專利名稱：渦輪增壓器殼體密封的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明解決從渦輪增壓器，尤其是在渦輪機(jī)殼體或壓縮機(jī)殼體接合到軸承殼體上的區(qū)域中漏出氣體以及煙灰到大氣中的問題。不過，也可以使用本發(fā)明的密封來密封兩個渦輪機(jī)級之間的連接。
背景技術(shù)：
渦輪增壓器將空氣以與在正常吸氣布置中將有可能的情況相比更大的密度傳送到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)、從而允許燃燒更多的燃料，因此在沒有明顯增加發(fā)動機(jī)重量的情況下提升了發(fā)動機(jī)的馬力。更小的渦輪增壓發(fā)動機(jī)可以取代更大物理尺寸的正常吸氣的發(fā)動機(jī)，因此減小車輛的質(zhì)量以及空氣動力學(xué)迎風(fēng)面積。渦輪增壓器屬于一類強(qiáng)制進(jìn)氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了從發(fā)動機(jī)排氣歧管進(jìn)入渦輪機(jī)殼體的排氣流以驅(qū)動位于渦輪機(jī)殼體(2)中的渦輪機(jī)葉輪(10)。渦輪機(jī)葉輪被穩(wěn)固地附著到一個軸上以便形成軸和葉輪組件。該軸和葉輪組件的主要功能是從排氣中提取動力并且使用此動力來驅(qū)動壓縮機(jī)。壓縮機(jī)級包括一個壓縮機(jī)葉輪以及其殼體(5)。壓縮機(jī)葉輪被安裝到該軸和葉輪組件的短軸末端上并且通過來自壓縮機(jī)螺母的夾緊負(fù)載而保持在位。過濾后的空氣通過壓縮機(jī)葉輪在極高RPM下的旋轉(zhuǎn)而被軸向地抽取到壓縮機(jī)蓋件的進(jìn)口之中。渦輪機(jī)級驅(qū)動壓縮機(jī)葉輪以產(chǎn)生靜壓力與一些殘余的動能和熱的組合。被加壓的氣體穿過壓縮機(jī)排放口從壓縮機(jī)蓋件排出并且通常經(jīng)由一個中冷器被傳送到發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)中。渦輪增壓器的旋轉(zhuǎn)組件可旋轉(zhuǎn)地安裝在一個軸承殼體(3)中，并且端部殼體，即渦輪機(jī)殼體(2)以及壓縮機(jī)殼體(5)，被附接到該軸承殼體組件上。這些端部殼體沿著其圓周配合表面成型以便被夾緊，并且在夾緊壓力之下形成了與軸承殼體的互補(bǔ)表面的齊平裝配。端部殼體與軸承殼體的徑向?qū)?zhǔn)典型地通過一對互補(bǔ)的經(jīng)過機(jī)械加工的徑向?qū)蚱鱽砉芾?，這些導(dǎo)向器是在該軸承殼體以及前述端部殼體中被車削或被銑削的。任一端部殼體的軸向?qū)?zhǔn)以及附接典型地通過兩種方法中之一來管理。將端部殼體附接到軸承殼體上的第一種方法是通過多個V形帶(40)。V形帶是具有形成為V形形狀的夾持器節(jié)段(41)的成形不銹鋼帶。這些夾持器(41)被安裝在一個帶
(42)上。該夾持器可以是一件或多件。V形帶典型地包括具有夾持器(41)的帶(42);在該帶的一端上具有一個螺紋柱的一個T形螺栓(43);以及附接到該帶的相對末端上的一個耳軸(44)。在組裝時，T形螺栓的螺紋柱穿過該耳軸。將一個螺帽(45)旋到螺紋柱上并且緊固該螺帽從而將V形帶的相對末端拉到一起。V形帶使一對錐形的“半部凸緣”(20，30)嚙合，該對“半部凸緣”在被放到一起時組合形成了橫截面大體上是三角形的“完整”凸緣。每個“半部凸緣”都從由V形帶捕獲的相應(yīng)殼體部分中延伸出。在圖3A中，左側(cè)包括一個軸承殼體“半部凸緣”(30)，而右側(cè)包括渦輪機(jī)殼體“半部凸緣”(20)。通過緊固V形帶上的螺帽，V形帶圓周減小，并且圓周力通過楔入作用而轉(zhuǎn)變成軸向力，從而將兩個半部拉到一起并且至少在理論上形成了密封。通過V形帶拉到一起的兩個部分的徑向?qū)?zhǔn)以及相對于彼此旋轉(zhuǎn)的能力(用于定向)典型地是通過在一個部分中切出一個徑向凹座并且在另一個部分中制作一個凸形突起來實(shí)現(xiàn)。在圖3A中，軸承殼體經(jīng)過機(jī)械加工產(chǎn)生了一個正突起(31)，該正突起裝配在渦輪機(jī)殼體中切出的一個互補(bǔ)凹座中。將端部殼體附接到軸承殼體上的第二種方法是通過夾緊板與螺栓的組合，如圖4中所描繪。在這種構(gòu)形中，在殼體中打出了多個螺紋孔，并將螺栓(36)插入這些螺紋孔中，從而扣住了夾緊板(35)，該夾緊板隨后將夾緊力施加到軸承殼體與端部殼體之間的接合點(diǎn)。如圖4中所描繪，將導(dǎo)向凸緣(30)裝配到互補(bǔ)凹座中，因而在徑向上將軸承殼體定位成與渦輪機(jī)殼體(2)中的孔同軸。