖视图。

图8是图7中C部的放大图。

图中：1、冷却盘；101、第一盘面；1011、挡圈；102、第二盘面；1021、凸缘；103、中心孔；2、环形凸台；201、环形腔；202、进气口；203、凸出部；3、气孔；4、冷却腔；5、导流肋板；6、壳体；7、轮轴；8、叶轮；9、扩压器；10、蜗壳；11、密封圈。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”、“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。其他相对性的用语，例如“高”、“低”等也作具有类似含义。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”和“所述”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本示例实施方式中提供了一种叶轮冷却装置，如图1～图8所示，该叶轮冷却装置可用于离心压气机，该离心压气机可以包括壳体6、轮轴7、叶轮8和扩压器9，轮轴7可穿设于壳体6内，叶轮8可位于壳体6内且设于轮轴7上，轮轴7能带动叶轮8旋转，扩压器9可设于叶轮8外侧，并可与叶轮8的外沿密封连接。

本实施方式的叶轮冷却装置可以包括冷却盘1、环形凸台2、气孔3和供气组件，其中：

冷却盘1可具有第一盘面101、第二盘面102和中心孔103，中心孔103能套设于轮轴7并与轮轴7间具有间隙，第一盘面101能正对于叶轮8的轮背，且第一盘面101的边缘能与扩压器9的侧壁密封配合，以在第一盘面101与轮背间形成冷却腔4；

环形凸台2可设于第二盘面102的边缘，且环形凸台2内设有环形腔201，环形凸台2上设有与环形腔201连通的进气口202；

多个气孔3，设于第一盘面101的边缘且均与环形腔201连通；

供气组件(图中未示出)可与进气口202连接，用于输出冷却气流；

冷却气流的流动方向如图7和图8中箭头所示，冷却气流能从进气口202进入环形腔201，经气孔3吹向叶轮8的轮背的边缘，并通过冷却腔4由中心孔103与轮轴7间的间隙排出。

本公开示例实施方式的叶轮冷却装置，可通过冷却气流叶轮8的轮背的冲击，在轮背的表面形成气流扰动，促进冷却气流与叶轮8的热交换，便于通过冷却气流带走更多的热量，有利于提高冷却气流的利用率。同时，可通过由气孔3喷射出的冷却气流对叶轮8的边缘进行了冷却，使叶轮8整体的冷却效果得以提高。此外，可避免在叶轮8上开设专门的冷却通道，使叶轮8的结构简单，便于制造，且有利于提高叶轮8的强度。

下面，将对公开示例实施方式中的叶轮冷却装置的组成部分进行进一步的说明。

在本示例实施方式中，冷却盘1可为圆盘形结构，但不限于此，冷却盘1也可以是其它形状的盘状结构。其直径可以大于或等于叶轮8的直径。第一盘面101和第二盘面102可分别为冷却盘1的两侧面，该两侧面可以是相互平行的两个平面。

第一盘面101可正对于叶轮8的轮背和扩压器9的侧壁，并可与扩压器9的侧壁密封配合，举例而言：第一盘面101可设有环形的挡圈1011，该挡圈1011可沿第一盘面101的边沿环绕一周；挡圈1011的外径可与冷却盘1的直径相同，当然，挡圈1011的外径也可大于或小于冷却盘1的直径；挡圈1011的壁厚和轴向长度在此不做特殊限定。同时，挡圈1011可通过焊接或利用螺栓连接等方式固定于第一盘面101，或者，挡圈1011与冷却盘1还可以是一体式结构。此外，挡圈1011可紧贴于扩压器9的侧壁并可通过焊接或利用螺栓连接等方式固定连接，从而与扩压器9的侧壁密封配合。在本公开的其它实施方式中，第一盘面101还可以通过其他方式与扩压器9的侧壁密封配合，在此不再一一列举。

在安装冷却盘1时，可将第一盘面101正对于叶轮8的轮背，将中心孔103套设于轮轴7外，并使挡圈1011紧贴于扩压器9的侧壁并可通过焊接或利用螺栓连接等方式固定连接，从而将冷却盘1固定于壳体6内，并在叶轮8的轮背和第一盘面101间形成冷却腔4。通过扩压器9和挡圈1011的密封配合将冷却腔4的外围封闭，保证冷却气流只从中心孔103排出，避免从冷却腔4的外围散出。同时，轮轴7可在中心孔103内转动，而冷却盘1固定不动。

中心孔103可以是贯穿冷却盘1的通孔，该通孔的轴线可垂直于第一盘面101和第二盘面102。该中心孔103的直径可以大于轮轴7的直径，并可套设于轮轴7上。在将中心孔103套设于轮轴7后，中心孔103的内壁和轮轴7之间可形成间隙，使得冷却气流可以从该间隙内穿过，从冷却盘1靠近第一盘面101的一侧流向靠近第二盘面102的一侧。

