CN109072928A - 包括中间冷却器的涡轮压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于压缩诸如空气的气体以便将该气体供应到外部的涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括：压缩气体吸入端口，气体通过该压缩气体吸入端口吸入；第一叶轮，用于初次压缩通过压缩气体吸入端口流入的气体；第二叶轮，用于二次压缩被第一叶轮压缩的气体；压缩气体排出端口，通过该压缩气体排出端口被第二叶轮压缩的气体被排放到外部；压缩单元，具有从压缩气体吸入端口连接到压缩气体排出端口的压缩气体流动路径；马达，具有沿第一中心轴线延伸的旋转轴，且其一个端部部分联接到第一叶轮、另一端部部分联接到第二叶轮以便旋转第一叶轮和第二叶轮；壳体，具有用于容纳马达的马达容纳空间；以及中间冷却器，设置在在第一叶轮和第二叶轮之间定位在压缩气体流动路径处，并包括气体可以穿过的气冷式气体通道，其中，该气冷式气体通道以该通道穿透壳体的状态隐藏在壳体内部。根据本发明，因为中间冷却器和壳体的集成，产品的整体尺寸可以降低，并因此涡轮压缩机可以用于多种用途，并不具有由中间冷却器的外部振动导致破坏的可能性。

Description

包括中间冷却器的涡轮压缩机

技术领域

本发明涉及涡轮压缩机，且更具体地涉及能够基于中间冷却器和壳体的集成来降低整体产品尺寸而用于各种目的并防止因外部冲击导致中间冷却器损坏的涡轮压缩机。

背景技术

涡轮压缩机或涡轮鼓风机是一种用于吸入和压缩外部空气或气体并然后通过以高速旋转叶轮将压缩空气或气体提供到外部的离心泵，并且通常用于粉末转移或污水处理厂的曝气(aeration)，并且目前还用于工业过程并用于车辆。

为了产生高压压缩气体，使用单个叶轮的单级压缩方案和使用串联连接的两个或多个叶轮的多级压缩方案是可用的。

当使用单级压缩方案时，压缩气体的可用最大压力为约3至4巴，且较小的压缩机获得压缩气体的较低最大压力。此外，由于因设计因素诸如比速需要非常大的旋转速度，还需要增加用于旋转叶轮的马达和反相器(inverter)的速度。另外，因风阻损失导致的损失在轴承或转子的表面上快速增加，并因此总能量效率的降低是不可避免的。

为了解决上述问题，可以使用通过串联连接两个叶轮而以两级进行压缩气体的两级压缩方案。在这种情况下，尽管压缩气体的可用最大压力增加，由于因“绝热压缩”导致压缩气体的温度增加，因此第二级叶轮的效率降低，为了解决该问题，故将冷却装置诸如中间冷却器安装在第一级叶轮和第二级叶轮之间用于“等温压缩”。当如上所述使用多级压缩方案时，由于每个叶轮的压缩比降低，且因比速(specific speed)导致旋转速度也降低，故可以解决单级压缩方案的各种技术问题。

已知的两级涡轮压缩机的例子公开在KR 10-2001-0010014中。该涡轮压缩机包括中间冷却器，该中间冷却器是用于将高温压缩空气冷却至约40℃或以下的热交换装置。

然而，如KR 10-2001-0010014的图2所示，已知的中间冷却器单独地设置在环绕第一叶轮和第二叶轮的壳体外部以增加冷却效率，且通常生产为相当大尺寸的冷却装置以提高冷却效率。

