用于压缩机叶轮破裂遏制的涡轮增压器和系统的制作方法

用于压缩机叶轮破裂遏制的涡轮增压器和系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及用于压缩机叶轮破裂遏制的涡轮增压器和系统。具体而言，一种涡轮增压器包括涡轮盘、机械联接至涡轮盘的压缩机叶轮以及单壁空气入口。由延性铁制成的空气入口构造成允许空气到压缩机叶轮且提供压缩机叶轮旋转用的间隙。
【专利说明】用于压缩机叶轮破裂遏制的涡轮增压器和系统
【技术领域】
[0001]实施例涉及发动机和发动机系统。其它实施例涉及保护发动机系统抵御归因于压缩机叶轮破裂(burst)的损坏。
【背景技术】
[0002]车辆可由发动机提供动力。例如,机车可由一个或多个柴油发动机提供动力。每个发动机可包括至少一个涡轮增压器，其使用来自膨胀发动机排气的能量压缩吸入空气进料。涡轮增压器通常包括机械地联接至压缩机叶轮的排气驱动的涡轮盘。在对抗显著的排出压力以高速旋转的情况下，压缩机叶轮在发动机操作期间承受极端的机械应力。如果压缩机叶轮有缺陷，则这种应力可导致叶轮断裂。在一些情形下，压缩机叶轮的断裂可导致叶轮破裂成片段，从而导致对涡轮增压器外壳和/或发动机的损坏。特别是，击穿压缩机叶轮外壳的高速片段可损坏各种其它的发动机构件，导致损伤等。然而，如果破裂的压缩机叶轮的片段保持局限在外壳内，则损坏的范围可受限。
[0003]在现有技术的柴油机车中，例如，涡轮增压器压缩机叶轮在灰口铸铁外壳内旋转。针对性能和制造目标选择，外壳的规格可不足以容纳在压缩机叶轮破裂期间释放的高速片段。
[0004]因此，外壳可装配有具体构造成容纳片段的外部护套。然而，该方案增加了发动机的复杂性和制造成本，并且使涡轮增压器更难以维护。
实用新型内容
[0005]本公开的实施例提供了一种涡轮增压器，其包括涡轮盘、机械联接至涡轮盘的压缩机叶轮、以及单壁空气入口。由延性铁制成，空气入口被构造成允许空气到压缩机叶轮且提供压缩机叶轮旋转用的间隙。
[0006]提供以上简要描述以便以简化型式介绍本公开的选定部分，而并不标识关键或必要特征。由权利要求限定的所要求保护的主题既不限于该简要描述的内容，也不限于解决文中指出的问题或缺点的实施方案。
【专利附图】

【附图说明】
[0007]通过参照附图阅读详细的描述，本公开将更好理解，在附图中:
[0008]图1示意性地示出根据本公开的实施例的柴油电力式机车的方面；
[0009]图2提供了根据本公开的实施例的涡轮增压器的剖视图；
[0010]图3A示出根据本公开的实施例用于将空气入口联接至鼓风机壳体的螺栓连接布置；
[0011]图3B示出在现有技术的柴油机车涡轮增压器中用于将空气入口联接至鼓风机壳体的螺栓连接布置；
[0012]图4示出根据本公开的实施例用于将鼓风机壳体联接至涡轮壳体的螺栓连接布置；
[0013]图5示出根据本公开的实施例用于保护发动机系统抵御归因于压缩机叶轮破裂的损坏的方法。
【具体实施方式】
[0014]现在将举例且参照上列所示实施例描述本公开的方面。在一个或多个实施例中可大致相同的构件、工序和其它要素同等地标出且以最少重复来描述。然而将指出，同等标出的要素也可在某些程度上不同。除非特别地指出，否则包括在本公开中的附图是示意性的，且通常未按比例绘制。而是，图中所示的各种绘图比例、纵横比以及构件的数量可有意地扭曲，以使某些特征或关系更易于观察。
[0015]图1示意性地示出示例性柴油电力式机车10的方面。术语“示例性”在文中应用至举例描述或示出的物件；其并不表明所描述或示出的物件必然优于其它可能的示例。继续图1，机车10由包括柴油发动机14的发动机系统12提供动力。在所示实施例中,柴油发动机驱动交流发电机16，其将发动机的旋转能转化为交流电能。通过适当的控制系统，电能被分配至电动机18,其向从动轮提供原动力和主动制动。
[0016]在机车10中，发动机14从涡轮增压器20的压缩机部分汲取压缩空气。图2提供了涡轮增压器的剖视图。图2在一个非限制性实施例中按比例绘制。然而将理解，也可构想到不同于图2的涡轮增压器实施例。
[0017]涡轮增压器20包括涡轮盘22和压缩机叶轮24。由来自发动机14的膨胀排气驱动，涡轮盘在围绕该涡轮盘的单壁涡轮壳体26内回旋。术语“单壁”在文中用于指明，所描述的构件除了其功能限定主壁之外不包括抵抗穿透(breech)的第二或外壁。换言之，对于单壁构件，不需要第二或外壁来执行遏制(containment)功能,即，“单壁”构件本身能够容纳在此处公开的发动机系统的所有操作模式期间释放的片段。如上文中所述，用于压缩机叶轮破裂遏制的现有技术方案是将涡轮增压器的压缩机部分封闭在外部护套中。护套除了若破裂压缩机叶轮的片段击穿压缩机部分的功能限定主壁则约束那些片段之外，本身并不提供功能。现在公开的方案不同于现有方案，尤其是因为围绕压缩机叶轮的构件是单壁的，即，将约束片段的壁是与限定构件功能(约束气体流，提供旋转部件用的间隙，等等)的壁相同的壁。
