专利名称：用于高速涡轮的压气机叶轮固定装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于高速涡轮机的压气机叶轮固定装置。高速涡轮机的压气机叶轮固定装置，包括一个固定在轴上的压气机叶轮，该叶轮由一个备有多个涡轮叶片及一后壁的轮毂构成，重心位于后壁靠近压气机的一侧，其中轮毂有一中央通孔用来支承轴的轴颈，通孔至少部分地做成具有多边形基面的轮毂圆锥体，轴颈有一个与轮毂圆锥体共同作用的轴锥体，该轴锥体具有一与轮毂圆锥体的基面相匹配的多边形基面。
涡轮机的压气机叶轮或者通过摩擦连接或者通过形状连接与其驱动轴相连接。当压缩比升高从而导致驱动转矩升高时以及较大的圆周速度时比较有利的是采用形状连接传递转矩，也就是说，压气机叶轮的轴一轮毂一连接采用的形状连接比较有利。
EP 05 22 630 B1公开了一种形状连接的压气机叶轮固定装置，该装置借助花键轴实现连接。在该解决方案中，由于键槽所带的槽口而限制了轴一轮毂一连接的寿命。此外还需要另外一个对中件，该对中件增加了压气机叶轮的成本。由于制造条件所限会产生花键轴的加工误差，因此一种轴一轮毂一连接必须总是作为一个单元进行平衡适配，此时为了进行完全相同的再装配，必须相应地在各部分做上标记。因此要用另外一个未与压气机叶轮平衡适配过的轴装入该压气机叶轮中是不可能的。这一点在修理时是一个重大的缺陷。
借助螺纹实现形状连接的压气机叶轮固定装置在US 3,961,867和WO93/022778中都公开过。其缺陷同样是因制造条件所限会产生的螺纹的加工误差。此外在压气机叶轮出现较高的驱动扭矩时要求有较高的拧紧或拧松扭矩。特别是在压气机叶轮较大时，拆卸所要求的拧松扭矩可达驱动扭矩的两倍。这样的力只有借助特种工具或借助传动机构才能传递。而这就明显地增加了拆卸压气机叶轮所要求的费用。借助螺纹固定压气机叶轮的另外一个缺点是，在安装压气机叶轮时轮毂螺纹首先与轴螺纹相接触的部分要到达其最终位置必须经过轴螺纹上相当长的一段距离。由于所参与的螺纹间隙很小，因而在单个螺纹之间，也就是说在没有任何润滑的部分，产生相当强的挤压。结果就出现了所谓的咬蚀或者螺纹变形，这样在每一次新的安装时就出现另外一种结果。所以这样一种连接不足以实现重复装配。此外在这种解决方案中还公开了带一盲孔的压气机叶轮，该盲孔就其轴一轮毂一连接来说不同于带一通孔的压气机叶轮。
根据FORTUNA-WERKE机械制造股份公司，Stuttgart-Bad Cannstatt分厂“关于应用多边形连接的说明“，公开了用于冷却装置风扇的一种小正齿轮轴和压气机叶轮。为了装压气机叶轮旋紧到轴上，两个构件具有基面为多边形的锥形截面，此处轴锥体设置于轴端部。轴锥体和轮毂圆锥体体，也就是轴和压气机叶轮的真正的接触位置，位于压气机叶轮后壁上靠近压气机的一侧，因此位于压气机叶轮的重心上。该区域具有最高的应力集中，在涡轮增压机运行时必然承受最大程度的扩张。从而导致该种连接的安全性随着压气机叶轮圆周速度的升高而下降。高速涡轮机，比如涡轮增压机，圆周速度可达500m/s以上。这样的圆周速度显然对转矩传递和轴一轮毂一连接的安全性有更高的要求。该要求以传统的技术背景无法实现。
本实用新型旨在避免所有上述缺点。其任务是，设计一种用于高速涡轮机的既安全又可重复装配的压气机叶轮固定装置，此装置另外还具有较好的转矩传递特性。
根据本实用新型，该目标是这样实现的，位于压气机叶轮的通孔的轮毂圆锥体和与其相匹配的轴锥体都各有一个平均直径，该平均直径位于离压气机叶轮的重心一定轴向间距的位置，该间距至少相当于半个平均直径。这里轮毂的通孔在轮毂圆锥体轴向一侧至少部分地做成柱形孔。
在该种布置中，轮毂圆锥体和轴锥体，也就是真正的固定件，位于压气机叶轮重心外侧。因此在压气机叶轮的固定部分具有明显较小的离心力或热膨胀载荷，这样可以显著减小轮毂圆锥体的扩张。所以即使在高转速下也能实现安全的压气机叶轮固定。位于轴向一侧的柱形孔用作压气机叶轮的对中座。
特别有利的是，轮毂通孔在轮毂圆锥体的两侧都至少部分地做成柱形孔，其中第二个孔，也就是靠近压气机一侧的孔用于辅助安装。
