渦輪增壓器和內燃發動機的制作方法

渦輪增壓器和內燃發動機的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種渦輪增壓器和內燃發動機，所述渦輪增壓器包括具有氣體入口通道的渦輪機殼體。渦輪機葉輪具有多個葉片并且布置在渦輪機殼體內。噴嘴環圍繞渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，所述流動通道限定在輪葉之間，輪葉與氣體入口通道和渦輪機葉輪流體連通。護罩布置成與渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系并且與渦輪機殼體成間隔關系。護罩與噴嘴環整體形成，以使得多個輪葉遠離護罩延伸。本實用新型為了在渦輪機葉輪發生故障的情況下提供保護，并且為了進一步限定將排氣輸送到渦輪機葉輪的渦輪機噴嘴，渦輪機組件可以進一步包括護罩，其圍繞渦輪機葉輪的至少一部分。
【專利說明】
渦輪増壓器和內燃發動機
技術領域
[0001]本實用新型總體涉及用于與內燃發動機一起使用的渦輪增壓器，且更具體地涉及一種用于渦輪增壓器的渦輪機組件。
【背景技術】
[0002]內燃發動機被供應有空氣和燃料的混合物，用于在產生機械動力的發動機內燃燒。為了這種燃燒過程最大化地轉化成動力，發動機通常配備有渦輪增壓進氣系統。渦輪增壓進氣系統包括渦輪增壓器，其使用來自發動機的排氣以壓縮流入發動機中的空氣，從而促使發動機比自然進氣吸入更多空氣進入發動機的燃燒室中。這種增加的空氣量供應使燃料量增加，從而導致發動機動力輸出功率增加。
[0003]渦輪增壓器通常包括壓縮機殼體中安裝于單個軸的一端上的壓縮機葉輪和渦輪機殼體中安裝于軸的另一端上的渦輪機葉輪。通常，渦輪機殼體與壓縮機殼體單獨形成。軸承殼體連接在渦輪機與壓縮機殼體之間，用于容納軸的軸承。渦輪機殼體接收來自發動機的排氣并且將其引導到由排氣驅動的渦輪機葉輪。渦輪機組件因此從排氣中獲取動力并且驅動壓縮機。
[0004]渦輪機以極高的轉速旋轉。常規的渦輪機組件使用徑向銷以保持殼體相對于渦輪增壓器的中線對稱地熱膨脹，以使渦輪機組件的高速旋轉渦輪機葉輪與靜止殼體部件之間實現均勻尖端空隙。然而，當殼體由于受熱而膨脹和收縮時，銷會受到磨損。另外，如果銷上的負載太高或不均勻，則銷也會變形。
【實用新型內容】
[0005]在一方面，本實用新型描述一種渦輪增壓器，包括:渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括氣體入口通道;渦輪機葉輪，所述渦輪機葉輪具有多個葉片并且布置在所述渦輪機殼體中；噴嘴環，所述噴嘴環圍繞所述渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，所述流動通道被限定在所述輪葉之間，所述輪葉與所述氣體入口通道和所述渦輪機葉輪流體連通；以及護罩，所述護罩布置成與所述渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系，所述護罩與所述渦輪機殼體間隔開，所述護罩與所述噴嘴環整體形成，以使得所述多個輪葉遠離所述護罩延伸。
[0006]所述護罩包括在所述渦輪機葉輪的徑向方向上延伸的第一支腿和在平行于所述渦輪機葉輪的旋轉軸線的方向上延伸的第二支腿。
[0007]所述護罩的所述第一支腿和所述第二支腿通過彎曲的中間部分接合在一起。
[0008]所述輪葉從所述護罩的所述第一支腿延伸。
[0009]由所述輪葉限定的所述流動通道配置成朝所述渦輪機葉輪的內部直徑切向和徑向向內引導氣體，且所述護罩配置成限定與所述氣體入口通道和所述流動通道連通的流動路徑，所述流動路徑在基本上平行于所述渦輪機葉輪的旋轉軸線的方向上延伸。
[0010]所述輪葉圍繞所述噴嘴環對稱地布置。
[0011]所述護罩和所述噴嘴環由多個保險螺栓連接到所述隔熱罩，所述保險螺栓的每一個通過噴嘴環的輪葉中的對應者。
[0012]進一步包括軸，所述軸可旋轉地支撐在軸承殼體中，所述隔熱罩通過多個十字鍵銷固定到所述軸承殼體。
[0013]所述噴嘴環和所述護罩由鑄鐵制成。
