CN1375042A - 涡轮机转子定子间径向隙缝之气流的间接冷却方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明任务是创造一种改善冷却效果的方法以用于冷却在形成于涡轮机转子和定子间之径向隙缝中的气流。此外还提供一个简单的、成本低和坚固的实施上述方法的装置。按发明要求,这一任务如此实现:应用水作为冷却流体(29)以冷却与径向隙缝(24)相邻的定子构件(20)。为此可在与径向隙缝(24)相邻的定子构件(20)之内部构成至少一个空槽(26),或在定子构件(20)上设置至少一个空腔(38)。该空槽(26)或空腔(38)既与用于冷却流体(29)的一输入管道(27)又与一输出管道(28)相连接。

Description

涡轮机转子定子间径向隙缝之气流的间接冷却方法和装置

                      技术领域

本发明涉及用于间接冷却在形成于涡轮机转子和定子间的径向隙缝中之气流的一方法和一装置，如权利要求1之前序部分和权利要求7之前序部分限定的技术领域；但是特别地用于间接地冷却在位于一离心压缩机之压缩机轮和壳体之间的径向隙缝中之气流。

                      背景技术

为了密封旋转的系统，在涡轮机制造中广泛地发展了无接触的密封结构，尤其是迷宫式密封。在位于旋转的和静止的构件间的流体流通的分离隙缝中由于形成的流动边界层则产生一个高的摩擦功率。这就导致对分离隙缝中之流体的加热和因此对分离隙缝周围构件的加热。这种高的材料温度引起的结果是该相应构件使用寿命的下降。

一个简单构造的没有在分离隙缝中设置密封几何构件的离心压缩机已被公开在DE 19548852A1中。而且其中，由于在压缩机轮之背侧壁上的流动剪切层产生的摩擦热导致对压缩机轮的加热和由此使其工作寿命下降。

在EP 0518027B1中公开了一种用于离心压缩机的冷却结构具有一种位于压缩机轮之背侧面上的密封几何构造。为此在单个的密封元件之间构成一个附加的位于离心压缩机之壳体壁侧面上的环形腔。在这个环腔中导入一种冷却的气体，其具有比在压缩机轮之出口处达到的压力更高的压力。该被输入的空气作用如同冲击式冷却。其中，它在密封区域中分开并主要地沿径向往内及往外地流动。因此，另外还实现一个阻止来自压缩机轮之出口的热压缩空气流过该分离隙缝的作用。但是以此方式被吹入的空气还导致推力增加和在流动边界层中附加的摩擦损失。

除了这种直接冷却以外在DE 19652754A1中还公开了一种间接地对压缩机轮之背侧壁的冷却或者对通过分离隙缝流动之介质的冷却。为此在壳体构体上或在位于背侧面上安置的和与之构成分离隙缝的壳体构件中设置一个与涡轮增压器之润滑系统连接的输入和分配装置。作为冷却介质应用了该用作润滑油的油，为此该涡轮增压器的润滑油循环被分支设置。这种冷却的一个缺陷是相对高的油需求和这从油冷却器附加排放的热量。这将导致冷却器的一个加大的结构体积。另外，在一种损坏了相应结构件的故障情况下存在增大的爆燃危险。

通过US 4815184也公开了一种涡轮增压器之轴承壳体的水冷却。然而这种冷却是用于消除在涡轮增压器停车后于其轴承壳体中遗留的润滑油之积碳危险的。因此与上面所述的现有技术之解决方案相反，该冷却介质的输入不需要在连续工作期间进行而是更具体说在涡轮增压器之停工情况下才必需的。由此这种形式的轴承壳体之冷却方式不可能对一种间接地冷却‘在构成于涡轮机转子和定子间的径向隙缝中之’气流的方案给出任何参考指示。另外，这种解决方案也没有明确地研究中间壁的冷却结构。

                      发明内容

本发明试图避免所有这些上述的缺陷。发明任务是，创建一种使其冷却作用改进的方法以用于冷却在形成于涡轮机转子和定子间之径向隙缝中的气流。另外，还能提供一种简单的、成本低廉和坚固的用于实施所述方法的装置。

