涡轮机
阅读：654发布：2020-05-11
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1.一种涡轮机，包括：
壳体，其限定轴承腔；
涡轮叶轮，其安装到轴上用于绕轴线旋转；
壳体壁，其设置于轴承腔和涡轮叶轮之间；所述轴通过设置在所述壳体壁内的轴通道延伸进入轴承腔内；所述壳体壁包括：
第一部分，其在所述壳体壁与所述涡轮叶轮之间限定气隙；
第二部分，其呈环形并且从所述第一部分向所述气隙凸起以限定到所述通道的所述开口；以及
至少一个第三部分，其沿径向与第二部分间隔分开并从所述第一部分向所述气隙凸起；
其中所述第三部分构造用来在所述叶轮离轴旋转的失效状态下支撑涡轮叶轮，以便由此至少减小在失效状态下由轴施加到环形的第二部分的径向载荷。
2.如权利要求1所述的涡轮机，其中所述第二部分通过所述壳体壁的大体圆顶部分限定。
3.如权利要求2所述的涡轮机，其中所述第三部分或每个第三部分通过所述壳体壁上延伸至圆顶部分以便直接地加强所述圆顶部分抵抗由轴施加其上的任何径向载荷的特征限定。
4.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述第三部分或每个第三部分被定位在小于或等于所述涡轮叶轮的半径的半径位置处。
5.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述第二部分与所述涡轮叶轮间隔分开最小间隔D，并且所述第三部分或每个第三部分与涡轮叶轮间隔分开最小间隔d，其中d小于或等于D。
6.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述第三部分或每个第三部分是至少大体上环形的并且至少大体上环绕所述第二部分。
7.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述壳体壁的所述第三部分或每个第三部分包括肋板或者具有从所述壳体壁朝向所述涡轮叶轮延伸的高度的其它凸起部分。
8.如权利要求1至5中任一项所述的涡轮机，其中所述壳体壁的第三部分或每个第三部分包括肋板或者具有从所述壳体壁朝向所述涡轮叶轮延伸的高度的其它凸起部分，并且所述第三部分或每个第三部分具有沿直线或曲线方向远离所述第二部分延伸的长度。
9.如权利要求8所述的涡轮机，其中至少一个第三部分沿大体上径向方向或切向方向延伸远离所述第二部分。
10.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其包括多个所述第三部分。
11.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述涡轮叶轮包括支撑涡轮叶片的中心主体，并且其中所述中心主体限定后端面，在所述轴承壳体的所述第三部分或每个第三部分和所述涡轮叶轮后端面之间限定最小间隔d。
12.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述壳体壁的所述第三部分或每个第三部分限定位于基本上垂直所述轴线的平面内的或位于围绕所述轴线限定的锥面上的涡轮叶轮接触面。
13.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述壳体壁限定所述轴承腔的一部分，并且其中所述轴相对于所述通道被密封，以阻止或阻塞油通过所述通道泄露到所述涡轮叶轮。
14.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述壳体壁由包括另一壁部分的壳体限定，或与包括另一壁部分的壳体相连接，所述另一壁部分沿具有平行于所述轴线的有效分量的方向延伸。
