专利名称：用于涡轮增压机的压缩机及其冷却方法
用于涡轮增压机的压缩机及其冷却方法
技术领域：
本发明涉及依据;f又利要求1前序部分所述的用于涡轮增压机的压缩机及其 冷却方法。
技术背景
在涡轮增压机中，工作介质尤其是空气，通过压缩机被压缩以在内燃机中 燃烧。此压缩机与涡轮机连接，涡轮机通过内燃机的排气来驱动。
通过运动的压缩机叶轮和容納该压缩机叶轮的压缩机壳体或者工作介质之 间产生的摩擦热，但首先通过工作介质的压缩本身压缩机叶轮出口产生高温， 尤其是在压缩机叶4仑出口 。因此能够例如在四种气体的一压缩比下从室温加热 到超过200°C。
此高温示出了压缩机的巨大的热应力，尤其是在压缩机叶4仑上，压缩机叶 轮优选采用轻金属例如铝合金制成，以保持较小的回转质量和因此出现的离心 力，可引起了松开作用(Emfestigung)并由此降低了涡轮增压机的寿命。同时，工 作介质的温度升高减少了内燃机的燃烧室的(气体)注满并恶化了效率。 因此，EP 0 518 026 Al教示了 一种压缩机叶4仑后侧的冲击式空气冷却 (Prallluftkuehlung)，在其中冷空气#皮导入压缩才几叶寿仑与压缩机壳4本之间的径向间 隙(Radialspalt)中，并且在那冲击(beaufschlaegt)压缩机叶4仑后侧。除了这种直接冷 却之外，WO 01/29426 Al教示了 一种间接冷却，在其中，冷却流体流动通过压 缩机壳体的靠近压缩机叶轮的部分上的腔室，由此通过径向间隙中的泄漏流以 及压缩机壳体的部件将压缩机叶4仑的热量传入冷却流〗本中。
DE 20 2005 019 320 U 1涉及一种用高温排气冲击的涡轮机，其较压缩机通 常遭受更高的温度，因此教示了采用具有热保护层的叶片(Schaufel)。两个教示可以使得叶片上出现的温度各自在限定范围内降低。此外，已知 的EP 0518 026 Al和WO 01/29426 Al的冷却需要供给大量的冷却流体，以能够 发散大量的热量。
发明内容
参照WO 01/29426 Al，本发明的任务是，使用用于涡4仑增压机的压缩机， 在其中，使用较少量的冷却流体能够降低压缩工作介质时压缩机叶轮上出现的 温度。为了解决该技术问题，根据权利要求l前序部分的压缩机通过权利要求1 的特征部分进一步被构造。权力要求12提出了冷却该压缩机使之收到保护的方 法。
依据本发明，用于涡轮增压机的压缩机包括压缩机叶轮，压缩机叶轮可旋 转地-波容纳在压缩机壳体中。优选地，其涉及离心式压缩机，在离心式压缩机 中，轴向吸入的工作介质通过压缩机叶轮的叶片径向向外加速，其后将其速度 转化为压力。此外可安装有扩散器。
压缩机壳体的靠近压缩机叶轮的部件，其优选地通过径向间隙与压缩机叶 轮分隔，并设置在压缩机叶轮的与工作流卩本的主流相远离的一侧，被冷却流体 流动通过。冷却流体直接或间接的冷却了面向该部件的压缩机叶轮的后侧，从 中吸取了热量。
本发明教示了，压缩机叶轮另外至少部分地设有减少热量输入的涂层。由 此大体减小了压缩机叶轮中被压缩并由此升温的工作介质的热量输入，使此较 少量的冷却流体已经散发出足够的热量，保证压缩机叶轮中出现的温度不超出 允许的最高值。
较少冷却流体量有利地只需要具有较小直径和/或较小流速的流体管道。因 此依据本发明的压缩机能够造得较小，因为压缩机壳体内的输入管道和输出管 道以及冷却流体管道能够设计得较小。能够减少循环的冷却流体的总量，也就 能够使用较小的冷却流体储库。此外，也能减小热交换器的大小，在此热交换 器中冷却流体将从压缩机传输出的热量再次传入周围环境中。较小的体积流量(Volumenstrom)只需要较小的功率来使冷却流体进行循环 并且也提高了配备有本发明所涉及的压缩机的马达的效率，该效率与使用的冷 却流体量相关。此冷却流体量需要较少冷却流体管道并提高了压缩机的寿命。 在较低的流速情况下在前述的有利的热交换器中的较长停留也实现在使用了较 小热交换器时释放从压缩机中获的热量。此热量已经通过减少热量输入的涂 层在任何情况下减少了。
