CN104220707A - 带有封闭护罩的轴流式涡轮 - Google Patents

带有封闭护罩的轴流式涡轮 Download PDF

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Abstract

本发明提供了各种方法和系统用于包括封闭护罩的轴流式涡轮。在一个示例中，一种用于发动机系统中的轴流式涡轮包括涡轮盘/叶盘和收容涡轮盘/叶盘的护罩，护罩包括第一区域、第二区域和第三区域。第二区域的厚度取决于在第一区域和第三区域之间的长度，并且第三区域具有爆破强度，其在爆破条件下保持一个或多个涡轮盘/叶盘的碎片。

Description

带有封闭护罩的轴流式涡轮
技术领域
这里公开的主题的实施例涉及涡轮增压器。其它实施例涉及用于涡轮的护罩。
背景技术
涡轮增压器可用于发动机系统中以增加供应至发动机用于燃烧的空气的压力。在一个示例中，涡轮增压器包括联接在发动机的排气通道中的涡轮，其通过轴至少部分地驱动压缩机以增加进气压力。穿过涡轮的排气使联接在轴上的涡轮盘的叶片旋转。涡轮盘组件(带叶片的盘组件)或涡轮叶盘(整体式带叶片的盘)的性能可通过控制在叶片/动叶和涡轮护罩之间的叶片顶间隙来实现。取决于操作条件，涡轮盘可在超过25,000RPM的速度下旋转。在涡轮老化导致部分或整个涡轮盘释放的情况下，如果释放的涡轮盘碎片没有被包含进来，则可能发生对涡轮以及涡轮附近的其它系统构件的毁灭性的破坏。
为了包含释放的涡轮盘，通常被设计为用于提供涡轮性能的涡轮护罩可被设计为用于吸收任何释放的盘碎片的碰撞。然而，材料和包装约束可能导致护罩的区域不能承受高能量的碎片释放的碰撞，尤其当护罩遇到发动机的排气中的高温时。
发明内容
在一个实施例中，一种用于发动机系统中的轴流式涡轮包括涡轮盘/叶盘和收容涡轮盘/叶盘的护罩，护罩包括第一区域、第二区域和第三区域。第二区域的厚度取决于在第一区域和第三区域之间的长度，并且第三区域具有爆破强度，其在爆破条件下保持一个或多个涡轮盘/叶盘的碎片。
这样，护罩可在邻近涡轮盘的区域具有爆破强度，其被优化以包含可能发生在爆破条件期间的高能量的碎片释放。爆破强度可能是第三区域的厚度的函数。此外，在某些实施例中，护罩可能由在高温下具有相对较高的韧性模量的材料组成。通过增加邻近涡轮盘的护罩区域的韧性和厚度，可避免从护罩释放高能量的碎片。
应该懂得，上面的简要描述被提供而以简化形式介绍理念，其将在详细说明书中进一步描述。这并不意味着确定所主张的主题的关键或本质特征，其范围唯一地由跟随详细说明书的权利要求来限定。此外，所主张的主题并不局限于解决上面或本公开的任何一部分中所提及的任何缺点的实施方案。
附图说明
通过参照附图阅读以下非限制性实施例的描述将更好地理解本发明，其中：
图1显示了车辆的示例性实施例的示意图，车辆具有根据本发明的实施例的涡轮增压器。
图2显示了根据本发明的实施例的涡轮增压器的横截面图。
图3显示了根据本发明的实施例的第一涡轮护罩的横截面图。
图4显示了根据本发明的实施例的第二涡轮护罩的横截面图。
图5显示了根据本发明的实施例的第三涡轮护罩的横截面图。
图6是根据本发明的实施例的显示了在高能量盘碎片释放期间的示例性的能量流的图示。
图7A和7B显示了在爆破条件期间的动能的图示。
图8是流程图，其显示了根据本发明的实施例的用于生产护罩的方法。
具体实施方式
以下说明书涉及一种用于涡轮的护罩的各种实施例。护罩可联接在涡轮的外壳上，并在圆周方向上延伸，从而包围涡轮的涡轮盘。取决于涡轮在定位方面的约束，护罩可具有邻近涡轮盘(例如刚好其径向外部)的增加的爆破强度的封闭(containment)区域。这个区域的厚度可经过优化或以其它方式进行配置，从而提供爆破强度，其可包含高能量的碎片释放。此外，护罩可由在比之前护罩材料升高的温度下具有更高的强度的材料组成。关于与封闭区域附近的过渡区域的厚度方面，护罩还可进行优化或以其它方式进行配置以承受放置于护罩上的负载，并改善护罩的结构完整性。
在一个实施例中，护罩可收容在涡轮增压器中，其可联接在车辆中的发动机上。机车系统用于举例说明其中一种类型的具有发动机的车辆，涡轮增压器或多个涡轮增压器可附接到发动机上。其它类型的车辆可包括其它类型的轨道车辆、公路车辆、除了轨道车辆之外的非公路车辆、矿山设备和海船。本发明的其它实施例可用于联接在固定式发动机上的涡轮增压器。发动机可能是柴油发动机，或者可燃烧另一燃料或燃料组合。这种备选燃料可包括汽油、煤油、生物柴油、天然气和乙醇。合适的发动机可使用压缩点火和/或火花点火。
图1显示了车辆系统100(例如机车系统)的典型实施例的框图，这里被描绘为轨道车辆106，其配置为通过多个轮112而在轨道102上运行。如描绘的那样，轨道车辆106包括带有发动机104的发动机系统。
发动机104从进气通道114接收用于燃烧的进气。进气通道114从空气过滤器(未显示)接收周围空气，空气过滤器过滤来自轨道车辆106外面的空气。由于发动机104中的燃烧而生成的排气供应至排气通道116。排气流过排气通道116，并流出轨道车辆106的排气烟道。
发动机系统包括涡轮增压器120(“TURBO”)，其设置在进气通道114和排气通道116之间。涡轮增压器120增加了抽吸到进气通道114中的周围空气的充气，从而在燃烧期间提供更大的充气密度，以提高功率输出和/或发动机-操作效率。涡轮增压器120可包括压缩机(在图1中未显示)，其至少部分地被涡轮(在图1中未显示)驱动。虽然在这种情况下显示了单个涡轮增压器，但是该系统可包括多个涡轮级和/或压缩机级。下面参照图2更详细地描述涡轮增压器。