15.如权利要求14所述的涡轮机，其中所述另一壁部分在与所述壳体壁的所述第三部分或每个第三部分的半径位置相应的半径位置处与所述壳体壁相交或接触，使得施加于所述壳体壁的所述第三部分或每个第三部分上的轴向力被所述另一壁部分反作用。
16.如前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中所述涡轮机是涡轮增压器或动力涡轮机。
涡轮机
技术领域
背景技术
[0002] 涡轮增压器是众所周知的用于以高于大气的压力(升压或增压)提供空气给内燃机的进气管的装置。传统的涡轮增压器通常包括安装在位于由涡轮壳体限定的涡轮机腔内部的可旋转轴上排气驱动的涡轮或涡轮叶轮。涡轮或涡轮叶轮的旋转驱动安装在压缩机壳体内的轴的另一端的压缩机叶轮。压缩机叶轮将压缩空气递送给内燃机的进气歧管，以此来增大内燃机或发动机的功率。
[0003] 涡轮增压器的轴通常由轴颈(journal)和止推轴承支撑，包括适当的润滑系统，位于连接涡轮和压缩机壳体的中间轴承壳体内。众所周知，提供有效的密封系统用以防止油从中间轴承壳体泄露进入涡轮壳体内是成问题的或者没有解决。然而，防止油泄露进入涡轮壳体内是重要的，在涡轮壳体内油将会与排气混合而增大排气排放并且会引起下游的部件例如催化转化器的损坏。
[0004] 涡轮叶包括主体或轮毂，其具有面朝向轴承壳体的背端面或背面。涡轮叶片通常从轮毂沿径向延伸且通常相对于后端面同轴延伸。涡轮叶轮可以摩擦焊接于涡轮增压器轴端部的密封凸台(boss)上，密封凸台具有比轴大的直径，用于在通过将轴承壳体和涡轮壳体分开的壳体壁的通道内旋转。已知的油密封装置包括密封环，该密封环围绕通道内部的密封凸台设置，以活塞环的方式提供密封。
[0005] 此外，常见多由薄片金属制成的热屏蔽层设置在涡轮叶轮和壳体壁中间，以便减少向轴承壳体的热传递(由于高温排气产生)的量。
[0006] 众所周知，涡轮增压器的部分，特别是涡轮，上的热负荷和/或机械负荷状况会导致相关材料过早损坏。这就是我们熟知的疲劳。一种类型的疲劳被称为低周疲劳，低周疲劳通常是在涡轮增压器在低运行速度和高运行速度之间改变变化时由重复的负荷循环所引起的。在某些情况下低周疲劳可以引起涡轮叶轮失效甚至断裂，这将对涡轮增压器造成灾难性的破坏。尤其是对轴承壳体的破坏或损坏会导致油从轴承腔泄漏进入涡轮中，这将引起火灾。
发明内容
[0007] 本发明的目标在于，避免或消除或减轻由于涡轮或涡轮叶轮失效而引起的从涡轮增压器的轴承壳体泄露的油进入涡轮增压器涡轮腔的问题。
[0008] 根据本发明，提供的一种涡轮机，包括：
[0009] 壳体，其限定出轴承腔；
[0010] 涡轮叶轮，其安装于围绕轴线旋转的轴上；
[0011] 壳体壁，其设置于轴承腔和涡轮叶轮之间；轴，所述轴通过设置在所述壳体壁内的轴通道延伸进入轴承腔内；该壳体壁包括：
[0012] 第一部分，其在壳体壁与涡轮叶轮之间限定气隙；
[0013] 第二部分，其呈环形并且从第一部分凸起进入所述气隙以限定到所述通道的开口；以及
[0014] 至少一个第三部分，其沿径向远离第二部分并从所述第一部分凸起进入所述气隙；
[0015] 其中第三部分配置用来在涡轮叶轮离轴旋转的失效状态下支撑涡轮叶轮，以便由此至少减小在这种失效状态下将由轴施加到环形第二部分的径向载荷。
[0016] 因此，壳体壁的第三部分配置成，例如尺寸和位置配置成，在依次减小作用在通过轴的壳体壁的第二环形部分上的离轴载荷的失效状态下，承载(直接地或间接地)来自涡轮叶轮的载荷。在一些具体实施方式中，涡轮或涡轮叶轮可以直接与壳体壁的第三部分接触。在另一些具体实施方式中，热屏蔽层可以设置于第三部分和涡轮叶轮之间，热屏蔽层在涡轮失效的时候被夹在第三部分和涡轮叶轮之间。
