排氣渦輪的擴散器的製造方法

2023-07-27 07:17:21

排氣渦輪的擴散器的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種排氣渦輪的擴散器，排氣渦輪的渦輪擴散器(82)穿過流管道固定在沿徑向內置的、限制流管道的殼體件(81)處，該殼體件與轉子的組件相關聯。這經由特定取向和設計的支柱(83)來實現。這使得能夠一起拆除在一個組件中的渦輪擴散器和噴嘴環、轉子，而不必拆卸外殼體。
【專利說明】排氣渦輪的擴散器
【技術領域】
[0001]本發明涉及利用內燃機的排氣來加載的渦輪增壓器的領域。
[0002]本發明涉及一種帶有軸向入流(AnstrSmung)的排氣潤輪,其帶有可取出的轉子體(Rotorblock)。
【背景技術】
[0003]渦輪增壓器用於提升活塞式馬達的功率。渦輪增壓器使用經由軸來驅動壓縮機轉子的渦輪。在帶有軸向流入式排氣渦輪(在該文件中此後簡稱為軸流式渦輪，其中，軸流式渦輪的這種類型恰好由於流出側的渦輪擴散器(其將流換向到徑向方向上)而應不可與燃氣渦輪機的單級或者多級的軸流式渦輪相比較)的排氣渦輪增壓器中，渦輪擴散器機械地一例如經由固定的螺栓連接一與渦輪的氣體離開殼體相聯結。由此產生這樣的必要性，即在拆除渦輪時在朝壓縮機的方向上首先將渦輪擴散器從氣體離開殼體鬆開，這尤其在固定器件生鏽或者以別的方式卡住時或者僅由於待鬆開的固定器件的可接近性穿過在支承殼體中的開口而是費勁和耗時的工作。為了簡化在維護時拆除排氣渦輪增壓器的暴露於排氣流的所有的部件，致力於如此優化排氣渦輪增壓器的設計使得整個轉子體一即所有的旋轉部件和所屬的支承區域一連同在排氣渦輪上遊的導引裝置可作為整體一起從渦輪殼體中抽取出。然而對此傳統地設計的、在圖1中描繪的軸流式渦輪並不適合。
[0004]在傳統的軸流式渦輪中，在構件氣體離開殼體與渦輪擴散器之間的連接通常不經受相對運動且通過金屬接觸來密封防止氣體洩漏。因此渦輪在渦輪擴散器與氣體離開殼體之間的主流管道之外不存在洩漏流(渦輪旁路)且因此也不需要用於在該交接區處進行密封的特別的措施。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在於在軸向流入式排氣渦輪中使渦輪擴散器(其使在渦輪轉子葉片下遊的排氣流從軸向方向換向到徑向方向上)在機械方面與渦輪增壓器外殼體脫離且代替地使渦輪擴散器和可選地固定在該渦輪擴散器處的噴嘴環與轉子組件在機械方面相關聯。
[0006]根據本發明這由此實現，即渦輪擴散器穿過流管道固定在沿徑向內置的、限制流管道的殼體件(在專業術語中稱之為罩蓋，其與轉子的組件相關聯)處。這經由特別取向和設計的支柱來實現。因此存在新的組件一所謂的罩蓋擴散器。
[0007]轉變的總體設計使得可一起拆除在一個組件中的渦輪擴散器和噴嘴環、轉子，而不必拆卸外殼體。
[0008]由此獲得較短的拆卸和再安裝時間。
[0009]此外可最小化外殼體的變形對渦輪轉子葉片的徑向間隙的影響和因此最小化對渦輪效率的影響，因為渦輪擴散器(包括直接在轉子葉片之上的通常被稱為蓋環的區域)與外殼體在機械方面脫離。這尤其對於在兩級增壓中的高壓渦輪增壓器來說可是重要的，因為此處可發生外殼體的顯著的變形，如果渦輪擴散器和外殼體固定地相連接，這使得出於安全原因(避免轉子葉片觸及渦輪擴散器處)需要更大的葉片頂部間隙。