雖然這是用于將軸承殼體夾持在渦輪機(jī)殼體上的有效方法(大多數(shù)的發(fā)動機(jī)設(shè)備將渦輪機(jī)殼體組裝到發(fā)動機(jī)歧管上，并且渦輪增壓器的其余部分從渦輪機(jī)殼體懸掛下來，從而要求這個接合點(diǎn)支撐懸垂質(zhì)量)，但是相當(dāng)難以在廣泛的溫度譜內(nèi)保持適當(dāng)?shù)膴A緊負(fù)載，在此不同的溫度范圍內(nèi)，組件中的每個部件都具有不同的膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、伸長率以及疲勞特性。由于此復(fù)雜性，通常會影響到這個接合點(diǎn)的密封能力，考慮到渦輪增壓器內(nèi)部空間與大氣之間的壓力差，這可能會提出一個問題。軸向夾緊方法之間的比較揭露了，對于兩個大小類似的渦輪增壓器，在其之一中渦輪機(jī)殼體是通過V形帶安裝到軸承殼體上，而在另一個中渦輪機(jī)殼體是通過螺栓以及夾緊板安裝到軸承殼體上，在環(huán)境溫度下，夾緊板連接具有51，000N的軸向容量，而V形帶連接具有30，000N的軸向容量。在渦輪機(jī)殼體與軸承殼體接合界面的部件間的溫度范圍會相當(dāng)寬。排氣能夠超過760° C到1100° C，這取決于燃料類型以及發(fā)動機(jī)類型。渦輪機(jī)殼體與軸承殼體接合點(diǎn)的夾緊面距離此排氣通常只有大約幾毫米，使得接合點(diǎn)的熱的一側(cè)與軸承殼體的配合部分的材料溫度相比會更熱而熱出500° C到600° C。在實(shí)踐中，使用任一種或兩種方法來將端部殼體附接到軸承殼體上。不常見到通過夾緊板以及螺栓安裝到軸承殼體上的渦輪機(jī)殼體以及通過V形帶安裝到軸承殼體上的壓縮機(jī)殼體。安裝方法是由許多因素決定的，其中的一些是-發(fā)動機(jī)上分配給渦輪增壓器的軸向空間。V形帶連接與進(jìn)行夾緊板和螺栓連接相比典型地需要更多的軸向長度。-制造方法(殼體有時主要是通過車削并且有時是通過銑削來機(jī)械加工的)車削使凸緣的機(jī)械加工成本有效；銑削使螺栓孔的鉆出以及打出是經(jīng)濟(jì)的。典型地，V形帶比夾緊板和螺栓昂貴，但是機(jī)械加工費(fèi)用正相反，因此“總的制造成本”通常成為決定因素。-允許發(fā)動機(jī)消費(fèi)者更改一個或兩個端部殼體相對于軸承殼體的定向的需要，使得端部殼體的進(jìn)口或排放口與發(fā)動機(jī)或車輛上的配合特征對準(zhǔn)。這個需要是被具有最少的渦輪增壓器零件數(shù)的要求外加一個基本渦輪增壓器用在多個發(fā)動機(jī)/車輛布置中的情形所驅(qū)動。出于責(zé)任原因，所有OE渦輪增壓器必須滿足爆裂以及封閉要求。必須允許V形帶展開以吸收由爆裂活動對接合點(diǎn)施加的軸向負(fù)載。對于螺栓以及夾緊板，夾緊板必須稍彎曲，并且螺栓/螺紋組合必須稍屈曲以便滿足該要求。除了提供機(jī)械附接之外，端部殼體與軸承殼體之間的接合還必須能夠容納排氣組份，如渦輪增壓器內(nèi)的排氣以及煙灰，因而防止所述燃燒產(chǎn)物的逃逸。因?yàn)檩S承殼體與端部殼體的接合點(diǎn)通常是朝向渦輪增壓器的徑向周邊，所以端部殼體到軸承殼體接合點(diǎn)直徑相對較大，因此由渦輪增壓器的振動、發(fā)動機(jī)的振動引起的偏轉(zhuǎn)、以及由渦輪增壓器阻止車輛移動的慣性引起的偏轉(zhuǎn)表現(xiàn)為相當(dāng)大的距離并且使得這對配合表面變成不良的密封。此接合點(diǎn)要滿足多個夾緊準(zhǔn)則，因此，為了滿足這些準(zhǔn)則，通常使用防卡劑(膏體或液體形式)來處理這些界面。防卡劑還有助于輔助端部殼體到軸承殼體的旋轉(zhuǎn)，以進(jìn)行定向。一旦排氣吹過接合點(diǎn)，防卡劑混合物便被吹出接合點(diǎn)而進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙中。在現(xiàn)今的排放環(huán)境中，除了通過排氣系統(tǒng)之外，不準(zhǔn)許渦輪增壓器使將任何氣體或煙灰傳送到發(fā)動機(jī)隔間周圍環(huán)境中。在渦輪增壓器中將氣體或煙灰傳送通過接合點(diǎn)意味著這些漏出的材料沒有經(jīng)過任何排氣后處理，因此不是排放受控的。漏出的排氣會滲出進(jìn)入駕駛室中并且對于車輛駕駛者來說是危險(xiǎn)的。漏出的煙灰有損發(fā)動機(jī)艙的美觀。因此，許多發(fā)動機(jī)制造商都具有鑒定標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)不允許氣體或煙灰從除了典型渦輪增壓器到車輛管道之外的渦輪增壓器的任何逃逸，例如從渦輪機(jī)殼體到排氣管。渦輪增壓器設(shè)計(jì)典型地采用渦輪機(jī)隔熱屏(80)來限制從渦輪機(jī)氣體和渦輪機(jī)葉輪到軸承殼體的熱流動。如圖2A和圖2B中所描繪，典型的渦輪機(jī)隔熱屏是杯形金屬沖壓件或有時是經(jīng)過機(jī)械加工的金屬零件。在大量制造中，渦輪機(jī)隔熱屏是由不銹鋼板沖壓而成。如