[0014]在另一方面，本實用新型描述了一種提供渦輪增壓器的部件的對稱熱膨脹的方法，所述渦輪增壓器包括渦輪機殼體和布置在渦輪機殼體中并且連接到可旋轉地支撐在軸承殼體中的軸的渦輪機葉輪。該方法包括提供噴嘴環的步驟，所述噴嘴環圍繞渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，流動通道被限定在輪葉之間，所述輪葉與氣體入口通道和渦輪機葉輪流體連通。與渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系布置的護罩連接到噴嘴環。護罩和噴嘴環連接到隔熱罩。隔熱罩用多個十字鍵銷連接到軸承殼體，每一個十字鍵銷插入到隔熱罩中徑向延伸的第一通道和軸承殼體中互補徑向延伸的第二通道中。第一通道和第二通道圍繞渦輪機葉輪的旋轉軸線以圓形圖案對稱地布置，以使得在渦輪增壓器的工作期間十字鍵銷促使隔熱罩、噴嘴環和護罩對稱地熱膨脹。
[0015]在又一方面，本實用新型描述了一種內燃發動機，所述內燃發動機具有形成于氣缸體中的多個燃燒室、被設置成為所述燃燒室提供空氣或空氣與排氣的混合物的進氣歧管，以及被設置成從所述燃燒室接收排氣的排氣歧管，所述內燃發動機進一步包括:
[0016]渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括氣體入口通道；
[0017]渦輪機葉輪，所述渦輪機葉輪具有多個葉片并且布置在所述渦輪機殼體中；
[0018]噴嘴環，所述噴嘴環圍繞所述渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，所述流動通道被限定在所述輪葉之間，所述輪葉與所述氣體入口通道和所述渦輪機葉輪流體連通；以及
[0019]護罩，所述護罩布置成與所述渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系，且與所述渦輪機殼體間隔開，所述護罩與所述噴嘴環整體形成，以使得所述多個輪葉遠離所述護罩延伸。
[0020]可見，為了在渦輪機葉輪發生故障的情況下提供保護，并且為了進一步限定將排氣輸送到渦輪機葉輪的渦輪機噴嘴，渦輪機組件可以進一步包括護罩，其圍繞渦輪機葉輪的至少一部分。
【附圖說明】
[0021]圖1是根據本實用新型的內燃發動機的框圖。
[0022]圖2是根據本實用新型從渦輪增壓器的側面透視的概括視圖。
[0023]圖3是穿過圖2中所示的渦輪增壓器的中心的局部視圖。
[0024]圖4是圖2中所示的渦輪增壓器的渦輪機組件的截面詳圖。
[0025]圖5是圖2中所示的渦輪增壓器的渦輪機組件的另一個截面詳圖。
[0026]圖6是圖2中所示的已移除渦輪機殼體的渦輪增壓器的渦輪機組件的截面的透視圖。
[0027]圖7是圖2中所示的渦輪增壓器的渦輪機組件的噴嘴環和渦輪機葉輪的截面圖。
[0028]圖8是圖2中所示的通過徑向十字鍵銷截取的渦輪增壓器的渦輪機組件的截面圖。
【具體實施方式】
[0029]本實用新型涉及一種改進的渦輪增壓器，其結合內燃發動機使用，以促進發動機的有效工作以及渦輪增壓器堅固和可靠的工作。圖1示出了發動機100的簡化框圖。發動機100包括容納多個燃燒氣缸106的氣缸箱體104。在所示實施例中，六個燃燒氣缸以直線式或“I”型配置示出，但是可以使用布置成不同配置，諸如“V”型配置的任何其它數量的氣缸。多個氣缸106經由排氣閥(未示出)流體連接至第一排氣管道108和第二排氣管道110。第一排氣管道108和第二排氣管道110中的每一個都連接至渦輪增壓器119的渦輪機組件120。在所示實施例中，渦輪機組件120包括具有氣體入口 124的殼體122，其流體連接至第一排氣管道108和第二排氣管道110并布置成接收來自它們的排氣。提供給渦輪機組件120的排氣使連接至軸126的渦輪機葉輪(未在圖1中示出)旋轉。排氣通過出口 128排出渦輪機組件120的殼體122。在出口 128處的排氣在通過排煙管或尾管134排放至環境之前，可選地經過其它排氣后處理部件和系統，諸如機械地和化學地從排氣流除去燃燒副產物的后處理裝置130，和/或減弱發動機噪聲的消聲器132。