[0010]通過將渦輪擴散器連結到轉子體處而不是連結到氣體離開殼體處來使渦輪擴散器與氣體離開殼體在機械方面脫離。為了避免由於在轉子組件與外殼體之間的新的交接區而在渦輪的主流管道之外出現洩漏流(渦輪旁路)，根據本發明引入半靜態的節流密封部位。
[0011]如果將空氣管道裝入到罩蓋擴散器的一個或者多個支柱中，可通過支柱將用於吹入的空氣引導到擴散器流中。因此可使擴散器流空氣動力學地匹配於運行點，由此可更短地實施擴散器且可降低流損失。
[0012]由從屬權利要求中得到或者可從實施例的詳細的描述中得悉其它的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]接下來藉助附圖來詳細地闡述本發明的不同的實施形式。其中:
圖1顯示了沿著軸線引導的、通過根據現有技術的排氣渦輪增壓器的軸向流入式排氣渦輪的截面，
圖2顯示了沿著軸線引導的、通過帶有根據本發明構造的渦輪擴散器的排氣渦輪增壓器的軸向流入式排氣渦輪的截面，
圖3根據圖2顯示了在排氣渦輪的擴散器與氣體離開殼體之間的、根據本發明在機械方面脫離的區域的放大的示圖，
圖4根據圖3顯示了在機械方面脫離的區域中的節流密封部(Drosseldichtung)的示意性的示圖，
圖5顯示了沿著軸線引導的、通過帶有帶有根據本發明構造的渦輪擴散器的排氣渦輪的排氣渦輪增壓器的截面，以及
圖6顯示了沿著軸線引導的、通過帶有帶有帶有附加的空氣吹入裝置(Lufteinblasevorrichtung)的根據本發明構造的潤輪擴散器的排氣潤輪的排氣潤輪增壓器的截面。
[0014]附圖標記清單
10空氣進入殼體
11帽狀物(內空氣進入殼體)
20空氣離開殼體 21集流室 22駛入傾斜部 30渦輪
31渦輪的轉子葉片 40渦輪擴散器 50支承殼體
501支承殼體中的空氣管道 51罩蓋 55閥 60軸
64壓縮機轉子
641壓縮機轉子的背部空間
642空氣室
65壓縮機殼體
67在壓縮機擴散器中的導引裝置的導引葉片 68在壓縮機擴散器中的導引裝置的殼體 70導引裝置(噴嘴環)
8罩蓋擴散器 81罩蓋 82渦輪擴散器 821擴散器中的槽口 822曲徑式密封部 83支柱
831支柱中的空氣管道 832擴散器處的吹入開口 85固定器件(螺栓)
9節流密封部 91密封環 A洩漏流。
【具體實施方式】
[0015]圖1顯示了如開頭提及的那樣傳統的軸流式渦輪，例如，該軸流式渦輪典型地使用在很大的排氣渦輪增壓器中。軸流式渦輪為包括渦輪30的排氣渦輪，渦輪在輪轂的徑向外邊緣處具有帶有轉子葉片31 (其暴露於在軸向方向上引導的排氣流且將與渦輪相連接的軸60置於旋轉運動中)的輪緣。將排氣從內燃機的燃燒室經由氣體進入殼體10引導至渦輪。氣體進入殼體包括帽狀物11，利用該帽狀物使管狀的排氣輸入管路轉換到環形管狀的流管道中。
