破裂保護的製作方法

2023-10-09 05:42:49

專利名稱：破裂保護的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於增壓內燃機的廢氣渦輪增壓器領域。 本發明涉及廢氣渦輪增壓器的壓縮機，該壓縮機具有用於確保廢氣渦輪增壓器壓 縮機側的破裂保護可靠性的裝置。
背景技術：
為了提高內燃機(燃燒發動機)功率，目前符合標準地使用這樣的廢氣渦輪增壓 器，即，其帶有將空氣輸送到內燃機燃燒室以用於燃燒過程的壓縮機以及內燃機的廢氣管 中的廢氣渦輪機。利用內燃機增壓提高氣缸中的空氣和燃料量並由此獲得內燃機功率的明 顯提高。為此使用的廢氣渦輪增壓器按照標準由轉子(其由壓縮機葉輪(Verdichterrad) 和渦輪機葉輪(Turbinenrad)以及軸承座組成)、導引流體的殼體件(壓縮機殼體、渦輪機 殼體)以及軸承殼體組成。 如果內燃機以滿負荷運行，並且廢氣渦輪增壓器的廢氣渦輪機相應地大廢氣流被 加載，則在渦輪機葉輪以及壓縮機葉輪的轉子葉片尖端(Laufschaufelspitze)處達到非 常高的圓周速度。渦輪增壓器的最大許用轉子轉速是葉輪尺寸、幾何形狀以及所使用材料 的強度值的函數。旋轉的部件一般遭受非常高的離心力負荷和因此高的材料應力。材料組 織中的缺陷可能導致壓縮機葉輪或渦輪機葉輪的破裂，對於相鄰的殼體具有不可預見的後 果。壓縮機葉輪的初始失效圖形(Versagensbild)可通過葉片斷裂或者多部分的輪轂破裂 所描述。在葉片破裂時，葉片在壓縮機葉輪的根部區域中失效，其中，葉輪輪轂保持完好。在 多部分的輪轂破裂時，輪轂區域大多分裂成二至四個碎塊。壓縮機葉輪破裂的臨界狀況是 帶有三個基本相同大小的碎塊(3x120°扇形)的三部分輪轂斷裂。廢氣渦輪增壓器的破 裂保護概念(封攔概念(Containmentkonz印t))構思如下，使所有的碎塊(在多部分的輪 轂破裂的情況下)在給定的破裂轉速時被攔持在外部的殼體外罩(Gehaeuseummantelimg) 內。因此對於廢氣渦輪增壓器的結構要注意的是，壓縮機的動能在內部的靠近轉子的殼體 部件中通過塑性變形已經被消耗並由此徑向向外甩開(geschleudert)的碎塊的剩餘動能 不足以擊穿外部的殼體外罩或者不足以使外部的殼體連接件(例如螺栓)失效。
已知在壓縮機葉輪破裂情況下減少殼體連接件負荷的不同措施。
按照文件W0 02/090722，在通過壓縮機葉輪的轉子葉片徑向向外限制流體通道的 殼體嵌入件壁部(Gehaeuseeinsatzwand)中設置有理論斷裂點，以用於在壓縮機葉輪破裂 情況下阻止殼體部件或固定在壓縮機殼體處的構件的軸向甩出。 在文件EP 1-586-745中藉助於支承法蘭和支承法蘭與殼體嵌入件壁部的足夠大 的間距來防止在壓縮機葉輪破裂的情況下飛離的壓縮機葉輪部分直接軸向衝擊傳遞到空 氣入口殼體上，並且由此減少殼體部件之間的上連接件的負荷，並且阻止連接件破壞以及 碎塊射出(Austreten)。 在按照文件GB 2-414-769的另一變型中，殼體嵌入件壁部的軸向負荷在輪轂破 裂時由長的補償螺栓(Dehnschraube)所充分地吸收，並且壓縮機殼體和軸承殼體之間的拴緊的法蘭連接充分地被卸載。 在按照文件DE 10-2004-028-133的變型中，這種補償螺栓在螺栓、殼體嵌入件壁部以及壓縮機殼體之間設有附加配合。通過配合吸收破裂時產生的圓周力並且避免嵌入件壁部相對於壓縮機殼體轉動(verdrehen)。 在文件DE 10-2005-039-820中，使殼體嵌入件壁部增補有保持裝置，以用於由此截留或者說卡住軸向向前甩開的壓縮機葉輪以及殼體嵌入件壁部的碎塊。
