具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器的制作方法

本發明總體上涉及渦輪增壓器，并且更具體地涉及具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器。

背景技術：

動力機器通常包括用于壓縮諸如空氣的流體的一個或多個渦輪增壓器，所述流體然后被供給到動力源的燃燒氣缸。排氣被引導到渦輪增壓器的渦輪葉輪并驅動該渦輪葉輪。渦輪葉輪可連接到驅動壓縮機葉輪的軸。環境空氣由壓縮機葉輪壓縮并供給到動力源的進氣歧管，由此增加功率輸出。

隨著渦輪葉輪旋轉，所形成的離心力可能超過材料破裂臨界值并且渦輪葉輪可能破裂，由此將來自旋轉葉輪的動能釋放到渦輪增壓器和周圍的構件中。通常，通過在渦輪葉輪的破裂平面中向包圍渦輪葉輪的外殼增加材料來牽制該動能。然而，此材料的增加會明顯增加這種渦輪增壓器安裝在其上的動力機器的重量或成本。此外，向破裂平面增加材料可能導致與這種渦輪增壓器中的熱機械現象有關的不希望有的疲勞。因此，渦輪增壓器設計者不斷尋求吸收渦輪葉輪破裂的動能而不明顯增加周圍的外殼材料的量的途徑。

一種最大限度地減小從裝置釋放的材料的量并由此減少需要牽制的動能的量的嘗試在公開號為CN204041121的中國專利申請(‘121專利申請)中被公開。‘121專利申請涉及一種用于航空發動機的葉盤(又名整體葉盤)。材料疲勞可能導致整體葉盤破裂，并且破裂部分可能撞擊在航空發動機或航空器的其它部分上。為了提高乘客安全性，‘121專利申請描述了具有位于根部的徑向外側的凹部和葉片的陶瓷整體葉盤。因此，在失效的情況下，位于根部徑向外側的部分會破裂，且因此可能會撞擊在航空發動機和航空器的其它部分上的材料減少。

雖然對于其特定目的而言也許有效，但‘121專利申請涉及航空發動機，且無論如何都未涉及渦輪增壓器。因此，‘121專利無論如何都未描述或暗指用于渦輪增壓器的渦輪。此外，‘121專利無論如何都未描述或暗指對其整體葉盤或可與其改造后的整體葉盤相結合地使用的系統的其它特征結構進行任何另外的改造以牽制在破裂的情況下釋放的動能。

本發明針對于克服上述問題中的一個或多個和/或與現有技術相關的其它問題。

技術實現要素：

根據本發明的一個實施例，公開了一種渦輪增壓器渦輪葉輪盤部。所述盤部可包括盤體，所述盤體包括中心平面、上游軸向平面和下游軸向平面。所述上游軸向平面可與所述葉片平臺的上游側共同延伸并平行于所述中心平面，而所述下游軸向平面可與所述葉片平臺的下游側共同延伸。所述盤體還可包括在縱向軸線與葉片平臺之間延伸的長度、位于所述縱向軸線的徑向外側的肩部、位于所述肩部的徑向外側的頸部和位于所述頸部的徑向外側的喉部。肩部可在所述長度的約20％與約55％之間延伸并且包括相對于所述上游軸向平面或所述下游軸向平面的凸輪廓。

根據本發明的另一實施例，公開了一種用于渦輪增壓器的渦輪部段。所述渦輪部段可包括渦輪葉輪，所述渦輪葉輪包括盤部，并且所述盤部可包括盤體。所述盤體可包括在縱向軸線與葉片平臺之間延伸的長度，并且還包括位于所述縱向軸線的徑向外側的肩部、位于所述肩部的徑向外側的頸部和位于所述頸部的徑向外側的喉部。所述盤體還可包括與所述葉片平臺的上游側共同延伸的上游軸向平面和與所述葉片平臺的下游側共同延伸的下游軸向平面。所述渦輪部段還可包括輸入管道，所述輸入管道包括第一端和第二端，所述第一端可位于所述第二端的徑向內側。所述第一端可位于所述上游側的縱向上游且所述第二端可位于所述下游側的縱向下游。所述輸入管道還可包括在縱向上位于所述第一端與所述第二端之間和所述渦輪葉輪的徑向外側的爆裂屏蔽部。所述渦輪部段還可包括輸出管道，所述輸出管道包括第一側和第二側，所述第一側位于所述第二側的徑向內側和所述下游側的縱向下游，所述第二側位于所述上游側的縱向上游。所述輸出管道還可包括位于所述渦輪葉輪的徑向外側和所述爆裂屏蔽部的徑向內側并且在縱向上位于所述上游側與所述下游側之間的渦輪外罩部。