[0016]就在轉子葉片上遊布置有帶有多個導引葉片的導引裝置70(所謂的噴嘴環)，在這種結構類型的傳統的排氣渦輪中，噴嘴環或者固定在氣體進入殼體10處或者固定在氣體離開殼體20處。氣體離開殼體除了很大的集流室之外包括擴散器40，該擴散器沿徑向向外限制在渦輪轉子葉片下遊的流管道。在相對而置的側部上流管道通過固定在支承殼體50處的殼體件(所謂的罩蓋51)來限制。因此罩蓋和擴散器形成負責將流從軸向方向換向到徑向方向上的流管道。為了在渦輪區域的設計方案中可從軸側拆除暴露於排氣流且因此對於維護渦輪來說重要的構件，必須首先鬆開在噴嘴環與氣體進入或者氣體離開殼體之間的連接接著拉出渦輪。如上面所提及的那樣，如果相應的固定器件生鏽、受到汙染或者以其它的方式被卡住，這可是很困難的。穿過在渦輪殼體中的狹窄的開口來接近固定器件也是相對很困難的。
[0017]由於這個原因，在根據圖2的根據本發明的軸流式渦輪中通過以下方式使用於將噴嘴環固定在轉子體處的通道變得平整，即在固定在轉子體處的罩蓋與渦輪擴散器之間使用連接支柱。由此新提供的組件可以罩蓋擴散器8來表示。該罩蓋擴散器8包括管狀的兩個區段一沿徑向外置在渦輪側的端部處的擴散器82以及沿徑向內置的罩蓋。在罩蓋擴散器的軸側的端部處，即在鄰接到在氣體離開殼體20中的集流室21處的區域處，管狀的兩個區段具有可比較的徑向高度，因此管狀的兩個區段彎曲且將流管道從就在轉子葉片31下遊嚴格軸向的取向轉換到徑向方向上。罩蓋擴散器8的管狀的兩個區段通過沿著周向分布地布置的多個支柱83來連接。支柱可以擰緊、焊接、釺焊或者直接澆注在擴散器與罩蓋之間。整個組件罩蓋擴散器8製成為唯一的鑄件，這在製造技術方面是有利的。
[0018]可選地，在渦輪擴散器82的面向渦輪的端部處固定有噴嘴環70。因此在拆除現在還包括渦輪擴散器的轉子組件時可同樣將噴嘴環與渦輪盤(Turbinenscheibe) —起從渦輪殼體中移開。可選地，可將噴嘴環附加地與內渦輪殼體(所謂的帽狀物)相連接使得其也可在拆除時與轉子組件一起從渦輪殼體中被拉拔。備選地，可使固定在渦輪擴散器處的噴嘴環在機械方面與內渦輪殼體脫離，在這種情況下，如果在噴嘴環處設置有阻礙洩漏流通過噴嘴環的沿徑向內部的區域的器件，例如閉合圓面的殼體蓋，這可是有利的。
[0019]支柱的數量決定由支柱引起的轉子葉片的振動激勵(在轉子面之後的壓力場中的幹擾)的激勵系統(Erregerordnung)。在此激勵系統應如此高使得已經在低轉速範圍中實現第一固有頻率的激勵而不在很高的、對於運行來說重要的、接近全負荷轉速的運行範圍中來實現。這以至少七個支柱數量來保證。
[0020]有利地，支柱具有用於降低流損失的滴狀截面。在此滴狀輪廓應布置成旋轉對稱且徑向地取向使得鏡象對稱的滴狀件的輪廓弦平行於渦輪增壓器的矢徑伸延，而沒有調整角。由於在渦輪的設計點中來自擴散器的無旋流的排流(AbstKmung)，這導致最小的損失。反之如果應如此設計渦輪使得存在受限定的離開旋流，則必須在滴狀件的輪廓弦與矢徑之間限定相應的調整角。支柱的橫截面應足夠大以便整個構件的固有頻率處在渦輪增壓器轉速之上。由於受限制的徑向結構高度，輪廓截面不可任意變大，因為輪廓弦的長度固定。僅通過加厚滴狀件輪廓可提高剛性。任何加厚與流損失的提高相聯繫。上界限是圓形的截面。
[0021]關於支柱的周向位置有利的是至少七個支柱中的一個關於在氣體離開殼體20中的開口布置在中心。在於渦輪增壓器的設計點中運行時且在因此與之相關的無旋流的來自渦輪的排流的情況下在氣體離開殼體中形成兩個渦流尾痕(Wirbelzopf)，其在氣體離開殼體的開口的中部中在氣體離開殼體的出口凸緣的方向上合流。以這樣的布置方案來最小化流損失。
