CN111502783A - 涡轮增压器系统 - Google Patents

Abstract

提供了一种涡轮增压器及用于径向涡轮增压器的各种方法和系统。在一实施例中，涡轮增压器包括：涡轮壳体和压缩机壳体，所述涡轮壳体容纳涡轮叶轮，所述压缩机壳体容纳压缩机叶轮，所述涡轮壳体包括集成到涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴；轴承壳体，其围绕连接涡轮叶轮和压缩机叶轮的轴，并布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间；多个长螺栓，其围绕涡轮壳体的周缘布置；以及多个狭槽，其围绕涡轮壳体的周缘布置，每个狭槽的狭槽长度沿径向方向延伸并且适于容纳具有小于所述狭槽长度的直径的定位销，其中每个定位销通过相应的狭槽将轴承壳体耦接到涡轮壳体。

Description

涡轮增压器系统

技术领域

本文公开的主题的实施方式涉及一种可以在发动机系统中使用的较大框架的径向涡轮增压器。

背景技术

发动机系统，诸如机车的发动机系统，可以配备有涡轮增压器，其可以允许发动机在一些发动机运行参数(engine operating parameters)的过程中接收增压空气，以提高功率输出(power output)和燃料效率。涡轮增压器可以配备有各种特征(feature)，以管控由热排气(thermal exhaust gases)引起的热应力，以在涡轮叶轮劣化(例如爆裂)事件中管控封闭(containment)，以支撑涡轮增压器的轴(shaft)，并且以使涡轮增压器的所有部件彼此耦接。

基于涡轮增压器的尺寸，某些涡轮可以配备有隔热罩和其它特征，以减缓从涡轮到轴承壳体或压缩机的热传递。例如，较大框架的涡轮增压器可以包括在涡轮增压器的涡轮周围的隔热罩和/或附加的封闭罩。

发明内容

在一实施方式中，一种涡轮增压器包括：涡轮壳体和压缩机壳体，所述涡轮壳体容纳涡轮叶轮，所述压缩机壳体容纳压缩机叶轮，所述涡轮壳体包括集成到涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴；轴承壳体，其围绕连接涡轮叶轮和压缩机叶轮的轴，并布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间；以及多个螺栓或其它紧固件，其围绕涡轮壳体的周缘布置，所述多个螺栓中的每个螺栓平行于轴延伸并从轴承壳体的压缩机端的外面(outer face)延伸穿过轴承壳体并进入涡轮壳体。

附图说明

图1示出了根据一实施方式的具有包括涡轮增压器装置的发动机的车辆的示意图。

图2A示出了涡轮增压器装置的剖视图。

图2B示出了涡轮增压器装置的又一剖视图。

图3示出了包括多个槽口销和狭槽的涡轮壳体。

图4示出了涡轮增压器装置的另一剖视图。

图5示出了涡轮增压器装置的水套的详细视图。

图2A-5大致按比例示出。

具体实施方式

以下描述涉及一种径向涡轮增压器的实施例，该径向涡轮增压器包括：容纳涡轮叶轮的涡轮壳体和容纳压缩机叶轮的压缩机壳体。涡轮壳体可以进一步配备有集成到涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴(vaneless turbine nozzle)，使得涡轮喷嘴可以与涡轮壳体的其余部分一起模制而成一体。轴承壳体可布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间且布置为与涡轮壳体和压缩机壳体中的每一个共面接触，其中，轴承壳体可围绕连接涡轮叶轮和压缩机叶轮的轴。

水套可以布置在轴承壳体中，使得轴承壳体水冷却。水套可以包括围绕一部分轴的环形部分和多个延伸部分，每个延伸部分相对于轴从环形部分向外延伸，并且与多个延伸部分中的相邻延伸部分间隔开，其中延伸部分的外端与轴承壳体的外表面间隔开，以构建用于将轴承壳体耦接至涡轮壳体的外凸缘的支撑区域。

可围绕涡轮壳体的周缘布置多个螺栓或其它紧固件，其中多个长螺栓(或其它紧固件)中的每个长螺栓(或其它紧固件)可从轴承壳体的压缩机端的外面(outer face)平行于轴延伸穿过轴承壳体进入涡轮壳体。在一实施例中，如下文详述，螺栓或其它紧固件可以相对于在涡轮增压器的先前实施例中使用的螺栓(或其它紧固件)的长度被认为是长螺栓(或其它紧固件)。多个螺栓(或其它紧固件)可以邻近在水套的多个延伸部分之间形成的凹部。换句话说，多个螺栓(或其它紧固件)中的每个螺栓(或其它紧固件)可以定位于多个延伸部分中不同对的相邻延伸部分之间。由于长螺栓(或其它紧固件)能够响应于应力而挠曲，长螺栓(或其它紧固件)可增加涡轮增压器接头的顺应性(compliance)，这可在制造过程中维持预负载设定(maintain a pre-load set)。其它紧固件的实施例包括螺杆、螺钉、细长销等。一方面，涡轮增压器具体地包括如上文/本文中所述的螺栓，作为紧固件，来作为牢固且可易致动的紧固件。

为了进一步解决涡轮的热负荷，径向涡轮增压器可包括围绕涡轮壳体的周缘布置的多个狭槽。每个狭槽的狭槽长度可以在径向方向上延伸并且适于容纳定位销(dowelpin)和/或槽口销(rabbet pin)，使得每个定位销可以将轴承壳体耦接到涡轮壳体。定位销和狭槽可以对称布置，使得多个狭槽包括两组狭槽，每组狭槽包括相对于涡轮增压器的中心轴线彼此间隔180度布置的两个狭槽。一对狭槽的狭槽长度可以在相同方向上定向，使得一对狭槽中的狭槽的长轴线平行。第一对狭槽中的狭槽可以垂直于第二对狭槽布置。狭槽的分布可以在涡轮壳体变热(由于涡轮壳体和轴承壳体之间具有相对大的温度梯度)时允许涡轮壳体在径向上扩大(grow)，同时狭槽的分布限制了涡轮壳体在槽口配合件(rabbetfit)上垂直于径向方向的平移运动。因此，由于在垂直于径向方向的方向上相对运动减少了，并且由于在径向方向上顺应性提高了，所以可以减少磨损。

