专利名称：轴和涡轮机叶轮组件的制作方法
技术领域：
本文公开的主题总体上涉及用于内燃机的涡轮机械，并且尤其涉及轴和涡轮机叶轮组件。
背景技术：
大多数传统的涡轮增压器包括固定在涡轮机叶轮上的轴，这常常称为轴和涡轮机叶轮组件(SWA)。在涡轮增压器的组装期间，SWA的轴通常插过中心壳体的轴承孔，从而使轴的自由端能够装有压缩机叶轮。因为压缩机叶轮、轴和涡轮机叶轮的工作环境不同，所以这些部件的结构材料和构造方式也会不同。例如，柴油机的废气温度可能超过500C，汽油机的废气温度可能超过1000C，由此需要高温材料用于涡轮机叶轮结构。此外，虽然轴可以由在车床上车削的耐中温金属或金属合金制成，但涡轮机叶轮通常使用耐高温陶瓷、金属或金属合金 (例如，考虑在市场上销售的美国西弗吉尼亚州亨廷顿的特种金属公司(Special Metals Corporation)的品牌INCONEL 下的奥氏体镍铬基超耐热合金)铸造。各种技术可用于把轴连接到涡轮机叶轮上。一种技术是电子束焊接，其包括把轴和涡轮机叶轮放在真空中并且把电子束集中在要焊接的接合部上。另一种基于能量束的技术包括一个或多个激光束，其传递足以把部件焊接在一起的能量。其它技术包括，例如摩擦焊接，其中旋转一个部件并且使其接触另一个部件以产生促使材料熔化的热量。通常，有益的是以需要最少的焊后加工的方式形成焊接。以不引入过大应力的方式形成焊接也是有利的。总的说来，SffA应能够经受住温度变化和离心载荷而不经历重大变形(例如，这会改变平衡、引入噪音、减少组件使用寿命等等)。如本文描述的，各种部件、组件和技术能够提高SWA品质和涡轮增压器性能。
对本文描述的各种方法、装置、组件、系统、配置等及其等同物的更完整理解可以参照附图中示出的例子和下列详细说明，其中图1是涡轮增压器和内燃机的示图；图2是涡轮增压器的剖视图；图3是SWA的一个例子的侧视图；图4是SWA的一个例子的剖视图；图5是基于照片的黑白线条画，显示出与传统SWA接合部有关的特性；图6是基于照片的黑白线条画，显示出SWA接合部的一个例子的特性；图7是轴部件的一个例子的侧视图和涡轮机叶轮部件的一个例子的剖视图，它们可以连接形成SWA;图8是使用图7所示部件形成的SWA的一个例子的侧视3
图9是SWA的一个例子的侧视图，涡轮机叶轮部件包括构造成容纳密封部件的凹槽；和图10是用于形成SWA的方法的一个例子的简图。
具体实施例方式这里描述各种轴和涡轮机叶轮组件(SWA)，其中轴与涡轮机叶轮之间的接合部沿着构造成容纳密封部件例如活塞环的凹槽形成。在各种例子中，接合部能够是焊接接合部， 其与传统的SWA焊接接合部相比，显示出更小面积。如本文描述的，焊接而积的减少能够降低在熔化的焊浴凝固之后与材料收缩关联的压应力。在各种例子中，当与传统的SWA接合部相比时，接合部能够位于离涡轮机叶轮背盘更远距离的地方。如本文描述的，在工作期间，当朝着远离涡轮机叶轮背盘的方向移动焊接接合部时，预测热机械应力会更加不重要。 在各种例子中，焊接接合部位于密封部件凹槽中，这获得焊接面积的减小并且使焊接接合部在远离涡轮机叶轮背盘的方向上的设置。如本文描述的，焊接接合部远离背盘的轴向移位，即使几毫米，也能提高SWA性能。本文描述的各种技术能够用作最小化SWA使用寿命期间SWA不平衡发展。对各种示例性SWA的气体台试验显示出与传统SWA相比更小的静不平衡。涡轮增压器常常用于增大内燃机的输出。参照图1，一种传统系统100包括内燃机 110和涡轮增压器120。内燃机110包括容纳操作性地驱动轴112的一个或多个燃烧室的机体118。