因此在依据本发明的压缩机中能够实现，在冷却流体中具有较小的体积流 量，压缩机叶轮的温度保持在较低范围内并由此延长了压缩机寿命。相反地， 减少热量输入的涂层仅减少了输入的热量，从而热量能够被冷却流体散出。涂 层可以由经济的材料制成和/或可以制成较低强度，这有利地减小回转质量和降 低压缩机叶轮上的离心力。
在压缩机叶轮中 一 定的热量输入是有利的，因为由此降低了被压缩的工作 介质的温度和从而提高了内燃机的容积效率(Fuellungsgrad)。通过 一 方面减少热 量输入的涂层和另外一方面冷却流体的冷却间合适的调整，实现了有利于内燃 机的效率和对压缩机寿命有矛"的热量输入之间的优化压缩。
在一个优选实施例中，压缩机叶轮包括压缩机4仑毂(Verdichtemabe)和至少一 个压缩机叶片(Verdichterschaufel)。压缩机轮毂和/或压缩机叶片能够各自部分地 设有减少热量输入的涂层。其中在 一 特别优选实施例中减少热量输入的涂层从 部分叶片組(Verdichterbeschaufelung)的进口边缘延伸至叶轮出口 。因为压缩中出 现的热量的主要部分，其为了避免压缩机叶4仑过热而必须4皮散出，直接在压缩 机叶片組区域内尤其是在叶轮出口附近产生。此外，冷却流体不必尤其冷却压 缩机叶轮的区域，这样由于此处存在高转速能够简化冷却，尤其是简化直接冲 击压缩机叶|仑的冷却流^本的流入和流出。
在一可选实施例中，整个旋转的叶片組以及与工作介质接触的压缩机叶4仑 的轮毂设有减少热量输入的涂层，能够简化涂层的生产，这能够例如通过浸浴 (Tauchbaeder)获得。此外，能够避免未涂层区域的局部热峰值和实现在压缩机叶
6轮内均匀的温度分布。
在本发明的一个优选实施例中，减少热量输入的涂层然而仅构造在面对从 压缩;f几的压缩工作流的主流的压缩机叶轮的表面上。由此 一 方面能够减少来源 于被压缩的工作介质的主流的热量进入并且因此有利i也减少具有前述优点的冷
却流体量。另外一方面不妨碍压缩机叶轮的热量散发至靠近压缩机壳体的部件。 同样优点还有，面对压缩机壳体的部件的压缩机叶轮的后側与冷却流体冲击从 而直接被冷却，还有通过分开压缩机叶轮和压缩机壳^f本的间隙中的介质中的热 量传导，和从这些压缩机壳体的部件的介质以及流过的冷却流体间接实现冷却。 在本发明的优选实施例中减少热量输入的涂层包括陶瓷涂层，此陶瓷涂层根据 其硬度和热传递系数尤其适合应用于压缩机中。通过热喷涂来进行陶瓷涂层， 这允许了具有较薄壁厚的均匀涂层的经济性的生产以及尤其是选出的叶片组的 部分区域的涂层。
陶瓷涂层已经被证实为十分合适的，其包括氧化铝和/或氧化锆，尤其是钇
固一fl^匕4告(Ytttium-stabilisiertes Zirkoniumdioxid)。 通常各自4乍为 "thermal barrier coating"或"heat barrier coating"热障涂层而已知的涂层能够#1应用，此涂层能 够减少热量输入进压缩机叶轮中，同样尤其具有低的热传递系数。与此相关EP 0 211 032 Bl的技术内容也大j本描述了并完全包括该涂层。
在本发明的优选实施例中冷却流体流过压缩机壳体中的腔室并因此间接冷 却压缩机叶轮。因为由此发散出压缩机壳体上靠近压缩机叶轮的部件的热量。 由此在压缩机叶轮和压缩机壳体间的间隙中，尤其是在径向间隙中的介质被冷 却，此冷却流体冷却了压缩机叶轮的毗邻后侧。
