破裂保护 【技术领域】
本发明涉及用于增压内燃机的废气涡轮增压器领域。
本发明涉及废气涡轮增压器的压缩机，该压缩机具有用于确保废气涡轮增压器压缩机侧的破裂保护可靠性的装置。
背景技术
为了提高内燃机(燃烧发动机)功率，目前符合标准地使用这样的废气涡轮增压器，即，其带有将空气输送到内燃机燃烧室以用于燃烧过程的压缩机以及内燃机的废气管中的废气涡轮机。利用内燃机增压提高气缸中的空气和燃料量并由此获得内燃机功率的明显提高。为此使用的废气涡轮增压器按照标准由转子(其由压缩机叶轮(Verdichterrad)和涡轮机叶轮(Turbinenrad)以及轴承座组成)、导引流体的壳体件(压缩机壳体、涡轮机壳体)以及轴承壳体组成。
如果内燃机以满负荷运行，并且废气涡轮增压器的废气涡轮机相应地大废气流被加载，则在涡轮机叶轮以及压缩机叶轮的转子叶片尖端(Laufschaufelspitze)处达到非常高的圆周速度。涡轮增压器的最大许用转子转速是叶轮尺寸、几何形状以及所使用材料的强度值的函数。旋转的部件一般遭受非常高的离心力负荷和因此高的材料应力。材料组织中的缺陷可能导致压缩机叶轮或涡轮机叶轮的破裂，对于相邻的壳体具有不可预见的后果。压缩机叶轮的初始失效图形(Versagensbild)可通过叶片断裂或者多部分的轮毂破裂所描述。在叶片破裂时，叶片在压缩机叶轮的根部区域中失效，其中，叶轮轮毂保持完好。在多部分的轮毂破裂时，轮毂区域大多分裂成二至四个碎块。压缩机叶轮破裂的临界状况是带有三个基本相同大小的碎块(3x120°扇形)的三部分轮毂断裂。废气涡轮增压器的破裂保护概念(封拦概念(Containmentkonzept))构思如下，使所有的碎块(在多部分的轮毂破裂的情况下)在给定的破裂转速时被拦持在外部的壳体外罩(Gehaeuseummantelung)内。因此对于废气涡轮增压器的结构要注意的是，压缩机的动能在内部的靠近转子的壳体部件中通过塑性变形已经被消耗并由此径向向外甩开(geschleudert)的碎块的剩余动能不足以击穿外部的壳体外罩或者不足以使外部的壳体连接件(例如螺栓)失效。
已知在压缩机叶轮破裂情况下减少壳体连接件负荷的不同措施。
按照文件WO 02/090722，在通过压缩机叶轮的转子叶片径向向外限制流体通道的壳体嵌入件壁部(Gehaeuseeinsatzwand)中设置有理论断裂点，以用于在压缩机叶轮破裂情况下阻止壳体部件或固定在压缩机壳体处的构件的轴向甩出。
在文件EP 1-586-745中借助于支承法兰和支承法兰与壳体嵌入件壁部的足够大的间距来防止在压缩机叶轮破裂的情况下飞离的压缩机叶轮部分直接轴向冲击传递到空气入口壳体上，并且由此减少壳体部件之间的上连接件的负荷，并且阻止连接件破坏以及碎块射出(Austreten)。
在按照文件GB 2-414-769的另一变型中，壳体嵌入件壁部的轴向负荷在轮毂破裂时由长的补偿螺栓(Dehnschraube)所充分地吸收，并且压缩机壳体和轴承壳体之间的拴紧的法兰连接充分地被卸载。
在按照文件DE 10-2004-028-133的变型中，这种补偿螺栓在螺栓、壳体嵌入件壁部以及压缩机壳体之间设有附加配合。通过配合吸收破裂时产生地圆周力并且避免嵌入件壁部相对于压缩机壳体转动(verdrehen)。
