CN101558219B - 一种用于涡轮增压器的涡轮壳体 - Google Patents

一种用于涡轮增压器的涡轮壳体 Download PDF

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Abstract

一种用于径流式涡轮，特别是用于排气涡轮增压器中的涡轮，的涡轮壳体(13)。该壳体具有大致蜗壳形状，并且所述壳体具有：围绕轴线延伸的基本环形部分以及从基本环形部分延伸的入口管(20)，所述入口管(20)的第一壁面对所述壳体的环形部分的外表面的一部分；两个间隔开的筋板(44)，每个筋板都从所述壳体的基本环形部分的外表面延伸至第一壁，且所述筋板在所述筋板之间限定凹槽(45)。这种布置提高了壳体的强度，且不易形成疲劳开裂。

Description

一种用于涡轮增压器的涡轮壳体
技术领域
本发明涉及一种径流式涡轮壳体，特别是但不限于，装在排气涡轮增压器中的涡轮。
背景技术
众所周知，涡流增压器是一种以高于大气压的压力(增压压力)为内燃机进气口送空气的装置，其广泛应用于汽车及其它同类物体。图1所示为常规的涡轮增压器，包括一个可旋转地安装于涡轮增压器轴11一端的排气驱动径流式涡轮叶轮10和一个安装于该轴另一端的压缩机叶轮12。叶轮10和12分别安装在具有排气入口14和排气出口15的涡轮壳体13和具有空气入口17和压缩空气出口蜗壳18的压缩机壳体16中。在涡轮壳体内流通的排气用于驱动涡轮叶轮10旋转，并进而带动压缩机叶轮12在其壳体内旋转，从而将压缩空气送入内燃机的吸入歧管(未显示)，由此增加发动机功率。
径流式涡轮的涡轮叶轮安装在涡轮壳体13中(图2为其外视图)，从而在涡轮叶轮10的外周和壳体内壁之间形成一个环形通道19(图1)，和一个从涡轮叶轮向外延伸的大致圆筒状出口15。环形通道19与形成于壳体内的入口管20相连，入口管在与环形通道大致相切的方向上延伸。入口管20在其开口端有一个向外延伸的凸缘21，用于与排气歧管连接。进入入口管20的排气经涡轮叶轮10和环形通道19流向出口15，从而驱动涡轮叶轮10。入口管20、环形通道19和出口15的布置使得涡轮壳体具有蜗形或螺旋形外观。
涡轮增压器工作期间，涡轮壳体不断地受热和冷却。当发动机从冷却状态启动时，涡轮壳体的温度基本上与外界一样，但在正常运行过程中其温度会急剧上升，从而导致壳体膨胀。当发动机被关掉后，壳体便开始冷却和收缩。壳体的重复膨胀和收缩使其容易产生热疲劳开裂，尤其是在膨胀和收缩率可能不同的地方。圆角22(图2)是最需关注的地方之一，这里是入口管20和蜗壳的其它部分的连接处，通常被称作壳体的“下颚”。因为实际上入口管20易于从蜗壳“展开”，所以在此交叉处形成非常高的热应力。
延长疲劳寿命最简单明显的方法就是增加“下颚”的半径尺寸，从而使得蜗壳和入口之间的过渡尽可能缓慢。但由于受空间局限，这种方法往往不可行。
这种涡轮壳体通常是用带有矩形开口的铸模通过浇注操作形成。浇铸工艺会产生进料凸台23，进料凸台23由壳体外表面的开口形成在下颚22附近。人们试图用某种材料来对下颚区域进行填充，例如在凸台23和下颚区域22处的入口管20外表面之间提供一个支撑筋板。这种方案可以通过强化下颚区域处的壳体减少疲劳开裂，并且优点在于，它还提供了一个浇铸“桥”，该浇铸“桥”作为在浇铸过程中形成入口管上的凸缘21所需要的大量熔融材料的直接进料路径。但是，已经发现：所需要的材料的全部体积导致引入的附加应力，并且在有些情况下这会引起凸缘变形和受到应力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于涡轮增压器的改进的涡轮壳体。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于具有旋转轴线的径流式涡轮的涡轮壳体，该壳体呈大致蜗壳形状，该壳体具有：围绕轴线延伸的基本环形或环形部分以及从基本环形或环形部分延伸的入口管，所述入口管的第一壁面对壳体的环形部分的一部分。该壳体还具有至少两个间隔开的筋板，每个筋板都从壳体的环形或基本环形部分的外表面延伸至第一壁，且筋板之间限定凹槽。