在某些实施例中，车辆系统100还可包括联接在排气通道中的位于涡轮增压器120上游或下游的排气处理系统。在一个示例性的实施例中，排气处理系统可包括柴油氧化催化剂(DOC)和柴油颗粒过滤器(DPF)。在其它实施例中，排气处理系统可额外地或备选地包括一个或多个排放控制装置。这种排放控制装置可包括选择性的催化还原(SCR)催化剂、三向催化剂、NOx捕获剂、或各种其它装置或系统。
轨道车辆106还包括控制器148，以控制与车辆系统100相关的各种构件。在一个示例中，控制器148包括计算机控制系统。控制器148还包括计算机可读存储介质(未显示)，其包括用于实现轨道车辆操作的车载监测和控制的代码。如这里进一步详尽阐述的那样，控制器148在预见车辆系统100的控制和管理的同时可配置为用于接收来自各种发动机传感器150的信号，以确定操作参数和操作条件，并相对应地调整各种发动机促动器152以控制轨道车辆106的操作。例如，控制器148可从各种发动机传感器150中接收信号，包括但不局限于发动机速度、发动机负载、升压压力、排气压力、周围压力、排气温度等等。相对应地，控制器148可通过发送命令给各种构件例如牵引马达、交流电机、气缸阀门、节流阀等等从而控制车辆系统100。
在一个实施例中，控制器可包括通信系统，其基于由流量测量装置产生的压力或流量的测量而用于报告流量测量装置输出或涡轮增压器的确定的老化的其中一种或两种情形，如将在下面进行更详细地描述的那样。
图2显示了可联接到发动机上的涡轮增压器200的典型实施例的横截面，例如上面参照图1所述的涡轮增压器120。在一个示例中，涡轮增压器可用螺栓拧在发动机上。在另一示例中，涡轮增压器200可联接在发动机的排气通道和进气通道之间。在其它示例中，涡轮增压器可通过任何其它合适的方式而联接到发动机上。
涡轮增压器200包括涡轮级202和压缩机204。来自发动机的排气穿过涡轮级202，并且来自排气的能量被转换成旋转的动能，从而使轴206旋转，其继而驱动压缩机204。周围的进气在受到抽吸通过旋转的压缩机204时压缩(例如增加空气的压力)，从而可将更大的空气质量传送至发动机的气缸中。
涡轮增压器包括外壳210。在某些实施例中，涡轮级202和压缩机204可具有独立的外壳，其例如用螺栓拧在一起，从而形成单个单元(例如涡轮增压器200)。作为一个示例，涡轮增压器可具有由铸铁制成的外壳，并且压缩机可具有由铝合金制成的外壳。
涡轮增压器200还包括轴承208以支撑轴206，使得轴可在高速下以减少的摩擦旋转。如图2中所示，涡轮增压器200还包括两个非接触式密封件(例如曲径式密封件)，涡轮曲径式密封件214定位在油腔212和涡轮202之间，并且压缩机曲径式密封件216定位在油腔212和压缩机204之间。
排气可通过入口进入例如气体入口过渡区域220，并在鼻状器件222上穿过。喷嘴环224可包括圆周方向设置的翼型形状的静叶，从而形成完全360°的组件。喷嘴环224可用于将排气最佳地引导至涡轮盘/叶片组件上，其包括叶片226和联接在轴206上的涡轮盘228。在某些实施例中，涡轮盘和叶片可能是整体构件，被称为涡轮叶盘。
叶片226可能是翼型形状的叶片，其从涡轮盘228向外延伸，其围绕发动机的中心轴线而旋转。环形护罩230在护罩安装凸缘232处联接到外壳上并设置为用于紧密地包围叶片226，并从而为流过涡轮级202的排气流限定了流路边界。
涡轮级202是轴流式涡轮，因为排气流在轴向方向上相对于发动机的中心轴线而推动涡轮叶片。然而，在某些实施例中，涡轮级202可能是径流式涡轮。此外，涡轮增压器200被描绘为单级涡轮增压器，即只有一个涡轮和一个压缩机存在。多级涡轮增压器也在本公开的范围内，其包括不止一个涡轮和不止一个压缩机。
图3-5描绘了收容在涡轮中的护罩的各种实施例(例如其中一个或多个实施例可用于图2中所示的环形护罩230)，例如图2的涡轮级202。图3-5中所示的各个护罩具有爆破强度，其经过优化或以其它方式进行配置以承受可能在涡轮的爆破条件期间被释放的高能量碎片例如涡轮盘、叶片或叶盘的碎片的碰撞。如果存在涡轮结构的故障，或由于外物引入到涡轮中，都可能发生爆破条件。在某些爆破条件下，最初可能释放涡轮盘/叶盘的一个碎片，并且第一碎片的释放可能导致额外的盘/叶盘碎片被释放。在某些实施例中，在爆破条件期间可释放出整个盘/叶盘。(因而，“爆破条件”指在例如最大RPM操作涡轮的状态，或者所有或部分的盘/叶盘遇到非故意释放从而与护罩发生接触的状态)。具体地说，各个护罩可能具有提高的爆破强度，其是包围涡轮盘/叶盘的护罩的增加厚度区域的函数(即，包围涡轮盘/叶盘的护罩的爆破强度由于其相对于较薄材料的更大的厚度而得以提高)，并且/或者是包含护罩的材料的韧性模量的函数(其可能是最终拉伸强度、屈服强度和/或破坏伸长率或破坏应变的函数)(即，相对于具有较低韧性模量的不同材料而言，包围涡轮盘/叶盘的护罩的爆破强度由于这个区域的护罩材料具有更大的韧性模量而得以提高/更高)。提高的护罩的爆破强度可将一个或多个涡轮盘/叶盘碎片保持在护罩中，从而防止其释放至涡轮增压器和/或发动机的其它构件中。
各个护罩还被优化或以其它方式配置为符合涡轮的约束，其中涡轮收容在护罩内。例如，护罩可包含在低压涡轮或高压涡轮中，或包含在单级或多级涡轮增压器，或其它合适的涡轮增压器中。
另外，护罩可通过提供涡轮盘/叶盘的动叶间隙区域(例如318、418、518)而有助于涡轮性能，以引导排气在涡轮中的流动。例如，护罩可配置为使得在护罩和涡轮盘/叶盘之间建立起间隙空间。这个间隙空间为流过涡轮级的排气流限定了流路边界，并因此可设定动叶间隙区域的尺寸，以提供期望的涡轮盘/叶盘性能，例如最大的涡轮RPM、压降等等。因而，涡轮护罩可提供改善的涡轮性能，并吸收任何释放的盘碎片的碰撞。
