CN115066544A - 用于对涡轮机壳体定心的定心装置、包括定心装置的涡轮系统以及对涡轮机壳体定心的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种用于使涡轮壳体(40)相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线(33)定心的定心装置(10)。定心装置(10)包括具有外径D1和内径D2的环形主体(11)，其中D1/D2之比≤2。另外，定心装置(10)包括设置在环形主体(11)的侧表面(12)上的两个或更多个定心元件(16)，用于与设置在支承壳体(20)上的相应的互补定心元件(21)接合。两个或更多个定心元件(16)被配置用于在两个或更多个定心元件(16)与相应的互补定心元件(21)接合期间允许环形主体(11)的径向热膨胀。此外，描述了一种包括这种定心装置的涡轮系统以及一种对涡轮机壳体定心的方法。

Description

用于对涡轮机壳体定心的定心装置、包括定心装置的涡轮系 统以及对涡轮机壳体定心的方法
技术领域
本公开的实施例涉及一种用于对涡轮机壳体定心的定心装置。此外，本公开的实施例涉及涡轮系统(例如涡轮增压器或涡轮复合装置)，该涡轮系统具有如本公开中所述的定心装置。另外，本公开的实施例涉及一种对涡轮机壳体定心的方法，特别是通过使用如本文所述的定心装置对涡轮机壳体定心的方法。
背景技术
典型的涡轮系统是涡轮增压器或涡轮复合装置。如今，废气涡轮增压器被广泛用于提高内燃机的性能。废气涡轮增压器通常具有在内燃机的排气道中的涡轮机和在内燃机上游的压缩机。内燃机的废气在涡轮机中膨胀。所获得的功通过轴传递到压缩机，该压缩机压缩供给到内燃机的空气。通过使用废气的能量来压缩供给内燃机中的燃烧过程的空气，能够优化内燃机的燃烧过程和效率。涡轮复合式发动机是一种往复式发动机，其使用涡轮机从废气中回收能量。该能量不是用来驱动涡轮增压器，而是被送到输出轴，以增加由发动机传送的总功率。
通常，涡轮系统(例如涡轮增压器或涡轮复合装置)包括涡轮机、尤其是径流式涡轮机，该涡轮机被封装在涡轮机壳体中。涡轮机壳体必须相对于径流式涡轮机的中心轴线定心。通常，涡轮机壳体的定心是通过热气定心来完成的，例如在涡轮机壳与支承壳体之间设置的隔热罩或喷嘴环上的热气定心来完成的。传统的热定心方法存在的问题是，不能保证从废气到热定心元件(例如隔热罩)的同样快速的热传递，使得对于瞬态运行状态，涡轮机叶轮与涡轮机箱体之间需要更大的间隙。然而，涡轮机叶轮与涡轮机箱体之间较大的间隙对涡轮机效率具有不利影响。
因此，鉴于上述情况，需要提供改进的涡轮机壳体的定心。
发明内容
鉴于上述情况，提供了一种用于对涡轮机壳体定心的定心装置、一种包括如本文描述的定心装置的涡轮系统以及一种根据独立权利要求的对涡轮机壳体定心的方法。其他方面、优点和特征从从属权利要求、说明书和附图中是显而易见的。
根据本公开的一个方面，提供了用于将涡轮壳体相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线定心的定心装置。定心装置包括具有外径D1和内径D2的环形主体，其中其中D1/D2之比小于等于2(D1/D2≤2)。另外，定心装置包括设置在环形主体的侧表面上的两个或更多个定心元件。两个或更多个定心元件被配置用于与设置在支承壳体上相应的互补定心元件接合。两个或更多个定心元件被配置用于在两个或更多个定心元件与相应的互补定心元件接合期间允许环形主体的径向热膨胀。
因此，与现有技术相比，本公开的定心装置提供了涡轮机壳体相对于径流式涡轮机的中心轴线的改进定心。尤其是，如本文描述的定心装置的实施例提供了在瞬态和稳态运行下实现涡轮机壳体的定心以及实现涡轮机叶轮与涡轮机壳体之间的最小间隙。因此，与现有技术相比，涡轮机效率能够通过采用本文描述的定心装置来提高。尤其是，已经发现利用如本文描述的定心装置，能够实现间隙的减小和涡轮机效率的提高。
根据本公开的另一方面，提供了一种涡轮系统。涡轮系统包括支承壳体、径流式涡轮机的涡轮机壳体和沿中心轴线延伸的轴。轴安装在支承壳体中，并且涡轮机叶轮布置在轴上。此外，涡轮系统包括在涡轮机叶轮上游形成在涡轮机壳体中的废气入口通道。另外，涡轮系统包括根据本文描述的实施例的定心装置。支承壳体包括与定心装置的两个或更多个定心元件互补的定心元件。定心装置的两个或更多个定心元件支承壳体的相应的互补定心元件接合。两个或更多个定心元件被配置用于在两个或更多个定心元件与相应的互补定心元件接合期间允许环形主体的径向热膨胀。
