專利名稱：渦輪機轉(zhuǎn)子和定子間的徑向隙縫中氣流的冷卻方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及如權利要求1前序部分和權利要求7前序部分所述的一種用于冷卻在形成于渦輪機轉(zhuǎn)子和定子間的徑向隙縫中之氣流的方法和裝置，但是特別地用于冷卻在‘位于一離心壓縮機之壓縮機輪和殼體之間的’徑向隙縫中的氣流。
背景技術：
為了密封旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，在渦輪機構造中廣泛地采用了無接觸的密封結(jié)構，特別是迷宮式密封。在位于旋轉(zhuǎn)的和靜止的構件之間的流體通過的分離隙縫中由于形成的氣流邊界層則出現(xiàn)一個高的摩擦功率。這將導致一個對該分離隙縫中流體的加熱作用并依此也將加熱包圍著該分離隙縫的構件。這種高的材料溫度就導致該相應構件之使用壽命的降低。
一個沒有形成在分離隙縫中之密封幾何結(jié)構的簡單構型的離心式壓縮機被公開在DE 19548852A1中。而且其中這由于氣流剪切層在壓縮機輪之背側(cè)壁上產(chǎn)生的摩擦熱引起一個對壓縮機輪的加熱和因此引起使其工作壽命的降低。
在EP 0518027B1中公開了一個冷卻裝置用于在壓縮機輪的背側(cè)面上具有一密封幾何結(jié)構的離心壓縮機。為此在單個的密封構件之間構成一個在離心壓縮機之殼體壁側(cè)面上的附加環(huán)形腔。在這個環(huán)腔中導入一種冷的氣體，其具有一個比壓縮機輪之出口上要高的壓力。該被輸入的空氣用作直沖式冷卻。其中，空氣在密封區(qū)域中分開并主要地沿徑向朝內(nèi)及朝外地流動。因此還意圖另外地實現(xiàn)一種對壓縮機輪之出口的熱壓縮空氣流過該分離隙縫的阻止作用。
但是以此方式可實現(xiàn)的冷卻作用基于多個因素而受到限制。例如，該空氣的鼓送將導致一個壓力及推力的提高，因此軸承負荷增加。另外，該待用的空氣之溫度還扮演了一個起限制的因素。特別地在快速運行的壓縮機輪和高的壓力比情況下，正如它們在現(xiàn)代的渦輪增壓器構造中一般存在的那樣，可能因此出現(xiàn)這種類型的冷卻方式不足夠了。
除了這種直接冷卻以外還在DE 19652754A1中公開了一種對壓縮機輪之背側(cè)壁或?qū)υ撏ㄟ^分離隙縫流動的介質(zhì)的間接冷卻方案。為此，在該殼體構件上或在背側(cè)壁上安置的并與這個背側(cè)壁構成該分離隙縫的殼體構件中設置一個與渦輪增壓器之潤滑油系統(tǒng)連接的輸入和分配裝置。作為冷卻介質(zhì)應用了該被用于軸承潤滑的油，因此，該渦輪增壓器的潤滑油循環(huán)被分接了。這種冷卻的缺點是相對較高的油需求和被冷卻器附加散發(fā)的熱量。這就導致冷卻器較大的結(jié)構體積。另外，在相應構件損壞之故障情況下存在一種增大的爆炸危險。同樣地如在所述直接冷卻情況一樣這種在間接冷卻時可實現(xiàn)的冷卻作用也受到限制，對此，除了在實踐中可利用的冷卻流體的溫度以外，該可用的較小的結(jié)構體積應特別地被確認為原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明試圖對所有這些缺陷加以避免。本發(fā)明的任務在于，創(chuàng)建一個改進其冷卻效果的方法，其用于冷卻在形成于渦輪機轉(zhuǎn)子和定子間之徑向隙縫中的氣流。此外還能提供一種簡單的、低成本的和堅固的用于實施所述方法的裝置。