尤其是压缩机叶轮和压缩机壳体间的径向间隙能够被进入压缩机叶轮和压 缩机壳体间的工作介质的泄漏流通过。没有冷却，压缩机叶轮将受到热的工作 介质对其前端和后側的冲击。在依据本发明的压缩机中， 一方面从泄漏流中自 身输入的热量通过压缩机壳体中面向径向间隙的部件4非出到冷却流体，另外一 方面压缩机叶4仑的热量4非出到以此方式冷却的泄漏流中并通过泄漏流4非出到冷却流体。这里尤为有利的是，减少热量输入的涂层仅被设置在面向工作介质主 流的压缩机叶轮的前端，并且尤其从部分叶片组的进口边缘延伸至叶轮出口 ， 这是因为在径向间隙的介质中以及在冷却流体中的热量传递没有减小，因此冷 却没有被冲击。
腔室能在压缩机壳体的部件的周向方向延伸，具有一个或多个输入、输出 管路。较冷的冷却流体被导入圆周上分布的多个位置，较热的冷却流体被导出 圆周上分布的多个位置，从而能够平均有效地冷却压缩机叶4仑。出于此目的， 腔室在输入、输出管路间能够具有多个平行通道，以尽可能地吸收热量。此外， 腔室具有涡流升高(turbulenzerhoehend)的几何形状，以提高冷却流体流的涡流及 其热吸收。
作为所述间接冷却的补充的或者选择，冷却流体能够导入径向间隙中，有 利的是在此处与压缩机叶4仑的后侧相遇，从其吸收热量从而能够直接冷却。如 果工作介质的泄漏流进入径向间隙中，那么径向间隙中导入的冷却流体与工作 介质是相同的，其中有利的是冷却流体在高压下被导入并冲击(prallen)压缩机叶 轮的后侧。
在压缩机叶轮后侧的冷却流体吸收热量之后，有利的是冷却流体流至工作 流体的主流中并减小压缩机叶轮和压缩机壳4本之间的间隙中不期望的泄漏流。 这进一步减少了导出的热量及由此需要的冷却流体量，因为压缩机叶轮在后侧 不再或者仅少量地被热工作流冲击。
有两个冷却原则共同;f皮应用，间接冷却的冷却流4本和直^妻冷却的冷却流4本
中抽取。这有利的简化了冷却流体的输入和输出管路。同样也能应用不同的冷 却流。例如优逸地从内燃机的冷循环中抽取的水，当空气通过一单独的输入管 道流入压缩机叶轮的后侧期间，能够流过压缩机壳^f本中的腔室并由此间接冷却 压缩机叶轮。由此可以实现，在各种条件下，也就是i兌一方面压缩机叶轮的流 入以及另 一方面通过热传导和对流的热发散替换各自最合适的流体。尤其在所述间接冷却的应用中，压缩机壳体的靠近径向间隙的部件具有用 于热传导入冷却流体的散热片布置(Rippenanordnung)。由此有利地扩大了热传导 面积和提高了热发散。在直接冷却中这种散热片布置有利地搅动了冷却流体并 放大了其冷却作用。
在 一 个优选实施例中，压缩机壳体的靠近径向间隙的部件具有曲径式密封 件(Labyrinthdichtung)以密封泄漏流。由此 一 方面在压缩机壳体和在其中转动的 压缩机叶轮间采用了低摩擦密封，这不但是低损耗和低维护的，尤其也是不产 生摩擦热或仅产生低摩擦热的，由此额外的贡献在于，将压缩机叶轮的温度保 持在临界范围内。另外一方面，曲径式密封件也作为散热片布置而作用，因此 提高了从径向间隙中的介质到压缩机壳体的部件和进入冷却流体的热量传导。 因此曲径式密封件能够#1优选地布置在冷却流体流过的压缩机壳4本的部件的区 域中。
本发明的进一步的目的、优点以及技术特征可以,人4又利要求书以及从本发 明的下述实施例中获知，其中这里图示了
图1依据本发明的第一实施例的压缩机的部件的示意侧视图2为在图1中相应描述的本发明的第二实施例的压缩机的部件；
图3为在图1、 2中相应描述的本发明的第三实施例的压缩机的部件；
图4为在图l一3中相应描述的本发明的第四实施例的压缩机的部件。
具体实施方式
图1示意地图示了依据本发明的第一实施例的压缩机的部件的侧视图。压 缩机包括压缩机叶轮l,其在压缩机壳体ll中可旋转地安置并且通过径向间隙 14与压缩机壳体隔开。多个周向方向上弯曲的压缩机叶片12分布在压缩机叶4仑 的轮毂圆周上，在图l中只示出了一个。
压缩机叶片12是具有由氧化铝入12〇3制成的减少热量输入的涂层2,此涂层在实施例中从部分叶片組的进气边缘13延伸至叶轮出口并且通过热喷涂被涂 覆。虽然在图l中不能被认知，压缩机轮毂的表面面积在该区域也设有涂层。
