CN1650092A - 轴上带有当压缩机转子开裂时用于轴向固定的装置的涡轮增压器 - Google Patents

轴上带有当压缩机转子开裂时用于轴向固定的装置的涡轮增压器 Download PDF

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Abstract

涡轮增压器(1)包括涡轮机(2)和与涡轮机(2)连接的压缩机(3)，其中，涡轮机(2)包括涡轮(4)，压缩机(3)包括压缩机转子(7)，它们借助于轴(10)相互连接并置于外壳(5，9，16)内。在工作状态下压缩机转子(7)与轴(10)分离时，在涡轮(4)和与其连接的轴(10)上作用一该轴向力。在与涡轮(4)连接的轴(10)上，设置用于轴向固定外壳(5，9，16)内轴和与其连接涡轮的装置(22，25)。

Description

轴上带有当压缩机转子 开裂时用于轴向固定的装置的涡轮增压器
技术领域
背景技术
借助于涡轮增压器可以将内燃机的废气用于压缩输送到内燃机的燃烧用空气。涡轮增压器为此具有与共用轴配合的涡轮机和压缩机。内燃机的废气在涡轮机内减压并转换为旋转能量。所获得的旋转能量借助于该轴传递到压缩输送给内燃机空气的压缩机上。通过将废气的能量用于压缩输送到内燃机内燃烧过程的空气，可以优化内燃机的燃烧过程和能量收益率。
因为在涡轮增压器上，通常外壳的中间部件由于里面包含轴承需要预先加工和封闭，甚至可能整体构成，所以压缩机转子在涡轮增压器组装时，要首先与轴和固定在轴上的涡轮连接，以便使组件涡轮机-轴-压缩机能够完全装入外壳内。这种结构的缺点是，在压缩机转子开裂时，轴不再能够在外壳内通过轴承轴向定位，而且由于涡轮产生的轴向力会导致轴从外壳内沿轴向脱落。为了尽可能避免这一点，通常是将外壳或者安装在外壳上的排气弯管或者板式扩压器或者排气管加固，使开裂的部件或者轴可靠地保持在外壳内。然而这种加固相当昂贵和费时，而且在涡轮产生作用于轴的轴向力很高的情况下，该轴仍然会从外壳脱落并导致严重的事故。
发明内容
本发明的目的在于，在上述类型的涡轮增压器上提供一种用于防止轴从外壳内脱落的简单和成本低廉的装置。
根据本发明，该目的通过第一权利要求所述的特征得以实现。
本发明的核心在于，在外壳内在与涡轮连接的轴上设置用于轴和与其连接的涡轮轴向固定的装置。
本发明的优点还在于，借助简单的装置在压缩机转子开裂时，可以将剩下的轴和固定在轴上的涡轮可靠地保持在外壳内。尽管使用了轴向固定装置，但涡轮增压器仍可按传统公知的方法那样进行组装和工作，而不会增加安装和拆卸的难度。通过使用基本上径向对称的轴向固定装置，防止对转子也就是不平衡度的影响。
特别有利的是，作为轴向固定装置使用一个例如像止推环这样的防护环。这种装置价格低廉，使用简单，因为除了这种很容易得到的防护环外无需其他附加部件。迄今为止所使用的部件上的变化因此降到最低限度。轴上用于容纳防护环必须设置的环形槽非常小，对轴的特征值没有影响。
本发明其他优选的方案来自从属权利要求。
附图说明
下面借助附图对本发明的实施例作详细说明。相同的部件在不同的附图中均采用相同的附图标记。介质的流动方向采用箭头标注。其中：
图1示出根据现有技术的涡轮增压器的纵剖面示意图；
图2A示出图1截面A的放大图，但具有本发明主题的第一实施方式；
图2B示出图2A的截面B，它是本发明主题第一实施方式的另一放大图；
图3示出本发明主题的第二实施方式，类似于图2A的视图。
这里仅示出对于直接理解本发明重要的部件。没有示出例如相关的内燃机。
具体实施方式
