用於渦輪增壓機的壓縮機及其冷卻方法

2023-10-17 19:14:34

專利名稱：用於渦輪增壓機的壓縮機及其冷卻方法
用於渦輪增壓機的壓縮機及其冷卻方法
技術領域：
本發明涉及依據;f又利要求1前序部分所述的用於渦輪增壓機的壓縮機及其 冷卻方法。
技術背景
在渦輪增壓機中，工作介質尤其是空氣，通過壓縮機被壓縮以在內燃機中 燃燒。此壓縮機與渦輪機連接，渦輪機通過內燃機的排氣來驅動。
通過運動的壓縮機葉輪和容納該壓縮機葉輪的壓縮機殼體或者工作介質之 間產生的摩擦熱，但首先通過工作介質的壓縮本身壓縮機葉輪出口產生高溫， 尤其是在壓縮機葉4侖出口 。因此能夠例如在四種氣體的一壓縮比下從室溫加熱 到超過200°C。
此高溫示出了壓縮機的巨大的熱應力，尤其是在壓縮機葉4侖上，壓縮機葉 輪優選採用輕金屬例如鋁合金製成，以保持較小的迴轉質量和因此出現的離心 力，可引起了鬆開作用(Emfestigung)並由此降低了渦輪增壓機的壽命。同時，工 作介質的溫度升高減少了內燃機的燃燒室的(氣體)注滿並惡化了效率。 因此，EP 0 518 026 Al教示了 一種壓縮機葉4侖後側的衝擊式空氣冷卻 (Prallluftkuehlung)，在其中冷空氣#皮導入壓縮才幾葉壽侖與壓縮機殼4本之間的徑向間 隙(Radialspalt)中，並且在那衝擊(beaufschlaegt)壓縮機葉4侖後側。除了這種直接冷 卻之外，WO 01/29426 Al教示了 一種間接冷卻，在其中，冷卻流體流動通過壓 縮機殼體的靠近壓縮機葉輪的部分上的腔室，由此通過徑向間隙中的洩漏流以 及壓縮機殼體的部件將壓縮機葉4侖的熱量傳入冷卻流〗本中。
DE 20 2005 019 320 U 1涉及一種用高溫排氣衝擊的渦輪機，其較壓縮機通 常遭受更高的溫度，因此教示了採用具有熱保護層的葉片(Schaufel)。兩個教示可以使得葉片上出現的溫度各自在限定範圍內降低。此外，已知 的EP 0518 026 Al和WO 01/29426 Al的冷卻需要供給大量的冷卻流體，以能夠 發散大量的熱量。

發明內容
參照WO 01/29426 Al，本發明的任務是，使用用於渦4侖增壓機的壓縮機， 在其中，使用較少量的冷卻流體能夠降低壓縮工作介質時壓縮機葉輪上出現的 溫度。為了解決該技術問題，根據權利要求l前序部分的壓縮機通過權利要求1 的特徵部分進一步被構造。權力要求12提出了冷卻該壓縮機使之收到保護的方 法。
依據本發明，用於渦輪增壓機的壓縮機包括壓縮機葉輪，壓縮機葉輪可旋 轉地-波容納在壓縮機殼體中。優選地，其涉及離心式壓縮機，在離心式壓縮機 中，軸向吸入的工作介質通過壓縮機葉輪的葉片徑向向外加速，其後將其速度 轉化為壓力。此外可安裝有擴散器。
壓縮機殼體的靠近壓縮機葉輪的部件，其優選地通過徑向間隙與壓縮機葉 輪分隔，並設置在壓縮機葉輪的與工作流卩本的主流相遠離的一側，被冷卻流體 流動通過。冷卻流體直接或間接的冷卻了面向該部件的壓縮機葉輪的後側，從 中吸取了熱量。
本發明教示了，壓縮機葉輪另外至少部分地設有減少熱量輸入的塗層。由 此大體減小了壓縮機葉輪中被壓縮並由此升溫的工作介質的熱量輸入，使此較 少量的冷卻流體已經散發出足夠的熱量，保證壓縮機葉輪中出現的溫度不超出 允許的最高值。