[0022]有利地，支柱83平行於渦輪增壓器軸線取向且布置在面向在氣體離開殼體中的集流室的端部處，而不是沿徑向直接布置在渦輪的轉子面之後作為出口導向器(Nachleitrad)。該措施也導致流損失的最小化，因為支柱因此安裝在帶有最小可能的速度的位置處。雖然更靠近渦輪轉子面且(在更確切地說徑向的實施方案中)將帶來關於組件罩蓋擴散器的剛性的某些優點，然而對此必須承受更高的流損失，因為此處在流方面的速度更高。附加地可預料到的是轉子葉片的更高的振動激勵。
[0023]根據圖5，為了將罩蓋擴散器固定在支承殼體50(其同樣屬於可從渦輪殼體中作為一個單元拆除的轉子組件)處，根據本發明以儘可能大的徑向高度(即在罩蓋81的外邊緣的區域中)將多個固定器件85(例如螺栓)從壓縮機側穿過在支承殼體50中的孔引導至罩蓋擴散器處的相應的孔中。如果固定器件85以足夠大的徑向高度來布置，除了罩蓋擴散器的由此獲得的最大可能的剛性之外，在拆除轉子組件時隨時提供至固定器件(螺栓頭)的可接近性，即使壓縮機轉子64未從軸移開。由此可在需要時一例如為了清潔或者為了更換一將罩蓋擴散器從轉子組中鬆開，而不必首先移開其它的構件。為了在運行中防止汙染和不負面地妨礙在壓縮機擴散器中的流，固定器件靠著在壓縮機擴散器中的流管道被遮蓋。可選地，適合作為遮蓋件的是在壓縮機擴散器中的導引裝置(噴嘴環)的環狀的殼體68，在其處固定有單個的導引葉片67。可選地，位於遮蓋部之後的空腔藉助於環繞的密封環來相對於壓縮機的流管道進行密封以便防止侵入可能受汙染的流介質。
[0024]如果通過以下方式使渦輪擴散器與氣體離開殼體在機械方面脫離，即例如渦輪擴散器如上面所描述的那樣連結到轉子組件處而不是連結到氣體離開殼體處，則在渦輪擴散器與氣體離開殼體之間提供新的交接區。在該兩個構件之間產生作為圍繞渦輪級的洩漏路徑起作用的間隙。存在這樣的危險，即在渦輪的主流管道之外形成洩漏流A(渦輪旁路)，其對渦輪效率有負面作用。
[0025]由於在運行中在渦輪擴散器與氣體離開殼體之間的相對運動，間隙在瞬態運行中具有可隨時間改變的幾何尺寸。為了限制在渦輪效率方面由於可能的洩漏流的損失，必須在所有的重要的運行狀態中對間隙進行充分地密封。對此根據本發明設置有半靜態的密封部。特別適合的是基於活塞環或者備選地基於薄片環(Lamellenringen)的密封部。兩種密封部類型都是節流密封部且通常插入在同心的柱狀面之間，而沒有徑向的相對運動和軸向偏移(偏心)。然而對於此處當前的使用目的必須考慮在運行中在柱狀面之間(渦輪擴散器和氣體離開殼體)帶有強烈的徑向相對運動和偏心。在傳統地應用這種節流密封部時未提出的其它的問題是由於來自重油燃燒的排氣殘留的汙染。
[0026]藉助圖3和圖4闡述的根據本發明的節流密封部包括在渦輪擴散器82的外徑上的槽口 821中的金屬密封環91 (活塞環、薄片環或者相似的元件)的組件。在此如此選擇槽口寬度，即永不發生由於在活塞環處的起引導作用的構件的徑向和軸向的相對運動的夾住。此外，可選地可通過構造傾斜的槽壁來防止在在渦輪擴散器與氣體離開殼體之間出現偏心時一即在渦輪擴散器關於氣體離開殼體的傾斜狀況中一密封環卡住在槽口中。在此，槽壁的斜度(相對於徑向方向的角度)有利地相應於在運行中可預料到的傾斜狀況。尤其在很緊地(knapp)測量的間隙寬度中傾斜的槽壁有助於防止夾住密封環。
