CN105715308B - 用于防涡轮增压器爆裂的压缩机组件 - Google Patents

Abstract

一种用于防涡轮增压器爆裂的压缩机组件。公开了一种压缩机组件。该压缩机组件可具有压缩机壳体和配置在压缩机壳体内的压缩机叶轮。压缩机叶轮可具有从轮毂前端延伸到轮毂后端的轮毂和在轮毂后端附近配置在轮毂上的出口导流器叶片。压缩机叶轮还可包括从轮毂后端向外延伸的轮毂伸出部。该压缩机组件还可具有配置在轮毂伸出部上的叶轮罩帽。此外，该压缩机组件可具有配置在叶轮罩帽上的游隙密封件。游隙密封件可通过轴向间隙与叶片后表面间隔开。此外，该压缩机组件可具有配置在压缩机壳体内的压缩机扩散器。压缩机扩散器可具有通过径向间隙与出口导流器叶片的外沿间隔开的扩散器内表面。

Description

用于防涡轮增压器爆裂的压缩机组件

技术领域

本发明总的涉及压缩机组件，更具体地涉及用于防涡轮增压器爆裂的压缩机组件。

背景技术

内燃机如柴油发动机、汽油发动机或天然气发动机采用涡轮增压器来将用于燃烧的压缩空气输送到发动机中。涡轮增压器压缩流入发动机的空气，从而帮助迫使更多空气进入发动机的燃烧室。增加的空气供给允许发动机的燃烧室中增加的燃料燃烧，从而使得发动机的功率输出增加。

典型的涡轮增压器包括轴、连接至轴的一端的涡轮叶轮、连接至轴的另一端的压缩机叶轮、和用于支承轴的轴承。彼此连接的单独的壳体封装压缩机叶轮、涡轮叶轮和轴承。发动机的排气在涡轮叶轮上方膨胀并使涡轮叶轮旋转。涡轮叶轮又经由轴使压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮接收来自环境的冷却空气并迫使压缩空气进入发动机的燃烧室。

天然固有的材料局限性、压缩机叶轮内的缺陷、压缩机级构件的磨损、超速、或进气中的碎片可能导致压缩机叶轮失效。为了防止碎片或油在压缩机叶轮失效的情况下排出，涡轮增压器通常依赖于包围叶轮的厚重壳体来吸收在失效期间释放的大量能量。然而，厚重的壳体往往增加了涡轮增压器的体积、重量和成本。此外，虽然壳体可牵制碎屑和油，但失效的压缩机叶轮构件对壳体带来的损伤会需要对壳体进行昂贵和耗时的修复，这会使涡轮增压器长时间停用。

2003年10月28日公布的等人的美国专利No.6,638,007(“’007专利”)公开了一种尝试将失效的压缩机构件保持在外壳内的压缩机外壳。特别地，’007专利公开了压缩机外壳具有利用刚性固定装置紧固在涡轮机的轴承外壳上的螺旋外壳。’007专利还公开了螺旋外壳包括内筒体，外壳插入件利用柔性附接装置附接在该内筒体上，从而在外壳插入件与螺旋外壳之间形成中空空间。’007专利公开了柔性附接装置的抗断裂性能不如刚性固定装置。’007专利还公开了外壳插入件的柔性固定装置可吸收比刚性固定装置明显更多的动能。’007专利指出，在紧急情况下，外壳插入件可沿轴向移动离开压缩机叶轮并且压缩机叶轮部件的动能可通过变换为变形能和其所产生的热而被大部分吸收。’007专利还指出，外壳可吸收碎片的残留动能。

尽管’007专利公开了一种被设计成牵制失效的叶轮的碎片的压缩机外壳，但所公开的外壳依然不会是最佳的。例如，在叶轮失效的情况下，外壳插入件可能与螺旋外壳分离并轴向向外移动，从而允许叶轮的碎片仍然撞击并损坏轴承外壳。这会需要在涡轮机可恢复使用之前对轴承外壳进行昂贵和耗时的修复。轴承外壳的损伤也会允许油从涡轮机内泄漏。