入口管通过间隔开的筋板连接到蜗壳的其它部分，该连接在不带来额外热应力的前提下，使得壳体足够硬以避免疲劳开裂。
要理解的是可以设置两个以上的筋板。
筋板可以和壳体整体形成，其厚度可以从环形部分到入口管增加。延其长度方向，筋板的厚度可以先减小，然后在与入口管连接之前会增加。它们可以在同一个方向上发散。筋板的厚度可以朝向凹槽的底部增加。
凹槽由筋板相对的表面的弓形斜面限定。
入口管的第一壁可以呈弓形。
在所述第一壁上可以具有从开口的口部延伸到凹槽底部的弓形斜面。
入口的口部可以具有向外延伸的凸缘。筋板可以连接到上述凸缘。
凸缘的外部轮廓大致呈矩形，且筋板大致邻近该矩形的角部或在包括该矩形的角部处与凸缘连接。
入口管的第二壁和上述第一壁相对，两个壁具有中心凹部。凸缘也可具有相应的凹部。
筋板可以不具有不连续性。
筋板可以从浇铸凸台延伸，该凸台限定在壳体的环形部分的外表面的相邻部分上。
壳体可以具有从壳体轴向延伸的出口。
根据本发明的第二方面，提出了一种用于涡轮增压器的径流式涡轮，该涡轮包括旋转安装于如上限定的壳体中用于沿旋转轴线旋转的涡轮叶轮。
根据本发明的第三方面，提出了一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括连接到带有如上限定的壳体的径流式涡轮的压缩机。
根据本发明的第四方面，提出了一种制造涡轮壳体的方法。该方法包括如下步骤：提供浇注模具，所述模具限定孔口，熔融材料浇入到所述孔口内，该模具形状形成为形成大致蜗壳形状的涡轮壳体，所述涡轮壳体具有：基本环形或环形部分以及从基本环形或环形部分大致成切线延伸的入口管，该模具具有用于限定入口管的第一壁的第一表面，和第二表面，所述第二表面用于限定壳体的环形部分的、面对入口管的第一壁的相邻弓形表面，其中包括构造所述模具从而模具具有至少两个间隔开的沟道，所述至少两个间隔开的沟道在第一表面和第二表面之间延伸并提供间隔开的流动路径；将熔融材料通过模具孔口引入到模具内，并使一部分材料沿所述沟道流动；以及使得材料固化后将固化的材料从模具中取出。
附图说明
下文将结合以下附图对本发明的具体实施例进行示例性的详述。
附图1是可以采用本发明的涡轮增压器的径向剖面图；
附图2是应用于附图1所示的涡轮增压器的常规涡轮壳体的透视图；
附图3是朝向入口管看去的、根据本发明的涡轮壳体的第一实施例的侧视图，该壳体适于应用于附图1中所示的涡轮增压器；
附图4是从附图3所示涡轮壳体的一个侧面的透视图；
附图5是从根据本发明的所述涡轮壳体的第二实施例的一个侧面的透视图；
附图6对应于附图2所示的常规涡轮壳体，但是其标示用于显示在浇铸过程中材料在入口管和蜗壳的其它部分之间的流动；以及
附图7和8对应于附图3和4，但是其表示用于显示根据本发明的、在浇铸过程中材料在入口管和蜗壳其它部分之间的流动路径。
具体实施方式
参照附图3和4，浇注应用于涡轮增压器涡轮的第一示例性涡轮壳体30，所述涡轮壳体30具有大体蜗壳形状，所述蜗壳形状限定用于涡轮叶轮(未显示)的轴为的中心旋转轴线X，围绕所述轴线的环形通道31，以及从所述环形通道大致切线延伸的入口管32。环形通道设计成以小的间隙围绕涡轮叶轮。圆筒形出口管33从所述壳体的一侧轴向延伸并且与所述旋转轴线大致同轴线。
入口管32由相对的侧壁34、35限定，所述相对的侧壁34，35由相对的前壁36和后壁37连接。侧壁34、35大致是直的且平行，而前壁36和后壁37具有中心凹部38、39，所述中心凹部向内突出到由入口管32限定的通道40内。入口管32的开口端具有向外延伸的凸缘41，所述凸缘41的形状与入口管一致，从而开口在其中心的深度降低。凸缘的四个角部具有安装孔42，用于连接到发动机的排气歧管(未显示)，涡轮增压器连接到所述排气歧管。