因此，因大的产品尺寸，已知的两级涡轮压缩机需要高的生产成本，需要大的安装空间，并因此可用于有限目的。

发明内容

技术问题

本发明提供了一种能够基于中间冷却器和壳体的集成来降低整体产品尺寸而用于各种目的、并防止因外部冲击导致中间冷却器损坏的涡轮压缩机。

技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种用于压缩气体诸如空气并将该压缩气体供应到外部的涡轮压缩机，该涡轮压缩机包括：压缩气体吸入端口，用于吸入气体；第一叶轮，用于初次压缩通过压缩气体吸入端口流入的气体；第二叶轮，用于二次压缩被第一叶轮压缩的气体；压缩气体排出端口，通过该压缩气体排出端口被第二叶轮压缩的气体被排放到外部；压缩单元，具有从压缩气体吸入端口连接到压缩气体排出端口的压缩气体流动路径；马达，具有沿第一中心轴线延伸的旋转轴，且其一个端部部分联接到第一叶轮、另一端部部分联接到第二叶轮以便旋转第一叶轮和第二叶轮；壳体，具有用于容纳马达的马达容纳空间；以及中间冷却器，设置在在第一叶轮和第二叶轮之间定位在压缩气体流动路径处，并包括气体可以穿过的气冷式气体通道，其中该空气冷却通道气密地穿透通过并隐藏在壳体中。

空气冷却通道可以生成为围绕第一中心轴线的螺旋形状。

用于引导被第一叶轮压缩的气体的流动方向的引导构件可以设置在空气冷却通道的上游侧处。

壳体可以包括包含马达容纳空间的内壳体和环绕内壳体的外壳体，且空气冷却通道可以设置在内壳体的外表面和外壳体的内表面之间。

涡轮压缩机可进一步包括用于使冷却液体循环以冷却壳体的水冷却通道。

水冷却通道可包括穿透通过壳体以冷却该壳体的水通道。

水冷却通道可以提供用以与空气冷却通道中包含的气体交换热量。

空气冷却通道可以沿第一中心轴线的径向方向定位在水冷却通道的外侧。

能够增加热交换效率的冷却翼可以设置在水冷却通道和空气冷却通道之间。

水冷却通道可包括沿第一中心轴线延伸并沿第一中线轴线的圆周方向彼此间隔开的多个单元水通道、用于连接单元水通道的后端的多个后部水通道、用于连接单元水通道的前端的多个前部水通道，并且可以形成为Z字形。

有益效果

根据本发明，涡轮压缩机包括用于吸入气体的压缩气体入口、用于初次压缩通过压缩气体入口吸入的气体的第一叶轮、用于二次压缩被第一叶轮压缩的气体的第二叶轮、用于将被第二叶轮压缩的气体排放到外部的压缩气体出口、包括从压缩气体入口连接到压缩气体出口的压缩气体通道的压缩单元、具有联接到第一叶轮的一端和联接到第二叶轮的另一端以旋转第一和第二叶轮并包括沿第一中心轴线延伸的旋转轴的马达、包括容纳该马达的马达容纳空间的壳体，以及设置在位于第一和第二叶轮之间的压缩气体通道上并包括气体所流动穿过的空气冷却通道的中间冷却器，其中该空气冷却通道气密地穿透通过并隐藏在壳体中。照此，涡轮压缩机可以基于中间冷却器和壳体的集成来降低整体产品尺寸而用于各种目的，并可防止因外部冲击导致中间冷却器损坏。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的涡轮压缩机的截面图；

图2是图1所示的涡轮压缩机的局剖右侧视图；

图3是沿图1的线A-A切割的涡轮压缩机的截面图；

图4是沿图1的线B-B切割的涡轮压缩机的截面图；

图5是沿图1的线C-C切割的涡轮压缩机的截面图；

图6是沿图1的线D-D切割的涡轮压缩机的截面图；

图7是示出了图1所示的涡轮压缩机中的压缩气体的流动的截面图；

图8是示出了图2所示的涡轮压缩机中的压缩气体的流动的局剖右侧视图；以及

图9是示出了图1所示的涡轮压缩机中的冷却液体的流动的截面图。

具体实施方式

下面，将参照附图通过解释本发明的实施例详细描述本发明。

图1是根据本发明的实施例的涡轮压缩机100的截面图，图2是图1所示的涡轮压缩机100的局剖右侧视图。图3是沿图1的线A-A切割的涡轮压缩机100的截面图。

参照图1至3，根据本发明的实施例的涡轮压缩机100是用于吸入和压缩外部气体或并然后通过以高速旋转叶轮将压缩气体提供到外部的离心泵，并且还称为涡轮压缩机或涡轮鼓风机。涡轮压缩机100包括壳体10、压缩单元、马达30、中间冷却器以及水冷却单元50。在以下描述中，假设待压缩的气体是空气。