本发明的压缩机组件解决了上述问题中的一个或多个问题和/或现有技术的其它问题。

发明内容

在一个方案中，本发明针对于一种压缩机组件。该压缩机组件可包括压缩机壳体。该压缩机组件还可包括配置在压缩机壳体内的压缩机叶轮。压缩机叶轮可包括从轮毂前端延伸到轮毂后端的轮毂。压缩机叶轮还可包括在轮毂后端附近配置在轮毂上的出口导流器叶片。出口导流器叶片可具有叶片后表面。压缩机叶轮还可包括从轮毂后端向外延伸的轮毂伸出部。该压缩机组件还可包括配置在轮毂伸出部上的叶轮罩帽。此外，该压缩机组件可包括配置在叶轮罩帽上的游隙密封件。游隙密封件可通过轴向间隙与叶片后表面间隔开。此外，该压缩机可包括配置在压缩机壳体内的压缩机扩散器。压缩机扩散器可具有通过径向间隙与出口导流器叶片的外沿间隔开的扩散器内表面。

在另一方案中，本发明针对于一种涡轮增压器。该涡轮增压器可包括涡轮机壳体。该涡轮增压器还可包括配置在涡轮机壳体内并且构造成由从发动机接收的排气驱动的涡轮。该涡轮增压器还可包括压缩机壳体。该涡轮增压器还可包括配置在压缩机壳体内的压缩机叶轮。压缩机叶轮可包括从轮毂前端延伸到轮毂后端的轮毂。压缩机叶轮还可包括邻近轮毂后端配置在轮毂上的出口导流器叶片。出口导流器叶片可具有叶片后表面。压缩机叶轮还可包括从轮毂后端向外延伸的轮毂伸出部。该涡轮增压器还可包括配置在轮毂伸出部上的叶轮罩帽。此外，该涡轮增压器可包括配置在叶轮罩帽上的游隙密封件。游隙密封件可通过轴向间隙与叶片后表面间隔开。此外，该涡轮增压器可包括配置在压缩机壳体内的压缩机扩散器。压缩机扩散器可具有通过径向间隙与出口导流器叶片的外沿间隔开的扩散器内表面。该涡轮增压器还可包括将叶轮罩帽和涡轮叶轮连接的轴。

附图说明

图1是示例性公开的涡轮增压器的剖视图；和

图2是示例性公开的用于图1的涡轮增压器的压缩机组件的剖视图。

具体实施方式

图1示出涡轮增压器10的一个示例性实施例。涡轮增压器10可供执行某类与诸如铁路、航运、发电、采矿、建设、农业的行业或本领域中公知的另一种行业相关的操作的机器的发动机(未示出)使用。如图1所示，涡轮增压器10可包括压缩机级12和涡轮级14。压缩机级12可体现为附接在轴18上的固定几何结构压缩机叶轮16并且可构造成在从环境接收的空气进入发动机用于燃烧之前将空气压缩至预定的压力水平。空气可经由压缩机入口22进入压缩机壳体20并经由压缩机出口24离开压缩机壳体20。随着空气移动通过压缩机级12，压缩机叶轮16可提高可被引导到发动机中的空气的压力。

涡轮级14可包括可附接在轴18上的涡轮机壳体30和涡轮叶轮32。离开发动机的排气可经由涡轮入口34进入涡轮机壳体30并经由涡轮机出口36离开涡轮机壳体30。随着热排气移动通过涡轮机壳体30并贴靠着涡轮机叶轮32的叶片膨胀，涡轮叶轮32可经由轴18使压缩机叶轮16旋转。轴承38可支承轴18。轴承38可配置在轴承壳体40中。尽管图1仅示出两个轴承38，但设想涡轮增压器10可包括任意数目的轴承38。