[0017] 涡轮叶轮会经历不对称形式的低周疲劳。当疲劳源自涡轮叶轮的后端面(通常临近轴承壳体)或当涡轮叶轮的大部分(例如叶片)松开或脱落时尤其是这样。可以认为，当这样的失效发生时，涡轮叶轮的剩余部分(依旧跟转轴连接)以相对于涡轮叶轮的转轴径向移动的方式作出反应，此后变得极度不平衡。作用在轴上的高扭矩甚至会导致轴突然断裂。涡轮叶轮和所连接的轴可以用作杠杆，尤其是当轴已经折断的时候，这将施加作用力到壳体壁和/或通过壳体壁的轴通道内的油封结构，从而引起可能的围绕该通道的壳体壁的破裂和/或油封结构的失效或破坏。轴承壳体破裂或油封结构的失效将引起轴承腔内的高压油泄露进入涡轮并与排气流混合。就如前面提到的，这会严重污染下游的排气设备或装置，还可能引起火灾。
[0018] 本发明通过设置壳体的第三部分(或多个部分)以提供一定支撑给可能以不对称方式旋转的失效的涡轮叶轮来减小涡轮机的这种灾难性失效的可能性。这样的支撑会降低任何形式的施加于围绕轴通道的壳体壁上的第二部分(以及施加于轴通道上的任何密封结构)的离轴力，或杠杆力，由此降低壳体壁的失效(或密封结构的破坏)的风险，从而降低油泄露进入涡轮机的可能性。
[0019] 在某些实施方式中，本发明还通过配置壳体的第三部分使得其增强限定孔轴的壳体的第二部分来降低涡轮机的灾难性失效或破坏的可能性。也就是说，任何由涡轮叶轮的离轴旋转导致的由轴施加的轴向力都会传递到加强部分或每个增强部分。第三部分或每个第三部分可以例如定位成将任何这种力传递到壳体上更坚固的部分，例如具有至少一个沿轴向延伸的坚固部件的壳体壁。
[0020] 在某些实施方式中，第三部分或每个第三部分可以配置成加强第二部分，而不必在失效情况下直接支撑涡轮。本发明的一个方面提供一种涡轮机，包括：
[0021] 壳体，其限定出轴承腔；
[0022] 涡轮叶轮，其安装到轴用于围绕轴线旋转；
[0023] 壳体壁，其设置于轴承腔和涡轮叶轮之间；轴，其通过设置在所述壳体壁内的轴通道延伸进入轴承腔内；该壳体壁包括：
[0024] 第一部分，其在壳体壁与涡轮叶轮之间限定出气隙；
[0025] 第二部分，其呈环形并且从第一部分凸起进入所述气隙以限定所述通道的开口；以及
[0026] 至少一个第三部分，其从所述第一部分凸起进入所述气隙；
[0027] 其中第三部分配置用以(例如尺寸和位置配置用以)加强限定孔轴的壳体的第二部分。
[0028] 例如，壳体的第三部分或每个第三部分可以包括将壳体的第二部分连接到壳体第一部分或壳体的其它部分的肋板或肋或筋板或连结板或筋边。
[0029] 第二部分可以由壳体壁的大体圆顶部分限定。
[0030] 第三部分或每个第三部分可以定位在小于或等于涡轮叶轮半径的半径处。
[0031] 第二部分与涡轮叶轮可以间隔分开最小间距D而第三部分或每个第三部分与涡轮叶轮间隔分开最小间距d，其中d小于或等于D。
[0032] 在某些实施方式中，涡轮机可以包括轴承壳体，所述轴承壳体限定至少部分轴承腔，和涡轮，所述涡轮限定涡轮叶轮在其内部旋转的涡轮腔。壳体壁可以是将轴承腔和涡轮叶轮在其内旋转的涡轮腔分开的轴承壳体的壁，二者之间的气隙减慢了热量向轴承壳体的传递。在这个实施方式中，热屏蔽层可以设置在壳体壁与涡轮叶轮之间的气隙中。任何这样的热屏蔽层优选与壳体壁的第二部分间隔开以限制向壳体的热量传递。在另外的实施方式中，壳体壁本身就可以包括热屏蔽层，例如具有轴承壳体的整体铸造。
[0033] 壳体壁的第三部分或每个第三部分可以是环形的。
[0034] 壳体壁的第三部分或每个第三部分可以由肋板或其它从壳体壁朝向涡轮叶轮具有高度延伸的凸起来限定。例如第三部分或每个第三部分可以是以具有一定长度的沿直线或曲线方向离开壳体壁第一部分延伸的肋板。这样的肋板延伸至壳体的第二部分，或可以在离开壳体第二部分一定间隔的位置终止。
[0035] 第三部分或每个第三部分的高度可以是不一致或不规则的，以形成在受到撞击时将优先变形的一个区域或各个第三部分的多个区域。
[0036] 第三部分或每个第三部分可以沿大体上为径向方向延伸远离壳体壁的第二部分。在一些实施方式中，至少一个第三部分可以沿大体上切向延伸至第一部分。
