涡轮增压器和内燃发动机的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种涡轮增压器和内燃发动机，所述涡轮机壳体包括气体入口通道。涡轮机叶轮具有多个叶片且布置在涡轮机壳体中。轴承壳体连接到涡轮机壳体。轴可旋转地支撑在轴承壳体中并且连接到涡轮机叶轮。护罩布置成与涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系，所述护罩布置成与涡轮机壳体成间隔关系，且不与涡轮机壳体接触。紧固系统相对于轴承壳体将护罩固定。所述紧固系统配置为当在所述护罩上相对所述涡轮机叶轮与所述护罩接触的至少一部分施加作用力时断裂。当保险螺栓剪切断裂时，产生克服护罩的旋转惯性所需的加速度又将吸收涡轮机叶轮出现故障时所产生的惯性能量，因而能够防止故障进一步地扩展。
【专利说明】
涡轮増压器和内燃发动机
技术领域
[0001]本实用新型总体涉及用于与内燃发动机一起使用的涡轮增压器，且更具体地涉及用于涡轮增压器的涡轮机叶轮的容纳结构。
【背景技术】
[0002]内燃发动机被供应有空气和燃料的混合物，用于在产生机械动力的发动机内燃烧。为了最大化由这种燃烧过程产生的动力，发动机通常配备有涡轮增压进气系统。涡轮增压进气系统包括涡轮增压器，其使用来自发动机的排气以压缩流入发动机中的空气，从而促使发动机比自然进气吸入更多量的空气进入发动机的燃烧室中。这种空气量增加使燃料量相应增加，导致发动机动力输出功率增加。
[0003]涡轮增压器通常包括压缩机壳体中安装于单个轴的一端上的压缩机叶轮和涡轮机壳体中安装于轴的另一端上的涡轮机叶轮。通常，涡轮机壳体与压缩机壳体单独形成。轴承壳体连接在涡轮机与压缩机壳体之间，用于容纳轴的轴承。涡轮机壳体接收来自发动机的排气并且将其引导到由排气驱动的涡轮机叶轮。涡轮机组件因此从排气中获取动力并且驱动压缩机。
[0004]涡轮机叶轮通常由极高密度材料制成并且在涡轮增压器的工作期间以极高转速旋转。为了限制对涡轮增压器和发动机的损坏，通常采取措施来尝试在涡轮机叶轮在涡轮增压器的工作期间出现故障的情况下容纳涡轮机叶轮的碎片。一种这样的措施是厚壁的围绕涡轮机叶轮的重型壳体。然而，这些加厚壳体相对昂贵并且会使涡轮增压器显著增重。
【实用新型内容】
[0005]在一方面，本实用新型描述了一种包括具有气体入口通道的涡轮机壳体的涡轮增压器。涡轮机叶轮具有多个叶片并且布置在涡轮机壳体中。轴承壳体连接到涡轮机壳体，且轴可旋转地支撑在轴承壳体中并且连接到涡轮机叶轮。护罩布置成与涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系。护罩布置成与涡轮机壳体成间隔关系并且不与涡轮机壳体接触。紧固系统相对于轴承壳体将护罩固定。所述紧固系统配置为当在所述护罩上相对所述涡轮机叶轮与所述护罩接触的至少一部分施加作用力时断裂。
[0006]进一步包括被固定到所述轴承壳体的隔热罩，且其中所述紧固系统将所述护罩固定到所述隔热罩。
[0007]所述紧固系统包括多个保险螺栓。
[0008]进一步包括插在所述护罩与所述隔热罩之间的喷嘴环，所述喷嘴环设置在所述涡轮机叶轮周围并且包括具有流动通道的多个轮叶，所述流动通道被限定在所述轮叶之间，所述轮叶与所述气体入口通道和所述涡轮机叶轮流体连通。
[0009]所述喷嘴环与所述护罩整体成型。
[0010]由所述轮叶限定的所述流动通道配置成朝所述涡轮机叶轮的内部直径切向和径向向内引导气体，且所述护罩配置成限定与所述气体入口通道和所述流动通道连通并且在基本上平行于所述涡轮机叶轮的旋转轴线的方向上延伸的流动路径。
[0011]所述护罩配置成当所述紧固系统断裂时可相对于涡轮机壳体旋转。
[0012]每一个保险螺栓具有相关联的弹簧垫圈。
[0013]每一个保险螺栓在所述护罩与所述涡轮机壳体之间的第一端处以及在所述隔热罩与所述轴承壳体之间的第二端处被接收。