壳体10是由金属材料制成的壳体，并包括内壳体11、外壳体12、马达容纳空间13以及后壳体14。

内壳体11是包括其中的马达容纳空间13的圆柱形构件，具有围绕第一中心轴线C1的圆形截面，并且沿第一中心轴线C1延伸。

马达容纳空间13是具有与以下所述的马达30相对应的形状的空间以容纳马达30。

内壳体11具有开放左端(或前端)和开放右端(或后端)，如图1所示。

外壳体12是具有围绕第一中心轴线C1的圆形截面的圆柱形构件，并且沿第一中心轴线C1延伸。

外壳体12具有与内壳体11相对应的形状以环绕和容纳内壳体11。

外壳体12的内表面和内壳体11的外表面以预设距离彼此间隔开以彼此面对。

面向中间冷却器的外壳体12的侧壁的一部分可尽可能薄地生成。

后壳体14是由金属材料制成的壳体并能够气密地关闭内外壳体11和12的后端。

后壳体14可以生产为单独件以安装在马达30上，且本文将不再提供详细描述。

后壳体14包括具有通道的涡管29，通过该通道已经穿过第二叶轮22的空气以涡流形状流动，如图2所示。

涡管29将第二叶轮22连接到压缩气体出口25。

后壳体14通过螺栓或螺钉联接到内外壳体11和12。

压缩单元是用于吸入并压缩外部空气的装置，并且包括第一叶轮21、第二叶轮22和压缩气体通道23。

第一叶轮21是用于吸入并初次压缩外部空气的轮子，并包括具有弯曲表面的多个叶片且安装为以高速旋转。

第一叶轮21定位在内壳体11的左端和外壳体12的左端之间。

在第一叶轮21的前方，用于吸入外部空气的压缩气体入口24产生在外壳体12中。

第二叶轮22是用于二次压缩被第一叶轮21初次压缩的气体的轮子，且如同第一叶轮21，包括具有弯曲表面的多个叶片且被安装为以高速旋转。

第二叶轮22定位在内壳体11的右端和后壳体14之间。

在第二叶轮22的后方，用于接收被第一叶轮21初次压缩的气体的中间压缩气体入口26产生在后壳体14中。

在后壳体14中，用于排放被第一叶轮21初次压缩的气体的中间压缩气体出口27产生，如图2所示。

从中间压缩气体出口27排出的空气G流动穿过中间压缩气体入口26进入第二叶轮22，如图8所示。

压缩气体通道23是从压缩气体入口24连接到压缩气体出口25的空气通道。

吸入压缩气体入口24的空气被压缩，同时沿从压缩气体入口24连接到压缩气体出口25的压缩气体通道23移动。

压缩气体通道23从压缩气体入口24相继通过第一叶轮21、中间冷却器、中间压缩气体出口27、中间压缩气体入口26以及第二叶轮22连接到压缩气体出口25，如图7所示。