如图1所示，进气口 114为空气进入机体118提供流动通道，而排气口 116为废气离开机体118提供流动通道。涡轮增压器120用作从废气提取能量并且提供能量给进气，该进气可以与燃料结合形成燃烧气体。如图1所示，涡轮增压器120包括空气入口 134、轴122、压缩机组件 124 (例如包括压缩机叶轮、压缩机壳体等)、涡轮机组件1 (例如包括涡轮机叶轮、涡轮机壳体等)、壳体1 和排气出口 136。壳体1 可以称作中心壳体，因为它布置在压缩机组件IM的压缩机叶轮与涡轮机组件1 的涡轮机叶轮之间。轴122可以连接到涡轮机组件 126的涡轮机叶轮上，例如通过焊接接合部。图2示出涡轮增压器200关于径向坐标r和轴向坐标ζ的剖视图。涡轮增压器 200包括由安置在中心壳体观0的孔观5中的轴承230支承的轴220。在图2的例子中，轴 220和涡轮机叶轮260相连形成SWA。轴220贯穿中心壳体观0的孔观5以接收压缩机叶轮Μ0，因此，轴220可以以压缩机端和涡轮机端来表征。如图2的例子所示，该SWA包括凹槽272，每个凹槽构造成接收各自的密封部件 274，该密封部件可以是活塞环或其它类型的密封部件。涡轮增压器200包括润滑油通道 250，用于至少给被轴承230支承时的轴220提供润滑油。在这种构造中，在一侧，凹槽272 和密封部件274用作阻止润滑油向外流向涡轮机叶轮沈0，并且在相反侧，凹槽272和密封部件274用作阻止废气向内流向轴承230。如所提及的，涡轮增压器温度变化和离心载荷能够影响SWA，尤其在连接轴与涡轮机叶轮的接合部处。例如，在焊接对焊接处或周围的材料施加应力的情况下，温度变化、离心载荷及其它力可以导致这些应力使SWA变形，这能改变平衡。在涡轮增压器制造期间，平衡调节通常发生在一个或多个独立部件、一个或多个部件组件(例如SWA)或这两者的组合中。例如，考虑包括SWA和由轴承支承在中心壳体中的压缩机叶轮的中心壳体转动组件(CHRA)。在这种例子中，SWA和压缩机叶轮的部件平衡调节可以在CHRA的组装和CHRA的组件平衡调节之前进行。对于市场上可买到的用于涡轮增压器组件的平衡调节装置，公司khenck RoTec GmbH(德国达姆施塔特)在市场上销售各种用于涡轮增压器核心组件的平衡调节机(例如像MBRS系列的水平平衡调节机)。这种平衡调节机以低速操作，用于获得涡轮增压器核心组件的动态不平衡测量值，例如在核心组件的高速平衡调节之前。平衡调节可能费时并且增加相当多的成本。在安装好的涡轮增压器中存在SWA变形的风险的情况下，通过平衡调节实现的益处很可能被减小。因此，如本文描述的，各种示范SWA旨在具有减小的变形风险。在这些例子中，能够至少部分地由比传统SWA接合部更小的接合部面积来获得减小的变形风险。本文描述的各种例子包括与构造成容纳密封部件的凹槽对齐的接合部。在这些例子中，接合部延伸的径向尺寸近似等于凹槽底部的径向尺寸。相比而言，传统SWA通常把接合部定位在接合部延伸到轴的最大径向尺寸的轴向位置处。图3示出示例SWA 300，其包括在轴320与涡轮机叶轮360之间的与凹槽372重合的接合部。凹槽372的放大视图示出凹槽底部373以及凹槽壁375和375'。在图3的例子中，轴320包括轴径(Ds)、与SWA 300的密封部(见例如Δ zSeal)关联的外径(Dtj)和凹槽直径(De)(见例如凹槽底部37 。Dq与De之间的差值界定凹槽深度(见凹槽径向深度 ΔΓ(;)。在图3的例子中，涡轮机叶轮360包括背盘表面365、外径(Dtj)和凹槽直径(De)。