按發(fā)明要求，這一任務如此實現(xiàn)在一個按照權利要求1之前序部分限定的方法基礎上，不僅將第一冷卻流體施加到一個相鄰于該徑向隙縫的定子構件上，而且第二的氣態(tài)冷卻流體導入到該徑向隙縫中。
由于應用第一冷卻流體用于間接地冷卻該渦輪機之工作介質(zhì)的進入徑向隙縫中的部分氣流和附加地應用第二冷卻流體用于直接地冷卻該部分氣流就可以實現(xiàn)明顯改進的冷卻作用和改進的冷卻效率。因此這種對徑向隙縫的雙重冷卻首先就能實現(xiàn)該受到強烈熱負載轉(zhuǎn)子的進一步的溫度下降并一直下降到用傳統(tǒng)的冷卻結(jié)構方案不可能達到的溫度范圍上。
為此，在該相鄰于徑向隙縫的定子構件之內(nèi)部構造至少一個空槽或在定子構件上設置至少一個空腔。該空槽或空腔是既與用于該第一冷卻流體的一輸入管道又與一排出管道相連接。此外在徑向隙縫上安置至少一個輸入通道以及一個排出裝置以用于第二冷卻流體。
特別優(yōu)選的方式，使用水作為第一冷卻流體，而應用空氣作為第二冷卻流體。
水具有比公知的潤滑油稍高的密度以及大約兩倍大的比熱。因為該通過一冷卻介質(zhì)排散的熱量流是正比于密度和比熱之乘積的，故在應用水作為第一冷卻流體時就獲得一個明顯比油冷卻好的優(yōu)點。在相同的質(zhì)量流和相同的水溫度情況下依此就可以從那流經(jīng)該徑向隙縫的介質(zhì)中通過要被冷卻的定子構件被帶走更多的熱量。因此對轉(zhuǎn)子之與徑向隙縫鄰近區(qū)域上的冷卻效果同樣是較大的。按逆向的推論，為了排出相同的熱量則相對于潤滑油而言需要一個較小質(zhì)量流的冷卻水，依此，用于該冷卻流體的輸入和輸出裝置就尺寸可以相應較小。
依據(jù)這個應被盡可能設置得小的旋轉(zhuǎn)壁厚，就可以通過在定子構件之內(nèi)部向徑向隙縫之直接相鄰的水導引實現(xiàn)改善的冷卻作用。但是如果代替定子構件中的空槽而在定子構件上構造所述的空腔時，就可以在同樣良好的冷卻作用前提下實現(xiàn)更簡便的和成本更低廉的制造。
應用空氣作為第二冷卻流體已經(jīng)證明為特別有優(yōu)點時，因為它不僅在周圍環(huán)境中而且在渦輪機本身中都能以足夠的數(shù)量，足夠的壓力和適宜的低溫提供使用。
在一個由一內(nèi)燃機、一增壓空氣冷卻器和一廢氣渦輪增壓器組成的系統(tǒng)中既可以應用從系統(tǒng)之外提供的新鮮水或者優(yōu)選地應用系統(tǒng)中已有的水作為第一冷卻流體。在后面的情況中應用的是在增壓空氣冷卻器之一冷卻水循環(huán)中存在的冷卻水，其在增壓空氣冷卻器之上游處被分支形成。其中，該固定的定子構件是一離心壓縮機的殼體件，它相對于轉(zhuǎn)子亦即一廢氣渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)壓縮機輪界定了該徑向隙縫。
如果相反地用油作為第一冷卻流體時，油就可以優(yōu)選地從在渦輪機之軸承殼體中已有的潤滑油系統(tǒng)中分支而來。以此方式就可以制成一個相對簡單從而成本低廉的裝置。若第一冷卻流體涉及一氣態(tài)介質(zhì)時，則這介質(zhì)既可用于直接冷卻也可用于間接的冷卻。
在應用氦或由低溫流體例如液態(tài)氮、四氯化碳、苯氮化物組成的氣體作為第一和/或第二冷卻流體時可以實現(xiàn)特別良好的冷卻作用。