为了解决由于热排气而在涡轮增压器中引起的热应力，涡轮增压器可以配备有隔热罩。然而，隔热罩可能增加包装限制，并且可能难以制造在涡轮增压器中。另外，隔热罩可能与涡轮和轴承壳体之间的接头或相应的螺栓接头不期望地相互作用。例如，隔热罩可削弱涡轮增压器的接头与相应部件之间的耦接。由于降低的热传递，较小的涡轮增压器可能没有隔热罩。另外，由于与较大的涡轮增压器相比，较小的涡轮增压器的总体尺寸也较小，因此施加在较小的涡轮增压器的各种支撑特征上的力的应力(force stresses)可能以较小的程度发生，从而呈现较少的问题。

在一实施例中，较大框架的涡轮增压器可以包括大于150mm的涡轮叶轮。在另一实施方式中，较大框架的涡轮增压器可以包括大于200mm的涡轮叶轮。如基于下面的描述将变得更加明显的，较大的涡轮增压器可以没有隔热罩，同时保持期望的结构完整性和热梯度。

本文描述的方法可以在多种发动机类型和多种发动机驱动的系统中采用。这些系统中的某些系统可能是固定的，而其它系统可能是位于半移动或移动平台上。半移动平台可以在操作时间段之间进行重新定位，例如安装在平板拖车上。移动平台包括自行式车辆。这种车辆可以包括路上运输车辆以及采矿设备、轮船、轨道车辆和其它非公路车辆(OHV)。为了说明清楚，提供机车作为移动平台的例子，该移动平台支撑包括本发明的实施方式的系统。

图1-图5示出了各个组件相对位置的示例构造。如果被示出为彼此直接接触或直接耦接，则至少在一实施例中，可以分别将这样的元件称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一实施例中，示出为彼此邻接或相邻的元件可以分别彼此邻接或相邻。作为示例，放置成彼此共面接触的组件可被称为成共面接触。作为另一个例子，在至少一个实施例中，被定位成彼此隔开仅在其之间具有空间而没有其它组件的元件可以被如此称之。作为又一实施例，被示为在彼此上方/下方、在彼此的相对侧，或在彼此的左边/右边的元件可以相对于彼此被如此称之。进一步地，在至少一个实施例中，如图中所示，最高的元件或元件的点可称为组件的“顶部”，而最低的元件或元件的点可称为组件的“底部”。如本文所使用的，顶部/底部，上/下，上方/下方均可以相对于附图的垂直轴线，并且用于描述附图中的元件相对于彼此的定位。这样，在一实施例中，被示为在其它元件上方的元件被垂直地定位于其它元件的上方。作为又一实施例，附图中所描绘的元件的形状可以被称为具有那些形状，例如，诸如为圆形的、直的、平面的、弯曲的、倒圆的、倒角的、成角度的等)。进一步地，在至少一个实施例中，被示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一实施例中，被示出为在另一个元件内或在另一个元件外的元件可以被如此称之。

在进一步讨论涡轮增压器壳体实施例之前，示出了可以安装涡轮增压器的平台。图1示出了车辆系统100(例如机车系统)的实施例的框图，在本文中将其描述为车辆106。所示的车辆是轨道车辆，例如，机车，其配置为通过多个车轮112在轨道102上行驶。如所示的，车辆包括具有发动机104的发动机系统。

发动机从进气通道114接收用于燃烧的进气。进气通道从空气滤清器(未示出)接收环境空气，空气滤清器过滤来自车辆外部的空气。将由发动机中的燃烧产生的排气供应至排气通道116。排气流经排气通道，并从车辆的排气管(exhaust stack)流出。

发动机系统包括布置在进气通道和排气通道之间的涡轮增压器120(“TURBO”)。涡轮增压器增加吸入到进气通道中的环境空气的压力，以便在燃烧过程中提供更大的炉料密度(charge density)，从而增加动力输出(power output)和/或发动机运行效率。涡轮增压器可以包括压缩机(图1中未示出)，该压缩机至少部分地由涡轮(图1中未示出)驱动。尽管在这一示例中，示出了单个涡轮增压器，但其它系统可以包括多个涡轮和/或压缩机级。在一实施例中，涡轮增压器120可以是径向涡轮增压器，其直径大于阈值(例如，200mm)，并且可以用于固定应用中。参照图2更详细地描述涡轮增压器。

在一些实施方式中，发动机系统可包括耦接在涡轮增压器上游或下游的排气通道中的排气处理系统。在具有柴油发动机的一示例实施方式中，排气处理系统可包括柴油氧化催化器(DOC)和柴油颗粒过滤器(DPF)。在其它实施方式中，排气处理系统可附加地或可选地包括一个或多个排放物控制装置。此类排放物控制装置可能包括选择性催化还原(SCR)催化剂、三效催化剂、NOx收集器以及过滤器或其它系统和装置。

控制器148可用于控制与车辆系统有关的各种组件。在一实施例中，控制器包括计算机控制系统。控制器还包括计算机可读存储介质(未示出)，该计算机可读存储介质包括用于实现车载监视和控制轨道车辆运行的代码。控制器在监督车辆系统的控制和管理的同时，可以接收来自各种传感器150的信号，如在本文中进一步阐述的，以确定运行参数和运行条件，并相应地调节各种发动机致动器152来控制车辆的运行。例如，控制器可以接收来自各种发动机传感器的信号，包括但不限于发动机速度、发动机负载、增压压力、排气压力、环境压力、排气温度等。相应地，控制器可以通过将命令发送到各种组件，例如，牵引电机、交流发电机、汽缸阀、节流阀等来控制车辆系统的各个方面和运行。

