CN114144574A - 具有低应力的连接法兰的涡轮机壳体和具有这种涡轮机壳体的排气涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于排气涡轮机的涡轮机壳体，涡轮机壳体具有用于在轴承壳体侧联接到轴承壳体的连接法兰，在连接法兰中设置有沿环周方向彼此间隔开的壳体连接孔，其中在连接法兰中在彼此相邻的壳体连接孔之间设置有径向向内朝涡轮机壳体的纵向中轴线的方向敞开的材料凹部。本发明还涉及一种配备有这种涡轮机壳体的排气涡轮机。

Description

具有低应力的连接法兰的涡轮机壳体和具有这种涡轮机壳体 的排气涡轮机

技术领域

本发明涉及一种具有低应力的连接法兰的涡轮机壳体和一种具有这种涡轮机壳体的排气涡轮机。根据实施方式，排气涡轮机例如可以是用于涡轮增压器的涡轮增压器涡轮机或动力涡轮机。

背景技术

从US2015/0143814A1中已知一种燃气轮机的一件式的排气系统。该排气系统具有涡轮机出口壳体和涡轮机排气歧管，其中涡轮机出口壳体在向外定向的接口法兰处与涡轮机排气歧管连接。这实现了在需要时将涡轮排气歧管通过简单脱耦而与涡轮机出口壳体脱离，并且通过新的构件来替换。

从EP 3 103 972 A1中已知一种燃气轮机，其中高压涡轮机壳体在向外定向的法兰处于扩散器壳体连接。

从EP 1 273 760 A1中已知一种涡轮增压器，其中在涡轮机入口螺旋和限定圆形通道的涡轮机喷嘴环之间布置有密封机构。

典型的涡轮增压器具有涡轮机壳体、轴承壳体和压缩机壳体，其中涡轮机壳体与轴承壳体连接，并且轴承壳体还与压缩机壳体连接。

涡轮机壳体和轴承壳之间的连接必须满足多个要求。属于这些要求的是确保气密性、防止两个壳体之间由于外力而扭转和确保即使在爆裂情况下两个壳体也结合在一起。为了可以满足这些要求，涡轮机壳体和轴承壳体之间的连接尤其必须被设计为使得该连接能够胜任涡轮机壳体和轴承壳体之间的大温差和在爆裂情况下的高的力。可靠的安全外壳(英文称为“containment”)在这种爆裂情况下是对排气涡轮机的非常重要的要求，进而结构上要求非常苛刻的要求。

已经已知利用夹持环将涡轮机壳体与轴承壳体连接，夹持环将涡轮机壳体的法兰的端部部段与轴承壳体的法兰的如下端部部段连接，端部部段贴靠涡轮机壳体的法兰的端部部段。这种夹持环连接尤其在具有相对低功率的涡轮增压器中使用。这种夹持环连接的缺点在于在出现其中大的力变得有效的爆裂情况下无法确保壳体的结合。

在具有较大功率、例如具有每个涡轮增压器大于500KW的涡轮增压器中，在实践中利用涡轮机壳体的配备有夹持片的法兰执行涡轮机壳体与轴承壳体的连接。通过所述夹持片例如引导螺钉，螺钉被拧入涡轮机壳体的螺纹孔中并将所提出的夹持片压到涡轮机壳体和与其临界的轴承壳体处，由此轴承壳体也被压到涡轮机壳体处。在使用这种夹持片法兰的情况下，由于在出现爆裂情况下时的强的力，需要螺钉进入涡轮机壳体中的相对大的即进入深度。为了可以提供螺钉的这种大的进入深度而需要将涡轮机壳体的连接法兰的厚度相应大地确定尺寸。连接法兰的这种大的厚度一方面增加了连接法兰的强度，但另一方面引起涡轮机壳体的连接法兰的相对缓慢且不均匀的加热。由此增加了涡轮机壳体中的瞬态热应力，特别是在连接法兰区域中增加瞬态热应力，但是也在涡轮机壳体的舌部区域中也增加瞬态热应力。较高的瞬态热应力又导致涡轮机壳体的使用寿命减小，进而整个涡轮增压器的使用寿命减小。

