CN1239192A - 离心压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提出一种结构简单的离心压缩机的运行方法，该压缩机在压缩机叶轮的后壁范围在压缩机叶轮和压缩机壳体之间的隔离间隙中没有密封件，该方法提高了离心压缩机的使用寿命。还提供了一种实施该方法的装置。按照本发明这是通过将冷却介质(25)引入在工作介质(27)的泄漏流(29)下游的隔离间隙(18)中并在冷却过程之后又排出来实现。为此，在压缩机壳体(5)中至少设置一条气态冷却介质(25)的供给通道(24)和至少一条排出通道(26)；上述供给通道穿过压缩机壳体并在压缩机叶轮的后壁范围通入隔离间隙并指向后壁。

Description

离心压缩机
本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的离心压缩机的运行方法和一种如权利要求6前序部分所述的相应的离心压缩机。
为了密封旋转系统，在涡轮机结构中广泛使用无接触密封尤其是迷宫式密封。在旋转件和固定件之间的液体流动的隔离间隙中，由于形成的流动边界面而出现很高的摩擦力，由此引起隔离间隙中液体的加热和隔离间隙周围构件的加热。很高的材料温度减小了相应构件的使用寿命。
根据废气涡轮压缩机的设计，其具有逆着或沿着离心压缩机的方向作用的废气涡轮的轴向力。在后一种情况中，压缩机叶片的旋转后壁和相邻的静止的压缩机壳体之间隔离间隙中的压力必须减小，因此这种隔离间隙公差很小。此外，该隔离间隙通常具有无接触密封。在这种窄的隔离间隙中具有特别高的摩擦力，此外，流经隔离间隙的工作液体在密封的节流点的偏转和涡旋引起工作液体的再次重新混合，产生很高的脉冲交换和热交换。工作液体在节流点下游的旋转件上沿圆周方向受到重新加速，从而在这一范围继续提高摩擦力和热的生成。
由EP0518027B1公开了一种离心压缩机的冷却装置，该离心压缩机在其叶轮的后壁上在后壁和压缩机壳体之间的隔离间隙中设置有密封件。其中，具有高于压缩机叶轮的出口压力的冷却气体通过密封件，这些气体撞击到压缩机叶轮的后壁上并在那里同时作为阻隔气体起作用，以阻止来自压缩机叶轮出口的热压缩空气流过迷宫间隙，从而明显提高这种具有密封几何体的压缩机叶轮的寿命。在这种方案中，不利的是这种特殊结构的密封件使整个结构和压缩机的安装变得复杂和昂贵。此外，因为隔离间隙的净宽度为十分之一毫米的范围，因此始终存在旋转的压缩机叶轮在压缩机壳体上的潜在的摩擦危险。
相反，在废气涡轮对着离心压缩机作用轴向力时没有必要减少隔离间隙中的压力，因此，其净宽度位于毫米范围，不必密封压缩机叶轮后壁范围内的隔离间隙。由DE19548852公开了一种没有这种密封件的离心压缩机，它结构简单，因而制造价廉。旋转的压缩机叶轮在压缩机壳体上不存在摩擦的危险，然而，由于流动剪切层而在压缩机叶轮的后壁出现的摩擦热引起对压缩机叶轮的加热，从而减少了其寿命。没有一种解决方案在压缩机叶轮的后壁范围在没有密封件的情况下来减少离心压缩机中热的生成。
本发明试图避免上述所有缺点，其目的在于，提供一种结构简单的离心压缩机的运行方法以及一种实施该方法的装置，其在压缩机叶轮的后壁范围没有在压缩机叶轮和压缩机壳体的隔离间隙中的密封件，该方法提高了离心压缩机的寿命。
按照本发明上述目的是这样实现的，即在按照权利要求1的前序部分的方法中，在工作介质的泄漏流的下游的隔离间隙中引入冷却介质，并在热交换后最终又将冷却介质排出。为此，在按照权利要求6前序部分的装置中，在压缩机壳体中至少设置一条气态冷却介质的供给通道和至少一条冷却介质的排出通道；上述供给通道穿过压缩机的壳体并在压缩机叶轮的后壁的范围接入隔离间隙。
