专利名称：涡轮机壳体组件的制作方法
技术领域：
本文公开的主题总体地涉及用于内燃机的涡轮机械，更具体地，涉及涡轮机壳体。
背景技术：
许多常规涡轮机壳体被铸造为具有一体的蜗壳，并且这些壳体与多种部件组合形成适于接收和容纳涡轮机叶轮的涡轮机壳体组件。本文展示多种与这样的常规涡轮机壳体组件相比具有优点的涡轮机壳体组件。
通过结合附图所示的示例参考下文的详细描述，可以更全面地理解本文描述的各种方法、装置、组件、系统、布置等，及其等同方式，其中图1是涡轮增压器和内燃机的简图；图2是涡轮机壳体组件的实施例的一组透视图和横截面视图；图3是涡轮机壳体组件的实施例的组成部件的一组透视图；图4是图3中筒形部件的透视图；图5是包括图3中筒形部件和蜗壳部件的组件的透视图；图6和7是包括图3中筒形部件、蜗壳部件和出口部件的组件的透视图；图8是包括热挡板的示例的组件的透视图以及热挡板的侧视图；图9是爆裂挡板的示例的透视图；图10是包括图3中筒形部件、蜗壳部件和出口部件以及另一种示例形式的爆裂挡板的组件的透视图；图11是包括图10中组件的一些部件的组件的示例的透视图；图12是装配到中心壳体上的涡轮机组件的示例的透视图；图13是包括爆裂挡板的中心壳体的示例的分解透视图和横截面视图；以及图14是装配涡轮增压器部件的方法的简图。
具体实施例方式涡轮增压器常用来提高内燃机的输出。参考图1，常规系统100包括内燃机110 和涡轮增压器120。内燃机110包括发动机气缸体118，其容纳一个或多个可操作地驱动轴 112的燃烧室。如图1中所示，进气口 114提供供空气流到发动机气缸体118的流动路径， 而排气口 116提供用于从发动机气缸体118排气的流动路径。
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涡轮增压器120起到从排气抽取能量并向进气提供能量的作用，进气可与燃油结合形成燃烧气体。如图1中所示，涡轮增压器120包括空气入口 134，轴122，压缩机124，涡轮机126，壳体128和排气出口 136。壳体128可称为中心壳体，因为它置于压缩机124和涡轮机126之间。轴122可以是包括多个部件的轴组件。图2示出了涡轮机壳体组件200的示例，其包括筒形部件205，蜗壳部件250和出口部件270。筒形部件205包括上表面207，构造为用于接收涡轮机叶轮的开口 210，以及从上表面207延伸并支撑具有外形设计独特的(contoured)罩部237的圆柱形壁236的多个支撑件235。图2示出了透视图，圆柱形壁236被剖去的透视图和筒形部件205的内部可见的剖面图。如本文所述，筒形部件可以是具有或不具有一个或多个空处的单个铸件。例如，筒形部件205可以是包括支撑件235和圆柱形壁236的单个铸件，其不具有或具有空处(例如，其中空处可以用来减轻重量，控制传热等)。在图2的示例中，蜗壳部件250是曲壁，其包括上边缘256和下边缘258以及形成接收排气的进口的进口部分275。上边缘256邻接圆柱形壁236，下边缘258邻接筒形部件 205的上表面207。通过这种配置，筒形部件205和蜗壳部件250形成能接收排气并向涡轮机叶轮空间提供排气的蜗壳。如下面的剖面视图所示，出口部件270座落在壁236的顶部。 蜗壳部件250的上边缘256基本上包括具有弓形形状的至少一部分(例如，与圆柱形壁236 匹配邻接的那部分)。如本文所述，铸造部件可提供持久耐用的罩或叶轮轮廓。此外，在筒形部件205是被铸造的情况下，它可提供一定程度的爆裂抑制。具体地，在图2的示例中，在筒形部件205 被铸造的情况下，一旦涡轮机叶轮爆裂，筒形部件205的各个部分，如果保持完整(例如，限定开口 210的材料，支撑件235和圆柱形壁236)，可有助于抑制和吸收碎片中的能量，仅留下支撑件235之间的空间和由圆柱形壁236限定的开口 240作为可能的喷射通路。