CN111197503A - 涡轮增压器的插入件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于涡轮增压器（10），特别是径向涡轮增压器的插入件（1），该涡轮增压器具有涡轮壳体（20），该涡轮壳体完全围封可旋转地布置在涡轮壳体（20）中的涡轮叶轮（21），其中，爆裂保护装置（1）在涡轮壳体内壁（22）上沿周向方向围绕中心轴线（A）环形地布置，以便至少部分地围绕涡轮叶轮（21）接合，其中，爆裂保护装置（1）包括至少一个第一凹部/中空空间（2），其中，爆裂保护装置（1）中的该凹部/中空空间（2）被形成为使得在涡轮叶轮（21）爆裂时其碎片的动能由于凹部/中空空间（2）的塑性变形而被爆裂保护装置（1）吸收，并且为此目的，第一凹部/中空空间（2）在涡轮壳体（20）的方向上单侧地敞开。

Description

涡轮增压器的插入件
技术领域
本发明涉及作为用于涡轮增压器、特别是径向涡轮增压器的爆裂保护装置的插入件，该插入件具有完全围封涡轮叶轮的涡轮壳体，涡轮叶轮可旋转地布置在涡轮壳体中。当前已知的高性能涡轮机，诸如例如增压内燃机的废气涡轮增压器，在涡轮增压器的旋转部件发生技术失效的情况下对其周围环境构成高风险。特别是当在涡轮增压器的紧邻附近可能会有人存在的情形中操作时，必须确保在发生失效的情况下，即在爆裂期间，所有部件都被安全地且完全拦截，且不会伤害任何人。
背景技术
为了防止碎片撞击穿过涡轮增压器的外壁并且因此防止危及人身安全或损坏相邻的机器部件，涡轮增压器过去在涡轮叶轮径向外侧区域中在涡轮壳体中设置有相对厚的壁。然而，这些解决方案具有许多缺点，诸如例如，壳体的显著额外重量以及由于这种涡轮壳体可铸性较差而形成气孔的风险。此外，以这种方式加厚的壳体以不同方式升温，这可能会导致热裂纹。
从DE 42 23 496 A1已知一种用于降低以高速旋转的机器的爆裂部件动能的装置。布置在轴向涡轮内部中的该装置包括多个互连的保护环，在这些保护环中每个之间形成由延展性材料制成的破裂（crumbling）区。然而，这种解决方案不适用于径向涡轮，因为由于它们的径向气体入口，在涡轮的径向区域中不能采用爆裂保护装置。
从公开US 4,875,837 A中已知一种多层爆裂保护件，利用该多层爆裂保护件，绝热材料被引入到铁板中，并且与涡轮壳体间隔开的该绝热材料附接到涡轮壳体的螺旋部件。然而，如下情况是不利：在该文献中描述的这种爆裂保护件仅围封壳体的螺旋部件的120°角范围并且因此被设计成部分地敞开。
从公开DE 196 40 654 A1已知另一爆裂保护件，其被设置在用于涡轮增压器的径向涡轮的入口壳体外部，其被形成为螺旋金属片护罩，并且通过多个螺钉而被可拆卸地连接到气体入口壳体。
此外，已知这样的解决方案，其中弯曲金属板被布置为围绕螺旋件的爆裂保护件，然而，为了降低生产成本，弯曲金属板被形成为在设计上简单，但是，然而弯曲金属板仅具有有限的强度和刚度，并且关于操作期间发生的对自然频率的反应的表现，弯曲金属板的表现也是不利的。
发明内容
因此，本发明的目的是避免所述缺点，并为涡轮增压器的径向涡轮创造易于生产且安全的改善的爆裂保护装置，并且由此进一步改善涡轮增压器的安全性。
该目的通过根据专利权利要求1的特征组合来解决。