中心孔103的一端可位于第一盘面101，并可通过光滑的弧面与第一盘面101过渡连接，且中心孔103与第一盘面101的接合处可为光滑的弧面，以便使冷却气流更加顺畅地进入中心孔103。

中心孔103可以是扩口形结构、直线形结构或者其它形状的通孔，在此不再一一列举。举例而言，中心孔103可为扩口形结构，该扩口形结构可具有大端和小端，中心孔103的直径从大端向小端逐渐减小；该大端可以位于第一盘面101，并可以通过光滑的弧面与第一盘面101过渡连接。该扩口形结构有利于使冷却气流向中心孔103内汇聚。

第二盘面102上设有环绕中心孔103的凸缘1021，该凸缘1021可垂于与第二盘面102，且中心孔103贯通凸缘1021。凸缘1021可通过焊接、卡接或螺纹连接等方式与第二盘面102固定连接；或者，凸缘1021与冷却盘1可为一体式结构。可通过该凸缘1021延长中心孔103与轮轴7间的间隙，便于对气流进行引导。

在本示例实施方式中，如图2、图3、图5和图6所示，环形凸台2的形状可以是圆形或其它形状，其可以沿第二盘面102的边沿环绕一周，并可通过焊接或利用螺栓连接等方式固定于第二盘面102，或者，环形凸台2与冷却盘1可为一体式结构。环形凸台2的外径可以与冷却盘1的外径相同，内径可小于上述挡圈1011的内径。同时，该环形凸台2内可设有一环形腔201，该环形腔201可正对于第二盘面102的边缘。环形腔201可由设于环形凸台2的凹槽与第二盘面102围成，或者，环形腔201也可以是形成于环形凸台2内的独立的空腔。环形凸台2上可设有进气口202，且该进气口202可与环形腔201连通，从而可通过进气口202向环形腔201内输入冷却气体。进气口202可直接设于环形凸台2外壁上，或者，也可在环形凸台2的外壁设置向外凸出的凸出部203，该凸出部203可沿径向向外延伸，进气口202可设于凸出部203上并与环形腔201连通。由于该凸出部203凸出于环形凸台2，便于将进气口202与供气装置连接。

在本示例实施方式中，如图1、图5和图6所示，气孔3的数量至少有两个，可以是五个、十个、二十个、三十个等，在此不做特殊限定。多个气孔3可开设于第一盘面101的边缘，且均位于上述挡圈1011环绕的范围以内。多个气孔3可呈单圈或多圈环形分布，且均与环形腔201连通。各个气孔3的轴线可平行于中心孔103的轴线，也可以与中心孔103的轴线呈一定的夹角。气孔3的直径均可小于上述环形腔201的内侧与外侧之间的距离，具体可视冷却盘1和环形腔201的尺寸而定，在此不做特殊限定。进入环形腔201的冷却气流可从多个气孔3喷出。

在本示例实施方式中，供气组件可以是中冷器，其可以具有一进气管和出气管，该出气管可与进气口202通过管道连接，从而可向进气口202中输入冷却气流。当然，供气组件还可以采用其它能输出冷却气体的装置，在此不再一一列举。

需要说明的是，由于现有技术中的离心压气机通常需要与中冷器配合使用，因而，该供气组件可直接采用与离心压气机同时使用的中冷器，而不用再另行增加供气装置。

在本示例实施方式中，如图1和图6所示，叶轮冷却装置还可以包括导流肋板5，导流肋板5的数量可以是多个，例如五个、八个或十个等。且各个导流肋板5均可为直线形或弧形的条状结构，且其横截面的形状可以是半圆形、矩形或梯形。当然，导流肋板5也可以是多段的折线形或曲线形的条状结构，其横截面的形状也可以是其它形状。导流肋板5的高度，即导流肋板5凸出于第一盘面101的高度，可小于上述挡圈1011的高度，防止导流肋板5与离心叶轮轮背接触。

多个导流肋板5均可设于第一盘面101上，并可环绕中心孔103呈放射状设置，且多个导流肋板5可位于气孔3与中心孔103之间。相邻两导流肋板5间可形成使冷却气流向中心孔103汇聚的通道，使得冷却气流流经到导流肋板5后，可以向中心孔103汇聚，从而由中心孔103排出。各个导流肋板5均可通过焊接、卡接等方式与第一盘面101固定连接，或者，各个导流肋板5与冷却盘1可以是一体式结构。进入冷却腔4的冷却气流可在多个导流肋板5的引导下进入中心孔103。

本公开示例实施方式还提供了一种离心压气机，如图7和图8所示，本实施方式的离心压气机可以包括壳体6、轮轴7、叶轮8、扩压器9、蜗壳10和上述实施方式的叶轮冷却装置。