在筒形部件205是被铸造的情况下，它还可提供用于将涡轮机壳体组件200通过例如如图2中所示的V形带固定机构或其它固定机构连接到支承壳体(例如涡轮增压器中心壳体)的支撑。如本文所述，铸造筒形部件可包括固定用V形带和叶轮轮廓。这样的筒形部件可具有多种优点，并能够使用不同类型的蜗壳部件和出口部件。例如，蜗壳部件可专门制造成提供特定的操作特性。具体地，蜗壳部件可成型为适于特定的蜗壳容积、横截面积、横截面形状等。使用单独的蜗壳部件还可允许流动表面改进，例如，抛光、导向流动的标记等。这样的参数可实现降低摩擦损失、改善流场、以及为涡轮机叶片专门设计排气流或使蜗壳部件与特定的涡轮机叶轮或涡轮机叶轮族相匹配，任选地适于某些运行条件(例如，低负荷、 高负荷等)。如本文所述，具有铸造筒形部件的涡轮机壳体组件，例如组件205，可降低质量和热滞留。例如，具有一体的铸造蜗壳的常规铸造涡轮机壳体通常需要更多的材料，包含更大的质量和滞留更多的热量。与之相比，蜗壳部件，例如蜗壳部件250，可由具有更轻质量、更小厚度、更低热容等的材料制造，这可被预期为滞留更少的热量。此外，与具有一体蜗壳的铸造涡轮机壳体相比，可简化用于筒形部件的铸造。另外，与需要一个或多个专用工具来清洁铸件或检验铸件质量(例如，蜗壳的内表面)的铸造蜗壳相比，铸造筒形的清洁和特征的检验更易于进行。如此处所述，蜗壳部件可由金属薄板，重量轻的高温复合材料(例如，陶瓷基体复合材料)或者其它材料制成。如本文所述，组件可包括筒形部件，该筒形部件包括具有构造成接收涡轮机叶轮的开口的基板、圆柱形壁以及设置在圆柱形壁和基板之间的叶片，其中相邻叶片限定喉部； 和包括近端和远端以及上边缘和下边缘的曲壁。在前述示例中，曲壁的近端可形成用于排气的进口，上边缘和圆柱形壁的连接以及下边缘和基板的连接可形成蜗壳，其中蜗壳被构造成将经进口接收到的排气经喉部导入涡轮机叶轮。图3示出了涡轮机壳体组件300的示例，其包括筒形部件305、蜗壳部件350和出口部件370。图3中参照具有轴向“ζ”坐标，径向“r”坐标和方位角“ θ ”坐标的圆柱坐标系(例如，参见 Beyer, W. H. , CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL :CRC Press, P. 212，1987)示出部件 305,350 和 370。筒形部件305构造成经排气导管322的进口 320接收排气，此处排气导管322可与基板307 —体铸造。基板307可包括开口 308，其用于接收杆、螺栓，或其它适于安装或固定涡轮机壳体组件300的部件，其中开口 308位于基板307的最大径向尺寸附近。如放大图中所示，基板307包括构造成用来接收涡轮机叶轮的开口 310。开口 310可由比涡轮机叶轮半径稍微大点的径向尺寸限定。 在图3的示例中，筒形部件305还包括具有开口 340的圆柱形壁338和布置在圆柱形壁338和基板307之间的叶片334，其中相邻叶片334限定喉部。在叶片334的后缘处， 喉部于豁口 330处开放。豁口 330的轴向高度由一个或多个叶片334的轴向尺寸限定。不同的叶片334可有不同的轴向高度，因此这导致变化的豁口 330高度(例如，豁口 330的轴向尺寸随角度 而变化)。每个叶片334可由穿过后缘和前缘之间的线确定，其中所述线形成叶片角，例如，相对于从ζ轴延伸到叶片后缘的径向线确定的角度。通常，叶片334是固定的(例如，以固定的叶片角形成)。每个叶片可具有特定的不同于一个或多个其它叶片的形状，例如，叶片的形状取决于叶片在方位角方面的位置。在不同的示例中，所有叶片可具有相同的形状，相同的高度和相同的叶片角。