CN101965460A - 用于离心压缩机的壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心压缩机壳体，尤其用于内燃机的涡轮增压器，此壳体包括至少两个由合成材料制成的壳体部件(2、3、4)，其中设置了压缩机转轮容纳腔(34)和螺旋形通道(25)，并且具有将压缩机转轮容纳腔和/或壳体(1)至少部分地环形包围的安全结构(22、23、24、30、33)，所述安全结构至少与壳体部件中的一个不可拆分地相连。

Description

用于离心压缩机的壳体

技术领域

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的壳体，用于离心压缩机，尤其用于涡轮增压器。

背景技术

从DE 102 60 042 A1中已知一种内燃机的废气涡轮增压器的涡轮增压器壳体。此压缩机壳体由多个部件组接而成，这些部件由热固合成材料构成。这些部件为实现气密性而相互粘合在一起。

在DE 103 14 209 B3中描述了一种离心压缩机，作为废气涡轮增压器的一部分，它由两个碗状的壳体部件组接而成，这些壳体部件由热固合成材料塑造而成。这种材料具有很高的密度，因此与其它由金属构成的传统增压器壳体相比具有重量优势。在DE 103 14 209 B3中，通过在壳体部件中设置梳子状的凹槽，来试图克服此巨大重量，这些凹槽通过隔板相互分开并基本同中心地围绕着进气口轴线进行延伸。

现有构造的缺点是，所述的材料(即热固合成材料)相当难加工，因为要遵循粘合连接的严格条件。此外，缺点还包括易碎性、吸水性高、声音发散性高和制造成本高。

由热塑性合成材料制成的压缩机壳体可更简单且成本更低廉地制成。由于使用的材料和重量，可优化壳体部件的壁厚。当然，还存在着这样的危险，即在运行过程中，当压缩机转轮的部件损坏时，金属碎片会以巨大的能量径向甩向壳体的壁部，并穿透此壳体。

在离心压缩机中必须保证足够的运转安全性。由于涡轮增压器的转轮转速很高存在着这样的危险，即在压缩机转轮损坏时，金属碎片会穿透压缩机的壳体，并损坏内燃机的发动机舱。

发明内容

本发明的目的是，为离心压缩机创造一种构造轻便的壳体，在压缩机转轮损坏的情况下减少压缩机转轮的四处飞散的部件的危险。

按本发明，此目的借助权利要求1的特征得以实现。从属权利要求给出了适宜的改进方案。

按本发明的用于离心压缩机的壳体包括至少两个合成材料制成的壳体部件构成，它们一方面用来容纳压缩机转轮，另一方面在它们之间构成螺旋形的压缩机通道(下面称为螺旋形通道)。此外，此壳体具有将压缩机转轮至少部分地环形包围的安全结构。此安全结构可使壳体达到明显更大的刚性和坚固性，因此在压缩机转轮破碎的情况下大大提高安全性。断裂的转轮部件由于压缩机转轮的高速旋转会切向地外甩并抵达安全结构上，此安全结构加固了壳体的壁并防止它由于转轮部件的动能而变形或破碎。

按安全结构的第一有利的实施例，稳定元件位于构成为环形腔的中空腔中，此中空腔设置在压缩机转轮容纳腔和螺旋形通道之间。此环形腔因此直接在径向方向上连到压缩机转轮上，其中位于环形腔中的稳定元件在出现意外时截住压缩机转轮的碎片。

此环形腔优选由两个壳体部件限界，在此尤其指位于内部的中间部件和上方部件，此中间部件当作形成压缩机转轮容纳腔的轴瓦，此上方部件构成为压缩机前端部件并放置在中间部件上。此稳定元件优选与中间罩(Mittelschale)构成为一体，其中原则上附加或备选地可考虑把稳定元件与上方部件设计成一体。在与中间部件构成为一体的情况下，稳定元件从中间部件的壁出发沿径向朝外延伸到环形腔中。

按第二有利的实施例，安全结构作为稳定元件与作为壳体的压缩机后壁的下方部件构成为一体。在这种情况下有利的是，稳定元件沿着下方部件的径向外侧面延伸。因此，稳定元件包围壳体因而也沿着壳体外壁包围压缩机转轮容纳腔，其中碎裂的转轮部件首先被位于壳体内部的壁制动，只有在穿透这个沿径向位于内部的壁之后才能抵达稳定元件，此稳定元件额外地给整个壳体增加了稳定性，并负责提供足够的稳定性以防止壳体被碎裂的转轮部件穿透。因为转轮部件被其它位于内部的壁制动，所以稳定元件原则上设计得具有较低强度就足够了。