[0014]在另一方面，本实用新型描述了一种用于驱散由于涡轮增压器中的旋转涡轮机叶轮的故障产生的能量的方法，涡轮机叶轮布置在涡轮机壳体中并且连接到可旋转地支撑在轴承壳体中的轴。所述方法包括将护罩布置成与涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系的步骤，护罩布置成与涡轮机壳体成间隔关系并且不与涡轮机壳体接触。护罩相对于轴承壳体采用紧固系统固定，紧固系统配置成在力被施加在对应于接触护罩的涡轮机叶轮的至少一部分的护罩上时断裂。护罩配置成当紧固系统断裂时相对于涡轮机壳体旋转。
[0015]在又一方面，本实用新型描述了一种内燃发动机，其具有形成于气缸体中的多个燃烧室、设置成为燃烧室提供空气或空气与排气的混合物的进气歧管以及设置成从燃烧室接收排气的排气歧管。内燃发动机进一步包括具有气体入口通道的涡轮机壳体以及具有多个叶片并且布置在涡轮机壳体中的涡轮机叶轮。轴承壳体连接到涡轮机壳体。轴可旋转地支撑在轴承壳体中并且连接到涡轮机叶轮。护罩布置成与涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系，护罩布置成与涡轮机壳体成间隔关系并且不与涡轮机壳体接触。紧固系统相对于轴承壳体将护罩固定，紧固系统配置成在力被施加在对应于接触护罩的涡轮机叶轮的至少一部分的护罩上时断裂。
[0016]当保险螺栓剪切断裂时，产生克服护罩的旋转惯性所需的加速度又将吸收涡轮机叶轮出现故障时所产生的惯性能量。通过将护罩设置为旋转所吸收的能量和护罩在涡轮机壳体上的制动作用可帮助减小涡轮机叶轮破损和/或通过涡轮机壳体脱开的可能性，以防止故障进一步的扩展。
【附图说明】
[0017]图1是根据本实用新型的内燃发动机的框图。
[0018]图2是根据本实用新型从涡轮增压器的侧面透视的概括视图。
[0019]图3是穿过图2中所示的涡轮增压器的中心的局部视图。
[0020]图4是图2中所示的涡轮增压器的涡轮机组件的截面详图。
[0021]图5是图2中所示的涡轮增压器的涡轮机组件的另一个截面详图。
[0022]图6是图2中所示的已移除涡轮机壳体的涡轮增压器的涡轮机组件的截面的透视图。
[0023]图7是图2中所示的涡轮增压器的涡轮机组件的喷嘴环和涡轮机叶轮的截面图。
[0024]图8是图2中所示的通过径向十字键销截取的涡轮增压器的涡轮机组件的截面图。
【具体实施方式】
[0025]本实用新型涉及一种改进的涡轮增压器，其结合内燃发动机使用，以促进发动机的有效工作以及涡轮增压器稳定和可靠的工作。图1示出了发动机100的简化框图。发动机100包括容纳多个燃烧气缸106的气缸箱体104。在所示实施例中，六个燃烧气缸以直线式或“I”型配置示出，但是可以使用布置成不同配置，诸如“V”型配置的任何其它数量的气缸。多个气缸106经由排气阀(未示出)流体连接至第一排气管道108和第二排气管道110。第一排气管道108和第二排气管道110中的每一个都连接至涡轮增压器119的涡轮机组件120。在所示实施例中，涡轮机组件120包括具有气体入口 124的壳体122，其流体连接至第一排气管道108和第二排气管道110并布置成接收来自它们的排气。提供给涡轮机组件120的排气使连接至轴126的涡轮机叶轮(未在图1中示出)旋转。排气通过出口 128排出涡轮机组件120的壳体122。在出口 128处的排气在通过排烟管或尾管134排放至环境之前，可选地经过其它排气后处理部件和系统，诸如机械地和化学地从排气流除去燃烧副产物的后处理装置130，和/或减弱发动机噪声的消声器132。
[0026]轴126的旋转使压缩机组件136的压缩机叶轮(未在图1中示出)旋转。如图1所示，压缩机组件136可以是配置成通过压缩机入口 140接收来自空气过滤器138的新鲜、过滤空气流的径向式、混合流式或轴向式压缩机。在压缩机组件136的出口 142的加压空气在提供给发动机100的进气歧管148之前，经由增压空气管道144引导到增压空气冷却器146。在所示实施例中，来自进气歧管148的空气输送到各个气缸106，在其中空气与燃料混合并燃烧以产生发动机动力。
