CN108368852B - 涡轮发动机或航空器的电动离心式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种特别用于涡轮发动机或航空器的电动离心式压缩机(10)，该压缩机包括电动马达，电动马达的定子由壳体(12)支撑并且电动马达的转子包括安装在所述壳体内部的轴，轴驱动离心式压缩机叶轮(44)，所述壳体具有双壳层并且包括两个基本上圆柱形的同轴的壳层，所述壳层围绕所述发动机延伸并且所述壳层在它们之间限定出适合于第一冷却空气流(66)流动穿过的环形部段，该环形部段的一个入口位于所述轴的第一纵向端部处并且该环形部段的出口连接至所述轴的第二纵向端部，轴支撑所述离形式压缩机叶轮。本发明的特征在于，压缩机包括用于在所述离心式压缩机叶轮的出口处收集第二空气流(72)的装置(J)、用于将所述第二空气流沿着所述轴引导至所述第一端部的装置、以及用于将所述第二空气流(78)排出所述壳体以防止所述第二空气流与所述第一空气流混合的装置(74，76)。

Description

涡轮发动机或航空器的电动离心式压缩机

技术领域

本发明特别涉及涡轮发动机或航空器的电动离心式压缩机。

背景技术

现有技术特别包括文献US-A-5,350,039、EP-A2-2 409 920和US-A1-2014/030070。

涡轮发动机具有多个部件并且可以包括电动离心式压缩机，该压缩机产生用于为燃料箱或加压舱室(例如航空器的机舱)提供动力的压缩空气流。

根据现有技术，这种类型的压缩机具有电动发动机，其定子由壳体支撑，并且其转子包括安装在壳体内部的轴，从而驱动离心式压缩机叶轮。

这种类型的压缩机的转子通常高速旋转，并且需要冷却以排出其产生的热能。已知的方法是为这种压缩机配备双壳层壳体。于是壳体具有围绕发动机延伸的两个基本上圆柱形且同轴的壳层，这两个壳层在它们之间限定出用于冷却空气流的环形流动路径。该流动路径基本上沿着轴的整个纵向长度延伸。该轴具有支撑压缩机叶轮的纵向端部和支撑通风轮的相反纵向端部，该通风轮迫使空气进入空气流动路径。

电动离心式压缩机接收两个空气流，第一空气流行进穿过用于冷却压缩机的流动路径，第二空气流驱动压缩机叶轮，两个空气流都是独立的。

这种类型的压缩机有以下缺点：

-电动发动机的轴具有两个出口，一个用于主压缩机叶轮，另一个用于附加的通风轮；

-该附加轮的大小取决于待排出的热功率；为了确定电动发动机的总功率，应该考虑压缩机的功率加上通风轮所需的附加功率；

-密封不良往往会导致两种空气流混合；特别是通风空气流可能会受到来自压缩机空气流的泄漏的污染，这转化为通风空气流的加热并且产生效率损失；

-通过第一空气流对压缩机发动机的冷却需要来自发动机轴的大量动力，特别是在高速下(压缩机叶轮的效率在高速下得到改善，而通风轮的效率在30000转每分钟及以上时，更确切地说，当冷却最重要时下降)。

关于现有技术，在许多情况下，这种类型的压缩机由在发动机周围的冷却回路中流通的液体冷却。该方案限制了航空器的使用条件(特别是在需要使用油的低温和低压下)，并增加了系统的复杂性：需要包含泵以使液体流通。由于冷却液体和泵通常已经可以获得，该方案广泛用于汽车工业。

发明内容

本发明为上述问题的至少一部分提供了简单、高效且廉价的方案。

为此目的，本发明提出了一种电动离心式压缩机，特别是用于涡轮发动机或航空器的电动离心式压缩机，其包括电动发动机，电动发动机的定子由壳体支撑并且电动发动机的转子包括安装在所述壳体内部的轴，所述轴驱动离心式压缩机叶轮，所述壳体具有双壳层并且包括两个基本上圆柱形的同轴的壳层，所述壳层围绕所述发动机延伸并且所述壳层在它们之间限定出适合于第一冷却空气流的环形流动路径，所述环形流动路径的一个入口位于所述轴的第一纵向端部处并且所述环形流动路径的出口连接至所述轴的第二纵向端部，所述轴支撑所述离心式压缩机叶轮，其特征在于，所述压缩机包括用于在所述离心式压缩机叶轮的出口处收集第二空气流的装置、用于将所述第二空气流沿着所述轴引导至所述第一端部的装置、以及用于将所述第二空气流排出所述壳体以防止所述第二空气流与所述第一空气流混合的装置。