现在转向图2A，其示出了涡轮增压器200的局部剖视图。在一些实施方式中，该涡轮增压器可与图1的涡轮增压器120类似地使用，并且可以作为涡轮增压器120而被包含在图1的系统中。在一实施例中，涡轮增压器200是径向涡轮增压器。涡轮增压器可以包括涡轮202和压缩机212，涡轮202包括容纳涡轮叶轮204的涡轮壳体256，压缩机212包括容纳压缩机叶轮214的压缩机壳体213。涡轮叶轮204可通过轴222机械地，例如，旋转地，耦接到压缩机叶轮214，轴222平行于涡轮增压器的中心轴线299延伸。排气可通过涡轮入口206(例如，经由涡旋部(volute))，进入涡轮，并通过涡轮出口208离开涡轮。在离开涡轮壳体之前，排气可使涡轮叶轮旋转，其能量可沿着轴传递而被传递到压缩机叶轮。压缩机叶轮可压缩经由压缩机入口218、扩压器和涡旋部而进入压缩机的进气，使得压缩后的空气经由压缩机出口216离开压缩机。

在图2A的实施例中，涡轮是较大框架的涡轮，例如，相对于较小框架的涡轮。在一实施例中，涡轮叶轮可包括等于或大于150mm的直径。

涡轮叶轮可在相对于并垂直于中心轴线的径向方向上径向延伸跨越(across)涡轮壳体至喷嘴207，该喷嘴形成在涡轮壳体中，作为从涡旋部到涡轮叶轮的出口。另外，涡轮叶轮可在轴向方向上沿着中心轴线向内延伸过(past)涡轮壳体中的涡轮喷嘴。涡轮喷嘴可以是无叶片的，例如，不包括叶片，并且涡轮喷嘴与涡轮壳体的其余部分一起模制而成一体，或以其它方式形成，例如，通过诸如金属激光烧结等增材制造技术。这样，涡轮喷嘴可以与涡轮壳体的其余部分集成在一起，使得涡轮喷嘴为涡轮壳体的组成部分。在一些实施例中，涡轮壳体可以由硅钼铁合金组成。

较大框架的涡轮增压器的先前实施例的共同特征可以包括隔热罩，该隔热罩可以定形和/或构造成减缓从涡轮到轴承壳体的热传递。可以设置隔热罩的一个位置为在涡轮叶轮后面，在该叶轮和轴承壳体之间。隔热罩在较大的涡轮叶轮上很常见，这是由于相对于较小的涡轮，从涡轮到轴承壳体的热传递量较大。

较大的涡轮通常还可以配备有叶片以压缩和引导排气流，而不是仅仅依靠涡旋部来加速排气流并使排气流打旋进入涡轮，带叶片的喷嘴特别是在设计工况以外的操作下可提高涡轮效率，并对于排气高膨胀比应用(for exhaust high-expansion application)可减小涡旋部尺寸。但是，带叶片的喷嘴可能需要耦接到涡轮壳体的喷嘴环。因此，涡轮壳体和轴承壳体之间的接头可能更复杂并且经受劣化。另外，叶片可增加涡轮的包装尺寸(packaging size)，这可减少用于涡轮的可行冷却配件(options)的数量。然而，如将在本文中描述的，省略叶片可以允许涡轮布置为更靠近在涡轮和压缩机之间布置的冷却套，冷却套进一步配置为冷却除涡轮之外的其它组件，以提高涡轮增压器的寿命和耐用性。

图2A的涡轮增压器没有叶片和隔热罩。如在本文中将显而易见的，通过将涡轮构造为无叶片涡轮，使得可以省略涡轮隔热罩。通过这样做，涡轮喷嘴可以与涡轮壳体的其余部分集成为一体，这可以降低包装限制并且可以避免由于在涡轮中布置叶片而存在的其它制约。此外，如下文进一步所述，这种集成可以允许增强对涡轮壳体的支撑和提高冷却。

涡轮增压器可以包括布置在轴承壳体254中的轴承224。轴承可以定形为允许轴延伸穿过其中。轴承可以进一步定形为周向围绕轴的至少一部分。润滑剂可能会流入轴承中，从而使轴在旋转时得到润滑，由此减少轴所遭受的机械磨损。在一实施例中，轴承是盒式轴颈轴承，其可以包括锥形垫(tapered pad)和/或三负荷(tri-load)构造。本文中，该轴承被称为轴颈轴承。

涡轮增压器可进一步包括布置在轴承壳体中的推力轴承226，该推力轴承在轴的邻近压缩机叶轮布置的一端处。因此，推力轴承可以沿着中心轴线布置在轴颈轴承和压缩机叶轮之间。推力轴承可以定形为支撑轴向负载，同时还向轴和压缩机叶轮之间的界面提供润滑。推力轴承可以布置在轴颈轴承的外侧，邻近轴承壳体的压缩机端，例如，相比而言更靠近压缩机壳体而非涡轮壳体。在一些实施例中，推力轴承可以至少部分地围绕一部分的轴颈轴承。

如图2A所示，轴承壳体布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间。更具体地，轴承壳体可以与涡轮壳体和压缩机壳体中的每一个共面接触。轴承壳体围绕连接涡轮叶轮和压缩机叶轮的轴。轴承壳体可以是水冷式轴承壳体，如图2A所示，其包括至少部分地围绕轴的水套240，其中，水套包括多个延伸部分242，多个延伸部分242相对于轴和/或涡轮增压器的中心轴线从环形部分244径向向外延伸。延伸部分如图5所示可以围绕环形部分的周缘彼此间隔开，下文将会进一步描述。延伸部分可以与轴承壳体的外表面间隔开，从而可以产生轴承壳体的外加材料(extra material)来支撑涡轮壳体和涡轮增压器的其它材料，例如图4中的附加材料420。