[0027]图1中标记102为排气循环(EGR)系统，可选的EGR系统102包括流体连接至第一排气管道108的EGR气体供应端口 152的可选EGR冷却器150。来自第一排气管道108的排气流可以经过EGR冷却器150，其中气体在经由EGR管道156输送至EGR阀154之前被冷却。EGR阀154可以是电子控制的并且配置成计量或控制经过EGR管道156的气体流量。EGR阀154的出口流体连接至进气歧管148，以使得来自EGR管道156的排气可以与来自发动机100的进气歧管148内的增压空气冷却器146的压缩空气混合。
[0028]通常称为背压的在第一排气管道108处的排气压力高于环境压力，部分是由于涡轮机组件120所呈现的流动限制。由于同样的原因，在第二排气管道110中出现了正背压。通常称为增压压力的进气歧管148中的空气或空气/EGR气体混合物的压力也由于压缩机组件136提供的压缩而高于环境压力。在很大程度上，与EGR系统102的部件的流动限制和流动面积连通的背压与增压压力之间的压力差，决定了可以在各种发动机工作条件下实现的EGR气体的最大流量。
[0029]图2示出了涡轮增压器119的概括视图，并且在图3中示出了局部视图。参照这些附图，以及在以下的说明中，为简明起见，与已经描述的相应结构和特征相同或类似的结构和特征有时可以用之前所用的相同标记符号表示。如图所示，涡轮机组件120连接至轴承壳体202。轴承壳体202围绕轴126的一部分并包括设置在轴承壳体202内形成的润滑腔体206内的轴承242和轴承243。润滑腔体206包括润滑油入口端口 203和润滑油出口开口 205，其容纳润滑流体流，例如发动机润滑油，以当轴126在发动机工作期间旋转时，流过其中以润滑轴承242和轴承243。
[0030]轴126的一端连接到涡轮机叶轮212，并且另一端连接到压缩机叶轮213。涡轮机叶轮212配置成在连接到轴承壳体202的涡轮机壳体215内旋转。压缩机叶轮213设置成在压缩机壳体217内旋转。涡轮机叶轮212包括多个围绕轮毂216径向布置的叶片214。轮毂216连接到轴126的一端。在所示实施例中，涡轮机叶轮212通过焊接连接在轴126的所述端处，但其它的方法，诸如通过使用紧固件，可用于将涡轮机叶轮连接到所述轴。涡轮机叶轮212可旋转地设置在限定在涡轮机壳体215内的排气涡轮机喷嘴230之间。如下文进一步所述，涡轮机喷嘴230在相对于轴126和叶片214的基本径向向内和轴向方向上将排气提供给涡轮机叶轮122，以使得涡轮机组件120是混合的流动涡轮机，这意味着，排气在径向和轴向两个方向上提供给涡轮机叶轮。经过涡轮机叶轮212的排气经由出口孔234排出涡轮机壳体215，该出口孔234在壳体中形成并流体地连接到涡轮机组件出口 128(图1)。涡轮机喷嘴230流体地连接到具有涡形形状并在涡轮机壳体215中形成的入口气体通道236。入口气体通道236将涡轮机喷嘴230与涡轮机入口 124流体地连接(同样参见图1)。值得注意的是，在图3中示出单个入口气体通道236在涡轮机壳体215中形成，但在替代实施例中，可在单个涡轮机壳体中形成分离的通道。
[0031 ]在图3中所示的实施例中，入口气体通道236环绕涡轮机叶轮212和孔234的区域，并围绕涡轮机叶轮212的整个圆周向涡轮机喷嘴230打开。入口气体通道236的横截面流动区域沿经由入口 124进入涡轮机组件120并通过涡轮机喷嘴230提供给涡轮机叶轮212的气体的流动路径而减小。
[0032]轴承壳体202封装轴126的一部分，轴126可旋转地安装在轴承孔260中，该轴承孔260通过轴承242和轴承243在轴承壳体中形成。接合在轴126上的螺母288使轴126保持在轴承242和轴承243内。轴承242和轴承243中的每一个包括外圈261、滚动体以及共同的内圈262，外圈261接合轴承孔260的内径表面，该共同的内圈262具有常规的管状，并围绕轴126沿其长度方向延伸。来自入口端口 203的润滑油在工作期间经由通道264由外部油栗提供给轴承242和轴承243，从通道264那里它清洗轴承以在收集到润滑腔体206中并通过出口开口205排出轴承壳体之前冷却和润滑它们。