虽然参照图3-5中所描绘的护罩实施例，以及本公开的护罩的其它说明，在不脱离本公开的范围内，术语“涡轮盘”用于指示带叶片的涡轮盘组件或整体的涡轮叶盘。此外，术语“涡轮盘/叶盘”可指示涡轮盘和叶片或整体的涡轮叶盘的其中一个。因而，这里使用的“涡轮盘/叶盘”指涡轮盘、涡轮叶盘或某些其它装置，其功能是用排气流移动涡轮增压器轴。
图3显示了根据本公开的实施例的护罩300的横截面图的上半部分。(应该懂得，图3-5的视图是径向横截面，其中截面是沿着与环形护罩的纵向轴线重合的平面截取的(轴线位于该平面内))。护罩300可收容在涡轮中，例如图2的涡轮202中；护罩300是图2的护罩230的一个非限制性的示例。在一个非限制性的示例中，护罩300可收容在单级涡轮增压器中。备选地，护罩300可收容在另一合适的涡轮增压器中。
护罩300包括第一区域302、第二区域304和第三区域306。第一区域302、第二区域304和第三区域306可由收容在护罩300内的涡轮盘的功能和/或接近度来限定。第一区域302可能是安装区域，其配置为用于将护罩300联接到涡轮的外壳上，并且定位在涡轮盘的远端(在图3中显示了涡轮盘的叶片226)。在实施例中，第一区域302的长轴线(平行于图3中所示的线312)通常垂直于护罩300的纵向轴线(平行于图3中的线314或316)，从而为安装护罩提供了环形凸缘。第一区域302可为螺栓或其它紧固件的通过而限定一个或多个安装孔，从而将护罩安装到支架上。第一区域302可延伸到第二区域304中。也就是说，在某些实施例中，第一区域和第二区域可重叠。然而，在其它实施例中，第一区域和第二区域可能不重叠，但第一区域可能终止于第二区域开始的地方。第二区域304可能是设置在第一区域302和第三区域306之间的过渡区域。第二区域304可延伸到第三区域306中，或者可能没有延伸到第三区域中。第三区域306可能是封闭区域，其配置为用于包围涡轮盘。第三区域306邻近涡轮盘的叶片226。因而，第三区域306可从涡轮盘径向向外定位，使得从涡轮径向向外飞出的碎屑将撞击护罩。
第一区域302、第二区域304和第三区域306可由整件材料组成。备选地或额外地，护罩300可能是单个分层的护罩。通过利用单个整件材料用于护罩，可减少结构弱点，例如多件材料结合在一起的地方。然而，护罩300还可由不止一件材料组成，或者可能是多层的护罩，或者可能是另一合适的装置。根据本公开的一个方面，单层护罩可以指在叶片226的径向方向上包括仅单个整体的材料层的护罩，其基本上有助于爆破条件期间的封闭。(在实施例中，基本上意味着0.5%或更多；在另一实施例中，基本上意味着1%或更多；在另一实施例中，基本上意味着5%或更多。)因而，例如，单个整体的材料层在径向方向上可涂敷油漆和/或防锈涂层，并且如果油漆和/或防锈涂层基本上不会有助于封闭的话，则仍然被认为是单层护罩。
护罩300具有可从第一区域的起点延伸至第三区域的末端的总长度308。护罩300的总长度308基于涡轮的护罩安装凸缘至涡轮的涡轮叶片的距离，使得护罩可基本上围绕涡轮的鼻状件、喷嘴环和涡轮盘而延伸。在所描绘的实施例中，护罩300可具有在20-23cm范围内的总长度308。例如，护罩可具有21.4cm的总长度。然而，在12-25cm范围内的总长度或其它合适的长度也在本公开的范围内。
护罩可在其厚度上变化，以优化(或另外同厚度上没有变化的护罩相比改善)封闭能力或爆破封闭强度，同时保持涡轮约束下的性能。因而，例如，如下面更详细地所述，第二区域304可具有通常在径向方向上的最小厚度(参见图3中的310)，其比从叶片226径向向外的第三区域306的厚度更薄(参见312)。换句话说，第二区域的径向最窄的部分可能比从叶片226向外的第三区域的厚度更薄。
第二区域具有厚度310，其经过优化(或以其它方式进行配置)，以便通过例如第三区域支承放置于护罩上的负载。在一个示例中，厚度可在0.8-1.2cm的范围内。其它厚度范围也是可能的，例如0.1-2.5cm或另一合适的范围。
第三区域306可具有竖直的或封闭的厚度312(即，厚度从护罩和叶片226的纵向轴线径向向外地延伸)，其配置为用于在爆破条件期间包含涡轮盘碎片的释放。厚度312可经过优化(或以其它方式进行配置)，以承受高能量的涡轮盘碎片释放的碰撞，从而防止碎片离开护罩附近。封闭厚度312可在3.5-5cm的范围内，或者另一合适的范围内。在另一示例，封闭厚度可在4.3-4.8cm的范围内。封闭厚度312可包含在直接设置于涡轮叶片226的周围的第三区域306的封闭区域315中；封闭区域可在叶片的任一侧轴向延伸一定的距离而穿过叶片226。封闭区域315可具有3.8cm的水平(轴向)长度，在2.5-5cm范围内的长度，或另一合适的长度。在一个示例中，封闭区域可具有4.3cm的长度。
第二区域的厚度310可取决于第一区域302和第三区域306之间的长度314而进行选择。例如，随着第一区域302和第三区域306之间的长度314的增加，所选择的第二区域的厚度310可能减少。在一个示例性的实施例中，在第一区域和第三区域之间的长度314可包括位于第一区域的起点和第三区域的封闭厚度区域的起点之间的长度，并且可在12.5-15.5cm的范围内。例如，长度314可能是15.1cm。在另一示例中，长度可在10-25cm的范围内。其它长度也在本公开的范围内。在所描绘的实施例中，在第一区域和第三区域之间的长度314大于护罩300的总长度308的一半。第三区域的封闭厚度312大于第二区域的厚度310。在所描绘的实施例中，第三区域的封闭厚度312至少是第二区域的厚度310的两倍厚。