按发明要求，这一任务被如此实现，在一个按照权利要求1之前序部分限定的方法基础上，将水应用为冷却流体以用于与径向隙缝相邻的定子构件。

该被用作冷却介质的水具有一个比公知的润滑油稍高的密度以及一个约两倍大的比热。因为通过一冷却介质排放的热流是成正比于密度和比热之乘积的，故在应用水时获得明显好于油冷却的优点。因此在相同的质量流和相同的水温度情况下就可以通过待冷却的定子构件从流动通过径向隙缝的介质中散发掉很多的热量。由此在转子之相邻于该径向隙缝的区域上的冷却效用同样变大了。按逆向地推论，为了排放与润滑油情况下相同的热量则必需较小的冷却水质量流，因此用于冷却介质的输入和输出装置就可以被相应减小地尺寸设置。

为此在与径向隙缝相邻的定子构件之内部构成至少一个空槽或在定子构件上设置至少一个空腔。该空槽或该空腔不仅与一个输入管道而且与一个输出管道相连接以用于该冷却流体。通过这些管道将冷却流体导入或者又再导出。按照该旋转的应该被保持得尽可能薄的壁厚，就可以通过在定子构件之内部相对径向隙缝直接相邻的水导引实现一个改善的冷却作用。但是如果代替定子构件中的空槽设置上述的在定子构件上的空腔，就可以在同样良好的冷却作用前提下实现一种简单的和成本低廉的制造。

在一个由一内燃机和一增压空气冷却器及一废气涡轮增压器组成的系统中既可以应用来自系统之外部的新鲜水或者也可以优选地应用系统中已有的水作为冷却流体。为此在后者情况下就应用了存在于该增压空气冷却器之冷却水循环中的冷却水，其在增压空气冷却器的上游被分支而成。其中该固定的定子构件就是离心压缩机的一壳体构件，其相对于转子亦即相对于一废气涡轮增压器之旋转的压缩机轮界定了该径向隙缝。

作为定子构件的空槽被构造成一个在定子构件中闭合的管子结构，因此形成了一个简单的和坚固的冷却装置。对此的可替换方式是在定子构件中设置至少一个沟槽，其中在每个沟槽中设计和浇铸至少一个用作空槽的管件。另外在制造时更为简单的当然是一个定子构件具有至少一个相应的、被浇注的芯体，其为了形成该空槽而被除去。

一个附加的优点是如此实现的：该冷却流体在水冷却与径向隙缝相邻的定子构件之前被应用于间接地冷却该在泄漏流的分支之下游接纳工作介质之主气流的扩压器和这相对于轴承壳体限界了该扩压器的扩压器板。因此也可以在这个后面安置的区域中实现有效的对涡轮机之材料的冷却。另外，还因此使得从扩压器向邻接于径向隙缝的定子构件之热量流减少。

除了这种水冷却外特别优选的是应用第二冷却流体并被导入该径向隙缝中，其中作为优选应使用空气。由于这种双重冷却，该径向隙缝就可以使得这个受到强烈热负载的转子之温度被进一步降低。对此在径向隙缝上设置至少一个输入通道以及一个排放装置以用于第二冷却流体。

通过对第二冷却流体的输入部分地或完全地中断，该冷却作用就可以简单的方式适应于在涡轮机运行时所期望的条件或者也可以适应于该实际的温度条件。

                      附图说明

在附图中借助一个与内燃机连接的废气涡轮增压器描述了本发明的几个实施例。它表明：

图1是与内燃机连接的废气涡轮增压器之一个示意图；

图2是通过该废气涡轮增压器之离心压缩机的一局部截面图；

图3是对应于图2但为第二实施例的局部截面图；

图4是对应于图2但为第三实施例的局部截面图；

图5是对应于图2但为第四实施例的局部截面图；

图6是对应于图2但为另外实施例的局部截面图；

图7是对应于图2但为又一实施例的局部截面图；

在此仅仅对于那些理解本发明重要的元件作了标记。工作介质的流动方向用箭头表示。

                   具体实施方式

图1以示意图表示了一个与一个构造为柴油机的内燃机1配合工作的废气涡轮增压器2。该废气涡轮增压器包括一个离心压缩机3和一个废气涡轮4，它们具有一个共同的轴5。该离心压缩机3通过一个增压空气管道6而废气涡轮4通过一个排气管道7与内燃机1相连接。在增压空气管道6中亦即在离心压缩机3和内燃机1之间安置一个增压空气冷却器8。该冷却器8具有一个带有未示出的输入和输出结构的冷却水循环9。

