专利名称：涡轮机转子和定子间的径向隙缝中气流的冷却方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及如权利要求1前序部分和权利要求7前序部分所述的一种用于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和装置，但是特别地用于冷却在‘位于一离心压缩机之压缩机轮和壳体之间的’径向隙缝中的气流。
背景技术：
为了密封旋转的系统，在涡轮机构造中广泛地采用了无接触的密封结构，特别是迷宫式密封。在位于旋转的和静止的构件之间的流体通过的分离隙缝中由于形成的气流边界层则出现一个高的摩擦功率。这将导致一个对该分离隙缝中流体的加热作用并依此也将加热包围着该分离隙缝的构件。这种高的材料温度就导致该相应构件之使用寿命的降低。
一个没有形成在分离隙缝中之密封几何结构的简单构型的离心式压缩机被公开在DE 19548852A1中。而且其中这由于气流剪切层在压缩机轮之背侧壁上产生的摩擦热引起一个对压缩机轮的加热和因此引起使其工作寿命的降低。
在EP 0518027B1中公开了一个冷却装置用于在压缩机轮的背侧面上具有一密封几何结构的离心压缩机。为此在单个的密封构件之间构成一个在离心压缩机之壳体壁侧面上的附加环形腔。在这个环腔中导入一种冷的气体，其具有一个比压缩机轮之出口上要高的压力。该被输入的空气用作直冲式冷却。其中，空气在密封区域中分开并主要地沿径向朝内及朝外地流动。因此还意图另外地实现一种对压缩机轮之出口的热压缩空气流过该分离隙缝的阻止作用。
但是以此方式可实现的冷却作用基于多个因素而受到限制。例如，该空气的鼓送将导致一个压力及推力的提高，因此轴承负荷增加。另外，该待用的空气之温度还扮演了一个起限制的因素。特别地在快速运行的压缩机轮和高的压力比情况下，正如它们在现代的涡轮增压器构造中一般存在的那样，可能因此出现这种类型的冷却方式不足够了。
除了这种直接冷却以外还在DE 19652754A1中公开了一种对压缩机轮之背侧壁或对该通过分离隙缝流动的介质的间接冷却方案。为此，在该壳体构件上或在背侧壁上安置的并与这个背侧壁构成该分离隙缝的壳体构件中设置一个与涡轮增压器之润滑油系统连接的输入和分配装置。作为冷却介质应用了该被用于轴承润滑的油，因此，该涡轮增压器的润滑油循环被分接了。这种冷却的缺点是相对较高的油需求和被冷却器附加散发的热量。这就导致冷却器较大的结构体积。另外，在相应构件损坏之故障情况下存在一种增大的爆炸危险。同样地如在所述直接冷却情况一样这种在间接冷却时可实现的冷却作用也受到限制，对此，除了在实践中可利用的冷却流体的温度以外，该可用的较小的结构体积应特别地被确认为原因。
发明内容
本发明试图对所有这些缺陷加以避免。本发明的任务在于，创建一个改进其冷却效果的方法，其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。此外还能提供一种简单的、低成本的和坚固的用于实施所述方法的装置。
按发明要求，这一任务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，不仅将第一冷却流体施加到一个相邻于该径向隙缝的定子构件上，而且第二的气态冷却流体导入到该径向隙缝中。
由于应用第一冷却流体用于间接地冷却该涡轮机之工作介质的进入径向隙缝中的部分气流和附加地应用第二冷却流体用于直接地冷却该部分气流就可以实现明显改进的冷却作用和改进的冷却效率。因此这种对径向隙缝的双重冷却首先就能实现该受到强烈热负载转子的进一步的温度下降并一直下降到用传统的冷却结构方案不可能达到的温度范围上。
为此，在该相邻于径向隙缝的定子构件之内部构造至少一个空槽或在定子构件上设置至少一个空腔。该空槽或空腔是既与用于该第一冷却流体的一输入管道又与一排出管道相连接。此外在径向隙缝上安置至少一个输入通道以及一个排出装置以用于第二冷却流体。
特别优选的方式，使用水作为第一冷却流体，而应用空气作为第二冷却流体。
水具有比公知的润滑油稍高的密度以及大约两倍大的比热。因为该通过一冷却介质排散的热量流是正比于密度和比热之乘积的，故在应用水作为第一冷却流体时就获得一个明显比油冷却好的优点。在相同的质量流和相同的水温度情况下依此就可以从那流经该径向隙缝的介质中通过要被冷却的定子构件被带走更多的热量。因此对转子之与径向隙缝邻近区域上的冷却效果同样是较大的。按逆向的推论，为了排出相同的热量则相对于润滑油而言需要一个较小质量流的冷却水，依此，用于该冷却流体的输入和输出装置就尺寸可以相应较小。
依据这个应被尽可能设置得小的旋转壁厚，就可以通过在定子构件之内部向径向隙缝之直接相邻的水导引实现改善的冷却作用。但是如果代替定子构件中的空槽而在定子构件上构造所述的空腔时，就可以在同样良好的冷却作用前提下实现更简便的和成本更低廉的制造。
应用空气作为第二冷却流体已经证明为特别有优点时，因为它不仅在周围环境中而且在涡轮机本身中都能以足够的数量，足够的压力和适宜的低温提供使用。