如图3所示，凹槽372部分由轴320形成并且部分由涡轮机叶轮360形成，并且包括由凹槽壁375和375'界定的轴向槽宽八、以及由凹槽底部373界定的径向凹槽深度Are。另一个凹槽372'形成在轴320中并且与凹槽372沿轴向错开距离Δ、。至于 SWA300的密封部(见例如Azsm1),轴部分的轴向长度由尺寸Δ ^表示，而涡轮机叶轮部分的轴向长度由尺寸表示。在图3的例子中，涡轮机叶轮部分包括带有递增直径的倾斜肩部(见例如长度的涡轮机叶轮侧Δ Zw)，并且轴轮部分包括具有递减直径的倾斜肩部(见例如长度的轴侧Δ&)。在图3的例子中，SWA 300可以具有比传统SWA小约50%的焊接接合部面积。在图3的例子中，焊接接合部大致位于凹槽的中间，并且，既获得减小的焊接断面，又使该断面远离涡轮机叶轮360的背盘表面365地移动几毫米。图4示出例如SWA 300的剖视图。在图4的例子中，轴320包括延伸部326，涡轮机叶轮360包括沉孔366。延伸部3 包括延伸部直径(De)和延伸部长度(Δ ，而沉孔 366包括沉孔直径(Dcb)和沉孔长度(Azcb)0在图4的例子中，De大致等于D。b。如本文描述的，延伸部3 可以插入沉孔366中。此后，连接工艺可以使轴320和涡轮机叶轮360永久性相连。这种工艺可以是焊接工艺。虽然图4的例子示出轴包括延伸部并且涡轮机叶轮包括沉孔，但是，在替代配置中，涡轮机叶轮可以包括延伸部，轴可以包括沉孔。图5基于照片示出传统SWA焊接区的图，该照片显示出与传统SWA接合部关联的特性。具体来说，SffA 500包括轴520和涡轮机叶轮560，它们在由电子束焊接工艺形成的焊接接合部处相连。SWA 500被切成两半并利用显示材料应力的技术进行拍照，用焊接区 505表示。如图5所示，在电子束焊接期间出现变形，这施加材料应力。这些应力至少贯穿区505，该区具有轴向长度(A toss)、最内半径(AtossilK最外半径OwessJ和径向高度(ArstreJ0在三维空间中，受应力的材料区域或焊接区505占据一定体积。该体积及其相应的表面可以受到温度变化和离心力的影响。这些离心力可以使轴520与涡轮机叶轮560 之间的位置关系变形，这又改变SWA 500的平衡。图6基于照片示出SWA焊接区的一个例子的图，该照片显示出与关联了凹槽的SWA 接合部相关联的特性。具体来说，SffA 600包括轴620和涡轮机叶轮660，它们在由电子束焊接工艺形成的焊接接合部处相连。SWA 600被切成两半并且拍照以露出焊接区605。如图6 所示，焊接区605包括轴向长度(A^ld)、内径(!· -,》、外径(rfcld,Q)和径向高度(Arfcld)。 在三维空间中，焊接区605占据一定体积。该体积及其相应的表面积比图5示出的传统焊接的体积和表面积更小。此外，焊接区605位于离涡轮机叶轮660的背盘665 —定距离(Δ zBD) 的地方。在图5中，应力区505沿轴向延伸到涡轮机叶轮560的背盘565 (见例如尺寸zBD)。 图6的例子的各种SWA特征能够用作降低由温度变化、离心力等引起的变形风险。因此，图 6的SWA 600能够比图5的SWA 500更容易保持平衡。如所提及的，气体台试验表明了各种示范SWA比传统SWA有着更小的静不平衡。如本文描述的，不平衡的减小改善了 SWA品质，这能够提高性能、延长部件和涡轮增压器的使用寿命并且减小工作噪音。具体来说，通过减小SWA中的热应力和机械应力(例如由温度变化和离心加载引起的)，能够减小维护期间的不平衡发展，这又能够减少各种涡轮增压器噪音问题的出现。虽然本文描述的是对 SffA 600使用电子束焊接，但是焊接可以包括电子束焊接、激光焊接或其它焊接技术中的一个或多个。