该离心压缩机3装备一个压缩机壳体10，其中，安置一个被构造为压缩机轮的并与轴5连接的转子11。该压缩机轮11具有一个带多个转子叶片12的轮毂13。在轮毂13和压缩机壳体10之间构造一流动通道14。在转子叶片12的下游并在流动通道14上连接一个径向安置的，装有叶片的扩压器15，其自身又通入该离心压缩机3的一螺旋管16中。该压缩机壳体10主要地包括一个空气进入壳体17，一个空气排出壳体18，一个扩压器板19和一个被构造为相对该废气涡轮增压器2之一轴承壳体21的中间壁的定子构件20(图2)。

该轮毂13在涡轮侧具有一个背侧壁22和一个固紧联轴节23用于该轴5。该固紧联轴节23被压缩机壳体10的中间壁20承装。当然也可以选用一种另外适宜的压缩机轮-轴-连接结构。同样地使用一个未装叶片的扩压器也是可行的。

在旋转的压缩机轮11亦即它的背侧壁22和该压缩机壳体10之固定的中间壁20之间必然地存在一分离隙缝，其在一离心压缩机3情况下被构造为径向隙缝24。该隙缝24容装一个相对轴承壳体21密封压缩机壳体10的迷宫式密封结构25。在压缩机壳体10的中间壁20中构造一个环绕的空槽26并与用于一冷却流体29的一输入及一输出管道27、28相连接(图2，3)。为了在相邻的压缩机轮11上实现一个尽可能高的冷却作用，中间壁20在空槽26的压缩机轮侧被构造得尽可能的薄。为此在制造该中间壁20时浇注一个薄壁的并在两个端部封闭的管件30，其内腔就形成了该空槽26(图2)。

在废气涡轮增压器2运行时该压缩机轮11就抽吸周围空气作为工作介质31，其作为一主气流32通过流动通道14以及扩压器15到达该螺旋管16中，在此处被进一步压缩并最终通过增压空气管道6被应用于该与废气涡轮增压器2连接的内燃机1之增压进气。但是，在此之前于增压空气冷却器8中实现一个相应的对在压缩过程中被加热的工作介质31的冷却作用。

在其从流动通道14至扩压器15的路径上，工作介质31在离心压缩机3中被加热的主气流32还作为泄漏流33进入到径向隙缝24中，因此，该压缩机轮11被附加地加热。但是因为工作温度在压缩机轮11的外部区域中是最高的，故特别地在此处产生一个巨大的材料负荷。在与这个关键区域直接相邻安置的中间壁20之空槽26中导入了作为冷却流体29的从增压空气冷却器8之水冷却循环9中分支出来的冷却水。因此，形成了一个对径向隙缝24中存在之泄漏气流33的间接冷却并依此也间接冷却了该压缩机轮11。其中该冷却流体29的分支发生在增压空气冷却器8的上游，从而可以用较冷的冷却水实现有效的冷却作用。在这个冷却过程以后，该此后已被加热的冷却流体29通过输出管道28在增压空气冷却器8的下游被回送到该冷却水循环29中(图1)。当然可以不用在由内燃机1、增压空气冷却器8和废气涡轮增压器2组成之系统中已有的冷却水而从该系统之外部输入新鲜水作为冷却流体29(未示出)。

在第二实施例中，该径向隙缝24不是借助一迷宫式密封25，而是用一个在固紧联轴节23和中间壁20之间安置的密封环34被密封，而空槽26的构成则通过一个被浇注在该中间壁20中的芯体来实现，该芯体然后又必须被清除掉(图3)。