在图3的示例中，蜗壳部件350是曲壁，其绕方位角维度弯曲，并包括端352和远端354以及上边缘356和下边缘358。如对于特定的角度θ的横截面视图所示，蜗壳部件 350具有特定的形状，请注意，蜗壳部件350的横截面形状随角度θ而变化。如本文所述， 蜗壳部件350的横截面形状可被专门设计为实现一个或多个目标。筒形部件305和蜗壳部件350 —旦装配，上边缘356邻接圆柱形壁338，同时下边缘358邻接筒形部件305的上表面307。此外，近端352邻接排气导管322的出口 313，远端354邻接弓形壁311，例如，所述弓形壁311可限定开口以使排气能够从360度或近似360 度到达涡轮机叶轮。通过此配置，筒形部件305和蜗壳部件350形成这样一种蜗壳，其可经排气导管322接收排气并将排气经叶片334的喉部提供给涡轮机叶轮空间。在图3的示例中，出口部件370构造为在进口 372和出口 376之间延伸的圆柱形壁374，其中所述进口和出口由该圆柱形壁限定。出口部件370可相对于筒形部件305设置，从而筒形部件305的出口 340能使排气流到出口部件370的进口 327。例如，如图3中所示，出口部件370可以是筒形部件305的圆柱形壁338的延伸部。如本文所述，可使圆柱形壁338的轴向尺寸最小化以减轻重量但足以提供完整性，形成用于涡轮机叶轮的足够的罩等。可用不同于筒形部件305的材料制造出口部件370。如本文所述，组件可包括铸造筒形部件，该筒形部件包括具有构造成接收涡轮机叶轮的开口的基板、具有进口和出口的排气导管、圆柱形壁以及设置在圆柱形壁和基板之间的叶片，其中相邻叶片限定喉部；以及包括近端和远端以及上边缘和下边缘的曲壁。这里，近端和排气导管的出口的连接，上边缘和圆柱形壁的连接以及下边缘和基板的连接形成蜗壳，该蜗壳被构造成将经进口接收到的排气经喉部导向涡轮机叶轮。如本文所述，曲壁可被成型为与选定的涡轮机叶轮相对应，此外，组件或成套设备可包括具有不同形状的多个曲壁，从中选择一个曲壁连接到铸造部件上。如本文所述，基板可包括多个开口，每个开口构造成接收杆或其它构件以将支承壳体夹在基板和压缩机之间。在此配置中，涡轮机壳体组件可包括构造成用于邻近基板放置的热挡板。如本文所述，排气导管可具有轴线，该轴线基本上平行于由基板限定的平面。如本文所述，筒形部件的圆柱形壁可具有轴线，该轴线基本上垂直于由筒形部件的基板限定的平面。如本文所述，排气导管可包括构造成用于与曲壁(例如蜗壳部件)的近端相连接的槽。如前所述，涡轮机壳体组件可包括连接到铸造筒形部件的曲壁。在这样一种实施例中，曲壁和铸造筒形部件可通过焊接连接部连接。取决于构造，也可采用其它连接方式 (例如，使排气泄漏的风险被可接受地最小化)。图4所示的是图3的筒形部件305的透视图。在图4中，相对于导管322示出了弓形壁311和出口 313，它们作为导管322的一体部分。图5所示的是包括筒形部件305和蜗壳部件350的组件500的透视图。在图5中， 弓形壁311限定开口，其用于接收蜗壳部件350的远端354。图6和7所示的是包括筒形部件305，蜗壳部件350和出口部件370的组件600的透视图。在图6和7中，阴影线表示各个部件经焊接连接，所述焊接存在于基板307和蜗壳部件350的下边缘358之间，导管322的出口 313和蜗壳部件350的端部352之间，蜗壳部件350的上边缘356和圆柱形壁338之间，出口部件370的进口 372和圆柱形壁340的出口 340之间，以及蜗壳部件350的端部354和筒形部件305的弓形壁311之间。可通过各种各样的方法(热的，化学的等)进行焊接，这取决于各个部件的构造材料。图8所示的是包括热挡板805的组件800的透视图以及热挡板805的侧视图。在图8的示例中，热挡板805包括定位开口 808，间隔件809，中心开口 810，以及沿导管322的轴线方向延伸的舌状物812。