[0037] 壳体壁可以包括多个所述第三部分，其可以例如围绕所述第二部分圆周布置。
[0038] 但是在一些实施方式中，第三部分或每个第三部分可以通过离散的凸起物来限定，例如肋板或类似结构，其设置在壳体壁的表面，在其它实施方式中，第三部分或每个第三部分由壳体壁的外部轮廓限定。
[0039] 一种典型的涡轮叶轮可以包括支撑涡轮叶轮叶片的中心主体或轮毂，轮毂具有面朝向壳体壁的后端面。其它形式的涡轮叶轮可以包括支撑叶轮叶片的背板或后板或支撑板，该背板或后板或支撑板限定叶轮的后端面。可以在壳体壁的第三部分或每个第三部分和涡轮叶轮后端面之间限定最小间距d。
[0040] 壳体壁的第三部分或每个第三部分可以限定接触表面(其在涡轮失效时被触及)，接触表面位于大致与轴线正交的平面上，或位于大致关于轴线限定的锥面中-例如近似地与上述涡轮叶轮失效后不对称旋转的涡轮叶轮的方向一致。
[0041] 在一些实施方式中壳体壁限定轴承腔部分，并且轴可以相对于所述通道密封以防止或阻塞油通过所述通道泄漏到涡轮叶轮。
[0042] 在另一些实施方式中，壳体壁包括带有第二壳体壁的热屏蔽层，第二壳体壁限定设置在轴承腔和热屏蔽层之间的轴承腔的部分。轴可以相对于通过所述第二壳体壁的第二通道进行密封以防止或阻塞油泄漏到涡轮叶轮。
[0043] 壳体壁的第三部分可以沿径向与圆顶或限定第二部分的其他特征间隔开，但是所述第二部分可以通过与圆顶接触的壳体壁的特征限定。
[0044] 壳体壁可以通过包括另一壁的壳体限定，或者与包括另一壁的壳体相连，该另一壁沿具有平行于所述轴线的有效分量的方向延伸。另一壁可以在与壳体壁第三部分的径向位置一致的径向位置上与所述壳体壁相交或接触，使得任何作用于壳体壁第二部分的基本上轴向力都被传递到另一壳体壁部分。另一壳体壁部分在被涡轮叶轮撞击时，将支撑壳体壁的第三部分或每个第三部分。
[0045] 壳体壁的第三部分或每个第三部分可以是与壳体壁一体的特征(例如与壳体壁整体铸造或者加工到壳体壁中)或制成单独的部件，其随后与壳体壁连接。
[0046] 涡轮机可以是涡轮增压器或例如是动力涡轮机。
[0048] 本发明详细的实施方式将在下面描述，仅作为示例，参考以下附图，其中：
[0049] 图1是现有技术的涡轮增压器的横截面图；
[0050] 图2是图1所示涡轮增压器的涡轮端轴承和油密封组件的展开图；
[0051] 图3示出另一现有技术的涡轮增压器轴承壳体结构的部分的局部；
[0052] 图4示出现有技术的涡轮增压器的断裂的圆顶部分；
[0053] 图5a和5b示出本发明的第一实施例的局部；
[0054] 图6是根据本发明实施例的涡轮增压器的横截面图；
[0055] 图7是根据本发明的涡轮叶轮和轴承壳体的放大的简化的截面图；
[0056] 图8是根据本发明第二实施例的轴承壳体的端视图；以及
[0057] 图9是根据图6所示本发明实施例的涡轮叶轮和轴承壳体的横截面图。
具体实施方式
[0058] 参照图1和图2，图示的涡轮增压器包括通过中间轴承壳体3的连接到压缩机2的涡轮机1。涡轮机1包括在涡轮壳体5内旋转的涡轮叶轮4。同样的，压缩机2包括在压缩机壳体7内旋转的压缩机叶轮6。涡轮叶轮4和压缩机叶轮6安装在延伸通过中间轴承壳体3的共同的涡轮增压器轴8的相对的两端。
[0059] 涡轮壳体5具有环绕涡轮叶轮4设置的排气入口涡室9以及轴向的排气出口10。压缩机壳体7具有轴向的进气通道11以及位于环绕压缩机叶轮6布置的压缩空气出口涡室12。
[0060] 位于涡轮叶轮4和轴承壳体3之间或中间有热屏蔽层13a，以金属片制成，安装在涡轮壳体5中涡轮叶轮4的后方。热屏蔽层13a的用途是为了防止或阻止由会(例如)导致涡轮壳体5内的油焦化的涡轮壳体5内的热的排气带来的轴承壳体3的过热。热屏蔽层13a与涡轮叶轮4间隔开，不仅使得热屏蔽层13a不会干扰涡轮叶轮4的运动，而且使得热量不会从涡轮叶轮4直接传导到热屏蔽层13a。热屏蔽层13a的部分还与轴承壳体3间隔开以最小化向轴承壳体的热传导。