按照第三实施例，在中间壁20中构造一个沟槽35。在该沟槽35中设计和浇铸两个管件36，其中这两个管件36具有一个连接管道37。依此，该管件36的内腔就构成了空槽26(图4)。当然在沟槽35中也可以只安置单个管件36。同样地在中间壁20中可以设置两个或多个沟槽35，其也可容装两个以上的管件36(未示出)。

作为对中间壁20中之空槽26的替换方案而在第四实施例中于该中间壁20上设置一个空腔38，其在涡轮那侧被一盖板39所封闭(图5)。如空槽26那样，该空腔38也与用于冷却流体29的一输入管道和一输出管道27，28相连接。采用这一变型方案就可以使为了实现压缩机轮11之冷却所必需的制造花费被有利地减少。该盖板39和由此也有该空腔38当然也可以在中间壁20之压缩机侧被安排有相同的功能(未示出)。

在这个最后所提及的实施例中，该在径向隙缝中24存在的泄漏流33的间接冷却和因此也有这压缩机轮11的冷却是以基本上类似于第一实施例描述的过程之方式实现的。

在另外的实施例中，该中间壁20被沿径向往外延长地，因此，它覆盖了扩压器5的主要区域。为此，该中间壁20具有一个相应的外环43。在该外环43的内部构成一个环绕的空腔44。该用于冷却流体29的输入管道27连接在外环43上并通入到其空腔44中，该空腔44在另一端部与中间壁20的空腔26连接(图6)。

在这个解决方案中，该冷却流体29从输入管道27开始首先被导入到外环43的空腔44中，在此处其用于间接地冷却扩压器15或扩压器板19。此后才发生将冷却流体29导入到中间壁20的空槽26中。其中则进行前面已经描述的对泄漏流33的间接冷却。该冷却流体29在冷却水循环9中的再循环同样是通过输出管道29实现的。

当然，该中间壁20也可以如在US 4815184中一样地直接过渡到扩压器板19中并且该与中间壁20之空槽26连接的空腔44被安置在扩压器板19中(未示出)。

在下一个实施例中，除了至今描述的间接冷却以外设置一个对泄漏流33的直接冷却。为此设置了多个相对于压缩机轮11的背侧壁22为切向地通入到径向隙缝24中的输入通道40以用于第二冷却流体14并且既贯穿该轴承壳体21又贯穿该扩压器板19(图7)。该输入通道40在增压空气冷却部器8的下游与增压空气管道6相连接，以便应用已被冷却的增压空气作为第二冷却流体41(图1)。

通过第二冷却流体41的切向导入实现了一个对压缩机轮11之整个背侧壁22的纯粹薄膜式冷却。该第二冷却流体41就替代了热的泄漏流33，因此在压缩机轮11的背侧壁22上形成的边界层已经从开始起就首先通过已被冷却的增压空气构成了。该第二冷却流体41之随后的排出是通过一个在压缩机壳体10之中间壁20中安装时，未进一步描述的输出装置42完成的。这种间接和直接冷却的组合方案具有一个特别的冷却作用，因为这两个冷却方式其作用相互补充并因此提供了一个很高的压缩机轮11之温度下降。当然，也可以应用另外的冷却介质作为第二冷却流体41，其中一个外部的压力空气输入也是可能的(未示出)。

图1还附加地示出了在用于第二冷却流体41的输入通道40中配置了一调节阀45。借助这个调节阀45，就可以控制该第二冷却流体41之适当数量的输入，因此就能在废气涡轮增压器2之运行时使冷却作用适应于所期望的条件上或者也适应于实际的温度条件上。其中该调节阀45同样可以用手操作也可以通过一个未示出的测量和控制单元来操作。可能的测量参数就是该在增压空气冷却器8之后的增压空气之温度或者还有这中间壁20的温度本身。当然，以此方式就可以使该第二冷却流体41之输入不仅部分地而且也可完全地被阻止。然而在后一情况下则仅仅存在一个间接冷却亦即一个水冷却。