在一个由一内燃机、一增压空气冷却器和一废气涡轮增压器组成的系统中既可以应用从系统之外提供的新鲜水或者优选地应用系统中已有的水作为第一冷却流体。在后面的情况中应用的是在增压空气冷却器之一冷却水循环中存在的冷却水，其在增压空气冷却器之上游处被分支形成。其中，该固定的定子构件是一离心压缩机的壳体件，它相对于转子亦即一废气涡轮增压器的旋转压缩机轮界定了该径向隙缝。
如果相反地用油作为第一冷却流体时，油就可以优选地从在涡轮机之轴承壳体中已有的润滑油系统中分支而来。以此方式就可以制成一个相对简单从而成本低廉的装置。若第一冷却流体涉及一气态介质时，则这介质既可用于直接冷却也可用于间接的冷却。
在应用氦或由低温流体例如液态氮、四氯化碳、苯氮化物组成的气体作为第一和/或第二冷却流体时可以实现特别良好的冷却作用。
在附图中借助一个与一内燃机连接的废气涡轮增压器描述本发明的一个实施例。它表明图1是该与内燃机连接的废气涡轮增压器的一简化示意图；
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；仅仅对那些理解本发明重要的元件作了表示。工作介质的流动方向用箭头标明。
具体实施例方式
图1以简图描绘方式表明了一个与一个构造为柴油机的内燃机1协同工作的废气涡轮增压器1。该增压器2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通过一排气管道7与内燃机连接。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。该增压空气冷却器8具有一个带有一未示出的输入或输出结构的冷却水循环9。
该离心压缩机3装备有一个压缩机壳体10，其中安置一个被构造为压缩机轮并与轴5连接的转子11。该压缩机轮11具有一个载有多个转子叶片12的轮毂13。在轮毂13和压缩机壳体10之间构成一流动通道14。在转子叶片12的下游在流动通道14上连接一个径向上安置的装了叶片的扩压器15，其本身又通入该离心压缩机3的一个螺旋结构16中。该压缩机壳体10主要包括一个空气导入壳体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废气涡轮增压器2的一轴承壳体21之中间壁的定子构件20(图2)。
该轮毂13在涡轮侧具有一个背侧壁22以及一个固紧联轴节23用于轴5。该固紧联轴节23则被压缩机壳体10的中间壁20所容装。当然地，也可以选择一个另外适宜的压缩机轮-轴-连接结构。同样地，应用一个未装有叶片的扩压器也是可能的。
在旋转的压缩机轮1亦即它的背侧壁22和该固定安置的压缩机壳体10之中间壁20之间必然地存在一个分离隙缝24，其在一离心压缩机3中被构造为径向隙缝24。该径向隙缝24用一个在固紧联轴节23和中间壁20之间安置的密封环34相对于轴承壳体21密封。当然地，这个密封也可以通过一个在径向隙缝24安置的迷宫式密封结构实现(未示出)。在压缩机壳体10的中间壁20中构造一个环绕的空槽26并且既与一个输入结构又与一个排出结构27，28相连接以用于第一冷却流体29。为了在相邻于压缩机轮11情况下实现尽可能高的冷却作用，该中间壁20在空槽26之压缩机侧被构造为尽可能的薄壁结构。为此，在制造该中间壁20时注入一个适当的型芯，其然后又必须被清除掉。当然地，在这个中间壁20中也可以注入一个薄壁的并在两个端部封闭的管结构，然后其内腔就构成该空槽26(未示出)。
在废气涡轮增压器2运行时，该压缩机轮11就抽吸作为工作介质31的周围空气，其作为主气流32通过流动通道14和扩压器15到达该螺旋结构16中，在其中进一步被压缩和最后通过增压空气管道6被用于该与废气涡轮增压器2连接的内燃机之增压。但是此前在增压空气冷却器8中发生适当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的路程上，该工作介质31在离心压缩机3中被加热的主气流32也作为泄漏流33对径向隙缝24施加影响，因此，该压缩机轮11被附加地加热。但是因为在压缩机轮11的外部区域中的工作温度是最高的，因此特别地在那里产生一个很大的材料负荷。在这个与此关键区域直接相邻安置的空槽26中则被导入了作为冷却流体29的从增压空气冷却器8之冷却水循环9分支流动的冷却水。依此，就产生了一个对在径向隙缝24中存在的泄漏流33进而对压缩机轮11的间接冷却。同时，冷却流体29的分支发生在该增压空气冷却器8的上游，从而用相对较冷的冷却水可以实现有效的冷却作用。在该冷却过程之后，这种此时已被加热的冷却流体29通过排出管道28在增压空气冷却器8的下游被回送到冷却水循环9中(图1)。当然，可以不用在内燃机1即增压空气冷却器8和废气涡轮增压器2之系统中现有的冷却水而从外部的系统输入新鲜水作为冷却流体29(未示出)。