[0061] 通常，涡轮叶轮4包括大体上圆柱形的主体或轮毂4a，其具有面向轴承壳体/热屏蔽层的后端面4c。多个涡轮叶片基本上沿径向从轮毂延伸并且基本上相对于后端面沿轴向延伸。
[0062] 在使用过程中，涡轮叶轮4通过排气从环形排气入口9到排气出口10的通过来转动，其依次转动压缩机叶轮6，由此吸入通过压缩机入口11的吸入空气并且通过压缩机出口涡室12传递升压空气到内燃机的入口。
[0063] 涡轮增压机轴8在分别朝向轴承壳体的涡轮端和压缩机端安装的全浮式轴颈轴承(journal bearing)13和14上旋转。压缩机端轴承组件14还包括与包括抛油环16的油密封组件相互作用的止推轴承15。压缩机端轴承和油密封的细节对于理解本发明不重要，因此将不进一步详细描述。油从内燃机的油系统通过油入口17供给到向轴承壳体，并通过油通道18供给给轴承组件。
[0064] 涡轮叶轮4在密封凸台19处与涡轮增压器轴8的端部连接。通常，密封凸台19与轴8一体地形成，并与涡轮叶轮4上的凸台部分连接(例如通过摩擦焊)。密封凸台19延伸通过轴承壳体壁3a中的通道20并进入涡轮壳体内。轴承壳体壁3a使得其实际上大体呈凸圆形，其限定孔20的开口的径向最内侧的部分(相对于轴8的轴线来说)，比轴承壳体壁的任何其它部分靠近后端面。径向最内侧部分有时是指“圆顶(部分)”3b。密封凸台19通过密封环21(活塞环)密封通道20，密封环位于由密封凸台限定的环形槽中。
[0065] 更详细地(特别参见图2)，通过轴承壳体壁3a的通道20沿径向呈台阶状，其具有相对窄的直径的内侧部分20a和相对大直径的外侧部分20b。这将为位于设置在密封凸台19外表面的环形槽23中的密封环21提供环形邻接或接合凸肩22。密封环21相对于轴承壳体3是静止的，并且被提供用来防止气/油通过通道20泄漏。邻接或接合凸肩22防止密封环21在内侧朝向轴承壳体3蠕动或滑动。为了提供通道20的直径的突变的、非圆角改变，在通道20的表面切出小尺寸的环形凹槽24以限定凸肩22。
[0066] 涡轮端部轴颈轴承13位于挡圈25和26之间。油通过油通道18供给给轴承13，并且轴承13设置有沿圆周间隔开的径向孔27用于油通过传到涡轮增压器的轴8。环形回油槽28沿径向凹入邻近通过壳体壁3a的通道20的轴承壳体壁。回油槽28环绕转轴8并且具有入口29。
[0067] 密封凸台19延伸超过轴承壳体壁3a的内表面一点进入轴承壳体18内，并在轴向上搭接油槽28的入口29。密封凸台19的内端形成具有环形端面30的围绕轴8的径向肩部。当增压器的轴8旋转时，到达环形端面30的油在径向上被驱散，并且从密封凸台19的端面30被驱入到油槽28，油从油槽28通过排油孔31(图1中示出)排回入到内燃机的曲轴箱。因此设置油槽28防止油在通道20区域中堆积或积累，并且类似地，保证凸台19凸起到轴承壳体3中确保了油被抛射进入油槽28，而不是抛射向凸台19通过通道20限定出的环形间隙中。
[0068] 图3示出了另一个现有的增压器的部分。同样的附图标记与上面所述相对应。对于图3中表示的涡轮增压器，可以看到，轴承壳体的圆顶结构3b比图1和图2中的壳体设计明显得多。
[0069] 可以发现，在具体的疲劳条件下，例如低周疲劳，涡轮叶轮4可能会在使用的时候失效或损坏。这种失效可能包括涡轮叶轮4的破裂，或者在极限状况时，会解体为多块。这种类型的失效或损坏倾向于实质上的不对称，在从涡轮叶轮4的后端面发生失效或破损时或是涡轮叶轮的大部分(例如叶片4b)松开或脱落时尤其是这样。
[0070] 轴承壳体破裂或断裂或密封装置的失效或损坏都会导致轴承壳体内的高压油进入涡轮壳体，随后进入内燃机的排气系统。如前面所提到的，这会严重污染下游的排气装置，或可能引起火灾。