图8还示出了环绕筒形部件305的开口 310的突出边缘306。在图8的示例中，间隔件808可在扁平材料(例如，金属，复合材料等)件中冲压或以其它方式形成。间隔件808确保使热挡板805的大致扁平部分807与基础部件305间隔开，例如，提供用于空气的空间。图9所示的是爆裂挡板900的示例。爆裂挡板900包括基部907和具有端部914 和918以及上边缘920的壁910。基部907包括用于安装到涡轮机壳体组件的开口 908。端部914和918限定豁口，例如，该豁口的宽度足以容纳涡轮机壳体组件的导管。图10所示的是包括筒形部件305，蜗壳部件350，出口部件370和爆裂挡板1005 的组件1000的透视图。爆裂挡板1005具有与图9中的爆裂挡板相似的特征，进一步还包括盖部1020。盖1020和环绕壁1010在爆裂发生的情况下相当于阻挡碎片的屏障。这些特征还起到阻挡热传递的作用，这样就可减少辐射和缩短涡轮机组件暖机的时间。减少辐射对于减小对周围部件的影响，例如，对外部辐射敏感的电部件，是重要的。如图10中所示， 爆裂挡板1005的开口 1008与筒形部件305的基板307的开口 308对齐。此外，爆裂挡板 1005内构造成以使端部1014和1018 (未示出，例如，与图9中的918类似)提供用于筒形部件305的导管322的间隙。图11所示的是组件1100的透视图，其包括图10的组件1000、以及图8的热挡板 805、流体导管1120、支承壳体1140和压缩机组件1180。在图11的示例中，杆1108从爆裂挡板905延伸到压缩机组件1180并夹持支承壳体1140。筒形部件305提供结构刚性和完整性，以支持在涡轮机和压缩机之间对轴承壳体的夹持。热挡板805使得流体导管1120被安装时不直接接触筒形部件305。流体导管1120可用于使冷却流体流动从而带走组件1100 的热量，尤其是传递到热挡板805的热量。在图11中，导管1120可以是流体保温套。2010 年7月16日申请的名称为“涡轮增压器支承壳体组件”、序列号为No. 12/838317的美国专利申请描述了各种壳体和流体保温套组件的细节，在此通过引用并结合到本文中。图12所示的是组件1200的示例，其包括安装到支撑轴297的中心壳体1290上的涡轮机组件。在图12的示中，涡轮机组件包括基部1207，圆柱形部分1538和蜗壳壁1250， 蜗壳壁在一端具有形成开口 1220的开口部分1255。开口部分1255可构造成用于连接到排气导管的固定件。因此，在该示例中，用于排气导管的固定件或配件被作为蜗壳壁1250的一部分形成，这与图2中的示例一样，而与其它一些铸件部分形成装配的固定件的示例形成对照。图13所示的是包括一体爆裂挡板1305的中心壳体1300。该壳体1300可以是铸件，并具有足够的完整性以在涡轮机叶片1310爆裂的情况下阻挡碎片。该挡板1305为圆柱形，具有容纳用于蜗壳的排气进口的切除部分。可将涡轮机壳体1320安装到中心壳体 1300上。如图13的示例所示，挡板1305至少达到涡轮机叶轮1310出口导流部的高度。挡板1305还可以减少来自涡轮机壳体，例如涡轮机壳体1320的辐射。图14所示的是组装涡轮增压器部件的方法1400的方框图。方法1400包括提供铸造筒形部件1410和提供蜗壳部件1420。连接框1430包括连接铸造筒形部件和蜗壳部件。夹持框1440包括将支承壳体夹持到铸造筒形部件上。关于铸造筒形部件和蜗壳部件，这些部件可包括图3中的部件305和350的特征。 连接框1430任选地包括将蜗壳部件焊接到铸造筒形部件上。夹持框1440任选地包括在铸造筒形部件和压缩机壳体之间夹持支承壳体，例如，利用在铸造筒形部件和压缩机壳体之间延伸而不接触支承壳体的杆。这种方法可降低涡轮机壳体和支承壳体之间的热传递。此外，该方法能够提高空气向支承壳体的流动，这可提高从支承壳体的热传递。方法1400任选地包括在夹持之前将热挡板安装到铸造筒形部件上。方法1400任选地包括在夹持之前将爆裂挡板安装到铸造筒形部件上。方法1400任选地包括在夹持之前安装热挡板和安装爆裂挡板到铸造筒形部件上。如本文所述，夹持可有助于固定热挡板、 爆裂挡板或热挡板和爆裂挡板，例如，如图11的组件1100中所示。尽管在附图和上面的具体实施方式