压缩气体通道23包括前空气通道23a、中间空气通道23b和后空气通道23c。

前空气通道23a是用于允许空气从中心流向壳体10的前端的边缘的空气通道。

前空气通道23a是由扩散器28限定的多个空气通道，并沿第一中心轴线C1的径向方向延伸。

中间空气通道23b是穿透通过壳体10以冷却壳体10的多个空气通道，并围绕并沿着第一中心轴线C1延伸。

中间空气通道23b沿着第一中心轴线C1的圆周方向以预设距离彼此间隔开，如图3和7所示。

后空气通道23c是用于允许空气从中间空气通道23b流入中间压缩气体入口26的连接空气通道，并且产生在壳体10的后端处。

前空气通道23a和中间空气通道23b可以相对于第一中心轴线C1旋转对称或者轴对称。

吸入压缩气体入口24的空气可以以两级进行压缩，同时沿从压缩气体入口24连接到压缩气体出口25的压缩气体通道23移动。

马达30是用于生成转矩的电动马达，且是用于向第一叶轮21和第二叶轮22提供高速转矩的装置。马达30包括旋转轴31、定子32、转子33以及轴承34。

旋转轴31是沿第一中心轴线C1延伸的杆构件，且其前端相对不可旋转地联接到第一叶轮21，其后端相对不可旋转地联接到第二叶轮22。

定子32是磁场线圈所缠绕的定子，且安装和固定在马达容纳空间13中。

转子33是包括永磁体的转子，并且联接到旋转轴31的中间部分。

轴承34是旋转地支撑旋转轴31以降低因高速旋转产生的摩擦的空气轴承，并单独设置在旋转轴31的前端和后端处。

预设间隙设置在定子32和转子33之间、旋转轴31和定子32之间，以及旋转轴31和轴承34之间。

中间冷却器是用于冷却被第一叶轮21加热的空气的装置，并包括空气冷却通道41和引导构件42。

空气冷却通道41是位于第一叶轮21和第二叶轮22之间且待压缩的空气所流动穿过的空气通道。在当前实施例中，中间空气通道23b的至少部分用作空气冷却通道41。

空气冷却通道41气密地穿透通过并隐藏在壳体10中。

空气冷却通道41生成为围绕第一中心轴线C1的线圈形状螺旋形状，如图7所示。

空气冷却通道41通过内壳体11的外圆周表面、外壳体12的内圆周表面，以及以下将描述的冷却翼52(如图3所示)的表面产生。

引导构件42是用于引导被第一叶轮21压缩的空气的流动方向的构件，且多个引导构件42设置在空气冷却通道41的上游侧处。

引导构件42是用于引导已经穿过扩散器28的空气以在进入空气冷却通道41之前沿预设方向流动的构件。

引导构件42提供为具有相对于第一中心轴线C1的预设角度。

水冷却单元50是用于通过使用冷却液体来冷却壳体10的装置，且包括水冷却通道51、冷却翼52、冷却液体入口53，以及冷却液体出口54。在本文中，水用作冷却液体。

水冷却通道51是包含冷却液体以使冷却液体连续循环的通道。

水冷却通道51穿透通过并隐藏在内壳体11中，如图1和图3所示，且包括单元水通道51a、后部水通道51b(见图5)和前部水通道51c(见图4)。

单元水通道51a是穿透通过并隐藏在内壳体11中且具有圆形截面的水通道，并且沿第一中心轴线C1线性延伸。

多个单元水通道51a沿着第一中心轴线C1的圆周方向彼此间隔开，如图3所示。

后部水通道51b是用于连接单元水通道51a的后端的水通道，且穿透通过并隐藏在内壳体11的后端中，如图5所示。

前部水通道51c是用于连接单元水通道51a的前端的水通道，且穿透通过并隐藏在内壳体11的前端中，如图4所示。

因此，水冷却通道51是沿内壳体11的圆周方向以Z字形产生的，且定位为环绕内壳体11的整个侧壁，如图9所示。

水冷却通道51可以相对于第一中心轴线C1旋转对称或轴对称。

水冷却通道51可以定位为尽可能地靠近空气冷却通道41。

水冷却通道51定位在空气冷却通道41的内侧处并因此更靠近第一中心轴线C1。

冷却翼52是用于增加沿水冷却通道51流动的冷却液体和沿空气冷却通道41流动的空气之间的热交换效率的冷却翼。

冷却翼52沿内壳体11的径向方向从内壳体11的外圆周表面突出，并沿第一中心轴线C1延伸，如图1和3所示。

多个冷却翼52沿着内壳体11的圆周方向彼此间隔开。

冷却翼52的端部与外壳体12的内表面接触。

冷却液体入口53是用于接收来自外部的冷却液体的入口，连接到水冷却通道51的一端并设置在后壳体14中。

冷却液体入口53连接到外部泵(未示出)，并因此接收从泵供应的水。

冷却液体出口54是用于将冷却液体排放到外部的入口，连接到水冷却通道51的另一端并设置在后壳体14中。

从冷却液体出口54排出的冷却液体可以在外部冷却并然后再次通过冷却液体入口53来供应。

现在将描述以上所述的涡轮压缩机100的操作方式的例子。

当马达30的旋转轴31旋转时，第一叶轮21和第二叶轮22同时旋转，通过压缩气体入口24吸入的空气G以两级进行压缩，同时相继流动穿过第一叶轮21、中间冷却器和第二叶轮22，并通过压缩气体出口25排放到外部。

