具有蜂窝状结构加固的金属板涡轮机外壳制造技术

本发明专利技术涉及具有蜂窝状结构加固的金属板涡轮机外壳。提供用于耦接到金属板涡轮机外壳的加固元件的系统，所述加固元件施加期望的热保护特性和结构增强特性到外壳层。在一个实例中，系统可以包括涡轮机，该涡轮机包括包围涡轮机转子的外壳，所述外壳具有在一定距离处包围内层的外层，以在内层和外层之间形成中间空间。此外，设置在中间空间中的是耦接到内层和外层的加固元件，其提供强度和一致性硬度而不显著增加外壳的重量。

【技术实现步骤摘要】

本申请涉及涡轮增压器的外壳。
技术介绍
涡轮增压器通过从发动机引导排气流提高发动机的动力输出，以驱动涡轮机，进而驱动压缩机。压缩机传送压缩空气到发动机的进气歧管中，且因此允许更多的燃料燃烧。由于涡轮机以达到120,000rpm(每分钟转速)或更高的高速度旋转，且与排气系统流体连通，所以涡轮增压器及其外壳能够经受可能最终使各种组件变形的极高温度。由于这些不利的条件，涡轮增压器的外壳可以由耐用的生铁制成，但使车辆担负明显的重量，最终降低燃料经济性。因此，近年来，一些生产商反而选择用金属板(sheetmetal)制造涡轮机外壳。与生铁涡轮增压器相比，包括两金属板层的涡轮增压器提供若干优点。因为金属板可以被制成较薄零件，所以涡轮增压器可以更轻且因此减少车辆的总重量。更进一步，金属板通过入口排气相当更快速地变热，使排气后处理系统的组件(即催化转化器)在汽油和柴油发动机的涡轮增压发动机上更快地达到工作(点火)温度。当使用生铁用于涡轮增压器外壳时，由于生铁较高的吸热能力，点火的时间延长。另一方面，与常规生铁相比，达到超过1050℃的温度的高温排气可能对金属板的破坏性更大，其中聚集的入口气体能够使金属板的完整性畸变。更具体地，涡轮机外壳可能经受在伴随发动机操作的热循环过程中发生的热膨胀和热收缩。当涡轮机外壳发生热变形时，金属板涡轮机外壳的涡轮叶尖间隙通常多于双倍。在一些情况下，对于用于轻型到中型柴油应用的涡轮机，叶尖间隙可以从0.4mm增加到1mm，这可能转换为8至12％的效率损耗或1至3％的燃料经济性损耗。Bogner等人在美国专利申请No.13/984,894中示出解决涡轮机外壳的热诱导变形的一个实例方法。其中，描述一种具有冷却剂入口、提供在涡轮机外壳内部的冷却套管以及冷却剂出口的涡轮增压器。在该实施例中，冷却套管设置在两层涡轮机外壳之间。然而，专利技术人在这里已经意识到此类系统潜在的问题。举一个实例，此类冷却套管在技术上复杂，要求精确重铸涡轮机外壳，且生产相对昂贵。此外，在车辆中与涡轮增压器整合可能要求涡轮机机壳更大以容纳涡轮增压器，因此导致前区重量负担增加。冷却套管还可能需要在涡轮增压器和内燃发动机之间进行复杂的液压和机械连接，以用于涡轮增压器的中心主体内的冷却液的循环。即使可以纳入这些特征，但是可能没有在前端区布置足够大的热交换器用于涡轮机的液体冷却以允许大量热消散的可能性。
技术实现思路
因此，提供一种包括包围转子的涡轮机外壳的涡轮机，其中涡轮机外壳包括金属板的内层和外层，外层在一定距离处包围内层以在内层和外层之间形成中间空间。中间空间提供额外的绝缘且减少热损耗。此外，包括波状(corrugated)或波纹(bellowed)金属板的主体的加固元件设置在中间空间中且耦接到内层和外层中的至少一个或两个，所述金属板具有蜂窝状(cellular)结构或图案(pattern)。加固元件可以以对称或不对称间隔隔开有限距离或可以沿整个外壳设置。在另一个实例中，加固元件可以仅设置在具体位置处，例如在邻近涡轮叶片的外壳的内层和外层之间。以此方式，通过增强最接近涡轮叶片的金属板层，维持内层和转子之间的阈值长度是可能的。在一个实例中，对于涡轮机外壳的生产，加固元件使得取代具有承受高热应力能力、但在重量上繁重的材料(例如生铁)成为可能。加固元件的金属板的主体的蜂窝状配置可以包括合适的重复图案。在一个实例中，图案可以采用蜂巢状结构，以使六边形的每个面与涡轮机外壳的内层和/或外层共面接触(facesharingcontact)。在另一些实例中，图案可以包括各种三角几何图形，例如重复的正弦波。更进一步，在另一些实例中，图案呈现串联对齐的基本正方形或三角形形状。加固元件可以经由点焊附接到外壳的层。此类图案和附接方法为金属板外壳层提供期望的热保护和结构性增强特性。因此，经由加固元件实现的技术效果是热阻增加且涡轮机外壳变形减少，且因此可以帮助减少涡轮机转子和外壳的内层之间距离的增加。结果，能够降低效率和燃料经济性损耗。当单独或结合随附的附图，根据下列具体实施方式，本描述的上述优点和其它优点以及特征将更明显。应该理解，所提供的上述
技术实现思路
以简化形式引入在具体实施方式中详细描述的概念选择。这并意味着确定所要求保护的主题的关键或基本特征，所要求保护的主题的范围通过具体实施方式之后的权利要求唯一限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上面提到的或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。附图说明图1示出一个涡轮增压发动机的方框图。图2示出垂直于图1所示的涡轮机转子的轴的截面中的涡轮机的一个实施例。图3示出图2所示的涡轮机的横截面图。图4A至图4B示出一种加固元件的图案的实例。具体实施方式本文描述具有金属板外壳和加固元件的涡轮机。在一个实施例中，涡轮机可以包括具有金属板的第一内层和第二外层的外壳，以及附接在其间的增强加固元件。加固元件可以是形成图案的波状或波纹金属板的主体。在一些实例中，图案体现为六边形蜂巢形状、正弦波以及其它几何图形重复形状中的一个。此外，加固元件可以以一定间隔隔开有限距离或沿整个外壳隔开，且经由点焊接可附接到外壳的内层和/或外层，在此位置处，加固元件与内层或外层共面接触。通过将内层和外层与具有蜂窝状结构的加固元件耦接，减少涡轮机外壳的部分上的热磨损和压力是可能的。加固元件的蜂窝状结构通过维持绝缘空气间隙提供支撑，这减少热损耗并促进更快地发展到催化点火，同时体现不显著增加重量的形态。尽管空气可以被包括在间隙中，其它实施例也可以利用真空。此外，蜂窝状结构以非常低的密度提供强度和一致性硬度(consistentrigidity)。例如，当具有波纹金属板的主体的蜂窝状加固元件接合到外壳的每层时，加固元件的每个六边形壁可以表现得如I-型梁的腹板一样，形成牢固且坚硬的轻量型复合面板。类似地，加固元件的合适图案(诸如几何图形或三角形状等)的其它实施例可以为涡轮机外壳产生类似增强特征。这样，多个几何图形和三角图案中的其中一者可以增加外壳层的硬度，同时允许较轻规格的金属(例如，铝和钢金属板)用于具体应用。参照图1，包括多个汽缸的内燃发动机10由电子发动机控制器12控制，其中图1示出多个汽缸中的一个汽缸。发动机10包括燃烧室30和汽缸壁32，其中连接到曲轴4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种涡轮机，其包括包围转子的外壳，所述外壳具有：内层；外层，所述外层在一定距离处包围所述内层以在所述内层和所述外层之间形成中间空间；和加固元件，其设置在所述中间空间内且耦接到所述内层和所述外层中的至少一个，以维持所述内层和所述转子之间的阈值长度。

