CN105658929A - 涡轮壳体 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮增压器系统，其可包括涡轮壳体和舌状插入件。涡轮壳体可包括入口、出口、以及在入口和出口之间的气体通路。气体通路可包括涡形部分和近似相切于涡形部分延伸的入口部分。涡轮壳体可由第一材料形成。舌状插入件可接纳在涡轮壳体中，并且可至少部分地界定涡形部分和入口部分。舌状插入件可由比第一材料更耐热的第二材料形成。

Description

涡轮壳体
相关申请的交叉引用
本申请是2014年7月23日提交的第14/338,579号美国专利申请的PCT国际申请，该美国专利申请第14/338,579号要求2013年8月16日提交的美国临时申请第61/866,641号的权益。以上申请的全部公开内容通过引用并入本文。
领域
本公开涉及用于涡轮增压器系统的涡轮壳体。
背景
本部分提供与本公开有关的背景信息，并且不一定是现有技术。
涡轮增压器组件的成本的很大一部分包含在涡轮壳体内。涡轮壳体从排气系统接收热气体，穿过涡形部分将该热气体引导到涡轮，并且最终把涡轮排出气体引导到排气系统的其余部分。形成涡轮壳体的材料或多个材料应该能够承受由热排放气体产生的最大预期温度。对于许多应用而言，较高的排放气体温度导致涡轮壳体温度超过传统低成本的铁素体铸铁的工作极限，并且因此，经常需要高合金、耐热材料，比如耐蚀高镍铸铁(D5S)或奥氏体不锈钢(例如1.4848和1.4849)。这些高合金材料是昂贵的，并且大大增加整体组件的成本。
为了使涡轮壳体保持较低的成本，可能期望的是由低成本材料，比如铁素体铸铁或铝来制造涡轮壳体。诸如铝的材料可能不是足够耐热的以在多数涡轮壳体的工作温度下工作，并且可能需要主动式冷却以使铝壳体保持在实用温度极限内。对于许多铝合金，这意味着使铝材料在所有位置保持在远低于300°C。
由于将来诸如镍之类的昂贵的合金的成本不断提高，发动机和涡轮增压器制造商将增加兴趣以通过采用用于涡轮壳体的低成本和/或轻质材料(如果需要可能具有主动式冷却)来降低涡轮增压器系统的成本。正是为了这个目的，形成了本公开。
概述
本部分提供本公开的大致概述，并且不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
本公开涉及涡轮增压器系统，该涡轮增压器系统布置在从发动机系统的排出的排放气体流中。涡轮增压器系统包括涡轮壳体，该涡轮壳体包围旋转的涡轮叶轮，该涡轮叶轮将排气流中的能量转换成旋转轴能量。涡轮壳体具有以有效的方式把排放气体指引到涡轮叶轮的内部气体导管。气体导管具有进入部分和第二部分，进入部分近似相切于涡轮叶轮的外直径，第二部分包围涡轮叶轮并且与涡轮叶轮近似同心。在气体导管进入(第一)部分与环形气体导管(第二)部分会合的区域中，涡轮壳体可包括分歧特征，该分歧特征通常称为涡轮壳体的舌状部。舌状部在两侧上暴露于热的排放气体并且可非常迅速地升温。
铝不能承受汽车排气系统中遇到的高温，所以铝必须主动冷却到在它的工作界限内的温度。把水套放入铝涡轮壳体中并且使用发动机的冷却系统是试图解决铝涡轮壳体的耐热性问题的方法。利用水冷却铝涡轮壳体，涡轮壳体的外表面温度比较凉(通常在120°C以下)，这允许发动机室中的其它部件比在非冷却式涡轮壳体的情况下更接近涡轮增压器组件定位。除了提供较好的包装条件和较小的质量之外，相比例如奥氏体不锈钢的传统高合金铁材料，铝水冷却涡轮壳体提供了可能的成本节约。即使在由铁合金制成的涡轮机壳体的情况下，也需要通过使用低成本材料尽可能低地保持壳体的成本。低成本铁合金的应用通常受到材料的耐热性极限的限制，其中涡轮壳体的舌状部由于其几何结构和功能，由于放置在舌状部上的极大的热载荷，通常呈现出最关键的限制。
本公开中提出的实施方案解决的主要问题是涡轮壳体的舌状部分的耐用性，无论涡轮壳体是由常规铁合金构造还是由利用冷却的替代材料制成。在水冷却式涡轮壳体中，涡轮壳体的舌状区域必须是相对薄的以不干涉内部气体导管中排放气体的流动，并且在舌状部中没有足够的空间来结合冷却管道。尽管相比于大多数高温铁质材料，铝的热传导性是相当高的，但铝水冷涡轮机壳体的舌状部分限制了铝涡轮壳体可以承受的最大操作条件(温度和质量流动速率)。