空气在径向和周向方向上被压缩机叶片12加速，在随后的扩散器(未被示 出)内减速并由此^皮压缩。其中空气首先在部分叶片組区域加热，在部分叶片 組中空气的能量通过加速被导入。其热量部分地发散至压缩机叶轮，其中与热 量输入成比例的温差在部分叶片组的区域内是最高的。通过减小热量输入的涂 层2的热传递系数小于未被涂层的压缩机叶轮的热传递系数。由此，与热传递 系数成比例的热量输入较小，从而压缩空气更少的总热量传递给压缩机叶轮。
为了排出压缩机叶轮的部分热量，在附图1中所示的第一实施例中设有间 接冷却。为此，压缩机壳体11优选地由两部件构成，其中面向径向间隙14的 部件6和压缩机壳体11的另外一个部件各具有凹槽(Ausspamng)，这些凹槽限定 了在共同连接状态下的腔室4。其中面向径向间隙l4的部件6螺纹连接在压缩 机壳体11的另一部件上(未被示出)，腔室4通过密封圏5 ^4']径向间隙14 而4皮密封。
通过输入管if各3冷水从马达冷却循环流入腔室中，流过腔室并且通过输出 管路(未被示出)再次从压缩机壳体中排出。在这里，水从通过压缩加热的空 气中获耳又热量，其从作为压缩机叶4仑1和压缩机壳体11间的泄漏流、沿着叶片 12的主流流入径向间隙14。为了提高热传导，部件6在腔室4区域内具有一排 散热片布置7，散热片扩大了热传导的面积，另外能够提高泄漏流的涡流及其通 过对流的热传导。接着被加热的水在设在压缩机外部的热交换器(未被示出) 中再次被冷却。
由此 一 方面纟皮压缩以及由于压缩净皮加热的泄漏流的空气净皮冷却，并且因此 避免了面向径向间隙14的压缩机叶4仑1的后侧的加热。另外如此^皮冷却的泄漏 流从压缩机叶轮中吸收热量并将热量传导给在腔室4中流过的水。由此压缩机 叶轮1间接地通过在径向间隙14中的空气，散热片布置7和流过腔室4的水被
冷却o因为减少热量输入的涂层2已经减小了从压缩空气导入压缩机叶轮1中的 热量，较少的流过腔室4的循环水的量就足够从压缩机叶轮中导出这些热量， 使得压缩机叶轮不会超过允许的例如200°C临界温度。由此腔室4、输入管道3、 输出管道和散热片布置7能够设计得较小。这样减小了必要的水循环的功率以及将水中的热量散发环境中的热交换器的规格。图2图示了在图1中相应描述的依据本发明第二实施例的压缩机的部件。下面仅将对与第一实施例的不同点进行详细说明，其余，尤其是相同的特征参 考前述说明。在第二实施例中面向径向间隙14的部件6与压缩机叶轮1的后侧组成曲径 式密封件8。其中部件6与压缩机壳体11的另 一部件在共同连接状态下限定了 腔室4。这一方面减小了出自主流的热压缩空气到径向间隙14中的泄漏流，以 至压缩机叶轮1的后侧不再或4艮少被高温空气冲击，有利地减少了对压缩机叶 轮的热输入以及用于间接冷却必须的冷却流体量。另外，曲径式布置8,其被构 造在被水流过的腔室4区域中，如第一实施例中描述的冷却散热片布置7 —样 起作用。图3图示了依据本发明的第三实施例的压缩机部件。下面再次仅对与前述 实施例的不同点进行详细说明，其余的特征参考前述说明。在第三实施例中设有压缩机叶轮l的直接冷却。为此，压缩机壳体ll的部 件6具有多个在周向方向上的分布的轴向孔10，其与腔室4相通，与第一第二 实施例不同的是其不具有输出管路。冷空气从未被示出的增压空气冷却器中被 抽取，在超压下通过输入管路3导入腔室4,从腔室流过轴向孔10并冲击在面 向径向间隙14的压缩机叶轮1的后侧。在那冷空气从压缩机叶4仑吸收热量并接 着流出径向间隙进入工作介质的主流中。由此有利地是不仅压缩机叶轮后侧被 冷却，而且同时减小了泄漏流对来自主流的热压缩气4本的冲击。因为效率直接与来自增压空气冷却器的冷空气的吸收相结合，通过减少经 过本发明的涂层2的导出的热量以及减小所必需的与之相连的冷空气量，改善了压缩机的效率。图4图示了依据本发明的第四实施例的压缩机的部件。下面再次仅对与前述实施例的不同点进行详细说明，其余的特征参考前述说明。
