專利名稱：渦輪機(jī)殼體組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文公開的主題總體地涉及用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪機(jī)械，更具體地，涉及渦輪機(jī)殼體。
背景技術(shù)：
許多常規(guī)渦輪機(jī)殼體被鑄造為具有一體的蝸殼，并且這些殼體與多種部件組合形成適于接收和容納渦輪機(jī)葉輪的渦輪機(jī)殼體組件。本文展示多種與這樣的常規(guī)渦輪機(jī)殼體組件相比具有優(yōu)點(diǎn)的渦輪機(jī)殼體組件。


通過結(jié)合附圖所示的示例參考下文的詳細(xì)描述，可以更全面地理解本文描述的各種方法、裝置、組件、系統(tǒng)、布置等，及其等同方式，其中圖1是渦輪增壓器和內(nèi)燃機(jī)的簡圖；圖2是渦輪機(jī)殼體組件的實(shí)施例的一組透視圖和橫截面視圖；圖3是渦輪機(jī)殼體組件的實(shí)施例的組成部件的一組透視圖；圖4是圖3中筒形部件的透視圖；圖5是包括圖3中筒形部件和蝸殼部件的組件的透視圖；圖6和7是包括圖3中筒形部件、蝸殼部件和出口部件的組件的透視圖；圖8是包括熱擋板的示例的組件的透視圖以及熱擋板的側(cè)視圖；圖9是爆裂擋板的示例的透視圖；圖10是包括圖3中筒形部件、蝸殼部件和出口部件以及另一種示例形式的爆裂擋板的組件的透視圖；圖11是包括圖10中組件的一些部件的組件的示例的透視圖；圖12是裝配到中心殼體上的渦輪機(jī)組件的示例的透視圖；圖13是包括爆裂擋板的中心殼體的示例的分解透視圖和橫截面視圖；以及圖14是裝配渦輪增壓器部件的方法的簡圖。
具體實(shí)施例方式渦輪增壓器常用來提高內(nèi)燃機(jī)的輸出。參考圖1，常規(guī)系統(tǒng)100包括內(nèi)燃機(jī)110 和渦輪增壓器120。內(nèi)燃機(jī)110包括發(fā)動機(jī)氣缸體118，其容納一個或多個可操作地驅(qū)動軸 112的燃燒室。如圖1中所示，進(jìn)氣口 114提供供空氣流到發(fā)動機(jī)氣缸體118的流動路徑， 而排氣口 116提供用于從發(fā)動機(jī)氣缸體118排氣的流動路徑。
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渦輪增壓器120起到從排氣抽取能量并向進(jìn)氣提供能量的作用，進(jìn)氣可與燃油結(jié)合形成燃燒氣體。如圖1中所示，渦輪增壓器120包括空氣入口 134，軸122，壓縮機(jī)124，渦輪機(jī)126，殼體128和排氣出口 136。殼體128可稱為中心殼體，因?yàn)樗糜趬嚎s機(jī)124和渦輪機(jī)126之間。軸122可以是包括多個部件的軸組件。圖2示出了渦輪機(jī)殼體組件200的示例，其包括筒形部件205，蝸殼部件250和出口部件270。筒形部件205包括上表面207，構(gòu)造為用于接收渦輪機(jī)葉輪的開口 210，以及從上表面207延伸并支撐具有外形設(shè)計(jì)獨(dú)特的(contoured)罩部237的圓柱形壁236的多個支撐件235。圖2示出了透視圖，圓柱形壁236被剖去的透視圖和筒形部件205的內(nèi)部可見的剖面圖。如本文所述，筒形部件可以是具有或不具有一個或多個空處的單個鑄件。例如，筒形部件205可以是包括支撐件235和圓柱形壁236的單個鑄件，其不具有或具有空處(例如，其中空處可以用來減輕重量，控制傳熱等)。在圖2的示例中，蝸殼部件250是曲壁，其包括上邊緣256和下邊緣258以及形成接收排氣的進(jìn)口的進(jìn)口部分275。上邊緣256鄰接圓柱形壁236，下邊緣258鄰接筒形部件 205的上表面207。