另外，第二区域304可定位成相对于护罩的水平轴线316倾斜。第二区域304可定位在相对于护罩的水平轴线316成0-30°范围内的角度上；也就是说，第二区域的长轴线(相对厚度310是横向的，其通常是径向定向的)可位于相对于水平轴线316成0-30°范围内的角度上。在一个实施例中，第二区域304可定位在10°的角度上。在其它实施例中，其可定位在20°的角度上，或者相对于水平轴线可定位在另一合适的角度上。第二区域304的倾斜位置与长度314和厚度310一起可为第二区域304提供增加的柔韧性，以承受在爆破条件期间放置于护罩上的碰撞负载。
在护罩300和叶片226之间可提供间隙区域318。这个间隙区域318通过在最佳的流路中引导排气从而改善了性能。间隙区域318可能是在护罩300和叶片226之间具有合适长度的间距，例如在0.03-0.25cm范围内的长度(在护罩和叶片之间的间距)。在一个非限制性的示例中，间隙区域318可具有0.09cm的长度。
护罩300包含高能量碎片的能力可能是封闭区域的竖直厚度(例如封闭厚度312)和/或建造护罩的材料的韧性模量的函数。韧性模量(MOT)可能是材料的屈服强度、拉伸强度和/或破坏应变百分比的函数。同通常用于护罩的其它材料相比，护罩中的材料的MOT在升高的温度下可能大于阈值MOT。在相对较高的温度，例如在500°至700°C之间的温度下，阈值MOT可在10,000-20,000psi的范围内或另一合适的阈值。在一个非限制性的示例中，在500°C的温度下，阈值可能是14,000psi。因为护罩可能暴露于高温下，所以高的韧性和拉伸强度可提供在爆破条件期间、在高温下承受高能量碎片的碰撞的性能。
护罩300可由锻造的不锈钢组成，其在高温下相对于由不同材料制成的护罩而言具有增加的强度和/或韧性。在一个示例中，护罩可由NITRONIC50®不锈钢(CG6MMN铸造不锈钢的锻造等效物)组成。然而，还可使用在高温下提供合适强度的其它材料。表1显示了与频繁用于涡轮护罩结构中的球墨铸铁相比较的NITRONIC50®的MOT。如图所示，在较低和较高的温度下，NITRONIC50®具有比球墨铸铁更高的MOT。
温度(℃) 球墨铸铁的MOT(psi) NITRONIC50®的MOT(psi)
20 11270 32428
537 10180 20591
649 12732 17486
表1。
图4显示了根据本公开的另一实施例的环形护罩400的径向横截面图的上半部分。护罩400可收容在涡轮中，例如图2的涡轮202中；护罩400是图2的护罩230的一个非限制性的示例。在一个非限制性的示例中，护罩400可收容在单级涡轮增压器中，或多级涡轮增压器的第一级中，或另一合适的涡轮增压器中。类似于上面参照图3所述的护罩300，护罩400包括第一区域402、第二区域404和第三区域406。同样类似于护罩300，第一区域402可能是安装区域，其配置为用于将护罩400联接到涡轮的外壳上，并且定位在涡轮盘(在图4中显示了涡轮盘的叶片226)的远端。第一区域402的长轴线通常垂直于护罩的纵向轴线，从而提供了用于安装护罩的环形凸缘。第二区域404可能是设置在第一区域402和第三区域406之间的过渡区域。第三区域406可能是封闭区域，其配置为用于包围涡轮盘。第三区域406邻近涡轮盘的叶片226。第三区域406可定位成从涡轮盘径向向外，使得从涡轮径向向外飞出的碎屑将撞击护罩。
类似于护罩300，第一区域402、第二区域404和第三区域406可由整件材料组成，或者可由不止一件材料组成。备选地或额外地，护罩400可能是单层的护罩，多层的护罩，或者可能具有另一合适的装置。
护罩400具有从第一区域的起点至护罩的末端的总长度408，其在这个实施例中由于排气扩散器420而延伸超过第三区域，排气扩散器促进了排气流的流型，以提高涡轮的性能。在一个实施例中，护罩400可具有在17.5-20.5cm范围内的总长度408。在一个示例中，护罩400可具有18.3cm的长度。然而，其它合适的长度也在本公开的范围内，例如12.5-25cm。
护罩400的第二区域404具有厚度410，其可经过优化(或以其它方式进行配置)，以支承放置在护罩上的负载。在一个示例中，厚度410可在3.5-4.1cm的范围内。在另一示例中，厚度可在2.5-5cm的范围内，或其它合适的范围内。类似于护罩300，护罩400可包括竖直厚度412或封闭厚度412，其经过优化(或以其它方式进行配置)，以便在爆破条件期间承受高能量的涡轮盘碎片释放的碰撞。在一个示例中，封闭厚度412可在2.5-5cm的范围内。在另一非限制性的示例中，封闭厚度可在3.8-4.3cm的范围内或另一合适的范围内。封闭厚度412跨越直接设置在涡轮叶片226的周围的第三区域406的封闭区域416。封闭区域416可具有2.5-5cm范围内的水平长度。在一个示例中，封闭区域的水平(轴向)长度可能是另一合适的长度，例如，但不局限于4.1cm或4.3cm。