根据本发明，因此提出了一种作为用于涡轮增压器、特别是径向涡轮增压器的爆裂保护装置的插入件，所述涡轮增压器具有涡轮壳体，所述涡轮壳体完全围封涡轮叶轮，所述涡轮叶轮可旋转地布置在涡轮壳体中。爆裂保护装置在涡轮壳体内壁上沿周向方向围绕中心轴线环形地布置，以便至少部分地围绕涡轮叶轮接合。这里，爆裂保护装置包括至少一个第一凹部/中空空间。该凹部/中空空间被形成在爆裂保护装置中，使得在涡轮叶轮爆裂时其碎片的动能被爆裂保护装置吸收，因为爆裂保护装置向凹部中或向中空空间中发生塑性变形。为此目的，第一凹部在涡轮壳体的方向上单侧地敞开。
由于转子附近的爆裂保护装置的负载适当（load-appropriate）的设计，转子部件的动能可以已经在初始失效、特别是转子部件的爆裂的发生期间被消除，这是通过直接在至少一个凹部/中空空间的区域中的针对性变形和将说发生的力引导至在失效时不会产生对附近人员造成伤害的风险的结构中来实现的。这里，中空空间是在爆裂保护装置的内部中的空的或填充有介质的所围封出的中空空间。假设直到爆裂保护装置的预期局部失效的针对性变形是负载适当的，从而避免了在其他结构区域上的意外负载分布。由于借助于至少一个凹部/中空空间的爆裂保护装置的刚度的针对性匹配，在发生失效的情况下，可以已经在燃气涡轮机的内部中消除最大的旋转能量。凹部的几何配置对于吸收动能和对于爆裂保护装置的变形是决定性的。由于至少第一凹部在涡轮壳体的方向上是敞开的，有利于能量吸收的效果，因为以这种方式作用在涡轮壳体方向上的力初始地导致爆裂保护装置的变形，并且在力被传递到涡轮壳体之前，这些力的部分被引导到其他结构。
在有利的实施例变型中，所设置的是，至少一个第一凹部/中空空间以通道的方式径向地完全穿过爆裂保护装置。在这里，有利的是，由此在涡轮叶轮爆裂时，在爆裂保护装置的整个径向周边上提供用于吸收涡轮叶轮的碎片的动能的凹部。
爆裂保护装置优选地被形成为单件。这简化了对刚度和变形的取向的针对性适应，因为不必考虑由于多部件的爆裂保护装置而导致的另外的边界条件。因此有利于能量吸收和力的传递。
在本发明的示例性实施例中，所设置的是，涡轮壳体内壁包括涡轮壳体凹部，该凹部部分地或完全地径向地穿过涡轮壳体，并且在爆裂保护装置的方向上单侧地敞开。这种设置的优点在于，借助于涡轮壳体凹部形成了一区域，该区域为接收爆裂保护装置的变形区域提供了可用的空间。因此，爆裂保护装置初始地在涡轮壳体凹部的方向上变形，并且在该过程中，在爆裂涡轮叶轮部件的动能的大部分直接进一步传递到涡轮壳体中之前吸收该动能。
更有利的是下面这样的实施例，其中爆裂保护装置具有第二凹部，该第二凹部与第一凹部分离并间隔开，以通道的方式部分地或完全地径向地穿过爆裂保护装置，并且在涡轮壳体的方向上单侧地敞开。另外的凹部/中空空间关于爆裂保护装置的变形和动能的吸收优化了爆裂保护装置。
优选地，爆裂保护装置被设计成使得凹部/中空空间在径向方向上布置成位于与涡轮壳体凹部相对。由于凹部/中空空间的这种布置，有利于爆裂保护装置在涡轮壳体凹部的方向上的变形。
在另外的有利的变型中，根据本发明，所设置的是，在第一和第二凹部/中空空间之间，爆裂保护装置具有沿径向方向延伸的突出部，该突出部优选地安置成以其面端抵靠涡轮壳体内壁。这里有利的是，在无故障操作期间，突出部通过抵靠涡轮壳体内壁安置而将爆裂保护装置固定以防止径向方向上的位置变化。在邻接涡轮壳体凹部的区域中，突出部抵靠涡轮壳体安置。这导致在由于爆裂涡轮叶轮而使爆裂保护装置变形期间突出部变形到涡轮壳体凹部中，结果是，爆裂涡轮叶轮部件的动能的大部分初始地被转化成爆裂保护装置的变形能量，而不是经由突出部将所有能量直接引导到涡轮壳体。
根据本发明的爆裂保护装置在实施例变型中被形成为使得至少一个凹部/中空空间具有填充物，以用于在涡轮叶轮爆裂时吸收涡轮叶轮的碎片的动能的至少一部分。这里有利的是，填充物包括可塑性变形的材料，这进一步优化了由爆裂保护装置进行的能量吸收。
