ig且温度约为48°C。在轮毂216上进行的温度测量显示轴210的温度下降了约30°C，沿轴附近的区域的轮毂的温度下降了约40°C，并且整个轮毂的温度逐渐下降，这样使得轮毂内侧尖端温度从内侧面上的基准温度240°C下降到约203°C，并且从外侧面上的基准温度232°C下降到约205°C。也就是说，注意到整个轮毂216的整体温度下降，这足以将高应力点A处的温度引进用于构造压缩机叶轮的材料的设计参数内。在无圆盘226的情况下进行的后续测试表明圆盘226对轮毂216的冷却影响相对较小，因此能够从压缩机中省略圆盘并为系统实现节约成本以及减少复杂性。图10示出了一项典型测试的热分布图，其中使用温度约为101°C、压力约为33psig并且流速约为14.8SCFM的冷却空气，轮毂216的尖端温度在内侧面上为211°C且在轮毂216的外侧面上约为210°C。
[0032]图11显示了示出为确定系统对关于冷却空气压力的冷却的敏感度进行的一系列测试的图。此处，冷却空气压力(psig)沿着横轴而绘制，并且轮毂216在高应力区域A的温度(°C )(图8)相对于纵轴而绘制。在区域A处并且使用约100°C的冷却空气温度，在所选择的222°C的温度测试条件下，随着冷却空气压力从25psig增加到约33psig，在高应力区域处的温度表明从206°C到约199°C几乎呈直线下降。
[0033]工业实用性
[0034]本说明不仅适用于与内燃机一起使用的压缩机，还适用于具有易于受热应力的叶轮的任何径向叶片压缩机。公开的系统和方法方便地使用压缩机工作流体作为冷却介质，因此避免了关于冷却流体与工作流体混合或泄露到压缩机壳体中以及污染工作流体的担忧。例如，在用于天然气或石油气的压缩机中，如前所述，一部分工作流体可从压缩机出口被转移、冷却并再次引入到压缩机叶轮后方的压缩机壳体中，以提供期望的冷却。此外，尤其是在具有进气冷却器的内燃机上的冷却气体管道的相对简单的实现，使得如果现有的发动机系统将在恶劣环境下运行，那些系统能够有效且高效地改进，否则将要求设备(如由更特殊的材料或合金制成的压缩机叶轮)升级。
[0035]图12的流程图示出了根据本发明的用于向压缩机叶轮提供有源冷却的方法。此处，在302处，使压缩机运行，这引起压缩机叶轮的流体压缩和加热。在304处，冷却压缩流体的至少一部分。在306处，将被冷却的压缩流体的一部分或冷却流体从工作流体中转移出来并以计量速率提供回压缩机。因此，在308处，使冷却流体通过管道流到并通过压缩机的背板，所述管道包括用于计量和/或控制冷却流体的流速和/或压力的结构。在310处，当在压缩机内时，冷却流体填充限定在压缩机叶轮的内侧面或背面与压缩机背板之间的空腔。从此处，冷却流体与压缩机叶轮接触，并在312处对流地冷却该压缩机叶轮。在通过压缩机叶轮后，在314处，冷却流体的大部分与工作流体混合，并且在316处，冷却流体的其余部分通过压缩机轴封离开压缩机。
[0036]将意识到的是，以上描述提供了所公开的系统和技术的实例。但是，要考虑到本发明的其他实施方式可能在细节上与以上实例有所不同。所有对本发明或其实例的引用旨在提及关于该点讨论的具体实例，而并不打算暗示更一般的本发明范围的任何限制。所有关于某些特征的差异及轻视的语言旨在表明缺乏对那些特征的偏好，但并不是将这些特征完全排除在本发明的范围之外，除非另外指明。
[0037]本文中数值范围的叙述仅旨在用作单独提及落入所述范围内的每个单独数值的速记方法，除非本文另外指明，并且每个单独数值并入到本说明书中，如同在此对其进行了单独的叙述。本文描述的所有方法都可以任何适当的顺序执行，除非本文另外指明或与上下文明显矛盾。
【主权项】
1.一种与内燃机(100) —起使用的涡轮增压器，该涡轮增压器在所述内燃机(100)的进气收集器(106)与排气收集器(118)之间互连，所述涡轮增压器包括: 涡轮(126)； 与所述涡轮(126)相连的压缩机(128)，该压缩机(128)适于压缩空气或空气混合物且适于向所述进气收集器(106)提供压缩进气，所述压缩机(128)包括径向环绕压缩机叶轮(204)的壳体，以及连接到所述壳体并将所述压缩机叶轮(204)封闭在所述壳体的内部空间内的背板； 冷却流体管道，其在所述压缩机叶轮(204)与所述背板之间的位置处流体地连接到所述压缩机(128)的背板上，所述冷却流体管道适于将所述压缩机(128)提供的一部分压缩进气通过其背板提供回所述压缩机(128); 其中，当所述压缩机(128)运行时，在所述压缩机叶轮(204)后方的位置与所述压缩机(128)的出口之间产生压差，以使压缩进气流进入所述壳体的内部空间中，所述流在与主压缩机(128)流混合并通过所述压缩机(128)出口提供回之前经过所述压缩机叶轮(204)并对流地冷却所述压缩机叶轮(204)。