多级涡轮增压组件的制作方法

1.本公开的实施例涉及多级涡轮增压组件。特别地，本公开的实施例涉及具有一个或更多个高压级和一个或更多个低压级的多级涡轮增压组件，尤其被配置用于轴向流。


背景技术：

2.多级涡轮增压器由彼此互连并且与发动机增压空气路径连接(例如，通过中间冷却器和增压空气冷却器)的独立单元涡轮增压器组件组成。涡轮壳体通过允许热气流动的排气管连接：首先将发动机排气引导至高压涡轮的入口，然后将流通过高压涡轮的出口引导至低压涡轮的入口，并且最后，使用排气歧管将流通过出口通道引导至环境。这种类型的结构要求在发动机装置上的大型组件的占用空间(即安装所组装的单元所需的空间)，以及多个管道连接件、波纹管、支持件、联轴器、隔热件和结构增强支架，以减少管道振动和防止故障模式。此外，这样的装置在部件组件、材料清单和服务方面相当复杂。在间距为基本值的机载发动机组件上，努力减少多级涡轮增压器的总体占用空间。此外，由于涡轮壳体及其相关连接管道的温度普遍较高，因此使用了笨重的隔热板和绝缘材料。
3.因此，鉴于上述情况，需要改进的多级涡轮增压组件，其至少部分地克服了现有技术的问题。


技术实现要素：

4.鉴于上述情况，提供了一种根据独立权利要求1所述的多级涡轮增压组件。此外，提供了根据权利要求21所述的一种用于至少移动废气涡轮组件的第一转子块和第二转子块的方法。从从属权利要求、说明书和附图中可以明显看出其他方面、优点和特征。
5.根据本公开的一个方面，提供了一种多级涡轮增压组件。多级涡轮增压组件包括高压级，尤其是至少一个高压级，其包括与高压压缩机联接的高压涡轮。此外，多级涡轮增压组件包括低压级，尤其是至少一个低压级，其包括与低压压缩机联接的低压涡轮。此外，多级涡轮增压组件包括壳体，该壳体包围高压级(尤其是至少一个高压级)和低压级(尤其是至少一个低压级)。壳体是单个单元。
6.因此，与现有技术相比，提供了一种改进的多级涡轮增压组件。特别地，本公开的实施例通过将不同级的壳体集成到单个单元中，有益地减少了发动机占用空间。另外的优点是，能够通过减少零件的数量(即通过消除不同涡轮级之间的互连)来降低组装成本。此外，如本文所述的多级涡轮增压组件的实施例被有益地配置为使得能够消除连接不同级涡轮的排气管。因此，能够提高气流性能和效率。此外，提供作为单个单元的多级涡轮增压组件壳体提供了将连续冷却系统并入壳体中的可能性，例如，通过提供具有中间空间的双壁壳体来提供冷却套。因此，与现有技术相比，通过本公开的实施例，能够减少或甚至消除用于在多级涡轮增压组件的运行期间用于屏蔽来自于壳体的热量的附加热量屏蔽。此外，本文所述的实施例提供了到发动机增压空气冷却器单元的增压空气管道的简化。另外的优点是模块化的可能性，使得能够满足具有多种配置的发动机平台的要求。此外，本公开的实施
例有益地提供了在高压级与低压级之间、尤其是在高压涡轮与低压涡轮之间和/或在高压压缩机与低压压缩机之间的间隙控制以及流的控制。
7.根据本公开的另外的方面，提供了一种用于至少移动废气涡轮组件的第一转子块和第二转子块的方法。废气涡轮组件具有壳体，其中第一转子块和第二转子块中的每个都设置在壳体中，其轴线平行对齐，并限定了轴向方向。壳体是单个单元。该方法包括：将第一转子块和第二转子块附接到(刚性)紧固构件；以及将第一转子块和第二转子块沿轴向方向至少部分地同时移出(例如，拉出)壳体，同时将第一转子块和第二转子块附接到紧固构件。特别地，至少移动废气涡轮组件的第一转子块和第二转子块能够理解为组装或去除。
8.因此，通过使第一转子块和第二转子块至少部分地同时移出壳体，第一转子块和第二转子块的受控快速去除(或部分去除)得以实现。
附图说明
9.以能够详细地理解本公开的上述特征的方式，参照实施例可以获得上面简要总结的本公开的更具体的描述。附图涉及本公开的实施例，并在下文中进行描述：
10.图1示出了根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件的示意图；
11.图2示出了根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件的示意侧视图；
12.图3a和3b示出了根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件的进气口侧的示意性前视图；