上述的變型為了轉化在其中所描述的特徵大多需要大的結構體積。此外在一些變型中需要非常長的補償配合螺栓，這對於殼體加工精度、加工成本以及渦輪增壓器的結構尺寸提出了更高的要求。在文件DE 10-2005-039-820、 DE 10-2004-028-133以及GB2-414-769中，軸向作用的破裂力首先由補償配合螺栓所吸收，然後才通過殼體壁部傳導到在壓縮機殼體和軸承殼體之間上部的、較短的螺栓連接件中。後述的這種螺栓連接件是壓縮機側的破裂概念的臨界且待保護的點。

發明內容
因此本發明的目的是，通過使壓縮機殼體和軸承殼體之間的外部的殼體連接件免受失效，以防止破裂的方式設計用於壓縮機葉輪失效的情況的廢氣渦輪增壓器的壓縮機的殼體複合件(Gehaeuseverb皿d)。 根據本發明，這利用殼體複合件而實現，該殼體複合件包括貼靠在外壓縮機殼體的軸向止擋部處的殼體嵌入件以及在限制流體通道的嵌入件壁部輪廓和外壓縮機殼體之間的力流(Kraftfluss)中的彎曲元件(Biegeelement)。在此，彎曲元件包括相對於軸向帶有角度、優選地垂直於軸向而取向的支承元件，該支承元件可選地構造成環繞的支承環；以及在軸向上前置和後置的橋接件(Steg)，其中，軸向上在支承元件前的橋接件和軸向上在支承元件後的橋接件在垂直於軸線的方向上_即在周向上和/或在徑向上_布置成相互錯開。由於這些錯開布置的橋接件，使破裂引起的在嵌入件壁部輪廓和外壓縮機殼體之間的軸向力流被轉向兩次並由此實現軸向軟的彎曲結構。在此，顯著減少在外部的殼體連接件(螺栓)中的軸向負荷。 在壓縮機破裂時各個碎塊在軸向、徑向以及周向上壓到殼體嵌入件上。根據本發明，彎曲元件在環繞的環形件的區域中塑性地軸向被擠壓(stauchen)並由此消耗破裂動能。因此，只有一部分最初存在的破裂能通過殼體嵌入件的固定橋接件的支承面到達外壓縮機殼體中並最終到達待保護的與軸承殼體的連接件中。 根據本發明的破裂概念在儘可能小的結構空間上顧及壓縮機破裂情況並且利用
少量的標準螺栓顧及壓縮機殼體和軸承殼體之間的連接件的高的軸向卸載。 在失效時釋放的動能主要通過內殼體部件的塑性變形所吸收。由此，使外部的殼
體外罩和殼體連接螺栓儘可能地卸載。 其它優點從屬權利要求中得出。


下面藉助於附圖描述根據本發明的用於廢氣渦輪增壓器壓縮機的破裂概念的實施形式。其中
圖1顯示根據現有技術的、具有徑流式壓縮機(Radialverdichter)的廢氣渦輪增壓器的截面圖，該徑流式壓縮機具有外壓縮機殼體(蝸殼)和作為內壓縮機殼體的殼體嵌入件， 圖2顯示帶有外壓縮機殼體和根據本發明設計的殼體嵌入件的壓縮機殼體的截面圖， 圖3以立體圖顯示根據本發明設計的、根據圖2的殼體嵌入件，以及 圖4顯示根據本發明設計的、根據圖2的、帶有在破裂情況下所表明的彎曲的殼體
嵌入件在徑向上的側視圖。參考標號列表
1壓縮機葉輪7壓縮機殼體在軸承殼體處的固8軸9渦輪機葉輪10殼體嵌入件(內壓縮機殼體)11嵌入件壁部輪廓12定心環13支承元件，支承環14橋接件15固定橋接件16連接橋接件17理論斷裂點18固定器件(孔/螺栓)19擴壓管葉片20蝸殼(外壓縮機殼體)21軸向止擋部61流體通道62蝸殼中的收集室80軸承殼體90渦輪機殼體111彎曲元件
具體實施例方式