如同上面参照图3解释的那样，所选择的第二区域的厚度410可能取决于在第一区域402和第三区域406之间的长度414。例如，随着第一区域402和第三区域406之间的长度414的增加，所选择的第二区域的厚度410可能减少。如参照图3解释的那样，在第一区域和第三区域之间的长度414可包括位于第一区域的起点和第三区域的封闭厚度区域的起点之间的长度，并且可能在例如5-10cm的范围内或另一合适的范围内。在一个非限制性的示例中，长度可能是7.4cm。在图4所描绘的实施例中，在第一区域和第三区域之间的长度414小于护罩400的总长度408的一半。与此对比，图3中所描绘的护罩300的实施例的长度314大于护罩300的总长度308的一半。因为所选择的第二区域的厚度取决于第一区域和第三区域之间的长度，所以第二区域的厚度410可能比护罩300的第二区域的厚度310相对较厚。例如，封闭厚度412可能至少与第二区域的厚度410一样厚。在所描绘的实施例中，第三区域的封闭厚度412基本上等于第二区域的厚度410。
护罩400还包括位于护罩400和叶片226之间的间隙区域418，以改善涡轮盘的性能，并有助于引导流路中的排气。间隙区域418可具有位于护罩400和叶片226之间的间距，其在合适的范围内，例如但不局限于0.03-0.25cm。在一个非限制性的示例中，间距可能是0.09cm。然而，其它间距也在本公开的范围内。
护罩400包括排气扩散器420。排气扩散器420可能是护罩400的钟口状的末端部分，其有助于降低排气背压。由于包含排气扩散器，长度414可能比上面参照图3论述的长度314更短。另外，第二区域404可对准相同的第三区域406的水平轴线422。在一个示例中，第二区域404可定位成相对于水平轴线422以0°倾斜(由第二区域的长轴线来限定)。然而，其它对准也在本公开的范围内。第二区域404在第三区域406的水平轴线422上的对准，与长度414和厚度410一起可为第二区域404提供增加的耐力，以承受放置于护罩上的负载。
护罩400可包括锻造的不锈钢，其在升高的温度下相对于其它材料具有较高的强度和/或韧性，并且类似于上面参照图3所述的护罩300。在一个示例中，护罩400可包括NITRONIC50®。然而，还可使用在高温下提供合适强度的其它材料。
图5显示了根据本公开的实施例的环形护罩500的径向横截面图的上半部分。护罩500可收容在涡轮中，例如图2的涡轮202中；护罩500是图2的护罩230的一个非限制性的示例。在一个非限制性的示例中，护罩500可收容在低压涡轮增压器中。低压涡轮增压器可设置在高压涡轮增压器的下游，或者可另外接收具有低压的排气。如上面解释的那样，术语“高压”和“低压”是相对的，其意味着“高压”是高于“低压”的压力。相反，“低压”是低于“高压”的压力。备选地，护罩500可收容在另一合适的涡轮增压器中。
类似于上面参照图3和图4所述的护罩300和400，护罩500包括第一区域502、第二区域504和第三区域506。第一区域可能是定位在涡轮盘远端的安装区域，第二区域可能是定位在第三区域和第一区域之间的过渡区域，并且第三区域可能是邻近涡轮盘的封闭区域。第一区域502的长轴线可能通常垂直于护罩的纵向轴线，从而提供了用于安装护罩的环形凸缘。封闭区域可具有优化的封闭厚度512和韧性，以包含在爆破条件期间释放的涡轮盘碎片，并且可包围涡轮盘。
类似于护罩300和400，第一区域502、第二区域504和第三区域506可由整件材料组成。然而，护罩500还可包括不止一件材料。备选地或额外地，其可能是单层的护罩，或者其可能是多层的护罩，或者另一合适的装置。
护罩500具有从第一区域的起点至第三区域的末端的总长度508。在一个实施例中，护罩500可具有在15-20cm范围内的长度508。在另一非限制性的示例中，护罩可具有18.3cm的长度。然而，其它合适的长度也在本公开的范围内，例如12.5-25cm。
第二区域可具有例如在0.25-2.5cm范围内的厚度510。在一个示例中，厚度可能是1cm。在另一示例中，其可能在0.8-1.2cm的范围内，或者是另一合适的厚度。封闭厚度512可在2.9-3.9cm的范围内，或其它合适的厚度，例如在2.5-5cm的范围内。封闭厚度512可包括直接设置在涡轮叶片226周围的封闭区域515。封闭区域515可具有水平(轴向)长度，其具有合适的长度，例如在2.5-5cm的范围内。在另一示例中，封闭区域可能是4.4cm，或者其可能是4.6cm。其它长度也是可能的。
护罩500可具有第一区域和第三区域之间的长度514，其在一个示例中可能在2.5-25cm的范围内。在另一示例中，在第一区域和第三区域之间的长度514可能是9.9cm。在所述描绘的实施例中，在第一区域和第三区域之间的长度514小于护罩500的总长度508的一半，并且第三区域的封闭厚度512大于第二区域的厚度510。在所描绘的实施例中，第三区域的封闭厚度512(从叶片226径向向外延伸的厚度)至少是第二区域的厚度510(径向厚度)的两倍，并且可能是三倍厚，四倍厚或另一合适的厚度。
类似于参照图4所述的护罩400，第二区域504可对准相同的第三区域506的水平轴线516。与第三区域的对准和长度514及厚度510一起可为第二区域504提供增加的耐力，以承受放置在护罩上的负载。同样类似于护罩300和400，在护罩500和叶片226之间提供了间隙区域518。间隙区域518可能是在护罩500和叶片226之间间距，其具有合适的长度，例如在0.03-0.25cm之间。在一个示例中，间隙区域518可能是0.09cm。
护罩500可由锻造的不锈钢或其它材料组成，其相对于其它材料具有较高的韧性和/或强度。在一个示例中，类似于上面参照图3所述的护罩300，护罩500可由NITRONIC50®组成。然而，还可使用在高温下提供合适强度的其它材料。
图6显示了在爆破条件期间的能量流的图示，其包括涡轮封闭系统600中的高能量的盘碎片释放。实线箭头指示在封闭系统的构件之间的机械连接。如图所示，涡轮轴机械地连接到至少一个密封件和轴承上，并且连接到涡轮盘上。护罩机械地连接到涡轮外壳上，并且向下游朝消声器展开。图6显示了在爆破条件期间的能量流，其根据本公开的实施例具有之前系统的性能护罩和封闭护罩。