图1示出用于说明根据现有技术的涡轮机壳体的第一剖面图。涡轮机壳体具有连接法兰2，涡轮机壳体1经由所述连接法兰与涡轮增压器的轴承壳体14连接。该连接利用拧入连接法兰的壳体连接孔中的连接元件实现，连接元件借助于螺母17将夹持片16压到涡轮机壳体1的连接法兰2上和压到轴承壳体14上，由此轴承壳体14还压到涡轮机壳体处。所提及的壳体连接孔彼此间隔开(即在空间上彼此远离)并且沿环周方向沿圆布置。夹持片同样在涡轮机壳体的环周方向上沿圆布置。如上所述，因为对涡轮机壳体和轴承壳体之间的连接要求高，所以连接元件进入连接法兰中的进入深度必须大。这又需要连接法兰2在涡轮机壳体和轴承壳体之间的连接区域中的相对大的法兰厚度19。

图2示出用于说明根据现有技术的涡轮机壳体的第二剖面图。第二剖面图在如下界面处示出涡轮机壳体，在该界面处连接元件15被拧入涡轮机壳体的连接法兰2的壳体连接孔3中。从图2中还可见，夹持片16压到涡轮机壳体2上和压到轴承壳体14上，这利用螺母17和垫圈18实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种涡轮机壳体和一种排气涡轮机，其中减少了根据涡轮增压器的上述缺点。

所述目的通过具有权利要求1中说明的特征的涡轮机壳体或具有权利要求11中说明的特征的排气涡轮来实现。

这种涡轮机壳体具有用于在轴承壳体侧联接到轴承壳体的连接法兰，在连接法兰中设置有沿环周方向彼此间隔开的壳体连接孔，其中在连接法兰中在彼此相邻的壳体连接孔之间设置有径向向内朝涡轮机壳体的纵向中轴线的方向敞开的材料凹部。在此，根据实施方式和要求，涡轮机壳体也可以是多件式的。根据要求，可以在涡轮机壳体和轴承壳体之间布置隔热罩或喷嘴环。

在任何情况下，在整个描述中，术语“孔”应被解释为是功能性的，而不是由于制造原因而解释为借助于钻孔机或铣床进行的机械加工。

根据本发明的一个实施方式，连接法兰中的彼此间隔开的壳体连接孔在环周方向上沿着至少一个圆布置。

根据本发明的一个实施方式，涡轮机壳体具有夹持边缘，夹持边缘在径向方向上与壳体连接孔相邻地布置。

根据本发明的一个实施方式，在夹持边缘中设置有环形凹槽，环形凹槽具有凹槽底部，其中相邻的壳体连接孔被引入到凹槽底部中，并且其中设置在每两个相邻的壳体连接孔之间的材料凹部被设置在凹槽底部中。

根据本发明的一个实施方式，夹持边缘在两个相邻的壳体连接孔之间的区域中分别具有将环形凹槽加宽的夹持边缘凹部。

根据本发明的一个实施方式，夹持边缘凹部的第一深度等于环形凹槽的第二深度和设置在环形凹槽中的壳体连接孔的第三深度之和。

根据本发明的一个实施方式，涡轮机壳体多件式地构成。

根据本发明的一个实施方式，夹持边缘形成涡轮机壳体的单独构件。

根据本发明的一个实施方式，隔热罩或喷嘴环形成涡轮机壳体的单独构件。

根据本发明的一个实施方式，夹持边缘是隔热罩或喷嘴环的组成部分。

根据本发明的一个实施方式，排气涡轮机具有根据本发明的特征的涡轮机壳体。

根据本发明的一个实施方式，排气涡轮机具有与涡轮机壳体连接的轴承壳体，其中涡轮机壳体借助于连接元件与轴承壳体连接。

根据本发明的一个实施方式，排气涡轮机具有夹持元件，夹持元件分别由一个或多个连接元件压到涡轮机壳体的连接法兰处和压到轴承壳体处。

根据本发明的一个实施方式，夹持元件压到夹持边缘处。

在结构和安装方面都简单的实施方式中，连接元件是螺钉或螺纹销。

本发明的优点尤其在于：设置在壳体连接孔之间的材料凹部在相应的排气涡轮机运行中实现将连接法兰区域更快且更均匀地加热。此外，由于这些材料凹部，在连接法兰的区域中存在涡轮机壳体的强度降低。由此，在排气涡轮机运行中，出现较低的瞬态热应力。这又引起涡轮机壳体的使用寿命延长，进而也引起整个排气涡轮机的使用寿命延长。