【技术特征摘要】
2014.10.10 US 14/511,9871.一种涡轮机，其包括
包围转子的外壳，所述外壳具有：
内层；
外层，所述外层在一定距离处包围所述内层以在所述内层和所述
外层之间形成中间空间；和
加固元件，其设置在所述中间空间内且耦接到所述内层和所述外
层中的至少一个，以维持所述内层和所述转子之间的阈值长度。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述加固元件包括形成图案的
波状金属板层或波纹金属板层的主体。
3.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述图案是蜂巢状形状以使所
述加固元件的横截面是多个六边形。
4.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述图案是波纹波，以使所述
加固元件的横截面是正弦波。
5.根据权利要求2所述的涡轮机，其中所述图案是多个串联对齐的正
方形或三角形。
6.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述加固元件与面朝所述涡轮
机转子的外层的第一表面和背向所述涡轮机转子的内层的第二表面共面
接触。
7.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述加固元件通过点焊接耦接
到所述内层和外层中的一个或多个。
8.根据权利要求1所述的涡轮机，其中所述内层和外层经由焊接或螺
栓连接沿着所述外壳在一个或多个位置处连接。
9.根据权利要求1所述的涡轮机，进一步包括涡管部分，其被提供在
所述涡轮机转子周围的空间中且经配置以从排气歧管接收排气并驱动所
述涡轮机转子。
10.根据权利要求9所述的涡轮机，其中所述内层限定所述涡管部分
的边界。
11.根据权利要求10所述的涡轮机，其中所述加固元件在邻近所述涡
管部分的区域处被耦接到所述外层和所述内层。
12.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙惠民，胡良军，D·R·汉纳，
申请(专利权)人：福特环球技术公司，
类型：发明
国别省市：美国;US