[0030]軸126的旋轉使壓縮機組件136的壓縮機葉輪(未在圖1中示出)旋轉。如圖1所示，壓縮機組件136可以是配置成通過壓縮機入口 140接收來自空氣過濾器138的新鮮、過濾空氣流的徑向式、混合流式或軸向式壓縮機。在壓縮機組件136的出口 142的加壓空氣在提供給發動機100的進氣歧管148之前，經由增壓空氣導管144引導到增壓空氣冷卻器146。在所示實施例中，來自進氣歧管148的空氣輸送到各個氣缸106，在其中空氣與燃料混合并燃燒以產生發動機動力。
[0031]圖1中標記102為排氣循環(EGR)系統，可選的EGR系統102包括流體連接至第一排氣管道108的EGR氣體供應端口 152的可選EGR冷卻器150。來自第一排氣管道108的排氣流可以經過EGR冷卻器150，其中氣體在經由EGR導管156供應至EGR閥154之前被冷卻。EGR閥154可以是電子控制的并且配置成計量或控制經過EGR管道156的氣體流量。EGR閥154的出口流體連接至進氣歧管148，以使得來自EGR管道156的排氣可以與來自發動機100的進氣歧管148內的增壓空氣冷卻器146的壓縮空氣混合。
[0032]通常稱為背壓的在第一排氣管道108處的排氣壓力高于環境壓力，部分是由于渦輪機組件120所呈現的流動限制。由于同樣的原因，在第二排氣管道110中出現了正背壓。通常稱為增壓壓力的進氣歧管148中的空氣或空氣/EGR氣體混合物的壓力也由于壓縮機組件136提供的壓縮而高于環境壓力。在很大程度上，與EGR系統102的部件的流動限制和流動面積連通的背壓與增壓壓力之間的壓力差，決定了可以在各種發動機工作條件下實現的EGR氣體的最大流量。
[0033]圖2示出了渦輪增壓器119的概括視圖，并且在圖3中示出了局部視圖。參照這些附圖，以及在以下的說明中，為簡明起見，與已經描述的相應結構和特征相同或類似的結構和特征有時可以用之前所用的相同標記符號表示。如圖所示，渦輪機組件120連接至軸承殼體202。軸承殼體202圍繞軸126的一部分并包括設置在軸承殼體202內形成的潤滑腔體206內的軸承242和軸承243。潤滑腔體206包括潤滑油入口端口 203和潤滑油出口開口 205，其容納潤滑流體流，例如發動機潤滑油，以當軸126在發動機工作期間旋轉時，流過其中以潤滑軸承242和軸承243。
[0034]軸126的一端連接到渦輪機葉輪212，并且另一端連接到壓縮機葉輪213。渦輪機葉輪212配置成在連接到軸承殼體202的渦輪機殼體215內旋轉。壓縮機葉輪213設置成在壓縮機殼體217內旋轉。渦輪機葉輪212包括多個圍繞輪轂216徑向布置的葉片214。輪轂216連接到軸126的一端。在所示實施例中，渦輪機葉輪212通過焊接連接在軸126的所述端處，但其它的方法，諸如通過使用緊固件，可用于將渦輪機葉輪212連接到所述軸126。渦輪機葉輪212可旋轉地設置在限定在渦輪機殼體215內的排氣渦輪機噴嘴230之間。如下文進一步所述，排氣渦輪機噴嘴230在相對于軸126和葉片214的基本徑向向內和軸向方向上將排氣提供給渦輪機葉輪122，以使得渦輪機組件120是混合的流動渦輪機，這意味著，排氣在徑向和軸向方向兩者中提供給渦輪機葉輪。經過渦輪機葉輪212的排氣經由出口孔234排出渦輪機殼體215，該出口孔234在殼體中形成并流體地連接到渦輪機組件出口 128(圖1)。渦輪機噴嘴230流體地連接到具有渦形形狀并在渦輪機殼體215中形成的入口氣體通道236。入口氣體通道236將渦輪機噴嘴230與渦輪機入口 124流體地連接(同樣參見圖1)。值得注意的是，在圖3中示出單個入口氣體通道236在渦輪機殼體215中形成，但在替代實施例中，可在單個渦輪機殼體中形成分離的通道。
[0035]在圖3中所示的實施例中，入口氣體通道236環繞渦輪機葉輪212和出口孔234的區域，并圍繞渦輪機葉輪212的整個圓周向排氣渦輪機噴嘴230打開。入口氣體通道236的橫截面流動區域沿經由入口 124進入渦輪機組件120并通過排氣渦輪機噴嘴230提供給渦輪機葉輪212的氣體的流動路徑而減小。
