專利名稱：軸上帶有當壓縮機轉子開裂時用于軸向固定的裝置的渦輪增壓器的制作方法
技術領域：
背景技術：
借助于渦輪增壓器可以將內燃機的廢氣用于壓縮輸送到內燃機的燃燒用空氣。渦輪增壓器為此具有與共用軸配合的渦輪機和壓縮機。內燃機的廢氣在渦輪機內減壓并轉換為旋轉能量。所獲得的旋轉能量借助于該軸傳遞到壓縮輸送給內燃機空氣的壓縮機上。通過將廢氣的能量用于壓縮輸送到內燃機內燃燒過程的空氣，可以優(yōu)化內燃機的燃燒過程和能量收益率。
因為在渦輪增壓器上，通常外殼的中間部件由于里面包含軸承需要預先加工和封閉，甚至可能整體構成，所以壓縮機轉子在渦輪增壓器組裝時，要首先與軸和固定在軸上的渦輪連接，以便使組件渦輪機-軸-壓縮機能夠完全裝入外殼內。這種結構的缺點是，在壓縮機轉子開裂時，軸不再能夠在外殼內通過軸承軸向定位，而且由于渦輪產(chǎn)生的軸向力會導致軸從外殼內沿軸向脫落。為了盡可能避免這一點，通常是將外殼或者安裝在外殼上的排氣彎管或者板式擴壓器或者排氣管加固，使開裂的部件或者軸可靠地保持在外殼內。然而這種加固相當昂貴和費時，而且在渦輪產(chǎn)生作用于軸的軸向力很高的情況下，該軸仍然會從外殼脫落并導致嚴重的事故。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于，在上述類型的渦輪增壓器上提供一種用于防止軸從外殼內脫落的簡單和成本低廉的裝置。
根據(jù)本發(fā)明，該目的通過第一權利要求所述的特征得以實現(xiàn)。
本發(fā)明的核心在于，在外殼內在與渦輪連接的軸上設置用于軸和與其連接的渦輪軸向固定的裝置。
本發(fā)明的優(yōu)點還在于，借助簡單的裝置在壓縮機轉子開裂時，可以將剩下的軸和固定在軸上的渦輪可靠地保持在外殼內。盡管使用了軸向固定裝置，但渦輪增壓器仍可按傳統(tǒng)公知的方法那樣進行組裝和工作，而不會增加安裝和拆卸的難度。通過使用基本上徑向對稱的軸向固定裝置，防止對轉子也就是不平衡度的影響。
特別有利的是，作為軸向固定裝置使用一個例如像止推環(huán)這樣的防護環(huán)。這種裝置價格低廉，使用簡單，因為除了這種很容易得到的防護環(huán)外無需其他附加部件。迄今為止所使用的部件上的變化因此降到最低限度。軸上用于容納防護環(huán)必須設置的環(huán)形槽非常小，對軸的特征值沒有影響。
本發(fā)明其他優(yōu)選的方案來自從屬權利要求。
下面借助附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明。相同的部件在不同的附圖中均采用相同的附圖標記。介質的流動方向采用箭頭標注。其中圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術的渦輪增壓器的縱剖面示意圖；圖2A示出圖1截面A的放大圖，但具有本發(fā)明主題的第一實施方式；圖2B示出圖2A的截面B，它是本發(fā)明主題第一實施方式的另一放大圖；圖3示出本發(fā)明主題的第二實施方式，類似于圖2A的視圖。
這里僅示出對于直接理解本發(fā)明重要的部件。沒有示出例如相關的內燃機。
具體實施例方式
圖1以縱剖面示意示出渦輪增壓器1，包括一個渦輪機2和一個壓縮機3。渦輪機2主要包括帶有渦輪葉片6的一個渦輪4和環(huán)繞渦輪4的一個渦輪機外殼5。壓縮機3包括帶有壓縮機葉片8的一個壓縮機轉子7和環(huán)繞壓縮機轉子7的一個壓縮機外殼9。渦輪4和壓縮機轉子7通過一根軸10相互連接，軸借助于不同的軸承件支承在軸承箱內。渦輪機2和壓縮機3在這里示出的實施例中作為徑向渦輪機和壓縮機構成。以公知的方式通過未示出的內燃機經(jīng)通道11，12輸送到渦輪4的廢氣驅動渦輪4。減壓并通過減壓冷卻的廢氣通過未進一步示出的廢氣通道排出。通過渦輪4的旋轉運動，借助于軸10與渦輪4連接的壓縮機轉子7同樣進行旋轉。通過壓縮機轉子7吸入空氣14，壓縮空氣并通過排放通道15以公知的方式進行輸送，以便提高未示出的內燃機的效率。