[0033]轴承242和轴承243由设置于在轴承壳体202上形成的压缩机安装板268和压缩机叶轮213之间的轴承保持架266轴向保持在轴承孔260内。轴承保持架266形成中心开口270，该中心开口 270具有小于轴承孔260的内部直径的内部直径，以使得当轴承保持架266连接到轴承壳体202时，轴承242和轴承243保持在轴承孔260内。轴承保持架266由紧固件272紧固到压缩机安装板268，但也可以使用其它紧固或保持结构。
[0034]参见图2和图3，压缩机组件136包括压缩机叶片环274，其形成围绕压缩机叶轮213径向设置的叶片276。叶片276将包含压缩机叶轮213的压缩机入口孔278与压缩机涡形通道280流体地连接，该压缩机涡形通道280在压缩机壳体217中形成并终止于压缩机出口开口282。螺栓284和圆形板片286将涡轮机壳体215连接到涡轮机法兰256，并且将压缩机壳体217连接到压缩机安装板268。接合在轴126上的螺母288将轴126保持在轴承242和轴承243内。
[0035]为了将排气从入口气体通道236引到围绕涡轮机叶轮212的区域，涡轮机组件120可以包括喷嘴环238。喷嘴环238可具有环形配置，并围绕涡轮机叶轮212的径向圆周的一部分延伸。如将在后续的段落中更详细讨论的，径向喷嘴环238与入口气体通道236流体连通来设置，并可限定围绕叶轮212的涡轮机喷嘴230的至少一部分。如图4中所示，径向喷嘴环238形成多个固定叶片246，该多个固定轮叶246围绕喷嘴环238对称地布置并以将排气从入口气体通道236朝向涡轮机叶轮212引导。多个轮叶246的数量、形状和配置可以改变。具有倾斜形状的流动通道250限定在相邻轮叶246之间。如图6中所示，轮叶246可以进一步具有常规的弯曲的翼型形状，以将经过轮叶和轮叶之间的气流损失最小化，从而向涡轮机叶轮212提供相应均匀的流入条件。
[0036]为了在涡轮机叶轮212发生故障的情况下提供保护，并且为了进一步限定将排气引入到涡轮机叶轮的涡轮机喷嘴230，涡轮机组件120可以进一步包括护罩290，其围绕涡轮机叶轮212的至少一部分。护罩290可以在涡轮机叶轮的径向方向上与涡轮机叶轮212向外间隔开，并围绕涡轮机叶轮212的整个圆周延伸。此外，护罩290可以在涡轮机叶轮212的轴向长度的至少一部分的轴向方向上(如由涡轮机叶轮212的旋转轴线限定)延伸。如图5中所示，护罩290可以包括相对于涡轮机叶轮212基本上在径向方向上延伸的第一支腿292，和相对于涡轮机叶轮212基本上在轴向方向上延伸的第二支腿294 ο第一支腿292和第二支腿294可以通过弯曲的中间部分296接合在一起。然而，应当理解，只要护罩290围绕涡轮机叶轮212的至少一部分，它就可具有不同于图中所示的配置。
[0037]根据一个实施例，喷嘴环238可与护罩290结合为单一部件，如在图4和图5中所示。具体地，喷嘴环238的叶片246可与护罩290的第一支腿292整体地连接并朝向轴承壳体202远离第一支腿292轴向延伸。采用该布置，叶片246可以为护罩290提供结构支撑。此外，采用该配置，喷嘴环238和护罩290可被铸造为整体成型的单一部件。这可以使喷嘴环238和护罩290均由单一材料构成，这可以最小化在喷嘴环238和护罩290之间的热失衡，并且从而降低在涡轮机组件120中的热应力。此外，将喷嘴环238结合到护罩290中，可以允许使用相对较低成本的铸铁材料，用于组合的喷嘴环238和护罩290。用于铸造喷嘴环238和护罩290的合适材料的一个示例是高硅钼铁，但也可以使用其它材料。喷嘴环238到护罩290的结合还提供了较少的零件数量，这可降低组装复杂性和成本以及缩短检修或再制造涡轮机所需的时间。