在蜗壳的弯曲的外表面上，存在大致矩形的浇注凸台43，所述浇注凸台邻近入口管32但是与入口管32间隔开。与壳体30整体形成的一对间隔开的筋板44，从浇注凸台43的近角发散延伸到凸缘41，在凸缘41处，筋板44邻近凸缘角部连接后壁37。每个筋板44的厚度沿朝向凸缘41的方向增加，并且它们都向下延伸到限定在入口管和蜗壳的其它部分之间的“下颚”区域，然后，厚度增加，从而它们限定具有弓形斜面46的凹槽45。入口管32的后壁37和凸缘41的表面也呈弓形，从而使得凹槽45整体看来形成一个勺状的凹入部分。每个筋板44、入口管32的后壁37、凸缘41和凹槽45的表面都优选是光滑的并且没有不连续性。
筋板44中从薄的部分到厚的部分的平滑过渡大大降低了疲劳开裂的风险。
筋板44和中间的凹槽45用来给壳体提供附加的刚性和硬度，从而使其能够经受由诸如用于可变几何结构涡轮的排气闸或电致动器等重型附件施加的高的静载荷和动载荷。壳体的强化使得共振条件高于发动机的转速，并且通常用于不仅避免疲劳开裂，还用于避免因入口管和蜗壳的其它部分之间的材料的热惯性而导致的应力。
附图5描述的是该壳体的第二实施例。与附图3和4所示的实施例相同的部件，其标号是在原标号的基础上加上100，除非与附图3和4所示实施例有所不同，这些部件将不作进一步描述。涡轮壳体130具有一对入口132，其中由壁150分割入口为两个部分。入口管132以筋板144的同样布置连接到蜗壳的其它部分，所述筋板144在凸缘141和浇注凸台143之间延伸，在筋板144之间同样形成凹槽145。
附图6，7和8显示了在模铸过程中材料流动的改进。附图6所示为传统的涡轮壳体，在附图6中，如箭头所示，熔融材料从围绕蜗壳的环形部分的浇注凸台23流入，向下流入到下颚区域22内，然后流经入口管20，流向凸缘21。应该理解的是，为了形成相对较厚的凸缘，需要有大量的材料，而这些材料又必须流经形成蜗壳的模具的薄壁通道。对比而言，参照附图7和8，用于生产根据本发明的涡轮壳体的模具提供两个间隔开的、发散沟道，如箭头所示，所述发散沟道使得材料可以从蜗壳的环形部分的外表面上的浇注凸台43直接流向凸缘41和入口管32的前壁36。所述沟道使得材料沿着所述孔口和限定在所述入口管32上的凸缘41之间的两个流动路径流动。流动路径是发散的。且沟道的厚度在从用于限定入口管的第一壁的第一表面到用于限定所述基本环形部分的、面对入口管的所述第一壁的弓形表面的邻近第一表面的第二表面的方向上增加。熔融材料引入到模具孔口内且一部分材料沿所述沟道从所述孔口流向入口管，从而形成图中所示的两个筋板44。应该理解的是，在不超出本发明权利要求所限定范围的前提下，该技术方案可以做很多修改。例如，在没有浇注凸台的情况下，在适当位置，筋板可以就从壳体的弯曲表面延伸，并且筋板可以在凸缘的角部处或凸缘的角部附近与凸缘连接。另外，要理解的是，本发明可以应用于涡轮增压器以外的、在其它应用中使用的其它径流式涡轮。此外，可以设想：实施例中也可以有三个或更多筋板，这些筋板构造成在相邻筋板之间存在凹槽。
尽管已经在附图中以及前面的描述中详尽地图示和描述了本发明，但是，这些附图以及前面的描述被认为是说明性的，而不是在文字上进行限定。应该理解的是，仅仅示出和描述了优选的实施例，并且在本发明精神指引下所做的任何变动和改进均落入保护范围。应该理解的是，本说明书中所采用的“优选的”、“优选地”、或“更优选的”等词语，只表示所描述的特征可能是更适合的，但不表示该特征是必须的，且缺少该特征的实施例也可能落入由本发明的权利要求限定的保护范围内。权利要求书中出现的“一个”、“至少一个”或“至少一部分”等词语，均非只限定保护一个物体，除非在权利要求中专门说明。当使用“至少一部分”和/或“一部分”时，物体可以包括一部分和/或整体，除非有明确的相反的意思表示。