圖1顯示根據現有技術的、帶有徑流式壓縮機和徑流式渦輪機的廢氣渦輪增壓器。渦輪機葉輪9固定在軸8上或者實施成與軸成為一體。渦輪機殼體90包圍渦輪機葉輪並且限制流體通道，這些流體通道導引內燃機的熱廢氣通過渦輪機葉輪到排氣系統。壓縮機葉輪1同樣固定在軸8上。壓縮機殼體10通常由多個殼體部件組成並且藉助於外部的固定件7而旋緊在軸承殼體處。按照構造概念，以一定的順序組裝多部分的壓縮機殼體。在所示情況下，內壓縮機殼體(殼體嵌入件IO)首先被推入到外壓縮機殼體(蝸殼20)中並且在任何情況下利用固定器件以力配合或形狀配合的方式而固定在該外壓縮機殼體處。接著將由內壓縮機殼體和外壓縮機殼體組成的單元推到已經布置在軸上的壓縮機葉輪1上 方並且與軸承殼體80相連接。可選地，如示出的情況中所表明的，當內壓縮機殼體10在壓 縮機出口下遊的擴壓管(Diffusor)的區域中與軸承殼體相連接時，該內壓縮機殼體10通 過擴壓管葉片19而朝著軸承殼體80的接觸面被按壓，並且由此在運行時被卡緊在外壓縮 機殼體20和軸承殼體80之間。 備選地存在這樣的構造概念，S卩，在其中，內壓縮機殼體(即殼體嵌入件)隨後插 入到已經與軸承殼體相連接的外壓縮機殼體中並且從壓縮機側藉助於螺栓而固定在外壓 縮機殼體處。 圖2顯示與前述的壓縮機殼體類似地構造的壓縮機殼體的放大示出的細節圖，但 是該壓縮機殼體具有根據本發明設計的殼體嵌入件10。該殼體嵌入件固定在外壓縮機殼 體(蝸殼)20處，並且在擴壓管安裝有葉片的情況下，可選地通過擴壓管的葉片19而卡緊 在外壓縮機殼體20和軸承殼體80之間。殼體嵌入件10構造成單件式，但是包括多個功能 性部分區域。 嵌入件壁部輪廓11徑向向內限制流體通道61。因此，應輸送到內燃機的燃燒室的 空氣在壓縮機葉輪1的輪轂和嵌入件壁部輪廓11之間流動。對於徑流式壓縮機而言，嵌入 件壁部輪廓11在入口區域中軸向取向並接著在徑向上彎曲延伸並且通到外壓縮機殼體的 螺旋形收集室62中。在壓縮機出口下遊的擴壓管區域中，嵌入件壁部輪廓可設有理論斷裂 點17，該理論斷裂點17在壓縮機葉輪破裂情況下以有目的的方式使嵌入件壁部輪廓斷裂， 並且由此有助於根據本發明設置的殼體嵌入件內部的能量消耗。 為了使殼體嵌入件10定心在外壓縮機殼體20處，殼體嵌入件包括定心環12，該 定心環12靠在外壓縮機殼體處。可選地，可藉助於密封元件(密封環)密封支承面。可選 地，如圖2中所表明的，外壓縮機殼體20在用於定心環的支承面區域中可具有向著壓縮機 進口側(即在附圖中左邊)變窄的截面，由此在破裂情況下可發生定心環被卡住在外壓縮 機殼體處的支承面的狹窄部中。利用這種卡住可消耗定心環12的區域中的部分破裂能量。
定心環12通過連接橋接件16與內部的嵌入件壁部輪廓11相連接。如圖2中所 表明的，該連接橋接件16可可選地實施成雙彎(S形)。在破裂情況下變彎成S形的連接橋 接件16受到強烈彎曲負荷並由此在由破裂引起的衝擊負荷作用於外部的殼體連接件時實 現殼體嵌入件的高軸向撓性。 軸向指向的橋接件14從定心環12起通到支承環13，該支承環13通過同樣軸向指 向的固定橋接件15而靠在外壓縮機殼體20的軸向止檔部21處。在此，固定橋接件可選地 藉助於固定器件18而固定在外壓縮機殼體處，例如螺栓或螺紋銷可布置在為其設置的固 定橋接件中的開孔中。支承環可可選地分成多個環段形的支承元件，這些支承元件各自在 兩個軸向端側上分別具有至少一個橋接件，其中，橋接件在對置的端側上以相互錯開的方 式而布置。 在支承環13和定心環12之間的橋接件14沿著支承環的周邊分布。固定橋接件 15同樣沿著支承環周邊分布，但是相對於橋接件14錯開地而布置。可選地，固定橋接件和 橋接件除了在周向上錯開之外或者代替在周向上錯開也在徑向上相互錯開地而布置。
