CN1493790A - 用于旋转式压缩机械的径向流内置中冷器 - Google Patents

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史蒂文·P·梅申基
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Abstract

本发明涉及一种效率提高的旋转机械，其带有一安装了压缩机叶轮(20)的旋转轴(18)，压缩机叶轮将气体排送到一换热器(36)中，换热器具有一芯体(82)，芯体具有一中央孔(42)，其环绕着旋转轴(18)。换热器(36)包括一个位于芯体(82)一侧的冷却剂联箱(90)，其与芯体相通，该联箱作为径向延伸空间(68)的一个边界，被压缩机叶轮(20)排送出的气体流经该空间(68)。一消涡流叶片结构(80)使压缩机叶轮(22)排出的气体在空间(68)内沿径向向外流动，叶片是由具有良好导热性的材料制成的，并与联箱(90)热桥接，以向其传导热量，该热量再被排放到联箱内的冷却剂中。

Description

用于旋转式压缩机械的径向流内置中冷器
技术领域
本发明涉及一种换热器，该换热器被用作旋转式压缩机的中间冷却器，其中的旋转式压缩机例如是用于发动机的涡轮增压器或增压压气机。
背景技术
在发动机—尤其是内燃机上使用涡轮增压器或增压压气机等燃用空气增压器已经有很多年的历史了。在采用涡轮增压器的情况中，由发动机的废气来驱动至少一台旋转式压缩机的叶轮。在采用增压压气机的情况中，用机械方法—通常是利用发动机的转动输出来驱动至少一台旋转式压缩机的叶轮。在这两种情况下，压缩机叶轮用于对尚未进入到发动机中的环境空气进行压缩，以促进发动机中的燃烧。由于空气被压缩了，给定体积的压缩空气将比处于大气压力的相同体积空气含更多摩尔量的氧气。结果就是，另加的氧气允许更多量的燃料参与燃烧，从而，对于给定尺寸的动力设备，通过对燃烧所用的空气进行增压，可获得更高的功率输出。
经过一些年后，人们发现通过采用所谓的中冷***可提高这种燃用空气增压装置的效率。由于空气在被压缩时会被加热，本来通过采用燃用空气增压器—即通过增大发动机进气的压缩密度而所能获得效率中的一部分就会丧失掉，原因在于：在相同的压力下，一定体积的热压缩空气将比相同体积的较冷压缩空气所含的氧气较少。因而，对于给定的压力，较冷的燃用空气进气相比于处于相同压力、但温度较高的相同进气，当进入到发动机中进行燃烧时，能使发动机产生更高的功率。
因而，采用了上述提到的中冷器，用于在空气从燃用空气增压器排出之后、进入到发动机中之前对其进行冷却，从而在任意给定的压力上都能提供最大摩尔含量的氧气。
在许多情况中，中冷器被设计成普通的矩形换热器，该换热器与用于对发动机冷却液进行冷却的常见换热器并排安装，或者安装在冷却液换热器的前方或后方。尽管这样的布置方式足以胜任对压缩后燃用空气的冷却，但在发动机舱(例如在车辆上)中所能允许的尺寸和体积方面，这样的布置受到一定的限制，此时，发动机舱既要容纳下发动机，也要包容住用于进行冷却的各种换热器。另外，还需要大量的软管连接件，用于将涡轮增压器、中冷器、以及发动机燃用空气的进气道连接起来，由于压缩空气的密度低—从而体积大，所以，这样作必然需要直径较大的软管。
因而，已经有人提出这样的方案：将中冷器集成到燃用空气增压器本体上，从而可获得更为紧凑的燃用空气增压—中冷***，并在尽可能的程度上避免庞大的软管连接件。本发明的目的是将中间冷却换热器以这样的方式合并到燃用空气增压器中：使设备易于维护；只需要很少的连接管路；且不会使燃用空气增压器的体积增得过大；与此同时，能在最大程度上对压缩后的燃用空气进行冷却。