在本公开中，提供了以第二耐高温材料代替舌状部分中的材料的方法。第一种方法使用从涡轮壳体入口插入到组件的部件。第二种方法采用以平行于涡轮的旋转轴的方式插入到主涡轮壳体中的部件。
在一个形式中，本公开提供可包括涡轮壳体和舌状插入件的涡轮增压器系统。涡轮壳体可包括入口、出口、以及在入口和出口之间的气体通路。气体通路可包括涡形部分和近似相切于涡形部分延伸的入口部分。涡轮壳体可以由第一材料形成。舌状插入件可以接纳在涡轮壳体中的凹槽中，并且可至少部分地界定涡形部分和入口部分。舌状插入件可以由比第一材料更耐热的第二材料形成。
在一些实施方案中，舌状插入件可包括界定舌状插入件和入口部分之间的间隙的凹处或凹部。
在一些实施方案中，凹槽可包括界定舌状插入件和入口部分之间的间隙的凹处或凹部。
在一些实施方案中，凹槽可延伸穿过界定涡轮壳体的入口的入口界面。
在一些实施方案中，凹槽包括端部止动定位器，该端部止动定位器使舌状插入件相对于涡轮壳体定位。
在一些实施方案中，舌状插入件可通过压配合来接合凹槽。
在一些实施方案中，涡轮壳体可包括形成在其中的冷却剂管路。
在另一个形式中，本公开提供可包括涡轮壳体和舌状插入件的涡轮增压器系统。涡轮壳体可包括入口、出口、以及在入口和出口之间的气体通路。气体通路可包括涡形部分和近似相切于涡形部分延伸的入口部分。涡轮壳体可以由第一材料形成。舌状插入件可接纳在涡轮壳体中，并且可以至少部分地界定涡形部分和入口部分。舌状插入件可以由比第一材料更耐热的第二材料形成。舌状插入件可包括环状部分、从该状环状部分延伸的舌状部分。
在一些实施方案中，环状部分可与布置在涡轮壳体内的涡轮的轴同心。
在一些实施方案中，环状部分可夹在涡轮壳体和涡轮轴承壳体之间。
在一些实施方案中，舌状部分可接纳在涡轮壳体中的凹部中。
在一些实施方案中，涡轮壳体可包括形成在其中的冷却剂管路。
根据本文提供的描述另外的应用领域将变得明显。在该概述中的描述和具体的示例仅为了说明的目的，并且不意图限制本公开的范围。
附图简述
本文所描述的附图仅用于说明所选择的实施方案而不是所有可能的实现方案的目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1是涡轮增压发动机系统的示意图；
图2是根据本公开的原理的涡轮壳体和舌状插入件的透视截面图；
图3是图2的涡轮壳体和舌状插入件的透视截面图；
图4是具有可选择舌状凹槽的图2的涡轮壳体的透视截面图；
图5是图2的涡轮壳体的透视图，示出为舌状插入件被移除；
图6是图2的涡轮壳体的透视截面图，示出为舌状插入件被移除；
图7是根据本公开的原理的另一个涡轮壳体和舌状插入件的分解透视图；
图8是图7的涡轮壳体和舌状插入件的分解透视截面图；
图9是图7的涡轮壳体的截面图；以及
图10是与涡轮和涡轮轴承壳体组装在一起的图7的涡轮壳体和舌状插入件的透视截面图。
详细描述
现在将参考附图更充分地描述示例性实施方案。应当理解的是，在附图的各个比分中，对应的参考标记表示相同或相应的部分和特征。下面的描述在本质上仅是示例性的，并且不意在限制本公开、应用或用途。
提供了示例实施方案使得本公开对于本领域的技术人员来说将是全面的，并且将完全传达范围。陈述了大量的具体的细节，比如具体的部件以及装置的示例，以提供对本公开的实施方案的全面理解。对本领域技术人员将是明显的是，具体细节不必采用，示例性实施方案可以体现在许多不同的形式中，而且也不应该被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施方案中，没有详细描述公知的过程、公知的装置结构和公知的技术。
本文所用的术语仅是为了描述具体的示例性实施方案的目的，并且不意在限制。如本文所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”可意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指明。术语“包含(comprises，comprising)”、“包括(including)”和“具有(having)”是包容性的，并且因此列举所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或添加。