不同于第三个实施例，根据第四实施例的压缩机在腔室4区域中具有曲径式密封件，曲径式密封件减少了径向间隙14中泄漏流的进入(参第二实施例)。在该曲径式密封件中，构造有圆周分布地多个周向方向上延伸的槽9，槽与腔室4相通。如同第三实施例，冷空气流过此槽，4妄着冲击压缩机叶專仑1的后侧，压缩机叶轮1的后側;波冷却并接着4皮导入到工作介质的主流中。通过在压缩机叶轮1和靠近压缩机叶轮的压缩机壳体11的部件6上构造的曲径式密封件以及压缩机叶轮l的旋转，在此区域通过槽9离开的流在冷空气上搅动，这提高了冷空气和压缩机叶4仑间的热传递并由此有利地大大加强了冷却，^吏在较少冷空气量的情况下本发明涂覆的压缩机叶轮的温度被保持在允许的最高温度例如200°C之下。冷空气量的减少再次提高了压缩机的效率。
权利要求
1.压缩机，尤其是离心式压缩机，用于具有压缩机叶轮(1)的涡轮增压机，其在压缩机壳体(11)中能旋转地被容纳，其中靠近压缩机叶轮的压缩机壳体的部件(6)被冷却流体通过，其特征在于，压缩机叶轮至少部分地具有减小热量输入的涂层(2)。
2. 根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，压缩机叶轮包括压缩机轮 毂和至少一个压缩机叶片(12)，其中压缩机轮毂和/或至少一个压缩机叶片至 少部分地具有减少热量输入的涂层。
3. 根据权利要求2所述的压缩机，其特征在于，减少热量输入的涂层仅仅 构造在面对;波压缩机压缩的工作流 <本的主流的压缩机的表面上。
4. 根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，减少热量输入的涂层从部 分叶片組的进口边缘(13)延伸至叶轮出口。
5. 根据前述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于，減少热量输入的涂 层包括陶瓷涂层。
6. 根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，陶瓷涂层通过热喷涂涂覆。
7. 根据权利要求5 — 6任一所述的压缩机，其特征在于，陶瓷涂层包括氧化 铝和/或氧化锆，尤其是钇固氧化锆。
8. 4艮据前述任一^又利要求所迷的压缩机，其特征在于，冷却流体流过压缩 机壳体中的腔室(4)。
9. 根据前述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于，冷却流体导入径向 间隙中，该径向间隙被构造在压缩机叶轮和压缩机壳体之间。
10. 根据前述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于，靠近压缩机叶轮的 压缩机壳体的部件(6)具有在冷却流体中热传导的散热片布置(7)。
11. 冲艮据前述任一权利要求所述的压缩机，其特征在于，靠近压缩机叶轮的 压缩机壳体的部件(6)具有密封泄漏流的曲径式密封件(8)。
12.根据前述任一权利要求所迷的压缩机的冷却方法，其特征在于，靠近压 缩机叶轮的压缩机壳体的部件被冷却流体流过。
全文摘要
压缩机，尤其是离心式压缩机，用于具有压缩机叶轮(1)的涡轮增压机，其在压缩机壳体中可旋转地被容纳，其中压缩机壳体的靠近压缩机叶轮的部件(6)被冷却流体流动通过。压缩机叶轮至少部分地具有减小热量输入的涂层(2)。
文档编号F02C6/12GK101631940SQ200780045671
公开日2010年1月20日 申请日期2007年10月10日 优先权日2006年10月12日
发明者F·沃德克, H·莫格尔, M·迈耶 申请人:曼柴油机欧洲股份公司