图2示出用于涡轮增压器10的压缩机组件50的一个示例性实施例的剖视图。压缩机组件50可包括压缩机外蜗壳52、压缩机内蜗壳54、压缩机扩散器56、输入流导向件58、压板60、压缩机叶轮16、叶轮罩帽62和游隙密封件64，这些构件全都可配置在压缩机组件50的旋转轴线70周围。压缩机外蜗壳52可从压缩机组件50的前端72附近延伸到压缩机组件50的后端74附近。压缩机外蜗壳52可包括前壁76、外蜗壳后壁78、外蜗壳螺旋80、前伸出部82和后伸出部84。压缩机外蜗壳52的前壁76可配置在前端72附近。前壁76可具有可大体正交于旋转轴线70配置的大体平坦的正面86。压缩机外蜗壳52的外蜗壳后壁78可配置在后端74附近。外蜗壳后壁78可与前壁76轴向地间隔开。外蜗壳后壁78可配置成大体正交于旋转轴线70。如图2所示，外蜗壳后壁78可附接在轴承壳体40上。压缩机外蜗壳52的前伸出部82可从前壁76延伸到配置在前壁76与外蜗壳后壁78之间的第一远端88。前伸出部82可包括围绕旋转轴线70配置的具有内表面90的大体圆筒形内孔。外蜗壳80可从第一远端88延伸到外蜗壳后壁78附近。外蜗壳螺旋80可围绕旋转轴线70配置并且可具有大体凹状。后伸出部84可从外蜗壳螺旋80延伸到外蜗壳后壁78。

压缩机内蜗壳54可包括外凸缘92、内蜗壳后壁94、内蜗壳螺旋96和轴向输入部98。外凸缘92可具有大体圆筒形的外表面100，外表面100可构造成与压缩机外蜗壳52的前伸出部82的内表面90滑动地接合。外凸缘92也可具有大体正交于旋转轴线70配置的大体环形的正面102。外凸缘92可具有可比前伸出部82的长度短的长度。压缩机内蜗壳54的内蜗壳后壁94可配置在第一远端88与外蜗壳后壁78之间。内蜗壳后壁94可大体正交于旋转轴线70配置并且可与外蜗壳后壁78轴向地间隔开。内蜗壳螺旋96可从第一远端88延伸到内蜗壳后壁94。内蜗壳螺旋96可具有大体凹状并且可配置成与外蜗壳螺旋80相对。外蜗壳螺旋80和内蜗壳螺旋96可形成用于流经压缩机级12的空气的螺旋通道104。压缩机内蜗壳54的轴向输入部98可从内蜗壳后壁94朝向前端72向外延伸。轴向输入部98可形成可将空气引导到压缩机叶轮16的环形通道106的一部分。

输入流导向件58可从前端72附近延伸到配置在第一远端88与内蜗壳后壁94之间的第二远端108。输入流导向件58可包括输入管道部110和连板112。输入管道部110可具有内管道面114，内管道面114可形成具有大致截顶锥形的环形通道104的一部分。输入管道部110可与轴向输入部98接合以形成用于将空气引导到压缩机叶轮16的压缩机入口22。连板112可从输入管道部110的外管道面116大体径向向外延伸。连板112可包括大体环形的附接部118。附接部118可具有可与前伸出部82的内表面90滑动地接合的大体圆筒形的附接外表面120。附接部118还可具有配置在前端74附近的附接正面122和配置成与附接正面122相对的附接背面124。如图2所示，附接部118的附接背面124可与压缩机内蜗壳54的正面102相靠接。

压板60可具有大体环形并且可与前壁76和附接正面122相靠接。压板60可经由一个或多个紧固件126附接在压缩机外蜗壳52上，紧固件126可允许压板60将输入流导向件58和压缩机内蜗壳54保持在压缩机外蜗壳52内。压板60可以是薄金属板。然而，可设想压板可由任意合适的延性材料制成。压板60的厚度可被选择成允许压板60在压缩机12作动期间承受负荷时或在压缩机叶轮16失效的情况下偏斜而不会发生机械失效。尽管图2示出一个压板60，但设想压缩机组件50可具有任意数目的压板60。