[0038]如上文所示，护罩290和喷嘴环238可以配置成限定从涡轮机壳体入口气体通道236到涡轮机叶轮212的所谓混合的流动路径，使得叶轮旋转可以增强。在一般情况下，可配置涡轮机用于径向流动、轴向流动(例如，诸如在喷气发动机中使用的那些)，或包括径向分量和轴向分量的混合类型的流动，本文中将称为“混合的”流动以表示包括径向和轴向流动特性的流动。如图5和图7中所示，关于所示实施例，径向流动分量可以通过由轮叶246限定的流动通道提供，该轮叶246被布置和配置成引导气体经过限定在叶片214之间的流动通道，该叶片214切向和径向向内朝向涡轮机叶轮212的内部直径。在护罩290的这部分中，可以形成径向喷嘴。轴向流动分量可由弯曲的中间部分296和护罩290的轴向延伸的第二支腿294提供，如图5中所示，这形成沿涡轮机的旋转轴线的会聚轴向喷嘴，其加速了气体流过涡轮机叶轮上叶片214的弯曲端。具体地，护罩290的弯曲的中间部分296和第二支腿294可限定这样的流动路径:当它朝向涡轮机叶轮212的表面移动时，其以更轴向的方向引导行进通过并离开喷嘴环238的叶片246之间的流动通道的排气的至少一部分。与径向流动涡轮机组件相比，具有混合流动的涡轮机组件可以具有经过涡轮机的较低的气体压力降，这是因为不是所有为驱动涡轮机提供的气体都必须从径向方向转向轴向方向。
[0039]喷嘴环238的叶片246和护罩290的配置可以调整以提供更为明显的径向流动或轴向流动特性，以为特定的发动机配置提供所需的涡轮增压器性能。例如，为便于将喷嘴环238的流动通道250与每个特定发动机等级匹配，喷嘴环238和护罩290可以在流动通道250中用过量的材料铸造，以使得流动通道随后可以被机加工成所需的流动通道几何形状，用于优化喷嘴环238对每个特定发动机等级的调整。以这种方式，涡轮机组件120独特的流动特性可由在喷嘴环238中流动通道250的大小、形状、数量和配置确定，而涡轮机组件的其它部分可以有利地保持不受影响，或在用于多个发动机平台设计的情况下，涡轮机组件的剩余部分可基本上共同用于各种发动机和发动机应用。
[0040]因此，适用于特定发动机系统的涡轮机组件的具体流动特性可通过组合原本共用于一个以上发动机的涡轮机组件与喷嘴环238而实现，该喷嘴环238在铸造之后机加工到具体适用于该特定发动机系统的配置。与铸造各种不同喷嘴以匹配特定发动机系统相比，铸造常见配置的喷嘴环238且然后将喷嘴环中的流动通道250机加工到最终所需配置可更具成本效益，并且可提供对喷嘴环的最终配置的更多控制。对应于特定发动机的适当喷嘴环流动通道250的配置的选择可涉及各种涡轮增压器工作条件的考虑，诸如排气温度、压力和流速、驱动涡轮机的所需压力差、涡轮机大小、所需涡轮机空燃(A/R)比和其它条件。
[0041]为了帮助减少从流过涡轮机壳体215的热排气到轴承壳体202的热传递，涡轮机组件120可设置有隔热罩302。如图4和图5中所示，隔热罩302可布置在轴承壳体202与喷嘴环238以及护罩290之间。更具体地，如图5中所示，隔热罩302的外部加厚部分304可通过喷嘴环238和护罩290安装在轴承壳体202上的涡轮机安装法兰256中的互补凹口 306中。另外，涡轮机安装法兰256上的凸起部分308可接合在形成于隔热罩302面向轴承壳体202的侧面中的互补凹口 310中。这些特征可帮助在安装期间将隔热罩302定位在相对于轴承壳体202的适当位置中。隔热罩302可进一步具有轴126的端部可通过其中突起的中心开口 312。为了最小化在涡轮机组件120上的热应力，隔热罩302可由与喷嘴环238和护罩290相同的材料制成。如前所述，用于这些部件的构造的合适材料的示例是高硅钼铁，但是也可使用其它材料。
[0042]护罩290可与祸轮机壳体122间隔开并且与祸轮机壳体122分尚。具体地说，如图4和图5中所示，护罩290可与涡轮机壳体122向内(S卩，在朝向轴承壳体202的方向上)轴向间隔以便在护罩290的区域中给涡轮机组件120提供双层壁结构，其中护罩290包括内壁且涡轮机壳体122包括外壁。这种布置将护罩290隔离，并且在这种情况下将整体喷嘴环238与涡轮机壳体122隔离。护罩290进一步可配置和布置使得在涡轮机叶轮212出现故障时(诸如，例如在涡轮机叶轮212与轴126之间的惯性焊接点失效时)将护罩290从涡轮机组件120的剩余部分中折断。为此，护罩290和喷嘴环238可使用紧固布置固定在涡轮机组件120中，该紧固布置配置成当对应于涡轮机叶轮212出现故障时因故障产生的作用力施加于护罩290上时断裂或折断。例如，护罩290可使用一个或多个紧固件连接到涡轮机组件120，该一个或多个紧固件配置成当在轴向和/或径向方向上施加于护罩290的作用力超过预定临界力时折断。