附图说明

附图示出：

图1示出用于说明根据现有技术的涡轮机壳体的第一剖面图，

图2示出用于说明根据现有技术的涡轮机壳体的第二剖面图，

图3示出用于说明根据本发明的涡轮机壳体的草图，

图4示出用于说明本发明的一个实施方式的沿径向方向的剖面图，

图5示出根据图4中所示的剖面线C-C的剖面图，

图6示出用于说明本发明的另一实施方式的草图，

图7示出沿图6中所示的剖面线A-A的方向的剖面图，

图8示出用于说明本发明的另一实施方式的草图，和

图9示出沿图8中所示的剖面线B-B的方向的剖面图。

具体实施方式

图3示出用于说明根据本发明的涡轮机壳体的草图，其中在图3中仅示出涡轮机壳体的部分区域。涡轮机壳体具有与涡轮机壳体的纵向中轴线同轴设置的连接法兰2，连接法兰配备有夹持边缘7。在夹持边缘7中设置有沿径向方向8向内延伸的连接接片19，将壳体连接孔3引入连接接片中。所提到的连接接片19和引入其中的壳体连接孔3在涡轮机壳体的环周方向9上彼此间隔开。连接接片和壳体连接孔在连接法兰中在环周方向9上沿一个或多个圆布置。在每两个沿环周方向9彼此间隔开的壳体连接孔3之间，在连接法兰2的夹持边缘7中设置有径向向内敞开的材料凹部4。材料凹部4可以通过材料去除而被引入到连接法兰的夹持边缘中，或者在使用进行成型的制造方法中被直接建模。可以不同地选择材料凹部的几何形状。例如，材料凹部可以被构造成半圆形、椭圆形、钟形或矩形。

涡轮机壳体与涡轮增压器的图3中未示出的轴承壳体的连接同样如在图2的上下文中所解释的那样利用连接元件进行，连接元件引入到连接法兰2的每个壳体连接孔3中，其中此外在涡轮机壳体的环周方向上沿着一个圆设置的夹持元件被压到涡轮机壳体上还有压到轴承壳体上，这分别利用螺母和垫圈来实现，其中夹持元件在一个实施方式中是夹持片。

与现有技术不同地设置的材料凹部4在涡轮增压器运行中引起将涡轮机壳体的连接法兰2更快且更均匀地加热。此外，由于引入连接法兰2中的材料凹部4，在连接法兰2的区域中存在涡轮机壳体的强度降低。这又引起在连接法兰2的区域中与现有技术相比出现减小的热瞬变应力。通过在连接法兰区域中瞬态热应力的这种降低延长了涡轮机壳体的使用寿命，从而也延长了整个涡轮增压器的使用寿命。

图4示出用于说明本发明的一个实施方式的沿径向方向的剖面图。示出了涡轮机壳体的连接法兰2和与连接法兰2连接并与涡轮机壳体连接的轴承壳体14。此外，从图4中可见在所示的剖平面中实现涡轮机壳体与轴承壳体利用夹持片16的连接。夹持片16压到涡轮机壳体的连接法兰2上和压到轴承壳体1上。这种挤压利用螺母17和设置在螺母17和夹持片16之间的垫圈18来实现。此外，从图4中得出通过这种挤压将轴承壳体压向涡轮机壳体的连接法兰2，因为轴承壳体14具有径向向外定向、即在图4中向上定向的夹持边缘，夹持边缘的后侧压到连接法兰2的在径向方向上向内、即在图4中向下定向的凸起部上。最后，从图4中还可见图3中说明的凹部4，该凹部在涡轮机壳体与轴承壳体彼此连接的状态下在所示出的剖平面中在轴向方向上设置在夹持片16和连接法兰2之间。

图5示出根据图4中所示的剖面线C-C的剖面图。从图5中尤其可见，在每两个沿环周方向9彼此间隔开的壳体连接孔3之间，在涡轮机壳体的连接法兰2的夹持边缘7中设置有材料凹部4，其中连接元件15被引入壳体连接孔中，其中材料凹部在所示出的剖平面中在径向方向8上处于轴承壳体14之外并且径向向内敞开。

