具有壓縮機(jī)冷卻裝置的渦輪增壓器及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利發(fā)明通常涉及空氣壓縮機(jī)，并且尤其涉及用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器中的空氣壓縮機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]在諸如那些用于內(nèi)燃機(jī)上的傳統(tǒng)空氣壓縮機(jī)中，排氣能量用于壓縮發(fā)動機(jī)進(jìn)氣。在某些其他應(yīng)用中，所謂的增壓器由機(jī)械發(fā)動機(jī)動力或電機(jī)直接驅(qū)動以壓縮空氣，之后將加壓的空氣提供給發(fā)動機(jī)氣缸。在其他應(yīng)用中，使用所謂的渦輪增壓器，這種渦輪增壓器包括一個接收來自發(fā)動機(jī)的加壓排氣的渦輪。排氣通過渦輪的彎曲通道并沖擊到使其轉(zhuǎn)動的渦輪上。渦輪葉輪連接到一根軸上，該軸連接到設(shè)置在壓縮機(jī)殼體中的壓縮機(jī)葉輪上。渦輪葉輪與軸的動力旋轉(zhuǎn)使壓縮機(jī)葉輪轉(zhuǎn)動，這使空氣進(jìn)入具有彎曲形狀的壓縮機(jī)殼體中并壓縮空氣。
[0003]過去，在發(fā)動機(jī)上使用各種型號、尺寸和數(shù)量的渦輪增壓器和/或增壓器。在為發(fā)動機(jī)應(yīng)用選擇合適的壓縮機(jī)時的一個設(shè)計考慮是空氣流速以及期望的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣的理想壓力比。另外，由于空氣壓縮使空氣溫度升高，所以發(fā)動機(jī)通常使用熱交換器(如空氣-空氣熱交換器)以在壓縮空氣被提供到發(fā)動機(jī)之前對其進(jìn)行冷卻。
[0004]選擇用于構(gòu)造發(fā)動機(jī)壓縮機(jī)部件的材料考慮成本和運行參數(shù)。例如，雖然鍛造鋁壓縮機(jī)葉輪相對有成本優(yōu)勢，但是它可能不適合于其中在運行期間壓縮空氣溫度超過或預(yù)計超過閾值的應(yīng)用。過去使用的用以構(gòu)造能夠耐較高運行溫度的壓縮機(jī)葉輪的其他更昂貴的材料包括為用于高溫應(yīng)用的合金族的鉻鎳鐵合金、鈦合金等。這類材料不僅購買昂貴，而且難以形成和機(jī)械加工。然而，使用用于高溫應(yīng)用的這類材料是普遍的，因為在例如220°C或以上的壓縮機(jī)出口空氣溫度的高溫應(yīng)用中使用另一種材料(如鋁)，可能會導(dǎo)致部件過早失效并導(dǎo)致昂貴的維修費用。以接近其運行參數(shù)的臨界值運行的發(fā)動機(jī)應(yīng)用尤其如此，如在非常高的海拔(例如在高于海平面15，000英尺處和/或高溫環(huán)境中(例如超過110° F(約43.3°C )))處使用的發(fā)動機(jī)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一方面，本發(fā)明描述了一種內(nèi)燃機(jī)。所述內(nèi)燃機(jī)包括進(jìn)氣收集器和選擇性地流體連接到發(fā)動機(jī)氣缸上的排氣收集器。所述內(nèi)燃機(jī)還包括適于壓縮空氣或空氣混合物且適于向進(jìn)氣收集器提供壓縮進(jìn)氣的壓縮機(jī)。所述壓縮機(jī)包括環(huán)繞壓縮機(jī)葉輪的殼體和連接到殼體并將壓縮機(jī)葉輪封閉在殼體的內(nèi)部空間內(nèi)的背板。熱交換器適于冷卻提供到進(jìn)氣收集器的壓縮進(jìn)氣。所述熱交換器設(shè)置在壓縮機(jī)與進(jìn)氣收集器之間，這樣使得進(jìn)氣收集器沿著壓縮進(jìn)氣流從壓縮機(jī)到進(jìn)氣收集器的方向設(shè)置在熱交換器的下游。增壓空氣管道將熱交換器與進(jìn)氣收集器流體互連。