本發明的這些和其它方面和特征在結合附圖閱讀時將變得更容易理解。

附圖說明

圖1是可采用本文中公開的具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器的動力機器的側視平面圖。

圖2是可結合本文中公開的具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器使用的渦輪葉輪的側視剖面圖。

圖3是可結合本文中公開的具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器使用的渦輪部段的側視剖面圖。

圖4是為了放大目的而擴大的圖3的部分視圖。

圖5是示出從具有根據圖2的輪廓的渦輪葉輪釋放的碎片的動能和使用根據圖3-4的渦輪部段對該動能的吸收相對于時間的曲線圖。

具體實施方式

現在參照附圖并且具體參照圖1，示出了動力機器10。雖然所描繪的動力機器10為機車，但這只是示范性的，因為本發明的教導也可用于別處。例如，本發明可供另一種動力機器10使用，例如，汽車、皮卡、公路載重車、野外載重車、鉸接式卡車、瀝青攤鋪機、路面冷銑刨機、挖掘機、履帶式牽引車、牽引車、自行式平地機、林業集材機、反鏟裝載機、固定式發電機、諸如船舶或船艇的海洋應用等。動力機器10還可包括動力源12和與動力源12操作性地接合的渦輪增壓器14。動力源12可采用任何數量的不同形式提供，包括但不限于奧托和狄塞爾循環內燃發動機、混合動力發動機等。

現在來看圖2，總體以附圖標記16表示的、可與具有本文中公開的具有改進的破裂牽制的、用于動力機器10的渦輪增壓器14結合使用的渦輪增壓器14的渦輪葉輪16的側面剖視圖。如其中所示，渦輪葉輪16可包括盤部18和葉片部20。盤部18可包括盤體22，該盤體包括在縱向軸線26與葉片平臺28之間延伸的長度24。盤體22還可沿長度24包括可位于縱向軸線26的徑向外側的肩部30、位于肩部30的徑向外側的頸部32和位于頸部32的徑向外側的喉部34。此外，盤體22可包括與葉片平臺28的上游側36共同延伸的上游軸向平面35和與葉片平臺28的下游側40共同延伸的下游軸向平面38。另外，肩部30可在長度24的約20％與約55％之間延伸并且包括相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的凸輪廓42。

仍參照圖2，頸部32可在長度24的約45％與約70％之間延伸并且可包括相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的第一凹輪廓44。此外，喉部34可在長度24的約75％與約95％之間延伸并且可包括相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的第二凹輪廓46。最后，盤體22還可包括位于頸部32的徑向外側和喉部34的徑向內側的平衡環部48。平衡環部48可在長度24的約60％與約80％之間延伸并具有相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的平坦輪廓50。在無意限制的情況下，渦輪葉輪16可由金屬合金例如可鑄造的鎳基合金制成。

現在參照圖3，可供本文中公開的具有改進的破裂牽制的渦輪增壓器14使用的渦輪增壓器14的渦輪部段52的側面剖視圖總體上用附圖標記52表示。如其中所見，根據圖2的渦輪葉輪16可與具有改進的破裂牽制的渦輪部段52相結合地使用。此外，渦輪部段52可包括輸入管道54，并且輸入管道54可包括第一端56和第二端58。第一端56可位于第二端58的徑向內側和渦輪葉輪16的上游側36的縱向上游。相反地，第二端58可位于第一端56的徑向外側和渦輪葉輪16的下游側40的縱向下游。