[0018]继续图2，压缩机叶轮24通过轴28机械联接至涡轮盘22。轴旋转地安装在轴承30中。图1中的压缩机叶轮包括带叶片扩散器32 ;在其它实施例中，可使用无叶片扩散器。在一个实施例中，涡轮盘可构造成在至少一个操作模式期间以大于20000转/分(rpm)例如以27500 rpm驱动压缩机叶轮。以该转速被驱动，压缩机叶轮可具有这种尺寸和形状，以便将吸入空气进料压缩至275-450千帕(kPa)，并且以至少每秒4.5千帕(kPa)的质量流率输送吸入空气进料。因此，压缩机叶轮可重达至少8 kg且在以27500 rpm旋转时携带多于110千焦(kj)的动能。
[0019]在所示实施例中，单壁空气入口 34构造成允许空气到压缩机叶轮24且提供压缩机叶轮旋转用的间隙。涡轮增压器20还包括单壁鼓风机壳体(或涡形(scroll)壳)36。鼓风机壳体构造成接收来自压缩机叶轮的压缩空气。鼓风机壳体利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓38联接至空气入口 34。一种示例性螺栓连接布置在图3A中示出，其中确切地十二个螺栓将空气入口联接至鼓风机壳体；图3A在一个非限制性实施例中按比例绘制。与之相比，现有技术的柴油机车例如可包括将空气入口联接至鼓风机壳体的仅六个螺栓；该布置在图3B中示出。文中的发明人已发现，在压缩机叶轮破裂的情形中，增加螺栓的数量有效地减小了在空气入口 /鼓风机壳体界面处经历的应变。在一些实施例中，图3A中的每个螺栓38可表现930-1100兆帕(MPa)的极限拉伸强度、790_1000MPa的屈服强度以及5%至10%的延伸率。在该实施例和其它实施例中，在涡轮壳体与鼓风机壳体之间的螺栓接头还可包括呈径向对称布置的七个或更多螺栓，例如，大致如上所述确切地十二个螺栓。图4示出用于该界面的示例性螺栓连接布置，在该界面处十二个螺栓39将鼓风机壳体联接至涡轮壳体。图4在一个非限制性实施例中按比例绘制。在一些实施例中，螺栓39的极限拉伸强度、屈服强度以及延伸率可与螺栓38大致相同。
[0020]在现有技术的柴油机车涡轮增压器中，空气入口、鼓风机壳体以及涡轮壳体由灰口铸铁制成。针对各种有吸引力的性质来选择该材料，例如高强度和相对较低的线性热膨胀系数(从293到572K每开尔文(K)1.2X10_5)。然而，本文的发明人已发现，不同的含铁材料(特别地延性铁)是用于这些构件的优异材料。
[0021]“延性铁”与“延性铸铁”、“球墨铸铁(nodular cast iron) ”、“球状石墨铁”、“球墨铸铁(spheroidal graphite iron) ”以及所谓的“SG铁”同义。与其它铸铁变型相比,延性铁由于其包括粒状(例如球状)石墨而显著地更加柔性和弹性。与之相比，灰口铸铁的石墨内含物是片状的。
[0022]如灰口铸铁那样，延性铁也表现出高强度和低线性热膨胀系数(大致从293到572K为1.28X 10_5每K，其在用于灰口铸铁的值的10%以内)。术语“大致”和“大约”在本文中应用于窄范围的中间值——例如，中间值的±5%或±10%的范围。另外，从大约410MPa起(大约且包括410 MPa和以上)的延性铁的极限拉伸强度显著大于处于138 MPa的灰口铸铁。其它合适的延性铁样品具有高于约345 MPa的极限拉伸强度。另外，其它合适的延性铁样品具有在从铁素体级的大约414 MPa到大于马氏体级的大约1380 MPa的范围内的极限拉伸强度。极限拉伸强度或“拉伸强度”是指材料将在断裂之前承受的最大拉伸负载。其可通过将在拉伸试验期间施加的最大负载除以所试验样本的原始横截面积来计算。
[0023]从大约280 MPa起(大约且包括280 MPa和以上)的延性铁的屈服强度显著大于处于83 MPa的灰口铸铁。因此，在一个特定实施例中，延性铁可具有大于约410 MPa的极限拉伸强度和大于约280 MPa的屈服强度。其它合适的延性铁样品具有高于约200 MPa的屈服强度。另外其它合适的延性铁样品具有在从铁素体级的大约275 MPa到马氏体级的大约620 MPa或更高的范围内的屈服强度。此外，延性铁的百分比延伸率(15%至18%)远大于处于0.5%的灰口铸铁。在一个实施例中，该材料可具有大于10%的百分比延伸率；在其它实施例中，其可具有从约10%到约15%、或从约15%到约18%、或从约18%到约20%、或从约20%到约25%、或大于约25%的百分比延伸率。在一个实施例中，材料可具有在从约162千兆帕(GPa)到约170 GPa的范围内的弹性模量。在其它实施例中，弹性模量可大于170 GPa0