为了冷却的目的，在压缩机叶轮的出口处收集的空气流沿着电动发动机轴被引导。因此应该理解的是，压缩机由在壳体的壳层之间流通的第一空气流以及沿着和围绕轴流通的第二空气流来冷却。与以前的技术相比，这种优化的冷却使得能够增加轴的旋转速度，例如高达150 000甚至170 000转每分钟。

此外，第二空气流的排出受到控制，这防止第二空气流与第一空气流混合，因此第一空气流不再被第二空气流加热。

根据本发明的压缩机可以包括单独或组合使用的以下特征中的一个或多个：

-所述流动路径的出口连接到所述离心式叶轮的空气入口；因此应该理解的是，第一冷却空气流被引导到压缩机叶轮，并且在所述叶轮的出口处，大部分出口流提供来自压缩机的主出口空气流，并且泄漏流形成第二冷却空气流，第二冷却空气流以来自压缩机的次级出口空气流的形式从外部排出，

-来自离心式压缩机的压缩空气被引导至例如位于第二端附近的(主)压缩空气出口。

-排出装置形成或包括例如位于第一端附近的(次级)通风空气出口，

-所述壳体被构造成将所述流动路径的出口连接到所述离心式叶轮的入口，

-压缩机包括与所述轴相交并固定到壳体的轴承，优选地为箔带轴承，由此所述第二空气流旨在在所述轴承和所述轴之间流通，

-所述轴包括插入在所述轴承的两个径向壁之间的径向轴环，

-所述排出装置包括构造成调节第二空气流的流量的喷嘴，

-所述壳体包括或支撑偏转器，该偏转器构造成分散所述第二空气流，以及

-罩壳在所述第一端部附近被安装并且被密封在所述壳体上并且被构造成防止所述第一空气流与所述第二空气流混合，

本发明还涉及涡轮发动机，特别是航空器的涡轮发动机或涉及航空器，其具有至少一个如上所述的压缩机，该压缩机例如用于为燃料箱提供动力或给舱室加压。

附图说明

通过阅读作为示例提供并且不限于此的以下描述，并且参考附图，本发明将被更好地理解，并且本发明的其他细节、特征和优点将被揭示，在附图中：

-图1和图2是分别从前部和后部示出的根据本发明的电动压缩机的示意性透视图；

-图3是图1和图2的压缩机的纵向横截面的示意图；

-图4是图1和图2的压缩机的电动发动机轴的示意性透视图；

-图5是图1和图2的压缩机的轴承和壳体的一部分的纵向横截面的示意性透视图；

-图6至图8是图1和图2的压缩机的轴承的示意性透视图；

-图9是图1和图2的压缩机的发动机的轴承和壳体的另一部分的纵向横截面的示意性透视图；以及

图10是对应于图3的视图并且示出了压缩机内部的空气流的视图。

具体实施方式

图1和图2示出了根据本发明的电动压缩机10的实施例，其中压缩机10用于航空领域，例如为燃料箱提供动力或给航空器机舱加压。

压缩机10包括壳体12，在该壳体内部尤其安装有图3所示的电动发动机14。

压缩机的壳体12具有沿着旋转或纵向轴线A的大致圆柱形形状。

壳体12包括电连接端子16，该电连接端子特别用于给发动机供电，并且在一些情况下用于给内部传感器供电。

壳体12包括侧面突片18，该侧面突片具有用于例如螺钉-螺母类型的附接装置的通孔。压缩机10由此通过其壳体12的突片18固定到涡轮发动机或航空器的元件。

壳体12限定有单个空气入口20和主压缩空气出口22，以及图3中示出的次级通风空气出口24。

空气入口20是轴向的并且位于壳体的纵向端部处，在此位于壳体的后端部处。空气入口的横截面的形状是圆形的。壳体12在其后端部处具有沿着轴线A的圆柱形边缘26，该圆柱形边缘围绕与边缘同轴的圆形罩壳28延伸。罩壳28具有比边缘26的内径小的外径，并且与边缘一起限定出用于第一空气流的流通的环形流动路径30，该第一空气流首先对压缩机进行冷却，然后被供应给压缩机。