通過這種配置，筒形部件205和蝸殼部件250形成能接收排氣并向渦輪機(jī)葉輪空間提供排氣的蝸殼。如下面的剖面視圖所示，出口部件270座落在壁236的頂部。 蝸殼部件250的上邊緣256基本上包括具有弓形形狀的至少一部分(例如，與圓柱形壁236 匹配鄰接的那部分)。如本文所述，鑄造部件可提供持久耐用的罩或葉輪輪廓。此外，在筒形部件205是被鑄造的情況下，它可提供一定程度的爆裂抑制。具體地，在圖2的示例中，在筒形部件205 被鑄造的情況下，一旦渦輪機(jī)葉輪爆裂，筒形部件205的各個部分，如果保持完整(例如，限定開口 210的材料，支撐件235和圓柱形壁236)，可有助于抑制和吸收碎片中的能量，僅留下支撐件235之間的空間和由圓柱形壁236限定的開口 240作為可能的噴射通路。在筒形部件205是被鑄造的情況下，它還可提供用于將渦輪機(jī)殼體組件200通過例如如圖2中所示的V形帶固定機(jī)構(gòu)或其它固定機(jī)構(gòu)連接到支承殼體(例如渦輪增壓器中心殼體)的支撐。如本文所述，鑄造筒形部件可包括固定用V形帶和葉輪輪廓。這樣的筒形部件可具有多種優(yōu)點(diǎn)，并能夠使用不同類型的蝸殼部件和出口部件。例如，蝸殼部件可專門制造成提供特定的操作特性。具體地，蝸殼部件可成型為適于特定的蝸殼容積、橫截面積、橫截面形狀等。使用單獨(dú)的蝸殼部件還可允許流動表面改進(jìn)，例如，拋光、導(dǎo)向流動的標(biāo)記等。這樣的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)降低摩擦損失、改善流場、以及為渦輪機(jī)葉片專門設(shè)計(jì)排氣流或使蝸殼部件與特定的渦輪機(jī)葉輪或渦輪機(jī)葉輪族相匹配，任選地適于某些運(yùn)行條件(例如，低負(fù)荷、 高負(fù)荷等)。如本文所述，具有鑄造筒形部件的渦輪機(jī)殼體組件，例如組件205，可降低質(zhì)量和熱滯留。例如，具有一體的鑄造蝸殼的常規(guī)鑄造渦輪機(jī)殼體通常需要更多的材料，包含更大的質(zhì)量和滯留更多的熱量。與之相比，蝸殼部件，例如蝸殼部件250，可由具有更輕質(zhì)量、更小厚度、更低熱容等的材料制造，這可被預(yù)期為滯留更少的熱量。此外，與具有一體蝸殼的鑄造渦輪機(jī)殼體相比，可簡化用于筒形部件的鑄造。另外，與需要一個或多個專用工具來清潔鑄件或檢驗(yàn)鑄件質(zhì)量(例如，蝸殼的內(nèi)表面)的鑄造蝸殼相比，鑄造筒形的清潔和特征的檢驗(yàn)更易于進(jìn)行。如此處所述，蝸殼部件可由金屬薄板，重量輕的高溫復(fù)合材料(例如，陶瓷基體復(fù)合材料)或者其它材料制成。如本文所述，組件可包括筒形部件，該筒形部件包括具有構(gòu)造成接收渦輪機(jī)葉輪的開口的基板、圓柱形壁以及設(shè)置在圓柱形壁和基板之間的葉片，其中相鄰葉片限定喉部； 和包括近端和遠(yuǎn)端以及上邊緣和下邊緣的曲壁。在前述示例中，曲壁的近端可形成用于排氣的進(jìn)口，上邊緣和圓柱形壁的連接以及下邊緣和基板的連接可形成蝸殼，其中蝸殼被構(gòu)造成將經(jīng)進(jìn)口接收到的排氣經(jīng)喉部導(dǎo)入渦輪機(jī)葉輪。圖3示出了渦輪機(jī)殼體組件300的示例，其包括筒形部件305、蝸殼部件350和出口部件370。圖3中參照具有軸向“ζ”坐標(biāo)，徑向“r”坐標(biāo)和方位角“ θ ”坐標(biāo)的圓柱坐標(biāo)系(例如，參見 Beyer, W. H. , CRC Standard Mathematical Tables, 28th ed. Boca Raton, FL :CRC Press, P. 212，1987)示出部件 305,350 和 370。