較少冷卻流體量有利地只需要具有較小直徑和/或較小流速的流體管道。因 此依據本發明的壓縮機能夠造得較小，因為壓縮機殼體內的輸入管道和輸出管 道以及冷卻流體管道能夠設計得較小。能夠減少循環的冷卻流體的總量，也就 能夠使用較小的冷卻流體儲庫。此外，也能減小熱交換器的大小，在此熱交換 器中冷卻流體將從壓縮機傳輸出的熱量再次傳入周圍環境中。較小的體積流量(Volumenstrom)只需要較小的功率來使冷卻流體進行循環 並且也提高了配備有本發明所涉及的壓縮機的馬達的效率，該效率與使用的冷 卻流體量相關。此冷卻流體量需要較少冷卻流體管道並提高了壓縮機的壽命。 在較低的流速情況下在前述的有利的熱交換器中的較長停留也實現在使用了較 小熱交換器時釋放從壓縮機中獲的熱量。此熱量已經通過減少熱量輸入的塗 層在任何情況下減少了。
因此在依據本發明的壓縮機中能夠實現，在冷卻流體中具有較小的體積流 量，壓縮機葉輪的溫度保持在較低範圍內並由此延長了壓縮機壽命。相反地， 減少熱量輸入的塗層僅減少了輸入的熱量，從而熱量能夠被冷卻流體散出。塗 層可以由經濟的材料製成和/或可以製成較低強度，這有利地減小迴轉質量和降 低壓縮機葉輪上的離心力。
在壓縮機葉輪中 一 定的熱量輸入是有利的，因為由此降低了被壓縮的工作 介質的溫度和從而提高了內燃機的容積效率(Fuellungsgrad)。通過 一 方面減少熱 量輸入的塗層和另外一方面冷卻流體的冷卻間合適的調整，實現了有利於內燃 機的效率和對壓縮機壽命有矛"的熱量輸入之間的優化壓縮。
在一個優選實施例中，壓縮機葉輪包括壓縮機4侖轂(Verdichtemabe)和至少一 個壓縮機葉片(Verdichterschaufel)。壓縮機輪轂和/或壓縮機葉片能夠各自部分地 設有減少熱量輸入的塗層。其中在 一 特別優選實施例中減少熱量輸入的塗層從 部分葉片組(Verdichterbeschaufelung)的進口邊緣延伸至葉輪出口 。因為壓縮中出 現的熱量的主要部分，其為了避免壓縮機葉4侖過熱而必須4皮散出，直接在壓縮 機葉片組區域內尤其是在葉輪出口附近產生。此外，冷卻流體不必尤其冷卻壓 縮機葉輪的區域，這樣由於此處存在高轉速能夠簡化冷卻，尤其是簡化直接衝 擊壓縮機葉|侖的冷卻流^本的流入和流出。
在一可選實施例中，整個旋轉的葉片組以及與工作介質接觸的壓縮機葉4侖 的輪轂設有減少熱量輸入的塗層，能夠簡化塗層的生產，這能夠例如通過浸浴 (Tauchbaeder)獲得。此外，能夠避免未塗層區域的局部熱峰值和實現在壓縮機葉
6輪內均勻的溫度分布。
在本發明的一個優選實施例中，減少熱量輸入的塗層然而僅構造在面對從 壓縮;f幾的壓縮工作流的主流的壓縮機葉輪的表面上。由此 一 方面能夠減少來源 於被壓縮的工作介質的主流的熱量進入並且因此有利i也減少具有前述優點的冷