[0024]延性铁具有在从约162到186 GPa的范围内的动态弹性模量(DEM)。在一些样品中，DEM可落在较窄范围内，例如170至178 GPa0 DEM指示如由共振频率试验测得的弹性模量的高频极值。对于大部分延性铁样品，泊松比为大约0.275。泊松比是在拉伸试验期间横向弹性应变与纵向弹性应变之比。在一个实施例中，合适的延性铁铸件——例如呈空气A 口、涡轮壳体或鼓风机壳体的型式——可具有150布氏硬度(BHN)的硬度和在从约40至约50kPa每平方毫米(kPa/mm2)的范围内测得的拉伸强度。在另一实施例中，合适的延性铁铸件可具有250 BHN的硬度和在从约66到约87 kPa/mm2的范围内的拉伸强度。
[0025]以上所列举的性质使得延性铁能够更好地耐受压缩机叶轮破裂的应力。因此，在一些实施例中，空气入口 34可由延性铁制成。在这些和其它实施例中，涡轮壳体和鼓风机壳体中的一个或两个可全部或部分地由延性铁制成。如上文中所述的空气入口那样，涡轮壳体和鼓风机壳体中的一个或两个可为单壁的，以减少制造成本并增强可维护性。
[0026]读者可注意到,延性铁的相对吸震(damping)能力(5至20)显著小于处于20至100的灰口铸铁。然而，本文中的发明人已断定，涡轮壳体中的吸震并不在涡轮增压器转子动态性中扮演主要角色。因此，由使用延性铁代替灰口铸铁所导致的吸震降低不是问题。
[0027]在一些实施例中，空气入口 34、润轮壳体26和鼓风机壳体36可在规格和材料强度上足以容纳在压缩机叶片破裂之后带有110千焦(kj)的总动能的压缩机叶轮的一个或多个片段。在其它实施例中，这些构件的规格和材料强度可构造成用于与44%的动能增加(例如，158 kj)相对应的20%超速遏制。在一种方案中，用于空气入口、涡轮壳体和鼓风机壳体的延性铁的规格可基于释放预计量能量的模拟压缩机叶轮破裂事件来计算。在一些示例中，计算的规格可为9.7至12.7毫米(mm)。
[0028]本说明书的方面均不应以限制性方式理解，因为还可构想到众多变型和延伸。例如，图1的机车仅仅是具有相对较大的涡轮增压发动机的机车的图示，该涡轮增压发动机可被保护抵御压缩机叶轮破裂的损坏效应。文中阐述的方案也可适用于其它交通工具。此夕卜，虽然所示的涡轮增压器被具体指出为用于柴油发动机中，但类似的涡轮增压器可用于由其它燃料(例如汽油、压缩天然气等)提供动力的发动机。将注意到，在不同零件以包括具有给定性质的材料为特征的情况下，这样的零件可由具有相同所指性质的不同材料制成，或者它们可由相同材料形成。
[0029]上述构型使得用于保护发动机系统抵御归因于压缩机叶轮破裂的损坏的各种方法成为可能。因此，现在继续参照以上构型以举例方式描述一些这样的方法。然而将理解，此处描述的方法和完全落入本公开的范围内的其它方法也可由其它构型实现。
[0030]图5示出用于保护发动机系统抵御归因于压缩机叶轮破裂的损坏的示例性方法40。在方法40的42，提供涡轮增压器。如上文中所述，涡轮增压器具有涡轮盘、机械联接至涡轮盘的压缩机叶轮、以及单壁空气入口，其被构造成允许空气到压缩机叶轮且提供用于压缩机叶轮旋转的间隙；空气入口由延性铁制成。
[0031]在一个实施例中，空气入口可在基于一个或多个压缩机叶轮破裂事件的有限元模拟所计算的厚度下设置在精确模制的涡轮增压器中。这样的事件可包括多个压缩机叶轮片段在空气入口后方的瞬间释放一在一个示例中，二至五个片段。所模拟的压缩机叶轮破裂事件中的至少一个可释放多于110 kj的动能，以提供合适的安全裕度。
[0032]在得出用于空气入口和其它涡轮增压机构件的合适规格时，可采用有限元分析。现在将描述模拟方案的方面。在典型的失效模式中，压缩机叶轮中的裂缝通常起始于压缩机叶轮孔的后部，并且沿向前的轴向方向和向外的径向方向传播。旋转叶轮中的裂缝的传播导致叶轮背面的向前偏移。作用在背面上的压缩机出口压力进一步使叶轮沿向前方向偏移。该向前偏移导致抵靠空气入口的叶轮摩擦。摩擦随着增加的裂缝传播而增加，直到最终应力水平超过压缩机叶轮材料的极限强度，导致叶轮沿着裂缝破裂成片段。片段可包括二、三、四或五件，取决于裂缝传播的详细图案。