当元件或层被称为在另一元件或层“上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一元件或层时，它可以直接在另一元件或层上、接合到、连接到或联接到另一元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为直接在另一个元件或层“上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，不存在中间元件或层。用于描述元件之间的关系的其它词语应当以类似的方式解释(例如，“之间”与“直接之间”，“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列项中的一个或多个的任意组合和所有组合。
虽然术语第一、第二、第三等可以在这里用于描述不同的元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受到这些术语的限制。这些术语可仅用于从另一个区域、层或部分区分一个元件、部件、区域、层或部分。术语如“第一”、“第二”以及其它数字术语当在本文使用时，并不意味着序列或顺序，除非上下文明确指出。因此，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施方案的教导。
诸如“内(inner)”、“外(outer)”、“之下(beneath)”、“下方(below)”、“下部的(lower)”、“之上(above)”、“上部的(upper)”的空间相对术语及类似术语在这里可为了便于描述而使用，以描述附图中所示的一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。空间相对术语可以意在包含在使用中或操作中的装置在使用中或操作中的除了附图中描述的定向之外的不同定向。例如，如果附图中的装置被翻转，则描述为在其它元件或特征“之下”、“下方”的元件于是将被定向为在其它元件或特征“之上”。因此，示例性术语“下方”可以包含上方和下方两种定向。该装置可被另外定向(旋转90度或者以其它定向旋转)并且本文使用的空间相对描述符相应地被解释。
参考图1，涡轮增压发动机4的涡轮增压器系统1包括涡轮2，该涡轮2可以布置在内燃发动机4的排气系统5的排气流通道中。涡轮增压器系统1可从热排放气体提取能量并且使用该能量来压缩在压缩机3中被压缩的进气。压缩的进气在行进穿过进气系统11到达进气分配系统，比如进气歧管6之前可在中间冷却器热交换器12中大体上冷却。进气与发动机4中的燃料混合，并且被点燃以产生动力且还生成更热的排放气体以驱动涡轮2。可选择地，发动机系统可包括排放气体再循环(EGR)回路7，该EGR回路7可包括EGR冷却器8和EGR阀9，以对一部分排放气体确定路径、冷却以及测量以与进气系统11中的进气混合进而控制发动机4中的燃烧。
参考图2至图6，涡轮壳体10可在涡轮壳体10的入口界面70处附接到发动机、排气歧管或上游的排气系统。来自涡轮2的排放气体从涡轮壳体出口82排出。涡轮壳体10的出口界面80把涡轮壳体出口气体导管82与下游排气系统(未示出)结合在一起，使得排放气体可以在排气系统的其余部分中(例如，举例来说在排气后处理系统中)适当地处理。涡轮壳体10可容纳涡轮2，该涡轮2可包括叶片的旋转组件，该旋转组件把排放气体中的能量转换成轴功。涡轮2和它的轴位于轴承壳体(未示出)中并且由轴承壳体(未示出)支撑。轴承壳体在涡轮轴承壳体界面90处连接到涡轮壳体10。
涡轮壳体10的功能是从发动机系统引导和指引排放气体，并且以将把排放气体中的一些能量有效地转换成旋转涡轮叶片和轴的动能的方式把排放气体提供给涡轮。涡轮壳体10可包括在涡轮上游的排放气体通道98，该排放气体通道98可把排放气体引导和指引到涡轮。排放气体通道98可包括第一部分100和和第二部分110。排放气体通道98的第一部分100可通过涡轮壳体入口60从发动机或上游排气系统(未示出)接收排放气体。排放气体通道98的该第一部分100可与排放气体通道98的第二部分110近似地相切。第二部分110可以指的是涡形，并且可以是从气体通道98的第一部分100接收排放气体的环形气体通道。第二部分110可把排放气体引导到围绕在其周围的涡轮叶轮。