13.图4示出了根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件的废气入口/出口侧的示意性前视图；
14.图5示出了根据本文所述实施例的具有空气旁通阀的多级涡轮增压组件的示意图；
15.图6示出了根据本文所述实施例的具有废气旁通阀的多级涡轮增压组件的示意图；以及
16.图7示出了根据本文所述实施例的具有旁路系统的多级涡轮增压组件的示意图。
具体实施方式
17.现在将详细参考各种实施例，其一个或多个示例在每个附图中示出。每个示例都是作为解释提供的，并不意味着作为限制。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征能够在任何其他实施例上使用或与任何其他实施例结合使用，以产生另外的实施例。本公开旨在包括这种修改和变化。
18.在以下对附图的描述中，相同的附图标记是指相同或类似的组件。通常，仅描述关于各个实施例的差异。除非另有规定，否则一个实施例中的部分或方面的描述也能够应用于另一个实施例中的相应部分或方面。
19.参考图1，描述了根据本公开的多级涡轮增压组件100。根据能够与本文所述的其他实施例组合的实施例，多级涡轮增压组件100包括高压级110，该高压级包括与高压压缩机114联接(尤其是机械联接)的高压涡轮113。此外，多级涡轮增压组件100包括低压级120，该低压级包括与低压压缩机124联接(尤其是机械联接)的低压涡轮123。此外，多级涡轮增压组件100包括包围高压级110和低压级120的壳体130。壳体130是单个单元。特别地，壳体
130集成了高压级110和低压级120的壳体。换句话说，壳体130可以是集成的单个单元。
20.应当理解，如本文所述，多级涡轮增压组件100可以包括一个或更多个高压级110和/或一个或更多个低压级120。因此，如本文所述的壳体130可以封闭所述一个或更多个高压级110和所述一个或更多个低压级120。
21.因此，与现有技术相比，提供了一种改进的多级涡轮增压组件。特别地，本公开的实施例通过将不同级的壳体集成到单个单元中，有益地提供了减少的发动机占用空间。另外的优点是，能够通过减少零件数量来降低组装成本，即通过消除不同涡轮级之间的互连来降低组装成本。此外，多级涡轮增压组件的有益配置使得能够消除将所述一个或更多个高压级和所述一个或更多个低压级进行连接的排气管。因此，能够提高气流性能和效率。
22.此外，提供作为单个单元的多级涡轮增压组件壳体提供了将连续冷却系统并入壳体中的可能性，例如，通过提供具有中间空间的双壁壳体来提供冷却套，如本文所述。因此，与现有技术相比，通过本公开的实施例，能够减少或甚至消除用于在多级涡轮增压组件的运行期间用于屏蔽来自于壳体的热量的附加热量屏蔽。
23.此外，本公开的多级涡轮增压组件的实施例提供了到发动机增压空气冷却器单元的增压空气管道的简化。另外的优点是模块化的可能性，使得能够满足具有多种配置的发动机平台的要求。此外，本公开的实施例有益地提供了在高压级与低压级之间、尤其是在高压涡轮与低压涡轮之间和/或在高压压缩机与低压压缩机之间的间隙控制以及流的控制。
24.参考图1，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括在高压涡轮113的高压涡轮出口112与低压涡轮123的低压涡轮入口121之间的通道133。特别地，通道133是流优化的通道，即相对于从高压涡轮113的高压涡轮出口112到低压涡轮123的低压涡轮入口121的流优化。因此，能够消除连接不同级的有益排气管道，使得能够提高气流性能和效率。
25.如本文所述，低压涡轮123能够是逆流轴向低压涡轮。通常，低压涡轮123允许在涡轮壳体内收集高压级后的废气，并引导废气例如通过内部安装的喷嘴环在内部穿过壳体。
26.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括废气入口131，用于向壳体130内的高压涡轮113提供来自发动机170的废气。特别地，废气入口131是高压涡轮入口111，如图1和图2所示。
27.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括废气出口132，用于向壳体130外部提供来自低压涡轮123的废气，如图1和图2所示。特别地，废气出口132是低压涡轮出口122。