本发明致力于提供一种有利的技术方案，来解决那些要被设置在旋转式压缩机械内部的中冷换热器所存在的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种改进后的新型旋转式压缩机械，其带有中间冷却***，用于对压缩后的空气进行冷却。更具体来讲，本发明的目的是提供一种改进的旋转式压缩机，其带有一个内置的中冷器，该中冷器相比于现有的此类***，其结构更为紧凑、更易于进行维护、和/或需要很少的连接管路、并使对空气的冷却过程达到最大效率。
根据本发明的一个方面，本发明一示例性的实施方式通过提供了一种旋转机械而实现了上述的一个或多个目的，其中的旋转机械包括：一可转动的轴杆，该轴杆上具有至少一个压缩机叶轮；一壳体，其容纳着压缩机叶轮，并具有一个通向压缩机叶轮的入口，且具有一个出口。一换热器被设置在壳体内，其位于压缩机叶轮与出口之间。换热器包括一芯体，该芯体具有一气体流道，该流道基本上是沿径向扩展的，芯体还具有一进气口，其与压缩机叶轮保持流通，并具有一排气口，其与壳体的出口流通。在换热器中设置一冷却剂流道，该流道与气体流道进行热交换，其尺度范围基本上是在轴向上。换热器具有环室状芯体，芯体内设有各条流道，芯体与杆轴基本上是同心的。芯体的侧面设置了轴向间隔开的环室状联箱，其中一个这样的联箱作为被压缩机叶轮排出的压缩后空气在径向向外方向上流动时的边界。本发明构思了这样的设计：联箱是导热性的，且安装在压缩机叶轮出口附近区域的普通消涡流叶片与该联箱热桥接，从而，叶片除了具有消除涡流的通常功能之外，还起到翅片的作用，压缩后空气的热量被排向该翅片，并最终通过联箱传导到冷却剂中，由此可增大压缩后气体向冷却剂的传热量。
在一优选实施例中，所述叶片是一金属叶片结构的部件，叶片结构利用冶金的方法粘接到联箱上。
在一高度优选的实施方式中，所述旋转机械是一涡轮增压器或一增压压气机，所述换热器作为燃用空气的中冷器。
在本发明的一实施例中，叶片结构包括多个沿圆周方向间隔设置的叶片，叶片被接合到联箱上。
本发明构思了这样的设计：换热器具有一径向外周面，该周面位于壳体的内侧，并与之相间隔，芯体在径向外周部上具有一进气口，用于接纳已流经叶片结构后的排流气体。
从下文结合附图所作的具体描述，可更清楚地理解本发明其它的目的和优点。
附图说明
图1是一个略带示意性质的剖面图，表示了根据本发明制出的一种旋转式机械—具体而言，该旋转机械为一涡轮增压器；
图2是一分解视图，表示了根据本发明所制换热器的一个扇段；
图3是与图2类似的分解图，表示了本发明的另一实施例；以及
图4是与图2、3类似的分解图，表示了本发明的又一实施例。
具体实施方式
本文所公开的本发明示例性实施例被具体地描述为一种燃用空气增压器，该增压器例如是一个两级涡轮增压器。但可以领会：除了后附权利要求书中所叙述的内容之外，本文的描述只是为了进行举例说明，而并非限定为燃用空气增压器、或者限定为涡轮增压器，也不受压缩机具体级数的限制。例如，本发明可被有效地应用到具有旋转压缩机叶轮的任何类型旋转机械中—只要压缩机叶轮排出的压缩空气在被用于其它工作之前需要进行冷却即可。本发明既可被有效地应用到单级涡轮增压器、以及多级涡轮增压器中，也可被用到单级或多级的增压压气机中。
除了一个特征之外，对换热器的具体类型再无其它的限定，这个特征是指：采用了与压缩机叶轮相连接的消涡流叶片，其作为换热器通向联箱的导热桥。但是，对于要被用在旋转机械中的换热器的细节结构，可参见与本发明属于同一受让人—Meshenky等人的、于2002年9月20日提交的第10/251537号(代理人注册号第655.01037)的待结申请，该申请的名称为“用于燃用空气增压器的、内部安装的径向流中冷器”，其所公开的全部内容都被结合到本文中作为参考。在上述内容的基础上，可针对图1展开讨论，图1中表示了本发明的旋转机械，为了便于对本发明的示例性实施方式进行介绍，该旋转机械被表示成了一台两级涡轮增压器。