圖1中可見，渦輪機(jī)隔熱屏的渦輪機(jī)側(cè)面接近于渦輪機(jī)葉輪的背面，這表示除了撞擊于渦輪機(jī)隔熱屏的材料上的排氣的傳導(dǎo)效應(yīng)之外，渦輪機(jī)隔熱屏還經(jīng)受了來自渦輪機(jī)葉輪的輻射熱。渦輪機(jī)隔熱屏的夾緊面(84。和84τ)處的溫度是在渦輪機(jī)隔熱屏的主體中吸收的輻射以及傳導(dǎo)的熱減去通過在渦輪機(jī)側(cè)上與渦輪機(jī)殼體以及在軸承殼體側(cè)上與軸承殼體的接觸從隔熱屏傳導(dǎo)走的熱能的結(jié)果。渦輪機(jī)殼體與軸承殼體之間以及壓縮機(jī)殼體與軸承殼體之間的壓力梯度表示一個動態(tài)系統(tǒng)，該動態(tài)系統(tǒng)不僅受渦輪增壓器旋轉(zhuǎn)速度驅(qū)動，并且還受到與發(fā)動機(jī)有關(guān)的負(fù)載因數(shù)所驅(qū)動。從軸承殼體到渦輪機(jī)殼體以及反之亦然的氣體通路主要通過渦輪機(jī)端部活塞環(huán)(78)來控制，該活塞環(huán)安裝在旋轉(zhuǎn)軸和葉輪中的凹槽中并且密封了靜態(tài)軸承殼體孔
(32)以及活塞環(huán)凹槽的旋轉(zhuǎn)頰板。還存在通過多個小開口通往渦輪增壓器外部的周圍環(huán)境的氣體通路，由于材料粗糙以及渦輪機(jī)殼體的夾緊表面(22)與渦輪機(jī)隔熱屏的渦輪機(jī)側(cè)表面(84τ)和渦輪機(jī)隔熱屏的壓縮機(jī)側(cè)表面(84。)以及軸承殼體表面(33)之間的機(jī)加工偏差，這些小開口是不可避免的。穿過此密封界面的材料(氣體以及煙灰)可以通過由軸承殼體以及渦輪機(jī)殼體的相鄰面形成的路徑(90)逃逸、穿過V形帶，并且進(jìn)入發(fā)動機(jī)艙中。因?yàn)閂形帶需要360°的接觸以及足夠的軸向間隙(為了有空間可以用于V形帶)，所以V形帶凸緣的半徑典型地接近于或大于距離渦輪增壓器中心線的蝸形的最大半徑。因此，大概從渦輪機(jī)隔熱屏的外徑(82)到V形帶凸緣(34)的最大直徑的每個相鄰面的表面積大約是渦輪機(jī)隔熱屏的直徑的情況下的4倍。用于防止此氣體以及煙灰泄漏的一種方法見于斯蒂芬·奧哈拉(Steve O’ Hara)的美國US6，415，846中，該案通過渦輪機(jī)殼體與軸承殼體之間沒有機(jī)械接合點(diǎn)否認(rèn)氣體以及煙灰漏出到周圍環(huán)境，因?yàn)闇u輪機(jī)殼體與軸承殼體是鑄造成一件式的。不過，此類單式鑄造不允許發(fā)動機(jī)消費(fèi)者更改一個或兩個端部殼體相對于軸承殼體的定向，從而不允許端部殼體的進(jìn)口或排放口與任何給定發(fā)動機(jī)或車輛布置上的配合特征對準(zhǔn)。因此，將必須為每一種不同的車輛布置生產(chǎn)不同的模子。對防止排氣以及煙灰從渦輪增壓器逃逸到周圍環(huán)境中這個問題的許多解決方案需要額外的部件，如密封環(huán)或石墨浸潰密封件，以產(chǎn)生有效的密封。另一個部件的添加表示了額外的零件、潛在的故障點(diǎn)、以及制造商的勞動以及處置成本。因此，可以看出，需要一種用于端部殼體(具體地說是渦輪機(jī)殼體)到軸承殼體的接合點(diǎn)的更好密封。發(fā)明概述本發(fā)明涉及一種用于防止排氣以及煙灰從渦輪增壓器逃逸的方法，并且通過設(shè)計(jì)以及實(shí)施一種預(yù)先涂覆的固化或變干的涂層來實(shí)現(xiàn)這個目的，該涂層是預(yù)先涂覆到現(xiàn)有部分上以在渦輪增壓器的軸承殼體與端部殼體(并且明確地說是渦輪機(jī)殼體)之間產(chǎn)生氣體以及煙灰密封。眾所周知的是，渦輪增壓器的渦輪機(jī)殼體不僅是曝露于極高溫度的排氣下，而且還連接到發(fā)動機(jī)排氣歧管，以及壓縮機(jī)殼體相比之下是曝露于溫度要冷得多的送入空氣下，以及軸承殼體是將該兩個端部殼體橋接的金屬熱導(dǎo)體。另外，由于渦輪機(jī)殼體是被排氣加熱，因此渦輪機(jī)殼體受熱不均勻，從而造成熱引發(fā)的變形。因此，用于將渦輪機(jī)殼體連接到軸承殼體上的裝置被設(shè)計(jì)成允許少量的軸向以及徑向滑動接觸。本領(lǐng)域的技術(shù)人員因此假定金屬接觸表面是保持清潔的并且能夠滑動。令人驚訝的是，根據(jù)本發(fā)明，施加到一個接觸表面上的并且在端部殼體組裝到軸承殼體之前變干或固化以形成涂層的一種合適的密封材料將保持在位以有效地密封排氣泄漏間隙。該變干或固化的涂層優(yōu)選地形成在隔熱屏的接觸區(qū)域處，而不是軸承殼體或端部殼體處。相當(dāng)輕質(zhì)并且具有低質(zhì)量的隔熱屏易于在烘箱中變干或固化。此種經(jīng)涂層改質(zhì)的隔熱屏在渦輪增壓器的組裝過程中可以按照與任何常規(guī)隔熱屏相同的方式來處置，因此不會對組裝線引入改變。