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮增压器配置成在一部分压缩进气通过所述冷却流体管道提供回所述压缩机(128)之前，利用所设置的热交换器来运行以冷却所述压缩进气。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述压缩机叶轮(204)与所述背板之间的位置是关于所述压缩机(128)出口设置成低静压的低压区域，所述冷却流体被提供到所述背板中，并且其中所述压差是所述低压区域和所述压缩机(128)出口之间的静压之差。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，还包括沿着所述冷却流体管道设置的流量控制孔(142)，所述流量控制孔(142)配置成对进入所述壳体的内部空间中的部分压缩进气进行计量，使得所述流低于在所述压缩机(128)出口处提供的总压缩进气流的预定部分。
5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其中，所述预定部分最多为在所述压缩机(128)出口处提供的总压缩进气流的5%。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述冷却流体管道一直流体开放。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，在所述背板中形成流动通道，通过该流动通道提供压缩进气流，并且其中所述流动通道设置成关于所述压缩机叶轮(204)的旋转轴线成约55度的角度。
8.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，在所述背板中沿着所述压缩机叶轮(204)和所述背板之间的环形区域形成环形空腔(222)，并且其中通过所述冷却流体管道将进入所述压缩机(128)中的压缩进气流直接提供到所述背板的环形空腔(222)中。
9.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，提供到所述压缩机(128)的所述压缩进气流配置成冲击到所述压缩机叶轮(204)的高应力区域上，所述高应力区域设置在与所述压缩机叶轮(204)的旋转轴线距离一定径向距离处，所述径向距离为所述压缩机叶轮(204)的整个最外径向尺寸的约3/4。
10.—种在压缩机(128)运行期间冷却流体压缩机(128)内的压缩机叶轮(204)的方法，包括: 冷却所述压缩机(128)的一部分压缩工作流体； 转移被冷却以形成冷却流的部分压缩工作流体； 将所述冷却流提供回所述压缩机(128); 通过所述压缩机叶轮(204)后方的低压区域处的所述压缩机壳体(208)的背板，使所述冷却流通过管道流入压缩机壳体(208)。 利用来自所述冷却流的冷却流体填充所述压缩机壳体(208)内的所述压缩机叶轮(204)附近的流体空腔(222);以及 利用所述冷却流体对流地冷却所述压缩机叶轮(204)。
【专利摘要】一种适于压缩工作流体的压缩机(128)包括环绕压缩机叶轮(204)的壳体(208)以及连接到壳体(208)并将压缩机叶轮(204)封闭在壳体(208)的内部空间内的背板(212)。冷却流体管道(146)流体地连接在压缩机(128)下游的工作流体的冷却压缩源与在压缩机叶轮(204)与背板(212)之间的位置处的压缩机(128)的壳体(208)的内部空间之间。压缩机(128)运行时产生的压差使冷却压缩进气流进入壳体(208)的内部空间中，所述冷却压缩进气流在与主压缩机流混合并通过压缩机出口提供回之前经过所述压缩机叶轮(204)并对流地冷却所述压缩机叶轮(204)。
【IPC分类】F02B37-00, F02B29-04
【公开号】CN104583558
【申请号】CN201380045202
【发明人】G·鲍尔斯, C·麦金莱, D·瓦斯克, M·B·H·伊斯梅尔, K·纳尔, J·麦考马克
【申请人】卡特彼勒公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2013年8月30日
【公告号】EP2890877A1, US20140060039, WO2014036420A1