图1以纵剖面示意示出涡轮增压器1，包括一个涡轮机2和一个压缩机3。涡轮机2主要包括带有涡轮叶片6的一个涡轮4和环绕涡轮4的一个涡轮机外壳5。压缩机3包括带有压缩机叶片8的一个压缩机转子7和环绕压缩机转子7的一个压缩机外壳9。涡轮4和压缩机转子7通过一根轴10相互连接，轴借助于不同的轴承件支承在轴承箱内。涡轮机2和压缩机3在这里示出的实施例中作为径向涡轮机和压缩机构成。以公知的方式通过未示出的内燃机经通道11，12输送到涡轮4的废气驱动涡轮4。减压并通过减压冷却的废气通过未进一步示出的废气通道排出。通过涡轮4的旋转运动，借助于轴10与涡轮4连接的压缩机转子7同样进行旋转。通过压缩机转子7吸入空气14，压缩空气并通过排放通道15以公知的方式进行输送，以便提高未示出的内燃机的效率。
为组装涡轮增压器1，将与轴10连接的涡轮4在压缩机侧的方向上插入轴承箱16内。在此，涡轮机侧的向心轴承17a可以如这里所示已经安装在轴承箱16内或者套装在轴10上。然后为了进一步支承轴10，将推力轴承18，推力环18a和辅助轴承19套装在轴10上。最后将带有预装密封垫圈20的轴承盖21和压缩机侧的向心轴承17b安装在轴上。通过将压缩机转子7旋接在轴10上，随后将的所有套装件18，18a，19，20在轴承箱16和压缩机转子7之间轴向定位。在涡轮机侧，现在可以将涡轮机外壳5推到涡轮4上并固定在轴承箱16上。在压缩机侧，可以相应地将压缩机外壳9推到压缩机转子7上同样固定在轴承箱16上。在与所示实施例不同的涡轮增压器情况下，安装步骤在细节上会略有不同，其中，将带有涡轮的轴插入轴承箱，随后套装不同轴承件并将压缩机转子在轴上固定的原则不变。
由于将压缩机转子7固定在轴10上-在该实施例中，轴端具有外螺纹，压缩机转子7具有用于压缩机转子定位的内螺纹-通过密封垫圈20，辅助轴承19，推力轴承18，推力环18a，向心轴承17a和17b以及轴承箱16的共同作用，组件压缩机转子-轴-涡轮以很小的轴向间隙可靠地保持在轴承箱16内。然而，如果在涡轮增压器1工作期间压缩机转子7出现开裂，或者压缩机转子7和轴10之间的连接断开，因为失去了正常情况下通过压缩机转子7产生的反作用力，涡轮4会加速到不允许的高转速上。涡轮4因此处于轴向力分量下，这种力分量缺少正常时通过压缩机转子7的补偿，导致轴10和涡轮4轴向运动。取决于存在的力，在涡轮4损坏情况下涡轮4和轴10从涡轮机外壳5轴向脱落。这样会危及到环境和操作人员。
图2A示出根据本发明涡轮增压器1的压缩机侧的截面，它大体上与图1根据现有技术示出的涡轮增压器12构成相同。但正如从图2A和2B可看出的那样，根据本发明在轴10上设置一个防护环22，它在该实施例中为止推环。防护环22嵌入轴10的一个环形槽23内，该防护环径向向外凸起于该环形槽并通过其轴向侧面与防护环22精确配合，或者以安装用的微小间隙沿轴向在其位置上定位。也可以设想环形槽的轴向宽度大于防护环22(未示出)的轴向宽度，其中，防护环22在停机和正常工作情况下靠近压缩机侧的侧面定位，因为对于开裂情况下产生的轴向力的力线来说，重要的首先是压缩机侧的侧面。防护环22在径向上由一防护件27环绕，该件为安装以微小的径向间隙环绕防护环22。为使防护环22在工作期间不会径向从环形槽23内脱落，该径向间隙小于环形槽23的径向深度，从而防护件27在工作时径向精确配合地环绕防护环22。在这里示出的实施例中，密封垫圈20同时达到了防护件27的目的，从而除了防护环22外无需附加部件，简化了安装。为达到防护件27的目的，密封垫圈20在涡轮机侧具有径向凹槽24，其径向延伸大致相当于防护环22连同间隙径向从环形槽23凸起的部分。凹槽24的轴向宽度略大于防护环22的轴向宽度，从而防护环22利用与密封垫圈20和相邻辅助轴承19的轴向间隙设置在轴10的环形槽23内。该轴向间隙确保防护环22在停机和工作期间的正常条件下在轴向上没有负荷。