卻流體量。另外一方面不妨礙壓縮機葉輪的熱量散發至靠近壓縮機殼體的部件。 同樣優點還有，面對壓縮機殼體的部件的壓縮機葉輪的後側與冷卻流體衝擊從 而直接被冷卻，還有通過分開壓縮機葉輪和壓縮機殼^f本的間隙中的介質中的熱 量傳導，和從這些壓縮機殼體的部件的介質以及流過的冷卻流體間接實現冷卻。 在本發明的優選實施例中減少熱量輸入的塗層包括陶瓷塗層，此陶瓷塗層根據 其硬度和熱傳遞係數尤其適合應用於壓縮機中。通過熱噴塗來進行陶瓷塗層， 這允許了具有較薄壁厚的均勻塗層的經濟性的生產以及尤其是選出的葉片組的 部分區域的塗層。
陶瓷塗層已經被證實為十分合適的，其包括氧化鋁和/或氧化鋯，尤其是釔
固一fl^匕4告(Ytttium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid)。 通常各自4乍為 "thermal barrier coating"或"heat barrier coating"熱障塗層而已知的塗層能夠#1應用，此塗層能 夠減少熱量輸入進壓縮機葉輪中，同樣尤其具有低的熱傳遞係數。與此相關EP 0 211 032 Bl的技術內容也大j本描述了並完全包括該塗層。
在本發明的優選實施例中冷卻流體流過壓縮機殼體中的腔室並因此間接冷 卻壓縮機葉輪。因為由此發散出壓縮機殼體上靠近壓縮機葉輪的部件的熱量。 由此在壓縮機葉輪和壓縮機殼體間的間隙中，尤其是在徑向間隙中的介質被冷 卻，此冷卻流體冷卻了壓縮機葉輪的毗鄰後側。
尤其是壓縮機葉輪和壓縮機殼體間的徑向間隙能夠被進入壓縮機葉輪和壓 縮機殼體間的工作介質的洩漏流通過。沒有冷卻，壓縮機葉輪將受到熱的工作 介質對其前端和後側的衝擊。在依據本發明的壓縮機中， 一方面從洩漏流中自 身輸入的熱量通過壓縮機殼體中面向徑向間隙的部件4非出到冷卻流體，另外一 方面壓縮機葉4侖的熱量4非出到以此方式冷卻的洩漏流中並通過洩漏流4非出到冷卻流體。這裡尤為有利的是，減少熱量輸入的塗層僅被設置在面向工作介質主 流的壓縮機葉輪的前端，並且尤其從部分葉片組的進口邊緣延伸至葉輪出口 ， 這是因為在徑向間隙的介質中以及在冷卻流體中的熱量傳遞沒有減小，因此冷 卻沒有被衝擊。
腔室能在壓縮機殼體的部件的周向方向延伸，具有一個或多個輸入、輸出 管路。較冷的冷卻流體被導入圓周上分布的多個位置，較熱的冷卻流體被導出 圓周上分布的多個位置，從而能夠平均有效地冷卻壓縮機葉4侖。出於此目的， 腔室在輸入、輸出管路間能夠具有多個平行通道，以儘可能地吸收熱量。此外， 腔室具有渦流升高(turbulenzerhoehend)的幾何形狀，以提高冷卻流體流的渦流及 其熱吸收。
作為所述間接冷卻的補充的或者選擇，冷卻流體能夠導入徑向間隙中，有 利的是在此處與壓縮機葉4侖的後側相遇，從其吸收熱量從而能夠直接冷卻。如 果工作介質的洩漏流進入徑向間隙中，那麼徑向間隙中導入的冷卻流體與工作 介質是相同的，其中有利的是冷卻流體在高壓下被導入並衝擊(prallen)壓縮機葉 輪的後側。
在壓縮機葉輪後側的冷卻流體吸收熱量之後，有利的是冷卻流體流至工作 流體的主流中並減小壓縮機葉輪和壓縮機殼4本之間的間隙中不期望的洩漏流。 這進一步減少了導出的熱量及由此需要的冷卻流體量，因為壓縮機葉輪在後側 不再或者僅少量地被熱工作流衝擊。
有兩個冷卻原則共同;f皮應用，間接冷卻的冷卻流4本和直^妻冷卻的冷卻流4本