[0043]在所示的实施例中，护罩290和(在此例中)整体喷嘴环238由多个保险螺栓314连接到隔热罩302。如上所述，隔热罩302进而相对于轴承壳体202固定。因此，保险螺栓314相对于隔热罩302和轴承壳体202将护罩290固定并且将护罩290相对于旋转涡轮机叶轮212保持静止。如图5中所示，每一个保险螺栓314可具有在突出穿过隔热罩302的螺栓的端部处固定到保险螺栓的对应螺母316。另外，弹簧垫圈318可布置在保险螺栓314的每一端处。弹簧垫圈318可帮助保险螺栓314抵消涡轮机组件120的部件在工作期间出现的热膨胀迟滞。例如，并未直接暴露于热气的保险螺栓314可在与热气直接接触的围绕结构已经膨胀之后热膨胀。另外，视所使用的材料而定，在保险螺栓314与围绕结构之间的热膨胀系数可以不同。
[0044]另外，涡轮机组件120可配置成使得保险螺栓314和相关联的螺母316以如下方式安装在涡轮机组件120中，即螺母316和保险螺栓314在涡轮增压器119的工作期间不能彼此分离。具体地说，如图5中所示，每一个保险螺栓314的头部可被安装在护罩290的第一支腿292与涡轮机壳体215之间，且每一个相关联的螺母316可通过插入在隔热罩302与轴承壳体202之间而被安装在对应的保险螺栓314的端部上。如图7中所示，保险螺栓的每一个可通过喷嘴环238的固定轮叶246中的对应者从护罩290延伸到隔热罩302。为此，接收保险螺栓的轮叶246中的每一个可具有在涡轮机组件的轴向方向上延伸通过叶轮246的通道，相应的保险螺栓314在该轮叶246内可被插入。
[0045]在工作中，保险螺栓314将在涡轮机叶轮212以如下方式出现故障时断裂，即旋转涡轮机叶轮212或其碎片与护罩290接触。保险螺栓314的断裂可允许护罩290随着仍然旋转的断裂涡轮机叶轮212在涡轮机壳体215内旋转。旋转护罩290可帮助以类似于摩擦制动鼓中的制动衬片的方式耗散已断裂涡轮机叶轮212的能量。另外，当保险螺栓314剪切时，产生克服护罩290的旋转惯性所需的加速度又将吸收涡轮机叶轮212出现故障时所产生的能量。通过将护罩290设置为旋转所吸收的能量和护罩290在涡轮机壳体215上的制动作用可帮助减小涡轮机叶轮212破损和/或通过涡轮机壳体215脱开的可能性。使用包括涡轮机壳体215的双层壁结构作为外壁并且使用单独的护罩290作为内壁在涡轮机叶轮故障情况中分散涡轮机叶轮212碎片的力，允许使用更薄、重量更轻的涡轮机壳体215。从隔热罩302中折断保险螺栓314所施加于护罩290的作用力大小可通过改变保险螺栓314的数量、保险螺栓314的直径和/或保险螺栓的材料来调整。如从图7中可见，在所示的实施例中使用总共五个保险螺栓314以将护罩290固定到隔热罩302。根据其它实施例，可存在少至三个以及多达十五个保险螺栓314。应当明白的是，本实用新型不限于任何特定数量的保险螺栓314。根据一个实施例，保险螺栓314中的每一个可具有0.187英寸的直径并且是由适用于高温应用的合金(诸如以Waspaloy ?商标名称出售的合金)制成。单独的剪断式护罩290可配置有整体喷嘴环238或可配置成使得喷嘴环是单独的部件。
[0046]为了帮助确保涡轮增压器119的工作期间包括隔热罩302、喷嘴环238和护罩290的各种部件的对称热膨胀，隔热罩302可用多个对称布置的销钉或径向十字键销320固定到轴承壳体202。隔热罩302可首先用过盈配合布置在轴承壳体202的涡轮机安装法兰256上并且然后用径向十字键销320固定到适当位置。十字键销320中的每一个可接收在隔热罩302的加厚外部304中的多个周向间隔的径向延伸通道322中的对应通道中，并且进入轴承壳体202的涡轮机安装法兰256中的互补布置通道324中。在隔热罩302和涡轮机安装法兰256中用于接收十字键销320(和已插入的十字键销)的通道322、324如图8中所示围绕涡轮机叶轮212的旋转轴线以圆形图案对称地布置，这提供了通过隔热罩302和销320的横截面图。在径向方向上延伸通过隔热罩302并且进入轴承壳体202中的单个十字键销320在图4中可见，且若干十字键销320的外端在图6中可见。