因此，与现有技术相比，提供了改进的涡轮系统。尤其是，如本文描述的涡轮系统的实施例，在结合使涡轮机叶轮与涡轮机壳体之间的间隙最小化的情况下，提供了涡轮壳体在瞬态和稳态运行下的优化定心，使得能够改进涡轮系统效率。
根据本公开的另一方面，提供了一种使涡轮机壳体相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线定心的方法。该方法包括将来自废气的热量传输到根据本文描述的实施例的定心装置。此外，该方法包括经由定心装置的热膨胀对涡轮机壳体定心。
因此，与现有技术相比，如本文描述的方法的实施例提供了涡轮机壳体在瞬态和稳态运行下的优化定心，使得能够最小化涡轮机叶轮与涡轮机壳体之间的间隙，并且能够改进涡轮系统效率。
附图说明
以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，参照实施例可以获得上面简要总结的本公开的更具体的描述。附图涉及本公开的实施例并且描述如下：
图1示出了根据现有技术的涡轮系统的一部分的横截面视图，该涡轮系统具有径流式涡轮机和用于对涡轮机壳体定心的隔热罩：
图2示出了根据本文描述的实施例的定心装置的示意性等距视图：
图3示出了支承壳体的示意性等距视图，该支承壳体包括与根据本文描述的实施例的定心装置的定心元件互补的定心元件：以及
图4示出了涡轮系统的一部分的横截面，该涡轮系统具有包括根据本文描述的实施例的定心装置的径流式涡轮机。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，这些实施例中一个或更多个示例在每幅图中示出。每个示例都是以解释的方式提供的，并非意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征能够用于任何其他实施例中或与其结合以产生另外的实施例。本公开旨在包括这样的修改和变化。
在附图的以下描述中，相同的附图标记表示相同或相似的部件。通常，仅描述关于各个实施例的不同之处。除非另有说明，一个实施例中的一部分或一方面的描述同样能够适用于另一个实施例中的对应部分或对应方面。
图1示出了根据现有技术的涡轮系统100的横截面视图，该涡轮系统100具有径流式涡轮机35和用于对涡轮机壳体40定心的隔热罩62。径流式涡轮机35包括涡轮机壳体40、轴34，该轴安装在支承壳体20中并且在该轴上设置有具有转子叶片31的涡轮机叶轮30。另外，图1示出了布置在涡轮机壳体40与支承壳体20之间的隔热罩62和喷嘴环61。根据现有技术，如图1示例性所示，涡轮机壳体的热气定心是经由隔热罩实施的。图1所示的护罩具有一个冷定心元件63和两个热定心元件64。从图1可以理解，在低温下，涡轮机壳体40经由冷定心元件63定心，而在高温下，即在隔热罩62热膨胀时，涡轮机壳体经由热定心元件64定心。然而，从图1可以理解，在瞬态运行状态下，即在涡轮机启动期间，由于整个隔热罩的热膨胀不均匀，定心可能不是最佳的。此外，如根据图1的现有技术示例性所示，通常在喷嘴环61与隔热罩62之间存在空隙65，这可能不利于从废气到隔热罩以实现热定心的热传递。
示例性地参照图2至图4，描述了用于使涡轮壳体40相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线33定心的定心装置10。根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，定心装置10包括具有外径D1和内径D2的环形主体11。D1/D2之比小于等于2(D1/D2≤2)。尤其是，环形主体11的内径D2通常提供中心开口14。通常，涡轮机壳体在瞬态和高温运行状态下的定心是经由环形主体的外径向壳表面、即在外径D1处实现的。
应当理解，本文描述的定心装置通常是单独的装置。换言之，通常如本文描述的定心装置不是支承壳体或涡轮机壳体的一部分。更具体地，根据本文描述的实施例的定心装置通常既不是支承壳体的组成部分，也不是涡轮机壳体的组成部分，而是单独的装置。
另外，如图2示例性所示，定心装置10包括设置在环形主体11的侧表面12上的两个或更多个定心元件16。典型地，环状主体11的侧表面12是支承壳体侧，该侧表面上设置有两个或更多个定心元件16。如图3示例性所示，两个或更多个定心元件16被配置用于与设置在支承壳体20上相应的互补定心元件21接合。
此外，两个或更多个定心元件16被配置用于在两个或更多个定心元件16与相应的互补定心元件21接合期间允许环形主体11的径向热膨胀。换言之，两个或更多个定心元件16被配置为使得在定心装置10热膨胀期间确保两个或更多个定心元件16与互补定心元件21之间的接触。更具体地，两个或更多个定心元件16被配置为使得在环形主体11径向热膨胀期间，提供两个或更多个定心元件16相对于互补定心元件21的引导运动。