筒形部件305構(gòu)造成經(jīng)排氣導(dǎo)管322的進(jìn)口 320接收排氣，此處排氣導(dǎo)管322可與基板307 —體鑄造?；?07可包括開口 308，其用于接收桿、螺栓，或其它適于安裝或固定渦輪機(jī)殼體組件300的部件，其中開口 308位于基板307的最大徑向尺寸附近。如放大圖中所示，基板307包括構(gòu)造成用來接收渦輪機(jī)葉輪的開口 310。開口 310可由比渦輪機(jī)葉輪半徑稍微大點(diǎn)的徑向尺寸限定。 在圖3的示例中，筒形部件305還包括具有開口 340的圓柱形壁338和布置在圓柱形壁338和基板307之間的葉片334，其中相鄰葉片334限定喉部。在葉片334的后緣處， 喉部于豁口 330處開放?；砜?330的軸向高度由一個或多個葉片334的軸向尺寸限定。不同的葉片334可有不同的軸向高度，因此這導(dǎo)致變化的豁口 330高度(例如，豁口 330的軸向尺寸隨角度 而變化)。每個葉片334可由穿過后緣和前緣之間的線確定，其中所述線形成葉片角，例如，相對于從ζ軸延伸到葉片后緣的徑向線確定的角度。通常，葉片334是固定的(例如，以固定的葉片角形成)。每個葉片可具有特定的不同于一個或多個其它葉片的形狀，例如，葉片的形狀取決于葉片在方位角方面的位置。在不同的示例中，所有葉片可具有相同的形狀，相同的高度和相同的葉片角。在圖3的示例中，蝸殼部件350是曲壁，其繞方位角維度彎曲，并包括端352和遠(yuǎn)端354以及上邊緣356和下邊緣358。如對于特定的角度θ的橫截面視圖所示，蝸殼部件 350具有特定的形狀，請注意，蝸殼部件350的橫截面形狀隨角度θ而變化。如本文所述， 蝸殼部件350的橫截面形狀可被專門設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)一個或多個目標(biāo)。筒形部件305和蝸殼部件350 —旦裝配，上邊緣356鄰接圓柱形壁338，同時下邊緣358鄰接筒形部件305的上表面307。此外，近端352鄰接排氣導(dǎo)管322的出口 313，遠(yuǎn)端354鄰接弓形壁311，例如，所述弓形壁311可限定開口以使排氣能夠從360度或近似360 度到達(dá)渦輪機(jī)葉輪。通過此配置，筒形部件305和蝸殼部件350形成這樣一種蝸殼，其可經(jīng)排氣導(dǎo)管322接收排氣并將排氣經(jīng)葉片334的喉部提供給渦輪機(jī)葉輪空間。在圖3的示例中，出口部件370構(gòu)造為在進(jìn)口 372和出口 376之間延伸的圓柱形壁374，其中所述進(jìn)口和出口由該圓柱形壁限定。出口部件370可相對于筒形部件305設(shè)置，從而筒形部件305的出口 340能使排氣流到出口部件370的進(jìn)口 327。例如，如圖3中所示，出口部件370可以是筒形部件305的圓柱形壁338的延伸部。如本文所述，可使圓柱形壁338的軸向尺寸最小化以減輕重量但足以提供完整性，形成用于渦輪機(jī)葉輪的足夠的罩等。可用不同于筒形部件305的材料制造出口部件370。如本文所述，組件可包括鑄造筒形部件，該筒形部件包括具有構(gòu)造成接收渦輪機(jī)葉輪的開口的基板、具有進(jìn)口和出口的排氣導(dǎo)管、圓柱形壁以及設(shè)置在圓柱形壁和基板之間的葉片，其中相鄰葉片限定喉部；以及包括近端和遠(yuǎn)端以及上邊緣和下邊緣的曲壁。這里，近端和排氣導(dǎo)管的出口的連接，上邊緣和圓柱形壁的連接以及下邊緣和基板的連接形成蝸殼，該蝸殼被構(gòu)造成將經(jīng)進(jìn)口接收到的排氣經(jīng)喉部導(dǎo)向渦輪機(jī)葉輪。