压缩机叶轮16可配置在由压缩机外蜗壳52、压缩机内蜗壳54和输入流导向件58形成的压缩机壳体20内。压缩机叶轮16可包括轮毂130及一个或多个前叶片132、中心叶片134和出口导流器叶片136，以及轮毂伸出部138。轮毂130可从轮毂前端140延伸到轮毂后端142。轮毂前端140可配置在第二远端108附近。前叶片132、中心叶片134和出口导流器叶片136可成轴向地间隔开的行配置在轮毂130上。如图2所示，前叶片132可配置在轮毂前端140附近且出口导流器叶片136可配置成相比于轮毂前端140更接近轮毂后端142。中心叶片134可配置在前叶片132与出口导流器叶片136之间。尽管图2仅示出前叶片132、中心叶片134和出口导流器叶片136的各一行，但可设想压缩机叶轮可包括任意行数的叶片132、134、136。

出口导流器叶片136的外沿144可配置在内蜗壳后壁94与外蜗壳后壁78之间。出口导流器叶片136的外沿144可具有半径“R₁”。出口导流器叶片136还可具有叶片后表面146。平衡环148可配置在出口导流器叶片136的叶片后表面146上。平衡环148可以是可从叶片后表面146朝向后端74向外突出的大体环形突起。平衡环148可具有可比出口导流器叶片136的外沿144的半径R₁小的外半径“R₂”。

轮毂伸出部138可从轮毂130朝向后端74向外突出。轮毂伸出部138可从轮毂后端142附近延伸到可配置在轮毂后端142与后端74之间的轮毂伸出部端部150。轮毂伸出部138可具有比前叶片132、中心叶片134或出口导流器叶片136的外半径小的半径。轮毂伸出部138可具有大体圆筒形的轮毂伸出部外表面152。轮毂130、前叶片132、中心叶片134、出口导流器叶片136、平衡环148和轮毂伸出部138可形成一个一体的结构。在一个示例性实施例中，轮毂130、前叶片132、中心叶片134、出口导流器叶片136、平衡环148和轮毂伸出部138可构成单个机加工的锻件或铸件。

压缩机扩散器56可以是配置在外蜗壳后壁78与内蜗壳后壁94之间的大体环形结构。压缩机扩散器56可具有大体圆筒形的扩散器内表面154和大体圆筒形的扩散器外表面156。扩散器内表面154可具有半径“R₃”，且扩散器外表面156可具有可大于半径R3的半径“R₄”。压缩机扩散器56可经由一个或多个定位销158在压缩机外蜗壳52上定心。在如图2所示的一个示例性实施例中，扩散器内表面154的半径R₃可大于外沿144的半径R₁，从而在出口导流器叶片136与压缩机扩散器56之间形成第一径向间隙160。如图2的示例性实施例中还示出的，扩散器外表面156的半径R₄可小于后伸出部内表面162的半径“R₅”，从而在压缩机扩散器56与压缩机外蜗壳52之间形成第二径向间隙164。

叶轮罩帽62可配置在轮毂伸出部138上。叶轮罩帽62可连接至轴18。叶轮罩帽62可包括从罩帽前端172延伸到轮毂伸出部端部150的罩帽内孔170。如图2所示，罩帽前端172可与轮毂后端142轴向地间隔开。罩帽内孔170可具有使得叶轮罩帽62可配置在轮毂伸出部外表面152周围的直径。在一个示例性实施例中，叶轮罩帽62可经由过盈配合与轮毂伸出部外表面152接合。在另一示例性实施例偶只能，叶轮罩帽62可经由间隙配合与轮毂伸出部外表面152接合。叶轮罩帽也可具有罩帽外表面174。