水套可偏向涡轮壳体，同时布置在轴承壳体中。换句话说，水套布置在轴承壳体内，相比之下更靠近涡轮壳体而非压缩机壳体。在一实施例中，水套中最靠近涡轮的部分在涡轮叶轮与轴颈轴承之间的区域内延伸到轴承壳体的沿轴线298对准的区域中，其中该轴线298垂直于中心轴线。这可以实现的，这是由于涡轮是无叶片的并且没有涡轮喷嘴环，例如，涡轮喷嘴通过涡轮壳体的壁而一体地形成在涡轮壳体中。更具体地，包括涡轮叶片的涡轮喷嘴可耦接到，例如，夹紧到涡轮-轴承壳体的接头和/或凸缘接口，这可导致涡轮的包装尺寸增加以及从水套提供到涡轮壳体的冷却效果降低。在图2A的实施例中，水套邻近涡轮壳体布置，这是因为涡轮喷嘴与涡轮壳体一体形成(而因此没有喷嘴环)，并且因为涡轮没有隔热罩。由于通过彼此耦接的(通过水套)水冷的轴承壳体和无冷却的涡轮壳体所产生的涡轮壳体和轴承壳体之间较大的热梯度，在涡轮壳体-轴承壳体的接头(例如，涡轮壳体-轴承壳体彼此耦接的地方)中的零件之间可能会发生打滑。但是，通过减少该接头处的零件数量，如在图2A所示的涡轮增压器中所做的那样，通过没有喷嘴环和隔热罩(除了涡轮壳体和轴承壳体之外的零件)，减少了零件之间的打滑接口的数量。

如在图2A的实施方式中所示，并且如将参照图3及其相应描述更详细地描述的，涡轮增压器可包括槽口销230和/或定位销230。通过相应的狭槽，槽口销可以将涡轮壳体耦接到轴承壳体，同时允许涡轮壳体沿期望的方向膨胀(例如由于热膨胀)。更具体地，槽口销可以将槽口配合件(dowel fit)232补加(supplement)到涡轮壳体，如下文所述。

现在转到图2B，其示出了涡轮增压器200的一部分的剖视图250。图2B的剖视图与图2A的剖视图之间的不同之处可在于：显示出了螺栓252，例如，图2B的视图是在与图2A的视图不同的横截面处截取的。

相对于先前使用的螺栓，螺栓可以为加长的。由于包装限制和/或期望对涡轮壳体进行可变的时钟控制(clocking)，先前实施例的螺栓可以较短。可以对图2B的实施例中的螺栓进行加长，以从轴承壳体的压缩机凸缘侧延伸到涡轮壳体中。这可以实现，这是由于涡轮是无叶片的，并且轴承壳体和水套(例如，图2A中的水套240)的设计为螺栓提供了包装空间(package space)。

所述螺栓可以足够长，以从所述轴承壳体的第一端的外面沿中心轴线的方向延伸穿过整个轴承壳体，而到达轴承壳体的第二端，并进入涡轮壳体，其中，所述第一端耦接到压缩机壳体。轴承壳体的第一端的外面包括凹部，用于容纳螺栓的头部并且定位成抵靠着压缩机壳体。与先前的实施例相比，可以对螺栓进行加长，从而提高了对螺栓接头(boltedjoint)的顺应性。通过提高长螺栓接头的顺应性，涡轮增压器可能对拉伸的变化不太敏感并保持预负载。

现在转到图3，其示出了实施方式300，实施方式300示出了用于涡轮壳体256的插有销的槽口配合件。在一个实施例中，用于接合涡轮壳体的多个槽口销310和/或定位销中的每一个可以类似于图2A中的槽口销230。

轴系统390可以包括三个轴，即，平行于水平方向的x轴，平行于竖直方向的y轴，以及垂直于x轴和y轴中的每一个的z轴。涡轮壳体的径向方向可以位于沿x轴和y轴形成的平面内。轴，例如，图2A中的轴222，可以平行于z轴和中心轴线299。

每个槽口销可以布置在槽口配合件232的多个狭槽312中的对应狭槽中。槽口配合件可以包括环形，使得轴或其它涡轮增压器组件可以延伸穿过布置在槽口配合件中的开口而进入涡轮。在一实施例中，冷却套的一部分可延伸穿过槽口配合件的开口，从而增加冷却套到涡轮的接近度并由此增加冷却套对涡轮的冷却。

第一槽口销310A可以接合第一狭槽312A。第二槽口销310B可以接合第二狭槽312B。第三槽口销310C可接合第三槽口312C。第四槽口销310D可以接合第四狭槽312D。每个槽口销和狭槽可以具有类似的形状和尺寸。在一些实施方式中，附加地或可选地，一个或多个槽口销和相应的狭槽可以基于期望的涡轮壳体的膨胀形状而具有不同形状。

槽口销和狭槽可定形为允许槽口销沿相应的狭槽的长轴线399移动，其中，长轴线平行于x-y平面中的径向方向398。径向方向仅仅是多个径向方向中的一个径向方向的实施例。然而，槽口销的布置在狭槽的平面之外的部分可以具有与相应狭槽的直径基本相等的直径，从而可以阻止垂直于长轴线的运动，使得直径在彼此的5％以内或更小(thediameters are within 5％or less of each other)。另外，槽口销的这些较厚的部分可以接合相应的狭槽，以将涡轮壳体物理地耦接至轴承壳体。

在图3的实施例中，槽口销可以绕涡轮壳体对称地布置，例如，相对于中心轴线，绕涡轮壳体的周缘对称地布置。以这种方式，从中心轴线测量的各个槽口销之间的角度可以基本上等于90度。以这种方式，可以限制涡轮壳体在径向方向上的平移，例如，在垂直于z轴并平行于x-y平面且垂直于中心轴线的方向上的平移。换句话说，多个狭槽可以成对布置，每对中的两个狭槽彼此间隔开180度布置，其中第一对狭槽垂直于第二对狭槽布置。沿着狭槽的长轴线测量的狭槽的长度可以大于槽口销的直径，使得槽口销可以沿长轴线移动，而不沿着短轴线移动。