当然，这些上述的冷却结构方案是可以被任意地相互组合的，而且与在径向隙缝24中是否安置了一个迷宫式密封结构25无关。在单一地应用中间壁冷却情况下，压缩机推力的任何增大以及向废气涡轮增压器2之轴承壳体21中空气泄漏的任何增大就立即被避免了。

附图标记1   内燃机2   废气涡轮增压器3   离心压缩机4   废气涡轮5   轴6   增压空气管道7   排气管道8   增压空气冷却器9   冷却水循环10  压缩机壳体11  转子，压缩机轮12  转子叶片13  轮毂14  流动通道15  扩压器16  螺旋结构17  空气进入壳体18  空气排出壳体19  扩压器板20  定子构件，中间壁21  轴承壳体22  背侧壁23  固紧联轴节24  径向隙缝，分离隙缝25  迷宫式密封26  空槽27  输入管道28  输出管道29  冷却流体30  管件31  工作介质32   主气流33   泄漏流34   密封环35   沟槽36   管件37   连接管道38   空腔39   盖板40   输入通道41   第二冷却流体，增压空气42   输出装置43   外环44   空腔45   调节阀

Claims (13)

1.用于间接地冷却在形成于涡轮机转子和定子间的径向隙缝中之气流的方法，其中，从涡轮机之工作介质(31)的一主气流(32)中分支出一个泄漏气流(33)并将其导入一个径向隙缝(24)中；在该方法中，将一冷却流体(29)施加到一相邻于该径向隙缝(24)的定子构件(20)上；其特征在于：应用水作为冷却流体(29)。

2.按权利要求1的方法，其特征在于：

将冷却流体(29)导入到一个在定子构件(20)内构成的空槽(26)中或者导入一个在定子构件(20)上设置的空腔(38)中。

3.按权利要求2的方法，其特征在于：

应用一种由内燃机(1)、增压空气冷却器(8)和废气涡轮增压器(2)组成之系统外部的新鲜水作为冷却流体(29)。

4.按权利要求2的方法，其特征在于：

应用在一个由内燃机(1)、增压空气冷却器(8)和废气涡轮增压器(2)组成之系统内已有的水作为冷却流体(29)。

5.按权利要求4的方法，其特征在于：

应用在一个增压空气冷却器(8)之冷却水循环(9)中已有的冷却水作为冷却流体(29)并且将冷却流体在增压空气冷却器(8)的上游分支。

6.按权利要求1的方法，其特征在于：

将工作介质(31)的主气流(32)在泄漏流(33)之分支的下游导入到一扩压器(15)中；其中，将该冷却流体(29)在水冷却该与径向隙缝(24)相邻的定子构件(20)之前应用于间接地冷却该扩压器(15)和一扩压器板(19)。

7.按权利要求1-6之一的方法，其特征在于：

应用第二冷却流体(41)，最好是空气，并将其导入该径向隙缝(24)中。

8.按权利要求7的方法，其特征在于：

将第二冷却流体(41)的输入部分地或完全地停止。

9.用于实施权利要求1之方法的装置，其中，一个固定的定子构件(20)被安置得相对于转子(11)界定了该径向隙缝(24)，其特征在于：

在定子构件(20)的内部构成至少一个空槽(26)或者在定子构件(20)上设置至少一个空腔(38)；该空槽(26)或空腔(38)既与用于一冷却流体(29)的一输入管道(27)连接又与一输出管道(28)相连接。

10.按权利要求9的装置，其特征在于：

在定子构件(20)中设置至少一个闭合的管件(30)。

11.按权利要求9的装置，其特征在于：

在定子构件(20)中安置至少一个沟槽(35)并在每个沟槽(35)中设计和浇铸至少一个管件(36)。

12.按权利要求9的装置，其特征在于：

该固定的定子构件(20)被构造成一离心压缩机(3)之压缩机壳体(10)的组成部分，其相对一废气涡轮增压器(2)之一旋转的压缩机轮(11)界定了该径向隙缝(24)。

13.按权利要求9的装置，其特征在于：

在径向隙缝(24)上设置至少一个输入通道(40)及一个输出装置(42)用于第二冷却流体(41)。

Images