涡轮增压器及其壳体系统、密封板、插入壳体
技术领域
[0001] 本
发明涉及一种具有壳体系统的
涡轮增压器，该壳体系统包围(house)通过轴与
涡轮机连接的离心式
叶轮。
背景技术
[0002] 工业
涡轮增压器，尤其是在海上应用的工业涡轮增压器，设计为使得，如果
压缩机叶轮将要爆炸，周围的
外壳将能够容纳所有叶轮碎片。海洋认证协会规定，在涡轮增压器旋转速度超过最大允许操作速度的20％时仍可展示出叶轮
轮毂的爆炸容纳(containment)。
[0003] 当叶轮爆炸时，存在两种碎片可能不被外壳容纳的主要机制。第一种为叶轮碎片穿透外壳。第二种来自于未能将外壳固定在一起，这使得外壳间出现间隙，然后叶轮碎片从间隙中穿出。
[0004] 叶轮可以设计为使得，来自于其最外面部分的碎片为低
质量(因此低
能量)。因此，通常，最先进的叶轮被设计为在其外面部分具有一个相对薄的轮毂区域。
[0005] 图1示出涡轮增压器叶轮和包围该叶轮的壳体系统的概要剖视图。叶轮具有轮毂1，该轮毂具有外部环形边缘2。该轮毂还具有前表面3和后表面4，其分别从轮毂的入口侧和轴侧(shaft side)朝所述边缘聚集。环形平衡板5从轮毂的后表面4中伸出。壳体系统包括蜗壳6和单独的插入壳体7，蜗壳(volute casing)6形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的蜗(volute)，插入壳体7从叶轮的入口端插入到蜗壳以形成用于供给气体到达或通过叶轮的
导管。壳体系统还包括主壳体8，其形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳体。
[0006] 连接到主壳体8的密封板9形成迷宫式密封(labyrinth seal)10，轮毂1的后表面4位于在平衡板5的外侧且接近边缘2的外表面。密封板还朝外径向延伸以
支撑环形通道11的后壁，所述环形通道11可选的包 含扩压
叶片(diffuser vane)12，该扩压叶片将压缩空气从叶轮导向蜗壳。平衡板5产生紧邻其内侧的厚度减小的颈区13。
[0007] 在轮毂爆炸期间，裂痕通常在叶轮中心线附近的轮毂1中开始。随着它们向外传播，裂痕也形成在颈区13中，使得叶轮边缘2脱落。边缘的碎片穿过任一扩压叶片12(扩压叶片12由于其相对脆弱的结构，提供很小的阻
力)，然后撞击蜗壳6的壁。因此，此壁通常被加厚以防止穿透。一旦边缘2相对小的外径已经脱落，轮毂1的剩余较大碎片撞击紧邻在叶轮周围的插入壳体7。通常吸收轮毂碎片的能量，此壳体
破碎。
[0008] 工业涡轮增压器对压力比的要求越来越高。于是，叶轮的转速提高，叶轮的设计必须更改以适用由此增加的压力。因此，通常叶轮轮毂的形状被设计为更像楔形(即轮毂前表面和后表面间的
角度增加)以支持来自于叶轮边缘的附加离心
载荷。这反过来又意味着，叶轮中的颈区被替换为一个更高直径的颈区，颈外侧的边缘的尺寸被减小。设计为适于较高的压力比的叶轮通常具有较小的操作范围：与设计为低压力比的叶轮相比，该叶轮在特定压力比时的质量流的可用范围很低。为了克服这种趋势，供给气体到达和通过叶轮的导管的壁可包含槽型孔。
[0009] 因为叶轮的边缘比较小(即使在故障时在较高速度下旋转)，所以必须被消耗以防止边缘碎片穿透的能量不必随着旋转速度的增加而增加。因此，只要蜗壳的厚度适度增加，就可以防止这些碎片穿透。
