备的排气的流动。
[0022]为了向发动机提供压缩空气，将空气提供给低压压缩机134，在该低压压缩机中空气被压缩到第一压力。然后，将处于第一压力的空气从低压压缩机134提供到高压压缩机128，在此其压力(和温度)增加。图1用箭头表示了通过低压压缩机134和高压压缩机128的空气的流动路径，而为了简单起见，对其他部件和系统(如沿着空气路径设置的过滤器和传感器)进行了省略。
[0023]如可以意识到的是，图1中显示的发动机100内的空气的多级压缩是在内燃机中采用的许多不同的方法之一。例如，在每个多级组120中可以使用单个涡轮增压器或可以使用两个以上的涡轮增压器。而且，在每一组中的一个或两个涡轮增压器能够被替换为机械驱动或电力驱动的压缩机或增压器。此外，可以使用混合系统，例如带有电力、液压或气动辅助机构的涡轮增压器。
[0024]在图示说明的实施例中，来自每个高压压缩机128的压缩进气在被提供到进气收集器106之前被冷却。为了冷却进气，来自高压压缩机128的压缩空气被提供到空气-空气或空气-水增压空气冷却器(CAC) 138，这被实现为热交换器，该热交换器配置成从发动机进气去除热量并将热量释放到环境空气中去，这通常通过风扇(未示出)迫使其通过CAC138中的挡板。根据CAC的尺寸、发动机进气的流速、环境温度和发动机进气温度等等，发动机进气的温度可降到关于环境空气温度的可接受的范围内。
[0025]在运行期间，将来自进气收集器106的空气提供到每个燃烧气缸104中。然而，在图示说明的实施例中，为了在足够的压力下提供足够的发动机进气，可以在除了用于构造涡轮增压器的部件，并且尤其是每个高压压缩机128内的推进器或叶轮的某些材料的限制之外压缩进气。例如，可能会出现240°C或更高的温度，特别是当发动机100在高海拔处和/或在高的环境温度条件下运行延长时间段时。这样的压缩机运行温度通常有必要使用特殊的材料(如铬镍铁合金或钛合金)用于构造高压压缩机叶轮，这将增加高压压缩机的成本。然而，在图示说明的实施例中，高压压缩机叶轮可由更常见的材料(例如铝)来构造，这种材料可以承受相对高的压缩机运行温度，因为它被冷却了，这样使得即使离开压缩机的工作流体为大约240°C或更高，压缩机叶轮在特定高应力区域处的温度可维持在约200°C或以下。
[0026]更特别地是，发动机100包括用于冷却高压压缩机叶轮的气动冷却系统。图2和图3的每一个示出了高压压缩机的外形视图。图4是移除了涡轮壳体206和压缩机壳体208以显示连接在轴210的相对端上的涡轮叶轮202和压缩机叶轮204的高压压缩机的外形视图。如图4所示，轴210以已知的方式延伸通过中央壳体130。当对压缩机进行装配时，压缩机背板212围绕轴210延伸并连接到中央壳体130，这样使得压缩机叶轮204和中央壳体130位于背板212的相对侧。压缩机壳体208连接到背板212，以径向地封闭压缩机叶轮204。涡轮126具有相似的布置。中央壳体130包括其他结构(如轴承)，所述其他结构经过润滑并且由于涡轮叶轮202和压缩机叶轮204在运行期间的推力载荷导致所述其他结构限制了轴210沿着其中心线的轴向运动。中央壳体130具有内部通道(未示出)，经由润滑油供应开口 214通过此通道提供润滑油。通道内的润滑油排回到发动机的缸筒102内。
[0027]参照这些图以及图1，发动机100包括冷却空气管道140，该冷却空气管道流体地连接到进气系统，并且尤其流体地连接到CAC 138下游的进气收集器106。来自进气收集器106的冷却空气管道140中的空气流被提供到高压压缩机128用于冷却压缩机叶轮204。如可以意识到的是，由于CAC 138提供的冷却功能，进气收集器106中的空气温度具有与压缩机128内的空气温度相比降低的温度。CAC的使用是可选的，而且在某些应用中可能不要求使用CAC。此外，通过在压缩机壳体208内选择一个适当的低压区域，向该低压区域中提供冷却空气，产生使空气的冷却流通过冷却空气管道140并流入压缩机壳体208中的压差。在一个实施例中，冷却空气管道140不包含气动流量控制设备，这对降低发动机系统的成本和复杂性是有利的。为了控制通过冷却空气管道140的空气流量，使得足够的冷却空气通过管道，同时在所有运行条件下使得足够的空气用于正常的发动机运行，可以沿着冷却空气管道140使用流量控制孔142 (图1)。流量控制孔142可以是整合成冷却空气管道140的形状、尺寸及路线的等效流量孔，或者可选地是在与冷却空气管道140相关的部件的控制流量直径，例如端接头或管部分直径。可被转移从而以这种方式冷却压缩机叶轮的总工作流体流量的百分比取决于发动机的要求，并且尤其取决于在不损失发动机动力的情况下发动机可承受的空气降低。在图示说明的实施例中，已确定的是，最多5%的压缩机气流可被转移用于冷却压缩机叶轮。通过分析，已确定的是，约2%的压缩机气流将足以提供可接受的压缩机叶轮冷却。在一个实施例中，冷却气流甚至更少，约为总压缩机气流的1.8 %。