[0036]軸承殼體202封裝軸126的一部分，軸126可旋轉地安裝在軸承孔260中，該軸承孔260通過軸承242和軸承243在軸承殼體中形成。接合在軸126上的螺母288使軸126保持在軸承242和軸承243內。軸承242和軸承243中的每一個包括外圈261、滾動體和內圈262，外圈261接合軸承孔260的內徑表面，該共同的內圈262具有常規的管狀，并圍繞軸126沿其長度方向延伸。來自潤滑劑入口端口 203的潤滑油在工作期間經由通道264由外部油栗提供給軸承242和軸承243，從通道264那里它清洗軸承以在收集到潤滑腔體206中并通過潤滑劑出口開口 205排出軸承殼體之前冷卻和潤滑它們。
[0037]軸承242和軸承243由設置于在軸承殼體202上形成的壓縮機安裝板268和壓縮機葉輪213之間的軸承保持架266軸向保持在軸承孔260內。軸承保持架266形成中心開口270，該中心開口 270具有小于軸承孔260的的內徑，以使得當軸承保持架266連接到軸承殼體202時，軸承242和軸承243保持在軸承孔260內。軸承保持架266由緊固件272緊固到壓縮機安裝板268，但也可以使用其它緊固或保持結構。
[0038]參見圖2和圖3，壓縮機組件136包括壓縮機葉片環274，其形成圍繞壓縮機葉輪213徑向設置的葉片276。葉片276將包含壓縮機葉輪213的壓縮機入口孔278與壓縮機渦形通道280流體地連接，該壓縮機渦形通道280在壓縮機殼體217中形成并終止于壓縮機出口開口282。螺栓284和圓形板片286將渦輪機殼體215連接到渦輪機法蘭256，并且將壓縮機殼體217連接到壓縮機安裝板268。接合在軸126上的螺母288將軸126保持在軸承242和軸承243內。
[0039]為了將排氣從入口氣體通道236輸送到圍繞渦輪機葉輪212的區域，渦輪機組件120可以包括噴嘴環238。噴嘴環238可具有環形配置，并圍繞渦輪機葉輪212的徑向圓周的一部分延伸。如將在后續的段落中更詳細討論的，徑向噴嘴環238與入口氣體通道236流體連通來設置，并可限定圍繞葉輪212的排氣渦輪機噴嘴230的至少一部分。如圖4中所示，徑向噴嘴環238形成多個固定輪葉246，該多個固定輪葉246圍繞噴嘴環238對稱地布置并工作以將排氣從入口氣體通道236朝向渦輪機葉輪212引導。多個固定葉246的數量、形狀和配置可以改變。具有傾斜形狀的流動通道250限定在相鄰輪葉246之間。如圖6中所示，輪葉246可以進一步具有常規的彎曲的翼型形狀，以將經過輪葉和輪葉之間的氣流損失最小化，從而向渦輪機葉輪212提供相應均勻的流入條件。
[0040]為了在渦輪機葉輪212發生故障的情況下提供保護，并且為了進一步限定將排氣輸送到渦輪機葉輪的渦輪機噴嘴230，渦輪機組件120可以進一步包括護罩290，其圍繞渦輪機葉輪212的至少一部分。護罩290可以在渦輪機葉輪的徑向方向上與渦輪機葉輪212向外間隔開，并圍繞渦輪機葉輪212的整個圓周延伸。此外，護罩290可以在渦輪機葉輪212的軸向長度的至少一部分的軸向方向上(如由渦輪機葉輪212的旋轉軸線限定)延伸。如圖5中所示，護罩290可以包括相對于渦輪機葉輪212基本上在徑向方向上延伸的第一支腿292，和相對于渦輪機葉輪212基本上在軸向方向上延伸的第二支腿294 ο第一支腿292和第二支腿294可以通過彎曲的中間部分296接合在一起。然而，應當理解，只要護罩290圍繞渦輪機葉輪212的至少一部分，它就可具有不同于圖中所示的配置。
[0041]根據一個實施例，噴嘴環238可與護罩290結合為單一部件，如在圖4和圖5中所示。具體地，噴嘴環238的輪葉246可與護罩290的第一支腿292整體地連接并朝向軸承殼體202遠離第一支腿292軸向延伸。采用該布置，輪葉246可以為護罩290提供結構支撐。此外，采用該配置，噴嘴環238和護罩290可被鑄造為整體成型的單一部件。這可以使噴嘴環238和護罩290均由單一材料構成，這可以最小化在噴嘴環238和護罩290之間的熱失衡，并且從而降低在渦輪機組件120中的熱應力。此外，將噴嘴環238結合到護罩290中，可以允許使用相對較低成本的鑄鐵材料，用于組合的噴嘴環238和護罩290。用于鑄造噴嘴環238和護罩290的合適材料的一個示例是高硅鉬鐵，但也可以使用其它材料。噴嘴環238到護罩290的結合還提供了較低的零件數量，這可降低組裝復雜性和成本以及縮短檢修或再制造渦輪機所需的時間。