第一个实施例中，压气机叶轮有一个在轴向一侧连接于后壁上的轴颈的固定轴套。其中轮毂圆锥体装于固定轴套内，柱形孔位于轮毂圆锥体的两侧，也就是轴向一侧或压气机叶轮一侧。采用这个特别适于内部支承的涡轮增压机的方案，固定件到压气机叶轮重心的间距可进一步扩大。这使得压气机叶轮固定更好，允许更高的转速并且不会有危险。
固定轴套在轮毂的轴向一侧最好做成平面，同时在轴上做成相应的平面轴肩。以此不仅达到压气机叶轮的明确的轴向定位，而且达到良好的同心。
轴颈至少由两部分构成，包括轴锥体和一个与对中座，也就是一向一侧的柱形孔相匹配的轴环。作为两部分结构形式的另一种选择，轴颈也可至少由三部分构成。对此该轴颈另加一个柱形轴端，该轴端用于压气机叶轮在轴颈上定位时的预先对中。由于此预先对中，在安装压气机叶轮时就不会出现轴锥体和轮毂圆锥体的径向移动，这样就可以避免损伤真正的固定件。最后上述方案产生了较好的轴一轮毂一连接，从而提高了压气机叶轮的使用寿命。
在压气机叶轮的通孔和轴颈内，至少各有一个用于安装拆卸工具的接纳装置。借此压气机叶轮可以从压气机一侧相当容易地装卸。特别有利的是，轴颈的该接纳装置位于轴端，在两部分构成的轴颈中位于轴锥体内。该接纳装置是内螺纹形式的，其中轴端或者轴锥体的内螺纹比位于轮毂的内螺纹小。该安装拆卸工具是带有两个不同螺距的外螺纹的差动螺杆。其中螺距较小的外螺纹与轮毂内螺纹相匹配，螺距较大的外螺纹与轴端或轴锥体的内螺纹相匹配。
差动螺杆或者说其差动螺纹不仅用于安装/拆卸工具，而一用于压气机叶轮在轴上的轴向保险作用。因此不需要另外的安装/拆卸工具。
在本实用新型的第二种实施例中，轮毂圆锥体位于压气机叶轮重心靠近压气机的一侧。由此压气机叶轮受离心力或热膨胀作用的负荷远远小于轮毂圆锥体位于重心上时所受负荷。在这种特别适于涡轮增压机外部轴承的方案中，还可以更明显地降低轮毂圆锥体的扩张，从而进一步改善压气机叶轮的固定。此外还使构件的轴向长度更小。
在该解决方案中，轮毂在重心靠近压气机的一侧形成一平面，轴具有相应的平面轴肩。在压气机叶轮的该部分相对于其它部分温度最低，因此不会出现由于轴向热膨胀引起较大的表面挤压。所以可以提高轴一轮毂一连接的使用寿命。
附图中借助废气涡轮增压机的压气机给出了本实用新型的多个实施例。
图示为
图1是内部支承的废气涡轮增压机在压气机叶轮部分的局部纵剖视图；图2是根据
图1所示压气机叶轮在轴锥体部分的截面II-II(放大图)；图3是内部支承的废气涡轮增压机对应于第二种实施例的局部纵剖图；图4是外以承的废气涡轮增压机在压气机叶轮部分的局部纵剖图。
图示只给出了对理解本实用新型较重要的零件。未给出例如废气涡轮增压机的涡轮一侧和与废气涡轮增压机相连的内燃机等装置。
废气涡轮增压机包括一个径流式压气机形式的压气机1和一个未示出的废气涡轮，两者安装于一公共轴2上。径流式压气机1有一压气机壳体3，在该壳体内压气机叶轮4以可转动方式支承在轴2上。压气机叶轮4包括一个备有多个工作叶片5的轮毂6。在轮毂6内开设一个位于中心的、容纳轴2的轴颈7的通孔8(
图1)。通孔8部分构成具有基面10的轮毂圆锥体9(图2)。轴颈7支承与轮毂圆锥体9相应的轴锥体11，该轴锥体本身同样具有多边形基面12。
压气机叶轮4的轮毂6在轴向一侧备有一后壁13。压气机叶轮4的重心处于该后壁13靠近压气机的一侧。通孔8在轮毂圆锥体9的两侧制造成柱形孔15，16。两孔15，16与通孔8的轴17同轴。
当然根据本发明的技术方案也可用于压气机1为轴流式压气机的废气涡轮增压机上(未给出图示)。
在第一种实施例中，废气涡轮增压机有一内轴承，也就是说在涡轮或者同样未示出的涡轮壳体与压气机壳体3之间有一轴承箱18，轴承箱内装有轴向/径向轴承19，轴2可转动式支承在该轴承内。在轮毂6的后壁13轴向一侧连接有轴颈7的一个固定轴套20。固定轴套20端部有一平面21，同时轴2有一相应的轴肩22。轮毂圆锥体9和轴锥体11都位于固定轴套20。两者都各有一个平均直径23，24，并且位于离压气机叶轮4的重心14一定轴向间距25的位置处，该间距至少相当于半个平均直径23，24。在轮毂圆锥体9的每一侧各有一个柱形孔15，16。