从第一叶轮21排放的空气在穿过扩散器28之后速度降低且压力增加，并且流动方向改变至适合的角度以在穿过引导构件42后进入空气冷却通道41。

从引导构件42排放的空气通过空气冷却通道41快速冷却。在这种情况下，由于空气冷却通道41靠近水冷却通道51和外壳体12，故流动穿过空气冷却通道41的空气可以同时通过水冷却通道51中包含的冷却液体和通过外壳体12外部的空气来冷却。

水冷却通道51中包含的冷却液体从冷却液体入口53供应，沿冷却流动路径W以沿如图9所示的内壳体11的圆周方向的Z字形流动，冷却内壳体11和外壳体12，并然后通过冷却液体出口54排出。

在这种情况下，流动穿过空气冷却通道41的空气通过流动穿过邻近空气冷却通道41的单元水通道51a的冷却液体来快速冷却。具体地，通过冷却翼52，流动穿过单元水通道51a的冷却液体和流动穿过空气冷却通道41的空气之间的热交换效率大大增加。

上述涡轮压缩机100包括用于吸入气体的压缩气体入口24、用于初次压缩通过压缩气体入口24吸入的气体的第一叶轮21、用于二次压缩被第一叶轮21压缩的气体的第二叶轮22、用于将被第二叶轮22压缩的气体排放到外部的压缩气体出口25、包括从压缩气体入口24连接到压缩气体出口25的压缩气体通道23的压缩单元、具有联接到第一叶轮21的一端和联接到第二叶轮22的另一端以旋转第一和第二叶轮并包括沿第一中心轴线C1延伸的旋转轴31的马达30、包括容纳该马达30的马达容纳空间13的壳体10，以及设置在位于第一和第二叶轮21和22之间的压缩气体通道23上并包括气体所流动穿过的空气冷却通道41的中间冷却器，该空气冷却通道41气密地穿透通过并隐藏在壳体10中。照此，涡轮压缩机100可以基于中间冷却器和壳体10的集成来降低整体产品尺寸而用于各种目的，且可以防止因外部冲击导致中间冷却器损坏。

此外，在涡轮压缩机100中，由于空气冷却通道41以围绕第一中心轴线C1的螺旋形状产生，故壳体10之间的接触面积和空气冷却通道41中包含的空气可能增加，并因此空气冷却通道41中包含的空气可以被快速冷却。

另外，在涡轮压缩机100中，由于用于引导被第一叶轮21压缩的空气的流动方向的引导构件42设置在空气冷却通道41的上游侧处，故已经穿过扩散器28的空气流动方向可以改变至合适的角度以进入空气冷却通道41。

在涡轮压缩机100中，壳体10可以包括包含马达容纳空间13的内壳体11和环绕内壳体11的外壳体12，且空气冷却通道41设置在内壳体11的外表面和外壳体12的内表面之间。照此，冷却翼52和空气冷却通道41可以容易产生。

由于涡轮压缩机100进一步包括用于使冷却液体循环以冷却壳体10的水冷却通道51，故被马达30、轴承34等产生的热量加热的壳体10可以被冷却。

此外，在涡轮压缩机100中，由于水冷却通道51包括穿透通过壳体10以冷却壳体10的水通道51a、51b和51c，与单独使用冷却管的情况相比，冷却效率可能高且泄露可能性可能较低。

另外，在涡轮压缩机100中，由于水冷却通道51提供用以与空气冷却通道41中包含的空气交换热量，故可以冷却被马达30、轴承34等产生的热量加热的壳体10且同时还可以冷却在空气冷却通道41中流动的空气。

在涡轮压缩机100中，由于空气冷却通道41沿第一中心轴线C1的径向方向定位在水冷却通道51的外侧处，故在空气冷却通道41中流动的空气可以通过水冷却通道51中包含的冷却液体以水冷却方式来冷却，且同时通过外壳体12外部的空气以空气冷却方式来冷却。