在附圖中借助一個與一內(nèi)燃機連接的廢氣渦輪增壓器描述本發(fā)明的一個實施例。它表明圖1是該與內(nèi)燃機連接的廢氣渦輪增壓器的一簡化示意圖；
圖2是通過該廢氣渦輪增壓器之離心壓縮機的一局部截面圖；僅僅對那些理解本發(fā)明重要的元件作了表示。工作介質(zhì)的流動方向用箭頭標明。
具體實施例方式
圖1以簡圖描繪方式表明了一個與一個構造為柴油機的內(nèi)燃機1協(xié)同工作的廢氣渦輪增壓器1。該增壓器2包括一個離心壓縮機3和一個廢氣渦輪4，它們具有一個共同的軸5。該離心壓縮機3通過一個增壓空氣管道6而廢氣渦輪4通過一排氣管道7與內(nèi)燃機連接。在增壓空氣管道6中亦即在離心壓縮機3和內(nèi)燃機1之間安置一個增壓空氣冷卻器8。該增壓空氣冷卻器8具有一個帶有一未示出的輸入或輸出結(jié)構的冷卻水循環(huán)9。
該離心壓縮機3裝備有一個壓縮機殼體10，其中安置一個被構造為壓縮機輪并與軸5連接的轉(zhuǎn)子11。該壓縮機輪11具有一個載有多個轉(zhuǎn)子葉片12的輪轂13。在輪轂13和壓縮機殼體10之間構成一流動通道14。在轉(zhuǎn)子葉片12的下游在流動通道14上連接一個徑向上安置的裝了葉片的擴壓器15，其本身又通入該離心壓縮機3的一個螺旋結(jié)構16中。該壓縮機殼體10主要包括一個空氣導入殼體17，一個空氣排出殼體18，一個擴壓器板19和一個被構造為相對廢氣渦輪增壓器2的一軸承殼體21之中間壁的定子構件20(圖2)。
該輪轂13在渦輪側(cè)具有一個背側(cè)壁22以及一個固緊聯(lián)軸節(jié)23用于軸5。該固緊聯(lián)軸節(jié)23則被壓縮機殼體10的中間壁20所容裝。當然地，也可以選擇一個另外適宜的壓縮機輪-軸-連接結(jié)構。同樣地，應用一個未裝有葉片的擴壓器也是可能的。
在旋轉(zhuǎn)的壓縮機輪1亦即它的背側(cè)壁22和該固定安置的壓縮機殼體10之中間壁20之間必然地存在一個分離隙縫24，其在一離心壓縮機3中被構造為徑向隙縫24。該徑向隙縫24用一個在固緊聯(lián)軸節(jié)23和中間壁20之間安置的密封環(huán)34相對于軸承殼體21密封。當然地，這個密封也可以通過一個在徑向隙縫24安置的迷宮式密封結(jié)構實現(xiàn)(未示出)。在壓縮機殼體10的中間壁20中構造一個環(huán)繞的空槽26并且既與一個輸入結(jié)構又與一個排出結(jié)構27，28相連接以用于第一冷卻流體29。為了在相鄰于壓縮機輪11情況下實現(xiàn)盡可能高的冷卻作用，該中間壁20在空槽26之壓縮機側(cè)被構造為盡可能的薄壁結(jié)構。為此，在制造該中間壁20時注入一個適當?shù)男托?，其然后又必須被清除掉。當然地，在這個中間壁20中也可以注入一個薄壁的并在兩個端部封閉的管結(jié)構，然后其內(nèi)腔就構成該空槽26(未示出)。
在廢氣渦輪增壓器2運行時，該壓縮機輪11就抽吸作為工作介質(zhì)31的周圍空氣，其作為主氣流32通過流動通道14和擴壓器15到達該螺旋結(jié)構16中，在其中進一步被壓縮和最后通過增壓空氣管道6被用于該與廢氣渦輪增壓器2連接的內(nèi)燃機之增壓。但是此前在增壓空氣冷卻器8中發(fā)生適當?shù)膶υ趬嚎s過程中被加熱的工作介質(zhì)31的冷卻作用。