基于上述方法和离心压缩机的相应的结构，离心压缩机叶轮的后壁可以用气态冷却介质有效冷却，从而提高了离心压缩机的寿命。因为工作介质的泄漏流已由冷却介质充分冷却，为此，不必阻止泄漏流侵入隔离间隙中。因此，只需供给很少量的冷却介质就足够了，这样就可使用简单的供给装置。
由于工作介质的泄漏流的压力在其输入隔离间隙时已经相对于工作介质的主流的压力减少了，因此，冷却介质可以有利地按或高于或低于工作介质主流的压力引入隔离间隙。为此，在压缩机叶轮后壁的上游的隔离间隙中设置一密封件。已用过的冷却介质通过压缩机的外壳或向外排放或排入离心压缩机工作介质的主流中，为此，冷却介质的排放通道或是通入周围大气中或是通入压缩机的径向通流通道中。按这一方式产生众多的解决方案来冷却压缩机叶轮并允许离心压缩机最佳地匹配其使用条件。
冷却介质的供给通道安装成近似平行于或近似交叉于压缩机叶轮的轴或近似切向于压缩机叶轮的后壁地通入隔离间隙。冷却介质平行于轴向的供给实现了冲击冷却，从而可以直接和有效地冷却压缩机叶轮后壁的特别危险的部位。相反，在冷却介质径向供给时实现了薄膜冷却，借此也可以冷却压缩机叶轮后壁的较大的区域。冷却介质的交叉供给也具有上述方案的优点，但具有较低的冷却效率。为了补偿这一缺陷，至少一条供给通道安装一伸入隔离间隙的并指向压缩机叶轮的后壁的小管。尤其有利的是每根小管在压缩机叶轮后壁的径向外壁范围通入隔离间隙，因为在此范围承受最大的温度负荷，因此可以有效地使用冷却介质。
此外，有利的是在压缩机壳体中设置多条供给通道，在压缩机叶轮后壁的对面形成一个向着隔离间隙开启的环形腔或在压缩机壳体中的部分环形腔和将供给通道与环形腔相连或者至少每两条供给通道与部分环形腔相连。这样可以实现在整压缩机叶轮圆周上的冷却介质的均匀供给，而与供给通道的数量、结构和布置无关。
借助于废气涡轮增压机的离心压缩机，结合附图参照下面对本发明几个实施例的详细描述能更全面了解本发明和许多附加的优点。其中：
图1具有本发明的供给和排出装置的径向压缩机的部分纵剖图；
图2第二实施例的按照图1的示图；
图3第三实施例的按照图1的示图；
图4第四实施例的按照图1的示图；
图5图4的放大剖面图，尤其表示又一实施例中隔离间隙的第一间隙范围。
现参照附图，其中相同的标号表示几幅图中相同或相应的部件。图中只示出了理解本发明必需的部件而没有表示出例如轴承部分和废气涡增压机的涡轮端。工作介质的流动方向用箭头表示。在图1中只部分表示的废气涡轮增压机由一个离心压缩机1和未示出的废气涡轮组成，它们经支承在轴承箱2中的轴3相互连接。离心压缩机1具有一位于轴3上的机器中心轴线4，和配备一压缩机壳体5，在其中压缩机叶轮6可旋转地与轴3连接。压缩机叶轮6具有一由多个叶片7占据的叶毂8。在叶毂8和压缩机壳体5之间形成通流通道9。在叶片7下游的通流通道9上连接一径向设置的有叶片扩压器10，该扩压器本身通入离心压缩机1的螺旋室11中。压缩机壳体5主要由进风壳体12、排风壳体13、扩压器板14和通向轴承箱2的中间壁15组成。
叶毂8在涡轮侧具有后壁16以及轴3的紧固套筒17，其中轴3和紧固套筒17相互连接。紧固套筒17安装在压缩机壳体5的中间壁15中。当然也可以选择其它适宜的压缩机叶轮和轴的连接，同样也可以使用无叶片的扩压器。
在旋转的压缩机叶轮6和压缩机壳体5的固定的中间壁15之间构成一由不同的间隙范围组成的隔离间隙18。第一间隙范围19平行于机器中心轴线4延伸，并与压缩机叶轮6的出口和在压缩机叶轮6后壁16的区域内大致径向延伸的第二间隙范围20相连。第二间隙范围20过渡到在紧固套筒和中间壁15之间构成的同样平行于机器的中心轴线4的第三间隙范围21。后者本身与未示出的排气管道连通。压缩机叶轮6的后壁16具有一径向内壁部22和一径向外壁部23。