更具体地，槽口销可包括可与狭槽的侧面接合的凹槽、颈环(collar)、环形凹口或其它切口，以便与相应的狭槽紧密配合。也就是说，可以在一个部位减小槽口销的直径，其中减小的直径对应于沿着垂直于长轴线的短轴线测量的相应狭槽的宽度。这样，可以允许涡轮壳体在平行于每个狭槽的长轴线的径向方向上膨胀，同时阻止其在垂直于径向方向的方向上平移。涡轮壳体在变热时可能会膨胀，从而导致涡轮壳体与轴承壳体之间的槽口配合件打开，从而不再阻止涡轮壳体的平移。插有销的槽口允许涡轮壳体通过槽口销在径向上膨胀，但阻止平移。通过这样做，接头的总滑移距离减少了如下的附加运动量：该附加运动量通过涡轮到轴承壳体槽口配合中的间隙而将被允许。这可以导致减小涡轮增压器的接头的磨损，这相对于涡轮增压器的先前实施例可以增加接头的耐久性。另外，通过减缓涡轮壳体在垂直于径向方向的方向上的平移，为防止运行过程中接触而在组装的涡轮叶片与涡轮壳体之间所需的径向间隙可以减小，从而提高涡轮效率。

在图3的一实施例中，将每个定位销的直径定尺寸成与相应狭槽的相对侧接合，该相对侧沿相应狭槽的狭槽长度的方向布置。多个狭槽包括两组狭槽，每组狭槽包括相对于涡轮增压器的中心轴线彼此间隔180度布置的两个狭槽，并且该两个狭槽的狭槽长度沿相同方向定向，其中第一组的两个狭槽垂直于第二组的两个狭槽布置。

以这种方式，图2A、图2B和图3的实施例示出了径向涡轮增压器，其包括涡轮壳体和压缩机壳体，涡轮壳体容纳涡轮叶轮，压缩机壳体容纳压缩机叶轮，涡轮壳体包括集成到涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴。轴承壳体可至少部分地围绕连接涡轮叶轮与压缩机叶轮的轴。轴承壳体布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间。

多个长螺栓可围绕涡轮壳体的周缘布置，多个长螺栓中的每个长螺栓可平行于轴并从轴承壳体的压缩机端的外面延伸，穿过轴承壳体并延伸进入涡轮壳体。

多个狭槽可以围绕涡轮壳体的周缘布置，每个狭槽的狭槽长度可以在径向方向上延伸并且适于容纳直径小于狭槽长度的定位销，其中每个定位销通过相应的狭槽将轴承壳体耦接到涡轮壳体。

轴承壳体可以是水冷却的，并且包括定位在其中的水套。水套可包括围绕一部分轴的环形部分和多个延伸部分，每个延伸部分相对于轴从环形部分向外延伸，并且与多个延伸部分中的相邻延伸部分间隔开，其中延伸部分的外端均与轴承壳体的外表面间隔开，以构建用于将轴承壳体耦接至涡轮壳体的外凸缘的支撑区域。

现在转到图4，其示出了涡轮增压器200的剖视图400，其可以与图2A的剖视图相似，除了图4的实施例示出了图2A中未示出的涡轮增压器的特征。这样，先前介绍的部件在该附图和后续附图中可以进行类似编号。

涡轮壳体可包括与轴承壳体的第二凸缘404物理共面接触的第一凸缘402。第一凸缘可以是环形的并且与涡轮壳体一体形成，其中第一凸缘可以朝着压缩机延伸到轴承壳体中。第一凸缘可布置在如下位置处：相对于轴、涡轮叶轮和水套的环形部分，该位置是径向向外的。第一凸缘可进一步在涡轮喷嘴和水套的多个延伸部分之间轴向延伸。

凹槽410可以在轴承壳体中沿中心轴线方向布置在涡轮壳体和第一凸缘中的水套之间。凹槽可以定形为减小涡轮壳体与轴承壳体之间的接触面积。这可以减少从涡轮到轴和压缩机的热传递，从而提供热释放(thermal relief)。凹槽可以至少部分地围绕轴承壳体的周缘延伸。在一些实施例中，凹槽是连续的并且围绕轴承壳体的整个周缘延伸。在其它实施例中，附加地或可选地，凹槽可以是沿着轴承壳体的一周而彼此间隔开的多个不连续的凹槽。可以基于涡轮增压器和水套的尺寸来调节凹槽的尺寸。在一实施例中，如果增加水套的尺寸，则可以减小凹槽的尺寸。作为另一实施例，凹槽的尺寸可以随着涡轮增压器的尺寸的增加而增加。凹槽可以定尺寸成实现跨涡轮增压器的期望的温度梯度，从而阻止涡轮和压缩机之间的组件过热。在一实施例中，凹槽是热释放槽(thermal relief groove)，该热释放槽凹入到所述轴承壳体的与所述涡轮壳体共面接触的那个面的一部分，该热释放槽布置成与多个延伸部分中的一个延伸部分相邻，其中涡轮壳体为无冷却的。

第一凸缘可进一步包括围绕涡轮增压器的周缘布置的多个狭槽，例如，图3的狭槽312。多个狭槽可以布置在第一凸缘和第二凸缘之间，每个狭槽适于容纳将第一凸缘耦接到第二凸缘的定位销和/或槽口销，例如，图3的槽口销310。以这种方式，一个和/或多个凹槽可以布置在多个狭槽的附近，同时仍与多个狭槽间隔开。

为了进一步减小由于无冷却的涡轮壳体和水冷的轴承壳体之间相对较大的热梯度而导致的热应力，轴承壳体可包括在第二凸缘中的附加材料，附加材料可沿着轴承壳体的外直径布置并布置在虚线框420指示的区域内。附加材料可以提供凸缘的附加结构支撑，并用作另一个散热器，其中从涡轮壳体传递到轴承壳体的热量可以加热附加材料，并导致涡轮增压器的其它组件的温度较低。在一实施例中，附加材料可以包括与轴承壳体的材料相类似的材料，例如铸铁。以这种方式，轴承壳体可以包括外直径，该外直径延伸超过涡轮喷嘴的径向位置，并且其中轴承壳体的形成第二凸缘的附加材料布置在轴承壳体的外直径、和水套的多个延伸部分的端部之间。第二凸缘可适于支撑涡轮壳体的第一凸缘。