[0047]如上所述，护罩290和整体喷嘴环238可由例如保险螺栓314附接到隔热罩302。隔热罩302进而通过十字键销320附接到轴承壳体202。因此，隔热罩302、护罩290和喷嘴环238作为系统连接在一起。此外，十字键销320将隔热罩302、喷嘴环238和护罩290保持基本上同心以及保持隔热罩302在涡轮增压器119的热工作范围内保持到轴承壳体202。更具体地，在涡轮增压器119的工作期间，即使在轴承壳体202与隔热罩302之间存在温度差，在轴承壳体202与隔热罩302之间由十字键销320建立的互连仍然促使隔热罩302以及其互连的护罩290和喷嘴环238保持同心。例如，在涡轮增压器119的工作期间，在涡轮机安装法兰256处轴承壳体202的温度可达近400°C，而隔热罩302的温度近700°C。尽管存在这种温度差，但十字键销320可起到将隔热罩302、护罩290和喷嘴环238保持同心的作用。
[0048]隔热罩302、喷嘴环238和护罩290作为系统接合在一起还可帮助实现十字键销320上的最小化负载和对称的十字键销上的负载。此外，由相同材料构造护罩290、喷嘴环238和隔热罩302可避免由于配合部件的热失衡而在十字键销320上产生负载和应力。如上文所讨论的，使喷嘴环238和护罩290成为单个整体部件还可确保十字键销320上的对称负载。这些特征中的每一个可允许对隔热罩302、喷嘴环238和护罩290进行交叉锁定，且十字键销320上的受力和磨损不会过量。
[0049]如图4中所示，隔热罩302和轴承壳体202中用于接收十字键销320的通道322、324可布置成使得十字键销320—旦插入到其相应通道中便由涡轮机壳体215接收，以使得十字键销320在涡轮增压器119的工作期间不能从其相应通道中拉出。具体地说，涡轮机壳体215的内壁326可布置成与十字键销320的径向向外端相对，以便阻止十字键销从其相应通道322、324中移出。如图8中所示，所示实施例包括总共十五个径向十字键销320。然而，可提供不同数量的十字键销320，前提是它们围绕涡轮机组件120的中线对称地布置。销可由适用于高温应用的任何材料(诸如，举例而言，不锈钢)制成。
[0050]为了帮助密封防止排气从涡轮机壳体215内外漏，涡轮机组件120可包括一个或多个排气密封件。例如，第一排气密封件328可布置在涡轮机护罩290与涡轮机壳体215之间。如图5中所示，第一排气密封件328可延伸在护罩290的第二支腿294与涡轮机壳体215的内壁之间。在这个位置中，第一排气密封件328可防止排气绕过喷嘴环238中的流动通道250，并通过护罩290与涡轮机壳体215之间的空间逸出到外孔234。第二排气密封件330可进一步布置在隔热罩302与轴承壳体202之间。第二排气密封件330可包括面向轴承壳体202的涡轮机安装法兰256的隔热罩302的侧面上的多个刀刃密封件。第二排气密封件330的刀刃密封件可延伸成与涡轮机安装法兰256接合。图5中所示的第一排气密封件328和第二排气密封件330的位置可帮助实现在最大涡轮机压力下横跨喷嘴环238、护罩290和隔热罩302组件的压力平衡，这进而有助于十字键销320上的负载最小化。如本领域技术人员应当明白的是，还可提供另外的密封件和替代的密封布置。
[0051 ] 工业实用性
[0052]应当明白的是，前述描述提供了所公开系统和技术的示例。然而，预期本实用新型的其它实施方式可与前述示例在细节上不同。所有对本实用新型或其示例的引用旨在提及特定示例在所述点被讨论并且不旨在暗示更一般地对本实用新型保护范围的任何限制。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本实用新型保护范围之外，另有指示除外。
[0053]应当明白的是，前述描述提供了所公开系统和技术的示例。所有对本实用新型或其示例的引用旨在提及特定示例在所述点被讨论并且不旨在暗示更一般地对本实用新型保护范围的任何限制。关于某些特征的差别和贬低的所有语言旨在指示缺乏对这些特征的偏好，但不是将这些完全排除在本实用新型保护范围之外，另有指示除外。