可以看出：所示出的本发明实施例包括一壳体，该壳体总体上用标号10指代，其是由至少两个可分开的部分组成的，这两个部分分别被标为12、14。一旋转轴杆18通过合适的轴承(图中未示出)滑架在壳体10中。在所示的实施例中，转动轴上安装着一第一压缩机叶轮20、一第二压缩机叶轮22以及涡轮24，其中涡轮24也被安装在一壳体(图中未示出)中。如图中的箭头26所示，涡轮24由内燃机的废气驱动，从而带动轴杆18。作功后的废气如图中的箭头28所示那样从涡轮24中排出。
壳体12上包括一环境空气入口30，而壳体14则具有一个压缩空气出口，在图中，该出口由一个箭头32示意性的指代。入口30通向压缩机叶轮20的入口侧，而在压缩机叶轮22的出口一侧，出口32从一蜗壳通到外部，其中的蜗壳在图中用标号34示意地指代。
根据本发明制出的换热器总体上用标号36指代，其被布置到两壳体12、14中，此处，两壳体利用图中示意地表示出的可拆卸紧固件38而接合到一起。该换热器36为环室形状或环体形状，并具有位于径向外侧的圆柱面40，该圆柱面形成了一进气口，用于使空气可流经该换热器36。位于径向内侧的圆柱面42构成了换热器36的空气出口。
换热器的两侧上设置有第一入口/出口端盖-联箱(其总体上用标号44指代)以及一再定向端盖-联箱(其总体上用标号46指代)，第一入口/出口端盖-联箱在换热器36位于壳体14中的那一侧上，而再定向端盖-联箱则处于换热器36位于壳体12中的那一侧上。在壳体14中设置了一冷却剂总管48，其位于蜗壳34的一侧，并处于蜗壳34径向外侧部件的径向内侧。总管48被一内部腹板或隔板50分隔成一个位于径向内侧的总管部分52、以及一个位于径向外侧的总管部分54。***设置了一个冷却剂入口，其在图中由一个箭头56示意性代表，箭头56延伸向位于径向内侧的总管部分52，***还设置了一个冷却剂出口，其由箭头58示意性的代表，该箭头延伸向径向外侧总管部分54。利用下文将要详细描述的结构，冷却剂-例如内燃机所用的冷却液经入口56进入到涡轮增压器中，并流到径向内侧总管部分中，在入口/出口端盖-联箱44的径向内侧部位，冷却剂从该总管部分流入到端盖-联箱44中，并沿轴向流过换热器36而到达再进入端盖-联箱46处，在此处，冷却剂的流向被折返，流经换热器36的径向外侧部分而流回到入口/出口端盖-联箱44中。从端盖-联箱44，冷却剂被排出到径向外侧的总管部分54中，从而被排流到冷却剂出口58处。冷却剂这样的流动方式可用箭头60、62、64依次地表示出。入口/出口端盖-联箱44中的一隔板65可保证冷却剂入流和出流的相互隔离。
流经涡轮增压器的气流如下所述。环境空气进入到入口30中，并流到压缩机叶轮20的入口侧。随着压缩机叶轮20被涡轮24带动着进行转动，空气就被压缩了，并如箭头66所示那样，以升高的压力从压缩机叶轮20的径向外周部排出。压缩后的空气继续沿径向向外侧流动，流过壳体12与换热器36之间的环形空间68，该空间在部分上是由再进入端盖-联箱46、一径向隔板70以及一轴向隔板72围成的，径向隔板从再进入端盖-联箱46沿径向向内侧延伸，而轴向隔板72则从隔板70上位于径向最内侧的部位沿轴向延伸，以便于能安装到壳体12的某一部位(图中未示出)上，该部位接近于压缩机叶轮20。
换热器36的径向外侧面或周面40位于壳体12、14的径向内侧，并与之分离开，从而允许被压缩机叶轮20压缩后的空气能如箭头74所示那样被再定向，并在换热器36的径向外周部40处进入到换热器36中。然后，空气沿径向向内的方向流经换热器36，并被如上文所述那样沿轴向流经换热器36的冷却剂所冷却。然后，如箭头76所示那样，冷却后的压缩空气被从换热器中排流到压缩机叶轮22的入口侧，在该叶轮中，空气被进一步压缩，然后如箭头78所示那样，排流到蜗壳34中。然后，作为压缩后燃用空气的压缩空气被排到内燃机中，以向发动机中燃烧提供空气。如果希望的话，在压缩机叶轮22和发动机之间也可设置另一冷却级。作为备选方案，如上文所提到的那样，在一单级涡轮增压器中，压缩机涡轮22可被略去，在此情况下，从换热器36径向内侧周面排出的空气被直接排到蜗壳34中。