28.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括内壳134和外壳135。在内壳134与外壳135之间提供中间空间136。中间空间136被配置为提供冷却剂。例如，冷却剂能够是水或任何其他合适的冷却剂。特别地，中间空间136能够是围绕高压级110和低压级120提供的连续空间。
29.通常，内壳134是集成的单个单元。因此，外壳135可以是集成的单个单元。应当理解，本文所述的关于壳体130的特征也可以应用于内壳134和/或外壳135。
30.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括用于提供冷却剂到中间空间136中的冷却剂入口137。此外，壳体130包括用于从中间空间136排出冷却剂的冷却剂出口138。因此，应当理解，壳体可以包括集成冷却空间和一个或更多个集成冷却通
道，用于提供冷却剂。
31.因此，应当理解，本公开的实施例通过将内部冷却套并入壳体中，有利地提供消除和减少来自于热壳体的热量屏蔽。因此，有益的是，能够主动地冷却压缩机、涡轮和轴承箱。
32.因此，应当理解，壳体、尤其是涡轮壳体，能够在连接涡轮的内部气体通道的主要热临界区域周围进行有益的冷却。这允许降低外壁壳体的表面温度，减少外部隔热。冷却剂能够由单独的冷却系统提供，或者直接由安装组件的发动机中间冷却器提供。因此，有益的是，壳体不需要附加管道以用于冷却。
33.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130是单件结构，尤其是铸造材料的集成单件结构。例如，铸造材料能够是铝合金。此外，应当理解，壳体可以由其他材料制成，诸如钢铸件、灰铸铁或其他合适的铸造材料。根据一个示例，本文所述的壳体是单铸壳体，尤其是alfin壳体，用于容纳高压级和低压级。
34.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，高压级的转动轴线和低压级的转动轴线彼此平行，并限定了轴向方向。根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，高压级110设置在低压级120之下。替代地，低压级120设置在高压级110之下。在这方面，应当理解，高压级的转动轴线和低压级的转动轴线可以在相同的垂直平面上，也可以在不同的垂直平面上。换句话说，高压级的转动轴线和低压级的转动轴线可以相对于彼此横向位移。特别地，当从多级涡轮增压组件100的顶部看时，高压级110的转动轴线可以相对于低压级12的转动轴线发生横向位移，反之亦然。
35.应当理解，在压缩机侧，低压压缩机和高压压缩机的布置与低压涡轮和高压涡轮的布置有关。换句话说，在压缩机侧，将低级压缩机安装在高级压缩机之上(与涡轮放置相关)，允许将更宽的空气通道并入壳体中。
36.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，高压级110被配置为在多级涡轮增压组件的运行期间具有与低压级120的转动方向相反的转动方向。替代地，高压级110可以配置为在多级涡轮增压组件的运行期间具有与低压级120相同的转动方向。
37.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括用于将消音器127、入口壳体或入口管连接到低压压缩机入口125的第一法兰141。
38.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括用于将入口壳体或入口管(尤其是弯头入口壳体或弯头入口管145)连接到壳体130的高压压缩机入口115的第二法兰142。
39.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括用于将出口壳体或出口管(尤其是弯头出口壳体或弯头出口管146)连接到低压涡轮出口122的第三法兰143。
40.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括用于将入口壳体或入口管146连接到高压涡轮入口111的第四法兰144。
41.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括低压压缩机出口126。特别地，低压压缩机出口126被配置为向中间冷却器150提供低压空气。