附圖簡要說明本發(fā)明是通過舉例而非限制的方式展示在附圖中，其中類似的參考數(shù)字表示相似的部分，并且在這些附圖中圖1描繪了典型渦輪增壓器組件的截面；圖2A、圖2B描繪了涂覆有干密封劑的典型渦輪機(jī)隔熱屏的兩個視圖；圖3A、圖3B描繪了典型V形帶的兩個視圖；圖4描繪了典型的螺栓加上拍板接合點(diǎn)的幾何形狀；圖5描繪了典型的V形帶接合點(diǎn)的幾何形狀；以及圖6描繪了多級渦輪增壓器布置。發(fā)明詳細(xì)說明諸位發(fā)明人認(rèn)識到極微小的故障以及機(jī)械加工不完美性都有可能使排氣或壓縮空氣在端部殼體與軸承殼體之間的夾緊表面或密封界面處漏出，但是在沒有引入分離的墊片來實(shí)現(xiàn)密封的情況下，在密封方面存在著高難度，無論是在距離渦輪增壓器中心線的相對較大半徑的情況下的V形帶連接，或是在較小直徑的情況下的夾緊板和螺栓連接。由于此種墊片的厚度；在渦輪增壓器組裝過程中引入此種墊片涉及到的額外步驟；以及墊片傾向于通過熱循環(huán)而松弛這個事實(shí)，使這種方法會產(chǎn)生許多相關(guān)聯(lián)的問題，并且未曾在工業(yè)上廣泛地采用。本發(fā)明的諸位發(fā)明人想出了一種密封方法，涉及(a)識別一個軸承殼體與一個端部殼體之間的互補(bǔ)接觸表面，在這兩個殼體之間，例如在渦輪機(jī)端部的情況下，排氣以及煙灰可能會在渦輪增壓器操作過程中逃逸；以及(b)將一種密封材料涂覆到所述互補(bǔ)表面中的至少一個表面上；(C)固化該密封材料以形成具有變干或固化的涂層的部分；以及(d)組裝渦輪增壓器，使得該涂層形成一個阻擋層以阻止排氣以及煙灰逃逸。考慮到有大量的潛在密封材料可供選則以便在(例如)一個渦輪增壓器的軸承殼體與渦輪機(jī)殼體之間產(chǎn)生氣體以及煙灰密封，因此所選的密封材料必需具有某些物理以及化學(xué)性質(zhì)，包括忍受與渦輪增壓器的渦輪機(jī)殼體相關(guān)聯(lián)的高溫的能力以及經(jīng)受住以不同速率受熱以及冷卻的并且具有不同熱膨脹系數(shù)的相鄰部分之間的有差別的熱膨脹的重復(fù)循環(huán)的能力。密封材料大體上可以分成“可流動的”、“成型插入件”以及“預(yù)先硬化的”。可流動密封材料已知一些密封材料(“密封劑”)，這些密封材料是以可流動形式(液體、凝膠、膏體等一在室溫下流動的形式)涂覆的并且被設(shè)計(jì)成至少在待密封的相對表面被放到一起時是處于這種可流動形式的。這包括基于水的密封材料以及聚合物型的密封材料。此類密封劑通常以可流動形式涂覆到排氣管墊片、催化轉(zhuǎn)化器、燃?xì)廨啺l(fā)動機(jī)或燃料電池上，并且在壓力下接合(夾緊、螺栓固定)這些部分，其后使密封劑變干或固化，通常是通過在烘箱中烘烤或者通過在受控條件下“跑進(jìn)”該部分中。不過，可流動型密封材料是某些問題相關(guān)聯(lián)的。將一個臺添加到組裝線上以將可流動密封材料涂覆到軸承殼體以及渦輪機(jī)殼體中的任一個或兩個上表示了資本以及人力的額外投資。確保密封材料是在無氣泡或無空隙的情況下均勻涂覆以及可流動密封劑不會因?yàn)榻M裝過程中的接觸而被擦掉或揩去，可能會要求廣泛的質(zhì)量控制設(shè)備。另外，材料在基于水的密封劑變干或基于聚合物的密封劑固化之前的有限的曝露時間會提出緊迫性的問題，并且此類部分可能會在輪班之間或者隔夜時結(jié)垢或固化。通常需要控制大氣以及溫度以便防止此類部分變干或固化。最后，在密封材料被設(shè)計(jì)成在這些部分接合之后才變干或固化的情況中，這將會表示大量的時間以及能量要求，因?yàn)樾枰芏嗄芰縼砑訜釡u輪增壓器殼體至固化或干燥溫度。成型插入件由固體材料制成的分離插入件(例如，石墨墊片、O型環(huán)、銅層疊墊片等)可用以形成密封，該分離的插入件可任選地具有一個或兩個涂布有另一種密封劑材料的密封表面。不過，此種額外的部分也引入了新的設(shè)計(jì)問題、耐久性考慮、以及組裝成本，并且因此不會被考慮為用于封住渦輪增壓器中的泄漏的最佳方法。預(yù)先硬化的密封材料為了避開與可流動密封材料以及成型插入件相關(guān)聯(lián)的問題，諸位發(fā)明人進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，具體是將一層薄的可流動但也是可硬化的密封劑涂覆到至少一個接觸表面上，并且使該密封劑變干或固化在位以在將接觸表面配合之前形成固體涂層，使得硬化的涂層是在至少一個部分上，或者是被傳送到組裝臺時渦輪增壓器的常規(guī)部分。此類涂層相對較易于涂覆(例如，噴上的、絲網(wǎng)涂布的、刷上的)；不會流動，因?yàn)樗鼈兪潜”〉赝坎?；并且在受控的條件下變干或固化在位。它們不容易移除(實(shí)際上，它們可能難以移除)。根據(jù)本發(fā)明所使用的硬化密封劑的特征為防高溫老化、防腐蝕氣氛、防硫酸以及硝酸、以及防油脂和其他碳?xì)浠衔?。