[0006]在一個實施例中，冷卻流體管道流體連接在增壓空氣管道與在壓縮機(jī)葉輪與背板之間的位置處的壓縮機(jī)的殼體的內(nèi)部空間之間。壓縮機(jī)運行時產(chǎn)生的壓差使壓縮進(jìn)氣流從增壓空氣管道進(jìn)入殼體的內(nèi)部空間中。所述流經(jīng)過壓縮機(jī)葉輪并對流地冷卻壓縮機(jī)葉輪。所述流與主壓縮機(jī)流混合并被提供回?zé)峤粨Q器。
[0007]另一方面，本發(fā)明描述了一種用于與內(nèi)燃機(jī)一起使用的渦輪增壓器。所述渦輪增壓器在內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣收集器與排氣收集器之間互連。所述渦輪增壓器包括渦輪和與渦輪相連的壓縮機(jī)。所述壓縮機(jī)適于壓縮空氣或空氣混合物，并適于向進(jìn)氣收集器提供壓縮進(jìn)氣。所述壓縮機(jī)包括徑向環(huán)繞壓縮機(jī)葉輪的殼體以及連接到殼體并將壓縮機(jī)葉輪封閉在殼體的內(nèi)部空間內(nèi)的背板。冷卻流體管道在壓縮機(jī)葉輪與背板之間的位置處流體地連接到壓縮機(jī)的背板。由于在壓縮機(jī)葉輪后方的位置與壓縮機(jī)的出口之間產(chǎn)生的壓差，冷卻流體管道適于通過背板將來自壓縮機(jī)的一部分壓縮進(jìn)氣提供回壓縮機(jī)。當(dāng)壓縮機(jī)運行時，使壓縮進(jìn)氣流進(jìn)入殼體的內(nèi)部空間中。所述流在與主壓縮機(jī)流混合并通過壓縮機(jī)出口提供回之前，經(jīng)過壓縮機(jī)葉輪并對流地冷卻該壓縮機(jī)葉輪。
[0008]再一方面，本發(fā)明描述了一種用于在壓縮機(jī)運行期間冷卻流體壓縮機(jī)內(nèi)的壓縮機(jī)葉輪的方法。所述方法包括冷卻壓縮機(jī)的一部分壓縮工作流體，以及轉(zhuǎn)移被冷卻以形成冷卻流的部分壓縮工作流體。將冷卻流提供回壓縮機(jī)并通過壓縮機(jī)葉輪后方的低壓區(qū)域處的壓縮機(jī)殼體的背板使冷卻流通過管道流入壓縮機(jī)殼體。利用來自冷卻流的冷卻流體填充壓縮機(jī)葉輪附近的壓縮機(jī)的內(nèi)部內(nèi)的流體空腔。然后，該冷卻流體對流地冷卻壓縮機(jī)葉輪。
【附圖說明】
[0009]圖1是根據(jù)本發(fā)明的發(fā)動機(jī)的方框圖。
[0010]圖2與圖3是根據(jù)本發(fā)明的來自不同視角的渦輪增壓器的外形視圖。
[0011]圖4是根據(jù)本發(fā)明的移除了壓縮機(jī)殼體和渦輪殼體的渦輪增壓器的局部分解圖。
[0012]圖5是根據(jù)本發(fā)明的用于渦輪增壓器的壓縮機(jī)背板的橫截面圖。
[0013]圖6是根據(jù)本發(fā)明的用于渦輪增壓器的壓縮機(jī)背板的一個可選實施例的橫截面圖。
[0014]圖7是根據(jù)本發(fā)明的具有空氣開口的圓盤的外形視圖。
[0015]圖8、圖9和圖10是壓縮機(jī)葉輪在發(fā)動機(jī)的典型運行條件下的熱分布圖。
[0016]圖11是根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)冷卻裝置的溫度圖。
[0017]圖12是根據(jù)本發(fā)明的冷卻壓縮機(jī)葉輪的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]本發(fā)明涉及空氣壓縮機(jī)，并且尤其涉及壓縮機(jī)推進(jìn)器或壓縮機(jī)葉輪在運行期間進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)和方法，其中所采用的冷卻介質(zhì)是壓縮機(jī)的工作流體。在一個公開的實施例中，壓縮機(jī)是內(nèi)燃機(jī)中的機(jī)械驅(qū)動或渦輪驅(qū)動的空氣壓縮機(jī)。所公開的壓縮機(jī)實施例具有典型的構(gòu)造，該構(gòu)造包括具有通常徑向延伸的葉片的壓縮機(jī)葉輪。壓縮機(jī)葉輪連接到一根軸上，該軸在渦輪或其他機(jī)械裝置或電子裝置提供的動力下旋轉(zhuǎn)。