如上面对现有技术所介绍的那样，为形成轴10的轴向固定，首先将涡轮增压器1与刚才介绍的根据本发明的装置22进行组装。但在装入辅助轴承19后，还要先将防护环22装入环形槽23内。防护环22不管是以推力环还是以可配合的弓形段形式构成，都使它在环形槽23内定位后封闭，并在停机时最好径向无间隙与轴配合，从而防护环22在安装状态下基本上径向对称。这一点对于避免轴10的不平衡是必要的。然后将密封垫圈20套在轴10上并利用其凹槽24整体套在防护环22上，使其在涡轮机侧与辅助轴承19接触。因此，防护环22轴向利用间隙由密封垫圈和辅助轴承19环绕，而它在工作时径向外部通过密封垫圈20确保精确配合。然后压缩机转子7例如借助于螺栓连接与轴10连接。安装后的压缩机转子7将密封垫圈20，辅助轴承19，推力轴承19和推力环18a与轴10挤压-确切地说是与轴10起到支座作用的凸肩挤压-并按照这种方式将所述部件定位。密封垫圈20和辅助轴承19之间防护环22的轴向间隙的作用是，防护环22在正常工作时轴向没有负荷。如果压缩机转子7出现开裂，那么轴10受涡轮4的轴向力驱动，仅在涡轮机侧方向上整体上轴向运动，直至防护环22与辅助轴承19产生接触，并借助于防护环22在轴10和辅助轴承19之间产生形式配合连接。该轴向力然后经辅助轴承19并通过推力轴承18传入轴承箱16内。通过径向环绕防护环22并通过外壳轴向保持的密封垫圈20，防护环22进一步沿径向在轴上定位。
因此在压缩机转子7断开后，通过防护环22阻止轴10在涡轮4的方向上轴向运动。因为失去了压缩机转子7的反作用力，所以涡轮4的转速快速上升，直至叶片6或者整个轮毂开裂并由此将涡轮4制动，或者直至轴10通过未进一步示出的装置制动。
图3示出用于损坏情况下轴10轴向固定的另一解决方案。在装入密封垫圈20后，将基本上径向对称的定位套筒25安装在轴10上并例如旋接地与轴固定连接，该套筒将密封垫圈20和辅助轴承19保持在轴上。然后将压缩机转子7安装在具有间隙26并环绕定位套筒25的轴上。
如果压缩机转子7出现开裂，而且轴10要在涡轮4的方向上轴向运动，那么通过定位套筒25会产生轴10、密封垫圈20和辅助轴承19之间形状配合连接。辅助轴承19本身在轴向上由保持在轴承箱16内的推力轴承18的固定。
在压缩机转子7分离后，如同前面的解决方案通过防护环22那样，借助定位套筒25阻止轴10在涡轮4的方向上轴向运动。因为失去了压缩机转子7的反作用力，所以涡轮4的转速快速上升，直至叶片6或者整个轮毂开裂并由此将涡轮4制动，或者直至轴10通过未进一步示出的装置制动。
不言而喻，本发明并不局限于附图中所示和介绍的实施例。也可以具有根据本发明用于轴向固定装置的其他实施方式。根据本发明的固定装置，也可以在其他类型的涡轮机和压缩机上作为这里所示的固定装置使用。取代所述的轴承件，以其他形式构成的轴承件也可与设置在轴上的本发明固定装置以相同的方式共同作用。所介绍的和附图中示出的实施例仅借助具体实施方式说明固定装置的作用原理，因此没有限制性。
附图标记
1     涡轮增压器
2     涡轮机
3     压缩机
4     涡轮
5     涡轮机外壳
6     涡轮叶片
7     压缩机转子
8     压缩机叶片
9     压缩机外壳
10    轴
11    输送通道
12    通道
13    废气
14    空气
15    排放通道
16    轴承箱
17a   TS向心轴承
17b   VS向心轴承
18    推力轴承
18a   推力环
19    辅助轴承
20    密封垫圈
21    轴承盖
22    防护环
23    环形槽
24    密封垫圈间隙
25    定位套筒
26    压缩机转子间隙
27    防护件