輸入管道54還可包括位于第一端56與第二端58之間的爆裂屏蔽部60。此外，輸入管道54的爆裂屏蔽部60可位于渦輪葉輪16的徑向外側和在渦輪葉輪16破裂的情況下渦輪葉輪16的碎片的預期行程的破裂平面62中。破裂平面62可正交于縱向軸線26。此外，爆裂屏蔽部60可包括位于渦輪葉輪16的上游側36的縱向前方的上游端64和位于渦輪葉輪16的下游側40的縱向下游的下游端66。此外，爆裂屏蔽部60還可包括在從上游端64或下游端66朝破裂平面62移動時增大的厚度68。因此，厚度68或爆裂屏蔽部60在爆裂平面62處達到峰值。

仍參照圖3，渦輪部段52還可包括輸出管道70。輸出管道70可包括第一側72和第二側74。第一側72可位于第二側74的徑向內側和渦輪葉輪16的下游側40的縱向下游。相反地，第二側74可位于第一側72的徑向外側，并且還可位于渦輪葉輪16的上游側36的縱向上游。

輸出管道70還可包括位于渦輪葉輪16的徑向外側和輸入管道54的爆裂屏蔽部60的徑向內側的渦輪外罩部76。渦輪外罩部76可大體上在渦輪葉輪16的上游側36和下游側40之間縱向延伸。

現在來看圖4，描繪了圖3的局部視圖中的渦輪部段52的另外的特征，出于放大目的已將其擴大。如圖4中所見，渦輪葉輪16的葉片部20可包括葉片末端78，而渦輪外罩部76可包括徑向內壁80。此外，如其中所見，葉片末端78和徑向內壁80不接觸，因此在這兩個部位之間包含第一間隙82。另外，渦輪外罩部76還可包括徑向外壁84且爆裂屏蔽部60還可包括徑向內側腿部86。如圖4中所見，徑向外壁84可以不接觸徑向內側腿部86，因此這兩個部位之間包含膨脹空間88。如這些圖中還可見的，第一間隙82位于膨脹空間88的徑向內側且兩者都位于破裂平面62中。在無意限制的情況下，輸入管道54和輸出管道70可由可鑄造的金屬例如可鑄造的球墨鑄鐵制成。在一些情形中，可鑄造的球墨鑄鐵還可與其它元素合鑄以賦予改善的高溫性能。

工業適用性

在運轉中，渦輪增壓器14可包括渦輪葉輪16，該渦輪葉輪包括繞縱向軸線26旋轉的盤部18。隨著渦輪葉輪16旋轉，所形成的離心力可能超過材料破裂臨界值并且渦輪葉輪16可能破裂，由此將來自旋轉的渦輪葉輪16的動能釋放到渦輪增壓器14和周圍構件中。通常，通過在渦輪葉輪16的破裂平面62中向包圍渦輪葉輪16的外殼增加材料來牽制這種動能。然而，此材料的增加會明顯增加這種渦輪增壓器14安裝在其上的動力機器10的重量或成本。此外，向破裂平面62增加材料可能導致與這種渦輪增壓器14中的熱機械現象有關的不希望有的疲勞。因此，渦輪增壓器14的設計者不斷尋求吸收渦輪葉輪16破裂的動能而不明顯增加周圍的外殼材料的量的途徑。

本文中描述了一種這樣的改進的系統。首先，渦輪增壓器14可采用渦輪葉輪16，該渦輪葉輪具有包含根據圖2的輪廓的盤部18。通常，渦輪葉輪16的盤部18通常僅在其縱向軸線26與其葉片平臺28之間具有相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的凹形。因此，在破裂的情況下，盤部18在縱向軸線26與葉片平臺28之間的長度24的任意量可能排出。因此，由于這種常規設計的破裂期間可能排出的不同量的動能，渦輪增壓器14的設計者通常采用足夠的外殼材料以吸收盤部18的最大部分的動能。因此，這種渦輪增壓器14顯著增加了其設計的重量和成本。此外，這些設計經歷與這種渦輪增壓器14中的熱機械現象有關的不希望有的疲勞。