如本文所述，曲壁可被成型為與選定的渦輪機(jī)葉輪相對應(yīng)，此外，組件或成套設(shè)備可包括具有不同形狀的多個曲壁，從中選擇一個曲壁連接到鑄造部件上。如本文所述，基板可包括多個開口，每個開口構(gòu)造成接收桿或其它構(gòu)件以將支承殼體夾在基板和壓縮機(jī)之間。在此配置中，渦輪機(jī)殼體組件可包括構(gòu)造成用于鄰近基板放置的熱擋板。如本文所述，排氣導(dǎo)管可具有軸線，該軸線基本上平行于由基板限定的平面。如本文所述，筒形部件的圓柱形壁可具有軸線，該軸線基本上垂直于由筒形部件的基板限定的平面。如本文所述，排氣導(dǎo)管可包括構(gòu)造成用于與曲壁(例如蝸殼部件)的近端相連接的槽。如前所述，渦輪機(jī)殼體組件可包括連接到鑄造筒形部件的曲壁。在這樣一種實(shí)施例中，曲壁和鑄造筒形部件可通過焊接連接部連接。取決于構(gòu)造，也可采用其它連接方式 (例如，使排氣泄漏的風(fēng)險被可接受地最小化)。圖4所示的是圖3的筒形部件305的透視圖。在圖4中，相對于導(dǎo)管322示出了弓形壁311和出口 313，它們作為導(dǎo)管322的一體部分。圖5所示的是包括筒形部件305和蝸殼部件350的組件500的透視圖。在圖5中， 弓形壁311限定開口，其用于接收蝸殼部件350的遠(yuǎn)端354。圖6和7所示的是包括筒形部件305，蝸殼部件350和出口部件370的組件600的透視圖。在圖6和7中，陰影線表示各個部件經(jīng)焊接連接，所述焊接存在于基板307和蝸殼部件350的下邊緣358之間，導(dǎo)管322的出口 313和蝸殼部件350的端部352之間，蝸殼部件350的上邊緣356和圓柱形壁338之間，出口部件370的進(jìn)口 372和圓柱形壁340的出口 340之間，以及蝸殼部件350的端部354和筒形部件305的弓形壁311之間?？赏ㄟ^各種各樣的方法(熱的，化學(xué)的等)進(jìn)行焊接，這取決于各個部件的構(gòu)造材料。圖8所示的是包括熱擋板805的組件800的透視圖以及熱擋板805的側(cè)視圖。在圖8的示例中，熱擋板805包括定位開口 808，間隔件809，中心開口 810，以及沿導(dǎo)管322的軸線方向延伸的舌狀物812。圖8還示出了環(huán)繞筒形部件305的開口 310的突出邊緣306。在圖8的示例中，間隔件808可在扁平材料(例如，金屬，復(fù)合材料等)件中沖壓或以其它方式形成。間隔件808確保使熱擋板805的大致扁平部分807與基礎(chǔ)部件305間隔開，例如，提供用于空氣的空間。圖9所示的是爆裂擋板900的示例。爆裂擋板900包括基部907和具有端部914 和918以及上邊緣920的壁910?；?07包括用于安裝到渦輪機(jī)殼體組件的開口 908。端部914和918限定豁口，例如，該豁口的寬度足以容納渦輪機(jī)殼體組件的導(dǎo)管。圖10所示的是包括筒形部件305，蝸殼部件350，出口部件370和爆裂擋板1005 的組件1000的透視圖。爆裂擋板1005具有與圖9中的爆裂擋板相似的特征，進(jìn)一步還包括蓋部1020。蓋1020和環(huán)繞壁1010在爆裂發(fā)生的情況下相當(dāng)于阻擋碎片的屏障。這些特征還起到阻擋熱傳遞的作用，這樣就可減少輻射和縮短渦輪機(jī)組件暖機(jī)的時間。減少輻射對于減小對周圍部件的影響，例如，對外部輻射敏感的電部件，是重要的。如圖10中所示， 爆裂擋板1005的開口 1008與筒形部件305的基板307的開口 308對齊。此外，爆裂擋板 1005內(nèi)構(gòu)造成以使端部1014和1018 (未示出，例如，與圖9中的918類似)提供用于筒形部件305的導(dǎo)管322的間隙。圖11所示的是組件1100的透視圖，其包括圖10的組件1000、以及圖8的熱擋板 805、流體導(dǎo)管1120、支承殼體1140和壓縮機(jī)組件1180。