如上所述，涡轮壳体也包括附加材料，其中，涡轮壳体在涡轮叶轮的平面内是加厚的。这与轴承壳体的附加材料结合可以进一步减少从涡轮到涡轮增压器其它组件的热传递。附加地或可选地，对涡轮壳体进行加厚可在涡轮叶轮劣化的事件中封闭(contain)涡轮叶轮和/或其碎片，使得碎片不会进入涡轮增压器的其它部分，而导致进一步的劣化。

水套240可具有弯曲形状。在图4的实施例中，水套具有回旋镖形状，其中水套相对于中心轴线从水套的邻近涡轮布置的区域径向向外成弧形。如图4和图5所示，环形部分244可以在与中心轴线和径向方向均成角度的方向上，从靠近涡轮壳体的位置延伸到远离涡轮壳体的位置。水套240可以进一步包括多个延伸部分242，该延伸部分可在环形部分244的离涡轮壳体最远的部分处从环形部分244延伸。环形部分244和多个延伸部分242之间的过渡部446可以是平滑且齐平的，从而可以更均匀地分布应力负载的集中度(concentrationsof stress load)。

轴可以将水套的形状优化以增加冷却，因为轴承壳体中的热量被引导离开涡轮增压器的轴和其它移动组件并进入水套。另外，水套的形状可以为轴承壳体的材料提供足够的空间量，以支撑涡轮凸缘。这可以减小涡轮增压器的螺栓和其它耦接装置上的负载。下面将对水套进行更详细的描述。

现在转到图5，其示出了图2A和图4中水套230的实施方式500。水套可以布置在涡轮的第一凸缘和轴承壳体的第二凸缘之间。更具体地，水套可偏向涡轮，使得水套靠近涡轮的第一凸缘而距离轴承壳体的第二凸缘较远。

水套可以具有基于螺栓552的布置的形状。在一实施例中，多个螺栓中的一个螺栓可以类似于图2B中的螺栓252。在图5的实施例中，正好有八个螺栓。多个螺栓包括围绕涡轮壳体的周缘彼此间隔开的八个长螺栓。然而，在不脱离本公开的范围的情况下，可以使用其它数量的螺栓。在图5的实施例中，水套240具有八角星形，其中水套的各个角(point)对应水套的多个延伸部分242。多个延伸部分从水套的环形部分244径向向外延伸，每个延伸部分布置在两个相邻的螺栓之间。换句话说，多个螺栓中的每个螺栓可以位于多个延伸部分中的不同对的相邻延伸部分之间。

这样，水套可以在水套的与多个螺栓中的一个螺栓相邻的部分处径向向内延伸，该部分可对应水套的环形部分。在一些实施例中，附加地或可选地，水套可具有花形或其它类似形状，以适应用于螺栓穿过的螺栓孔。

水套的内表面可以是平滑的，并且可与延伸部分和环形部分之间的过渡部对应。“平滑”的意思是内表面可以没有突起、隆起、凹口等。换句话说，水套还包括多个延伸部分中的每个延伸部分和环形部分之间的平滑弯曲的过渡部。通过使内表面定形成平滑的，可以更均匀地分散应力负载的集中度，同时允许水套包括延伸部分，这可以提供更大的冷却。这样可以减少涡轮增压器的螺栓和其它特征上的应力。

在一实施例中，一种涡轮增压器，例如，径向涡轮增压器，包括涡轮壳体和压缩机壳体，涡轮壳体容纳涡轮叶轮，压缩机壳体容纳压缩机叶轮。涡轮壳体包括集成到涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴。涡轮增压器还包括轴承壳体，其围绕连接涡轮叶轮与压缩机叶轮的轴并布置在涡轮壳体与压缩机壳体之间。涡轮增压器还包括围绕涡轮壳体的周缘布置的多个紧固件，例如，螺栓；多个紧固件中的每个紧固件平行于轴并且从轴承壳体的压缩机端的外面延伸穿过轴承壳体并延伸进入涡轮壳体。涡轮增压器可以是发动机系统的一部分，例如用于固定应用(例如，发电机)的发动机系统，或用于机车、其它轨道车辆等其它车辆的发动机系统的一部分。

在一个实施方式中，一种涡轮增压器，例如，径向涡轮增压器，包括涡轮壳体和压缩机壳体，涡轮壳体容纳涡轮叶轮，压缩机壳体容纳压缩机叶轮。涡轮壳体包括与涡轮壳体的其余部分一起集成而成一体的无叶片涡轮喷嘴。涡轮增压器还包括水冷式轴承壳体，该轴承壳体围绕连接涡轮叶轮与压缩机叶轮的轴，并且该轴承壳体布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间且与涡轮壳体和压缩机壳体中的每一个共面接触。水冷式轴承壳体包括围绕轴的水套。水套包括环形部分和多个延伸部分，多个延伸部分相对于轴从环形部分径向向外延伸，并围绕环形部分的周缘彼此间隔开。涡轮增压器还包括围绕涡轮壳体的周缘布置的多个紧固件，例如螺栓；所述多个紧固件中的每个紧固件平行于轴并从轴承壳体的压缩机端的外面延伸，在水套的环形部分的外侧处穿过轴承壳体，而延伸进入涡轮壳体。而且，每个紧固件均位于水套的不同对的相邻延伸部分之间。涡轮增压器可以是发动机系统的一部分，例如用于固定应用(例如，发电机)的发动机系统，或用于机车、其它轨道车辆等其它车辆的发动机系统中的一部分。