為組裝渦輪增壓器1，將與軸10連接的渦輪4在壓縮機側的方向上插入軸承箱16內。在此，渦輪機側的向心軸承17a可以如這里所示已經(jīng)安裝在軸承箱16內或者套裝在軸10上。然后為了進一步支承軸10，將推力軸承18，推力環(huán)18a和輔助軸承19套裝在軸10上。最后將帶有預裝密封墊圈20的軸承蓋21和壓縮機側的向心軸承17b安裝在軸上。通過將壓縮機轉子7旋接在軸10上，隨后將的所有套裝件18，18a，19，20在軸承箱16和壓縮機轉子7之間軸向定位。在渦輪機側，現(xiàn)在可以將渦輪機外殼5推到渦輪4上并固定在軸承箱16上。在壓縮機側，可以相應地將壓縮機外殼9推到壓縮機轉子7上同樣固定在軸承箱16上。在與所示實施例不同的渦輪增壓器情況下，安裝步驟在細節(jié)上會略有不同，其中，將帶有渦輪的軸插入軸承箱，隨后套裝不同軸承件并將壓縮機轉子在軸上固定的原則不變。
由于將壓縮機轉子7固定在軸10上-在該實施例中，軸端具有外螺紋，壓縮機轉子7具有用于壓縮機轉子定位的內螺紋-通過密封墊圈20，輔助軸承19，推力軸承18，推力環(huán)18a，向心軸承17a和17b以及軸承箱16的共同作用，組件壓縮機轉子-軸-渦輪以很小的軸向間隙可靠地保持在軸承箱16內。然而，如果在渦輪增壓器1工作期間壓縮機轉子7出現(xiàn)開裂，或者壓縮機轉子7和軸10之間的連接斷開，因為失去了正常情況下通過壓縮機轉子7產(chǎn)生的反作用力，渦輪4會加速到不允許的高轉速上。渦輪4因此處于軸向力分量下，這種力分量缺少正常時通過壓縮機轉子7的補償，導致軸10和渦輪4軸向運動。取決于存在的力，在渦輪4損壞情況下渦輪4和軸10從渦輪機外殼5軸向脫落。這樣會危及到環(huán)境和操作人員。
圖2A示出根據(jù)本發(fā)明渦輪增壓器1的壓縮機側的截面，它大體上與圖1根據(jù)現(xiàn)有技術示出的渦輪增壓器12構成相同。但正如從圖2A和2B可看出的那樣，根據(jù)本發(fā)明在軸10上設置一個防護環(huán)22，它在該實施例中為止推環(huán)。防護環(huán)22嵌入軸10的一個環(huán)形槽23內，該防護環(huán)徑向向外凸起于該環(huán)形槽并通過其軸向側面與防護環(huán)22精確配合，或者以安裝用的微小間隙沿軸向在其位置上定位。也可以設想環(huán)形槽的軸向寬度大于防護環(huán)22(未示出)的軸向寬度，其中，防護環(huán)22在停機和正常工作情況下靠近壓縮機側的側面定位，因為對于開裂情況下產(chǎn)生的軸向力的力線來說，重要的首先是壓縮機側的側面。防護環(huán)22在徑向上由一防護件27環(huán)繞，該件為安裝以微小的徑向間隙環(huán)繞防護環(huán)22。為使防護環(huán)22在工作期間不會徑向從環(huán)形槽23內脫落，該徑向間隙小于環(huán)形槽23的徑向深度，從而防護件27在工作時徑向精確配合地環(huán)繞防護環(huán)22。在這里示出的實施例中，密封墊圈20同時達到了防護件27的目的，從而除了防護環(huán)22外無需附加部件，簡化了安裝。為達到防護件27的目的，密封墊圈20在渦輪機側具有徑向凹槽24，其徑向延伸大致相當于防護環(huán)22連同間隙徑向從環(huán)形槽23凸起的部分。凹槽24的軸向寬度略大于防護環(huán)22的軸向寬度，從而防護環(huán)22利用與密封墊圈20和相鄰輔助軸承19的軸向間隙設置在軸10的環(huán)形槽23內。該軸向間隙確保防護環(huán)22在停機和工作期間的正常條件下在軸向上沒有負荷。