主空气出口22相对于轴线A具有基本上径向的定向。主空气出口位于壳体的前端部附近，即与入口20相反。

次级空气出口24在图3中示出并且在下面进一步详细描述。

这里，参考图3。电动发动机14包括定子32和转子34。在所示的示例中，定子32包括固定在壳体内部的绕组36，该绕组沿壳体的纵向方向基本上位于壳体的中心。转子34包括沿着轴线A的轴38，该轴对借助于管状轴环42固定到轴的外周的磁体40进行支撑。

轴38在图4中更好地看到。轴具有沿着轴线A的细长形状，并且在其端部处包括离心式压缩机叶轮44。以已知的方式，叶轮44包括在此朝向前部定向的轴向入口和向外定向的径向出口。

磁体40和轴环42沿轴的纵向方向上基本上位于轴的中心。在叶轮44和磁体40之间，轴具有径向环形轴环46。

如图3中可见，转子34沿着壳体12的纵向尺寸的较大部分延伸。叶轮44位于与出口22相交的横向平面中，并由安装在壳体12内部并形成蜗壳入口的内部整流罩48围绕。整流罩48被固定到壳体12并密封压缩机的前端部的另一个前罩壳50围绕。

在此，壳体12是双壳层类型的并且具有两个圆柱形且同轴的壳层，分别是内壳层12a和外壳层12b。壳层基本上在壳体12的整个纵向尺寸上延伸。边缘26形成外壳层12b的后延伸部，并且前罩壳50的外周构造成横靠壳层12b延伸。后罩壳28的外周沿着内壳层12a延伸，并且整流罩48的外周沿着内壳层延伸。整流罩48在其中心部分呈大致C形并且位于与罩壳50相距一定距离处，使得限定在壳层12a、12b之间的环形流动路径30延伸并且以180°的角度转向压缩机叶轮44的入口。环形流动路径30变成整流罩48内部的圆柱形流动路径30’。整流罩48以很小的间隙围绕压缩机叶轮44并且与压缩机叶轮一起限定出流动路径，该流动路径也是环形的，空气通过该流动路径被压缩并排向出口22。

壳层12a、12b通过翅片52相互连接。压缩机10例如可以具有三个环形排的翅片。这些排可以纵向地间隔开，并且每一排的翅片优选地围绕轴线A均匀地分布。在此，中间排的翅片相对于前排和后排的翅片交错排列。

在叶轮出口与壳体之间，即在叶轮的外周与壳体之间存在间隙J。该间隙产生了泄漏，在此，该泄漏可以用于冷却轴承并防止轴承中存在停滞的空气。

转子34在壳体12内部通过轴承54、56、58被旋转地驱动，在此有三个轴承。轴承被构造为允许轴承和转子之间的空气沿着轴线A从前向后流通。轴承例如是箔带轴承，即轴承包括插入在轴承的本体和转子之间的金属箔带。

图5示出了壳体12的支撑轴承54的后部，这也在图6中示出。该轴承54包括具有前管状圆柱形壁54a和后径向壁54b的本体。轴承的本体例如通过螺钉固定至壳体。壁54a在其内圆柱表面上具有环形排的弯曲箔带60a，这些箔带限定出轴38的相应部分的滑动表面并在它们之间界定出纵向空气流通通道62b。壁54b在其后径向表面上具有环形排的平坦箔带60b，这些箔带限定出轴环46的径向滑动表面并在它们之间界定出径向空气流通通道62a。

轴环46轴向插入在壁54b和图7和图3所示的轴承56之间。轴承56具有径向壁，该径向壁被构造为被施加并固定到轴承54和壳体。该径向壁在其前径向表面上具有环形排的平坦箔带60b，这些箔带限定出轴环46的径向滑动表面并在它们之间界定出径向空气流通通道62a。

由此转子34借助于轴向围绕其轴环46的轴承54、56轴向地支撑在壳体12内部。

图9示出了壳体12的支撑轴承58的后部，这也在图8中示出。轴承58具有管状圆柱形壁并且在其内圆柱表面上包括环形排的弯曲箔带60a，这些箔带限定出轴38的相应部分的滑动表面并在它们之间界定出纵向空气流通通道62b。轴承54、58可以通过过盈配合安装在壳体内部。

图10示出了压缩机10内部的空气流的流通。箭头64示出了压缩机中的进入空气流。该空气流到达流动路径30中并且产生用于冷却压缩机特别是冷却其定子的空气流66。该空气流在壳层12a、12b之间流通到前罩壳50，在该前罩壳处偏转以形成供应压缩机叶轮的空气流68。叶轮44压缩空气流68并供应压缩空气流70，该压缩空气流通过蜗壳然后通过出口22离开压缩机。叶轮44在壳体12内部的组装构造成使得可以在叶轮44的出口处通过间隙J产生经校准的泄漏流。该泄漏流形成了在转子与轴承54、56、58之间流通、并且更具体地通过上述通道62a、62b流通的特别是用于转子的冷却空气流72。应该理解的是，空气：