游隙密封件64可配置在轮毂后端142与轮毂伸出部端部150之间。游隙密封件64可包括密封件毂部180、密封件连板182和密封件挡板184。密封件毂部180可具有可配置在叶轮罩帽62的罩帽外表面174周围的游隙密封件内孔186。游隙密封件内孔186可通过迷宫式密封件(未示出)与罩帽外表面174间隔开。密封件连板182可从密封件毂部180径向向外延伸。密封件连板182可具有连板前表面188和连板后表面190。密封件挡板184可配置在密封件连板182的外周附近。密封件挡板184可从连板前表面188朝向前端72延伸以遮挡前端192。密封件连板182和密封件挡板184可共用在挡板前端192与连板后表面190之间延伸的大体圆筒形的连板外表面194。密封件挡板184也可具有配置在挡板前端192附近的挡板正面196。挡板正面196可具有大体环形并且可配置成大体正交于旋转轴线70。挡板正面196可通过轴向间隙198与叶片后表面146轴向间隔开。在如图2所示的一个示例性实施例中，密封件挡板184可悬置在平衡环148上方，使得挡板正面196离叶片后表面146的距离可小于平衡环端部200离叶片后表面146的距离。密封件挡板184在径向上可具有厚度“t₁”。密封件挡板还可具有可大于平衡环148的半径R₂且小于出口导流器叶片136的外沿144的半径R₁的内半径“R₆”。密封件挡板184还可包括配置在挡板外表面194上的沟槽202。沟槽202可以是相比于连板背面190而言更靠近连板正面188配置的周向沟槽。沟槽202可具有径向深度“t₂”，其可小于t₁。

工业适用性

可实施所公开的压缩机组件50以确保来自失效的压缩机叶轮16的碎片可被牵制在压缩机壳体20内，同时确保来自轴承壳体40的油不会从涡轮增压器10漏出。特别地，压缩机组件50可采用多个障碍物来消散在压缩机叶片16失效期间释放的能量，以防止压缩机壳体20和轴承壳体40的破裂。压缩机组件50还可防止压缩机叶轮16的失效导致压缩机叶轮16的碎片穿透轴承壳体40，以确保轴承壳体40内的油不会从涡轮增压器10漏出。

参照图2，当压缩机叶轮16在涡轮增压器10工作期间失效时，压缩机叶轮16可能在轮毂后端142附近断裂。例如，压缩机叶轮16可能在轮毂后端142与罩帽前端172之间断裂。前叶片132和中心叶片134可能与压缩机内蜗壳54相接触，这会在径向和轴向上向外推动压缩机内蜗壳54。出口导流器叶片136的外沿144可径向地移位通过第一径向间隙160并且可与压缩机扩散器56的扩散器内表面154相接触，从而将压缩机扩散器56推向后伸出部内表面162。第二径向间隙164有助于确保压缩机扩散器56在与后伸出部内表面162相接触之前吸收由于压缩机叶轮16的失效而释放的能量。一个或多个压板60也可偏斜，从而帮助压缩机外蜗壳52吸收由压缩机叶轮16的碎片分配给压缩机外蜗壳52的动能。

此外，随着出口导流器叶片136被径向向外推进，平衡环148可与密封件挡板184相接触。由于密封件挡板184悬置在平衡环148上方，所以平衡环148与密封件挡板184的撞击可能导致密封件挡板184在沟槽202附近断裂。出口导流器叶片136和密封件挡板184的碎片可被驱动与外蜗壳后壁78相接触，从而导致压缩机外蜗壳52吸收碎片的动能。通过允许密封件挡板184在沟槽202附近断裂，压缩机组件50可确保密封件连板182保持不破裂，从而帮助确保轴承壳体40内的油保留在轴承壳体40内且不会从涡轮增压器10漏出。因而，通过使叶轮碎片的轨迹朝向密封件挡板184和压缩机扩散器56集中，压缩机组件50可帮助使轴承壳体40与机械损伤隔绝。此外，通过维持第一径向间隙160和第二径向间隙164，压缩机组件50可帮助确保一部分由于压缩机叶轮16的失效而释放的能量被压缩机扩散器56吸收而不需要压缩机外蜗壳52来吸收大部分能量。这也可帮助限制将压缩机叶轮16的碎片牵制在压缩机壳体20内所需的压缩机外蜗壳52的厚度，从而可允许压缩机壳体更轻和更廉价。此外，通过使用形式为平衡环148、密封件挡板184和压缩机扩散器56的一系列障碍物来吸收叶轮碎片的动能，压缩机组件50也可帮助降低对压缩机外蜗壳52和轴承壳体40导致的损伤程度。