[0071] 这种失效或损坏的结果是导致旋转的涡轮4和轴8变得不稳定。涡轮4和轴8受到作用力，该作用力引起它们极其不平衡并沿径向相对于它们正常的转动轴线向外移动。由这种移动产生的力矩与由邻近涡轮壳体5和/或轴承壳体3的涡轮叶轮4和轴8产生的力相结合，会引起轴8折断或变形，因此将导致系统极度不平衡。轴8的变形或折断通常发生于轴颈轴承13、14的区域(尤其是涡轮端轴承13)或者在圆顶结构3b内部。一旦轴8变形或折断，叶轮4和连接到轴8的任何其它部分，会沿径向持续向外移动。这会施加径向作用力到通道20区域内的轴承壳体和/或密封环21。在涡轮4沿径向向外移动时，轴8会有效地形成杠杆，造成巨大的力作用到圆顶3b上，这将会打破圆顶和/或引起密封装置21的失效。
[0072] 图4示出了以上面所述方式破裂的圆顶结构3b。如果圆顶结构3b或密封装置21遭到损坏，通过入口17和通道18供给给轴承13的高压油将流入涡轮机并与热的排气相混合。通常处于高温的内燃机排气系统暴露到油是潜在的危险，因为油可以被点燃。另外，油进入内燃机的排气系统的入口会引起外部的油泄漏和/或污染下游的排气装置，例如催化转化器。
[0073] 图5a和5b示出了根据本发明第一实施例的涡轮增压器轴承壳体。图示的根据本发明的壳体结构是对图3所示结构的改进，相同的附图标记被用在相应的部分。根据本发明，通过提供凸起到壳体壁上面的径向延伸的肋板或支撑物3c来改变轴承壳体。在图中提供的示例中，肋板3c在壳体壁以上的高度低于圆顶3b的高度，而在其它实施例中肋板3c的高度可以等于或大于圆顶3b的高度。如果上面讨论那种类型的涡轮失效或损坏发生，涡轮4和轴8上的连接部分的任何径向和/或杠杆移动都将被具有肋板3c的涡轮4的邻接或接结合限制或抑制。肋板3c朝向涡轮4凸出足够的距离，使得失效的或损坏的涡轮4的任何盘旋运动都将引起涡轮4邻接肋板3c，这抑制或阻止了圆顶结构3b与涡轮4的后端面之间发生有效的接触。抑制或限制涡轮叶轮4的径向运动减小，甚至可以防止离轴作用力作用到圆顶结构3b和/或密封环21上。这可以防止圆顶结构3b破裂和/或防止密封圈遭到破坏，也可以防止例如轴8发生断裂。因此这在涡轮失效或损坏的情况下将防止或最小化油泄漏进入排气系统。
[0074] 进一步地，在该实施例中，图示实施例中的肋板3c被布置用以加强圆顶结构3b和布置用以把将要由大体上沿轴向延伸的壳体壁承载的力朝向壳体的径向外侧传递，因此更好地承载负荷或载荷。试验证实，本发明的实施例能够在涡轮叶轮失效或损坏的情况下，极大地减小任何圆顶结构断裂的趋势。
[0075] 图6示出根据本发明的第二实施例的涡轮增压器，其中轴承壳体3具有设置在圆顶结构3b径向外侧的凸起或突起环形部分32。同样，在适当的部分，相同的附图标记用以表示与前面各图中相同的特征。由于轴承壳体3的凸出圆顶形状，涡轮叶轮4的后端面和轴承壳体3之间的间距随离开轴8的轴线的径向距离增大而增大。依据环形部分的径向位置不同，环形部分32从轴承壳体3上朝向涡轮叶轮4的后端面或涡轮叶轮4的叶片4b凸出。在所示的实施例中，部分32是环形的而且与涡轮叶轮4同心。热屏蔽层13a居于限制部分32和涡轮叶轮4之间。期望的是，如图示出的，限制部分32使得其与热屏蔽层13a不接触，使得它们之间没有直接的热传导。
[0076] 如果涡轮机发生上述类型的损坏，涡轮4与转轴8的连接部分的任何径向和/或杠杆运动都将通过涡轮4与环形部分32(即使是通过热屏蔽层13a)的邻接接合而被限制。类似于前面的实施例中的肋板3c的情况，环形部分32朝向涡轮4凸出足够的距离，使得失效或损坏的涡轮4的任何盘旋运动都会导致涡轮4邻接接合环形部分32，这抑制或阻止圆顶结构3b与涡轮4的后端面之间发生有效的接触。如上所述，限制涡轮叶轮4以这种方式的径向运动减小，甚至可以防止作用于圆顶结构3b和/或密封环21上的离轴力，因此防止圆顶结构3b的破裂和/或防止密封结构遭到破坏(以及还可以防止转轴8的断裂)。