中抽取。這有利的簡化了冷卻流體的輸入和輸出管路。同樣也能應用不同的冷 卻流。例如優逸地從內燃機的冷循環中抽取的水，當空氣通過一單獨的輸入管 道流入壓縮機葉輪的後側期間，能夠流過壓縮機殼^f本中的腔室並由此間接冷卻 壓縮機葉輪。由此可以實現，在各種條件下，也就是i兌一方面壓縮機葉輪的流 入以及另 一方面通過熱傳導和對流的熱發散替換各自最合適的流體。尤其在所述間接冷卻的應用中，壓縮機殼體的靠近徑向間隙的部件具有用 於熱傳導入冷卻流體的散熱片布置(Rippenanordnung)。由此有利地擴大了熱傳導 面積和提高了熱發散。在直接冷卻中這種散熱片布置有利地攪動了冷卻流體並 放大了其冷卻作用。
在 一 個優選實施例中，壓縮機殼體的靠近徑向間隙的部件具有曲徑式密封 件(Labyrinthdichtung)以密封洩漏流。由此 一 方面在壓縮機殼體和在其中轉動的 壓縮機葉輪間採用了低摩擦密封，這不但是低損耗和低維護的，尤其也是不產 生摩擦熱或僅產生低摩擦熱的，由此額外的貢獻在於，將壓縮機葉輪的溫度保 持在臨界範圍內。另外一方面，曲徑式密封件也作為散熱片布置而作用，因此 提高了從徑向間隙中的介質到壓縮機殼體的部件和進入冷卻流體的熱量傳導。 因此曲徑式密封件能夠#1優選地布置在冷卻流體流過的壓縮機殼4本的部件的區 域中。


本發明的進一步的目的、優點以及技術特徵可以,人4又利要求書以及從本發 明的下述實施例中獲知，其中這裡圖示了
圖1依據本發明的第一實施例的壓縮機的部件的示意側視圖2為在圖1中相應描述的本發明的第二實施例的壓縮機的部件；
圖3為在圖1、 2中相應描述的本發明的第三實施例的壓縮機的部件；
圖4為在圖l一3中相應描述的本發明的第四實施例的壓縮機的部件。
具體實施方式
圖1示意地圖示了依據本發明的第一實施例的壓縮機的部件的側視圖。壓 縮機包括壓縮機葉輪l,其在壓縮機殼體ll中可旋轉地安置並且通過徑向間隙 14與壓縮機殼體隔開。多個周向方向上彎曲的壓縮機葉片12分布在壓縮機葉4侖 的輪轂圓周上，在圖l中只示出了一個。
壓縮機葉片12是具有由氧化鋁入12〇3製成的減少熱量輸入的塗層2,此塗層在實施例中從部分葉片組的進氣邊緣13延伸至葉輪出口並且通過熱噴塗被塗 覆。雖然在圖l中不能被認知，壓縮機輪轂的表面面積在該區域也設有塗層。
空氣在徑向和周向方向上被壓縮機葉片12加速，在隨後的擴散器(未被示 出)內減速並由此^皮壓縮。其中空氣首先在部分葉片組區域加熱，在部分葉片 組中空氣的能量通過加速被導入。其熱量部分地發散至壓縮機葉輪，其中與熱 量輸入成比例的溫差在部分葉片組的區域內是最高的。通過減小熱量輸入的塗 層2的熱傳遞係數小於未被塗層的壓縮機葉輪的熱傳遞係數。由此，與熱傳遞 係數成比例的熱量輸入較小，從而壓縮空氣更少的總熱量傳遞給壓縮機葉輪。
為了排出壓縮機葉輪的部分熱量，在附圖1中所示的第一實施例中設有間 接冷卻。為此，壓縮機殼體11優選地由兩部件構成，其中面向徑向間隙14的 部件6和壓縮機殼體11的另外一個部件各具有凹槽(Ausspamng)，這些凹槽限定 了在共同連接狀態下的腔室4。其中面向徑向間隙l4的部件6螺紋連接在壓縮 機殼體11的另一部件上(未被示出)，腔室4通過密封圏5 ^4']徑向間隙14 而4皮密封。