Claims (12)

1.  涡轮增压器(1)，包括带有一个涡轮(4)的一个涡轮机(2)和带有一个压缩机转子(7)的一个压缩机(3)，其中，涡轮和压缩机转子通过一根轴(10)连接，该轴可旋转地支承在涡轮和压缩机转子之间，而且涡轮、轴和压缩机转子这样设置在外壳(5，9，16)内，使其在压缩机转子(7)开裂的情况下，在涡轮(4)和与其连接轴(10)上作用一个轴向的在涡轮机(2)的方向上的力，其特征在于，在与涡轮(4)连接的轴(10)上设置用于轴向固定轴(10)和与其连接的涡轮(4)的装置(22，25)，其中，该装置(22，25)在压缩机转子(7)开裂的情况下阻止轴(10)和与其连接的涡轮(4)在涡轮机(2)的方向上轴向运动。
2.按权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，用于轴向固定轴(10)的装置(22，25)与轴(10)的轴承件(18，18a和19)共同作用。
3.按权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，用于轴向固定轴(10)的装置(22，25)基本上径向对称。
4.按权利要求1，2或3所述的涡轮增压器，其特征在于，用于轴向固定轴(10)的装置(22，25)为设置在轴上的防护环(22)。
5.按权利要求4所述的涡轮增压器，其特征在于，轴(10)上设置用于容纳防护环(22)的一圈环形槽(23)，装入的防护环(22)径向向外凸出该槽，其中，最好环形槽(23)的轴向侧面轴向精确配合或者利用间隙环绕防护环(22)。
6.按权利要求4或5所述的涡轮增压器，其特征在于，防护环(22)以止推环的方式或者以可配合的弓形段形式构成。
7.按权利要求4，5或6所述的涡轮增压器，其特征在于，防护环(22)在装入状态下为环绕轴(10)的封闭环。
8.按权利要求4-7之一所述的涡轮增压器，其特征在于，防护环(22)由一个防护件(27)从外部径向环绕，其中，停机时具有一个小于环形槽(23)径向深度的径向间隙，从而防护件(27)在工作期间将防护环(22)保持在环形槽(23)内。
9.按权利要求8所述的涡轮增压器，其特征在于，防护环(22)特别是借助于防护件(27)在停机和正常工作时在轴向上没有负荷。
10.按权利要求8或9所述的涡轮增压器，其特征在于，防护件(27)以密封垫圈(20)带有一个涡轮机侧敞开的凹槽(24)的方式构成，该凹槽(24)的轴向延伸大于防护环(22)的轴向延伸，而凹槽(24)的径向延伸尺寸使它在停机时最好仅以微小的径向间隙环绕防护环(22)。
11.按权利要求1，2或3所述的涡轮增压器，其特征在于，用于轴向固定轴(10)的装置(22，25)为固定在轴(10)上的定位套筒(25)。
12.涡轮增压器上用于轴向固定轴(10)和与该轴固定连接部件的装置，其中，轴上防旋转地设置一个涡轮(4)和一个压缩机转子(7)，该轴可旋转地支承在涡轮和压缩机转子之间，而且涡轮、轴和压缩机转子这样设置，使其在两个转子之一开裂情况下，在轴和与轴固定连接部件上作用一个轴向作用力，其特征在于，所述的装置(22，25)与轴(10)连接，在开裂情况下与轴(10)的轴承件(18，18a和19)共同作用，从而轴向作用力通过这种共同作用得到补偿，并阻止轴(10)和与轴固定连接部件(4)的轴向运动。
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