应能理解：为空气、冷却剂所设置的很多管路都被收容到了涡轮增压器自身中，从而可形成结构紧凑的组件，并使管路损失减到最小。例如，完全避免了为将压缩机与外部换热器连接起来、需要设置大直径外部软管的问题。
如所公知的那样，通常在空间68中以环形阵列的形式设置一些消涡流叶片，被压缩机叶轮20排出的空气在此处基本上沿径向向外移动。由于压缩机叶轮20的旋转运动，压缩后的气体也带有一个涡旋运动，而在许多工作中，希望能将该涡旋运动减到最小、甚至于将其消除，为此而设置了消涡流叶片80。下面参见图2和图3，且具体参见图2，可看出换热器36包括一芯体82，该芯体是由多个翅片84组成的，多条管道86延伸穿过翅片，并被置于相互间隔开的端盖板88上的管孔(图中未示出)中，图中只表示出了其中一块端盖间隔板88。
一端盖板88构成了再进入端盖-联箱组件46的一个部件，组件46具有一金属联箱90，该联箱沿端盖板88的周边对其进行了密封，从而形成一冷却剂容纳腔。一联箱92构成了入口/出口端盖-联箱44的一个部件，其被抵接并密封到另一端盖板88上，该端盖板88位于芯体82上与所表示出的端盖板相反的那一侧。隔板65位于其中一个端盖板88上，该端盖板与入口/出口端盖-联箱44相对应，并要被抵接到该端盖-联箱上，隔板65用于分隔位于总管48相对两侧的两个端口96、98。
消涡流叶片结构80包括多个总体上沿径向延伸的叶片102，这些叶片以紧密的间距相互间隔着，并作为通向联箱90的导热桥，叶片组件80一般被铜焊到该联箱上。叶片102的结构可以是任何理想的形式，从而能使气流具有理想的特性，并在叶片102的径向外端104处形成流路。
在图2中，只表示出了换热器36的一个扇段，该换热器还具有另外两个这样的扇段，从而形成一个圆筒形的换热器。但是，如果希望的话，也可将该换热器制成一个整体件，例如，在上文提到的Meshenky等人的申请中就采用了整体式的换热器。
图3是与图2类似的视图，下文将不对两图中共有的构件进行重复描述，且在图3中，为了简明起见而未表示出各条管道。
在图3中，表示了叶片组件80的另一种结构。该叶片组件80为弯形褶扇的形状，其是利用冲压等工艺制成的，且同样利用铜焊等方式与联箱90实现热桥接。
这样，褶扇112就形成了多个相互连接着的叶片113。
在某些实例中，叶片结构80是由单独的叶片116构成的，这些叶片具有理想的空气动力学形状，从而使气流具有合适的流型。这些叶片被表示在图4中的下部，各个独立的叶片116相互间隔开，且也与联箱90进行热桥接。
具体来讲，如图4所示，叶片116被安装到一板体118上，或与该板体制为一体，而该板体再反过来利用铜焊与联箱实现热桥接。但是，也可以将叶片116直接铜焊到联箱90上，甚至可以在联箱90上与端盖板88(在图4中未示出)相反的壁板120上机加工出叶片。
在所有的情况下，叶片组件80优选为是用具有良好导热性的金属制成的，并要确保其可被接合到联箱90上，从而当换热器被安装到旋转机械中时，叶片将占据空间68，从而提供所需的消除涡流作用。
最后，在多级旋转机械中，第一压缩级之后另一级的压缩机叶片可被安装到入口/出口端盖上，且如果需要联箱44的话，可通过对总管48进行改造而形成。