在一实施方式中，一种涡轮增压器，例如，径向涡轮增压器，包括涡轮壳体和压缩机壳体，涡轮壳体容纳涡轮叶轮，压缩机壳体容纳压缩机叶轮。涡轮壳体可能是无主动冷却的，这意味着仅通过与接触部件的热传导(heat conductivity)或自然空气对流进行冷却，而不是通过水冷却或其它强制对流进行冷却。涡轮增压器还包括水冷式轴承壳体，其围绕连接涡轮叶轮与压缩机叶轮的轴并布置在涡轮壳体和压缩机壳体之间。涡轮增压器还包括围绕涡轮壳体的周缘布置的多个狭槽。每个狭槽包括狭槽长度和狭槽直径，狭槽长度比狭槽直径长。多个狭槽包括围绕涡轮壳体的周缘彼此间隔90度定位的四个狭槽，其中，每个狭槽的狭槽长度相对于轴沿径向方向布置。涡轮增压器还包括多个定位销。每个定位销位于相应的狭槽内并将涡轮壳体的第一凸缘与轴承壳体的第二凸缘耦接。每个定位销的直径小于狭槽长度，并定尺寸成与相应的狭槽的狭槽直径配合，例如，定位销的直径可以和狭槽直径相同，或比狭槽直径略小，例如小1％。

用于机车的径向涡轮增压器的技术效果是，通过省略包括叶片的涡轮喷嘴和隔热罩以及在涡轮增压器的轴承壳体中引入水套，来降低涡轮增压器中的热负载和应力集中度，其中，用于机车的径向涡轮增压器包括冷却式轴承壳体，冷却式轴承壳体支撑用于涡轮的涡轮壳体，该涡轮壳体包括无叶片涡轮喷嘴。通过前述这些组件，可以加厚涡轮壳体的凸缘，同时允许轴承壳体的第二凸缘最佳地定形成支撑涡轮壳体凸缘。另外，通过除去附加组件，例如，涡轮喷嘴环、隔热罩和附加的较短的螺栓，可以使涡轮壳体与轴承壳体之间的耦接接头更加坚固。通过具有多个较长的螺栓，这些螺栓一直穿过轴承壳体而联接涡轮壳体和轴承壳体，可以增加螺栓接头的顺应性，从而进一步降低涡轮壳体-轴承壳体接头的劣化。此外，可以为热释放槽、水套和螺栓提供额外的空间，以使螺栓在轴承壳体和涡轮壳体之间延伸。所有这些特征结合在一起，提供了一种涡轮增压器壳体，该壳体具有减小的热应力，组件之间接头上减小的应力，并且具有提高的负载强度。

如本文中所使用的，以单数形式叙述并且以词语“一”或“一个”开头的元件或步骤应被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确地指出了这种排除。此外，对本发明的“一个实施方式”的引用不排除也包含所述特征的另外的实施方式的存在。此外，除非有相反的明确说明，否则“包括”、“包含”或“具有”具有特定特性的一个或多个元件的实施方式可以包括不具有该特性的其它这样的元件。术语“包括”和“在其中”用作相应术语“包含”和“其中”的通俗易懂的等同语。此外，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标号，并不旨在对其对象施加数字要求或特定的位置顺序。

本文公开的控制方法和常规程序可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括与各种传感器、致动器和其他发动机硬件结合的控制器的控制系统来执行。本文描述的特定常规程序可以代表任何数量的处理策略中的一种或多种，例如事件驱动、中断驱动、多任务处理、多线程处理等。这样，所示出的各种动作、操作和/或功能可以以所示出的顺序执行、并行地执行，或者在某些情况下将其省略。同样，处理顺序对于实现本文所述示例性实施例的特征和优点不一定是必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。根据所使用的特定策略，可以重复执行所示的动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以形象地表示代码，该代码待被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中，其中所描述的动作是通过执行包括与电子控制器结合的各种发动机硬件组件的系统中的指令来执行的。

该书面描述使用实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使相关领域的普通技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任一装置或系统以及执行任意并入的方法。本发明的专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其它实施例。如果这样的其它实施例具有与权利要求的字面语言无差异的结构元件，或者如果这样的其它实施例包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等同结构元件，则这样的其它实施例旨在落入本权利要求书的范围内。

Claims (20)

1.一种涡轮增压器，包括：

涡轮壳体和压缩机壳体，所述涡轮壳体容纳涡轮叶轮，所述压缩机壳体容纳压缩机叶轮，所述涡轮壳体包括集成到所述涡轮壳体中的无叶片涡轮喷嘴；

轴承壳体，所述轴承壳体围绕连接所述涡轮叶轮和所述压缩机叶轮的轴，并布置在所述涡轮壳体和所述压缩机壳体之间；以及

多个紧固件，所述多个紧固件围绕所述涡轮壳体的周缘布置，所述多个紧固件中的每个紧固件平行于所述轴并从所述轴承壳体的压缩机端的外面延伸，穿过所述轴承壳体，并延伸进入所述涡轮壳体。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述轴承壳体为水冷却的，并且包括定位在其中的水套，所述水套包括围绕所述轴的一部分的环形部分、和多个延伸部分，每个所述延伸部分相对于所述轴从所述环形部分向外延伸，并且与所述多个延伸部分的相邻延伸部分间隔开，其中所述多个延伸部分的外端与所述轴承壳体的外表面间隔开，以构建用于将所述轴承壳体与所述涡轮壳体的外凸缘耦接的支撑区域。

3.根据权利要求2所述的涡轮增压器，其中，所述多个紧固件中的每个紧固件定位在所述多个延伸部分的不同对的相邻延伸部分之间，其中，所述水套还包括位于所述多个延伸部分的每个延伸部分与所述环形部分之间的平滑弯曲的过渡部。

4.根据权利要求2所述的涡轮增压器，还包括热释放槽，所述热释放槽凹入到所述轴承壳体的与所述涡轮壳体共面接触的面的一部分中，所述热释放槽与所述多个延伸部分中的一个延伸部分相邻布置，其中，所述涡轮壳体为无主动冷却的。

5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮叶轮径向跨越所述涡轮壳体延伸至所述喷嘴，并且沿轴向方向向内延伸过所述喷嘴。

6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮喷嘴与所述涡轮壳体的其余部分一起模制成一体。

7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述轴承壳体包括：盒式轴颈轴承，所述盒式轴颈轴承围绕所述轴的中心部分；以及推力轴承，所述推力轴承围绕所述轴的另一部分，所述推力轴承相对于轴向方向布置在所述轴的压缩机侧上且在所述轴颈轴承的外侧。