对本领域的技术人员来说显而易见的是，可以对公开的压缩机组件作出各种改型和变型。根据说明书和对所公开的压缩机组件的实践，其它实施例对本领域的技术人员来说将显而易见。应该认为说明书和示例仅为示范性的，真实范围通过以下权利要求和它们的等效方案来指示。

Claims (9)

1.一种压缩机组件，包括：

压缩机壳体；

配置在所述压缩机壳体内的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮包括：

从轮毂前端延伸到轮毂后端的轮毂；

在所述轮毂后端附近配置在所述轮毂上的出口导流器叶片，所述出口导流器叶片具有叶片后表面；和

从所述轮毂后端向外延伸的轮毂伸出部；

配置在所述轮毂伸出部上的叶轮罩帽；

配置在所述叶轮罩帽上的游隙密封件，所述游隙密封件通过轴向间隙与所述叶片后表面间隔开；和

配置在所述压缩机壳体内的压缩机扩散器，所述压缩机扩散器具有通过径向间隙与所述出口导流器叶片的外沿间隔开的扩散器内表面，

其中，所述游隙密封件包括：

密封件毂部；

从所述密封件毂部径向地延伸的密封件连板；和

从所述密封件连板朝向所述叶片后表面轴向地延伸的密封件挡板。

2.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述压缩机壳体包括：

构造成连接至轴承壳体的压缩机外蜗壳；

压缩机内蜗壳；和

附接到所述压缩机内蜗壳和所述压缩机外蜗壳并且构造成将空气引导到所述压缩机叶轮中的输入流导向件。

3.根据权利要求2所述的压缩机组件，其中

所述压缩机外蜗壳包括外蜗壳后壁，

所述压缩机内蜗壳包括内蜗壳后壁，并且

所述压缩机扩散器配置在所述外蜗壳后壁与所述内蜗壳后壁之间。

4.根据权利要求3所述的压缩机组件，其中

所述径向间隙是第一径向间隙，

所述压缩机外蜗壳包括具有内表面的伸出部，并且

所述压缩机扩散器通过第二径向间隙与所述内表面间隔开。

5.根据权利要求3所述的压缩机组件，其中，所述压缩机扩散器通过相对于所述压缩机组件的旋转轴线周向地配置的多个定位销在所述压缩机外蜗壳上定心。

6.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中，所述密封件挡板包括通过所述轴向间隙与所述叶片后表面轴向地间隔开的挡板正面。

7.根据权利要求6所述的压缩机组件，其中：

所述密封件连板和所述密封件挡板具有外表面，并且

所述游隙密封件包括配置在所述外表面上的沟槽。

8.根据权利要求7所述的压缩机组件，其中：

所述密封件连板具有连板正面和与所述连板正面相对的连板背面，

所述密封件挡板从所述连板正面向外延伸，并且

所述沟槽配置成相比于所述连板背面更靠近所述连板正面。

9.一种涡轮增压器，包括：

涡轮壳体；

配置在所述涡轮壳体内并且构造成由从发动机接收的排气驱动的涡轮叶轮；

压缩机壳体；

配置在所述压缩机壳体内的压缩机叶轮，所述压缩机叶轮包括：

从轮毂前端延伸到轮毂后端的轮毂；

在所述轮毂后端附近配置在所述轮毂上的出口导流器叶片，所述出口导流器叶片具有叶片后表面；和

从所述轮毂后端向外延伸的轮毂伸出部；

配置在所述轮毂伸出部上的叶轮罩帽；

配置在所述叶轮罩帽上的游隙密封件，所述游隙密封件通过轴向间隙与所述叶片后表面间隔开；

配置在所述压缩机壳体内的压缩机扩散器，所述压缩机扩散器具有通过径向间隙与所述出口导流器叶片的外沿间隔开的扩散器内表面；和

将所述叶轮罩帽和所述涡轮叶轮连接的轴，

其中，所述游隙密封件包括：

密封件毂部；

从所述密封件毂部径向地延伸的密封件连板；和

从所述密封件连板朝向所述叶片后表面轴向地延伸的密封件挡板。