原则上还可能的是，既设置位于内部的稳定元件，它适宜地设置在包围压缩机转轮的环形腔中，还在壳体外侧面上设置额外的、沿径向位于外部的稳定元件。

稳定元件的加固元件优选构成为径向的加强筋，它们以有规律或无规律的间隔沿着稳定元件的长度在径向方向上延伸。在稳定元件(其在壳体的圆周方向中延伸)的长度上，加强筋可具有交替的径向膨胀，这与在压缩机转轮的壳体中或者说在压缩机转轮的壳体上的情况相适配，尤其在稳定元件位于内部时与容纳的中空腔的形状相适配。

为了进一步改善稳定性，在稳定元件中设置了连接片，它将单个的加强筋相互连接起来，并在稳定元件的纵向上延伸。尤其在稳定元件的纵轴线方向上，因而也横向于单个加强筋的平面，此连接片大大提高了坚固性和稳定性。

壳体部件优选由合成材料制成，尤其由热塑性的合成材料例如聚苯硫醚(PPS)制成，它适合用喷塑方法。此合成材料用填充料如玻璃纤维填充，以便进一步改善性能。

在圆周上也可分散着多个单个的稳定元件，它们分别设有加固元件。既在直接包围压缩机转轮的环形腔中，也在壳体的外侧上，可以相应设置仅仅一个亦或多个稳定元件。

在轴线方向上，环形腔以有利的方式至少在压缩机转轮的轴线长度上延伸，其中必要时也可以考虑基本在对环形腔壳体进行限界的壳体部分之一的长度上延伸。

在径向方向上，环形腔具有延伸段，此延伸段允许放入稳定元件。就限界的壁的壁厚而言，此径向延伸段优选是壁厚的多倍，例如三至五倍的壁厚。此外还适宜的是，环形腔的径向延伸段在圆周上看与螺旋形的压缩机通道的形状相适配。因为压缩机通道在圆周方向上具有变化的直径，与在压缩机通道的直径较大的截段中相比，在直径较小的截段中为环形腔提供了更大的径向延伸段。

由热塑性的合成材料尤其PPS制造压缩机壳体的优点是制造容易，而且再生性好。在用喷塑方法进行制造时，可放弃热熔芯技术(Kernschmelztechnik)，而是只需在喷塑方法中借助简单构成的、能够在开闭方向上封闭的工具就能实现。另一优点在于壳体的复杂几何形状的制造，例如具有多个侧面凹陷的螺旋形通道。最后，热塑性的合成材料能以很高的尺寸精度制成，因此可省略再加工并把它保持在限定范围之内。此外，热塑性的合成材料是耐热的、压力密封的，并因此在重量轻的前提下具有良好的隔声性能。

另一具有优点的可能性在于，壳体部件由固定不变的壁厚构成，因此可避免材料堆积，并减少裂缝形成的风险。

壳体部件尤其可通过超声波焊接的方式焊接在一起。为了能把焊接过程所需的超声波探头(超声波发生器)以简单的方式定位在预先规定的焊缝上，待焊接的壳体部件之间的接触区域以有利的方式位于壳体的轴向端面附近，尤其位于流入侧附近。此外，壳体部件之间的接触区域优选与螺旋形的压缩机通道相隔一段距离，因此不期望的、由焊接产生的毛刺不会影响在螺旋通道内侧的空气传导。

按另一有利的实施例，壳体整体上包括三个壳体部件，它们是当作压缩机前端部件的上方部件、当作压缩机后壁的下方部件以及当作位于内部的轴瓦的中间部件。上方部件和下方部件构成为外部的壳体部件，中间部件定位在它们之间，此中间部件用来容纳压缩机转轮。环形腔优选设置在中间部件和上方部件之间。既在环形腔中，也在下方部件上可分别设置一体构成的稳定元件。

按本发明的一个可能的构造方案，中间部件设置在包围压缩机转轮的轴向部段上，此轴向部段具有沿径向向外指向的加强筋。此外适宜的是，在上方部件和下方部件之间构成螺旋形通道，其中螺旋形通道的壁在下方部件中由在圆周方向上扩展的弯拱构成。因此，用来阻挡或抵御的设备可按目标地构成在有可能遭受最大负荷的弯拱上。对此的实施方式是，加强筋成型在下方部件的包围螺旋形通道的区域中。

