CN1707123B - 具有径向通流压缩机转子的涡轮机 - Google Patents

具有径向通流压缩机转子的涡轮机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有压缩机转子的涡轮机，该压缩机转子容纳在支承在支承外壳中的轴上，并设在具有蜗形通流通道的压缩机外壳中，压缩机转子的轮毂外轮廓和压缩机外壳内轮廓构成从轴向偏转到径向的通流通道，压缩机外壳由外部蜗形外壳和内部外壳嵌入件构成，外部蜗形外壳包围通流通道的在径向上向外偏转的通道段，并通过第一固定体固定在支承外壳上，内部的外壳嵌入件、即其内轮廓设在蜗形外壳与压缩机转子之间并通过第二固定体固定在蜗形外壳上，压缩机转子的轮毂外轮廓与内轮廓构成通流通道的基本沿轴向延伸的通道段。根据本发明，至少外部蜗形外壳和/或内部外壳嵌入件由断裂延伸率至少为5％的材料制成。

Description

具有径向通流压缩机转子的涡轮机
技术领域
本发明涉及一种具有径向通流的压缩机转子的涡轮机。
背景技术
这种涡轮机、例如一个涡轮增压器的一个径向压缩机的基本结构和工作方式是公知的，并因此在此文中不再需要详细解释。EP 1 233 190A1公开了一种具有径向通流的压缩机转子的涡轮机，它具有权利要求1前序部分所述的全部特征。
在不利的运行条件下长时间运行后，一个这样的涡轮机的压缩机转子可能会由于侵蚀、腐蚀和老化被如此强烈地削弱，以致于不能排除压缩机转子爆裂的可能。在一个压缩机转子断裂的情况下压缩机转子至少破碎成两个或三个大碎块，这些碎块由于明显的离心力向外加速。在这种情况下断裂块可能从压缩机外壳中排出。在此压缩机转子叶片被完全损坏，并且保留下来的轮毂体夹紧在支承外壳与压缩机外壳之间。同时由于轮毂的造型出现一种楔紧作用，该楔紧作用对外壳施加明显脉冲式的轴向力。
小型涡轮机由于相对较厚的壁厚和刚性的外壳部件就可以可靠地承受上述负荷。而与此相反对于大型涡轮机来说，外壳壁厚由于铸造工艺的原因大多减小，由此在这种负荷下迅速地达到原料或材料的断裂极限，并且可能导致外壳断裂。在这种情况下，压缩机转子的断裂块或碎块从涡轮机中排出，这可能引起明显的后续伤害。由于压缩机转子断裂块或碎块的排出有损于整个涡轮机的所谓外壳安全性(Containment Sicherheit)。因此必需避免这一现象。
在放弃一个位于蜗形外壳(Spiralgehaeuse)外部的附加爆裂保护的情况下为了保证涡轮机的外壳安全性，按照EP 1 233 190 A1建议，所述压缩机外壳两部分地由一个外部的蜗形外壳和一个内部的外壳嵌入件构成，其中内部的外壳嵌入件通过弹性的固定安置在外部的蜗形外壳上。这种用于使外壳嵌入件固定在蜗形外壳上的弹性固定比压缩机外壳、即外部的蜗形外壳在涡轮机支承外壳上的刚性固定更易于防止断裂。由此通过按照EP 1 233 190 A1的现有技术提供一个具有“皱褶区”的蜗形外壳，通过该区域可以可靠地避免一个爆裂的叶轮的断裂块或碎块排出。一个爆裂的压缩机转子的断裂块的动能可以在涡轮机内部完全转换成变形能和热量。
对于按照EP 1 233 190 A1的涡轮机存在这样的危险，即，内部的外壳嵌入件在外部蜗形外壳上的弹性固定在能量吸收期间可能失效，并由此使内部的外壳嵌入件在轴向上加速。在轴向上设置在外壳嵌入件之前的部件、如一个消声器可能在这种情况下损坏。由此也可能排出压缩机转子的断裂块或碎块，并不再保证涡轮机的外壳安全性。
发明内容
因此本发明要解决的问题是，实现一个新型的具有径向通流的压缩机转子的涡轮机，它具有一种较高的外壳安全性。
这个问题通过一种具有径向通流的压缩机转子的涡轮机得以解决。所述压缩机转子支承在一个轴上，该轴支承在一个支承外壳中，并且所述压缩机转子设置在一个具有一个蜗形通流通道的压缩机外壳中，其中所述压缩机转子的一个轮毂的一个外轮廓和压缩机外壳的内轮廓构成所述从一个轴向偏转到一个径向的通流通道，其中所述压缩机外壳由一个外部的蜗形外壳和一个内部的外壳嵌入件构成，其中所述外部的蜗形外壳包围通流通道的一个在径向上向外偏转的通道段，并且通过一个第一固定体固定在支承外壳上，并且其中所述内部的外壳嵌入件、即其内轮廓设置在蜗形外壳与压缩机转子之间并通过一个第二固定体固定在蜗形外壳上，所述压缩机转子的轮毂的外轮廓与所述内轮廓构成通流通道的一个在轴向上延伸的通道段。
按照本发明，至少所述外部的蜗形外壳和/或内部的外壳嵌入件由一种断裂延伸率至少为5％的材料制成。
在本发明的构思中建议，所述涡轮机的定子端的或静止的或不旋转的结构组件、即至少外部的蜗形外壳和/或内部的外壳嵌入件由一种材料制成，其断裂延伸率至少为5％。所述断裂延伸率涉及到一个在拉伸试验中获得的材料强度特征值。所述断裂延伸率以百分比表示，并且是一个材料试件在断裂后基于原始长度的存在的长度变化。
按照本发明的一个有利的改进方案，用于将外壳嵌入件固定在蜗形外壳上的第二固定体这样构成，使得所述第二固定体可以吸收至少为0.2％的压缩机转子最大动能和至少为1.0％的由外壳嵌入件接收的变形能。为此所述第二固定体由至少一个断裂延伸率至少为10％的膨胀螺栓构成。也可以选择或附加地对每个膨胀螺栓附设一个用于提高能量吸收的膨胀套。
由从属权利要求和下面的描述给出本发明的优选的改进方案。借助于附图详细描述本发明的一个实施例，但是不局限于此实施例。