-首先沿着轴38的在叶轮44和轴环46之间延伸的部分轴向地流通，

-然后沿着轴环的前表面径向向外流通，

-然后沿着轴环的后表面径向向内流通，

-沿着轴38的在轴环46和管状轴环42之间延伸的部分轴向地流通，

-在管状轴环和定子之间轴向流通，

-沿着轴38的位于管状轴环42后面的部分轴向地流通。

然后冷却空气到达轴38的与叶轮44相反的后端部。壳体12包括排出管道74，该排出管道74将空气引导到压缩机10外部。在所示的示例中，管道相对于轴线A大体上径向定向。管道的径向内端部位于轴38的后端部附近，并且管道的径向外端部通向壳体12的外圆柱形表面。

喷嘴76安装在管道74的径向外端部处并用于调节空气流排出口78的流量。该空气是热的，并且后罩壳28是密封的以防止空气泄漏以及与进入空气流或冷却空气流64、66混合。

如图10中可见，喷嘴76被定向为使得空气流78被朝向偏转器80引导。偏转器由固定到壳体上的金属片形成并且被构造为分散空气流并使其减慢。在此，金属片具有自由弯曲端部，其下表面被构造成接收空气流78的冲击。偏转器80也在图1中示出。

Claims (14)

1.电动离心式压缩机(10)，包括电动马达(14)，所述电动马达的定子(32)由壳体(12)支撑并且所述电动马达的转子(34)包括安装在所述壳体内部的轴(38)，所述轴驱动离心式压缩机叶轮(44)，所述壳体具有双壳层并且包括两个基本上圆柱形的同轴的壳层(12a，12b)，所述壳层围绕所述电动马达延伸并且所述壳层在它们之间限定出适合于第一冷却空气流(66)流通的环形流动路径(30)，所述环形流动路径的一个入口位于所述轴的第一纵向端部处并且所述环形流动路径的出口连接至所述轴的第二纵向端部，所述轴支撑所述离心式压缩机叶轮，其特征在于，所述压缩机包括用于在所述离心式压缩机叶轮的出口处收集第二空气流(72)的装置(J)、用于将所述第二空气流沿着所述轴引导至所述第一纵向端部的装置、以及用于将所述第二空气流(72)排出所述壳体以防止所述第二空气流与所述第一冷却空气流混合的排出装置(74，76)。

2.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其中，所述流动路径(30)的出口连接到所述离心式压缩机叶轮(44)的空气入口。

3.根据权利要求2所述的压缩机(10)，其中，所述壳体(12)被构造成将所述流动路径(30)的出口连接到所述离心式压缩机叶轮(44)的入口。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩机(10)，其中，所述压缩机包括与所述轴(38)相交并固定到所述壳体的轴承(54，56，58)，由此所述第二空气流(72)旨在在所述轴承和所述轴之间流通。

5.根据权利要求4所述的压缩机(10)，其中，所述轴(38)包括插入在所述轴承(54，56)的两个径向壁之间的径向轴环(46)。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩机(10)，其中，所述排出装置包括被构造为调节所述第二空气流(72)的流量的喷嘴(76)。

7.根据权利要求6所述的压缩机(10)，其中，所述壳体(12)包括或支撑被构造成分散所述第二空气流(72)的偏转器(80)。

8.根据权利要求7所述的压缩机(10)，其中，罩壳(28)在所述轴(38)的所述第一纵向端部附近被安装并且被密封在所述壳体(12)上并且被构造成防止所述第一冷却空气流(66)与所述第二空气流(72)混合。

9.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其中，所述压缩机是用于涡轮发动机的压缩机。

10.根据权利要求1所述的压缩机(10)，其中，所述压缩机是用于航空器的压缩机。

11.根据权利要求4所述的压缩机(10)，其中，所述轴承为箔带(60a，60b)轴承。

12.涡轮发动机，包括至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的压缩机(10)，所述压缩机用于为燃料箱提供动力或给舱室加压。

13.根据权利要求12所述的涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机是航空器的涡轮发动机。

14.航空器，包括至少一个根据权利要求1至11中任一项所述的压缩机(10)，所述压缩机用于为燃料箱提供动力或给舱室加压。

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