按备选的构造方案，在下方部件的包围螺旋形通道的区域中，在合成材料中嵌入网状物或织物。此网状物或织物优选由尼龙纤维构成。此网状物可安放在外面或放入喷塑模具中，并借助合成材料挤压包封，并由此嵌入到壳体部件中。

在另一实施例中，上面描述的安全结构相互组合地转移到一个构件上，以便确定高度的运行安全性。

附图说明

从其它的权利要求、附图描述和图纸中得出其它的优点和适宜的实施例。在这些附图中，相同的部件设置有相同的参考标记。其中：

图1在轴向剖面图中示出了离心压缩机的壳体，其包括三个单独的、由热塑性合成材料构成的壳体部件，其中在位于内部的中间部件和上方部件之间构成了围绕压缩机转轮容纳腔的环形腔，此环形腔具有容纳在其中的、具有加强筋的稳定元件，此稳定元件与中间部件构成为一体；

图2在轴向剖面图中示出了嵌有网状物的壳体；

图3在剖面图中示出了具有加强筋和嵌有网状物的壳体；

图4在剖面图中示出了离心压缩机的具有加强筋的壳体；

图5在透视图中示出了壳体，但没有上方部件；

图6在透视图中示出了已安装好的包含上方部件的壳体；

图7在透视图中示出了中间部件，其具有带加强筋的稳定元件；

图8在透视图中示出了具有一体成形的稳定元件和处于径向外侧面上的加强筋。

具体实施方式

图1示出了由三个壳体部件构成的壳体1，用于内燃机的废气涡轮增压器的离心压缩机，内燃机的废气驱动涡轮，此涡轮抗扭转地与压缩机转轮相连，此压缩机转轮可旋转地支承在壳体1中。通过压缩机转轮的旋转，在吸入侧吸入燃烧空气，并将其压缩成加高的增压压力，燃烧空气在此增压压力下输入内燃机的气缸中。在上方部件2和下方部件3之间设置有中间部件4。这些壳体部件2、3、4由热塑性的合成材料构成，优选由PPS(聚苯硫醚)构成。在上方部件2上构成有两个环状的连接面5、6，其中中间部件4的相应端面7位于连接面5上，下方部件3的端面8位于连接面6上。连接面5和端面7以及连接面6和端面8分别构成焊接区9、10。环槽11用来在焊接时容纳熔化的材料。

朝下敞开的弯拱12成型在上方部件2上，此弯拱12呈环形延伸并在圆周方向上扩展。在此弯拱12的沿径向位于内部的端部上，一个与上述扩展形状相匹配的穹隆形部段14靠在接触面13上，此穹隆形部段14成型在中间部件4上。此中间部件4还具有轴向部段15，此轴向部段15具有朝向径向部段17的穹隆16，穹隆形部段14成型在此径向部段17上。

下方部件3基本构成为环形的、在圆周方向上扩展的弯拱18，一个沿径向朝上延伸的套筒19连在此弯拱18上，端面8位于套筒19的上方端部上。上方部件2的轴向部段20贴靠在套筒19的内壁上，因此壳体1在此区域中是双壁的。下方部件3构成在它的下侧面上，用来容纳图中未示出的壳底，其中沿径向朝内指向的隆起21设置在下方部件3上。

如图1所示，在上方部件2上的弯拱12、在中间部件4上的穹隆形部段14以及在下方部件3上的弯拱18构成一个螺旋形通道25。

作为用来阻挡或抵御的设备，许多肋状物22成型在轴向部段15的径向外部壁上，此轴向部段15构成压缩机转轮的容纳腔34，许多肋状物23成型在弯拱18的外侧上，通过它们来实现壳体1的加固。在压缩机转轮的部件折断时，通过这些加固手段，可采取预防措施来阻止壳体1的穿透。

在按图2的实施例中示出了用于离心压缩机的壳体1，它基本上与图1的壳体相一致。相同部件的参考标记与图1相同。作为用来阻挡或抵御的设备，在图2的壳体1上，在弯拱18的区域内设置了强化元件24，它由网状物、织物(其优选由尼龙纤维构成)组成。此网状物或织物在制造下方部件3时放入喷塑模中，因此它被合成材料包围并嵌入到合成材料中。