壓縮機(jī)葉輪在具有通過其中延伸的彎曲通道的殼體內(nèi)旋轉(zhuǎn)，這樣使得經(jīng)由中心通道進(jìn)入壓縮機(jī)殼體的空氣被徑向引導(dǎo)到彎曲的殼體中，這增加了空氣的速度、壓力及溫度。在公開的實施例中，在將由壓縮機(jī)提供的壓縮空氣的相對一小部分提供回壓縮機(jī)以對流地冷卻壓縮機(jī)葉輪之前，在熱交換器中冷卻所述壓縮空氣。在一個實施例中，通過壓縮機(jī)背板提供冷卻空氣，以便沖擊到旋轉(zhuǎn)的壓縮機(jī)葉輪的背面或內(nèi)側(cè)面上。這種壓縮機(jī)裝置在除了壓縮機(jī)的工作流體之外不再使用任何流體進(jìn)行冷卻的任何應(yīng)用中具有實用性，這消除了流體與壓縮機(jī)內(nèi)的泄漏混合的擔(dān)憂。本文所公開的實施例涉及在內(nèi)燃機(jī)上布置有渦輪的壓縮機(jī)，但不應(yīng)被認(rèn)為是對本文所描述的壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)和方法的結(jié)構(gòu)或應(yīng)用的限制。
[0019]更具體地說，圖1示出了體現(xiàn)本發(fā)明的各方面的發(fā)動機(jī)100的方框圖。發(fā)動機(jī)100包括形成多個氣缸104的缸筒102。雖然示出了直排布置的6個氣缸104，但是可以使用設(shè)置在不同的缸筒部分內(nèi)的不同配置中(如在V形配置中)的更少或更多的氣缸。雖然為了簡明在此并未顯示和詳細(xì)討論，但是每個氣缸104可包括連接到共同機(jī)軸的往復(fù)式活塞。氣缸中的燃料和空氣混合物以已知的方式燃燒產(chǎn)生可用的發(fā)動機(jī)動力。在運行期間將空氣或空氣與排氣的混合物從進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣收集器106以已知的方式提供到氣缸104，所述進(jìn)氣歧管或進(jìn)氣收集器106選擇性地經(jīng)由相應(yīng)的進(jìn)氣流道108與每個氣缸104流體連接，所述進(jìn)氣流道108在進(jìn)氣閥110打開時向氣缸104提供壓縮空氣。壓縮空氣，連同例如通過燃料噴射器112提供到氣缸104的燃料一起形成可燃混合物，該可燃混合物在被壓縮或有火花時被點燃。燃燒副產(chǎn)物通過排氣閥114和排氣流道116從每個氣缸104排出。來自每個氣缸104的排氣被收集在排氣歧管或排氣收集器118中。
[0020]在典型的發(fā)動機(jī)中，在進(jìn)氣收集器106中的發(fā)動機(jī)進(jìn)氣混合物以及在排氣收集器118中的排氣處于壓力下。為了提供用于壓縮進(jìn)氣混合物的動力，不同的發(fā)動機(jī)應(yīng)用可使用一個或多個不同的設(shè)備。例如，一些發(fā)動機(jī)使用通常被稱為增壓器的設(shè)備，增壓器是由發(fā)動機(jī)的機(jī)軸提供的機(jī)械動力、由電機(jī)提供的電力等運行的空氣壓縮機(jī)。在圖示說明的實施例中，進(jìn)氣歧管中的壓縮空氣混合物由兩組多級渦輪增壓器提供。更具體地說，發(fā)動機(jī)100包括兩組多級渦輪增壓器120。這兩個多級渦輪增壓器組120相似，所以將只對一組進(jìn)行詳述。
[0021]因此，每個多級渦輪增壓器組120包括在串連電路連接中連接的高壓渦輪增壓器122和低壓渦輪增壓器124。高壓渦輪增壓器122包括高壓渦輪126和高壓壓縮機(jī)128，二者通過中央殼體130以已知的方式相互連接。同樣，低壓渦輪增壓器124包括低壓渦輪132和低壓壓縮機(jī)134，二者經(jīng)由中央殼體136進(jìn)行連接。在為許多可能的渦輪增壓器配置的一種的這種布置中，高壓渦輪126流體地連接到排氣收集器118并布置成從其中接收加壓的排氣。排出高壓渦輪126的排氣被提供到低壓渦輪132，該低壓渦輪132的框架尺寸大于高壓渦輪126，這樣使得可實現(xiàn)排氣的附加膨脹以從中取得附加工作。排出低壓渦輪132的排氣可以以已知的方式提供到排氣處理設(shè)備和系統(tǒng)。圖1用箭頭表示了通過這些設(shè)