中对一些方法、装置、组件、系统、构造等的示例进行了解释和描述，但是应当理解的是，所公开的实施例并不是限制性的，而是在不背离由下面的权利要求所提出和限定的精神的前提下可以进行许多重排、修改和替换。
权利要求
1.一种组件，包括铸造筒形部件，该铸造筒形部件包括 具有构造成用来接收涡轮机叶轮的开口的基板， 具有进口和出口的排气导管， 圆柱形壁，以及设置在圆柱形壁和基板之间的多个叶片，其中相邻叶片限定喉部；和曲壁，该曲壁包括 近端和远端，以及上边缘和下边缘；其中，近端和排气导管的出口的连接，上边缘和圆柱形壁的连接以及下边缘和基板的连接形成蜗壳，该蜗壳被构造成将经进口接收到的排气经喉部导向到涡轮机叶轮。
2.如权利要求1的组件，其特征在于，所述曲壁包括与特定涡轮机叶轮相一致的形状。
3.如权利要求1的组件，包括多个具有不同形状的曲壁，用于连接到所述铸造部件的曲壁是从所述多个曲壁中选择的。
4.如权利要求1的组件，其特征在于，所述基板包括多个开口，每个开口构造成接收杆从而在基板和压缩机之间夹持支承壳体。
5.如权利要求1的组件，其特征在于，所述排气导管包括与由基板限定的平面基本平行定向的轴线。
6.如权利要求1的组件，其特征在于，所述排气导管包括构造成用来连接曲壁的远端的槽。
7.如权利要求1的组件，还包括曲壁和铸造筒形部件的连接。
8.如权利要求7的组件，其特征在于，所述曲壁和铸造筒形部件的连接包括焊接接合部。
9.如权利要求1的组件，还包括构造成用于邻近基板地设置的热挡板。
10.如权利要求1的组件，还包括构造成连接到圆柱形壁的导管。
11.如权利要求1的组件，其特征在于，所述叶片包括固定叶片。
12.如权利要求1的组件，其特征在于，每个叶片包括相对于圆柱形壁的轴线限定的叶片角ο
13.如权利要求1的组件，其特征在于，每个叶片都包括叶片形状。
14.一种组件，包括铸造筒形部件，该铸造筒形部件包括 具有构造成用来接收涡轮机叶轮的开口的基板， 圆柱形壁，以及设置在圆柱形壁和基板之间的多个叶片，其中相邻叶片限定喉部；和曲壁，该曲壁包括 近端和远端，以及上边缘和下边缘；其特征在于，曲壁的近端形成用于排气的进口，其中上边缘和圆柱形壁的连接以及下边缘和基板的连接形成蜗壳，该蜗壳被构造成将经进口接收到的排气经喉部导向到涡轮机叶轮。
全文摘要
本发明涉及涡轮机壳体组件。一种组件包括铸造筒形部件和曲壁。铸造筒形部件包括具有构造成用来接收涡轮机叶轮的开口的基板，具有进口和出口的排气导管，圆柱形壁，以及设置在圆柱形壁和基板之间的多个叶片，其中相邻叶片限定喉部。曲壁包括近端和远端，以及上边缘和下边缘。其中近端和排气导管的出口的连接，上边缘和圆柱形壁的连接以及下边缘和基板的连接形成蜗壳，该蜗壳被构造成将经进口接收到的排气经喉部导向到涡轮机叶轮。还公开了装置、组件、系统、方法等多个其它示例。
文档编号F01D25/14GK102383874SQ201110289988
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月25日 优先权日2010年8月26日
发明者A·鲁夸特, D·珀蒂让, G·迪蓬, J-J·莱苏斯, M·帕拉尼亚潘, M·马克斯, P·阿诺, R·塞奥托 申请人:霍尼韦尔国际公司