[0054]因此，本实用新型包括适用的法律所允许的所附权利要求书中列举的主题的所有修改和等同物。另外，除非本文中另有指示或明显与背景相矛盾，否则本实用新型涵盖其所有可能变化中的上述元件的任何组合。
【主权项】
1.一种涡轮增压器，其特征在于包括: 涡轮机壳体，所述涡轮机壳体包括气体入口通道； 涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮具有多个叶片并且布置在所述涡轮机壳体中； 轴承壳体，所述轴承壳体连接到所述涡轮机壳体； 轴，所述轴可旋转地支撑在所述轴承壳体中并且连接到所述涡轮机叶轮； 护罩，所述护罩布置成与所述涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系，所述护罩布置成与所述涡轮机壳体成间隔关系并且不与所述涡轮机壳体接触；以及 相对于所述轴承壳体固定所述护罩的紧固系统，所述紧固系统配置为当在所述护罩上相对所述涡轮机叶轮与所述护罩接触的至少一部分施加作用力时断裂。2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，进一步包括被固定到所述轴承壳体的隔热罩，且其中所述紧固系统将所述护罩固定到所述隔热罩。3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述紧固系统包括多个保险螺栓。4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，进一步包括插在所述护罩与所述隔热罩之间的喷嘴环，所述喷嘴环设置在所述涡轮机叶轮周围并且包括具有流动通道的多个轮叶，所述流动通道被限定在所述轮叶之间，所述轮叶与所述气体入口通道和所述涡轮机叶轮流体连通。5.根据权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，所述喷嘴环与所述护罩整体成型。6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，由所述轮叶限定的所述流动通道配置成朝所述涡轮机叶轮的内部直径切向和径向向内引导气体，且所述护罩配置成限定与所述气体入口通道和所述流动通道连通并且在基本上平行于所述涡轮机叶轮的旋转轴线的方向上延伸的流动路径。7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述护罩配置成当所述紧固系统断裂时可相对于涡轮机壳体旋转。8.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，每一个保险螺栓具有相关联的弹簧垫圈。9.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，每一个保险螺栓在所述护罩与所述涡轮机壳体之间的第一端处以及在所述隔热罩与所述轴承壳体之间的第二端处被接收。10.—种内燃发动机，所述内燃发动机具有形成于气缸体中的多个燃烧室、设置成为所述燃烧室提供空气或空气与排气的混合物的进气歧管以及设置成从所述燃烧室接收排气的排气歧管，其特征在于，所述内燃发动机进一步包括: 涡轮机壳体，所述涡轮机壳体包括气体入口通道； 涡轮机叶轮，所述涡轮机叶轮具有多个叶片并且布置在所述涡轮机壳体中； 轴承壳体，所述轴承壳体连接到所述涡轮机壳体； 轴，所述轴可旋转地支撑在所述轴承壳体中并且连接到所述涡轮机叶轮； 护罩，所述护罩布置成与所述涡轮机叶轮的至少一部分成围绕关系，所述护罩布置成与所述涡轮机壳体成间隔关系并且不与所述涡轮机壳体接触；以及 相对于所述轴承壳体固定所述护罩的紧固系统，所述紧固系统配置为当在所述护罩上相对所述涡轮机叶轮与所述护罩接触的至少一部分施加作用力时断裂。
【文档编号】F01D25/08GK205422845SQ201620174389
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月8日
【发明人】G·W·鲍尔斯, J·W·麦考马克, M·J·弗里克, R·E·安娜缇
【申请人】卡特彼勒公司