固定橋接件15、支承環13、支承環和定心環之間的橋接件14以及定心環12 —起 形成彎曲元件lll。圖3和圖4顯示帶有彎曲元件結構的放大(ausgebaut)的殼體嵌入件10。在該實施方案中，彎曲元件lll的橋接件在周向上分別錯開半個節距(Teil皿g)。由於 這種錯開使在外壓縮機殼體20處的軸向止檔部21和定心環12之間的力流通過在定心環 和支承環之間的橋接件14、環繞的支承環13以及固定橋接件15被轉向兩次並由此實現軸 向軟的彎曲結構。 在壓縮機破裂時，通過由於壓縮機葉輪碎塊的撞擊可使殼體嵌入件10在圓周方 向上轉動，這可能導致固定臂橋接件15和外部的壓縮機殼體之間的連接件18受到剪切作 用並由此導致破裂動能的部分地損耗。軸向破裂力通過殼體嵌入件10導入到外部的壓縮 機殼體20中裡面並接著導入到外部的的殼體連接件7中。因此為了防止碎塊向外射出，因 此總是確保，殼體連接件7保持完整並且使軸承殼體80和外部的壓縮機殼體20保持在一 起。為了實現這一點，根據本發明消耗殼體嵌入件中的大部分能量。向外甩出的碎塊可如 此地楔入(verkeilen)在殼體嵌入件和軸承殼體之間，即，使高的軸向力除了加載於殼體 嵌入件以外還加載於外壓縮機殼體以及軸承殼體。但是壓縮機葉輪的碎塊首先加載於嵌入 件壁部輪廓11。通過連接橋接件16使軸向力傳遞到定心環12上。軸向力從定心環12再 通過橋接件14傳遞到支承環13上。結果如在圖4中按照支承環13的虛線走向所表明的， 環繞的支承環13在與橋接件14的連接區域塑性地被擠壓。通過支承環的塑性變形消耗破 裂的動能。由此只有一部分最初存在的破裂能通過固定橋接件15的支承面到達外壓縮機 殼體20中並最終到達壓縮機殼體的徑向外部區域中的、待保護的殼體連接件7中。
在結構上如此地設計彎曲元件的橋接件和環狀物，S卩，使得對於正常的渦輪增壓 器運行實現足夠高的剛度並且使嵌入件壁部可設定為剛性的，由此不會對壓縮機葉輪和殼 體之間的間隙產生不利影響。此外設計彎曲元件時要注意，所實現的嵌入件壁部的固有頻 率不位於發動機引起的激勵頻譜的頻率範圍內。殼體嵌入件可由鑄件材料(例如，GGG-40) 製成。 可選地，嵌入件壁部輪廓11可朝著流體通道限制徑向圍繞流體通道61的空腔， 在該空腔中，來自壓縮機葉輪葉片區域的、已經部分壓縮的空氣可被導引回到吸氣區域 (Ansaugbereich)中。為此可選地，在壓縮機葉輪葉片區域中的、至少部分地環繞的槽口 (Schlitz)可引入到嵌入件壁部輪廓中。 代替嚴格地垂直於軸向而取向的支承環也可設置以相對於軸向帶有角度、優選帶 有60°至90°範圍內的角度的方式而取向的支承環，該支承環同樣根據本發明可被擠壓 並由此吸收破裂能。
權利要求
一種廢氣渦輪增壓器的壓縮機，包括可圍繞軸線旋轉的壓縮機葉輪(1)、外壓縮機殼體(20)以及徑向上布置在所述壓縮機葉輪(1)外部的殼體嵌入件(10)，其中，所述殼體嵌入件包括嵌入件壁部輪廓(11)，所述嵌入件壁部輪廓(11)與所述壓縮機葉輪(1)的輪轂一起限制流體通道(61)，其特徵在於，所述殼體嵌入件(10)貼靠在指向所述壓縮機葉輪的所述外壓縮機殼體(20)的軸向止擋部(21)處，其中，為了將軸向力從所述嵌入件壁部輪廓(11)傳遞到所述外壓縮機殼體(20)設置有彎曲元件(111)，其中，所述彎曲元件(111)包括至少兩個軸向取向且相互錯開布置的橋接件(14，15)以及使所述橋接件(14，15)相互連接的支承元件(13)，其中，所述支承元件(13)與軸向形成夾角的方式而取向並且在軸向方面布置在所述橋接件(14，15)之間。
