CN101523027A - 用于气体密封和减振的环形密封件 - Google Patents
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Abstract
用于连接两级涡轮增压系统的两个涡轮机壳体(1、2)的一种连接装置包括一个用于将这两个涡轮机壳体接合的阳性/阴性接头;一个圆柱形环密封件(3),该密封件在压缩下安装到该阳性/阴性接头内部用于对排气进行密封;以及一个减振器(4),该减振器为一个扁平垫圈的形状并且被置于该两个壳体之间。该圆柱形环密封件可由用蛭石或石墨浸渍的不锈钢网制成。该减振器可由未浸渍的不锈钢网制成。
Description
技术领域
本发明涉及用于内燃机的一种两级涡轮增压系统,并且更具体地说涉及在这些涡轮级之间的圆柱形径向密封件以及壳体之间的减振器。
背景技术
涡轮增压器是一种类型的强制进气系统。它们对流入发动机内的空气进行压缩,从而提高发动机的马力而无需实质性地增加其重量。涡轮增压器利用来自发动机的排气流使涡轮机旋转,而涡轮机进而使空气压缩机旋转。由于涡轮机在旋转时比大多数汽车发动机要快大约30倍并且它与排气接通,所以涡轮机内的温度很高。
涡轮增压器的主要问题之一是在加油时涡轮增压器并不提供即时的动力提升,这就是所谓的涡轮增压器的延迟或提升延迟。减少涡轮增压延迟的一种方法是减小涡轮机的直径。但是,较小的涡轮机在高发动机转速下并不提供足够的提升。当大量排气经过涡轮机时,它还有在更高的发动机转速下旋转太快的危险。较大的涡轮增压器可在高发动机转速下提供大量提升,但是由于要使更重的涡轮机和压缩机加速所花费的时间,更大的涡轮增压器可能出现不良的涡轮增压延迟。
已经设计出了双涡轮增压系统来解决上述问题。双涡轮增压系统可以是平行双涡轮增压系统或顺序的双涡轮增压系统。平行双涡轮机系统具有两个小涡轮机,一个在发动机的整个旋转范围内都工作,而另一个在高转速时才起作用。顺序的双涡轮机系统也称做双级涡轮增压系统并且使用不同尺寸的两个涡轮增压器。较小的一个非常快地旋转加速,从而减少了延迟,而较大的一个在更高速时取而代之来提供更大的提升。
从常规来讲,两级涡轮增压系统的较大的低压(LP)和较小的高压(HP)涡轮机壳体是例如由一个V形带连接和滑动接头刚性地连接的,以便防止排气泄漏。然而,由于热膨胀使这种刚性连接可在高温下引起应力。
在某些两级涡轮增压系统内,较小的单元可以是悬臂式支撑在较大的单元上,因此在热的条件下它自由膨胀。然而,当这两个涡轮机单元均足够大时,由于这种连接未提供可靠的支撑,所以这两个涡轮机单元均必须刚性安装到发动机上,这就意味着在热膨胀的情况下,若安装凸缘是刚性的,往往会产生大的应力。
发明内容
因此,本披露的目的之一是在两级涡轮增压系统内的两个涡轮机壳体之间提供一种连接,这种连接提供了可靠的支撑,并同时在高和低的工作温度下提供必要的排气密封,而且还允许这些壳体的热膨胀。
为了实现上述目的,本披露提供了一种丝网装置(优选由不锈钢制成并用蛭石、石墨或其他适当的介质浸渍)作为两级涡轮增压系统的涡轮级之间的一个径向密封件,这些涡轮级由一个阳性/阴性接头进行连接。该浸渍的网装置的形状为一个薄壁圆柱形环,并在压缩下安装在连接这两个涡轮机壳体的阳性/阴性接头的内部。该径向密封件在高和低的工作温度下提供必要的排气密封,同时允许这些壳体的热膨胀,因为该阳性/阴性接头能够沿着其主轴线滑动而不破坏该密封件。这类连接还具有的优点是这两个涡轮增压单元能够被有效地分离并可随着温度膨胀而不引起应力。