附图说明
图1示出一个涡轮机的局部截面图，它具有径向通流的压缩机转子。
具体实施方式
下面参照放大细节的图1来描述本发明。
图1示出一个按照本发明的径向压缩机形式的涡轮机，它具有一个在其中间纵向部位处支承在一个支承外壳1中的轴2，该轴在其突出于轴承的端部上支承一个在这里未示出的涡轮和一个在图1中简示的径向通流的压缩机转子3。
所示的压缩机转子3具有一个在通过涡轮驱动的轴2上旋转锁合固定的轮毂4，它在圆周侧上具有径向突出的叶片5。所述轮毂4的外轮廓6与一个压缩机外壳8的内轮廓7限定一个从轴向A偏转到径向B的、向外变窄的通流通道9，其横截面对应于叶片5的轮廓。所述压缩机外壳8通过一个第一刚性固定体18固定在支承外壳1上。所述轮毂4和叶片5的直径从通流入口向着通流出口增加，由此得到一个对于压缩机转子3的中心横平面不对称的纵向横截面，并因此也得到一种在压缩机转子3的长度上增加的质量分布。
所述压缩机外壳8由一个外部的、在支承外壳1上通过刚性的固定体18固定的蜗形外壳10和一个内部的外壳嵌入件12构成。所述蜗形外壳10包围通流通道9的一个在径向B上向外偏转的通道段11。所述内部的外壳嵌入件12在径向B上定位在外部的蜗形外壳10与压缩机转子3之间。所述外壳嵌入件12的一个内轮廓13与压缩机转子3的轮毂4的外轮廓6一起构成通流通道9的一个基本上在轴向A上延伸的通道段14。
所述压缩机外壳8通过外部的蜗形外壳10在形成一个分隔面22的条件下这样安置在支承外壳1上，所述外部的、包围偏转的通道段11的蜗形外壳10在压缩机外壳8的刚性固定体18旁边在径向B上向中间拉，由此使刚性的固定体18在径向B上比分隔面22更外置地设置在蜗形外壳10与支承外壳1之间。所述分隔面22的结构或布置保证，所述压缩机外壳8的刚性固定体18在支承外壳1上几乎不承受可能在通流通道9中楔入的碎块的载荷，由此可以防止压缩机外壳8的断裂。在此分隔面22与轴2之间的距离最好小于通过蜗形外壳10中的偏转通道段11的最大横截面24的平面中心点23到轴2的距离。
所述蜗形外壳10具有一个内圆柱体15，该内圆柱体至少局部地包围所述处在内部的外壳嵌入件12，所述外壳嵌入件12为了构成一个空腔16通过一个第二固定体17安装在该内圆柱体上。所述固定体17在轴向A上弹性地且比蜗形外壳10在支承外壳1上的固定体18明显地更易于断裂地构成。所述压缩机外壳8或者蜗形外壳10在支承外壳1上的刚性固定体18通过蜗形外壳10在支承外壳1上的一个固定的法兰连接构成。所述内部的外壳嵌入件12在外部的蜗形外壳10上的弹性固定体17通过一个在轴向A上穿过蜗形外壳10的内圆柱体15的膨胀螺栓固定体构成。
支承外壳1的一个与刚性固定体18共同起作用的壁体19沿着径向B在形成一个缝隙21的条件下向下一直超出在压缩机转子3的轮毂4的外轮廓6的一个外尖端20。所述蜗形外壳10设有通流通道9的沿着压缩机转子3的方向向中间一直变小的直径。
为了改善上述涡轮机的外壳安全性在本发明的构思中建议，至少所述外部的蜗形外壳10和/或内部的外壳嵌入件12、即不旋转或静止的涡轮机部件由一种其断裂延伸率至少为5％的材料制成。不仅外部的蜗形外壳10而且内部的外壳嵌入件12都由一种其断裂延伸率至少为5％的材料制成。本发明的一个知识点是，在对于不旋转的涡轮机部件使用一种其断裂延伸率至少为5％的材料的情况下可以改善涡轮机的外壳安全性。
按照本发明的一个优选的改进方案，用于将内部的外壳嵌入件12固定在蜗形外壳10上的固定体17这样构成，使这个固定体17可以吸收至少为0.2％的压缩机转子3最大动能和至少为1.0％的由所述内部的外壳嵌入件12所接收的变形能。由此保证，排除了固定体17在能量吸收的整个过程期间的失效。
如上所述，所述固定体17由膨胀螺栓固定体构成。因此该固定体17包括至少一个膨胀螺栓，其中所述膨胀螺栓或每个膨胀螺栓由断裂延伸率至少为10％、最好至少为13％的材料制成。
同样在本发明的构思中，对所述固定体17的膨胀螺栓或每个膨胀螺栓附设一个在图1中未示出的膨胀套，其中通过这种膨胀套可以使固定体17吸收更大的能量。在此这些膨胀套最好由一种其断裂延伸率至少为10％、尤其是至少为13％的材料制成。
除了对膨胀套选择适合的材料以外，还可以使膨胀套在结构上这样构成，使得这些膨胀套可以吸收足够量的动能。此外还可以通过加大膨胀螺栓的膨胀杆的变形体积来提高可以由固定体17吸收的能量。
借助于本发明能够明显地改善由EP 1 233 190 A1已知的涡轮机的外壳安全性。可以放弃在蜗形外壳外部的爆裂保护。由此能够进一步减小外壳部件的壁厚，并由此减轻涡轮机的重量并降低成本。
附图标记列表
1     支承外壳
2     轴
3     压缩机转子
4     轮毂
5     叶片
6     外轮廓
7     内轮廓
8     压缩机外壳
9     通流通道
10    蜗形外壳
11    通道段
12    外壳嵌入件
13    内轮廓
14    通道段
15    内圆柱体
16    空腔
17    固定体
18    固定体
19    壁体
20    尖端
21    缝隙
22    分隔面
23    平面中心点
24    横截面