现在参照之前系统的性能涡轮护罩，其中收容性能护罩的涡轮可能遇到涡轮盘的一个或多个碎片被释放的爆破条件。这些释放的盘碎片可能具有高的动能，当存在没有为封闭进行优化的性能涡轮护罩时，可能刺穿包围涡轮盘的涡轮护罩。对于之前系统的性能护罩，在爆破条件期间，盘碎片可能通过刺穿护罩而从护罩释放，使得碎片逃离护罩。这可能对涡轮和/或靠近涡轮的其它构件造成损坏。
在爆破条件期间，当涡轮盘释放碎片时，来自碎片的能量可能流过封闭系统的各种构件。虚线箭头显示了封闭系统的能量流，其包括标准性能护罩(例如非封闭护罩)。能量从盘流向护罩，其可能不能包含所有能量，以便将碎片保持在护罩中。结果，能量流向涡轮外壳、消声器，并向外流向大气和/或图6中未显示的额外的构件。
转回到本公开的封闭护罩系统，图6的虚线箭头指示了在释放高能量盘碎片的爆破条件期间涡轮中的能量流，涡轮包括封闭护罩，例如图3-5的护罩300、400或500。能量从盘碎片流向护罩。不同于非封闭护罩，封闭护罩通过在至少包围涡轮盘的区域具有高的韧性模量和/或增加的厚度，从而包括提高的爆破强度。因为护罩配置为用于包含盘碎片，并具有比非封闭护罩更高的刺穿耐力和拉伸强度，所以来自碎片的能量包含在盘-护罩复合物中，并且不会释放到封闭系统、涡轮增压器或发动机系统的任何其它构件上。
图7A和7B显示了图表710和图表720，其分别显示了在爆破条件期间的涡轮盘碎片的动能，在此期间高能量的涡轮盘碎片被释放。图7A的图表710显示了非封闭涡轮护罩中的碎片释放的动能。图7B的图表720显示了在根据本公开的一个或多个实施例的封闭护罩例如图3-5的护罩300、400和/或500中的碎片释放的动能。
对于图表710和720两者，动能是沿着y轴描绘的，并且时间是沿着x轴描绘的。动能是盘碎片的运动能量，并且是速度、材料特性和/或盘碎片重量的函数。图表710和720描绘了以磅-英寸为单位的动能
参照图表710，其以虚线描绘了盘释放的动能。盘释放开始于大约1×106磅-英寸的动能，并且最初由于与护罩的相互作用而被降低，如动能下降至大约0.3×106磅-英寸。然而，非封闭护罩不能完全包含盘碎片的能量，因为其仍保持在0.3×106磅-英寸下。结果，盘碎片保持足够能量，从而刺穿护罩，并将能量传递给涡轮和/或发动机的其它构件。
与此对比，图表720描绘了在盘释放期间在包括封闭护罩(例如护罩300、400、500)的涡轮中的能量。盘碎片的动能以虚线来描绘。类似于图表710，图表720的能量释放开始于大约1×106磅-英寸(大约1350千焦(kJ))。然而，同图表710对比，盘碎片的动能在10ms内基本上下降至零，并保持零。因而，封闭护罩的爆破强度足以将盘碎片保持在护罩内，并且盘碎片不具有足够的能量来刺穿和离开护罩。在本公开的实施例中，护罩300、400、500配置为用于包含具有至少1350kJ的动能的盘碎片。
图8是流程图，其显示了用于生产涡轮护罩例如图3-5的护罩300、400和/或500的方法800。该方法800在802处包括提供安装区域，其配置为用于将护罩安装到涡轮的外壳上。如之前解释的那样，安装区域可包括护罩的第一区域，并且在安装于涡轮中时可位于涡轮盘的远端。安装区域可包括凸缘，其在护罩安装于涡轮中时可联接到涡轮外壳上。
在804处，方法800包括提供封闭区域，其配置为用于包围涡轮盘。封闭区域可包括护罩的第三区域，并且在安装于涡轮中时可邻近涡轮盘。提供封闭区域包括封闭区域，其具有在爆破条件期间将一个或多个涡轮盘碎片保持在护罩中的爆破强度。如之前解释的那样，爆破条件可包括在高能量下释放一个或多个盘碎片的条件。这可能包括进入涡轮的外物，或机械问题，其造成涡轮盘破裂或另外释放其与涡轮的联接。导致高能量涡轮盘碎片释放的任何条件都可被认为是爆破条件。封闭区域的爆破强度可能是封闭区域内的护罩的厚度和/或韧性的函数，以便包含爆破条件期间的盘碎片。爆破强度可容许护罩包含盘碎片的动能。例如，封闭区域的爆破强度可将爆破条件期间的盘碎片的动能减少至基本为零，或另一合适的动能，从而将盘碎片保持在护罩内。
在806处，方法800包括在安装区域和封闭区域之间提供过渡区域。如之前解释的那样，过渡区域可经过优化，以支承放置于护罩上的碰撞负载。取决于收容护罩的涡轮，过渡区域的厚度和/或长度可变化。因此，在808处，方法800包括作为在安装区域和封闭区域之间的距离的函数而设定过渡区域的厚度。在某些实施例中，这可包括在810处，随着安装区域和封闭区域之间的距离的减少而增加过渡区域的厚度。例如，在参照图3所述的护罩300中，在安装区域和封闭区域之间的距离可比参照图4所述的护罩400的安装区域和封闭区域之间的距离更长。结果，护罩400的过渡区域的厚度可能比护罩300的过渡区域的厚度更厚。
在这里的轴流式涡轮的实施例中，轴流式涡轮具有收容涡轮盘/叶盘的护罩，护罩包括第一区域、第二区域和第三区域，在第一区域和第三区域之间的长度小于护罩总长度的一半，并且第二区域的厚度基本上等于(不超过1%的差异)第三区域的封闭厚度。
另一实施例涉及一种用于发动机系统的轴流式涡轮系统。轴流式涡轮系统包括涡轮元件，其是一种部件，其功能是在排气流的作用下使(连接到涡轮元件上的)轴移动。(例如，远离涡轮元件的轴的末端可连接到压缩机轮上)。轴流式涡轮系统还包括收容涡轮元件的护罩。护罩包括位于涡轮元件远端的安装区域、封闭区域以及安装区域和封闭区域之间的过渡区域。封闭区域具有邻近涡轮盘的封闭厚度；封闭厚度至少与过渡区域的厚度一样厚。在另一实施例中，封闭厚度基本上等于过渡区域的厚度(在1%或更少的差异内相等)。