此外，有利的情况是，径向地指向内部的爆裂保护装置的内壁在一侧上形成废气入口并且爆裂保护装置在截面方向上被形成为漏斗状。
在爆裂保护装置的进一步发展中，此外所设置的是，爆裂保护装置的内壁与涡轮叶轮形成流动通路。在有利的实施例中，爆裂保护装置的端部部分在流动通路的出口处抵靠涡轮壳体内壁安置，使得被形成在突出部与端部部分之间的第一凹部/中空空间的开口被完全布置在涡轮壳体内壁上。
优选的示例性实施例所设置的是，爆裂保护装置借助于紧固机构而被可拆卸地固定在涡轮壳体上。
本发明的另外的方面涉及一种燃气涡轮机、特别是燃气径向涡轮机，其具有涡轮壳体以及被集成在其中的前文描述的爆裂保护装置，该涡轮壳体包括可旋转地布置在涡轮壳体中的涡轮叶轮。
附图说明
本发明的其他有利的进一步发展在从属权利要求中表征，或者通过附图以及本发明优选实施例的描述更详细地呈现。附图示出了:
图1是用于燃气涡轮机的爆裂保护装置的示例性实施例的透视局部剖视图。
具体实施方式
在下文中，通过示例性实施例参照图1描述本发明，在附图中，相同的附图标记表示相同的结构和/或功能特征。
在图1中，示出了用于燃气涡轮机10的爆裂保护装置1的示例性实施例的透视局部剖视图。
所示出的燃气涡轮机10包括爆裂保护装置1和涡轮壳体20，涡轮壳体20包括可旋转地布置的涡轮叶轮21，并完全围封涡轮叶轮21。此外，在该示例性实施例中，被形成为单件的爆裂保护装置1围绕中心轴线A布置成抵靠涡轮壳体内壁22安置，并且围绕涡轮叶轮21几乎完全接合。涡轮壳体内壁22包括涡轮壳体凹部23，该凹部23在爆裂保护装置1的方向上单侧地敞开。
爆裂保护装置1包括第一凹部2和与第一凹部2分开并间隔开的第二凹部3。爆裂保护装置1中的两个凹部2、3被设计成使得在涡轮叶轮爆裂时涡轮叶轮21的碎片的动能由于爆裂保护装置1的材料的塑性变形而通过爆裂保护装置1被吸收在凹部2、3中。为此目的，第一凹部2和第二凹部3在涡轮壳体20的方向上单侧地敞开。除此之外，第二凹部3在径向方向上布置成位于与涡轮壳体凹部23相对。
此外，爆裂保护装置1包括在第一凹部2和第二凹部3之间的沿径向方向延伸的突出部4。该突出部4以其面端直接抵靠涡轮壳体内壁22安置。
爆裂保护装置1的两个凹部2、3都具有填充物5，以用于在涡轮叶轮21爆裂时吸收其碎片的动能的至少一部分。流动通路8的出口、即爆裂保护装置1的端部部分直接抵靠涡轮壳体内壁22安置。因此，被形成在突出部4与端部部分之间的第一凹部2的开口完全布置在涡轮壳体内壁22上。
径向地指向内部的爆裂保护装置1的内壁7单侧地形成排气馈送部6。除此之外，爆裂保护装置1在截面方向上是漏斗状的，并且爆裂保护装置1的内壁7与涡轮叶轮21形成流动通路8。
爆裂保护装置1借助于紧固机构9而被可拆卸地固定到涡轮壳体20。
在本发明的实施例中，本发明不局限于上文陈述的优选示例性实施例。甚至对于基本不同类型的实施例，也相当可以想到利用所示出解决方案的许多变型。

Claims (13)

1.一种用于涡轮增压器（10）、特别是径向涡轮增压器的插入件（1），所述涡轮增压器具有涡轮壳体（20），所述涡轮壳体完全围封可旋转地布置在所述涡轮壳体（20）中的涡轮叶轮（21），其中，所述爆裂保护装置（1）在涡轮壳体内壁（22）上沿周向方向围绕中心轴线（A）环形地布置，以便至少部分地围绕所述涡轮叶轮（21）接合，其中，所述爆裂保护装置（1）包括至少一个凹部/中空空间（2），其中，所述爆裂保护装置（1）中的所述凹部/中空空间（2）被形成为使得在所述涡轮叶轮（21）爆裂时，所述涡轮叶轮的碎片的动能由于所述凹部/中空空间（2）的塑性变形而被所述爆裂保护装置（1）吸收，并且为此目的，所述第一凹部/中空空间（2）在所述涡轮壳体（20）的方向上单侧地敞开。