2. 根據權利要求l所述的壓縮機，其特徵在於，所述彎曲元件(111)包括環段形的支承 元件(13)，其中，所述支承元件(13)在所述壓縮機葉輪的周向中取向，並且其中，所述支承 元件(13)在軸向一側上具有多個軸向取向的橋接件(14)並且在軸向另一側上具有至少一 個軸向取向的橋接件(15)。
3. 根據權利要求l所述的壓縮機，其特徵在於，所述彎曲元件(111)包括環形的支承元 件(13)，其中，所述支承元件(13)布置在所述壓縮機葉輪的周向中，並且其中，所述支承元 件(13)在兩個軸向側上具有多個軸向取向的橋接件(14,15)。
4. 根據權利要求l所述的壓縮機，其特徵在於，所述支承元件(13)垂直於軸向而取向 並且在軸向方面布置在所述橋接件(14， 15)之間。
5. 根據權利要求4所述的壓縮機，其特徵在於，所述彎曲元件(111)包括環段形的支承 元件(13)，其中，所述支承元件(13)在所述壓縮機葉輪的周向中取向，並且其中，所述支承 元件(13)在軸向一側上具有多個軸向取向的橋接件(14)並且在軸向另一側上具有至少一 個軸向取向的橋接件(15)。
6. 根據權利要求4所述的壓縮機，其特徵在於，所述彎曲元件(111)包括環形的支承元 件(13)，其中，所述支承元件(13)布置在所述壓縮機葉輪的周向中，並且其中，所述支承元 件(13)在兩個軸向側上具有多個軸向取向的橋接件(14,15)。
7. 根據權利要求1至6中任一項所述的壓縮機，其特徵在於，為了將軸向力從所述嵌入 件壁部輪廓(11)傳遞到所述外壓縮機殼體(20)的軸向止擋部(21)，所述彎曲元件(111) 布置在所述嵌入件壁部輪廓(11)和所述軸向止擋部(21)之間的力流中。
8. 根據權利要求1至6中任一項所述的壓縮機，其特徵在於，所述彎曲元件(111)是所 述外壓縮機殼體(20)的一部分，並且為了將軸向力從所述嵌入件壁部輪廓(11)傳遞到所 述外壓縮機殼體(20)，所述軸向止擋部(21)布置在所述嵌入件壁部輪廓(11)和所述彎曲 元件(111)之間的力流中。
9. 根據權利要求1至6中任一項所述的壓縮機，其特徵在於，為了將軸向力從所述嵌 入件壁部輪廓(11)傳遞到所述彎曲元件(111)上，所述彎曲元件(111)包括環繞的定心環 (12)，所述定心環(12)通過連接橋接件(16)與所述嵌入件壁部輪廓(11)相連接。
10. 根據權利要求9所述的壓縮機，其特徵在於，所述連接橋接件(16)在所述嵌入件壁 部輪廓(11)和所述彎曲元件(111)之間構造成雙彎，即在軸向外形中構造成S形。
11. 一種廢氣渦輪增壓器，包括根據權利要求1至6中任一項所述的壓縮機。
全文摘要
本發明涉及破裂保護，具體而言，壓縮機殼體包括殼體嵌入件(10)，該殼體嵌入件(10)帶有在嵌入件壁部輪廓(11)和外壓縮機殼體(20)之間的力流中的彎曲元件(111)。在此，該彎曲元件(111)由支承環(13)和橋接件(14，15)組成，其中，軸向上在支承環前的橋接件和軸向上在支承環後的橋接件布置成相互錯開。由於這些錯開布置的橋接件，使嵌入件壁部輪廓(11)和外壓縮機殼體之間的軸向力流被轉向兩次並由此實現軸向軟的彎曲結構。
文檔編號F04D29/42GK101793266SQ20101011876
公開日2010年8月4日 申請日期2010年2月4日 優先權日2009年2月4日
發明者J·施利恩格, P·阿伯爾 申請人:Abb渦輪系統有限公司