[0042]如上文所示，護罩290和噴嘴環238可以配置成限定從渦輪機殼體入口氣體通道236到渦輪機葉輪212的所謂混合的流動路徑，使得葉輪旋轉可以增強。在一般情況下，可配置渦輪機用于徑向流動、軸向流動(例如，諸如在噴氣發動機中使用的那些)，或包括徑向分量和軸向分量的混合類型的流動，本文中將稱為“混合的”流動以表示包括徑向和軸向流動特性的流動。如圖5和圖7中所示，關于所示實施例，徑向流動分量可以通過由輪葉246限定的流動通道提供，該輪葉246被布置和配置成引導氣體經過限定在葉片276之間的流動通道，該葉片276切向和徑向向內朝向渦輪機葉輪212的內部直徑。在護罩290的這部分中，可以形成徑向噴嘴。軸向流動分量可由彎曲的中間部分296和護罩290的軸向延伸的第二支腿294提供，如圖5中所示，這形成沿渦輪機的旋轉軸線的會聚軸向噴嘴，其加速了氣體流過渦輪機葉輪上葉片214的彎曲端。具體地，護罩290的彎曲的中間部分296和第二支腿294可限定這樣的流動路徑:當它朝向渦輪機葉輪212的表面移動時，其以更軸向的方向引導行進通過并離開噴嘴環238的輪葉246之間的流動通道的排氣的至少一部分。與徑向流動渦輪機組件相比，具有混合流動的渦輪機組件可以具有經過渦輪機的較低的氣體壓力降，這是因為不是所有為驅動渦輪機提供的氣體都必須從徑向方向轉向軸向方向。
[0043]噴嘴環238的輪葉246和護罩290的配置可以調整以提供更為明顯的徑向流動或軸向流動特性，以為特定的發動機配置提供所需的渦輪增壓器性能。例如，為便于將噴嘴環238的流動通道250與每個特定發動機等級匹配，噴嘴環238和護罩290可以在流動通道250中用過量的材料鑄造，以使得流動通道隨后可以被機加工成所需的流動通道幾何形狀，用于優化噴嘴環238對每個特定發動機等級的調整。以這種方式，渦輪機組件120獨特的流動特性可由在噴嘴環238中流動通道250的大小、形狀、數量和配置確定，而渦輪機組件的其它部分可以有利地保持不受影響，或在用于多個發動機平臺設計的情況下，渦輪機組件的剩余部分可基本上共同用于各種發動機和發動機應用。
[0044]因此，適用于特定發動機系統的渦輪機組件的具體流動特性可通過組合原本共用于一個以上發動機的渦輪機組件與噴嘴環238而實現，該噴嘴環238在鑄造之后機加工到具體適用于該特定發動機系統的配置。與鑄造各種不同噴嘴以匹配特定發動機系統相比，鑄造常見配置的噴嘴環238且然后將噴嘴環中的流動通道250機加工到最終所需配置可更具成本效益，并且可提供對噴嘴環的最終配置的更多控制。對應于特定發動機的適當噴嘴環流動通道250的配置的選擇可涉及各種渦輪增壓器工作條件的考慮，諸如排氣溫度、壓力和流速、驅動渦輪機的所需壓力差、渦輪機大小、所需渦輪機空燃(A/R)比和其它條件。
[0045]為了幫助減少從流過渦輪機殼體215的熱排氣到軸承殼體202的熱傳遞，渦輪機組件120可設置有隔熱罩302。如圖4和圖5中所示，隔熱罩302可布置在軸承殼體202與噴嘴環238以及護罩290之間。更具體地，如圖5中所示，隔熱罩302的外部加厚部分304可通過噴嘴環238和護罩290安裝在軸承殼體202上的渦輪機安裝法蘭256中的互補凹口 306中。另外，渦輪機安裝法蘭256上的凸起部分308可接合在形成于隔熱罩302面向軸承殼體202的側面中的互補凹口 310中。這些特征可幫助在安裝期間將隔熱罩302定位在相對于軸承殼體202的適當位置中。隔熱罩302可進一步具有軸126的端部可通過其中突起的中心開口 312。為了最小化在渦輪機組件120上的熱應力，隔熱罩302可由與噴嘴環238和護罩290相同的材料制成。如前所述，用于這些部件的構造的合適材料的示例是高硅鉬鐵，但是也可使用其它材料。
[0046]護罩290可與禍輪機殼體122間隔開并且與禍輪機殼體122分尚。具體地說，如圖4和圖5中所示，護罩290可與渦輪機殼體122向內(S卩，在朝向軸承殼體202的方向上)軸向間隔以便在護罩290的區域中給渦輪機組件120提供雙層壁結構，其中護罩290包括內壁且渦輪機殼體122包括外壁。這種布置將護罩290隔離，并且在這種情況下將整體噴嘴環238與渦輪機殼體122隔離。護罩290進一步可配置和布置使得在渦輪機葉輪212出現故障時(諸如，例如在渦輪機葉輪212與軸126之間的慣性焊接點失效時)將護罩290從渦輪機組件120的剩余部分中折斷。為此，護罩290和噴嘴環238可使用緊固布置固定在渦輪機組件120中，該緊固布置配置成當對應于渦輪機葉輪212出現故障時因故障產生的作用力施加于護罩290上時斷裂或折斷。例如，護罩290可使用一個或多個緊固件連接到渦輪機組件120，該一個或多個緊固件配置成當在軸向和/或徑向方向上施加于護罩290的作用力超過預定臨界力時折斷。