除了至此描述的间接冷却以外可以设置一个直接的对泄漏流33的冷却。为此，设置了多个相对于压缩机轮11的背侧壁22切向地通入该径向隙缝24的输入通道40以用于第二冷却流体41，既贯穿该轴承壳体21又贯通该扩压器板19(图2)。该输入通道40在增压空气冷却器8的下游与增压空气管道6连接，因此，已被冷却的增压空气被用作第二冷却流体41(图1)。显然，该第二冷却流体41也可以在另外的位置上被导入到该径向隙缝中(未示出)。
通过切向地导入该第二冷却流体41就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。第二冷却流体41则代替了热的泄漏流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之间壁20中设置的、未被进一步描述的排出装置42实现的。这种由间接及直接冷却形成的组合具有特别的冷却效果，因为这两个冷却方案相互补充了它们的作用并因而实现了在压缩机轮11中很大的温度下降。
当然，作为第一和第二冷却流体29，41也可以应用另外的冷却介质例如氦气或由低温流体(如液体氮，四氯化碳，氮化苯等)组成的气体。
如果应用油作为第一冷却流体29，那么就可以将其从外部输入或按优选方式可从在废气涡轮增压器2的轴承壳体21中已有的润滑油系统中分支供给(未示出)。以此方式就可以实现相对简单的和因此成本低廉的输入这种同样适宜的冷却流体。参考编号表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 废气管道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 排出管道29 第一冷却流体31 工作介质32 主气流33 泄漏流34 密封环40 输入通道41 第二冷却流体42 排出装置
权利要求
1.用于冷却在形成于涡轮机之转子和定子间的径向隙缝中之气流的方法，其特征在于将第一冷却流体(29)施加到一个相邻于该径向隙缝(24)的定子构件(20)上；以及将气态的第二冷却流体(41)导入到该径向隙缝(24)中。
2.按权利要求1的方法，其特征在于将该第一冷却流体(29)导入到一个在定子构件(20)中构成的空槽(26)中或导入到一个在定子构件(20)上布置的空腔中。
3.按权利要求1或2的方法，其特征在于将水用作为第一冷却流体(29)。
4.按权利要求3的方法，其特征在于将由一内燃机(1)、一增压空气冷却器(8)和一废气涡轮增压器(2)组成的系统之外部的新鲜水用作为第一冷却流体(29)。
5.按权利要求3的方法，其特征在于将在一个由一内燃机(1)、一增压空气冷却器(8)和一废气涡轮增压器(2)组成的系统中现有的水用作为第一冷却流体(29)。
6.按权利要求5的方法，其特征在于将在增压空气冷却器(8)的一个冷却水循环(9)中现有的水用作为第一冷却流体(29)；并将后者即冷却流体29在增压空气冷却器(8)的上游分支出来。
7.按权利要求1的方法，其特征在于用油、氦或由低温流体组成的气体作为第一冷却流体(29)。
8.按权利要求1的方法，其特征在于用空气、氦或由低温流体组成的气体作为第二气态冷却流体(41)。
9.用于实施按照权利要求之方法的装置，其中，一个固定安置的定子构件(20)被安置得相对于转子(1)限界了该径向隙缝(24)；其特征在于a)在定子构件(20)之内部设置至少一个空槽(26)或在定子构件(20)上设置至少一个空腔并且该空槽(26)或该空腔既与用于该第一冷却流体(29)的一输入管道(27)连接又与一排出管道(28)连接；和b)用于该第二冷却流体(41)的至少一个输入通道(40)以及一排出装置(42)安置径向隙缝(24)上。
10.按权利要求9的装置，其特征在于该固定的定子构件(20)被构造为一离心压缩机(3)之一压缩机壳体(10)的组成部分，该部分相对于一废气涡轮增压器(2)的一旋转的压缩机轮(11)限界了该径向隙缝(24)。
全文摘要
本发明之任务是,创建一个改进其冷却作用的方法,其用于冷却在形成于涡轮机之转子和定子之间的径向隙缝中之气流。此外还应该确定一个简单的、低成本的和坚固的用于实施上面方法的装置。按发明要求,这一任务被如此实现:一个与径向隙缝(24)相邻的定子构件(20)被施加第一冷却流体(29)和第二气体形冷却流体(41)被导入到径向隙缝(24)中。为此,在该相邻于径向隙缝(24)之定子构件(20)的内部构成至少一个空槽(26)或在定子构件(20)上布置至少一个空腔。该空槽(26)或该空腔既与用于该第一冷却流体(29)的一输入管道(27)又与一排出管道(28)相连接。另外,在径向隙缝(24)上安置至少一个输入通道(40)以及一个排出装置以用于第二冷却流体(41)。
文档编号F04D29/42GK1375041SQ99816961
公开日2002年10月16日 申请日期1999年10月20日 优先权日1999年10月20日
发明者D·温德瓦尔德, M·－R·波蒂恩, U·C·米勒, J·布雷默, J·格雷贝尔, H·吉斯曹夫 申请人:Abb涡轮系统有限公司