Claims (25)

1.一种用于具有旋转轴线的径流式涡轮的涡轮壳体，该壳体包括：
大致呈蜗壳形状的铸件，该壳体具有：围绕所述轴线延伸的基本环形部分以及从所述基本环形部分延伸的入口管，所述入口管的第一壁面对所述壳体的所述环形部分的外表面的一部分；
至少两个间隔开的筋板，每个筋板都从所述壳体的所述基本环形部分的外表面的一部分延伸至所述第一壁，且所述筋板之间限定凹槽。
2.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其中：所述筋板与所述壳体的其它部分形成为整体。
3.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其中：所述筋板的厚度从所述壳体的所述基本环形部分向所述入口管的所述第一壁增加。
4.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其中：所述筋板在从所述壳体的所述基本环形部分到所述入口管的所述第一壁的方向上发散。
5.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其中：所述筋板的厚度在朝向所述凹槽的底部的方向上增加。
6.根据权利要求2所述的涡轮壳体，其中：所述筋板的厚度从所述壳体的所述基本环形部分向所述入口管的所述第一壁增加，且所述筋板在从所述壳体的所述基本环形部分到所述入口管的所述第一壁的方向上发散，且所述筋板的厚度朝向所述凹槽的底部增加。
7.根据任一权利要求1所述的涡轮壳体，其中：每个筋板包括至少一个面对表面，且其中所述凹槽由所述筋板的所述面对表面的弓形斜面限定。
8.根据权利要求1所述的涡轮壳体，其中：所述入口管的所述第一壁是弓形的。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：在所述第一壁上具有从所述入口的口部延伸至所述凹槽底部的弓形斜面。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：所述入口管具有口部，所述口部具有向外延伸的凸缘。
11.根据权利要求10所述的涡轮壳体，其中：所述筋板连接到所述凸缘。
12.根据权利要求11所述的涡轮壳体，其中：所述凸缘的轮廓大致为矩形，且每个筋板大致邻近所述凸缘的角部与凸缘连接。
13.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：所述入口管具有与所述第一壁相对的第二壁，所述第一壁和所述第二壁都具有中心凹部。
14.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：所述筋板不存在不连续性。
15.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：浇注凸台限定在所述壳体的所述环形部分的所述外表面上。
16.根据权利要求15所述的涡轮壳体，其中：所述筋板从所述浇注凸台延伸。
17.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，还包括从所述壳体轴向延伸的出口。
18.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：每个筋板从所述壳体的所述基本环形部分的所述外表面延伸。
19.根据权利要求1-8中任一项所述的涡轮壳体，其中：存在多于两个的所述筋板和限定在所述筋板之间的多个凹槽。
20.一种涡轮，包括设置在上述任一权利要求所述的涡轮壳体中的涡轮叶轮。
21.一种涡轮增压器，包括连接到具有根据上述任一权利要求所述的涡轮壳体的涡轮的压缩机。
22.一种铸造涡轮壳体的方法，包括以下步骤：
提供浇注模具，所述模具限定孔口，熔融材料浇入到所述孔口内，该模具形状形成为形成大致蜗壳形状的涡轮壳体，所述涡轮壳体具有基本环形部分以及从所述基本环形部分大致成切线延伸的入口管，该模具具有用于限定所述入口管的第一壁的第一表面、和邻近所述第一表面的第二表面，所述第二表面用于限定所述壳体的所述基本环形部分的、面对所述入口管的所述第一壁的弓形表面，其中包括构造所述模具从而所述模具具有至少两个间隔开的沟道，所述至少两个间隔开的沟道在所述第一表面和所述第二表面之间延伸并提供间隔开的流动路径；
将熔融材料通过模具孔口引入到模具内，并使一部分材料沿所述沟道流动；以及
使所述材料固化并然后将固化的材料从模具中取出。
23.根据权利要求22所述的铸造涡轮壳体的方法，还包括步骤：
提供所述沟道使得材料沿着所述孔口和限定在所述入口管上的凸缘之间的两个流动路径流动。
24.根据权利要求22所述的用于铸造涡轮壳体的方法，其中：所述流动路径是发散的。
25.根据权利要求22或23或24所述的用于铸造涡轮壳体的方法，其中：沟道的厚度在从所述第一表面到所述第二表面的方向上增加。
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