或者，渦輪增壓器14的設計者可采用具有根據‘121專利申請的盤部18的輪廓的渦輪葉輪16。‘121專利申請的盤部18的輪廓可包括位于縱向軸線26的徑向外側的肩部30和位于肩部30的徑向外側的喉部34。喉部34將用作用于包含這種輪廓的盤部18的自然破裂點。然而，與上述常規輪廓相似，‘121專利申請通常僅在其縱向軸線26與其葉片平臺28之間具有相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38的凹形。因此，在破裂的情況下，盤部18在縱向軸線26與葉片平臺28之間的長度24的任意量可能被排出，即使喉部34將用作自然破裂點。因此，由于‘121專利申請設計的破裂期間可能排出的不同量的動能，渦輪增壓器14的設計者將不得不采用足夠的外殼材料以吸收盤部18的最大部分的動能。因此，這種渦輪增壓器14將顯著增加其設計的重量和成本。此外，這些設計經歷與這種渦輪增壓器14中的熱機械現象有關的不希望有的疲勞。

與以上相比，根據本發明的盤部18的輪廓通過包括位于縱向軸線26的徑向外側、在長度24的約20％與約55％之間延伸并相對于上游軸向平面35或下游軸向平面38具有凸輪廓42的肩部30而在破裂的情況下排出最少量的縱向軸線26與葉片平臺28之間的長度24。此外，根據本發明的盤部18的輪廓通過具有位于肩部30的徑向外側、在長度24的約45％與約70％之間延伸并具有第一凹輪廓44的頸部32而確保在破裂期間排出最少量的長度24。此外，本發明通過還包括位于頸部32的徑向外側、在長度24的約70％與約95％之間延伸的喉部34而確保了在破裂期間排出最少量的長度24。這些特征形成肩部30與喉部34之間的明顯不同的應變分離，由此確保了破裂發生在喉部34處。因此，渦輪增壓器14的設計者利用根據圖2的盤部18的輪廓可牽制渦輪葉輪16的破裂而不明顯增加周圍的外殼材料的量。

作為上述盤部18的設計的必然結果，可使用較少的材料來牽制渦輪增壓器14的渦輪葉輪16的破裂，這是因為釋放的動能較小。因此，根據圖3-4的渦輪部段52可與具有根據圖2的輪廓的渦輪葉輪16相結合地使用以容易地牽制渦輪葉輪16的破裂。作為牽制這種渦輪葉輪16的破裂的減少的動能的第一機構，第一間隙82用作排出部分移過的空隙。渦輪葉輪16的排出部分可能撞擊在用于吸收一部分動能的徑向內壁80上。渦輪外罩部76然后可被徑向向外壓向爆裂屏蔽部60，這進一步吸收了渦輪葉輪16的排出部分的動能。隨著渦輪外罩部76吸收動能，渦輪外罩部76的表面積可能增大，直至徑向外壁84跨越膨脹空間88與徑向內側腿部86交匯。然后，渦輪葉輪16的排出部分可能刺穿渦輪外罩部76并撞擊爆裂屏蔽部60。由于爆裂屏蔽部60在徑向內側腿部86附近具有比徑向上進一步遠離縱向軸線26的部位寬的寬度，所以形成了大的彈性能量吸收帶，其吸收渦輪葉輪16的排出部分的動能，并防止排出部分經其二次排出。最后，這防止了排出部分二次排出到破裂平面62的縱向上游或下游。

動能牽制的證據在圖5中可見。如其中所示，渦輪葉輪16的排出部分——包括喉部34和位于喉部34的徑向外側的其它物體——的片塊的動能如實線所示可在約3毫秒內降至0％，同時該相同量的能量可作為內部能量和聲能量傳遞到周圍的渦輪外罩部76和爆裂屏蔽部60。因此，具有根據圖2的輪廓的盤部18可與具有根據圖3-4的特征的渦輪部段52相結合地使用以在不利用另外的材料或獨特的屏障——這增加了渦輪增壓器14的成本或形成了與渦輪增壓器14中的熱機械現象有關的不希望有的疲勞——的情況下吸收渦輪葉輪16的破裂。

以上說明意味著僅僅是代表性的，并且因此可以對本文中描述的實施例作出修改而不脫離本發明的范圍。因此，這些修改落入本發明的范圍內并且旨在落在所附權利要求的范圍內。