图6示出用于说明本发明的另一实施方式的草图。在另一实施方式中，在涡轮机壳体的连接法兰2的夹持边缘7的径向内部的边缘区域中设置有环形凹槽5，环形凹槽在环周方向9上在涡轮机壳体的整个环周上延伸。环形凹槽5具有凹槽底部6。

在本发明的实施方式中，在环周方向9上彼此间隔开的壳体连接孔3被引入到环形凹槽5的凹槽底部6中。

此外，在该实施方式中，设置在每两个相邻的壳体连接孔3之间的材料凹部4同样被引入环形凹槽5的凹槽底部6中。材料凹部4沿径向方向8在整个凹槽底部6上延伸。

通过将壳体连接孔3和材料凹部4引入环形凹槽5的凹槽底部6中，涡轮机壳体的连接法兰2的厚度在涡轮机壳体与轴承壳体的连接区域中被进一步减小，进而在连接法兰中在涡轮增压器运行中出现的热瞬变应力被进一步减小。

图7示出沿图6中所示的剖面线A-A的方向的剖面图。在图7中，用附图标记12表示引入凹槽底部6中的壳体连接孔3的深度。此外可见，在该实施方式中，材料凹部4的深度与引入凹槽底座6中的壳体连接孔3的深度12一致。根据其他的实施方式，材料凹部4的深度也可以不同于壳体连接孔3的深度。环形凹槽5的深度用附图标记11表示。环形凹槽的深度11和引入凹槽底部中的壳体连接孔的深度12之和用附图标记20表示。

图8示出用于说明本发明的另一实施方式的草图。在另一实施方式中，在涡轮机壳体的连接法兰2的夹持边缘7的径向内部的边缘区域中又设置有环形凹槽5，环形凹槽沿环周方向9在涡轮机壳体的整个环周上延伸。又将在环周方向9上彼此间隔开的壳体连接孔3引入环形凹槽5的凹槽底部6中，在壳体连接孔之间存在材料凹部4。凹部4在径向方向8上向内敞开并且延伸直至夹持边缘7的区域中。因此，在该改进形式中，夹持边缘7具有夹持边缘凹部10，夹持边缘凹部分别设置在两个彼此相邻的壳体连接孔3之间。在所示的实施例中，夹持边缘凹部10沿径向方向8延伸穿过整个夹持边缘7。

图9示出在图8所示的剖面线B-B的方向上的剖面图。根据图9，设置在夹持边缘7中的夹持边缘凹部10具有第一深度20。环形凹槽5具有第二深度11。引入凹槽底部6中的壳体连接孔3具有第三深度12。在所示的实施例中，夹持边缘凹部10的第一深度20等于环形凹槽5的第二深度11和设置在环形凹槽5中的壳体连接孔3的第三深度12之和。深度20、11和12分别沿涡轮机壳体的轴向方向13延伸。

下面描述本发明的优选的一般方面，其中附图标记指代所有前述实施方式，但是这些内容不限于单个实施方式，而是更确切地说可以与任何的实施方式和方面组合。

根据一个方面，由于除了引入到连接法兰2中的壳体连接孔3之外，引入到连接法兰2中的凹部4或10也减小连接法兰2的法兰厚度19，使得与现有技术相比在连接法兰中出现的热瞬变应力减小，这引起涡轮增压器的使用寿命延长，进而引起整个涡轮增压器的使用寿命的延长。如上所述，涡轮增压器具有涡轮机壳体。

根据另一个方面，涡轮增压器具有与涡轮机壳体连接的轴承壳体，其中涡轮机壳体借助于引入涡轮机壳体的壳体连接孔3中的连接元件15与轴承壳体连接，连接元件例如是螺钉或螺纹销。

根据另一个方面，涡轮增压器具有实现为夹持片16的夹持元件，夹持元件分别由一个或多个连接元件压到涡轮机壳体的连接法兰2处和压到轴承壳体14处。在此，夹持元件压到连接法兰的夹持边缘处。代替夹持片，例如也可以使用夹持盘或夹持环。夹持元件优选地至少略微弹性地构成，以便在拧紧螺母时可以至少略微屈服。