通過輸入管if各3冷水從馬達冷卻循環流入腔室中，流過腔室並且通過輸出 管路(未被示出)再次從壓縮機殼體中排出。在這裡，水從通過壓縮加熱的空 氣中獲耳又熱量，其從作為壓縮機葉4侖1和壓縮機殼體11間的洩漏流、沿著葉片 12的主流流入徑向間隙14。為了提高熱傳導，部件6在腔室4區域內具有一排 散熱片布置7，散熱片擴大了熱傳導的面積，另外能夠提高洩漏流的渦流及其通 過對流的熱傳導。接著被加熱的水在設在壓縮機外部的熱交換器(未被示出) 中再次被冷卻。
由此 一 方面糹皮壓縮以及由於壓縮淨皮加熱的洩漏流的空氣淨皮冷卻，並且因此 避免了面向徑向間隙14的壓縮機葉4侖1的後側的加熱。另外如此^皮冷卻的洩漏 流從壓縮機葉輪中吸收熱量並將熱量傳導給在腔室4中流過的水。由此壓縮機 葉輪1間接地通過在徑向間隙14中的空氣，散熱片布置7和流過腔室4的水被
冷卻o因為減少熱量輸入的塗層2已經減小了從壓縮空氣導入壓縮機葉輪1中的 熱量，較少的流過腔室4的循環水的量就足夠從壓縮機葉輪中導出這些熱量， 使得壓縮機葉輪不會超過允許的例如200°C臨界溫度。由此腔室4、輸入管道3、 輸出管道和散熱片布置7能夠設計得較小。這樣減小了必要的水循環的功率以及將水中的熱量散發環境中的熱交換器的規格。圖2圖示了在圖1中相應描述的依據本發明第二實施例的壓縮機的部件。下面僅將對與第一實施例的不同點進行詳細說明，其餘，尤其是相同的特徵參 考前述說明。在第二實施例中面向徑向間隙14的部件6與壓縮機葉輪1的後側組成曲徑 式密封件8。其中部件6與壓縮機殼體11的另 一部件在共同連接狀態下限定了 腔室4。這一方面減小了出自主流的熱壓縮空氣到徑向間隙14中的洩漏流，以 至壓縮機葉輪1的後側不再或4艮少被高溫空氣衝擊，有利地減少了對壓縮機葉 輪的熱輸入以及用於間接冷卻必須的冷卻流體量。另外，曲徑式布置8,其被構 造在被水流過的腔室4區域中，如第一實施例中描述的冷卻散熱片布置7 —樣 起作用。圖3圖示了依據本發明的第三實施例的壓縮機部件。下面再次僅對與前述 實施例的不同點進行詳細說明，其餘的特徵參考前述說明。在第三實施例中設有壓縮機葉輪l的直接冷卻。為此，壓縮機殼體ll的部 件6具有多個在周向方向上的分布的軸向孔10，其與腔室4相通，與第一第二 實施例不同的是其不具有輸出管路。冷空氣從未被示出的增壓空氣冷卻器中被 抽取，在超壓下通過輸入管路3導入腔室4,從腔室流過軸向孔10並衝擊在面 向徑向間隙14的壓縮機葉輪1的後側。在那冷空氣從壓縮機葉4侖吸收熱量並接 著流出徑向間隙進入工作介質的主流中。由此有利地是不僅壓縮機葉輪後側被 冷卻，而且同時減小了洩漏流對來自主流的熱壓縮氣4本的衝擊。因為效率直接與來自增壓空氣冷卻器的冷空氣的吸收相結合，通過減少經 過本發明的塗層2的導出的熱量以及減小所必需的與之相連的冷空氣量，改善了壓縮機的效率。圖4圖示了依據本發明的第四實施例的壓縮機的部件。下面再次僅對與前述實施例的不同點進行詳細說明，其餘的特徵參考前述說明。