因此，通过在涡轮系统中使用定心装置10，例如，如图4示例性所示，尤其是在瞬态和稳态运行状态下，能够提供改进的涡轮机壳体的定心。结果，能够减小涡轮机叶片31与涡轮机壳体40之间的间隙R，使得能够改进涡轮机效率。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，两个或更多个定心元件16具有第一平面引导表面17。如图2和3示例性所示，相应的互补定心元件21具有互补第二平面引导表面18。尤其是，第一平面引导表面17和第二平面引导表面18被配置用于在环形主体11的热膨胀、特别是径向热膨胀期间，引导两个或更多个定心元件16相对于相应的互补定心元件21的相对运动。
例如，根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，两个或更多个定心元件16的第一平面引导表面17的相对表面能够彼此平行。替代地，两个或更多个定心元件16的第一平面引导表面17可以相对于彼此倾斜。尤其是，如图2示例性所示，第一平面引导表面17可以朝向环形主体11的内径的中心C倾斜。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的示例，第一平面引导表面17布置在引导元件16的相对侧上，其中第一平面引导表面17中的一个具有沿顺时针周向方向指向的第一表面法线N1，第一平面引导表面17中的另一个具有沿环状主体11的逆时针周向方向指向的第二表面法线N2。
因此，如图3示例性所示，相应的互补定心元件21中的一个或更多个的互补第二平面引导表面18的相对表面能够彼此平行或相对于彼此倾斜，使得在定心装置的环形主体11的热膨胀期间，能够实现两个或更多个定心元件16相对于相应的互补定心元件21的相对运动。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的替代示例，两个或更多个定心元件16中的一个或更多个可以具有圆形形状(未明确示出)。尤其是，两个或更多个定心元件16中的一个或更多个可以具有从环形主体11的侧表面12延伸的圆柱形形状(例如，具有圆形基座、蛋形基座或椭圆形基座)。因此，应当理解，与具有平面引导表面18的相应的互补定心元件21接合的圆形形状、特别是圆柱形形状的定心元件16在定心元件16与相应的互补定心元件21之间提供相对布置的两个接触点、特别是接触线。因此，在环形主体的热膨胀期间，两个或更多个定心元件16相对于相应的互补定心元件21的相对运动也可以用定心装置10的圆形形状或圆柱形形状的定心元件16来实现。根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，两个或更多个定心元件16是凹口和/或凸轮。对应地，相应的两个或更多个互补定心元件21是凸轮和/或凹口。换言之，两个或更多个定心元件16能够包括一个或更多个凹口和一个或更多个凸轮、两个或更多个凹口或者两个或更多个凸轮。可以对应地配置相应的互补定心元件21。换言之，相应的互补定心元件21可以包括一个或更多个凸轮和一个或更多个凹口、两个或更多个凸轮或者两个或更多个凹口。图2示出了一个示例，其中两个或更多个定心元件16是三个凹口。图3示出了一个示例，其中相应的互补定心元件21是三个凸轮。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，定心装置10连接到喷嘴环或者是喷嘴环的一部分。尤其是，定心装置10能够经由焊接连接、钎焊连接和一个或更多个紧固件中的至少一种连接到喷嘴环。替代地，定心装置10是喷嘴环的组成部分。例如，定心装置和喷嘴环可以由单个铸造或机加工的元件制成。
如图2示例性所示，导向叶片15可以围绕中心开口14周向地设置在环形主体11的涡轮机侧13上。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的示例，两个或更多个定心元件16包括至少一个凸轮，该凸轮具有容纳部19，用于容纳热板50的固定元件51、特别是凸耳。因此，有利地，两个或更多个定心元件16可以被配置为提供双重功能，即一方面定心而另一方面固定热板。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，如图2示例性所示，两个或更多个引导元件16在围绕中心开口14的圆周方向上等距地间隔开。替代地，两个或更多个引导元件16能够在围绕中心开口14的圆周方向上不规则地间隔开(未明确示出)。