如上面對現(xiàn)有技術所介紹的那樣，為形成軸10的軸向固定，首先將渦輪增壓器1與剛才介紹的根據(jù)本發(fā)明的裝置22進行組裝。但在裝入輔助軸承19后，還要先將防護環(huán)22裝入環(huán)形槽23內。防護環(huán)22不管是以推力環(huán)還是以可配合的弓形段形式構成，都使它在環(huán)形槽23內定位后封閉，并在停機時最好徑向無間隙與軸配合，從而防護環(huán)22在安裝狀態(tài)下基本上徑向對稱。這一點對于避免軸10的不平衡是必要的。然后將密封墊圈20套在軸10上并利用其凹槽24整體套在防護環(huán)22上，使其在渦輪機側與輔助軸承19接觸。因此，防護環(huán)22軸向利用間隙由密封墊圈和輔助軸承19環(huán)繞，而它在工作時徑向外部通過密封墊圈20確保精確配合。然后壓縮機轉子7例如借助于螺栓連接與軸10連接。安裝后的壓縮機轉子7將密封墊圈20，輔助軸承19，推力軸承19和推力環(huán)18a與軸10擠壓-確切地說是與軸10起到支座作用的凸肩擠壓-并按照這種方式將所述部件定位。密封墊圈20和輔助軸承19之間防護環(huán)22的軸向間隙的作用是，防護環(huán)22在正常工作時軸向沒有負荷。如果壓縮機轉子7出現(xiàn)開裂，那么軸10受渦輪4的軸向力驅動，僅在渦輪機側方向上整體上軸向運動，直至防護環(huán)22與輔助軸承19產(chǎn)生接觸，并借助于防護環(huán)22在軸10和輔助軸承19之間產(chǎn)生形式配合連接。該軸向力然后經(jīng)輔助軸承19并通過推力軸承18傳入軸承箱16內。通過徑向環(huán)繞防護環(huán)22并通過外殼軸向保持的密封墊圈20，防護環(huán)22進一步沿徑向在軸上定位。
因此在壓縮機轉子7斷開后，通過防護環(huán)22阻止軸10在渦輪4的方向上軸向運動。因為失去了壓縮機轉子7的反作用力，所以渦輪4的轉速快速上升，直至葉片6或者整個輪轂開裂并由此將渦輪4制動，或者直至軸10通過未進一步示出的裝置制動。
圖3示出用于損壞情況下軸10軸向固定的另一解決方案。在裝入密封墊圈20后，將基本上徑向對稱的定位套筒25安裝在軸10上并例如旋接地與軸固定連接，該套筒將密封墊圈20和輔助軸承19保持在軸上。然后將壓縮機轉子7安裝在具有間隙26并環(huán)繞定位套筒25的軸上。
如果壓縮機轉子7出現(xiàn)開裂，而且軸10要在渦輪4的方向上軸向運動，那么通過定位套筒25會產(chǎn)生軸10、密封墊圈20和輔助軸承19之間形狀配合連接。輔助軸承19本身在軸向上由保持在軸承箱16內的推力軸承18的固定。
在壓縮機轉子7分離后，如同前面的解決方案通過防護環(huán)22那樣，借助定位套筒25阻止軸10在渦輪4的方向上軸向運動。因為失去了壓縮機轉子7的反作用力，所以渦輪4的轉速快速上升，直至葉片6或者整個輪轂開裂并由此將渦輪4制動，或者直至軸10通過未進一步示出的裝置制動。
不言而喻，本發(fā)明并不局限于附圖中所示和介紹的實施例。也可以具有根據(jù)本發(fā)明用于軸向固定裝置的其他實施方式。根據(jù)本發(fā)明的固定裝置，也可以在其他類型的渦輪機和壓縮機上作為這里所示的固定裝置使用。取代所述的軸承件，以其他形式構成的軸承件也可與設置在軸上的本發(fā)明固定裝置以相同的方式共同作用。所介紹的和附圖中示出的實施例僅借助具體實施方式
說明固定裝置的作用原理，因此沒有限制性。
附圖標記1 渦輪增壓器2 渦輪機3 壓縮機4 渦輪5 渦輪機外殼6 渦輪葉片7 壓縮機轉子8 壓縮機葉片9 壓縮機外殼10軸11輸送通道12通道13廢氣14空氣15排放通道16軸承箱17a TS向心軸承17b VS向心軸承18推力軸承18a 推力環(huán)19輔助軸承20密封墊圈21軸承蓋22防護環(huán)23環(huán)形槽24密封墊圈間隙25定位套筒26壓縮機轉子間隙27防護件
權利要求
1. 渦輪增壓器(1)，包括帶有一個渦輪(4)的一個渦輪機(2)和帶有一個壓縮機轉子(7)的一個壓縮機(3)，其中，渦輪和壓縮機轉子通過一根軸(10)連接，該軸可旋轉地支承在渦輪和壓縮機轉子之間，而且渦輪、軸和壓縮機轉子這樣設置在外殼(5，9，16)內，使其在壓縮機轉子(7)開裂的情況下，在渦輪(4)和與其連接軸(10)上作用一個軸向的在渦輪機(2)的方向上的力，其特征在于，在與渦輪(4)連接的軸(10)上設置用于軸向固定軸(10)和與其連接的渦輪(4)的裝置(22，25)，其中，該裝置(22，25)在壓縮機轉子(7)開裂的情況下阻止軸(10)和與其連接的渦輪(4)在渦輪機(2)的方向上軸向運動。