另一实施例涉及一种护罩，其用于发动机涡轮增压器的涡轮。护罩包括具有纵向(中心)轴线的环形体。环形体在径向横截面中包括第一区域、第三区域和第二区域，第一区域具有通常垂直于纵向轴线的长轴线，第二区域设置在第一区域和第三区域之间并将两者互连。第三区域具有与纵向轴线平行的长轴线。第三区域的最大径向厚度至少与第二区域的最大径向厚度一样厚。
在护罩的另一实施例中，第三区域的最大径向厚度至少是第二区域的最大径向厚度的两倍厚。
在护罩的另一实施例中，第二区域的长轴线相对于纵向轴线以非零度的角度设置。
在护罩的另一实施例中，第一、第二和第三区域是整体的，并且由金属组成。
在护罩的另一实施例中，第三区域配置为用于包含当涡轮盘/叶盘以发动机涡轮增压器的最大RPM的75%(例如其最大额定RPM的75%)旋转时所释放的涡轮盘/叶盘的碎片，护罩安装在发动机涡轮增压器中，其中第三区域径向向外包围涡轮盘/叶盘。
在护罩的另一实施例中，第三区域配置为用于包含发动机涡轮增压器的涡轮盘/叶盘的碎片，其以1350kJ的动能释放。
在另一实施例中，在第一区域和第三区域之间的轴向距离(例如被相对于第二区域而垂直的第一区域和增加厚度的第三区域之间的距离所限定)小于护罩的总轴向长度的一半。
另一实施例涉及发动机涡轮增压器。发动机涡轮增压器包括支撑框架/外壳和附接到轴上的涡轮盘/叶盘，其中涡轮盘/叶盘和轴可旋转地联接在支撑框架上。涡轮增压器还包括护罩。护罩包括具有纵向(中心)轴线的环形体。环形体在径向横截面中包括第一区域、第三区域和第二区域，第一区域具有通常垂直于纵向轴线的长轴线，第二区域设置在第一区域和第三区域之间并将两者互连。第三区域具有与纵向轴线平行的长轴线。第三区域的最大径向厚度至少与第二区域的最大径向厚度一样厚。护罩通过第一区域附接到支撑框架上，并且第三区域环状地从涡轮盘/叶盘径向向外地包围涡轮盘/叶盘。
另一实施例涉及一种护罩，其用于发动机涡轮增压器的涡轮。护罩包括环形安装凸缘。护罩还包括圆筒形的过渡部件，其附接到凸缘上并与其同轴，并从凸缘纵向向外延伸，例如过渡部件可垂直于凸缘或相对于凸缘以小于90度的角度(例如60-90度)倾斜。护罩还包括圆筒形的封闭部件，其在除了连接到凸缘上的一端的过渡部件的一端处附接到过渡部件上，并且与过渡部件同轴。也就是说，过渡部件具有第一端和第二端，其中凸缘连接到第一端上，并且封闭部件连接到第二端上。封闭部件的最大径向厚度是至少是与过渡部件的最大径向厚度一样厚。在另一实施例中，封闭部件的最大径向厚度大于过渡部件的最大径向厚度。在另一实施例中，封闭部件的最大径向厚度至少是过渡部件的最大径向厚度的两倍厚。当安装在涡轮增压器中时，环形安装凸缘用于将护罩连接到涡轮增压器的支架/框架上，并且封闭部件定位成环状地径向向外地包围涡轮增压器的涡轮盘/叶盘。封闭部件配置为用于包含爆破条件期间所释放的盘/叶盘的碎片，例如至少具有1350kJ动能的碎片，以及/或者至少是在涡轮增压器以其最大RPM的75%(例如其最大额定RPM的75%)操作时所释放的碎片。
如此处所用，以单数形式引用，且前缀“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非明确地陈述了这种除外情形。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不应理解为排除额外实施例的存在，其也包含所陈述的特征。此外，除非做出了明确相反的陈述，否则“包含”、“包括”或“具有”一个或多个具有特殊特性的元件的实施例可包括额外的不具有该特性的这种元件。术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的等效字面语言。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等等仅仅用作标记，并不意图对其目标强加数字要求或特殊的位置顺序。
所写的描述使用了示例来公开本发明，包括最佳模式，并还能够使本领域的任何技术人员实践发明，包括制造并使用任何装置或系统且执行任何所合并的方法。发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包括本领域的技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言无实质区别的等同的结构元件，那么，这样的其他示例将在权利要求的范围内。

Claims (27)

1. 一种用于发动机系统的轴流式涡轮，包括：
涡轮盘/叶盘；和
收容所述涡轮盘/叶盘的护罩，所述护罩包括第一区域、第二区域和第三区域，其中所述第二区域的厚度取决于在所述第一区域和所述第三区域之间的长度，所述第三区域具有在爆破条件下保持所述涡轮盘/叶盘的一个或多个碎片的爆破强度。
2. 根据权利要求1所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述第一区域是位于所述涡轮盘/叶盘远端的安装区域，以将所述护罩定位在所述轴流式涡轮的外壳内，所述第二区域是在所述第一区域和所述第三区域之间的过渡区域，并且所述第三区域邻近所述涡轮盘/叶盘。
3. 根据权利要求1所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述爆破强度是所述第三区域的封闭厚度的函数。
4. 根据权利要求1所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域形成了一种材料的连续段，而没有有助于所述爆破强度的额外的其它材料层。