不同於第三個實施例，根據第四實施例的壓縮機在腔室4區域中具有曲徑式密封件，曲徑式密封件減少了徑向間隙14中洩漏流的進入(參第二實施例)。在該曲徑式密封件中，構造有圓周分布地多個周向方向上延伸的槽9，槽與腔室4相通。如同第三實施例，冷空氣流過此槽，4妄著衝擊壓縮機葉專侖1的後側，壓縮機葉輪1的後側;波冷卻並接著4皮導入到工作介質的主流中。通過在壓縮機葉輪1和靠近壓縮機葉輪的壓縮機殼體11的部件6上構造的曲徑式密封件以及壓縮機葉輪l的旋轉，在此區域通過槽9離開的流在冷空氣上攪動，這提高了冷空氣和壓縮機葉4侖間的熱傳遞並由此有利地大大加強了冷卻，^吏在較少冷空氣量的情況下本發明塗覆的壓縮機葉輪的溫度被保持在允許的最高溫度例如200°C之下。冷空氣量的減少再次提高了壓縮機的效率。
權利要求
1.壓縮機，尤其是離心式壓縮機，用於具有壓縮機葉輪(1)的渦輪增壓機，其在壓縮機殼體(11)中能旋轉地被容納，其中靠近壓縮機葉輪的壓縮機殼體的部件(6)被冷卻流體通過，其特徵在於，壓縮機葉輪至少部分地具有減小熱量輸入的塗層(2)。
2. 根據權利要求1所述的壓縮機，其特徵在於，壓縮機葉輪包括壓縮機輪 轂和至少一個壓縮機葉片(12)，其中壓縮機輪轂和/或至少一個壓縮機葉片至 少部分地具有減少熱量輸入的塗層。
3. 根據權利要求2所述的壓縮機，其特徵在於，減少熱量輸入的塗層僅僅 構造在面對;波壓縮機壓縮的工作流 <本的主流的壓縮機的表面上。
4. 根據權利要求3所述的壓縮機，其特徵在於，減少熱量輸入的塗層從部 分葉片組的進口邊緣(13)延伸至葉輪出口。
5. 根據前述任一權利要求所述的壓縮機，其特徵在於，減少熱量輸入的塗 層包括陶瓷塗層。
6. 根據權利要求5所述的壓縮機，其特徵在於，陶瓷塗層通過熱噴塗塗覆。
7. 根據權利要求5 — 6任一所述的壓縮機，其特徵在於，陶瓷塗層包括氧化 鋁和/或氧化鋯，尤其是釔固氧化鋯。
8. 4艮據前述任一^又利要求所迷的壓縮機，其特徵在於，冷卻流體流過壓縮 機殼體中的腔室(4)。
9. 根據前述任一權利要求所述的壓縮機，其特徵在於，冷卻流體導入徑向 間隙中，該徑向間隙被構造在壓縮機葉輪和壓縮機殼體之間。
10. 根據前述任一權利要求所述的壓縮機，其特徵在於，靠近壓縮機葉輪的 壓縮機殼體的部件(6)具有在冷卻流體中熱傳導的散熱片布置(7)。
11. 衝艮據前述任一權利要求所述的壓縮機，其特徵在於，靠近壓縮機葉輪的 壓縮機殼體的部件(6)具有密封洩漏流的曲徑式密封件(8)。
12.根據前述任一權利要求所迷的壓縮機的冷卻方法，其特徵在於，靠近壓 縮機葉輪的壓縮機殼體的部件被冷卻流體流過。
全文摘要
壓縮機，尤其是離心式壓縮機，用於具有壓縮機葉輪(1)的渦輪增壓機，其在壓縮機殼體中可旋轉地被容納，其中壓縮機殼體的靠近壓縮機葉輪的部件(6)被冷卻流體流動通過。壓縮機葉輪至少部分地具有減小熱量輸入的塗層(2)。
文檔編號F02C6/12GK101631940SQ200780045671
公開日2010年1月20日 申請日期2007年10月10日 優先權日2006年10月12日
發明者F·沃德克, H·莫格爾, M·邁耶 申請人:曼柴油機歐洲股份公司