8.根据权利要求1所述的涡轮增压器，还包括多个狭槽，所述多个狭槽围绕所述涡轮壳体的周缘布置，每个所述狭槽的狭槽长度沿径向方向延伸并且适于容纳直径小于所述狭槽长度的定位销，其中每个所述定位销通过相应的狭槽将所述轴承壳体与所述涡轮壳体耦接。

9.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中，每个所述定位销的直径定尺寸成与相应狭槽的相对侧面接合，所述侧面沿所述相应狭槽的狭槽长度的方向布置。

10.根据权利要求8所述的涡轮增压器，其中，所述多个狭槽包括两组狭槽每组所述狭槽为相对于所述涡轮增压器的中心轴线彼此间隔180度布置且狭槽长度沿相同方向定向的两个狭槽，其中第一组的两个狭槽垂直于第二组的两个狭槽布置。

11.一种涡轮增压器，包括：

涡轮壳体和压缩机壳体，所述涡轮壳体容纳涡轮叶轮，所述压缩机壳体容纳压缩机叶轮，所述涡轮壳体包括与所述涡轮壳体的其余部分一起集成为一体的无叶片涡轮喷嘴；

水冷式轴承壳体，所述水冷式轴承壳体围绕连接所述涡轮叶轮与所述压缩机叶轮的轴，并布置在所述涡轮壳体和所述压缩机壳体之间且布置为与所述涡轮壳体和所述压缩机壳体中的每一个共面接触，所述水冷式轴承壳体包括围绕所述轴的水套，所述水套包括环形部分和多个延伸部分，所述多个延伸部分相对于所述轴从所述环形部分径向向外延伸，并围绕所述环形部分的周缘彼此间隔开；以及

多个紧固件，所述多个紧固件围绕所述涡轮壳体的周缘布置，所述多个紧固件中的每个紧固件平行于所述轴并从所述轴承壳体的压缩机端的外面延伸，在所述水套的所述环形部分的外侧处穿过所述轴承壳体，而进入所述涡轮壳体，其中，每个所述紧固件位于所述水套的不同对的相邻延伸部分之间。

12.根据权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述轴承壳体在所述涡轮叶轮和所述压缩机叶轮之间延伸，其中，所述涡轮壳体包括朝向压缩机延伸到所述轴承壳体中的环形的第一凸缘，所述第一凸缘布置在如下位置：相对于轴所述轴、所述涡轮叶轮、和所述水套的环形部分，所述位置是径向向外的，以及所述位置在轴向上位于所述涡轮喷嘴和所述水套的多个延伸部分之间。

13.根据权利要求12所述的涡轮增压器，其中，所述轴承壳体具有延伸过所述涡轮喷嘴的径向位置的外直径，其中，所述轴承壳体的形成第二凸缘的附加材料布置在所述外直径和所述水套的多个延伸部分的端部之间，所述第二凸缘适于支撑所述涡轮壳体的所述第一凸缘。

14.根据权利要求13所述的涡轮增压器，还包括位于所述涡轮壳体的所述第一凸缘和所述轴承壳体的所述第二凸缘之间的多个插有销的狭槽连接件，所述多个插有销的狭槽连接件围绕所述涡轮增压器的周缘布置，其中，所述第一凸缘包括多个间隔开的狭槽，每个所述狭槽适于容纳将所述第二凸缘与所述第一凸缘耦接的销。

15.根据权利要求14所述的涡轮增压器，其中，所述轴承壳体中包括所述插有销的狭槽连接件且与所述第一凸缘共面接触的面还包括热释放槽，所述热释放槽凹入到所述面中且与相邻的所述插有销的狭槽连接件间隔开，所述热释放槽定位成邻近于所述多个延伸部分中的一个延伸部分，其中，所述涡轮壳体为无主动冷却的。

16.根据权利要求15所述的涡轮增压器，其中，所述多个紧固件中的每个紧固件延伸到所述涡轮壳体的所述第一凸缘中，其中，所述多个紧固件中的每一个、所述多个插有销的狭槽连接件中的每一个、以及所述多个延伸部分中的每一个围绕所述涡轮增压器的周缘布置在相同的径向位置处。

17.根据权利要求11所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮壳体的在围绕所述涡轮叶轮的区域中的厚度比所述涡轮壳体的其余部分厚。

18.一种涡轮增压器，包括：

无主动冷却的涡轮壳体和压缩机壳体，所述无主动冷却的涡轮壳体容纳涡轮叶轮，所述压缩机壳体容纳压缩机叶轮；

水冷式轴承壳体，所述水冷式轴承壳体围绕连接所述涡轮叶轮和所述压缩机叶轮的轴，并布置在所述涡轮壳体和所述压缩机壳体之间；

多个狭槽，所述多个狭槽围绕所述涡轮壳体的周缘布置，每个所述狭槽包括狭槽长度和狭槽直径，所述狭槽长度比所述狭槽直径长，所述多个狭槽包括围绕所述涡轮壳体的周缘彼此间隔90度定位的四个狭槽，其中，每个所述狭槽的狭槽长度相对于所述轴沿径向方向布置；以及

多个定位销，每个所述定位销位于相应的狭槽内并将所述涡轮壳体的第一凸缘与所述轴承壳体的第二凸缘耦接，每个所述定位销的直径小于所述狭槽长度，并且每个所述定位销定尺寸成与相应的狭槽的所述狭槽直径紧密配合。

19.根据权利要求18所述的涡轮增压器，其中，所述第一凸缘与所述第二凸缘彼此共面接触，其中，热释放槽凹入到所述第二凸缘的与所述第一凸缘共面接触的面中，其中，所述轴承壳体包括水套，所述水套围绕所述轴并且延伸到所述第二凸缘中邻近所述第一凸缘布置的部分中。

20.根据权利要求18所述的涡轮增压器，其中，所述涡轮壳体包括不带叶片的一体式喷嘴。

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