42.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130包括高压压缩机出口116。特别地，高压压缩机出口116被配置为向增压空气冷却器160提供高压空气。
43.参考图5，描述了具有空气旁通阀的多级涡轮增压组件。特别地，图5示出了可能的
空气旁通阀配置的示意图。根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件的壳体能够包括用于提供限制增压空气压力的装置的空气旁通阀。特别地，多级涡轮增压组件的壳体可以包括选自由低压空气旁通阀181、高压空气旁通阀182、多级空气旁通阀183和可变空气旁通阀184组成的组中的至少一个空气旁通阀。
44.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，低压空气旁通阀181为从低压压缩机出口126到低压压缩机入口125的空气提供流通道，如图5所示。
45.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，高压空气旁通阀182为从高压压缩机出口116到高压压缩机入口115的空气提供流通道，如图5所示。
46.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级空气旁通阀183为从高压压缩机出口116到低压压缩机入口125的空气提供流通道，如图5所示。
47.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，可变空气旁通阀184为从高压压缩机出口116到低压压缩机入口125和/或到低压压缩机出口126、或者从低压压缩机出口126到低压压缩机入口125的空气提供流通道，如图5所示。特别地，可变空气旁通阀184可以配置为可控的，使得能够选择用于从高压压缩机出口116到低压压缩机入口125和/或到低压压缩机出口126、或者从低压压缩机出口126到低压压缩机入口125的空气的流通道。
48.参考图6，描述了具有废气旁通阀的多级涡轮增压组件。根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件的壳体包括用于提供限制增压空气压力的装置的废气旁通阀。特别地，多级涡轮增压组件的壳体可以包括选自由低压废气旁通阀185、高压废气旁通阀186、多级废气旁通阀187和可变废气旁通阀188组成的组中的至少一个。
49.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，低压废气旁通阀185为从低压涡轮入口121之前的高压涡轮出口112到低压涡轮出口122或废气出口132的废气提供流通道。特别地，低压废气旁通阀185可以连接到在高压涡轮133与低压涡轮123之间的通道133，如图6所示。
50.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，高压废气旁通阀186为从高压涡轮入口111之前的发动机170到高压涡轮出口112或低压涡轮入口121的废气提供流通道。特别地，高压废气旁通阀186可以连接到在高压涡轮113与低压涡轮123之间的通道133，如图6所示。
51.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，多级废气旁通阀187为从高压涡轮入口111之前的发动机170到低压涡轮出口122或废气出口132的废气提供流通道，如图6所示。
52.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，可变废气旁通阀188为从高压涡轮入口111之前的发动机170到高压涡轮出口112(或低压涡轮入口121)和/或到低压涡轮出口122(或废气出口132)、或者从高压涡轮出口112(或低压涡轮入口121)到低压涡轮出口122(或废气出口132)的废气提供流通道。特别地，可变废气旁通阀188可以连接到在高压涡轮113与低压涡轮123之间的通道133。此外，可变废气旁通阀188可以配置为可控的，使得能够选择用于从高压涡轮入口111之前的发动机170到高压涡轮出口112(或低压涡轮入口121)和/或到低压涡轮出口122(或废气出口132)、或者从高压涡轮出口112(或低压涡轮入口121)到低压涡轮出口122(或废气出口132)的废气的流通道。