排放气体可能是非常热的，在现行的客运车辆的柴油发动机中通常达到800℃至900℃且在汽油发动机中达到950℃至1050℃(将来排放气体温度可能甚至更高)。舌状插入件30的舌状部分40可设置在涡轮壳体10中的排放气体通道98的第一部分100和第二部分110的交叉区域处或附近。舌状插入件30在排放气体通道98的第一部分100和第二部分110之间形成间隔，并且受到因高的排放气体温度和气体速度引起的高的对流热交换载荷。
舌状插入件30可接纳在涡轮壳体10中的凹槽或凹部20中。如图2至图4中所示，凹槽20可在入口60处在第一部分100的至少一部分中形成，并且可延伸穿过入口界面70。以这种方式，由与形成涡轮壳体10的其余部分的材料不同的材料来形成舌状插入件30是可能的。这对舌状插入件30而言，允许选择地使用例如更耐高温的材料。还允许舌状插入件30和涡轮壳体10之间的热致机械应力部分的解耦，该部分的解耦提供耐用性益处。此外，舌状插入件30的使用允许空气间隙或隔热空间52在舌状插入件30和涡轮壳体10之间容易地形成。在图2和图3中示出的实施方案中，隔热空间52由形成在舌状插入件30中的凹处或凹部50形成。空气间隙或隔热空间52减少了舌状插入件30和涡轮10之间的热传递。可选择地，如图4中所示，空气间隙或隔热空间52可邻近舌状插入件30由在舌状凹槽20中或在涡轮壳体10中的凹处或凹部53形成。
如图5中所示，舌状凹槽20可包括角部处的相对大的半径54以允许通过加工工艺容易地清洗铸件。舌状凹槽20可使舌状插入件30定位且保持在期望的位置中。在图3中所示的实施方案中，例如，上游排气部件(例如排气歧管或排气管)可抵靠舌状插入件30的外表面56配合以防止舌状插入件30滑出舌状凹槽20。同样，存在沿着舌状插入件30的特征和沿着舌状凹槽20的相应的几何特征，这些几何特征使舌状插入件30在恰当的位置处沿着舌状凹槽20就位。在图4中示出的实施方案中，端部止动定位器25界定舌状插入件30的在舌状凹槽20中的就位位置。端部止动定位器25可以是通过在舌状插入件30的宽度、高度或长度上改变而产生的，界定舌状插入件30的就位位置的任何类似的特征。
在一些涡轮壳体应用中，使用在入口界面70处穿过入口60插入到涡轮壳体10中的涡轮插入件30也许是不可能的或不现实的。这可能是因为，在涡轮壳体10中的气体通道98的第一部分100中几何结构太复杂而不允许舌状插入件30容易地插入，或者如果有其它几何结构限制，比如冷却水套或其它子系统，比如废料门组件。以图2至图6中示出的方式结合舌状插入件30也许是不可能的或不现实的另一个实例是在整体的涡轮歧管(turbo-manifold)的情况。通常，涡轮歧管把排气歧管和涡轮壳体合并成单个部件，并且因此可能无法接近涡轮壳体入口来安装舌状插入件。
参考图7至图10，提供了另一个舌状插入件330，该舌状插入件330可结合到舌状壳体310中。涡轮壳体310可以是例如整体的涡轮歧管。舌状插入件330可包括环332，该环332具有从环332延伸的舌状部分340。舌状插入件330可穿过涡轮轴承界面390插入到涡轮壳体310中。来自上游发动机或排气部件(未示出)的排放气体进入涡轮壳体310的入口458中，并且穿过涡轮壳体310的出口460排出。涡轮壳体310在入口界面370处连接到上游排气传输系统，并且在出口界面380处连接到下游排气系统。
涡轮壳体310是水冷却(或冷却剂冷却)涡轮壳体的示例。冷却剂(例如来自发动机或交通工具冷却系统)可以在涡轮壳体310内遍及整个冷却管道450循环以冷却涡轮壳体310的材料。使用主动式冷却，低成本材料或甚至类似于铝的低密度材料可以在高于同一材料的如果其不被冷却的使用温度的应用温度下使用。冷却剂介质穿过冷却剂入口430进入涡轮壳体310中的冷却管道450，并且穿过冷却剂出口440离开冷却管道450。
在图9和图10中，可以看到，舌状部分340如何把涡轮壳体气体导管398分隔成第一部分400和第二部分410。同样，如图8中所示，可以看到，舌状部分340可安装到形成于涡轮壳体310中的微小的凹部或舌状部分接受器470中。舌状部分接受部470接纳舌状部分340，并且有助于以可旋转的方式定位舌状插入件330。舌状插入件330的轴向和径向/垂直位置由在舌状插入件界面480中的相应的特征固定，该相应的特征可通过加工操作被精加工以确保精确的定位。相对于涡轮壳体310中的舌状插入件330的准确定位的其它可能的自由度通过在涡轮轴承壳体界面390处把涡轮轴承壳体500安装到涡轮壳体310来固定，如图10中所示。涡轮轴承壳体500可凭借V形带夹530保持到涡轮壳体310。涡轮轴承壳体500支撑且定位涡轮轴520。涡轮510在涡轮轴520的一端处固定。