常?guī)使用在類似的極高溫應(yīng)用中的密封劑(如汽車排氣墊片涂層材料)可以被考慮為根據(jù)本發(fā)明適合使用的候選材料，本發(fā)明與常規(guī)方法的差異在于密封材料在將這些部分接合之前變干或固化，而用于密封排氣管墊片的常規(guī)方法涉及涂覆密封劑并且隨后用夾緊壓力擠壓可流動密封劑來將這些部分接合。密封劑可以基于不同的主要成分，如二硫化鑰(MoS2)、石墨、或含氟聚合物的多種版本，例如氟塑料或氟橡膠。在超過500° C的溫度下有效的密封材料可以在密封材料的不同制造商或經(jīng)銷商的名錄中找到。密封劑的確切組成并不重要；重要的是，密封劑的類型是可以預(yù)先涂覆到(例如)隔熱屏上并且固化在位以形成固體涂層的，以及密封劑維持有效性并且耐受從至少550° C到600° C的溫度。為了更方便，并且為了避免如隔離光等準(zhǔn)備，并且還為了避免與UV固化、光固化或電子束固化密封劑相關(guān)聯(lián)的額外設(shè)備的成本以及麻煩，在本發(fā)明中優(yōu)先使用普通的并且易于購買的密封劑。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實(shí)施方案中，將“Sandstrom L277” MoS2/石墨材料(基于水的、噴涂的材料，具有40%的固體含量，包括5wt. %到IOwt. %的硅酸鈉鹽、20wt. %到25wt. %的二硫化鑰、lwt. %到5wt. %的碳，以及平衡水)的O. 5mm到1. 2mm厚(在變干或固化的狀態(tài)下)涂層涂覆到隔熱屏的兩個“半部凸緣”接觸表面(84τ以及84。)，并且進(jìn)行干燥，優(yōu)選是在熱的干燥氣氛中、優(yōu)選是在60° C到150° C下持續(xù)15分鐘的循環(huán)空氣之下進(jìn)行，其后，允許涂布過的部分在流動空氣中冷卻達(dá)15分鐘。如此涂布過的部分可以進(jìn)行處置，而不用擔(dān)心涂層被擦掉。高溫密封劑也可以是如美國專利6，648，597或7，150, 099中披露的黏著型材料，即高溫陶瓷黏著劑，如可購自紐約布魯克林的Cotronics公司(尤其是以商品標(biāo)簽907F、7020、954、952、7032、Resbond989 或 904 銷售的那些產(chǎn)品);Aremco (Ceramabond503、600 或516),Sauerizon (基于磷酸鹽的黏著劑)，或Zircar (ZR-COM)，或者這些基本黏著劑類型的變體。不過，根據(jù)本發(fā)明，將材料涂覆到表面上，并且在渦輪增壓器的組裝之前而不是組裝之后進(jìn)行干燥或固化。替代地，可以使用來自紐約尼亞加拉瀑布Unifrax公司的以商標(biāo)UNIFRAX LDS、FIBERMAX CAULK或T0PC0AT3000銷售的產(chǎn)品。其他替代物包括可購自赫克力士公司(Hercules Inc.)的赫克力士高熱耐火水泥#35-515，以及Rutland#77/78爐襯水泥。希望密封劑具有與渦輪增壓器殼體以及熱密封材料的熱膨脹系數(shù)大致相同的熱膨脹系數(shù)?！按笾孪嗤北硎緝煞N材料的熱膨脹系數(shù)彼此相差在約25%之內(nèi)。大體上，膨脹系數(shù)越接近地匹配越好。在大約500° C的操作溫度下，膨脹系數(shù)的匹配在促進(jìn)密封的長期耐久性方面明顯是很重要的。密封劑的熱膨脹系數(shù)可以通過將密封劑與小的金屬顆?；蛘吲c金屬粉末混合來進(jìn)行調(diào)整。在密封劑材料主要是陶瓷的情況下，此類材料具有比金屬微粒的情況下低得多的膨脹系數(shù)。將金屬微?；蚍勰┡c陶瓷混合可以因此得到膨脹系數(shù)近似隔熱屏或渦輪增壓器殼體的系數(shù)的產(chǎn)物。最后，新Pyro-Putty950是由阿銳莫克產(chǎn)品公司(Aremco Products, Inc.)開發(fā)的耐高溫高壓密封劑，希望用作墊片的替代物并且用來修補(bǔ)粗糙的、有劃痕的或不規(guī)則的表面，用于密封高溫的部件，如用于高達(dá)510° C的使用條件的鍋爐、壓縮機(jī)、熱交換器、熔爐、烘箱、排氣歧管以及渦輪機(jī)。制造商教授了可以通過加熱到204° C持續(xù)I個小時來將接合點(diǎn)固化。不過，與制造商的指導(dǎo)大不相同，在本發(fā)明中，將密封劑涂覆了薄薄的一層并且在形成接合點(diǎn)之前固化。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例如圖2A和圖2B中所描繪，典型渦輪機(jī)隔熱屏(80)是由不銹鋼板坯料壓延和沖壓成的。當(dāng)然，隔熱屏可以軋制而成，或甚至由固體經(jīng)過機(jī)械加工而成，并且可以采取從非常淺的沖壓到具有肋的各種形狀。隔熱屏的凸緣具有外徑(82)，該外徑位于軸承殼體或渦輪機(jī)殼體中的凹座中，以將隔熱屏相對于渦輪增壓器定位成同心的。