[0077] 如前面讨论的，涡轮叶轮4包括具有后端面4c和叶片4b的主体4a。正如从图6中可以容易看到，如果涡轮4失效或损坏，环形部分32的尺寸和位置形成使得涡轮叶轮4与环形部分32邻接或接合，随后涡轮叶轮4的轮毂4a的后端面与限制部分32邻接或接合。这样是有利的，因为主体4a能够比叶片4b经受更大的力。同样地，通过环形部分32可以施加更大的作用力到涡轮叶轮4，以便抵抗驱使失效或损坏的涡轮4径向向外的力。环形部分32可以例如位于与涡轮叶轮后端面4c的外缘相同的半径上。可选地，在另外的实施方式中，环形部分32可以位于涡轮叶轮后端面的外缘的径向内侧或外侧。
[0078] 在一些实施方式中，例如图6和图7中所示的实施方式中，环形部分32的尺寸和形状形成为使得如果涡轮4失效或损坏并施加作用力给环形部分32，所述力的传递将会通过轴承壳体3的一个侧壁部分3c进行，该侧壁部分大体沿轴向地远离涡轮方向延伸。因而，任何传递过来的力具有平行于侧壁3c离开涡轮的延伸的方向的大的或重要分量，如箭头A所示。任何反作力以这种方式传递是有利的，因为其最小化在失效或损坏的涡轮4的载荷下壳体3破裂的风险。
[0079] 在图8和图9中示出的本发明另一实施方式中，凸起部分包括多个平行的肋板33而不是环形肋板32。肋板33邻近圆顶结构3b，并具有连接其上的从圆顶沿径向延伸的肋板33a和沿切向延伸到圆顶3b的肋板33b。圆顶结构3b包括中央突出物部分34，该突出物部分的表面大致平行于涡轮叶轮4的后端面。肋板33的轴向高度与突出物部分34相同。单个肋板33的尺寸和位置(相对于涡轮叶轮4和彼此)形成为使得失效或损坏的涡轮4沿任何方向的盘旋将导致涡轮4与限制部分32邻接或接合。如本发明前面的实施方式中记载的，涡轮4与肋板33的邻接或接合抑制或阻止了在涡轮叶轮失效或损坏的情况下施加于圆顶结构3b和密封21上的显著的离轴力。这种结构允许采用传统的两步铸造方法来经济地铸造轴承壳体。
[0080] 在上面记载的实施方式中，将涡轮叶轮4的腔和轴承腔隔开的壳体壁3a由轴承壳体3提供。在其它的实施方式中，所述壳体壁可以由涡轮壳体5来提供。在再一实施方式中，热屏蔽层13a可以设置得足够坚固以便承受失效的或损坏的涡轮叶轮的载荷或负荷。例如在有些实施方式中，热屏蔽层可以是与轴承壳体一体铸造的壁，并且同样，可以是设置有部分32或肋板33等的壳体壁。
[0081] 虽然上面所述的本发明的实施方式具有设置成壳体壁凸出的支撑部分，但是可以想到，在本发明其它的实施方式中这种支撑部分可以由轴承壳体壁3a的形状或结构的较小的凸起或凸出特征来提供。例如，如果存在的话，壁3a可以在超过通道20或圆顶结构3b的半径位置上具有朝向涡轮叶轮的大体上凹形的弯曲或曲面。然而，离散的凸起是优选的，因为它们通常仅给涡轮增压器壁的重量带来小的增加。
[0082] 如上面所提到的，壳体壁的加强部分和支撑部分的配置和位置可以与上面图示的本发明实施方式不同。例如环形凸起或突起部分32可以由沿圆周间隔开的离散的突起或凸起的环形阵列替代。例如这种离散的凸起可以是位于依轴线限定的圆形上的弧形肋板，或可以是大体朝向或远离涡轮叶轮旋转方向上的轴线的肋板曲线。环形凸起或突起，或任何这样的肋板，的径向宽度可以改变，同样任何这样的凸起或突起的表面方向也可以改变。例如环形凸起或突起可以限定出一个朝向涡轮叶轮的表面，涡轮叶轮大致垂直于轴线设置或位于与涡轮叶轮假定其失效或损坏并与凸起或突起接触时的方向一致的锥面上。
[0083] 环形的凸起/肋板或环形的凸起/肋板阵列可以位于大致与涡轮后端面的圆周一致的半径位置内，或位于后端面的圆周与轴线之间或位于后端面的圆周与涡轮叶轮叶片的外侧端部之间。在一些实施方式中，在不会明显增大更多或更大的叶片断裂或变形风险的情况下，位于与涡轮叶轮4的主体4a的半径一致的半径上的一个或多个凸起或突起在允许将要施加到失效的或损坏的涡轮叶轮4上的最大反作用力方面是最有效的。在一些实施方式中，凸起或其它增强部分或支撑部分可以由轴承壳体、涡轮壳体和/或热屏蔽层上的其它结构特征限定。