在文件DE 10-2005-039-820中，使壳体嵌入件壁部增补有保持装置，以用于由此截留或者说卡住轴向向前甩开的压缩机叶轮以及壳体嵌入件壁部的碎块。
上述的变型为了转化在其中所描述的特征大多需要大的结构体积。此外在一些变型中需要非常长的补偿配合螺栓，这对于壳体加工精度、加工成本以及涡轮增压器的结构尺寸提出了更高的要求。在文件DE 10-2005-039-820、DE 10-2004-028-133以及GB 2-414-769中，轴向作用的破裂力首先由补偿配合螺栓所吸收，然后才通过壳体壁部传导到在压缩机壳体和轴承壳体之间上部的、较短的螺栓连接件中。后述的这种螺栓连接件是压缩机侧的破裂概念的临界且待保护的点。
【发明内容】
因此本发明的目的是，通过使压缩机壳体和轴承壳体之间的外部的壳体连接件免受失效，以防止破裂的方式设计用于压缩机叶轮失效的情况的废气涡轮增压器的压缩机的壳体复合件(Gehaeuseverbund)。
根据本发明，这利用壳体复合件而实现，该壳体复合件包括贴靠在外压缩机壳体的轴向止挡部处的壳体嵌入件以及在限制流体通道的嵌入件壁部轮廓和外压缩机壳体之间的力流(Kraftfluss)中的弯曲元件(Biegeelement)。在此，弯曲元件包括：相对于轴向带有角度、优选地垂直于轴向而取向的支承元件，该支承元件可选地构造成环绕的支承环；以及在轴向上前置和后置的桥接件(Steg)，其中，轴向上在支承元件前的桥接件和轴向上在支承元件后的桥接件在垂直于轴线的方向上-即在周向上和/或在径向上-布置成相互错开。由于这些错开布置的桥接件，使破裂引起的在嵌入件壁部轮廓和外压缩机壳体之间的轴向力流被转向两次并由此实现轴向软的弯曲结构。在此，显著减少在外部的壳体连接件(螺栓)中的轴向负荷。
在压缩机破裂时各个碎块在轴向、径向以及周向上压到壳体嵌入件上。根据本发明，弯曲元件在环绕的环形件的区域中塑性地轴向被挤压(stauchen)并由此消耗破裂动能。因此，只有一部分最初存在的破裂能通过壳体嵌入件的固定桥接件的支承面到达外压缩机壳体中并最终到达待保护的与轴承壳体的连接件中。
根据本发明的破裂概念在尽可能小的结构空间上顾及压缩机破裂情况并且利用少量的标准螺栓顾及压缩机壳体和轴承壳体之间的连接件的高的轴向卸载。
在失效时释放的动能主要通过内壳体部件的塑性变形所吸收。由此，使外部的壳体外罩和壳体连接螺栓尽可能地卸载。
其它优点从属权利要求中得出。
【附图说明】
下面借助于附图描述根据本发明的用于废气涡轮增压器压缩机的破裂概念的实施形式。其中：
图1显示根据现有技术的、具有径流式压缩机(Radialverdichter)的废气涡轮增压器的截面图，该径流式压缩机具有外压缩机壳体(蜗壳)和作为内压缩机壳体的壳体嵌入件，
图2显示带有外压缩机壳体和根据本发明设计的壳体嵌入件的压缩机壳体的截面图，
图3以立体图显示根据本发明设计的、根据图2的壳体嵌入件，以及
图4显示根据本发明设计的、根据图2的、带有在破裂情况下所表明的弯曲的壳体嵌入件在径向上的侧视图。
参考标号列表
1 压缩机叶轮
7 压缩机壳体在轴承壳体处的固定件
8 轴
9 涡轮机叶轮
10 壳体嵌入件(内压缩机壳体)
11 嵌入件壁部轮廓
12 定心环
13 支承元件，支承环
14 桥接件
15 固定桥接件
16 连接桥接件