[0047]在所示的實施例中，護罩290和(在此例中)整體噴嘴環238由多個保險螺栓314連接到隔熱罩302。如上所述，隔熱罩302進而相對于軸承殼體202固定。因此，保險螺栓314相對于隔熱罩302和軸承殼體202將護罩290固定并且將護罩290相對于旋轉渦輪機葉輪212保持靜止。如圖5中所示，每一個保險螺栓314可具有在突起通過隔熱罩302的螺栓的端部處固定到保險螺栓的對應螺母316。另外，彈簧墊圈318可布置在保險螺栓314的每一端處。彈簧墊圈318可幫助保險螺栓314抵消渦輪機組件120的部件在工作期間出現的熱膨脹遲滯。例如，并未直接暴露于熱氣的保險螺栓314可在與熱氣直接接觸的圍繞結構已經膨脹之后熱膨脹。另外，視所使用的材料而定，在保險螺栓314與圍繞結構之間的熱膨脹系數可以不同。
[0048]另外，渦輪機組件120可配置成使得保險螺栓314和相關聯的螺母316以如下方式安裝在渦輪機組件120中，即螺母316和保險螺栓314在渦輪增壓器119的工作期間不能彼此分離。具體地說，如圖5中所示，每一個保險螺栓314的頭部可被安裝在護罩290的第一支腿292與渦輪機殼體215之間，且每一個相關聯的螺母316可通過插入在隔熱罩302與軸承殼體202之間而被安裝在對應的保險螺栓314的端部上。如圖7中所示，保險螺栓314的每一個可通過噴嘴環238的輪葉246中的對應者從護罩290延伸到隔熱罩302。為此，接收保險螺栓的輪葉246中的每一個可具有在渦輪機組件的軸向方向上延伸通過輪葉246的通道，相應的保險螺栓314可從該輪葉246的通道內插入。
[0049]在工作中，保險螺栓314將在渦輪機葉輪212以如下方式出現故障時斷裂，即旋轉渦輪機葉輪212或其碎片與護罩290接觸。保險螺栓314的斷裂可允許護罩290隨著仍然旋轉的斷裂渦輪機葉輪212在渦輪機殼體215內旋轉。旋轉護罩290可幫助以類似于摩擦制動鼓中的制動襯片的方式耗散已斷裂渦輪機葉輪212的能量。另外，當保險螺栓314折斷時，產生克服護罩290的旋轉慣性所需的加速度又將吸收渦輪機葉輪212出現故障時所產生的能量。通過將護罩290設置為旋轉所吸收的能量和護罩290在渦輪機殼體215上的制動動作可幫助減小渦輪機葉輪212破損和/或通過渦輪機殼體215脫開的可能性。使用包括渦輪機殼體215的雙層壁結構作為外壁并且使用單獨的護罩290作為內壁在渦輪機葉輪故障情況中分散渦輪機葉輪212碎片的力，允許使用更薄、重量更輕的渦輪機殼體215。從隔熱罩302中折斷保險螺栓314所施加于護罩290的作用力大小可通過改變保險螺栓314的數量、保險螺栓314的直徑和/或保險螺栓314的材料來調整。如從圖7中可見，在所示的實施例中使用總共五個保險螺栓314以將護罩290固定到隔熱罩302。根據其它實施例，可存在少至三個以及多達十五個保險螺栓314。應當明白的是，本實用新型不限于任何特定數量的保險螺栓314。根據一個實施例，保險螺栓314中的每一個可具有0.187英寸的直徑并且是由適用于高溫應用的合金(諸如以Waspaloy ?商標名稱出售的合金)制成。單獨的剪斷式護罩290可配置有整體噴嘴環238或可配置成使得噴嘴環238是單獨的部件。