图7示出例子SWA 700，带有轴720和涡轮机叶轮760。在图7的例子中，轴720 包括延伸部726，涡轮机叶轮760包括配置成接收延伸部726的至少一部分的沉孔766。轴 720和涡轮机叶轮760都包括形成从涡轮机叶轮760的背盘表面765移开一定距离的凹槽的特征。在图7的例子中，轴720包括形成凹槽的至少一部分的特征721，涡轮机叶轮760 包括形成凹槽的至少一部分的特征761。这些特征可以包括肩部、轴向面等。例如，一个部件可以包括肩部，而另一个部件包括轴向面，当连接时，它们形成凹槽。在另一例子中，一个部件可以包括肩部且另一个部件可以包括肩部，这种情况下，当连接时，这些肩部形成凹槽。如本文描述的，在一个部件和另一个部件上的上述示范特征布置和不同的其它特征布置都可以包括在SWA中来形成凹槽。图8示出图7的SWA 700，带有形成在轴720与涡轮机叶轮760之间的接合部处的凹槽772。具体来说，当轴720与涡轮机叶轮760相连时，特征721与特征761形成凹槽 772。凹槽772的放大视图大致示出形成凹槽772的轴720的特征721和涡轮机叶轮的特征761。该放大视图包括凹槽底部773和凹槽壁775和775'的标签。图9示出例子SWA 900，其包括轴920和涡轮机叶轮960。示出各个尺寸，参照图3 的SWA 300可以更完整地理解这些尺寸；然而要注意，在图9的例子中，涡轮机叶轮960包括凹槽972'，但图3的例子中，轴320包括凹槽372'。虽然如本文描述的，每个例子都示出内凹槽372'或972和外凹槽372或972'，但是SWA可以包括单个凹槽、两个凹槽或两个以上凹槽，其中至少一个凹槽形成在接合部处。如本文描述的，SffA能够包括轴，该轴包括轴向延伸部和轴侧凹槽部，该轴侧凹槽部至少部分地由径向高度限定；涡轮机叶轮，其包括沉孔和涡轮机叶轮侧凹槽部，该涡轮机叶轮侧凹槽部至少部分地由径向高度限定；并且，一旦轴的轴向延伸部被涡轮机叶轮的沉孔接收，就由轴侧凹槽部和涡轮机叶轮侧凹槽部形成凹槽，该凹槽构造成容纳密封部件。如本文描述的，组件可以包括一个或多个密封部件。通常，凹槽至少部分地形成有弯曲路径以阻止润滑油、废气或润滑油和废气的流动。如本文描述的，组件能够包括焊接接合部，该焊接接合部把轴固定到涡轮机叶轮， 其中该焊接接合部至少部分地沿轴向布置在轴侧凹槽部的轴向位置与涡轮机叶轮侧凹槽部的轴向位置之间。如本文描述的，一种用于涡轮增压器的组件能够包括轴、涡轮机叶轮、构造成容纳密封部件的凹槽，其中凹槽包括布置在内半径处的凹槽底部和延伸到该凹槽底部的焊接接合部。在这种组件中，该凹槽能够包括由轴形成的凹槽壁和由涡轮机叶轮形成的凹槽壁。如本文描述的，焊接接合部可以是由电子束焊接工艺或激光焊接工艺形成的接合部。图10示出例子方法1000。方法1000开始于提供框1010和提供框1020，提供框 1010包括提供带有凹槽部的轴，提供框1020包括提供带有凹槽部的涡轮机叶轮。定位框 1030包括定位轴和涡轮机叶轮(例如使这些凹槽部对齐)。焊接框1040包括焊接轴和叶轮以形成带有完整凹槽的轴和涡轮机叶轮组件，该完整凹槽由轴和涡轮机叶轮的各自的凹槽部形成。定位框1050包括相对于凹槽定位一个或多个密封部件(例如使活塞环至少部分地定位在凹槽中)。作为涡轮增压器组装过程的一部分或可选的平衡过程，方法1000包括插入框1060，其包括把带有一个或多个密封部件的轴和涡轮机叶轮组件插入壳体的孔中。 