因为该系统刚性不强,所以将这些涡轮增压装置解除连接可能对第一模式频率具有负面影响。为了对此进行补偿,将一个扁平垫圈形状的第二网环(优选也由不锈钢制成)置于这些壳体之间以起到减振器的作用。该第二环由与径向密封件类似的材料制成,但并不被浸渍。它将其“弹性模量”(比如线丝直径和密度)调谐为在激励范围内对振动进行衰减,因此实现系统内必要的模态响应。
可从以下说明和附图中能够理解本发明的进一步的优点和实施方案。
附图说明
通过举例方式对本发明进行说明,且不限于这些附图,在附图中,相同附图标记表示类似的部件,并且在附图中:
图1是根据本发明的创造性的方面的一个两级涡轮增压器的透视图;以及
图2是示出了这两个涡轮机壳体的连接的截面图。
具体实施方式
图1至图2示出了与一个两级涡轮增压器的高压(HP)涡轮机壳体1和低压(LP)涡轮机壳体2有关的密封件3和减振器4的位置。
在一个实施方案中,根据本披露的密封件3和减振器4可在以下工作条件下工作:约为750℃的最高温度;壳体之间的大约为1至2mm的线性膨胀;壳体1、2的铸造材料是HiSiMo铁;频率的第一模式是大于300Hz;并且热循环的最小数目是大约10,000。
在一个实施方案中,径向密封件3可由300系类不锈钢的编织丝网制成,并且可具有约为0.20mm的线丝直径。本披露还基于多种因素如成本(例如低碳钢、400系列不锈钢、等等)考虑了使用其他材料。然而,由于排气中的水分含量和铁质壳体的性质,可能发生锈蚀,这往往会限制壳体1、2在不破坏密封件3的情况下根据需要膨胀/收缩的能力。也可使用成本更高的材料(例如,镍合金、奥氏体镍基超耐热合金、INCONEL、等等),然而应考虑效益与成本的关系。用于形成密封件3的线丝直径可在0.15至0.30mm的范围内。密封件3内的线丝能够起到一个构架的作用,以将润滑材料(如蛭石、石墨等)保持在几何形状中并提供某种刚性。该部件的密封能力不太受线丝直径的影响。该浸渍的网装置可以是一个薄壁圆柱形环的形状,并且可在压缩下安装在该阳性/阴性接头的内部,该阳性/阴性接头由阳性连接结构10和连接结构20形成,这些连接结构连接这两个涡轮机壳体1、2。网密封件3可具有3.0至6.0mm范围内的厚度,并可具有的密度为70%至80%的线丝含量。
在另一个实施方案中,丝网密封件3可被用蛭石浆料浸渍。密封件3也可用石墨或其他适当的介质浸渍。蛭石浆料、石墨或其他适当的介质可具有以下性质:
a)耐受高于750℃的稳态温度的耐热能力;
b)在壳体1、2之间压缩时而脱层的安装耐用性;
c)使用时的耐用性,以使热循环和滑动摩擦不造成脱层;以及
d)覆盖工作温度范围的润滑性,以使这些部件在这些密封件表面上彼此相对滑动。
在另一个实施方案中,减振器4可由编织的丝网制成,例如由具有约为0.28mm的直径和约为25%的密度的300系列不锈钢制成。在一个优选实施方案中,减振器4是未浸渍的。与密封件3类似,也可使用其他的成本较低或较高的材料,但是应该考虑锈蚀的可能性以及成本。
减振器4的线丝直径可在0.10至0.40mm的范围内。与密封件3不同,现已发现线丝直径可以是减振器4的关键特性之一。与密度一起,这两个特性允许“调谐”减振器4,以提供用于热膨胀和减振所必需的弹性模量。减振器密度可取决于热膨胀、必要的模态响应以及所选择的线丝直径。对于设计这些部件在其中应用的具体应用而言,应将密度限制在15%与25%之间。根据所描述的这些变量,密度可在10%至80%范围的任何密度。根据线丝直径、热膨胀及模态响应,总体上对于减振器4的厚度优选2.0至10.0的范围。
密封件已经用在排气歧管和其他管类的应用中,而减振器环也已经用在其他应用中。然而,本发明的诸位发明人将本披露的密封件3和减振器4一起应用于一个两级涡轮增压系统中以将排气接头解除连接,以便允许壳体1、2的热膨胀同时解决泄漏及模态响应的问题。
