CN1328482C - 用于涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有离心压缩机(12)的涡轮增压器，其中在压缩机叶轮出现断裂的情况下可以防止壳体件(28、20)或固定在压缩机壳体(26、28)上的构件(32)沿轴向离心分离。这种涡轮增压器具有一个断裂保护装置(34)，该机构带有一个在压缩机叶轮(14)的工作叶片(16)的上方径向向外限制一流动通道(18)的插入壁(20)，该插入壁设有一理论断裂点(36)。

Description

用于涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置
技术领域
本发明涉及一种涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置，还涉及一种涡轮增压器。
背景技术
随着对于废气涡轮增压器的压缩比方面越来越高的要求，由于巨大的离心力压缩机叶轮断裂的危险也增大。压缩机叶轮的断裂对于压缩机周围的人群和物品都有相当大的危险，这是因为压缩机的叶轮的碎片以其巨大的动能会击穿废气涡轮增压器的外壳。四处飞溅的碎片会致人于死，并且会对周围的设备造成相当大的损坏。
为了防止径向上离心加速的碎片击穿涡轮增压器的外壳，人们提出过各种建议。例如有人将径向上从外面包着压缩机叶轮的壳体部件的壁厚做得大些。也有人建议为径流式涡轮机设置防断裂环，该环设置在包围着压缩机叶轮的区域内，例如在DE-A-19640654和US4955192以及WO92/07180中都提到了这种建议。
在EP-0908629中建议，在压缩机叶轮的扩散器法兰(其位于压缩机叶轮与涡轮叶轮之间，且在外部区域内与压缩机壳体连接，而在内部区域内与轴承箱连接)上设有一个理论断裂点，该理论断裂点的形式为一个位于所述内部区域与外部区域之间的圆形槽，这样，当出现压缩机叶轮断裂时，沿径向加速的折断块就不会穿透压缩机壳体。但这种理论断裂点却无法阻止折断块沿轴向上的离心分离。
在离心压缩机断裂的情况下，压缩机叶轮的作用就像在一个压缩机扩散器与一个插入壁之间的楔子，所述扩散器在流动通道中的下游与压缩机叶轮相邻，所述插入壁在压缩机动的叶片的上方一区域内径向向外地限定流动通道。这样，不仅在径向上有一个很大的作用力，而且在轴向上也有一个很大的作用力。该轴向作用力通过上述插入壁传递给压缩机壳体，并进一步传递给压缩机壳体与一个串接的构件之间的连接部位，所述串接构件例如为一个吸气管接头或一个消声器。压缩机壳体与串接构件之间的连接件(大多数情况下为螺旋连接件)承受不了很大的轴向力，压缩机壳体的构件以及串接构件都会产生轴向的离心分离。上述措施不能防止由此所带来的对人和相邻的设备所形成的危险。
发明内容
因此，本发明的任务是提供一种带有离心压缩机的涡轮增压器，其中在压缩机出现断裂的情况下防止壳体部件或者固定在压缩机壳体上的部件的轴向离心分离。
这一任务是通过本发明的一种涡轮增压器以及涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置来解决。
根据本发明的用于涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置具有一个流动通道，该流动通道在压缩机叶轮的工作叶片的上方由一个插入壁径向向外地限制。所述插入壁在工作叶片的上方或其更下游处具有一个理论断裂点。在压缩机叶轮出现断裂的情况下，一部分轴向力由理论断裂点处插入壁的受控的断裂所吸收。此外，由于插入壁的断裂，经插入壁向在径向上外侧包围着插入壁的壳体部分以及向压缩机壳体与串接构件(例如为一个吸气管接头或者一个消声器)之间的连接件传递的力线中断。压缩机壳体与串接构件之间的连接件不会被损坏，各部件也不再会沿轴向离心分离。插入壁在径向上由压缩机壳体的一内壁包围着，并具有至少一个成锥形朝上游缩小的第一区段，其中该区段的起始位置大致在插入壁的理论断裂点的高度处，并在那里有一个大致等于或略大于理论断裂点处的插入壁的半径的初始半径。由于接收了很大一部分轴向的动能，插入壁的已经断裂的部分沿轴向移动，内壁的所述朝轴向上游缩小的锥形的第一区段使所述断裂部分轴向上的运动进行制动。通过内壁上该区段的变形以及摩擦损失，消除了轴向上的动能。