隔离间隙18的第二间隙范围20平行于压缩机叶轮6的轴3接入多条穿过压缩机壳体5的中间壁15的气态冷却介质25的供给通道24。接口位于压缩机叶轮6后壁16的径向外壁部23的范围，而同样穿过压缩机壳体5的中间壁15的冷却介质25的排气通道设置在径向内壁部22的范围。
在废气涡轮增压机运行时，压缩机叶轮6吸入作为工作介质27的环境空气，并作为主流28经通流通道9和扩压器10到达螺旋室11，在那里被进一步压缩，最终被用来对未示出的、与废气涡轮增压机相连的内燃机增压。在通流通道9至扩压器10的途径中，在离心压缩机1中加热的工作介质27的主流28作为泄漏流29也进入第一间隙范围19和隔离间隙18。然而，同时经供给通道24将高于工作介质27的主流28压力的气态冷却介质25引入隔离间隙18的第二间隙范围20。作为冷却介质例如可以使用来自未图示的内燃机的增压空气冷却器出口的空气。当然可以使用其它的冷却介质和外部供应冷却介质。
冷却介质25碰到压缩机叶轮6的后壁16并在其尤其受载的径向外壁部23上产生冲击冷却，然后冷却介质25在隔离间隙18中分散和稀释热的泄漏流29。冷却介质25的绝大部分和泄漏流29接着经排气通道26从隔离间隙18排出。根据存在的压力关系，也有一定的冷却介质25和泄漏流29经第一间隙范围19引入离心压缩机1的通流通道9中。
在第二实施例中，冷却介质25的供给通道24同样平行于压缩机叶轮6的轴3地在压缩机叶轮6后壁16的径向外壁部23的范围接入隔离间隙18中，然而在供给通道24和隔离间隙18之间构成一个相互连接供给通道24的、并向隔离间隙18开启的环形腔30(图2)。这样可以相当均匀地向后壁16供给冷却介质25。当然，不同于环形腔30也可以在压缩机壳体5的中间壁15中构成多个部分环形腔，它们分别将至少两条相邻的供给通道24连接在一起(未示出)。在压缩机壳体5的扩压器板14中设置了排气通道26，因此，冷却介质25几乎完全经离心压缩机1的通流通道9排出。在运行中，泄漏流29被冷却介质25几乎完全阻隔。此外，由于冷却介质25回流入通流通道9而改善了容积效率。
按照第三实施例，供给通道24与压缩机叶轮6的轴3交叉地接入隔离间隙18。此外，供给通道24分别装入一根伸入隔离间隙18的、指向压缩机叶轮6后壁16的径向外壁部23的小管31(图3)。借助于小管31，冷却介质25有目的地冲击具有大部分温度负荷的后壁16的区域。冷却介质25由于其交叉的引入首先起到冲击冷却作用。此外，冷却薄膜沿着第一间隙范围19的方向贴在后壁16上。冷却介质25又是经排气通道26排出。当然，类似于第二实施例，也可以将冷却介质25反馈供入离心压缩机1的通流通道9中(未图示)。
在下一实施例中，供给通道24设置成穿过扩压器板14并在其朝向压缩机叶轮6的范围沿着压缩机叶轮6后壁16的切向通入隔离间隙18(图4)。冷却介质25的排气通道26设置在压缩机壳体5的中间壁15中。通过冷却介质25的切向引入实现了压缩机叶轮6的整个后壁16的纯薄膜冷却。冷却介质25只经排气通道26排出。在这种结构中，因压缩机叶轮6的后壁16上产生的摩擦而引起的压缩机的推力和机械损失要比冷却介质25平行于轴向吹入时小。当然，扩压器板14也可以在其径向内端形成缝隙。在这种情况下，供给通道24通入扩压器板14的未图示的缝隙中。
在又一实施例中，在压缩机叶轮6后壁16的上游的隔离间隙18中，即在其第一间隙范围19中设置一密封件32(图5)。借助于这一适合于所有前述实施例的解决方案可以将剩余的泄漏流29的压力减小到这样的程度，即流入的冷却介质25的压力有利地甚至低于工作介质27在压缩机叶轮6的出口处的压力。用这一方法也可以用相当少的冷却介质25保证对压缩机叶轮6的有效冷却。