在圖11的示例中，桿1108從爆裂擋板905延伸到壓縮機(jī)組件1180并夾持支承殼體1140。筒形部件305提供結(jié)構(gòu)剛性和完整性，以支持在渦輪機(jī)和壓縮機(jī)之間對軸承殼體的夾持。熱擋板805使得流體導(dǎo)管1120被安裝時不直接接觸筒形部件305。流體導(dǎo)管1120可用于使冷卻流體流動從而帶走組件1100 的熱量，尤其是傳遞到熱擋板805的熱量。在圖11中，導(dǎo)管1120可以是流體保溫套。2010 年7月16日申請的名稱為“渦輪增壓器支承殼體組件”、序列號為No. 12/838317的美國專利申請描述了各種殼體和流體保溫套組件的細(xì)節(jié)，在此通過引用并結(jié)合到本文中。圖12所示的是組件1200的示例，其包括安裝到支撐軸297的中心殼體1290上的渦輪機(jī)組件。在圖12的示中，渦輪機(jī)組件包括基部1207，圓柱形部分1538和蝸殼壁1250， 蝸殼壁在一端具有形成開口 1220的開口部分1255。開口部分1255可構(gòu)造成用于連接到排氣導(dǎo)管的固定件。因此，在該示例中，用于排氣導(dǎo)管的固定件或配件被作為蝸殼壁1250的一部分形成，這與圖2中的示例一樣，而與其它一些鑄件部分形成裝配的固定件的示例形成對照。圖13所示的是包括一體爆裂擋板1305的中心殼體1300。該殼體1300可以是鑄件，并具有足夠的完整性以在渦輪機(jī)葉片1310爆裂的情況下阻擋碎片。該擋板1305為圓柱形，具有容納用于蝸殼的排氣進(jìn)口的切除部分?？蓪u輪機(jī)殼體1320安裝到中心殼體 1300上。如圖13的示例所示，擋板1305至少達(dá)到渦輪機(jī)葉輪1310出口導(dǎo)流部的高度。擋板1305還可以減少來自渦輪機(jī)殼體，例如渦輪機(jī)殼體1320的輻射。圖14所示的是組裝渦輪增壓器部件的方法1400的方框圖。方法1400包括提供鑄造筒形部件1410和提供蝸殼部件1420。連接框1430包括連接鑄造筒形部件和蝸殼部件。夾持框1440包括將支承殼體夾持到鑄造筒形部件上。關(guān)于鑄造筒形部件和蝸殼部件，這些部件可包括圖3中的部件305和350的特征。 連接框1430任選地包括將蝸殼部件焊接到鑄造筒形部件上。夾持框1440任選地包括在鑄造筒形部件和壓縮機(jī)殼體之間夾持支承殼體，例如，利用在鑄造筒形部件和壓縮機(jī)殼體之間延伸而不接觸支承殼體的桿。這種方法可降低渦輪機(jī)殼體和支承殼體之間的熱傳遞。此外，該方法能夠提高空氣向支承殼體的流動，這可提高從支承殼體的熱傳遞。方法1400任選地包括在夾持之前將熱擋板安裝到鑄造筒形部件上。方法1400任選地包括在夾持之前將爆裂擋板安裝到鑄造筒形部件上。方法1400任選地包括在夾持之前安裝熱擋板和安裝爆裂擋板到鑄造筒形部件上。如本文所述，夾持可有助于固定熱擋板、 爆裂擋板或熱擋板和爆裂擋板，例如，如圖11的組件1100中所示。盡管在附圖和上面的具體實(shí)施方式
中對一些方法、裝置、組件、系統(tǒng)、構(gòu)造等的示例進(jìn)行了解釋和描述，但是應(yīng)當(dāng)理解的是，所公開的實(shí)施例并不是限制性的，而是在不背離由下面的權(quán)利要求所提出和限定的精神的前提下可以進(jìn)行許多重排、修改和替換。
權(quán)利要求
1.一種組件，包括鑄造筒形部件，該鑄造筒形部件包括 具有構(gòu)造成用來接收渦輪機(jī)葉輪的開口的基板， 具有進(jìn)口和出口的排氣導(dǎo)管， 圓柱形壁，以及設(shè)置在圓柱形壁和基板之間的多個葉片，其中相鄰葉片限定喉部；和曲壁，該曲壁包括 近端和遠(yuǎn)端，以及上邊緣和下邊緣；其中，近端和排氣導(dǎo)管的出口的連接，上邊緣和圓柱形壁的連接以及下邊緣和基板的連接形成蝸殼，該蝸殼被構(gòu)造成將經(jīng)進(jìn)口接收到的排氣經(jīng)喉部導(dǎo)向到渦輪機(jī)葉輪。