另外，在涡轮压缩机100中，由于能够增加热交换效率的冷却翼52设置在水冷却通道51和空气冷却通道41之间，故可以增加在空气冷却通道41中流动的空气和在水冷却通道51中流动的冷却液体之间的热交换效率。

此外，在涡轮压缩机100中，水冷却通道51包括沿第一中心轴线C1延伸并沿第一中线轴线C1的圆周方向彼此间隔开的多个单元水通道51a、用于连接单元水通道51a的后端的多个后部水通道51b，和用于连接单元水通道51a的前端的多个前部水通道51c，并且以Z字形产生。照此，内壳体11和水冷却通道51中包含的冷却液体之间的接触面积可以尽可能大地增加，且冷却液体可以均匀地流遍内壳体11。

尽管在当前实施例中冷却翼52整体地产生在内壳体11的外圆周表面上，但应当理解，冷却翼52还可以加工为单独的构件并然后通过使用压痕加工等联接到内壳体11。

尽管在当前实施例中空气冷却通道41生成为如图7所示围绕第一中心轴线C1的线圈形状或螺旋形状，但应当理解，空气冷却通道41还可以沿着第一中心轴线C1线性地产生。

尽管在当前实施例中轴承34设置为空气轴承，但应当理解还可以使用其他类型的轴承。

尽管在当前实施例中没有描述用于气密性的密封装置，但应当理解还可以使用各种类型的密封装置。

尽管已经参照其实施例特别示出和描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由以下权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在本文做出形式和细节上的各种改变。

Claims (10)

1.一种用于压缩诸如空气的气体并将压缩的气体供应到外部的涡轮压缩机，所述涡轮压缩机包括：

压缩气体入口，用于吸入所述气体；

第一叶轮，用于初次压缩通过所述压缩气体入口吸入的气体；

第二叶轮，用于二次压缩被所述第一叶轮压缩的气体；

压缩气体出口，用于将被所述第二叶轮压缩的气体排放到外部；

压缩单元，包括从所述压缩气体入口连接到所述压缩气体出口的压缩气体通道；

马达，一端联接到所述第一叶轮，并且另一端联接到所述第二叶轮，以旋转所述第一叶轮和所述第二叶轮，并包括沿第一中心轴线延伸的旋转轴；

壳体，包括用于容纳所述马达的马达容纳空间；以及

中间冷却器，包括气体流动穿过的空气冷却通道，并在所述第一叶轮和所述第二叶轮之间设置在所述压缩气体通道上，

其中，所述空气冷却通道穿透通过所述壳体并隐藏在所述壳体中。

2.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其中，所述空气冷却通道生成为围绕所述第一中心轴线的螺旋形状。

3.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其中，用于引导被所述第一叶轮压缩的气体的流动方向的引导构件设置在所述空气冷却通道的上游侧处。

4.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，其中，所述壳体包括：

内壳体，包括所述马达容纳空间；和

外壳体，环绕所述内壳体，且

其中，所述空气冷却通道设置在所述内壳体的外表面和所述外壳体的内表面之间。

5.根据权利要求1所述的涡轮压缩机，进一步包括水冷却通道，用于使冷却液体循环以冷却所述壳体。

6.根据权利要求5所述的涡轮压缩机，其中，所述水冷却通道包括穿透通过所述壳体以冷却所述壳体的水通道。

7.根据权利要求5所述的涡轮压缩机，其中，所述水冷却通道提供为用以与所述空气冷却通道中所包含的气体进行热交换。

8.根据权利要求7所述的涡轮压缩机，其中，所述空气冷却通道沿所述第一中心轴线的径向方向定位在所述水冷却通道的外侧处。

9.根据权利要求7所述的涡轮压缩机，其中，能够增加热交换效率的冷却翼设置在所述水冷却通道和所述空气冷却通道之间。

10.根据权利要求5所述的涡轮压缩机，其中，所述水冷却通道包括：

多个单元水通道，沿所述第一中心轴线延伸并沿所述第一中心轴线的圆周方向彼此间隔开；

多个后部水通道，用于连接所述单元水通道的后端；和

多个前部水通道，其用于连接所述单元水通道的前端，并且

所述水冷却通道生成为Z字形。