根据另一个方面，连接法兰2中的彼此间隔开的壳体连接孔3在环周方向上沿着至少一个圆布置，优选地最多沿着三个或最多两个(彼此同心和/或与涡轮机轴线同心的)圆布置，并且沿着整个至少一个圆延伸，优选在整个圆环周之上以规则间距分布。所需的壳体连接孔的数量取决于在损坏(外壳)情况下的强度要求和密封性要求。

根据另一个方面，连接法兰2中的彼此间隔开的壳体连接孔3在环周方向上也可以沿两个或更多个圆布置，其中例如每第二个壳体连接孔3沿第一圆布置，并且每个位于其之间的壳体连接孔3沿着第二圆布置。

根据一个方面，法兰具有至少五个壳体连接孔3和/或至少两个、优选至少四个、特别优选至少五个在彼此相邻的壳体连接孔3之间的材料凹部4。

根据另一方面，在所有壳体连接孔3之间设置材料凹部4。材料凹部4径向向内敞开。材料凹部4优选地在轴向方向上通过连接法兰的(例如，环形的)后侧封闭，即在轴向方向上不是连续的。

替选地，可以不是在所有壳体连接孔3之间设置材料凹部4，而是仅在对使用寿命有影响的地方设置材料凹部4，例如在进入螺旋的区域中设置。

根据一个方面，法兰与涡轮机壳体的纵向中轴线同轴地布置。

根据另一方面，法兰朝向排气涡轮机的轴承壳体定向或布置用于将涡轮机壳体与轴承壳体连接(可选地，与隔热罩和/或扩散环的在法兰和轴承壳体的相应部分之间的一部分连接)。

根据一个方面，凹部4具有在环周方向上大于两个壳体连接孔3的中心之间的一半间距的弧长。

根据一个方面，连接法兰2具有连接接片19，连接接片至少区段性地直接围绕壳体连接孔3，并且在环周方向上布置在相邻的壳体连接孔3和位于其之间的材料凹部4之间。

根据一个方面，连接法兰2具有夹持边缘7，夹持边缘在径向方向8上与壳体连接孔3相邻地布置。

根据一个方面，连接接片19始于夹持边缘7径向向内伸展。夹持边缘可以设置为涡轮机壳体的单独部分，或者可以与涡轮机壳体一件式地设置或与连接法兰的其余部分一件式地设置。

根据一个方面，涡轮机壳体可以多件式地构成。在这种情况下，隔热罩或喷嘴环可以形成涡轮机壳体的单独部分。在这种情况下，涡轮机壳体的夹持边缘可以是隔热罩或喷嘴环的一部分，即其可以集成到隔热罩或喷嘴环中。

根据一个方面，连接接片在轴向方向上相对于夹持边缘7凹进地设置。换言之，夹持边缘在轴向方向上超出连接接片(例如在远离涡轮机的方向上或朝向排气涡轮机的轴承壳体的方向上)突出(例如突出小于1毫米或甚至突出最多0.5毫米和/或大于0.1毫米)。因此，连接接片形成凹槽底部的一部分。根据一个方面，设置在每两个相邻的壳体连接孔之间的材料凹部4相对于连接接片还进一步沿轴向方向凹进地布置。

根据一个方面，夹持边缘可以在环周方向上连续地(无中断地)伸展或具有凹部。

根据一个方面，连接法兰2具有环形凹槽5，环形凹槽具有凹槽底部6。

根据一个方面，相邻的壳体连接孔3被引入到凹槽底部中。

根据一个方面，设置在每两个相邻的壳体连接孔3之间的材料凹部4被设置在凹槽底部中。

如从以上实施方案中可见，本发明的一个优选方面涉及一种用于排气涡轮机的涡轮机壳体，涡轮机壳体具有用于在轴承壳体侧将涡轮机壳体联接到排气涡轮机的轴承壳体处的连接法兰。连接法兰优选是涡轮机壳体的轴承壳体侧的侧壁。涡轮机壳体的侧壁优选地构成用于与轴承壳体的涡轮机侧的侧壁直接连接，或者与轴承壳体的涡轮机侧的侧壁直接地连接。涡轮机壳体的侧壁优选地被设计用于借助于(引入涡轮机壳体的壳体连接孔中的)共同的连接元件、例如连接螺钉与轴承壳体的涡轮机侧的侧壁连接，或者借助于这种共同的连接元件与轴承壳体的涡轮机侧的侧壁连接。根据一个优选的方面，在连接部位处不存在径向向外定向的连接法兰，和/或不需要这种连接法兰，以将涡轮机壳体与轴承壳体连接。