17 理论断裂点
18 固定器件(孔/螺栓)
19 扩压管叶片
20 蜗壳(外压缩机壳体)
21 轴向止挡部
61 流体通道
62 蜗壳中的收集室
80 轴承壳体
90 涡轮机壳体
111 弯曲元件
【具体实施方式】
图1显示根据现有技术的、带有径流式压缩机和径流式涡轮机的废气涡轮增压器。涡轮机叶轮9固定在轴8上或者实施成与轴成为一体。涡轮机壳体90包围涡轮机叶轮并且限制流体通道，这些流体通道导引内燃机的热废气通过涡轮机叶轮到排气系统。压缩机叶轮1同样固定在轴8上。压缩机壳体10通常由多个壳体部件组成并且借助于外部的固定件7而旋紧在轴承壳体处。按照构造概念，以一定的顺序组装多部分的压缩机壳体。在所示情况下，内压缩机壳体(壳体嵌入件10)首先被推入到外压缩机壳体(蜗壳20)中并且在任何情况下利用固定器件以力配合或形状配合的方式而固定在该外压缩机壳体处。接着将由内压缩机壳体和外压缩机壳体组成的单元推到已经布置在轴上的压缩机叶轮1上方并且与轴承壳体80相连接。可选地，如示出的情况中所表明的，当内压缩机壳体10在压缩机出口下游的扩压管(Diffusor)的区域中与轴承壳体相连接时，该内压缩机壳体10通过扩压管叶片19而朝着轴承壳体80的接触面被按压，并且由此在运行时被卡紧在外压缩机壳体20和轴承壳体80之间。
备选地存在这样的构造概念，即，在其中，内压缩机壳体(即壳体嵌入件)随后插入到已经与轴承壳体相连接的外压缩机壳体中并且从压缩机侧借助于螺栓而固定在外压缩机壳体处。
图2显示与前述的压缩机壳体类似地构造的压缩机壳体的放大示出的细节图，但是该压缩机壳体具有根据本发明设计的壳体嵌入件10。该壳体嵌入件固定在外压缩机壳体(蜗壳)20处，并且在扩压管安装有叶片的情况下，可选地通过扩压管的叶片19而卡紧在外压缩机壳体20和轴承壳体80之间。壳体嵌入件10构造成单件式，但是包括多个功能性部分区域。
嵌入件壁部轮廓11径向向内限制流体通道61。因此，应输送到内燃机的燃烧室的空气在压缩机叶轮1的轮毂和嵌入件壁部轮廓11之间流动。对于径流式压缩机而言，嵌入件壁部轮廓11在入口区域中轴向取向并接着在径向上弯曲延伸并且通到外压缩机壳体的螺旋形收集室62中。在压缩机出口下游的扩压管区域中，嵌入件壁部轮廓可设有理论断裂点17，该理论断裂点17在压缩机叶轮破裂情况下以有目的的方式使嵌入件壁部轮廓断裂，并且由此有助于根据本发明设置的壳体嵌入件内部的能量消耗。
为了使壳体嵌入件10定心在外压缩机壳体20处，壳体嵌入件包括定心环12，该定心环12靠在外压缩机壳体处。可选地，可借助于密封元件(密封环)密封支承面。可选地，如图2中所表明的，外压缩机壳体20在用于定心环的支承面区域中可具有向着压缩机进口侧(即在附图中左边)变窄的截面，由此在破裂情况下可发生定心环被卡住在外压缩机壳体处的支承面的狭窄部中。利用这种卡住可消耗定心环12的区域中的部分破裂能量。
定心环12通过连接桥接件16与内部的嵌入件壁部轮廓11相连接。如图2中所表明的，该连接桥接件16可可选地实施成双弯(S形)。在破裂情况下变弯成S形的连接桥接件16受到强烈弯曲负荷并由此在由破裂引起的冲击负荷作用于外部的壳体连接件时实现壳体嵌入件的高轴向挠性。