显然，按照上述教导可以对本发明作许多改型和改变。因此，应当理解，在所附的权利要求书的范围，本发明可以按不同于本文专门所述的方案实施。

Claims (14)

1.离心压缩机的运行方法，其中，
a)工作介质(27)被一个设置在压缩机壳体(5)中的并配有多个叶片(7)的压缩机叶轮(6)吸入、压缩和作为主流(28)引向消耗机；
b)在叶片(7)之间的压缩过程之后分流出工作介质(27)的泄漏流(29)，该泄漏流(29)流入压缩机叶轮(6)和压缩机壳体(5)之间构成的隔离间隙(18)。
c)隔离间隙(18)在压缩机叶轮(6)后壁(16)的范围不对着工作介质(27)的泄漏流(29)的侵入密封，其特征在于，
d)在工作介质(27)的泄漏流(29)的下游，冷却介质(25)引入隔离间隙(18)中，该冷却介质在冷却过程之后又被排出。
2.如权利要求1的方法，其特征在于，将具有压力高于工作介质(27)的主流(28)压力的冷却介质(25)引入隔离间隙(18)中。
3.如权利要求2的方法，其特征在于，冷却介质(25)在冷却过程之后引入工作介质(27)的主流(28)中。
4.如权利要求1的方法，其特征在于，工作介质(27)的泄漏流(29)的压力在其供入隔离间隙(18)中时相对于工作介质(27)的主流(28)的压力减小。
5.如权利要求4的方法，其特征在于，将压力小于工作介质(27)的主流(28)的压力的冷却介质(25)引入隔离间隙中。
6.离心压缩机，具有设置在轴(3)上的、具有大致沿径向延伸的后壁(16)的压缩机叶轮(6)、包围压缩机叶轮(6)的压缩机壳体(5)、在压缩机叶轮(6)和压缩机壳体(5)之间形成的离心压缩机(1)的工作介质(27)的通流通道(9)和连接通流通道(9)的压缩机叶轮(6)和压缩机壳体(5)之间的隔离间隙(18)；隔离间隙(18)在压缩机叶轮(6)后壁(16)的范围没有密封件，其特征在于，在压缩机壳体(5)中至少设置一条气态冷却介质(25)的供给通道(24)和至少一条冷却介质(25)的排出通道(26)，上述供给通道穿过压缩机壳体(5)并在压缩机叶轮(6)后壁(16)的范围通入隔离间隙(18)和指向后壁(16)。
7.如权利要求6的离心压缩机，其特征在于，供给通道(24)至少近似平行于压缩机叶轮(6)的轴(3)通入隔离间隙(18)。
8.如权利要求6的离心压缩机，其特征在于，供给通道(24)至少近似交叉于压缩机叶轮(6)的轴(3)通入隔离间隙(18)。
9.如权利要求7或8的离心压缩机，其特征在于，在压缩机壳体(5)中设置多条供给通道(24)，在压缩机壳体(5)的压缩机叶轮(6)的后壁(16)的对面形成一朝隔离间隙(18)开启的环形腔(30)或至少一个部分环形腔，供给通道(24)连接环形腔(30)或者至少每两条供给通道(24)与一个部分环形腔连接。
10.如权利要求8的离心压缩机，其特征在于，至少一条供给通道(24)装有一根伸入隔离间隙(18)并指向压缩机叶轮(6)后壁(16)的小管(31)。
11.如权利要求10的离心压缩机，其特征在于，压缩机叶轮(6)的后壁(16)具有一径向内壁部(22)和一径向外壁部(23)，每一小管(31)在径向外壁部(23)的范围通入隔离间隙(18)。
12.如权利要求6一11中之一的离心压缩机，其特征在于，排出通道(26)通入离心压缩机(1)的通流通道(9)。
13.如权利要求6的离心压缩机，其特征在于，供给通道(24)至少近似切向于压缩机叶轮(1)的后壁(16)通入隔离间隙(18)。
14.如权利要求6-13中之一的离心压缩机，其特征在于，在压缩机叶轮(6)后壁(16)上游的隔离间隙(18)中设置一密封件(32)。
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