附图标记列表

1 涡轮机壳体

2 连接法兰

3 壳体连接孔

4 材料凹部

5 连接法兰中的环形凹槽

6 凹槽底部

7 连接法兰的夹持边缘

8 径向方向

9 环周方向

10 夹持边缘凹部

11 环形凹槽5的深度

12 壳体连接孔3的深度

13 轴向方向；涡轮机壳体的纵向中轴线的方向

14 轴承壳体

15 连接元件

16 夹持元件

17 螺母

18 垫盘

19 连接接片

20 环形凹槽5的深度和壳体连接孔3的深度之和

21 涡轮机壳体的纵向中轴线

Claims (15)

1.一种用于排气涡轮机的涡轮机壳体(1)，所述涡轮机壳体具有用于在轴承壳体侧联接到轴承壳体的连接法兰(2)，在所述连接法兰中设置有沿环周方向(9)彼此间隔开的壳体连接孔(3)，其中在所述连接法兰中在彼此相邻的壳体连接孔之间设置有径向向内朝所述涡轮机壳体的纵向中轴线的方向敞开的材料凹部(4)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机壳体，其中所述连接法兰(2)中的彼此间隔开的所述壳体连接孔(3)在环周方向(9)上沿着至少一个圆布置。

3.根据权利要求2所述的涡轮机壳体，所述涡轮机壳体具有夹持边缘(7)，所述夹持边缘在径向方向(8)上与所述壳体连接孔(3)相邻地布置。

4.根据权利要求3所述的涡轮机壳体，其中相邻的所述壳体连接孔(3)至少区段性地被连接接片(19)包围，所述连接接片相对于所述夹持边缘(7)在所述涡轮机壳体的轴向方向(13)上凹进地布置，其中设置在每两个相邻的壳体连接孔之间的所述材料凹部(4)相对于所述连接接片(19)在所述涡轮机壳体的轴向方向(13)上凹进地布置。

5.根据权利要求4所述的涡轮机壳体，其中所述夹持边缘(7)在两个相邻的壳体连接孔(3)之间的区域中分别具有将环形凹槽(5)加宽的夹持边缘凹部(10)。

6.根据权利要求5所述的涡轮机壳体，其中所述夹持边缘凹部(10)的第一深度(20)等于所述环形凹槽(5)的第二深度(11)和设置在所述环形凹槽中的所述壳体连接孔(3)的第三深度(12)之和，其中这些深度沿所述涡轮机壳体的轴向方向(13)延伸。

7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机壳体，其中所述涡轮机壳体多件式地构成。

8.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，其中所述夹持边缘(7)形成所述涡轮机壳体的单独构件。

9.根据权利要求7所述的涡轮机壳体，其中隔热罩或喷嘴环形成所述涡轮机壳体的单独构件。

10.根据权利要求9所述的涡轮机壳体，其中所述夹持边缘(7)是所述隔热罩或所述喷嘴环的组成部分。

11.一种排气涡轮机(15)，所述排气涡轮机具有根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮机壳体(1)。

12.根据权利要求11所述的排气涡轮机，所述排气涡轮机具有与所述涡轮机壳体(1)连接的轴承壳体(14)，其中所述涡轮机壳体借助于连接元件(15)与所述轴承壳体连接。

13.根据权利要求12所述的排气涡轮机，所述排气涡轮机具有夹持元件(16)，所述夹持元件分别由一个或多个连接元件(15)压到所述涡轮机壳体(1)的所述连接法兰(2)处和压到所述轴承壳体(14)处。

14.根据权利要求11所述的排气涡轮机，其中所述夹持元件(16)被压到所述夹持边缘(7)处。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的排气涡轮机，其中所述连接元件(15)是螺钉或螺纹销。

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