在其從流動通道14至擴壓器15的路程上，該工作介質(zhì)31在離心壓縮機3中被加熱的主氣流32也作為泄漏流33對徑向隙縫24施加影響，因此，該壓縮機輪11被附加地加熱。但是因為在壓縮機輪11的外部區(qū)域中的工作溫度是最高的，因此特別地在那里產(chǎn)生一個很大的材料負荷。在這個與此關鍵區(qū)域直接相鄰安置的空槽26中則被導入了作為冷卻流體29的從增壓空氣冷卻器8之冷卻水循環(huán)9分支流動的冷卻水。依此，就產(chǎn)生了一個對在徑向隙縫24中存在的泄漏流33進而對壓縮機輪11的間接冷卻。同時，冷卻流體29的分支發(fā)生在該增壓空氣冷卻器8的上游，從而用相對較冷的冷卻水可以實現(xiàn)有效的冷卻作用。在該冷卻過程之后，這種此時已被加熱的冷卻流體29通過排出管道28在增壓空氣冷卻器8的下游被回送到冷卻水循環(huán)9中(圖1)。當然，可以不用在內(nèi)燃機1即增壓空氣冷卻器8和廢氣渦輪增壓器2之系統(tǒng)中現(xiàn)有的冷卻水而從外部的系統(tǒng)輸入新鮮水作為冷卻流體29(未示出)。
除了至此描述的間接冷卻以外可以設置一個直接的對泄漏流33的冷卻。為此，設置了多個相對于壓縮機輪11的背側(cè)壁22切向地通入該徑向隙縫24的輸入通道40以用于第二冷卻流體41，既貫穿該軸承殼體21又貫通該擴壓器板19(圖2)。該輸入通道40在增壓空氣冷卻器8的下游與增壓空氣管道6連接，因此，已被冷卻的增壓空氣被用作第二冷卻流體41(圖1)。顯然，該第二冷卻流體41也可以在另外的位置上被導入到該徑向隙縫中(未示出)。
通過切向地導入該第二冷卻流體41就實現(xiàn)了一個對壓縮機輪11之整個背側(cè)壁22的純粹薄膜式冷卻。第二冷卻流體41則代替了熱的泄漏流33，因此在壓縮機輪11的背側(cè)壁22上形成的邊界層已經(jīng)從開始起首先通過已被冷卻的增壓空氣構成了。該第二冷卻流體41之隨后的排出是通過一個在壓縮機殼體10之間壁20中設置的、未被進一步描述的排出裝置42實現(xiàn)的。這種由間接及直接冷卻形成的組合具有特別的冷卻效果，因為這兩個冷卻方案相互補充了它們的作用并因而實現(xiàn)了在壓縮機輪11中很大的溫度下降。
當然，作為第一和第二冷卻流體29，41也可以應用另外的冷卻介質(zhì)例如氦氣或由低溫流體(如液體氮，四氯化碳，氮化苯等)組成的氣體。
如果應用油作為第一冷卻流體29，那么就可以將其從外部輸入或按優(yōu)選方式可從在廢氣渦輪增壓器2的軸承殼體21中已有的潤滑油系統(tǒng)中分支供給(未示出)。以此方式就可以實現(xiàn)相對簡單的和因此成本低廉的輸入這種同樣適宜的冷卻流體。參考編號表1 內(nèi)燃機2 廢氣渦輪增壓器3 離心壓縮機4 廢氣渦輪5 軸6 增壓空氣管道7 廢氣管道8 增壓空氣冷卻器9 冷卻水循環(huán)10 壓縮機殼體11 轉(zhuǎn)子，壓縮機輪12 轉(zhuǎn)子葉片13 輪轂14 流動通道15 擴壓器16 螺旋結(jié)構17 空氣進入殼體18 空氣排出殼體19 擴壓器板20 定子構件，中間壁21 軸承殼體22 背側(cè)壁23 固緊聯(lián)軸節(jié)24 徑向隙縫，分離隙縫25 迷宮式密封26 空槽27 輸入管道28 排出管道29 第一冷卻流體31 工作介質(zhì)32 主氣流33 泄漏流34 密封環(huán)40 輸入通道41 第二冷卻流體42 排出裝置
權利要求