2.根据权利要求1所述的插入件（1），其特征在于，所述至少一个第一凹部/中空空间（2）部分地或完全地呈通道状径向地穿过所述爆裂保护装置（1）。
3.根据权利要求1或2所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）被形成为单件或多个部件。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述涡轮壳体内壁（22）包括涡轮壳体凹部（23），所述涡轮壳体凹部部分地或完全地径向地穿过所述涡轮壳体（20），并且在所述爆裂保护装置（1）的方向上单侧地敞开。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）包括与所述第一凹部/中空空间（2）分离并间隔开的另外的凹部/中空空间（3），所述另外的凹部/中空空间部分地或完全地呈通道状径向地穿过所述爆裂保护装置（1），并且在所述涡轮壳体（20）的方向上单侧地敞开。
6.根据权利要求5所述的插入件（1），其特征在于，所述第二凹部/中空空间（3）在径向方向上布置成位于与所述涡轮壳体凹部（23）相对。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）在所述第一和第二凹部/中空空间（2、3）之间包括沿径向方向延伸的突出部（4），所述突出部优选地安置成以其面端抵靠所述涡轮壳体内壁（22）。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的插入件（1），其特征在于，至少一个凹部/中空空间（2、3）包括填充物（5），以用于在所述涡轮叶轮（21）爆裂时吸收所述涡轮叶轮的碎片的动能的至少一部分。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的插入件（1），其特征在于，径向地指向内部的所述爆裂保护装置（1）的内壁（7）在一侧上形成排气馈送部（6），并且所述爆裂保护装置（1）在截面方向上被形成为漏斗状。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）的内壁（7）与所述涡轮叶轮（21）形成流动通路（8）。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）的端部部分在所述流动通路（8）的出口处抵靠所述涡轮壳体内壁（22）安置，使得被形成在所述突出部（4）与所述端部部分之间的所述第一凹部/中空空间（2）的开口被完全布置在所述涡轮壳体内壁（22）上。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的插入件（1），其特征在于，所述爆裂保护装置（1）借助于紧固机构（9）而被可拆卸地固定到所述涡轮壳体（20）。
13.一种燃气涡轮机（10）、特别是燃气径向涡轮机，所述燃气涡轮机具有涡轮壳体（20）以及根据权利要求1至12中任一项所述的爆裂保护装置（1），所述涡轮壳体包括可旋转地布置在所述涡轮壳体（20）中的涡轮叶轮（21）。
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