[0050]為了幫助確保渦輪增壓器119的工作期間包括隔熱罩302、噴嘴環238和護罩290的各種部件的對稱熱膨脹，隔熱罩302可用多個對稱布置的銷釘或徑向十字鍵銷320固定到軸承殼體。隔熱罩302可首先用過盈配合布置在軸承殼體202的渦輪機安裝法蘭256上并且然后用徑向十字鍵銷320固定到適當位置。十字鍵銷320中的每一個可接收在隔熱罩302的加厚外部304中的多個周向間隔的徑向延伸通道322中的對應者中，并且進入軸承殼體202的渦輪機安裝法蘭256中的互補布置通道324中。在隔熱罩302和渦輪機安裝法蘭256中用于接收十字鍵銷320(和已插入的十字鍵銷)的通道322、324如圖8中所示圍繞渦輪機葉輪212的旋轉軸線以圓形圖案對稱地布置，這提供了通過隔熱罩302和十字鍵銷320的橫截面圖。在徑向方向上延伸通過隔熱罩302并且進入軸承殼體202中的單個十字鍵銷320在圖4中可見，且若干十字鍵銷320的外端在圖6中可見。[0051 ] 如上所述，護罩290和整體噴嘴環238可由例如保險螺栓314附接到隔熱罩302。隔熱罩302進而通過十字鍵銷320附接到軸承殼體202。因此，隔熱罩302、護罩290和噴嘴環238作為系統連接在一起。此外，十字鍵銷320將隔熱罩302、噴嘴環238和護罩290保持基本上同心以及保持隔熱罩302在渦輪增壓器119的熱工作范圍內保持到軸承殼體202。更具體地，在渦輪增壓器119的工作期間，即使在軸承殼體202與隔熱罩302之間存在溫度差，在軸承殼體202與隔熱罩302之間由十字鍵銷320建立的互連仍然促使隔熱罩302以及其互連的護罩290和噴嘴環保持同心。例如，在渦輪增壓器119的工作期間，在渦輪機安裝法蘭256處軸承殼體202的溫度可近似400°C，而隔熱罩302的溫度近似700°C。盡管存在這種溫度差，但十字鍵銷320仍可將隔熱罩302、護罩290和噴嘴環238保持同心。
[0052]隔熱罩302、噴嘴環238和護罩290作為系統接合在一起還可幫助實現十字鍵銷320上的最小化負載和對稱的十字鍵銷320上的負載。此外，由相同材料構造護罩290、噴嘴環238和隔熱罩302可避免由于配合部件的熱失衡而在十字鍵銷320上產生負載和應力。如上文所討論的，使噴嘴環238和護罩290成為單個整體部件還可確保十字鍵銷320上的對稱負載。這些特征中的每一個可允許對隔熱罩302、噴嘴環238和護罩290進行交叉鎖定，且十字鍵銷320上的受力和磨損不會過量。
[0053]如圖4中所示，隔熱罩302和軸承殼體202中用于接收十字鍵銷320的通道322、324可布置成使得十字鍵銷320—旦插入到其相應通道中便由渦輪機殼體215接收，以使得十字鍵銷320在渦輪增壓器119的工作期間不能從其相應通道中拉出。具體地說，渦輪機殼體215的內壁326可布置成與十字鍵銷320的徑向向外端相對，以便阻止十字鍵銷320從其相應通道322、324中移出。如圖8中所示，所示實施例包括總共十五個徑向十字鍵銷320。然而，可提供不同數量的十字鍵銷320，前提是它們圍繞渦輪機組件120的中線對稱地布置。十字鍵銷320可由耐高溫材料(諸如，舉例而言，不銹鋼)制成。
[0054]為了幫助密封防止排氣從渦輪機殼體215內外漏，渦輪機組件120可包括一個或多個排氣密封件。例如，第一排氣密封件328可布置在渦輪機護罩290與渦輪機殼體215之間。如圖5中所示，第一排氣密封件328可延伸在護罩290的第二支腿294與渦輪機殼體215的內壁之間。在這個位置中，第一排氣密封件328可防止排氣繞過噴嘴環238中的流動通道250，并通過護罩290與渦輪機殼體215之間的空間逸出到外孔234。第二排氣密封件330可進一步布置在隔熱罩302與軸承殼體202之間。第二排氣密封件330可包括面向軸承殼體202的渦輪機安裝法蘭256的隔熱罩302的側面上的多個刀刃密封件。第二排氣密封件330的刀刃密封件可延伸成與渦輪機安裝法蘭256接合。圖5中所示的第一排氣密封件328和第二排氣密封件330的位置可幫助實現在最大渦輪機壓力下橫跨噴嘴環238、護罩290和隔熱罩302組件的壓力平衡，這進而還有助于十字鍵銷320上的負載最小化。如本領域技術人員應當理解的是，還可提供另外的密封件和替代的密封布置。
[0055]工業實用性
[0056]應當理解的是，前述描述提供了所公開系統和技術的示例。然而，預期本實用新型的其它實施方式可與前述示例在細節上不同。所有對本實用新型或其示例的引用旨在提及特定示例在所述點被討論并且不旨在暗示更一般地對本實用新型保護范圍的任何限制。關于某些特征的差別和貶低的所有語言旨在指示缺乏對這些特征的偏好，但不是將這些完全排除在本實用新型保護范圍之外，另有指示除外。