尽管舌状插入件30和非冷却式涡轮壳体一起被示出，以及舌状插入件330和冷却式涡轮壳体一起示出，但应指出的是，将舌状插入件30、330或者和冷却式或非冷却式涡轮壳体一起使用可以是可能的。全部的实施方案允许使用不同于涡轮壳体材料的舌状插入件材料。这里示出的实施方案还可允许舌状插入件和涡轮壳体之间的不同的热膨胀，而没有相应的大的热感应应力，或者因为具有用于舌状插入件的低热膨胀的材料，或者因为舌状插入件的相对布置未对涡轮壳体施加大的载荷或挠度。
虽然所引用的示例和讨论总体上涉及放置在汽车发动机和道路交通工具发动机的排气系统中的涡轮增压器，例如，本文所讨论的一般的概念也适用于其它“涡轮增压器应用”，比如用于船舶和机车的固定式发动机和发动机系统。本公开的原理可在与静止或机动应用的内部或外部燃烧系统相关联的排气系统中使用。
为了说明和描述的目的，已提供了实施方案的前述描述。它不旨在是穷尽的或限制本公开。特定的实施方案的单个元件或特征通常不限于该特定的实施方案，而是在适用时可以互换，并且可在所选的实施方案中使用，即使未具体示出或描述。同样也可以以许多方式变化。这样的变化不应被视为脱离本公开，并且所有这种修改旨在包括在本公开的范围之内。

Claims (12)

1.一种涡轮增压器系统，包括：
涡轮壳体，其包括入口、出口、以及在所述入口和所述出口之间的气体通路，所述气体通路包括涡形部分和近似相切于所述涡形部分延伸的入口部分，所述涡轮壳体由第一材料形成；以及
舌状插入件，其接纳在所述涡轮壳体中的凹槽中，并且至少部分地界定所述涡形部分和所述入口部分，所述舌状插入件由比所述第一材料更耐热的第二材料形成。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述舌状插入件包括凹部，所述凹部界定所述舌状插入件和所述入口部分之间的间隙。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述凹槽包括凹部，所述凹部界定所述舌状插入件和所述入口部分之间的间隙。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述凹槽延伸穿过界定所述涡轮壳体的所述入口的入口界面。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述凹槽包括端部止动定位器，所述端部止动定位器使所述舌状插入件相对于所述涡轮壳体定位。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述舌状插入件通过压配合来接合所述凹槽。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器系统，其中所述涡轮壳体包括形成在其中的冷却剂管路。
8.一种涡轮增压器系统，包括：
涡轮壳体，其包括入口、出口、以及在所述入口和所述出口之间的气体通路，所述气体通路包括涡形部分和近似地相切于所述涡形部分延伸的入口部分，所述涡轮壳体由第一材料形成；以及
舌状插入件，其接纳在所述涡轮壳体中，并且至少部分地界定所述涡形部分和所述入口部分，所述舌状插入件由比所述第一材料更耐热的第二材料形成并且包括环状部分、从所述环状部分延伸的舌状部分。
9.根据权利要求8所述的涡轮增压器系统，其中所述环状部分与布置在所述涡轮壳体内的涡轮的轴同心。
10.根据权利要求8所述的涡轮增压器系统，其中所述环状部分夹在所述涡轮壳体和涡轮轴承壳体之间。
11.根据权利要求8所述的涡轮增压器系统，其中所述舌状部分接纳在所述涡轮壳体中的凹处中。
12.根据权利要求8所述的涡轮增压器系统，其中所述涡轮壳体包括形成在其中的冷却剂管路。
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