如本文描述的，在插入孔之前，或者例如为了把轴和涡轮机叶轮组件夹紧在平衡调节机中， 可以把一个或多个轴承部件相对于轴和涡轮机叶轮组件的轴进行定位。如本文描述的，带有一个或多个密封部件(例如容纳在由轴和涡轮机叶轮的连接形成的凹槽中的至少一个密封部件)的轴和涡轮机叶轮组件(SWA)能够是涡轮增压器的一部分。一种方法能够包括操作这种涡轮增压器。这种涡轮增压器可以适合于各种工作温度范围。在一些情况下，高温柴油机可以具有与汽油机交叠的工作温度范围。典型的柴油机废气可以从怠速时的约100C变化到高负荷时的约500C。对于汽油机，废气温度最高可以超过 IOOOCo虽然已经在附图中示出和在前面的详细描述中描述了方法、装置、系统、配置等的一些例子，但是，应当理解，所公开的示范实施例不是限制性的而能够有许多重置、改型和替换，只要不脱离下面的权利要求所陈述和限定的精神。
权利要求
1.一种用于涡轮增压器的组件，包括轴，其包括轴向延伸部和轴侧凹槽部，所述轴侧凹槽部至少部分地由径向高度限定； 涡轮机叶轮，其包括沉孔和涡轮机叶轮侧凹槽部，所述涡轮机叶轮侧凹槽部至少部分地由径向高度限定；并且一旦所述轴的所述轴向延伸部被所述涡轮机叶轮的所述沉孔接收，就由所述轴侧凹槽部和所述涡轮机叶轮侧凹槽部形成凹槽，所述凹槽构造成容纳密封部件。
2.如权利要求1所述的组件，还包括所述密封部件。
3.如权利要求1所述的组件，其中，所述凹槽至少部分地形成有弯曲路径以阻止润滑油、废气或润滑油和废气的流动。
4.如权利要求1所述的组件，还包括焊接接合部，所述焊接接合部把所述轴固定到所述涡轮机叶轮，所述焊接接合部至少部分地沿轴向布置在所述轴侧凹槽部的轴向位置与所述涡轮机叶轮侧凹槽部的轴向位置之间。
5.如权利要求1所述的组件，其中，所述凹槽部的每个都包括轴向面。
6.如权利要求1所述的组件，其中，所述凹槽部的至少一个包括肩部。
7.如权利要求1所述的组件，其中，所述凹槽部的一个包括轴向面和肩部。
8.如权利要求7所述的组件，其中，所述凹槽部的另一个包括轴向面。
9.如权利要求7所述的组件，其中，所述凹槽部的另一个包括轴向面和肩部。
10.如权利要求1所述的组件，包括至少两个凹槽。
11.如权利要求10所述的组件，其中，所述轴包括构造成容纳密封部件的凹槽。
12.如权利要求10所述的组件，其中，所述涡轮机叶轮包括构造成容纳密封部件的凹槽。
13.一种用于涡轮增压器的组件，包括 轴；涡轮机叶轮；凹槽，其构造成容纳密封部件，其中，所述凹槽包括布置在内半径处的凹槽底部；和焊接接合部，其延伸到所述凹槽底部。
14.如权利要求13所述的组件，其中，所述凹槽包括由所述轴形成的凹槽壁和由所述涡轮机叶轮形成的凹槽壁。
15.如权利要求13所述的组件，其中，所述焊接接合部包括由电子束焊接工艺或激光焊接工艺形成的接合部。
全文摘要
本发明涉及轴和涡轮机叶轮组件。一种用于涡轮增压器的组件包括带有轴向延伸部和轴侧凹槽部的轴，该轴侧凹槽部至少部分地由径向高度限定；带有沉孔和涡轮机叶轮侧凹槽部的涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮侧凹槽部至少部分地由径向高度限定；并且，一旦轴的轴向延伸部被涡轮机叶轮的沉孔接收，就由轴侧凹槽部和涡轮机叶轮侧凹槽部形成凹槽，该凹槽构造成容纳密封部件。还公开了装置、组件、系统、方法等的各种其它例子。
文档编号F02C6/12GK102418591SQ201110403230
公开日2012年4月18日 申请日期2011年9月26日 优先权日2010年9月27日
发明者E·热南, N·瓦泽耶, P·戴维斯 申请人:霍尼韦尔国际公司