53.参考图7，描述了具有旁路系统的多级涡轮增压组件。根据能够与本文所述的其他
实施例结合的实施例，多级涡轮增压组件的壳体包括用于提供改变压缩机图中的工作点的装置的旁路系统。特别地，多级涡轮增压组件的壳体可以包括选自由第一旁路191、第二旁路192、第三旁路193和第四旁路194组成的组中的至少一个。
54.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第一旁路191为从高压压缩机出口116到高压涡轮入口111的空气提供流通道，如图7所示。
55.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第二旁路192为从高压压缩机出口116到低压涡轮入口121之前的高压涡轮出口112的空气提供流通道。特别地，第二旁路192可以连接到在高压涡轮113与低压涡轮123之间的通道133，如图7所示。
56.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第三旁路193为从低压压缩机出口126到低压涡轮入口121之前的高压涡轮出口112的空气提供流通道。特别地，第三旁路193可以连接到在高压涡轮113与低压涡轮123之间的通道133，如图7所示。
57.根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，第四旁路194是可变旁路，其为从高压压缩机出口116到高压涡轮入口111和/或低压涡轮口121之前的高压涡轮出口112、或者从低压压缩机出口126到低压涡轮入口121之前的低压涡轮出口112的空气提供流通道。特别地，第四旁路194可以配置为可控的，使得能够选择从高压压缩机出口116到高压涡轮入口111和/或低压涡轮口121之前的高压涡轮出口112、或者从低压压缩机出口126到低压涡轮入口121之前的低压涡轮出口112的流通道。
58.尽管附图中未明确显示，但应当理解，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130可以包括确保容纳安全性的元件。特别地，能够通过在铸件内插入不同材料来确保容纳安全性。替代地，能够通过在冷却通道中嵌入来确保容纳安全性。
59.此外，应当理解，根据能够与本文所述的其他实施例结合的实施例，壳体130通常包括与空气和/或废气接触的表面。所述表面通常处理或设计为使得壳体由至少两种不同的材料制成。特别地，这种表面处理能够通过施加阳极氧化、镀铬、施加nikasil等中的至少一种来提供。不同材料的组合可以例如通过例如使用复合铸造工艺(例如alfin工艺)直接与外部结构材料结合的铸造通道结构来提供。
60.鉴于本公开的实施例，应当理解，壳体集成提供了几个优点。特别地，多级涡轮增压组件可以包括单铸复合壳体(例如alfin)，用于容纳一个或更多个高压级和一个或更多个低压级。根据一个示例，所述一个或更多个高压级能够设置在壳体的下部中，所述一个或更多个低压级能够设置在所述一个或更多个高压级之上。这种布置允许直接连接到发动机的废气。此外，有益的是，通过从垂直位置对所述一个或更多个低压级进行计时来最小化级之间的间距。
61.此外，应当理解，将不同级的壳体(尤其是涡轮壳体和压缩机壳体)集成到单个组件(尤其是具有用于冷却剂通道的内腔的单个组件)中，允许将废气从高压涡轮直接转移到低压涡轮，而无需使用额外的外部管道、接头以及与管道弯曲相关的效率损失。此外，应当理解，本文所述的实施例提供的优点是，两个或更多个单独的涡轮能够间隔开，以优化废气流，该废气流被引导通过经由单个壳体创建的内部通道。这允许去除不同涡轮级内的连接管，逆流轴向涡轮允许热气流过不同的级，对气体的自然流动干扰最小。
62.此外，通过集成用于多级涡轮增压器的壳体，能够提供改进的设计，从而能够减少整体安装占用空间。更具体地，低压涡轮垂直安装在高压涡轮之上的设置允许涡轮增压器
组件的安装占用空间的普遍减少。因此，占用空间的减少通过增加组件的整体高度来补偿。
63.因此，与现有技术相比，本文所述的实施例提供了改进的多级涡轮增压组件。根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件能够在涡轮增压器、4冲程发动机和2冲程发动机上实现。