2.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，所述曲壁包括與特定渦輪機(jī)葉輪相一致的形狀。
3.如權(quán)利要求1的組件，包括多個具有不同形狀的曲壁，用于連接到所述鑄造部件的曲壁是從所述多個曲壁中選擇的。
4.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，所述基板包括多個開口，每個開口構(gòu)造成接收桿從而在基板和壓縮機(jī)之間夾持支承殼體。
5.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，所述排氣導(dǎo)管包括與由基板限定的平面基本平行定向的軸線。
6.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，所述排氣導(dǎo)管包括構(gòu)造成用來連接曲壁的遠(yuǎn)端的槽。
7.如權(quán)利要求1的組件，還包括曲壁和鑄造筒形部件的連接。
8.如權(quán)利要求7的組件，其特征在于，所述曲壁和鑄造筒形部件的連接包括焊接接合部。
9.如權(quán)利要求1的組件，還包括構(gòu)造成用于鄰近基板地設(shè)置的熱擋板。
10.如權(quán)利要求1的組件，還包括構(gòu)造成連接到圓柱形壁的導(dǎo)管。
11.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，所述葉片包括固定葉片。
12.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，每個葉片包括相對于圓柱形壁的軸線限定的葉片角ο
13.如權(quán)利要求1的組件，其特征在于，每個葉片都包括葉片形狀。
14.一種組件，包括鑄造筒形部件，該鑄造筒形部件包括 具有構(gòu)造成用來接收渦輪機(jī)葉輪的開口的基板， 圓柱形壁，以及設(shè)置在圓柱形壁和基板之間的多個葉片，其中相鄰葉片限定喉部；和曲壁，該曲壁包括 近端和遠(yuǎn)端，以及上邊緣和下邊緣；其特征在于，曲壁的近端形成用于排氣的進(jìn)口，其中上邊緣和圓柱形壁的連接以及下邊緣和基板的連接形成蝸殼，該蝸殼被構(gòu)造成將經(jīng)進(jìn)口接收到的排氣經(jīng)喉部導(dǎo)向到渦輪機(jī)葉輪。
全文摘要
本發(fā)明涉及渦輪機(jī)殼體組件。一種組件包括鑄造筒形部件和曲壁。鑄造筒形部件包括具有構(gòu)造成用來接收渦輪機(jī)葉輪的開口的基板，具有進(jìn)口和出口的排氣導(dǎo)管，圓柱形壁，以及設(shè)置在圓柱形壁和基板之間的多個葉片，其中相鄰葉片限定喉部。曲壁包括近端和遠(yuǎn)端，以及上邊緣和下邊緣。其中近端和排氣導(dǎo)管的出口的連接，上邊緣和圓柱形壁的連接以及下邊緣和基板的連接形成蝸殼，該蝸殼被構(gòu)造成將經(jīng)進(jìn)口接收到的排氣經(jīng)喉部導(dǎo)向到渦輪機(jī)葉輪。還公開了裝置、組件、系統(tǒng)、方法等多個其它示例。
文檔編號F01D25/14GK102383874SQ201110289988
公開日2012年3月21日 申請日期2011年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月26日
發(fā)明者A·魯夸特, D·珀蒂讓, G·迪蓬, J-J·萊蘇斯, M·帕拉尼亞潘, M·馬克斯, P·阿諾, R·塞奧托 申請人:霍尼韋爾國際公司