[0010] 然而，剩余的轮毂碎片比较大，伸展为更大的半径且更像楔形。结合故障时的高速，这会导致该剩余的轮毂碎片包含相对更多的能量。因此，虽然插入壳体的破碎吸收了该碎片中的一些能量，但是楔形碎片可能不会变钝且可能完整的穿出插入壳体，此时仍具有显著的能量，从而潜在地避开了容纳。
发明内容
[0011] 本发明至少部分基于这样的认知：此种不被容纳的碎片的危险为这些碎片可将主壳体和蜗壳挤开，引起任一配件的故障，使破裂碎片穿出。
[0012] 因此，第一方面，本发明提供一种具有壳体系统的涡轮增压器，该 壳体系统包围通过轴与涡轮相连的离心式叶轮。
[0013] 壳体系统包括：
[0014] 插入壳体，该插入壳体形成用于供给空气到达和通过叶轮的导管。
[0015] 蜗壳，该蜗壳形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的蜗。插入壳体插入到蜗壳中，和
[0016] 主壳体，该主壳体形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳；
[0017] 叶轮包括：
[0018] 轮毂，该轮毂具有径向外部环形边缘，且具有前表面和后表面，该前表面和后表面分别从轮毂的入口侧和轴侧朝边缘聚集，和
[0019] 在轮毂的前表面上沿圆周排列的多个叶片；和
[0020] 在所述边缘处的后表面上形成的密封结构；和
[0021] 壳体系统还包括：
[0022] 密封板，所述密封板具有相应的密封结构，该密封结构与叶轮的密封结构密封地相互作用。密封板从边缘朝内侧延伸到与主壳体连接的连接
法兰，且密封板从边缘朝外侧延伸以支撑或形成环形通道的后壁，该环形通道将来自于叶轮的压缩空气导向蜗壳；
[0023] 其中，密封板的厚度在邻近边缘的环形腰区变窄，腰区的厚度小于在轴向测量的边缘的最小厚度的2.5倍(最好小于最小厚度的两倍)。
[0024] 通过提供如此窄厚度的腰区，可以促进腰区周围的密封板在叶轮爆炸期间破裂。该破裂吸收能量，但是，除此之外，腰区外侧的部分密封板(例如包含支撑或构成环形通道后壁的部分)更倾向于保持完整，作为大碎片的穿透屏障。
[0025] 腰区的厚度可以超过在轴向测量的边缘的最小厚度的1.5倍。
[0026] 腰区的形状可以基本上为圆柱形。
[0027] 环形腰区可以位于连接法兰和密封板的密封结构之间。
[0028] 可选的，每个叶片延伸到各自的在其径向外侧末端处的叶片出口边沿；并且，在叶片出口边沿外侧的
位置处，蜗壳与主壳体和密封板轴向重叠，该重叠的轴向长度至少为轴向测量的叶片出口边沿跨度的3倍(最 好为跨度的4或5倍)。轮毂碎片可能试图沿着蜗和主壳体间的
接口逃离。然而，通过在各壳间提供轴向重叠，该碎片可以被阻挡在重叠处，该重叠具有这样的轴向长度，使得即使碎片成功的挤开各壳，此重叠仍可保持。
[0029] 更普遍的，第二方面，本发明提供了一种具有壳体系统的涡轮增压器，该壳体系统包围通过轴与涡轮机相连的离心式叶轮；
[0030] 壳体系统包括：
[0031] 插入壳体，该插入壳体形成用于供给空气到达和通过叶轮的导管。
[0032] 蜗壳，该蜗壳形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的蜗，插入壳体插入到蜗壳中，和
[0033] 主壳体，该主壳体形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳；
[0034] 叶轮包括：
[0035] 轮毂，该轮毂具有径向外部环形边缘，且具有前表面和后表面，该前表面和后表面分别从轮毂的入口侧和轴侧朝边缘聚集，和