示例性地参照图4，根据本发明的另一方面，描述了涡轮系统。涡轮系统包括支承壳体20、径流式涡轮机的涡轮机壳体40、沿中心轴线33延伸的轴34。轴安装在支承壳体20中，并且涡轮机叶轮30布置在或安装到轴上。通常，如本文所述，轴34延伸穿过定心装置10的中心开口14。涡轮系统包括在涡轮机叶轮30上游形成在涡轮机壳体40中的废气入口通道41。另外，涡轮系统包括根据本文描述的实施例中的任何一个的定心装置10。支承壳体20包括与定心装置10的两个或更多个定心元件16互补的定心元件21。两个或更多个定心元件16与设置在支承壳体20上的相应的互补定心元件21接合。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的涡轮系统的实施例，定心装置10连接到喷嘴环，特别是经由焊接连接、钎焊连接和一个或更多个紧固件中的至少一种连接。替代地，定心装置10是喷嘴环的组成部分。如图2和图4示例性所示，喷嘴环可以包括叶片15。例如，导向叶片15能够设置在支承壳体侧12处设置的第一环形片状元件111与涡轮机壳体侧13处设置的第二环形片状元件112之间。此外，第二环形片状元件112能够连接到密封环113。
替代地，喷嘴环可以是无叶片的(未明确示出)。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，定心装置10由具有比涡轮机壳体40的材料和/或支承壳体20的材料更高的热膨胀系数的材料制成。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的实施例，定心装置10由具有与喷嘴环的材料相同的热膨胀系数的材料制成。
根据能够与本文描述的其他实施例组合的涡轮系统实施例，定心装置10布置在支承壳体20与涡轮机壳体40之间。定心装置10被布置和配置为使得在涡轮系统运行期间将来自废气的热量传输到定心装置10，并且从废气到定心装置的热流量是连续函数。热流量为ΔQ/Δt＝-κ·A·ΔT/Δx，其中ΔQ为净热(能量)传递，Δt为所用时间，ΔT为冷热侧温差，Δx为导热材料的厚度(冷热侧之间的距离)，κ是热导率，A是表面散发热量的表面积。因此，只要热导率κ在热流路径上是连续的或恒定的，热流量就是连续函数。
换言之，根据可与本文所述的其他实施例组合的实施例，定心装置被配置和布置在如本文描述的涡轮系统中，使得沿从废气到定心装置的热流路径，热导率没有突然变化。例如，如图1的现有技术所示，喷嘴环61与隔热罩之间的空隙65表示了在“固态到气态”和“气态到气态”的界面处沿热流路径的热导率变化，并因此提供了热流的不连续函数。
如图4示例性所示，根据可与本文所述的其他实施例结合的涡轮系统的实施例，涡轮系统还包括具有固定元件51的热板50。尤其是，固定元件51(例如凸耳)通常布置在定心装置10的凸轮的容纳部19中。
根据本发明的另一方面，描述了一种使涡轮机壳体40相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线33定心的方法。该方法包括将来自废气的热量传输到根据本文描述的任何实施例的定心装置10。另外，该方法包括经由定心装置10的热膨胀对涡轮机壳体定心。更具体地，通常将来自废气的热量传输到定心装置包括提供从废气到定心装置的热流量，其中热流量是连续函数。
鉴于上述情况，应当理解，本文描述的实施例有利地提供优化的涡轮机壳体的热定心，并通过在瞬态和稳态运行时实现涡轮机、特别是涡轮机叶轮叶片与壳体之间的最小间隙来确保最佳涡轮机效率。
虽然以上描述针对实施例，但是在不脱离基本范围的情况下可以设想其他和另外的实施例，并且范围由所附权利要求确定。
附图标记
10 定心装置
11 环形主体
12 侧表面
13 涡轮机侧
14 中心开口
15 导向叶片
16 引导元件
17 第一引导表面
18 第二引导表面
19 容纳部
20 支承壳体
21 互补引导元件
30 涡轮机叶轮
31 涡轮机叶片
33 中心轴线
34 轴
35 径流式涡轮
36 喷嘴环
40 涡轮机壳体
41 废气入口通道
50 热板
51 凸耳
61 现有技术喷嘴环
62 现有技术隔热罩
63 冷定心元件
64 热定心元件
100 涡轮系统
111 第一环形片状元件
112 第二环形片状元件
113 密封环
D1 外径
D2 内径
C 中心

Claims (15)

1.一种用于使涡轮壳体(40)相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线(33)定心的定心装置(10)，所述定心装置包括：
-环形主体(11)，其具有外径D1和内径D2，其中D1/D2之比≤2：以及