在一个特别优选的实施形式中，理论断裂点设置在压缩机叶轮的工作叶片与在下游相邻的压缩机扩散器的导向叶片之间。理论断裂点的这样设置导致很大一部分轴向上的能量接收在插入壁的断裂部分上。
优选的是，理论断裂点为一个切口的形式。这样制起来简单，成本低廉，而且保证插入壁非常确定的断裂。
特别有利的是，内壁上的所述成锥形向上游缩小的第一区段的锥度大致在5°至20°的范围内。通过这种方式可以消除很大一部分轴向动能，同时保证内壁只变形，不会穿透。
非常有利的是，所述成锥形向上游缩小的第一区段与其它成锥形向上游缩小的区段相连，这些区段优选具有不同的锥度。这使得在内壁的断裂处尚存的轴向动能与通过摩擦和内壁的变形而消除的动能之间实现最佳化。
在这种意义上非常有利的是，与所述第一区段相连的成锥形向上游缩小的第二区段的锥度在30℃至50℃之间选择。
在一个特别有利的实施形式中，设置若干沿径向从插入壁向外伸出的制动件，这些制动件在压缩机叶轮出现断裂的情况下与内壁上其它朝上游成锥形缩小的区段共同作用。这样就可同时在多点上通过摩擦和内壁的变形消除储存在插入壁的已断裂部分中的轴向上的动能。
同样非常有利的是，一个或多个成锥形朝上游缩小的区段设计成从内壁处在径向上向内伸出的制动凸起。这些制动凸起可以变形，而不会对相邻的锥形段产生变形影响。
在压缩机叶轮出现断裂的情况下，具有一个离心压缩机的根据本发明的涡轮增压器对于涡轮增压器旁的人员和相邻设备的危险很小，该离心压缩机具有一个上述的按本发明的断裂保护装置。
附图说明
下面结合附图中示出的两个优选实施例详细地描述本发明的主题。附图示意性地示出：
图1现有技术中的带有离心压缩机的涡轮增压器在压缩机一侧的一部分沿其机器轴线的截面图；
图2带有本发明断裂保护装置的一个本发明涡轮增压器在压缩机一侧的部分沿其机器轴线的截面图；
图3与图2相似的视图中本发明的断裂保护装置的另一实施形式。
附图中所用到的标记及其含意汇总在附图标记一览表中。基本上附图中相同的部件采用相同的标记。所描述的实施形式对于本发明的主题来说均为示范性的，没有限制的作用。
具体实施方式
图1示出了一个带有一离心压缩机12的涡轮增压器的压缩机一侧沿着其机器轴线10的截面图。所述离心压缩机12具有一个支撑在一轴13上的压缩机叶轮14，该叶轮带有工作叶片16。这些工作叶片16伸入一流动通道内，该通道在图中以箭头18标记出。这一流动通道18至少在工作叶片16的上方部位上径向向外由一个插入壁20所限制。插入壁20的延伸一方面在轴向上径向向外限制气体入口区域，然后过渡到一个与工作叶片轮廓相适应的区域，最后，在设置在工作叶片16下游的压缩机扩散器22的区域内以一个大致径向延伸的部位形成流动通道18的一个外部限制壁。压缩机扩散器22具有导向叶片40，并借助于一个螺栓23一方面与插入壁20、另一方面与包围着压缩机叶轮14的压缩机壳体连接。压缩机壳体具有一个外壳体部分26和一个内壁28。内壁28直接接在插入壁20的径向延伸的部位上，且径向向外包围着插入壁20的轴向延伸的部位。压缩机壳体在气体进入一侧借助于一个连接件30与一个串接的构件32连接，所述连接件30在此为螺纹连接件。该串接构件32例如可以是一个吸气管接头，或者是一个消声器。
在出现压缩机断裂的情况下，压缩机叶轮14就像在压缩机扩散器22与插入壁20之间的一个楔子。由此而形成的很大的轴向力，在这种离心压缩机12中通过插入壁20传递到内壁28上，并进一步传递到连接件30上。如果出现太大的轴向力，连接件30承受不了这种突然的负荷，串接的构件32、内壁28以及插入壁20都会产生轴向离心分离。
图2中示出了按照本发明的带有离心压缩机的涡轮增压器中与图1所示相似的压缩机一侧的一部分，在这种涡轮增压器中不会发生上述危险。带有压缩机叶轮14、工作叶片16、插入壁20、压缩机扩散器22和压缩机壳体26、28以及串接构件32的离心压缩机12基本上与图1所示的现有技术中的涡轮增压器结构相同。与现有技术不同的是，根据本发明的用于离心压缩机12的涡轮增压器带有一个断裂保护装置34，该装置防止壳体部件28、插入壁20及串接构件32产生轴向离心分离。