[0036] 在轮毂前表面上沿圆周排列的多个叶片，每个叶片延伸到各自的在其径向外侧末端处的叶片出口边沿；
[0037] 其中，在叶片出口边沿的外侧的位置处，蜗壳与主壳体轴向重叠，该重叠的轴向长度至少为轴向测量的叶片出口边沿跨度的3倍(最好为跨度的4或5倍)。
[0038] 关于第二方面，叶轮可以进一步包括在边缘处的后表面上形成的密封结构。壳体系统可以进一步包括具有相应密封结构的密封板，该密封结构与叶轮密封结构密封地相互作用。该密封板可以从边缘向
外延伸以支撑或构成环形通道的后壁，该后壁用于将压缩气体从叶轮导向蜗壳(且通常可以从边缘向内延伸到连接到主壳体的连接法兰)。关于第一或第二方面，密封结构可以一起形成迷宫式密封。可替代的，然而该密封结构可以仅仅朝向叶轮和密封板互相接近的位置。当叶轮包括密封结构时，蜗壳可以与密封板和主壳体轴向重叠。在这种情况下，密封板可以认为是主壳体的一部分，用于确定重叠的轴向长度。也就是说，被蜗壳重叠 的主壳体和密封板的总轴向长度应该至少为轴向测量的叶片出口边沿的跨度的三倍。
[0039] 可选的，关于第一或第二方面，每个叶片从各自的在其径向内侧末端处的叶片入口边沿延伸到各自的在其径向外侧末端处的叶片出口边沿；插入壳体具有形成导管的壁，该导管壁被成形为提供叶片的从其入口边沿到其出口边沿的狭窄间隙，且该导管壁包含一个环绕邻近入口边沿的叶片的狭槽，导管壁的厚度逐渐增加且从狭槽持续到邻近出口边沿的位置，使得在出口边沿处的管壁的厚度至少为在狭槽处的1.3倍(且优选的至少为狭槽处的厚度的2到3倍)。加厚的导管壁意味着，当插入壳体在叶轮爆炸期间破碎，该插入壳体可以吸收更多的叶轮能量，减少了碎片逃脱超越插入壳体的可能性。
[0040] 更普遍的，在第三方面，本发明提供一种具有壳体系统的涡轮增压器，该壳体系统包围通过轴与涡轮机相连的离心式叶轮；
[0041] 壳体系统包括：
[0042] 具有壁的插入壳体，所述壁形成用于供给空气到达和通过叶轮的导管。
[0043] 蜗壳，该蜗壳形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的蜗。插入壳体插入到蜗壳中，和
[0044] 主壳体，该主壳体形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳；和
[0045] 叶轮包括：
[0046] 轮毂，该轮毂具有径向外部环形边缘，且具有前表面和后表面，该前表面和后表面分别从轮毂的入口侧和轴侧朝边缘聚集，
[0047] 在轮毂前表面上沿圆周排列的多个叶片，每个叶片从各自的在其径向内侧末端处的叶片入口边沿延伸到各自的在其径向外侧末端处的叶片出口边沿；
[0048] 其中，导管壁被成形为提供叶片的从叶片入口边沿到叶片出口边沿的狭窄间隙，且导管壁包含环绕叶片的邻近入口边沿的狭槽，导管壁的厚度逐渐增加且从狭槽持续到邻近出口边沿的位置，使得在出口边沿导 管壁的厚度至少为在狭槽处的2倍(且优选的至少为狭槽处厚度的3倍)。
[0049] 可选的，关于第一到第三方面中的任意一个，插入壳体具有：形成导管的壁，上游和下游的环形结构，该环形结构用于将插入壳体连接到分别位于导管的上游和下游末端的蜗壳，和多个T-或Y-形支柱形结构，该支柱形结构相对于环形结构支撑导管壁，每个支柱形结构都有延伸到导管壁的第一支柱、延伸到下游环形结构的第二支柱，和延伸到上游环形结构的第三支柱，第一支柱的最小截面面积大于第二个支柱的最小截面面积，且第二支柱的最小截面面积大于第三个支柱的最小截面面积。这样的支柱截面面积的递进增加了对插入壳体