Claims (9)

1.具有一个径向通流的压缩机转子(3)的涡轮机，所述压缩机转子支承在一个轴(2)上，该轴支承在一个支承外壳(1)中，并且所述压缩机转子设置在一个具有一个蜗形通流通道(9)的压缩机外壳(8)中，其中所述压缩机转子(3)的一个轮毂(4)的一个外轮廓(6)和压缩机外壳(8)的内轮廓(7)构成从一个轴向偏转到一个径向的所述蜗形通流通道(9)，其中所述压缩机外壳(8)由一个外部的蜗形外壳(10)和一个内部的外壳嵌入件(12)构成，其中所述外部的蜗形外壳(10)包围通流通道(9)的一个在径向上向外偏转的通道段(11)，并且通过一个第一固定体(18)固定在支承外壳(1)上，并且其中所述内部的外壳嵌入件(12)设置在蜗形外壳(10)与压缩机转子(3)之间并通过一个第二固定体(17)固定在蜗形外壳(10)上，所述压缩机转子(3)的轮毂(4)的外轮廓(6)与所述外壳嵌入件(12)的内轮廓(13)构成蜗形通流通道(9)的一个在轴向上延伸的通道段(14)，其特征在于，至少所述外部的蜗形外壳(10)和/或内部的外壳嵌入件(12)由一种其断裂延伸率至少为5％的材料制成。
2.如权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，用于将外壳嵌入件(12)固定在蜗形外壳(10)上的第二固定体(17)这样构成，使得第二固定体(17)能够吸收至少为0.2％的压缩机转子(3)的最大动能和至少为1.0％的由外壳嵌入件(12)所接收的变形能。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，用于将外壳嵌入件(12)固定在蜗形外壳(10)上的第二固定体(17)由至少一个其断裂延伸率至少为10％的膨胀螺栓所构成。
4.如权利要求3所述的涡轮机，其特征在于，所述膨胀螺栓的断裂延伸率至少为13％。
5.如权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，用于将外壳嵌入件(12)固定在蜗形外壳(10)上的第二固定体(17)由至少一个膨胀螺栓构成，其中对每个膨胀螺栓附设一个用于提高能量吸收的膨胀套。
6.如权利要求5所述的涡轮机，其特征在于，所述膨胀套由其断裂延伸率至少为10％的材料制成。
7.如权利要求6所述的涡轮机，其特征在于，所述膨胀套的断裂延伸率至少为13％。
8.如权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，所述蜗形外壳(10)具有一个内圆柱体(15)，该内圆柱体至少局部地包围所述外壳嵌入件(12)，所述外壳嵌入件(12)通过所述第二固定体(17)安装在该内圆柱体上以构成一个空腔(16)。
9.如权利要求1或2所述的涡轮机，其特征在于，所述第二固定体(17)在轴向上弹性地且比第一固定体(18)更易于断裂地构成。
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