[0057]應當明白的是，前述描述提供了所公開系統和技術的示例。所有對本實用新型或其示例的引用旨在提及特定示例在所述點被討論并且不旨在暗示更一般地對本實用新型保護范圍的任何限制。關于某些特征的差別和貶低的所有語言旨在指示缺乏對這些特征的偏好，但不是將這些完全排除在本實用新型保護范圍之外，另有指示除外。
[0058]因此，本實用新型包括適用的法律所允許的所附權利要求書中列舉的主題的所有修改和等同物。另外，除非本文中另有指示或明顯與背景相矛盾，否則本實用新型涵蓋其所有可能變化中的上述元件的任何組合。
【主權項】
1.一種渦輪增壓器，其特征在于包括: 渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括氣體入口通道； 渦輪機葉輪，所述渦輪機葉輪具有多個葉片并且布置在所述渦輪機殼體中； 噴嘴環，所述噴嘴環圍繞所述渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，所述流動通道被限定在所述輪葉之間，所述輪葉與所述氣體入口通道和所述渦輪機葉輪流體連通；以及 護罩，所述護罩布置成與所述渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系，所述護罩與所述渦輪機殼體間隔開，所述護罩與所述噴嘴環整體形成，以使得所述多個輪葉遠離所述護罩延伸。2.根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述護罩包括在所述渦輪機葉輪的徑向方向上延伸的第一支腿和在平行于所述渦輪機葉輪的旋轉軸線的方向上延伸的第二支腿。3.根據權利要求2所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述護罩的所述第一支腿和所述第二支腿通過彎曲的中間部分接合在一起。4.根據權利要求2所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述輪葉從所述護罩的所述第一支腿延伸。5.根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，由所述輪葉限定的所述流動通道配置成朝所述渦輪機葉輪的內部直徑切向和徑向向內引導氣體，且所述護罩配置成限定與所述氣體入口通道和所述流動通道連通的流動路徑，所述流動路徑在基本上平行于所述渦輪機葉輪的旋轉軸線的方向上延伸。6.根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述輪葉圍繞所述噴嘴環對稱地布置。7.根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述護罩和所述噴嘴環由多個保險螺栓連接到所述隔熱罩，所述保險螺栓的每一個通過噴嘴環的輪葉中的對應者。8.根據權利要求7所述的渦輪增壓器，其特征在于，進一步包括軸，所述軸可旋轉地支撐在軸承殼體中，所述隔熱罩通過多個十字鍵銷固定到所述軸承殼體。9.根據權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，所述噴嘴環和所述護罩由鑄鐵制成。10.—種內燃發動機，所述內燃發動機具有形成于氣缸體中的多個燃燒室、被設置成為所述燃燒室提供空氣或空氣與排氣的混合物的進氣歧管，以及被設置成從所述燃燒室接收排氣的排氣歧管，其特征在于所述內燃發動機進一步包括: 渦輪機殼體，所述渦輪機殼體包括氣體入口通道； 渦輪機葉輪，所述渦輪機葉輪具有多個葉片并且布置在所述渦輪機殼體中； 噴嘴環，所述噴嘴環圍繞所述渦輪機葉輪設置并且包括具有流動通道的多個輪葉，所述流動通道被限定在所述輪葉之間，所述輪葉與所述氣體入口通道和所述渦輪機葉輪流體連通；以及 護罩，所述護罩布置成與所述渦輪機葉輪的至少一部分成圍繞關系，且與所述渦輪機殼體間隔開，所述護罩與所述噴嘴環整體形成，以使得所述多個輪葉遠離所述護罩延伸。
【文檔編號】F02C6/12GK205477945SQ201620174386
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月8日
【發明人】R·E·安娜緹, M·J·弗里克, R·C·格里菲思
【申請人】卡特彼勒公司