[0028]在图示说明的实施例中，冷却空气管道140通过接头144连接到压缩机背板212。当向现有发动机加入冷却系统时，可将接头144插入到钻入和攻丝到压缩机背板中的孔中。可以向发动机的进气收集器加入类似的接头用于将空气供应到压缩机，或可选地，可以使用进气收集器的现有接头。如前所述，压缩机背板212连接到中央壳体130并设置在压缩机叶轮204附近。如图5的横截面图所示，压缩机叶轮204包括支持多个径向延伸的叶片218的通常为锥形的轮毂216。轮毂216形成基部表面或面向内侧的圆盘状表面220，该表面面向背板212。径向延伸的通道或空腔222被限定在压缩机叶轮204的基部表面220与背板212的内表面224之间。如图5所示，空腔222围绕轴210沿着周边延伸，并且接触压缩机叶轮204的基部表面220的大部分外周部分。接头144的内部通道146对空腔222流体开放，这样使得空腔222与进气收集器106 (图1)之间通过冷却空气管道140建立了直接的流体连通。内部通道146—般为直的，并且在图示说明的实施例中，其被设置成与轴210的中心线成约为55度的角度，并且相对于轴中心线处于允许冷却空气进入空腔222的径向位置。这样，在发动机运行期间，来自进气收集器106的压缩冷却空气被提供到空腔222。此冷却气流由进气收集器106与空腔222之间的压差驱动。例如，在关于发动机上进行的测试的一种运行条件下，冷却气流被选择约为压缩机总气流的2%、温度约为100°C、并且通过冷却流体管道的端部的约35psig的压差驱动。在其他实施方式中，选择约1.8%的冷却气流。
[0029]图6与图7示出了一个可选的实施例。在此实施例中，具有形成在其中的多个空气喷嘴或开口 228的圆盘226被设置在空腔222内以将空气引向压缩机叶轮204的基部表面220上的目标位置。更具体地说，圆盘226具有一般为环形的形状且设置在压缩机叶轮204附近以覆盖环形空腔222。开口 228以到圆盘230的中心为同一径向距离每隔规则间隔圆周地形成在圆盘226周围，在安装条件下，所述圆盘230的中心基本上与轴210的中心线(图5) —致。随着圆盘226的安装，引导通过接头144的内部通道146进入空腔222的冷却气流通过开口 228以冲击在表面220的特殊区域上，此特殊区域已被确定为压缩机叶轮204中的高应力区域。可以依据经验或依据数字作出这种确定。
[0030]图8和图9显示了两张温度图，这两张温度图图解了通过实验确定的沿着压缩机叶轮204的轮毂216(图5)的温度分布，该温度分布示出了运行期间的压缩机叶轮204的基准温度和冷却温度。在图8中，进行了在压缩机叶轮轮毂216上的不同径向和轴向位置处的基准温度测量。如从图8所示的图中可见，对于其中压缩机排气温度约为284°C、压力为33psig的特殊运行条件，轴的温度在192°C与198°C之间，并且靠近轴的轮毂的温度约为200°C。随着距轮毂216的径向距离增加，轮毂的温度稳定上升直到在其最外周边的内侧面上的温度达到约240°C，并且其外侧面上的温度达到232°C。此信息用于计算模型中，这表明在距轴210的径向距离处，即关于轴210的轮毂216的总最外半径的约3/4处，存在高应力点A。我们发现这些温度在此运行条件下超过了用于构造压缩机叶轮的材料的设计参数。结果，压缩机叶轮可能被期望从高应力点周围开始永久变形，这会引起转子动力学的不平衡以及故障。
[0031]使用如前所述的安装有圆盘226的压缩机重复在同样的条件下的测试。在此布置中，选择开口 228的径向位置以与高应力点A相一致。在图9示出的热分布图中显示了测试的结果。此处，提供到空腔222 (图6)的冷却气流约为24SCFM，压力约为22.2ps