在本示例实施方式中，壳体6可具有入口、出口以及连通入口的气流通道，当然，壳体6的结构并不限于此，其详细结构可参考现有的离心压气机的壳体，此不再详述。

在本示例实施方式中，轮轴7可穿设于壳体6的中心，并可相对壳体6转动。

在本示例实施方式中，叶轮8可位于壳体6内，并可套设于轮轴7上。同时，叶轮8可通过键连接等方式与轮轴7固定连接，从而可在轮轴7的带动下同步转动。

在本示例实施方式中，扩压器9可设于叶轮8外侧并通过密封圈11与叶轮8的周缘密封连接，该密封圈11可以是迷宫密封圈，但不以此为限，也可以采用其它类型的密封圈或者通过其它方式实现密封。对于扩压器9的类型在此不做特殊限定，其具体结构可参考现有的扩压器。

在本示例实施方式中，蜗壳10可位于扩压器9的外侧，气体经过离心叶轮8压缩后，可通过扩压器9流入蜗壳10。

在本示例实施方式中，叶轮冷却装置的中心孔103可套设于轮轴7，且与轮轴7间具有间隙，第一盘面101正对于叶轮8的轮背，第一盘面101的边缘与扩压器9的侧壁密封配合，且第一盘面101与轮背间形成冷却腔4，气孔3与轮背的边缘正对，进气口202与供气装置连接。叶轮冷却装置的具体安装方式可参考上述叶轮冷却装置的实施方式，在此不再赘述。

在本示例实施方式中，离心压气机还可以包括其它部件，具体可参考现有的离心压气机，在此不再详述。由于本实施方式的离心压气机所采用的叶轮冷却装置可以是上述叶轮冷却装置的实施方式中的叶轮冷却装置，因此，二者能解决相同的技术问题，并达到相同的技术效果，故在此不再赘述。

本公开示例实施方式的离心压气机可以用于涡轮增压器、燃气轮机和航空发动机，但不以此为限，还可以用于其他设备，在此不再一一列举。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种叶轮冷却装置，用于离心压气机，所述离心压气机包括轮轴、叶轮和扩压器，所述叶轮设于所述轮轴，所述扩压器设于所述叶轮外侧并密封连接，其特征在于，所述叶轮冷却装置包括：

冷却盘，具有第一盘面、第二盘面和中心孔，所述中心孔能套设于所述轮轴并与所述轮轴间具有间隙，所述第一盘面能正对于所述叶轮的轮背，且所述第一盘面的边缘能与所述扩压器的侧壁密封配合，以在所述第一盘面与所述轮背间形成冷却腔；

环形凸台，设于所述第二盘面的边缘，且所述环形凸台内设有环形腔，所述环形凸台上设有与所述环形腔连通的进气口；

多个气孔，设于所述第一盘面的边缘且均与所述环形腔连通；

供气组件，与所述进气口连接，用于输入冷却气流；

冷却气流能从所述进气口进入所述环形腔，经所述气孔吹向所述轮背的边缘，并通过所述冷却腔由所述中心孔与所述轮轴间的间隙排出。

2.根据权利要求1所述的叶轮冷却装置，其特征在于，所述第一盘面设有多个导流肋板，多个所述导流肋板环绕所述中心孔设置，用于引导冷却气流向所述中心孔流动。

3.根据权利要求2所述的叶轮冷却装置，其特征在于，各所述导流肋板均为弧形结构，且环绕所述中心孔呈放射状设置。

4.根据权利要求2所述的叶轮冷却装置，其特征在于，各所述导流肋板均为直线形结构，且环绕所述中心孔呈放射状设置。

5.根据权利要求1～4任一项所述的叶轮冷却装置，其特征在于，所述第一盘面的边缘设有环形的挡圈，所述挡圈能与所述扩压器的侧壁贴合并固定连接，各个所述气孔均位于所述挡圈环绕的范围内。

6.根据权利要求1～4任一项所述的叶轮冷却装置，其特征在于，多个所述气孔呈圆形分布于所述第一盘面的边缘。

7.根据权利要求1～4任一项所述的叶轮冷却装置，其特征在于，所述中心孔为扩口形结构，且其大端位于所述第一盘面。

8.根据权利要求1～4任一项所述的叶轮冷却装置，其特征在于，所述环形凸台的外壁设有向外凸出的凸出部，所述进气口设于所述凸出部。

9.根据权利要求1～4任一项所述的叶轮冷却装置，其特征在于，所述第一盘面与所述中心孔通过弧面过渡连接。

10.一种离心压气机，其特征在于，包括：

壳体；

轮轴，穿设于所述壳体内；

叶轮，设于所述壳体内，并套设于所述轮轴上；

扩压器，设于所述叶轮外侧，并与所述叶轮密封连接；以及

权利要求1～9任一项所述的叶轮冷却装置，所述中心孔套设于所述轮轴且与所述轮轴间具有间隙，所述第一盘面正对于所述叶轮的轮背，所述第一盘面的边缘与所述扩压器的侧壁密封配合，且所述第一盘面与所述轮背间形成冷却腔，所述气孔与所述轮背的边缘正对。

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