64.最后，描述了一种用于至少移动废气涡轮组件的第一转子块和第二转子块的方法。该方法对于(至少部分地)去除和/或接近本文所述的多级涡轮增压组件的高压级和低压级特别有用。在这种情况下，本文所指的废气涡轮组件是多级涡轮增压组件，其中本文所指的第一转子块和第二转子块分别是多级涡轮增压组件的高压级和低压级。该方法还能够更普遍地应用于至少具有第一转子块和第二转子块的任何其他废气涡轮组件，诸如两级涡轮发电机组件。
65.通用涡轮增压组件具有以下特征：
[0066]-第一转子块和第二转子块：转子块包括具有相应涡轮叶轮、轴和压缩机轮(或在涡轮发电机的情况下具有到发电机的连杆)的实际转子，并且还可以包括内部承载区域。转子块也能够作为具有模块壳体元件的模块提供，该模块被配置为在轴向方向上以整体形式从壳体中取出。
[0067]-废气涡轮组件具有(公共的)壳体，其中，第一转子块和第二转子块中的每个都设置在壳体中，其轴线平行对齐，并限定了轴向方向。壳体是单个单元。通常在去除涡轮壳体或其一部分之后，对于每个转子块，壳体通常在一侧(例如，压缩机侧)具有轴向开口。然后，能够通过该轴向开口接近和去除转子块。
[0068]
用于移动第一转子块和第二转子块的方法包括：
[0069]-例如通过螺钉或螺栓将第一转子块和第二转子块附接到(刚性)紧固构件；从而将第一转子块和第二转子块彼此紧固；以及
[0070]-将第一转子块和第二转子块沿轴向方向至少部分地同时移出(例如，拉出)壳体，同时将第一转子块和第二转子块附接到紧固构件。
[0071]
特别地，将第一转子块和第二转子块附接到刚性紧固构件包括：将刚性紧固构件至少与废气涡轮组件(优选是根据本文所述实施例的多级涡轮增压组件100)的第一转子块和第二转子块一起附接到起重装置；将具有第一转子块和第二转子块的刚性紧固构件附接到刚性紧固支架；以及将刚性紧固支架附接到起重装置。例如，起重装置能够是任何用于起重的工具(例如起重机、滑轮组等)，或者更具体地说是吊索(例如石板吊索、圆形吊索等)。
[0072]
该方法不仅限于两个转子块，还能够用于第三转子块或另外的转子块。在这种情况下，第三转子块/另外的转子块也附接到紧固构件，并与第一转子块和第二转子块至少部分地同时移出壳体。
[0073]
虽然前述内容针对的是实施例，但在不脱离基本范围的情况下，可以设计其他和另外的实施例，并且范围由所附权利要求确定。
[0074]
附图标记
[0075]
100 多级涡轮增压组件
[0076]
110 高压级
[0077]
111 高压涡轮入口
[0078]
112 高压涡轮出口
[0079]
113 高压涡轮
[0080]
114 高压压缩机
[0081]
115 高压压缩机入口
[0082]
116 高压压缩机出口
[0083]
120 低压级
[0084]
121 低压涡轮入口
[0085]
122 低压涡轮出口
[0086]
123 低压涡轮
[0087]
124 低压压缩机
[0088]
125 低压压缩机入口
[0089]
126 低压压缩机出口
[0090]
127 消音器
[0091]
130 壳体
[0092]
131 废气入口
[0093]
132 废气出口
[0094]
133 通道
[0095]
134 内壳
[0096]
135 外壳
[0097]
136 中间空间
[0098]
137 冷却剂入口
[0099]
138 冷却剂出口
[0100]
141 第一法兰
[0101]
142 第二法兰
[0102]
143 第三法兰
[0103]
144 第四法兰
[0104]
145 弯头入口管
[0105]
146 弯头出口管
[0106]
150 中间冷却器
[0107]
160 增压空气冷却器
[0108]
170 发动机
[0109]
181 低压空气旁通阀
[0110]
182 高压空气旁通阀
[0111]
183 多级空气旁通阀
[0112]
184 可变空气旁通阀
[0113]
185 低压废气旁通阀
[0114]
186 高压废气旁通阀
[0115]
187 多级废气旁通阀
[0116]
188 可变废气旁通阀
[0117]
191 第一旁路
[0118]
192 第二旁路
[0119]
193 第三旁路
[0120]
194 第四旁路