虽然密封件已经用于排气歧管中,然而普遍认为某些密封件不能用在涡轮增压器中,因为在涡轮增压器内温度实质性地高于常规的排气歧管内的温度。同样,在常规的排气歧管中泄漏问题不像在涡轮增压器中那么至关紧要。
虽然通过参引出于说明目而选择的特定实施方式对本发明进行了说明,很明显无需背离本发明的精神和范围本领域中熟练的技术人员即可对其进行多种修改。
Claims (18)
1.用于连接两级涡轮增压系统的两个涡轮机壳体(1、2)的一种连接装置,该连接装置包括:
一个阳性/阴性接头(10,20),该阳性/阴性接头用于连接这两个涡轮机壳体;
一个圆柱形环密封件(3),该密封件在压缩下安装到该阳性/阴性接头内部,用于对排气进行密封;以及
一个减振器(4),该减振器为一个扁平垫圈的形状并且被定位于这两个涡轮机壳体之间,
其中该圆柱形环密封件是由用一种材料浸渍的丝网制成,并且该减振器由未浸渍的丝网制成。
2.根据权利要求1所述的连接装置,其中该圆柱形环密封件以及该减振器中至少一个的丝网是由不锈钢制成。
3.根据权利要求2所述的连接装置,其中该丝网是由300系列不锈钢制成。
4.根据权利要求1所述的连接装置,其中选择该浸渍材料所基于的指标包括耐热能力、安装时的耐用性、使用中的耐用性以及覆盖温度范围的润滑性。
5.根据权利要求1所述的连接装置,其中该浸渍材料是蛭石或石墨。
6.根据权利要求1所述的连接装置,其中该减振器具有一个弹性模量,该弹性模量被调谐为在激励范围内衰减振动。
7.根据权利要求6所述的连接装置,其中该弹性模量包括一个线丝直径以及一个编织密度。
8.根据权利要求7所述的连接装置,其中该线丝直径约为0.10至0.40mm并且密度约为10%至80%。
9.根据权利要求8所述的连接装置,其中该线丝直径约为0.28mm并且该密度约为15%至25%。
10.根据权利要求1所述的连接装置,其中该圆柱形环密封件具有约为0.15至0.30mm的线丝直径、约为3.0至6.0mm的厚度以及约为70%至80%的线丝含量的密度。
11.根据权利要求10所述的连接装置,其中该圆柱形环密封件具有约为0.20mm的线丝直径。
12.根据权利要求10所述的连接装置,其中该减振器具有约为2.0至10.0mm的厚度。
13.一种两级涡轮增压器系统,包括:
一个第一涡轮机,该第一涡轮机具有一个壳体(2),该壳体带有一个阳性连接件(10);
一个第二涡轮机,该第二涡轮机具有一个壳体(1),该壳体带有一个阴性连接件(20),其中这些阳性和阴性连接件是可连接的以形成一个阳性/阴性接头;
一个圆柱形环密封件(3),该密封件在压缩下安装到该阳性/阴性接头内部,用于对排气进行密封;以及
一个减振器(4),该减振器为一个扁平垫圈的形状并且被置于这两个壳体之间,其中该圆柱形环密封件是由用一种材料浸渍的丝网制成,并且该减振器是由未浸渍的丝网制成。
14.根据权利要求13所述的系统,其中该圆柱形环密封件以及该减振器中至少一个的丝网是由不锈钢制成。
15.根据权利要求14所述的系统,其中该浸渍材料是蛭石或石墨。
16.根据权利要求13所述的系统,其中该减振器具有一个弹性模量,该弹性模量被调谐为在激励范围内衰减振动。
17.根据权利要求13所述的系统,其中该圆柱形环密封件具有约为0.15至0.30mm的线丝直径、约为3.0至6.0mm厚度、以及约为70-80%的线丝含量的密度。
18.根据权利要求13所述的系统,其中该减振器具有约为2.0至10.0mm的厚度。
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