在圖4所描繪的情況中，凹座是在渦輪機(jī)殼體中，并且軸承殼體具有一個導(dǎo)向器直徑，該導(dǎo)向器直徑也在這個凹座中在徑向上對準(zhǔn)。導(dǎo)向器與凹座的位置也可以正好相反。在隔熱屏的中央沖壓出一個孔，以允許該軸和葉輪組件穿過隔熱屏。因此，在該軸和葉輪組件與隔熱屏之間存在一個環(huán)面，使得排氣以及煙灰能夠穿過隔熱屏中的孔。在該軸和葉輪組件上安裝了一個活塞環(huán)(78)，該活塞環(huán)在其頰面上密封了該軸和葉輪中的活塞環(huán)凹槽并且在其外徑上密封了軸承殼體中的活塞環(huán)孔(32)，如圖1中所描繪。活塞環(huán)密封防止排氣以及煙灰從活塞環(huán)的渦輪機(jī)葉輪側(cè)流動到活塞環(huán)的軸承殼體側(cè)。在缺少本發(fā)明的情況下，可能在隔熱屏的軸承殼體側(cè)上的空間中處于壓力之下的此排氣以及煙灰可能會通過在隔熱屏的面向壓縮機(jī)的凸緣表面(84。)與軸承殼體的面向渦輪機(jī)的導(dǎo)向表面(33)之間形成的泄漏路徑逃逸出渦輪增壓器的內(nèi)部。排氣以及煙灰還可以通過在隔熱屏的渦輪機(jī)殼體側(cè)上的空間而逃逸到周圍環(huán)境中。泄漏路徑是穿過在隔熱屏的面向渦輪機(jī)的凸緣表面(84τ)與渦輪機(jī)殼體的面向壓縮機(jī)的導(dǎo)向表面(22)之間形成的接合點(diǎn)，并且隨后穿過在夾緊板之間的間隙，而進(jìn)入到周圍環(huán)境中。在V形帶的布置中，如圖5中所描繪，軸承殼體以及渦輪機(jī)殼體的設(shè)計(jì)公差典型地經(jīng)過確定，使得在渦輪機(jī)殼體(`2)以及軸承殼體(3)的軸向上相向的相鄰接觸表面(22，33)夾住隔熱屏的凸緣時，渦輪機(jī)殼體(2)的徑向上在外的面向壓縮機(jī)的表面(91)與軸承殼體
(3)的徑向上在外的面向渦輪機(jī)的表面(89)之間(B卩，V形帶凸緣(34)的外徑與大致隔熱屏的外徑之間)仍存在間隙(90 )。在夾緊板和螺栓式連接中，如圖4中所描繪，軸承殼體(3)的凸緣(30)的厚度與隔熱屏的凸緣的厚度的總和典型地大于渦輪機(jī)殼體中的凹座的深度，以允許螺栓(36)偏轉(zhuǎn)該夾緊板(35)以便在軸承殼體(3)到渦輪機(jī)殼體(2)的接觸以及軸承殼體(3)到隔熱屏(80)到渦輪機(jī)殼體(2)的接觸處施加夾緊負(fù)載。在任一布置(夾緊板和螺栓或V形帶)中，接觸表面處的表面不完美性可以形成允許氣體或煙灰漏出的泄漏路徑。一旦穿過如圖4和圖5中所描繪的這兩個泄漏路徑(90)中的任一條路徑，氣體以及煙灰便可進(jìn)入周圍環(huán)境中。根據(jù)本發(fā)明，一種密封劑防止了此種泄漏，該密封劑經(jīng)過涂覆以及硬化(干燥或固化)以在組裝渦輪增壓器之前在接觸區(qū)域中形成固體涂層。在本發(fā)明的第一實(shí)施例中，將密封劑材料以一薄層的形式預(yù)先涂覆到渦輪機(jī)隔熱屏(80)的凸緣的面向壓縮機(jī)的表面(84。)以及面向渦輪機(jī)的表面(84τ)上。待涂布的表面是由渦輪機(jī)隔熱屏的外徑(82)與將凸緣連接到大體上圓柱形的壁表面上的半徑劃界的兩個表面，這些壁表面將凸緣連接到相鄰于渦輪機(jī)葉輪的略圓錐形的表面上。該薄薄一層的密封材料隨后固化或干燥以形成硬化的涂層。當(dāng)在建置渦輪增壓器的同時進(jìn)行組裝時，面向壓縮機(jī)的表面(84。)是通過軸承殼體的面向渦輪機(jī)的表面(33)約束，并且面向渦輪機(jī)的表面(84τ)是通過渦輪機(jī)殼體的面向壓縮機(jī)的表面(22)約束。由于密封組合物是預(yù)先干燥或固化的，因此這些部分對觸摸并不敏感，可以容易地檢查涂層的一致性，可以在看出缺陷的情況下進(jìn)行重新加工，易于處置，并且不會流動。因此，渦輪增壓器組裝可以用常規(guī)的方式來進(jìn)行，而不需要特殊的準(zhǔn)備或訓(xùn)練。另外，根據(jù)本發(fā)明，由于涂層是干的固體涂層，因此可以處置渦輪增壓器部分，例如拆卸以及重新組裝，而不會破壞或損壞該密封。發(fā)明人為了測量本發(fā)明的密封草案的有效性進(jìn)行的測試表明，對于處于無涂層的隔熱屏布置中的渦輪增壓器，在壓縮機(jī)進(jìn)口以及渦輪機(jī)出口都密封的情況下，泵抽到高達(dá)