2.按權利要求1所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)與軸(10)的軸承件(18，18a和19)共同作用。
3.按權利要求1或2所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)基本上徑向對稱。
4.按權利要求1，2或3所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)為設置在軸上的防護環(huán)(22)。
5.按權利要求4所述的渦輪增壓器，其特征在于，軸(10)上設置用于容納防護環(huán)(22)的一圈環(huán)形槽(23)，裝入的防護環(huán)(22)徑向向外凸出該槽，其中，最好環(huán)形槽(23)的軸向側面軸向精確配合或者利用間隙環(huán)繞防護環(huán)(22)。
6.按權利要求4或5所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護環(huán)(22)以止推環(huán)的方式或者以可配合的弓形段形式構成。
7.按權利要求4，5或6所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護環(huán)(22)在裝入狀態(tài)下為環(huán)繞軸(10)的封閉環(huán)。
8.按權利要求4-7之一所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護環(huán)(22)由一個防護件(27)從外部徑向環(huán)繞，其中，停機時具有一個小于環(huán)形槽(23)徑向深度的徑向間隙，從而防護件(27)在工作期間將防護環(huán)(22)保持在環(huán)形槽(23)內。
9.按權利要求8所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護環(huán)(22)特別是借助于防護件(27)在停機和正常工作時在軸向上沒有負荷。
10.按權利要求8或9所述的渦輪增壓器，其特征在于，防護件(27)以密封墊圈(20)帶有一個渦輪機側敞開的凹槽(24)的方式構成，該凹槽(24)的軸向延伸大于防護環(huán)(22)的軸向延伸，而凹槽(24)的徑向延伸尺寸使它在停機時最好僅以微小的徑向間隙環(huán)繞防護環(huán)(22)。
11.按權利要求1，2或3所述的渦輪增壓器，其特征在于，用于軸向固定軸(10)的裝置(22，25)為固定在軸(10)上的定位套筒(25)。
12.渦輪增壓器上用于軸向固定軸(10)和與該軸固定連接部件的裝置，其中，軸上防旋轉地設置一個渦輪(4)和一個壓縮機轉子(7)，該軸可旋轉地支承在渦輪和壓縮機轉子之間，而且渦輪、軸和壓縮機轉子這樣設置，使其在兩個轉子之一開裂情況下，在軸和與軸固定連接部件上作用一個軸向作用力，其特征在于，所述的裝置(22，25)與軸(10)連接，在開裂情況下與軸(10)的軸承件(18，18a和19)共同作用，從而軸向作用力通過這種共同作用得到補償，并阻止軸(10)和與軸固定連接部件(4)的軸向運動。
全文摘要
渦輪增壓器(1)包括渦輪機(2)和與渦輪機(2)連接的壓縮機(3)，其中，渦輪機(2)包括渦輪(4)，壓縮機(3)包括壓縮機轉子(7)，它們借助于軸(10)相互連接并置于外殼(5，9，16)內。在工作狀態(tài)下壓縮機轉子(7)與軸(10)分離時，在渦輪(4)和與其連接的軸(10)上作用一該軸向力。在與渦輪(4)連接的軸(10)上，設置用于軸向固定外殼(5，9，16)內軸和與其連接渦輪的裝置(22，25)。
文檔編號F01D1/00GK1650092SQ03808243
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月10日 優(yōu)先權日2002年4月12日
發(fā)明者A·科普, M·加特曼, T·格維亨博格 申請人:Abb渦輪系統(tǒng)有限公司