[0033]合适的遏制方案必须考虑与正常瞬间叶轮释放相关联的径向负载和与裂缝传播(如上所述)相关联的释放两者，其除了径向负载之外还包括向前的轴向负载。模拟结果显示，在两种情形下，由于在空气入口与压缩机叶轮之间的紧密间隙而首先由空气入口经历冲击负载。因此，与空气入口的初始冲击确定了每个叶轮片段的初始轨迹。模拟结果显示，增加空气入口材料的延性提供了归因于初始冲击的沿向前轴向和径向方向的改进遏制。因此，当由延性铁制成时，单壁空气入口可足以容纳在压缩机叶轮破裂之后带有110 kj总动能的压缩机叶轮的一个或多个片段的规格设置。更特定而言，当多个压缩机片段的瞬间释放发生在空气入口后方时，空气入口将把所有这样的片段约束在其内部，而不允许任何片段穿透空气入口的单壁。
[0034]在初始冲击之后，叶轮片段由于由空气入口所提供的阻力而被往回引向涡轮壳体。模拟结果进一步显示，加强涡轮壳体材料使得其能够承受偏移片段的显著动能。模拟结果还显示，显著的动能通过在鼓风机壳体与空气入口之间的螺栓连接界面而被转移至鼓风机壳体材料。减小在螺栓之间的间距(和增大螺栓的数量)减小了在该界面处所经历的应变。
[0035]继续图5，在所提供的涡轮增压器中的涡轮壳体或鼓风机壳体中的一个或两个可包括延性铁，并且可在基于一个或多个压缩机叶轮破裂事件的有限元模拟所计算的厚度下设置在涡轮增压器中。在方法40的44，涡轮增压器的空气入口利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓联接至涡轮增压器的鼓风机壳体。在该实施例和其它实施例中，鼓风机壳体还可利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓(例如，十二个螺栓)联接至涡轮壳体。
[0036]如文中所用地，以单数型式或前接用词“一”、“一个”叙述的元件或步骤应当理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确陈述了这种排除。此外，对本发明的“一个实施例”的提及并不意图解释为排除也合并所述特征的额外实施例的存在。此外，除非明确陈述为相反，“包括”、“包含”或“具有”具有特定性质的一个或多个元件的实施例可包括不具有该性质的另外的此类元件。术语“包含”和“在其中”被用作相应术语“包括”和“其中”的简明语言等同物。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，且并不意图将数字要求或特定的位置顺序强加于其对象上。
[0037]该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使得相关领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求限定，并且可包括本领域普通技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质差别的等同结构元件，则这样的其它示例意图落在权利要求的范围内。
【权利要求】
1.一种涡轮增压器，包括 涡轮盘； 机械地联接至所述涡轮盘的压缩机叶轮；以及 单壁空气入口，其构造成允许空气到所述压缩机叶轮且提供所述压缩机叶轮的旋转用的间隙，所述空气入口包括延性铁。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述延性铁具有大于约410兆帕(MPa)的极限拉伸强度和大于约280 MPa的屈服强度。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述延性铁具有大于约10%的百分比延伸率，其中，所述延性铁具有以拉伸测量的大于约162 GPa的弹性模量，且其中，所述延性铁具有约0.275的泊松比。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述延性铁的热膨胀系数在灰口铸铁的热膨胀系数的10%以内。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮增压器还包括围绕所述涡轮盘的涡轮壳体和构造成接收来自所述压缩机叶轮的压缩空气的鼓风机壳体，其中，所述空气入口、所述涡轮壳体和所述鼓风机壳体在规格和材料强度上足以容纳在压缩机叶轮破裂后带有110千焦的总动能的所述压缩机叶轮的一个或多个片段。