2.7個大氣壓，在小于2分鐘之內(nèi)就損失了測試壓力的50%，而具有預(yù)先涂覆了干涂層的隔熱屏的類似布置的渦輪增壓器的測試表明，在10分鐘之后不存在測試零件泄漏到測試壓力的50%以下，甚至在經(jīng)歷了隔熱屏的多次拆卸以及重新組裝的渦輪增壓器中仍如此。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案中，對于水冷式渦輪機(jī)殼體，或不使用典型渦輪機(jī)隔熱屏的渦輪增壓器，將密封材料涂覆到渦輪機(jī)殼體與軸承殼體的直接接觸表面中的一個或兩個表面上，并且對其進(jìn)行干燥或固化以在組裝之前形成固體涂層。作為舉例對于夾緊板和螺栓布置，密封劑將被涂覆到渦輪機(jī)殼體中的凹座中的支座的面向壓縮機(jī)的表面(22)上并且涂覆到軸承殼體的凸緣(30)的面向渦輪機(jī)的表面(33)上，并且隨后干燥或固化。在這種情況下，在這種接合中不會存在渦輪機(jī)隔熱屏，這樣兩個殼體的兩個面將接觸，因此形成了一個密封表面。密封，雖然是不那么有效的密封，還可以通過將涂層預(yù)先涂覆到沿著泄漏路徑(90)的任何其他互補(bǔ)的相鄰的一個表面或多個表面上來形成。在本發(fā)明的第二實(shí)施方案的替代方案中，對于水冷式渦輪機(jī)殼體，或不使用渦輪機(jī)隔熱屏的渦輪增壓器，在組裝之前將干的涂層涂覆到渦輪殼體與軸承殼體的直接界面上。作為舉例，對于V形帶布置，密封劑將被涂覆到渦輪機(jī)殼體中的凹座中的支座的面向壓縮機(jī)的表面(22)上并且涂覆到軸承殼體的凸緣(30)的面向渦輪機(jī)的表面(33)上，并且隨后在組裝之前被干燥或固化。在這種情況下，在這種接合中不會存在渦輪機(jī)隔熱屏，這樣兩個面將接觸，并且因此形成了一個密封表面。密封，雖然是不那么有效的密封，還可以通過將干的涂層預(yù)先涂覆到沿著泄漏路徑(90)的任何其他互補(bǔ)的相鄰表面上來形成。在一些情況下，對于V形帶布置，脫開外部的互補(bǔ)相鄰面(33，91)，以便確保在導(dǎo)向器和凹座的主要內(nèi)界面(22，33)處有足夠的夾緊負(fù)載，如上文所解釋的。在一對被脫開的表面或單個被脫開的表面的情況下，此區(qū)將不再適用于預(yù)先涂覆且變干或固化的涂層。在本發(fā)明的第三實(shí)施例中，在存在多個渦輪增壓器(如連續(xù)的或可調(diào)的兩級渦輪增壓器)的布置中，將涂層涂覆到滑動接合點(diǎn)的互補(bǔ)相鄰表面上，并且隨后在組裝之前使其固化或變干在將渦輪增壓器接合到渦輪機(jī)導(dǎo)管上的一個布置上，該渦輪機(jī)導(dǎo)管將排氣從第一渦輪機(jī)級的出口導(dǎo)風(fēng)輪運(yùn)送到第二渦輪機(jī)級的進(jìn)口。在存在滑動接合點(diǎn)的布置中，其中渦輪機(jī)導(dǎo)管滑動到或滑動過下游渦輪機(jī)級，則預(yù)先涂覆且固化或變干的涂層將被涂覆到該滑動接合點(diǎn)的互補(bǔ)相鄰表面上。如圖6中所描繪，第一級渦輪增壓器具有渦輪機(jī)殼體(50)，排氣從該渦輪機(jī)殼體穿過出口導(dǎo)風(fēng)輪(23)離開渦輪機(jī)葉輪(10A)，并且從第一級渦輪機(jī)殼體(50)流出而進(jìn)入渦輪機(jī)導(dǎo)管(52)中。渦輪機(jī)導(dǎo)管(52)從第一級渦輪機(jī)殼體的出口導(dǎo)風(fēng)輪(23)流體地連接到第二級渦輪機(jī)殼體(51)的入口，其中它將排氣從第一級出口導(dǎo)風(fēng)輪(23)引導(dǎo)到第二級渦輪增壓器的渦輪機(jī)葉輪(10B)。渦輪機(jī)導(dǎo)管具有一個滑動接合點(diǎn)的內(nèi)部部分，其一個外徑的表面(55)緊密接近于該滑動接合點(diǎn)的外部部分的一個內(nèi)徑的表面(54)。一個涂層形成于該滑動接合點(diǎn)的任一個或兩個相鄰表面(54，55)上以形成密封來封鎖住來自排氣的氣體或煙灰到周圍環(huán)境的通路。該滑動接合點(diǎn)的內(nèi)部部分與該滑動接合點(diǎn)的外部部分可以并置。重要的是，密封材料要涂覆到該滑動接合點(diǎn)的作用表面上并且在將這些部分接合之前固化以形成接合點(diǎn)。在本發(fā)明的第三實(shí)施例的一個變體中，一個“C形”密封或密封環(huán)(其類似于“O形”環(huán)的金屬版本)包括在該滑動接合點(diǎn)中，并且密封材料被涂覆到滑動接合點(diǎn)的作用部件上(內(nèi)部和外部部件的表面以及密封環(huán))并且在組裝之前進(jìn)行固化或干燥以形成對可能漏出到周圍環(huán)境中的排氣和煙灰的密封。在本發(fā)明的第四實(shí)施例中，將密封劑涂覆到一個殼體的接合表面上并且在組裝之前進(jìn)行固化或干燥，該殼體包括一個閥或在其處所述殼體被組裝到渦輪機(jī)殼體上的其他類似機(jī)構(gòu)。以與軸承殼體進(jìn)入渦輪機(jī)殼體中的導(dǎo)向和鄰接布置類似的方式，如上所述，使用形成于接合點(diǎn)的適當(dāng)、相鄰表面上的預(yù)先硬化涂層來將“附屬”殼體安裝到渦輪機(jī)殼體上。在本發(fā)明的第五實(shí)施例中，將密封劑涂覆到渦輪增壓器的部件與其他發(fā)動機(jī)或車輛部件之間的接合表面上，并且進(jìn)行干燥或固化。此種接合的一個實(shí)例是從渦輪機(jī)殼體的出口導(dǎo)風(fēng)輪到車輛下行管的瑪蒙(marmon)接合(從渦輪增壓器到排氣管的連接)。本發(fā)明的第五實(shí)施例的另一個實(shí)例是渦輪增壓器渦輪機(jī)殼體到發(fā)動機(jī)的排氣歧管的連接?，F(xiàn)在已經(jīng)說明了本發(fā)明，我們提出了權(quán)利要求。