变形和破裂的能量的吸收。它也可以帮助防止插入壳体被轴向推离叶轮。
[0050] 更普遍的，第四方面，本发明提供一种具有壳体系统的涡轮增压器，该壳体系统包围通过轴与涡轮机相连的离心式叶轮；
[0051] 壳体系统包括：
[0052] 具有壁的插入壳体，所述壁形成用于供给空气到达和通过叶轮的导管，[0053] 蜗壳，该蜗壳形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的壳，插入壳体插入到蜗壳中，和
[0054] 主壳体，该主壳体形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳；
[0055] 其中，插入壳体具有：
[0056] 上游和下游环形结构，该结构用于将插入壳体连接到分别位于导管的上游和下游末端的蜗壳，和
[0057] 多个T-或Y-形支柱形结构，该结构相对于环形结构支撑导管壁，每个支柱形结构都有延伸到导管壁的第一支柱、延伸到下游的环形结构的第二支柱和延伸到上游的环形结构的第三支柱，第一支柱的最小截面面积大于第二个支柱的最小截面面积，且第二支柱的最小截面面积大于第三个支柱的最小截面面积。
[0058] 本发明进一步的方面提供了：(i)第一到第四方面任意一个中的壳体系统，(ii)第一方面中的密封板，和(iii)第一到第四方面任意一个中的插入壳体。
[0059] 现在将列出本发明的进一步可选特征。除非另有规定，这些特征可以单独应用或与本发明的任一方面任意组合应用。
[0060] 通常，插入壳体从叶轮的入口侧插入到蜗壳中。
[0061] 通常，主壳体还形成包围涡轮机的轴侧末端的壳。
[0062] 叶轮可进一步包括环形平衡板，该环形平衡板从轮毂的后表面插入。关于本发明的第一方面，叶轮的密封结构可以是平衡板的外侧，密封板的腰区可以径向位于该密封结构和平衡板之间。
[0063] 轮毂的后表面可位于内部半角小于80°的圆锥面上，优选的，内部半角小于76°。
[0064] 下面列出本发明的进一步可选特征。
附图说明
[0065] 参考以下附图，以举例的形式描述本发明的
实施例，附图中：
[0066] 图1示出涡轮增压器叶轮和包围该叶轮的壳体系统的概要剖面图；
[0067] 图2示出根据本发明的实施例的涡轮增压器叶轮和包围该叶轮的壳体系统的概要剖面图；和
[0068] 图3为图2中涡轮增压器的纵向截面图。
[0069] 本发明的详细说明和进一步可选特征
[0070] 根据本发明实施例的涡轮增压器叶轮和包围该叶轮的壳体系统如图2和3所示。
[0071] 叶轮具有轮毂21，该轮毂具有外部环形边缘22。叶轮还具有前表面23和后表面24，该前表面和后表面分别从轮毂的入口侧和轴侧朝边缘聚集。轮毂前表面上设置有多个沿圆周排列的叶片36，每个叶片分别从在其径向内侧末端处的叶片入口边沿36延伸到在其径向外侧末端处的叶片出口边沿38。环形平衡板25从轮毂的后表面24插入。壳体系统包括蜗壳26和单独的插入壳体27，该蜗壳形成用于接收来自于叶轮的压缩空气的蜗，该插入壳体从叶轮的入口侧插入到蜗壳中。插入壳体27具有壁39，该壁形成供给空气到达或穿过叶轮的导管。壳体系统还包括主壳 体28，该主壳体形成包围轴和叶轮的轴侧末端的壳。
[0072] 在径向内侧环形连接法兰34处，密封板29连接到主壳体28。在平衡板25的外侧且接近边缘22的外表面处，密封板与轮毂21的后表面24构成迷宫式密封30。密封板还径向朝外延伸以形成环形通道31的后壁，该环形通道31可选的包含扩压叶片32，该叶片将压缩气体从叶轮导向蜗壳。平衡板25产生紧邻其内侧的厚度减小的颈区33。