5. 根据权利要求4所述的轴流式涡轮，其特征在于，在所述第一区域和所述第三区域之间的长度小于所述护罩的总长度的一半，并且所述第二区域的厚度基本上等于所述第三区域的封闭厚度。
6. 根据权利要求4所述的轴流式涡轮，其特征在于，在所述第一区域和所述第三区域之间的长度大于所述护罩的总长度的一半，并且所述第三区域的封闭厚度大于所述第二区域的厚度。
7. 根据权利要求1所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述轴流式涡轮安装在车辆的车辆发动机系统中。
8. 根据权利要求7所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述车辆是机车。
9. 根据权利要求1所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述护罩配置为用于建立涡轮盘/叶盘的动叶间隙，从而改善涡轮盘/叶盘性能。
10. 一种用于发动机系统的轴流式涡轮，包括：
涡轮元件，其配置为用于在排气流的作用下使轴移动；和
收容所述涡轮元件的护罩，所述护罩包括位于所述涡轮元件远端的安装区域、封闭区域以及在所述安装区域和所述封闭区域之间的过渡区域，所述封闭区域具有邻近所述涡轮元件的封闭厚度，所述封闭厚度至少与所述过渡区域的厚度一样厚。
11. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述封闭厚度至少是所述过渡区域的厚度的两倍厚。
12. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述封闭厚度基本上等于所述过渡区域的厚度。
13. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述过渡区域定位成相对于所述封闭区域的纵向轴线倾斜。
14. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述过渡区域在纵向轴线上与所述封闭区域对准。
15. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述护罩由锻造的不锈钢组成，其在500°C下具有大于14,000psi的韧性模量。
16. 根据权利要求10所述的轴流式涡轮，其特征在于，所述封闭区域具有在爆破条件下保持所述涡轮元件的一个或多个碎片的爆破强度，并且其中所述爆破条件包括当所述涡轮元件以所述轴流式涡轮的最大RPM的至少75%操作时从所述涡轮元件释放碎片。
17. 一种机车，包括：
发动机，其包括排气系统；和
根据权利要求10定位在所述排气系统内的轴流式涡轮。
18. 一种护罩，用于发动机涡轮增压器的涡轮，所述护罩包括：
环形体，其具有纵向轴线，其中所述环形体在径向横截面中包括：
第一区域、第三区域和第二区域，所述第一区域具有通常垂直于所述纵向轴线的长轴线，并且第二区域设置在所述第一区域和所述第三区域之间并将两者互连，其中所述第三区域具有与所述纵向轴线平行的长轴线，并且所述第三区域的最大径向厚度至少与所述第二区域的最大径向厚度一样厚。
19. 根据权利要求18所述的护罩，其特征在于，所述第三区域的最大径向厚度至少是所述第二区域的最大径向厚度的两倍厚。
20. 根据权利要求18所述的护罩，其特征在于，所述第二区域的长轴线相对于所述纵向轴线以非零度的角度设置。
21. 根据权利要求18所述的护罩，其特征在于，所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域是整体的，并由金属组成。
22. 根据权利要求18所述的护罩，其特征在于，所述第三区域配置为用于包含当所述涡轮盘/叶盘以发动机涡轮增压器的最大RPM的75%旋转时所释放的涡轮盘/叶盘的碎片，所述护罩安装在所述发动机涡轮增压器中，其中所述第三区域径向向外包围所述涡轮盘/叶盘。
23. 根据权利要求18所述的护罩，其特征在于，所述第三区域配置为用于包含发动机涡轮增压器的涡轮盘/叶盘的碎片，其以1350kJ的动能释放。
24. 一种发动机涡轮增压器，包括：
支撑框架；
附接到轴上的涡轮盘/叶盘，其中所述涡轮盘/叶盘和轴可旋转地联接到所述支撑框架上；和
根据权利要求18所述的护罩，其中所述护罩通过所述第一区域附接到所述支撑框架上，并且所述第三区域环状地从所述涡轮盘/叶盘径向向外地包围所述涡轮盘/叶盘。
25. 一种用于生产涡轮护罩的方法，所述涡轮护罩用于轴流式涡轮中，所述方法包括：
提供安装区域，其配置为用于安装到所述轴流式涡轮的外壳中；
提供封闭区域，其配置为用于包围所述轴流式涡轮的涡轮盘，并且具有在爆破条件下保持所述涡轮盘的一个或多个碎片的爆破强度；和
在所述安装区域和所述封闭区域之间提供过渡区域，其中所述过渡区域的厚度取决于在所述安装区域和所述封闭区域之间的长度。
26. 根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在所述安装区域和所述封闭区域之间的长度小于所述涡轮护罩的总长度的一半，并且所述过渡区域的厚度基本上等于所述封闭区域的封闭厚度。
27. 根据权利要求25所述的方法，其特征在于，在所述安装区域和所述封闭区域之间的长度大于所述涡轮护罩的总长度的一半，并且所述封闭区域的封闭厚度大于所述第二区域的厚度。
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