断裂保护装置34包括插入壁20，该插入壁20在压缩机叶轮14的工作叶片16的上方径向向外限制流动通道18，其中该插入壁具有一个理论断裂点36。在图2中示出的示例中，该理论断裂点36位于插入壁20的轴向延伸段与径向延伸段之间的区域38内，更确切地说，位于压缩机叶轮14的工作叶片16与压缩机扩散器22的导向叶片40之间。内壁28在其与插入壁20的径向延伸的区域相接的部分内的初始半径Ra与插入壁20在理论断裂点36的区域内的半径Re大致相同，或略大于该半径Re。在一个成锥形朝上游缩小的第一区段42中，内壁28以大约5°的锥度从初始半径Ra逐渐缩小。在一个朝上游缩小的第二区段44(其在上游处与第一区段42相接)中，内壁28以大致40°的锥度缩小。还进一步设有内壁28的成锥形朝上游方向缩小的区段46，它与从插入壁20径向朝外伸出的制动件48共同作用。
图3中示出根据本发明的断裂保护装置34的另一实施形式，其中多个朝上游成锥形缩小的区段44、46设计为从内壁28径向向内伸出的制动凸起50。
当然，理论断裂点36也可以设置在工作叶片上方的区域内的其它位置上、在插入壁20的轴向和径向延伸的区域之间、甚至在插入壁20的径向延伸的区域内的上游部分中。当轴向力不太大时，可以只将理论断裂点36设置在插入壁20上。对于第一区段42，内壁的锥度大致可以在5 °至30°的范围内，而在其它区段44、46内，大致可以在5°至50°的范围内。制动件48和制动凸起50最好与插入壁20成为一体，或者与内壁28成为一体，如图2和3所示。然而，它们也可以构造为单独的构件。
附图标记一览表
10  机器轴线
12  离心压缩机
13  轴
14  压缩机叶轮
16  工作叶片
18  流动通道
20  插入壁
22  压缩机扩散器
23  螺栓
26  压缩机壳体的外壳体部分
28  压缩机壳体的内壁
30  连接件
32  串接构件
34  断裂保护装置
36  理论断裂点
38  下游区域
40  导向叶片
42  第一区段
44  第二区段
46  其它区段
48  制动件
50  制动凸起

Claims (9)

1.一种涡轮增压器的离心压缩机的断裂保护装置，具有一在径向上由一个压缩机壳体的一个内壁(28)所包围的插入壁，该插入壁在压缩机叶轮的工作叶片的上方径向向外地限制一流动通道，其特征在于：所述插入壁(20)具有一个在径向上的理论断裂点(36)，内壁(28)具有至少一个成锥形朝上游缩小的第一区段(42)，该第一区段的起始位置位于插入壁(20)的理论断裂点(36)的高度处，其初始半径(Ra)等于或大于插入壁(20)在理论断裂点(36)处的半径(Re)。
2.如权利要求1的断裂保护装置，其特征在于：所述理论断裂点(36)位于插入壁(20)上一轴向延伸区域与一径向延伸区域之间的区域(38)内。
3.如权利要求1或2的断裂保护装置，其特征在于：该插入壁径向上的理论断裂点(36)设置在压缩机叶轮(14)的工作叶片(16)与压缩机扩散器(22)的导向叶片(40)之间。
4.如权利要求1的断裂保护装置，其特征在于：该理论断裂点(36)构造成一个切口的形式。
5.如权利要求1的断裂保护装置，其特征在于：内壁(28)具有其它的成锥形朝上游缩小的区段(44、46)。
6.如权利要求5的断裂保护装置，其特征在于：所述区段(42、44、46)具有不同的锥度。
7.如权利要求5的断裂保护装置，其特征在于：内壁(28)上的其它成锥形朝上游缩小的区段(44、46)在出现压缩机叶轮断裂的情况下与沿径向从插入壁(20)向外伸出的制动件(48)共同作用。
8.如权利要求5的断裂保护装置，其特征在于：成锥形朝上游缩小的区段(42、44、46)由从内壁(28)径向向内伸出的制动凸起(50)构成。
9.一种带有一离心压缩机的涡轮增压器，该离心压缩机的压缩机叶轮以其工作叶片伸入一流动通道内，该流动通道径向向外地至少在工作叶片的上方由一个插入壁所限制，其特征在于：设有一个如权利要求1至8中任一项的断裂保护装置(34)。
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