[0027]在裝配轉子時將渦輪擴散器82駛入到氣體離開殼體20中(在圖3中從左邊)。在此通過氣體離開殼體的駛入傾斜部22使密封環91靠著氣體離開殼體20的內徑拉緊。這樣在運行中調節密封環朝著氣體離開殼體的內徑的壓緊力，該壓緊力由預緊密封環和所引起的沿徑向向外作用到密封環上的壓力產生。在活塞環中，根據活塞環、槽口和密封間隙的幾何結構的徑向壓力的效果明顯是有用的。平的活塞環相對於軸向工作面具有很高的匹配能力且對于振動更少地易受影響，而處於豎立的、狹長的活塞環則設計成針對於在徑向和軸向上很高的表面壓力。
[0028]對於薄片環，由於製造條件決定的結構形式(直徑與截面比值)，所引起的徑向壓力小得可忽略。
[0029]圖4顯示了帶有沿徑向貼靠的密封環的密封組件的示意性的簡圖。可選地，組件具有一個或兩個密封環。附加地，可可選地使密封空氣在密封環上遊或者在密封環之間吹入以防止在間隙中由於排氣殘留的汙染。同樣為了防止在密封區域中的汙染可在密封部位上遊設置曲徑式密封件822，雖然該曲徑式密封件不產生顯著的節流效果，但通過換向作用有助於排氣殘留的分離。侵入到在渦輪擴散器與氣體離開殼體之間的間隙中的排氣殘留可導致卡住密封環。因此必須儘可能地避免密封部分的汙染。
[0030]備選於密封環可使用預裝在氣體離開殼體中或在渦輪擴散器中的補償器板以用於密封間隙。補償器板在此通過裝配預緊貼靠在兩個構件處。運行變形可通過板的造型被很好地吸收。
[0031]可選地，可根據圖6將空氣管道831裝入到罩蓋擴散器的一個或者多個支柱83中。通過空氣管道可導引空氣以用於吹入到渦輪的擴散器區域中。在此，在所示的實施形式中將空氣從壓縮機轉子的背部空間641中提取出且在聚集在空氣室642中。通過在支承殼體中的一個或者多個空氣管路501和可選的閥55將空氣輸送給支柱中的空氣管道831。空氣管道通到其它的集流室中，輸入管路從此處引導至擴散器中的吹氣開口 832中。
[0032]在軸向渦輪增壓器中，在渦輪側上使用渦輪擴散器以用於在渦輪下遊損失最小地(verlustoptimal)滯延流。該潤輪擴散器最優地針對額定負荷運行點來設計。在此實現確定的擴散器入口與擴散器出口的面積比且通過選擇最優的角度得出所需要的長度。在軸流式渦輪中，渦輪擴散器的軸向長度直接到達到結構長度中且由此直接影響渦輪增壓器的緊湊性。為了可避免過長的結構長度，經常在擴散器中在軸向的結構長度與最優的壓力恢復之間接受折衷。
[0033]此外通過在鄰接的工作區域中的運行點上來設計擴散器可在渦輪擴散器中例如由於流在外壁處的分開預料到明顯更高的損失。在擴散器中在過高的開口角度的情況下在擴散器管路的外部區域處發生分開。流的分開引起附加的壓力損失。該分開主要通過擴散器的非常平的開口角度來避免，這又導致提高的軸向結構長度。通過將空氣吹入或者抽吸到擴散器流中可使擴散器在運行中空氣動力學地匹配於運行點。由此可或者更短地實施擴散器或者可使流損失降低。普遍已知的是在壁區域中的流性能可在架設行為方面通過吹入或者抽吸空氣來影響。(飛機的翼組流、流最優的賽車等)。為了應空氣動力學地來匹配渦輪擴散器，在渦輪擴散器處甚至就在分開點或者轉變點前的(壓縮機背部空間的)空氣被吹入以便實現流的貼靠。在此，如果不存在貼靠的流，例如在部分負荷區域中，僅應吹入空氣。這可例如通過可切換的閥55來實現。此外還可在兩級或者多級渦輪增壓系統中使用更高級的熱氣或者壓縮機空氣，其例如經由廢氣門或馬達旁路導出。該氣體可通過在閥55的區域中的外部的埠來輸送(未示出)。用於吹入而使用的氣體經由存在於罩蓋擴散器中的橋接件引導至吹入地。備選於吹入可實現邊界層的抽吸且由此來擴大流的開口角度。為此可在閥55的區域中設置引導來自渦輪增壓器的抽吸空氣的抽吸管路。