6.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述涡轮壳体为单壁的且包括所述延性铁。
7.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述鼓风机壳体为单壁的且包括所述延性铁。
8.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述空气入口利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓联接至所述鼓风机壳体。
9.根据权利要求5所述的涡轮增压器，其特征在于，所述鼓风机壳体利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓联接至所述涡轮壳体。
10.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述压缩机叶轮具有至少8千克的重量，且在至少一个操作模式中以27000或更多转每分钟被驱动。
11.一种发动机系统，包括: 构造成从压缩机抽取压缩空气的发动机，所述压缩机包括机械联接至排气驱动的涡轮盘的压缩机叶轮； 单壁空气入口，其构造成允许空气到所述压缩机叶轮且提供所述压缩机叶轮的旋转用的间隙，所述入口包括延性铁；以及 鼓风机壳体，其利用呈径向对称布置的确切地十二个螺栓联接至所述空气入口，所述鼓风机壳体构造成接收来自所述压缩机叶轮的压缩空气。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，在所述发动机的至少一个操作模式下，所述涡轮盘构造成以大于2000转每分钟驱动所述压缩机叶轮。
13.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述压缩机叶轮确定尺寸和形状为:当所述压缩机叶轮以大约27000转每分钟被驱动时，以至少4.5千克每秒的质量流率输送被压缩至从275到450千帕的吸入空气。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，当以27000转每分钟旋转时，所述压缩机叶轮携带多于110千焦的动能。
15.一种涡轮增压器，包括: 涡轮盘； 机械地联接至所述涡轮盘的压缩机叶轮； 单壁空气入口，其构造成允许空气到所述压缩机叶轮且提供所述压缩机叶轮的旋转用的间隙，所述空气入口包括含铁材料，所述含铁材料具有大于约410兆帕(MPa)的极限拉伸强度和大于约280 MPa的屈服强度； 单壁涡轮壳体，其包括所述含铁材料且围绕所述涡轮盘；以及 单壁鼓风机壳体，其包括所述含铁材料且构造成接收来自所述压缩机叶轮的压缩空气，所述空气入口利用呈径向对称布置的七个或更多螺栓联接至所述鼓风机壳体。
16.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其特征在于，所述空气入口、所述涡轮壳体和所述鼓风机壳体在规格和材料强度上足以容纳在压缩机叶轮破裂后带有110千焦的总动能的所述压缩机叶轮的一个或多个片段。
17.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其特征在于，所述含铁材料具有大于约15%的百分比延伸率以及在灰口铸铁的热膨胀系数的10%以内的热膨胀系数。
18.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其特征在于，所述含铁材料具有以拉伸测量的大于约162千兆帕的弹性模量和约0.275的泊松比。
19.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其特征在于，所述含铁材料具有在如由共振频率试验测得的从大约162到1`86千兆帕的范围内的动态弹性模量。
20.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其特征在于，所述含铁材料具有在从大约150到250布氏硬度值的范围内的硬度。
【文档编号】F01D25/24GK203515808SQ201320517951
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年8月23日 优先权日:2012年8月24日
【发明者】S.K.帕纳姆伯尔, R.K.库马, N.G.普拉巴卡, A.T杰彦特塞尔怀恩维克托 申请人:通用电气公司