图3在轴向剖面图中示出了用于离心压缩机的壳体1，它的结构和造型与图1和2的相一致。因此对于相同的部件，其参考标记也与图1和2的相一致。作为用来阻挡或抵御的设备，在图3的实施例中，在下方部件3上，在弯拱18的区域内设置有增强部件24，此增强部件24具有网状物或由尼龙纤维构成的织物，在中间部件4的轴向部段15上设置有许多肋状物22，它们与中间部件4构成为一体。通过把加固手段和安全措施结合起来，既可防止中间部件4的穿透，也可防止下方部件3的穿透。上方部件2不会遭受压缩机转轮的折断部件的这种危险，因为壳体1在套筒19和轴向部段20的范围内是双层壁的，当部件在轴向上转向时，这些部件的运动能量明显减少。

图4所示的壳体1示出了成型在下方部件3上的出口管接头31以及成型在上方部件2中的吸入管接头26。此壳体1是由三个部件构成，具有设计成压缩机后壁的下方部件3、当作压缩机前端部件的上方部件2以及中间部件4，此中间部件4是指位于内部的轴瓦并对作为用于容纳和支承压缩机转轮的轴向部段15的压缩机转轮容纳腔34进行限界，此压缩机转轮在此实施例中设置了参考标记27并只是以隐含的方式用虚线表示。燃烧空气通过构成在上方部件2中的吸入管接头26轴向地输入到压缩机转轮27中。压缩的燃烧空气径向地通过扩散器28导入螺旋形通道25中，此螺旋形通道25由上方部件2和下方部件3限界并通入出口管接头31中，压缩的燃烧空气通过此出口管接头31最终输入到内燃机的气缸中。

在下方部件2和中间部件4之间构成有环绕的环形腔29，此环形腔29径向地包围轴向部段15，并通过中间部件4的壁与轴向部段15流动密封地分隔开来。此环形腔29的轴向延伸基本与中间部件4相同，因而也与轴向部段15相同。

稳定元件22位于环形腔29中，此稳定元件22与中间部件4构成为一体并设置在轴瓦的管接头式的壁的径向外侧面上。此稳定元件22由许多单个的加强筋30构成，它们分在径向方向上从管接头式的壁的外侧面开始延伸，并在必要的情况下在圆周方向上具有额外的元件。这些加强筋30位于环形腔29的内部，并在圆周方向上分布在环形腔的长度上。在径向方向上，这些加强筋30将环形腔完全填满，因此，加强筋的径向的、位于外面的自由端面贴靠在环形腔29的径向位于外面的限界壁的内侧面上。稳定元件22包围压缩机转轮27并还在发生意外时承担稳定功能以便强化壳体1，方法是，压缩机转轮27的切向地外甩的碎裂的转轮部件被此稳定元件22截住。

壳体部件2、3、4由热塑性的合成材料构成，并以超声波焊接的方式接合在一起。这一点通过以下方式实现，即超声波发生器放置在下方部件3和上方部件2之间的接触区域6上，或安置在中间部件4或上方部件之间的接触区域5上，以便执行超声波焊接的过程。下方部件3和上方部件2之间的第一接触区域6位于径向朝外的区域中，邻近构成壳体流入侧的端面。与此相反，接触区域5则径向朝内偏置地位于中间部件4和上方部件2之间，并直接邻近压缩机转轮容纳腔的轴向部段15，但同样在壳体的面向流入侧的一侧上。在所有的实施例中，这些壳体部件都由可喷塑的热塑性合成材料例如聚苯硫醚(PPS)构成。

中间部件4以这种方式成型，即在环形腔29的区域中在中间部件4内构成环槽32，此环槽32由有待放置以形成环形腔29的上方部件2补充。此外，在图4中还标出了出口管接头31，收集在螺旋形通道25中的压缩的燃烧空气通过此出口管接头31导出。

在图5中示出了还未装上上方部件2的壳体1。可看到具有许多加强筋30的下方部件3和中间部件4，这些加强筋30构成稳定元件22、23并与中间部件4构成为一体，并径向朝外延伸。这些加强筋30在整个圆周上围绕中间部件4的管接头26延伸，此管接头26对压缩机转轮容纳腔34的轴向部段5进行限界。