[0084] 在支撑部分包括肋板的实施方式中，这样的肋板可以沿径向远离轴线延伸(类似于图6中所示的肋板33a)，或沿以轴线为中心的圆的切线方向延伸(类似于图6中所示的肋板33b)，或者沿上述两个方向之间的方向延伸。这种肋板可以限定朝向涡轮叶轮的表面，该涡轮叶轮位于与轴线垂直的平面上涡轮叶轮假定其失效或损坏并与凸起或突起接触时的方向一致的锥面上。在一些实施方式中，这样的肋板可以与一个或多个环形凸起或突起结合，或与一个或多个上面提到的类似凸起相结合。在轴承壳体壁具有圆顶结构的情况下，如图所示，肋板可以接触圆顶或在径向上与圆顶隔开。
[0085] 在支撑部包括一个或多个凸起或突起，这种凸起或突起可以与壳体壁整体形成(例如铸造或机加工)。可选地，凸起或突起可以包括单独地加工的结构，其在随后与壳体壁连接(例如通过焊接或螺栓连接，铆接或以扣具连接等)。这样将例如允许凸起或突起能够用与壳体壁不同的材料制成，并且可以允许凸起的配置有更大的灵活性。
[0086] 还可以想到，任何形成加强部分或支撑部分的部分的凸起的横截面轮廓(垂直于其纵向轴线)可以具有不同的形状。上面所述实施方式的凸起或突起具有沿轴线延伸的大致平行的侧壁(在与轴承壳体壁相交或接触处是辐射式或圆角形式)以及面朝向涡轮叶轮的弓形的端表面。可选地，端表面可以是平的以便增大将接触并支撑失效或损坏的涡轮叶轮的表面积。这不但可以将由加强部分和支撑部分施加的所有反作用力传播到涡轮叶轮4更大区域，而且还限制或抑制了失效的或损坏的涡轮4的径向移动。另外，如果希望加强部分或支撑部分与失效或损坏的涡轮叶轮4的邻接应该导致涡轮叶轮4转动的停止，失效或损坏的涡轮叶轮4的停止距离将会被减小。凸起或突起的顶端部分的平的外形可以例如是垂直于轴8旋转的轴线，或者可以相对于轴8的旋转轴线成固定角度，该轴与上述假想的失效或损坏的涡轮4后端面的轴一致。
[0087] 可以还可以想到，任何形成支撑部分的部分的凸起都可以使得其离开轴8轴线的径向距离随其向涡轮叶轮4延伸而减小。这可以改善冲击力(或反作用力)到壳体3(例如壳体侧壁3c)的支撑部分或承载载荷部分的传递。
[0088] 在上面记载的一些实施方式中，支撑部分和涡轮叶轮4之间的最小轴向间隙小于圆顶结构3b的突出物部分(例如限定通道20开口的圆顶结构的部分)和涡轮叶轮4之间的最小轴向间隙。间隙的差异在不同的实施方式中可以不同。在一些实施方式中，所述差异可以相对小，而在其它的实施方式中可以相对较大。适当的差异在某种程度上可以由轴承壳体和/或热屏蔽层的配置和/或涡轮叶轮和壳体壁之间的距离和/或涡轮叶轮相对于凸起或突起的径向位置的直径或其它限定加强部分的壳体特征来确定的。
[0089] 在一些实施方式中，形成支撑部分的凸起或突起或其它壳体特征可以包括“折皱区或变形区(crumple zone)”，即在失效或损坏的涡轮叶轮4冲击或撞击支撑部分时将有限变形的部分。这种折皱区或变形区可以例如采用凸起或突起的部分的形式，或其它具有比凸起或突起或其他支撑特征的邻近部分稍大或大一点的轴向高度(即延伸到更靠近涡轮叶轮)的特征。这种折皱区或变形区可以例如在受到撞击的时候变平以吸收部分撞击力。
[0090] 尽管本发明的描述涉及涡轮增压器的涡轮，但应当意识到本发明也可以应用于其它涡轮增压机的涡轮机，例如动力涡轮机等。本领域技术人员都知道，动力涡轮机是驱动传动装置或其它耦合装置来作为动力源输出动力的，而并非驱动一个压缩机叶轮。
[0091] 关于本发明的其它可能的改进和应用对本领域技术人员来说是显而易见的。
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