權(quán)利要求
1.一種用于將渦輪增壓器端部殼體(2，5)附接到渦輪增壓器軸承殼體(3)上的方法，該方法包括 (a)識別該端部殼體與該軸承殼體之間的互補(bǔ)接觸表面， (b)將一種可流動密封材料涂覆到所述互補(bǔ)表面中的至少一個表面上， (C)干燥或固化該密封材料以形成一變干或固化的硬化涂層，以及 (d)組裝該渦輪增壓器，使得該涂層形成一個氣體阻擋層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述端部殼體是一個渦輪機(jī)殼體(2)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中一個隔熱屏(80)提供在該軸承殼體(3)與該渦輪機(jī)殼體(2)之間，并且其中所述互補(bǔ)接觸表面是該隔熱屏與該軸承殼體和該渦輪機(jī)殼體相接觸的表面。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述密封材料是在50°C以上的溫度下變干或固化到該隔熱屏的接觸表面上的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述密封材料是在100°C以上的溫度下變干或固化到該隔熱屏的接觸表面上的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述涂層具有O.5mm到1. 2mm的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述互補(bǔ)接觸表面是該軸承殼體(3)與該渦輪機(jī)殼體(2)相接觸的表面，并且其中所述密封材料被涂覆到所述軸承殼體上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述互補(bǔ)接觸表面是該軸承殼體(3)與該渦輪機(jī)殼體(2)相接觸的表面，并且其中所述密封材料被涂覆到所述渦輪機(jī)殼體上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述互補(bǔ)接觸表面是該軸承殼體(3)與該壓縮機(jī)殼體(2)相接觸的表面，并且其中所述密封材料被涂覆到所述壓縮機(jī)殼體或所述軸承殼體上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述密封材料是選自下組，該組包括基于二硫化鑰的密封材料、基于石墨的密封材料、基于陶瓷的密封材料、以及基于含氟聚合物的密封材料。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述端部殼體是通過一種夾緊板和螺栓式連接或一種V形帶連接而接合到所述軸承殼體上。
12.一種用于形成到渦輪增壓器端部殼體(2，5)的附接的方法，該方法包括 (a)識別該端部殼體與待連接到該端部殼體上的一個部分之間的互補(bǔ)接觸表面， (b)將一種可流動密封材料涂覆到所述互補(bǔ)表面中的至少一個表面上， (c)干燥或固化該密封材料以形成一變干或固化的硬化涂層，以及 (d)組裝該渦輪增壓器，使得該涂層在該渦輪增壓器端部殼體與該部分之間形成一個氣體阻擋層。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中所述端部殼體是一個渦輪機(jī)殼體，并且其中所述部分是將所述渦輪機(jī)殼體連接到一個第二渦輪機(jī)殼體上的一根導(dǎo)管。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中該部分是將排氣從第一渦輪機(jī)的一個出口導(dǎo)風(fēng)輪運(yùn)送到一個第二渦輪機(jī)的進(jìn)口的一根渦輪機(jī)導(dǎo)管，并且其中這些互補(bǔ)接觸表面被設(shè)計(jì)成形成一個滑動接合點(diǎn)。
全文摘要
為了防止排氣以及煙灰從渦輪增壓器逃逸，將一種耐熱的密封材料涂覆到一個渦輪增壓器軸承殼體與中央殼體之間的接觸表面上，并且對其進(jìn)行固化或干燥以形成薄的硬化涂層。隨后將端部殼體組裝到軸承殼體上，借此該涂層在該軸承殼體與該端部殼體之間提供了氣體以及煙灰的密封。不過，本發(fā)明的密封還可以用來密封兩個渦輪機(jī)級、或附接到渦輪增壓器端部殼體上并且經(jīng)受壓力的任何部分之間的連接。
文檔編號F02B39/00GK103069128SQ201180039784
公開日2013年4月24日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月3日
發(fā)明者D·J·范桑恩 申請人:博格華納公司