本领域技术人员可从上文的描述领会到：按照本发明的设计，可增强热量交换，原因在于：在旋转机械工作过程中，冷却剂将进入到联箱90中，而叶片组件80则位于空间68(见图1)中，使得气体沿径向向外的方向流经该组件，从而被消除了涡旋运动。另外，由于金属联箱90和叶片组件80均具有良好的导热性，从压缩机叶轮20(见图1)排出的压缩空气所带的热量就会被排给叶片组件80，再由该组件传导给联箱90，然后再传递给联箱中所容纳的冷却剂。这样，叶片组件其起到了散热翅片的作用，增大了换热器36气体一侧的表面积，从而对芯体82中发生的冷却作用提供补充。结果就是，相比于不进行冷却的情况，在换热器36的径向内侧周面42处，流经换热器后的压缩气体被冷却到较低的温度，并变得更加致密。在燃用空气增压器的情况下，这就意味着给定体积的燃用空气将含有更多的氧气，由此可向该旋转机械所对应发动机内的燃烧提供更多的氧气。这样就可以提高发动机的功率输出。在其它的旋转机械中，将气体的密度增大可减小换热器36中的压力损失，从而提高总循环效率。
因而，通过一个简单的便利措施：采用既具有消涡流作用、又具有热冷却作用的叶片组件80，可提高效率。

Claims (8)

1.一种旋转机械，其具有：一旋转轴杆，该轴杆上安装有一个压缩机叶轮；一壳体，其容纳着压缩机叶轮；一气体入口，其位于所述壳体中，并与压缩机叶轮的一端相通；一沿径向延伸的环形空间，其位于所述壳体内，并处于与所述压缩机叶轮相反的一端；一环室状的换热器，其位于所述壳体内，并具有一带有中央孔的芯体，其中的中央孔环绕着所述轴杆，芯体一侧具有一冷却剂联箱，其与所述芯体流体相通，所述冷却剂联箱的特征在于其作为所述径向延伸空间的一个边界；一消涡流叶片结构，其位于所述径向延伸空间内，用于使所述压缩机叶轮排出的气体在所述空间内沿径向向外移动，所述叶片结构是由导热性良好的材料制成的，并与所述联箱进行热桥接，以便于向其传导热量，该热量被排到所述联箱内的冷却剂中，由此，所述叶片结构(a)对于所述排出气体而具有消除涡流的功能，而且(b)还形成了一条导热路径，用于将所述排出气体释放的热量传递给所述联箱内的冷却剂。
2.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于：所述联箱和所述叶片结构是金属质的，并利用冶金的方法接合到一起。
3.根据权利要求2所述的旋转机械，其特征在于：所述旋转机械是一涡轮增压器或增压压气机，所述换热器作为燃用空气的中冷器。
4.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于：所述叶片结构包括多片沿周向间隔布置的叶片，叶片被接合到所述联箱上。
5.根据权利要求1所述的旋转机械，其特征在于：所述换热器具有一个位于径向外侧的周面，其位于所述壳体的内部，并与之间隔开，在所述径向外侧周面上，所述芯体具有一进气口，用于使所述排出气体在流经所述叶片结构之后由此流入。
6.一种旋转机械，其具有：一旋转轴杆，该轴杆上安装有一个压缩机叶轮；一壳体，其容纳着压缩机叶轮；一气体入口，其位于所述壳体中，并与压缩机叶轮的一端相通；一沿径向延伸的环形空间，其位于所述壳体内，并处于与所述压缩机叶轮相反的一端；一环室状的换热器，其位于所述壳体内，并具有一带有中央孔的芯体，其中的中央孔环绕着所述轴杆，芯体一侧具有一冷却剂联箱，其与所述芯体流体相通，所述芯体具有一个位于径向外侧的周面入口，其位于所述壳体的内部，并与之间隔开；以及多片位于所述径向延伸空间内的金属叶片，用于使所述压缩机叶轮排出的气体按照预定的流型沿径向向外流向所述周面入口，其特征在于：所述冷却剂联箱作为所述径向延伸空间的一个边界，且所述叶片利用冶金的方法接合到所述联箱上，从而形成一导热通路，用于将所述排出气体释放的热量传递给位于所述联箱内的冷却剂。
7.根据权利要求6所述的旋转机械，其特征在于：所述的多片叶片构成了一叶片组件的部件，该叶片组件利用冶金的方法接合到所述联箱上。
8.根据权利要求6所述的旋转机械，其特征在于：所述多片叶片是相互独立的叶片，每一叶片都利用冶金的方法接合到所述联箱上。
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