另一稳定元件23位于下方部件3的壁的径向外侧面上。此稳定元件23也与位于内部的、构成在中间部件4上的稳定元件22一样由单个的加强筋30构成，这些加强筋30在壁上径向朝外延伸。加强筋30被连续构成的连接片33连接，此连接片33在圆周方向上延伸并明显提高了稳定性和刚性。总的说来，稳定元件包括加强筋和连接片只是在下方部件的部分圆周上延伸。

图6示出了已安装好的壳体1的整体视图，其具有上方部件2、下方部件3和中间部件4。具有加强筋30的稳定元件23与环绕的连接片33设置在圆周的外面。视构造空间比例而定，这些加强筋也可通过多个连接片彼此相连。

图7和8分别在透视的细节图中示出了中间部件4和下方部件2。从这两个视图中可看出，加强筋30的径向延伸在圆周方向上是变化的，因此相比之下，在圆周方向上的加强筋30具有与其它圆周位置上的加强筋不同的径向延伸。此外可看到，中间部件4上的加强筋30具有下凹的上表面，而下方部件3上的加强筋30具有凸起弯曲的形状。

Claims (15)

1.一种尤其用于涡轮增压器的离心压缩机壳体，包括壳体(1)，此壳体具有至少两个由合成材料制成的壳体部件(2、3、4)，其中设置了压缩机转轮容纳腔(34)和螺旋形通道(25)，其特征在于，设置了将压缩机转轮容纳腔(34)和/或壳体(1)至少部分地环形包围的安全结构(22、23、24、30、33)，此安全结构至少与壳体部件(2、3、4)中的一个不可拆分地相连。

2.按权利要求1所述的离心压缩机壳体，其特征在于，安全结构(22、23、24、30、33)具有稳定元件(22、23、30、33)，所述稳定元件与壳体部件(2、3、4)尤其以喷塑技术构成为一体。

3.按权利要求2所述的离心压缩机壳体，其特征在于，在壳体(1)中在轴向部段(15)和螺旋形通道(25)之间置入了作为环形腔(29)构成的中空腔，所述中空腔环形包围压缩机转轮容纳腔(34)，并且在所述中空腔里面容纳有稳定元件(22)。

4.按权利要求3所述的离心压缩机壳体，其特征在于，环形腔(29)由两个壳体部件(3、4)限界，尤其对环形腔(29)进行限界的壳体部件(3、4)作为位于内部的、形成轴向部段(15)的中间部件(4)并作为上方部件(2)构成。

5.按权利要求4所述的离心压缩机壳体，其特征在于，稳定元件(22)与中间部件(4)构成为一体。

6.按权利要求2至5之任一项所述的离心压缩机壳体，其特征在于，壳体部件(2、3、4)中的一个设置为下方部件(3)，稳定元件(23)与此下方部件(3)构成为一体。

7.按权利要求6所述的离心压缩机壳体，其特征在于，下方部件(3)具有径向的外侧面，稳定元件(23)在此外侧面上沿径向方向延伸。

8.按权利要求2至7之任一项所述的离心压缩机壳体，其特征在于，稳定元件(22、23)作为多个在圆周上分布的径向加强筋(30)构成。

9.按权利要求8所述的离心压缩机壳体，其特征在于，为了连接加强筋(30)设置了至少一个连接片(33)，此连接片(33)与壳体部件构成为一体。

10.按权利要求1所述的离心压缩机壳体，其特征在于，安全结构(22、23、24、30、33)具有用于阻挡或抵御压缩机转轮的断裂部件的设备。

11.按权利要求10所述的离心压缩机壳体，其特征在于，包围压缩机转轮容纳腔(34)的中间部件(4)在轴向部段(15)上设有沿径向朝外指向的加强筋(22)。

12.按权利要求10或11所述的离心压缩机壳体，其特征在于，在第一壳体部件(2)和第二壳体部件(3)之间构成螺旋形通道(25)，其中在第二壳体部件(3)上通过在圆周方向上扩展的弯拱(18)构成螺旋形通道(25)的壁。

13.按权利要求12所述的离心压缩机壳体，其特征在于，加强筋(23)成型在弯拱(18)的区域内。

14.按权利要求12所述的离心压缩机壳体，其特征在于，在弯拱(18)的区域内将网状物或织物作为强化元件(24)嵌入到合成材料中。

15.一种尤其用于涡轮增压器的离心压缩机，包括壳体(1)，此壳体具有压缩机转轮容纳腔(34)、螺旋形通道(25)和压缩机转轮(27)，其特征在于，此壳体(1)按上述权利要求之任一项来构造。

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