【權利要求】
1.帶有軸向入流的排氣渦輪，包括:渦輪(30)，其帶有多個轉子葉片(31)、用於使流取向到所述渦輪的轉子葉片上的導引裝置(70);以及流管道，其布置在所述渦輪的轉子葉片下遊以便將所述流從所述轉子葉片導引至氣體離開殼體且為此具有從軸向方向到徑向方向上的彎曲部，其中，所述流管道在沿徑向外部由渦輪擴散器(40，82)來限制而在沿徑向內部由殼體件(51，81)來限制，其特徵在於，所述渦輪擴散器(82)與所述氣體離開殼體(20)在機械方面脫離，且所述渦輪擴散器(82)和沿徑向向內限制所述流管道的所述殼體件(81)通過在所述流管道中的支柱(83)來彼此相連接。
2.根據權利要求1所述的排氣渦輪，其特徵在於，所述渦輪擴散器(82)、沿徑向向內限制所述流管道的所述殼體件(81)以及所述支柱(83)構造成一體。
3.根據權利要求1或2所述的排氣渦輪，其特徵在於，在所述渦輪擴散器(82)與沿徑向向內限制所述流管道的所述殼體件(81)之間布置有至少七個支柱(83)。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的排氣渦輪，其特徵在於，所述導引裝置(70)固定在所述渦輪擴散器處以便在拆除包括所述渦輪擴散器(82)、沿徑向向內限制所述流管道的所述殼體件(81)以及所述支柱(83)的組件(8)時與該組件(8) —起從渦輪的殼體中被拉拔。
5.根據權利要求1所述的排氣渦輪，其特徵在於，在所述渦輪擴散器(82)與所述氣體離開殼體(20)之間的間隙中布置有節流密封部(9)。
6.根據權利要求1所述的排氣渦輪，其特徵在於，通過所述支柱(83)來引導至少一個空氣管道(831)，該至少一個空氣管道(831)與在所述渦輪擴散器處的吹入開口(832)相連接。
7.根據權利要求5所述的排氣渦輪，其特徵在於，所述節流密封部(9)具有布置在所述渦輪擴散器(82)中的槽口(821)中的至少一個密封環(91)。
8.排氣渦輪增壓器，包括根據權利要求1至7中任一項所述的排氣渦輪以及支承在支承殼體(50)中的軸，該軸帶有固定在其上的壓縮機轉子(64)，其中，包括所述渦輪擴散器(82)、沿徑向向內限制所述流管道的殼體件(81)以及所述支柱(83)的組件(8)藉助於固定器件(85)從所述支承殼體(50)的壓縮機側固定在所述支承殼體(50)處。
【文檔編號】F02B37/00GK103541778SQ201310285980
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年7月9日 優先權日:2012年7月9日
【發明者】A.索菲亞, C.克雷恩坎普, D.科斯特裡, D.奧伊施格, M.斯特德裡, R.普羅布斯特, T.雷欽, W.吉滋, M.喬霍, M.賈魯塞, A.瓦卡 申請人:Abb渦輪系統有限公司