1.用于冷卻在形成于渦輪機之轉(zhuǎn)子和定子間的徑向隙縫中之氣流的方法，其特征在于將第一冷卻流體(29)施加到一個相鄰于該徑向隙縫(24)的定子構件(20)上；以及將氣態(tài)的第二冷卻流體(41)導入到該徑向隙縫(24)中。
2.按權利要求1的方法，其特征在于將該第一冷卻流體(29)導入到一個在定子構件(20)中構成的空槽(26)中或?qū)氲揭粋€在定子構件(20)上布置的空腔中。
3.按權利要求1或2的方法，其特征在于將水用作為第一冷卻流體(29)。
4.按權利要求3的方法，其特征在于將由一內(nèi)燃機(1)、一增壓空氣冷卻器(8)和一廢氣渦輪增壓器(2)組成的系統(tǒng)之外部的新鮮水用作為第一冷卻流體(29)。
5.按權利要求3的方法，其特征在于將在一個由一內(nèi)燃機(1)、一增壓空氣冷卻器(8)和一廢氣渦輪增壓器(2)組成的系統(tǒng)中現(xiàn)有的水用作為第一冷卻流體(29)。
6.按權利要求5的方法，其特征在于將在增壓空氣冷卻器(8)的一個冷卻水循環(huán)(9)中現(xiàn)有的水用作為第一冷卻流體(29)；并將后者即冷卻流體29在增壓空氣冷卻器(8)的上游分支出來。
7.按權利要求1的方法，其特征在于用油、氦或由低溫流體組成的氣體作為第一冷卻流體(29)。
8.按權利要求1的方法，其特征在于用空氣、氦或由低溫流體組成的氣體作為第二氣態(tài)冷卻流體(41)。
9.用于實施按照權利要求之方法的裝置，其中，一個固定安置的定子構件(20)被安置得相對于轉(zhuǎn)子(1)限界了該徑向隙縫(24)；其特征在于a)在定子構件(20)之內(nèi)部設置至少一個空槽(26)或在定子構件(20)上設置至少一個空腔并且該空槽(26)或該空腔既與用于該第一冷卻流體(29)的一輸入管道(27)連接又與一排出管道(28)連接；和b)用于該第二冷卻流體(41)的至少一個輸入通道(40)以及一排出裝置(42)安置徑向隙縫(24)上。
10.按權利要求9的裝置，其特征在于該固定的定子構件(20)被構造為一離心壓縮機(3)之一壓縮機殼體(10)的組成部分，該部分相對于一廢氣渦輪增壓器(2)的一旋轉(zhuǎn)的壓縮機輪(11)限界了該徑向隙縫(24)。
全文摘要
本發(fā)明之任務是,創(chuàng)建一個改進其冷卻作用的方法,其用于冷卻在形成于渦輪機之轉(zhuǎn)子和定子之間的徑向隙縫中之氣流。此外還應該確定一個簡單的、低成本的和堅固的用于實施上面方法的裝置。按發(fā)明要求,這一任務被如此實現(xiàn):一個與徑向隙縫(24)相鄰的定子構件(20)被施加第一冷卻流體(29)和第二氣體形冷卻流體(41)被導入到徑向隙縫(24)中。為此,在該相鄰于徑向隙縫(24)之定子構件(20)的內(nèi)部構成至少一個空槽(26)或在定子構件(20)上布置至少一個空腔。該空槽(26)或該空腔既與用于該第一冷卻流體(29)的一輸入管道(27)又與一排出管道(28)相連接。另外,在徑向隙縫(24)上安置至少一個輸入通道(40)以及一個排出裝置以用于第二冷卻流體(41)。
文檔編號F04D29/42GK1375041SQ99816961
公開日2002年10月16日 申請日期1999年10月20日 優(yōu)先權日1999年10月20日
發(fā)明者D·溫德瓦爾德, M·－R·波蒂恩, U·C·米勒, J·布雷默, J·格雷貝爾, H·吉斯曹夫 申請人:Abb渦輪系統(tǒng)有限公司