轴向指向的桥接件14从定心环12起通到支承环13，该支承环13通过同样轴向指向的固定桥接件15而靠在外压缩机壳体20的轴向止档部21处。在此，固定桥接件可选地借助于固定器件18而固定在外压缩机壳体处，例如螺栓或螺纹销可布置在为其设置的固定桥接件中的开孔中。支承环可可选地分成多个环段形的支承元件，这些支承元件各自在两个轴向端侧上分别具有至少一个桥接件，其中，桥接件在对置的端侧上以相互错开的方式而布置。
在支承环13和定心环12之间的桥接件14沿着支承环的周边分布。固定桥接件15同样沿着支承环周边分布，但是相对于桥接件14错开地而布置。可选地，固定桥接件和桥接件除了在周向上错开之外或者代替在周向上错开也在径向上相互错开地而布置。
固定桥接件15、支承环13、支承环和定心环之间的桥接件14以及定心环12一起形成弯曲元件111。图3和图4显示带有弯曲元件结构的放大(ausgebaut)的壳体嵌入件10。在该实施方案中，弯曲元件111的桥接件在周向上分别错开半个节距(Teilung)。由于这种错开使在外压缩机壳体20处的轴向止档部21和定心环12之间的力流通过在定心环和支承环之间的桥接件14、环绕的支承环13以及固定桥接件15被转向两次并由此实现轴向软的弯曲结构。
在压缩机破裂时，通过由于压缩机叶轮碎块的撞击可使壳体嵌入件10在圆周方向上转动，这可能导致固定臂桥接件15和外部的压缩机壳体之间的连接件18受到剪切作用并由此导致破裂动能的部分地损耗。轴向破裂力通过壳体嵌入件10导入到外部的压缩机壳体20中里面并接着导入到外部的的壳体连接件7中。因此为了防止碎块向外射出，因此总是确保，壳体连接件7保持完整并且使轴承壳体80和外部的压缩机壳体20保持在一起。为了实现这一点，根据本发明消耗壳体嵌入件中的大部分能量。向外甩出的碎块可如此地楔入(verkeilen)在壳体嵌入件和轴承壳体之间，即，使高的轴向力除了加载于壳体嵌入件以外还加载于外压缩机壳体以及轴承壳体。但是压缩机叶轮的碎块首先加载于嵌入件壁部轮廓11。通过连接桥接件16使轴向力传递到定心环12上。轴向力从定心环12再通过桥接件14传递到支承环13上。结果如在图4中按照支承环13的虚线走向所表明的，环绕的支承环13在与桥接件14的连接区域塑性地被挤压。通过支承环的塑性变形消耗破裂的动能。由此只有一部分最初存在的破裂能通过固定桥接件15的支承面到达外压缩机壳体20中并最终到达压缩机壳体的径向外部区域中的、待保护的壳体连接件7中。
在结构上如此地设计弯曲元件的桥接件和环状物，即，使得对于正常的涡轮增压器运行实现足够高的刚度并且使嵌入件壁部可设定为刚性的，由此不会对压缩机叶轮和壳体之间的间隙产生不利影响。此外设计弯曲元件时要注意，所实现的嵌入件壁部的固有频率不位于发动机引起的激励频谱的频率范围内。壳体嵌入件可由铸件材料(例如，GGG-40)制成。
可选地，嵌入件壁部轮廓11可朝着流体通道限制径向围绕流体通道61的空腔，在该空腔中，来自压缩机叶轮叶片区域的、已经部分压缩的空气可被导引回到吸气区域(Ansaugbereich)中。为此可选地，在压缩机叶轮叶片区域中的、至少部分地环绕的槽口(Schlitz)可引入到嵌入件壁部轮廓中。
代替严格地垂直于轴向而取向的支承环也可设置以相对于轴向带有角度、优选带有60°至90°范围内的角度的方式而取向的支承环，该支承环同样根据本发明可被挤压并由此吸收破裂能。