[0073] 叶轮通常设计为在高压力比下操作。因此，叶轮轮毂的形状相对的为楔形以支撑来自于叶轮边缘22的附加离心载荷。图3所示更为明显，其为图2的涡轮增压器的纵向截面图，该楔形由位于内半角α小于80°的圆锥面的轮毂后表面产生。
[0074] 在连接法兰34和迷宫式密封30之间，密封板29具有基本为圆柱形的腰区35，该腰区相对于板的其他部分而言具有减小的厚度。如图3所示，腰区的厚度W是轴向测量的边缘22的最小厚度R的2.5倍到1.5倍。当叶轮爆炸期间的轮毂碎片的能量趋向于规模R时，W的上限帮助确保密封板在腰区35周围破裂。这吸收能量，且使腰区外侧的密封板29的一些部分更可能保持完好，使这些部分成为轮毂1的大碎片的穿透屏障。W的下限帮助确保正常操作期间密封板29的完整性。
[0075] 在叶轮爆炸期间，用于防止轮毂碎片逃脱的进一步的屏障由蜗壳和主壳体和密封板间的大的轴向重叠A提供。该重叠约为轴向测量的叶片出口边沿38的跨度S的5.5倍。尝试沿着蜗壳26和主壳体28间的交界面逃脱的轮毂碎片可能部分地挤开各壳体。然而，即使上述成功，也不会消除重叠，因此轮毂碎片可被保留在壳体系统中。重叠的长度可以改变，这依赖于轮毂碎片的预期能量，但是优选的，A/S应至少约为3。
[0076] 腰区35和轴向重叠A的结合对于容纳轮毂碎片尤其有效，密封板29的外侧部分防止大量碎片到达蜗壳26和主壳体28间的交界面，且重叠A防止到达交界面的任意碎片进一步逃脱。
[0077] 插入壳体27被配置为进一步提升壳体系统的吸收能量的能力，和减小轮毂碎片逃脱的可能性。因而，到达密封板29处和/或蜗壳26与主壳 体28的交界面处的任意碎片通过插入壳体后其能量减少。
[0078] 插入壳体27的导管壁39被成形为提供叶片36的从叶片入口边沿37到叶片出口边沿38的狭窄间隙。该导管壁39还包含上游40和下游41的圆周狭槽。这些狭槽用于增加叶轮的质量流的可用范围。下游狭槽41环绕邻近其叶片入口边沿37的叶片36。导管壁39的厚度逐渐增加且从狭槽41延续到邻近出口边沿38的位置，使得在出口边沿导管壁的厚度为在狭槽处的约1.3倍。当插入壳体27在叶轮爆炸期间破碎，该增厚增加了由插入壳体27吸收的叶轮能量的量。
[0079] 插入壳体27还具有上游42和下游43的环形结构，该环形结构将插入壳体连接到分别位于导管的上游末端和下游末端的蜗壳26。上游的环形结构为法兰42，该法兰通过固定
螺栓连接到蜗壳26。下游的环形结构为接界面43，该接界面紧邻蜗壳，两者之间没有机械
紧固件，尽管可以在接界面43和蜗壳26的交界面提供一个密封环以改善相互间的密封。T-形或Y-形支柱形结构相对于结构42、43支撑导管壁39。每个支柱形结构具有延伸到导管壁39的第一支柱44a，延伸到下游接界面43的第二支柱44b和延伸到法兰42的第三支柱44c。第一支柱44a的最小截面面积大于第二支柱44b的最小截面面积。此外，第二支柱44b的最小截面面积大于第三支柱44c的最小截面面积。当插入壳体27扭曲和破碎，该截面面积的递进增加了能量的吸收。该截面面积的递进还可以帮助防止插入壳体被轴向推动到叶轮外。
[0080] 虽然本发明通过以上所述的示例性实施例进行描述，但是当本发明被公开，许多等同的
修改和变化对于
本技术领域的技术人员将会显而易见。因此，以上所示的本发明的示例性实施例被认为是说明性的且不限制性的。可以在不脱离本发明的精神和范围内实现对所述实施例的各种改变。