-两个或更多个定心元件(16)，其设置在所述环形主体(11)的侧表面(12)上，用于与设置在支承壳体(20)上的相应的互补定心元件(21)接合，其中所述两个或更多个定心元件(16)被配置用于在所述两个或更多个定心元件(16)与所述相应的互补定心元件(21)接合期间允许所述环形主体(11)的径向热膨胀。
2.根据权利要求1所述的定心装置(10)，其中，所述两个或更多个定心元件(16)具有第一平面引导表面(17)，所述相应的互补定心元件(21)具有互补第二平面引导表面(18)，用于在所述环形主体的热膨胀期间引导所述两个或更多个定心元件(16)相对于所述相应的互补定心元件(21)的相对运动。
3.根据权利要求2所述的定心装置(10)，其中所述两个或更多个定心元件(16)中的一个或更多个的第一平面引导表面(17)的相对表面相对于彼此平行或倾斜，并且所述相应的互补定心元件(21)中的一个或更多个的互补第二平面引导表面(18)的相对表面彼此平行或相对于彼此倾斜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的定心装置(10)，其中，所述两个或更多个定心元件(16)是凹口和/或凸轮，并且其中所述相应的互补定心元件(21)是凸轮和/或凹口。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的定心装置(10)，其中，所述定心装置(10)连接到喷嘴环，特别是经由焊接连接、钎焊连接和一个或更多个紧固件中的至少一种连接。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的定心装置(10)，其中，所述定心装置(10)是喷嘴环的组成部分。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的定心装置(10)，其中所述两个或更多个定心元件(16)是凸轮，并且其中所述凸轮中的至少一个包括容纳部(19)，用于容纳热板(50)的固定元件(51)、特别是凸耳。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的定心装置(10)，其中所述两个或更多个引导元件(16)在围绕中心开口(14)的周向方向上等距地间隔开，或者其中所述两个或更多个引导元件(16)在围绕所述中心开口(14)的周向方向上不规则地间隔开。
9.一种涡轮系统，包括：
-支承壳体(20)：
-径流式涡轮机的涡轮机壳体(40)：
-沿中心轴线(33)延伸的轴(34)，所述轴安装在所述支承壳体(20)中，并且在所述轴上布置有涡轮机叶轮(30)，
-废气入口通道41，其在所述涡轮机叶轮(30)上游形成在所述涡轮机壳体(40)中，以及
-根据权利要求1至8中任一项所述的定心装置(10)，其中所述支承壳体(20)包括与所述定心装置(10)的两个或更多个定心元件(16)互补的定心元件(21)，并且其中所述两个或更多个定心元件(16)与相应的互补定心元件(21)接合。
10.根据权利要求9所述的涡轮系统，其中，所述定心装置(10)连接到喷嘴环，特别是经由焊接连接、钎焊连接和一个或更多个紧固件中的至少一种连接，或者其中所述定心装置(10)是所述喷嘴环的组成部分。
11.根据权利要求10所述的涡轮系统，其中，所述喷嘴环由与所述定心装置(10)的材料具有相同的热膨胀系数的材料制成。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的涡轮系统，其中所述定心装置(10)布置在所述支承壳体(20)与所述涡轮机壳体(40)之间，并且其中，所述定心装置(10)被布置和配置为使得在涡轮系统运行期间将来自废气的热量传输到定心装置(10)，并且从废气到所述定心装置的热流量是连续函数。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的涡轮系统，还包括热板(50)，所述热板(50)具有布置在根据权利要求4所述的定心装置(10)的凸轮的容纳部(19)中的固定元件(51)、特别是凸耳。
14.一种使涡轮壳体(40)相对于涡轮系统的径流式涡轮机的中心轴线(33)定心的方法，所述方法包括：
-将来自废气的热量传输到根据权利要求1至8中任一项所述的定心装置(10)，并且
-经由所述定心装置(10)的热膨胀对所述涡轮机壳体定心。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，将来自废气的热量传输到所述定心装置包括提供从废气到所述定心装置的热流量，其中所述热流量是连续函数。
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