轴向/径向轴承19包括一个通过螺钉26固定在轴承箱18上并因此固定的轴承体27以及一个与轴2旋紧连接的轴承凸轮28。轴向/径向轴承19与压气机叶轮4被一个作为辅助轴承套圈的中间件29隔开，该中间件在靠近压气机一侧具有另一个用于固定轴套20的止挡30。轴承箱18与压气机壳体3之间装有一中间隔板31，该隔板通过固定螺钉32固定到轴承箱18上。该中间隔板31支承压气机叶轮4的轮毂6的固定轴套20，与该轴套之间例如通过迷宫式密封结构实现密封(未示出)。
轴颈7由三部分构成，包括一柱形轴端33，轴锥体11和一连接在轴2上的柱形轴环34。轴锥体11在轴端33一侧直径最小(
图1)。
轴颈7和轮毂6在其敢机一侧的端部都各有一内螺纹形式的接纳装置35，36，用于接纳压气机叶轮4的差动螺杆式安装/拆卸工具37。为此轴端33的内螺纹35比轮毂6的内螺纹36小。差动螺杆37有两个不同大小和不同螺距的外螺纹38，39。较大的外螺纹36小。差动螺杆37有两个不同大小和不同螺距的外螺纹38，39。较大的外螺纹38具有较小的螺距并与轮毂6的内螺纹匹配，而较大螺距的较小外螺纹39与轴端33的内螺纹35共同作用。此外差动螺杆37有一个内六角形的内缘孔40用于未示出的操作件。
当然也可以较大的外螺纹38配以较大螺距，而较小的外螺纹39配以较小螺距，从而在安装时要求安装/拆卸工具37相对
图1所示的方案反向旋转。很显然也可采用另外一种压气机叶轮4的安装/拆卸工具，例如液力装置。
安装压气机叶轮4时，首先将差动螺杆37旋入压气机叶轮4大约三分之一。紧接着将压气机叶轮4穿过柱形轴端33往前推，直到差动螺杆37的较小外螺纹到达轴端33的内螺纹35。然后供暖画操作件旋转差动螺杆37，直到压气机叶轮4以其平面21靠到止挡30上。此时，在反推时用作轴向/径向轴承19的座圈的辅助轴承套圈29就被夹紧在轴2的平面轴肩与压气机叶轮4的平面21之间。当通过外螺纹38，39的不同螺距将压气机叶轮4拧上时，由于外螺纹38，39的不同直径就可避免差动螺杆37的错误安装，从而不会如前述损伤螺纹。差动螺杆37在废气涡轮增压机运转时仍然在通孔8内，为压气机叶轮4形成一道附加的轴向保险。此外在安装完压气机叶轮4之后，将操作件从差动螺杆37的内六角40上移走。拆卸压气机叶轮时按上述相反次序进行。
根据第二种实施例，废气涡轮增压栅样有一内轴承。但与第一种实施例不同的是，轴颈7只有两部分构成，包括轴锥体11以及与轴向一侧的柱形孔16相匹配的轴环34(图3)。该情况下，内螺纹形式的接纳装置35位于轴锥体11的内部，因此需要一个相匹配的安装/拆卸工具37’，也就是说需要采用一个加长的差动螺杆。因此可选用作为压气机叶轮4的另外一种固定形式，其中安装/拆卸工具类似第一种实施例。
在第三种实施例中，废气涡轮增压机有一个位于压气机叶轮4的逆流方向的外轴承，图中只给出了轴承箱18’及密封圈41。轮毂圆锥体9和轴锥体11都位于压气机叶轮4上靠近压气机的一侧。轮毂6的两个柱形孔15，16位于轮毂圆锥体9的轴向一侧。该两个柱形孔具有相同的直径并在压气机叶轮4的重心14处相互过渡合并。轴颈7由三部分构成，包括柱形轴端33’，轴锥体11和一连接于轴2上的柱形轴环34’，其中轴端33’用于支承形成螺纹轴套的安装/保险件37”。与第一种实施例不同，在这里，轴环34’与轮毂6的两个柱形孔15，16相配合。轮毂6在轮毂圆锥体9的轴向一侧具有一平面21’，该平面与轴环34’的相应形式的平面轴肩22’共同作用(图4)。
安装时，首先将压气机叶轮4推到轴颈7上，紧着借助螺纹轴套37”套到轴锥体11上。当平面21’与平面轴肩22接触后，就产生了满足要求的轴一轮毂一连接。
附图符号清单1 压气机2 轴3 压气机壳体4 压气机叶轮5 叶片6 轮毂7 轴颈8 通孔9 轮毂圆锥体10 9的多边形基面11 轴锥体12 11的多边形基面13 6的后壁14 4的重心15 柱形孔16 柱形孔17 轴线18 轴承箱19 轴向/径向轴承20 固定轴套21 平面22 平面轴肩23 9的平均直径24 11的平均直径25 间距，轴向26 螺钉27 轴承体28 轴承凸轮29 中间件，辅助轴承套圈
30 止挡31 中间隔板32 固定螺钉33 7的柱形轴端34 柱形轴环35 接纳装置，内螺纹36 接纳装置，内螺纹37 安装/拆卸工具，差动螺杆38 37或37’的较大外螺纹(较小螺距)39 37或37’的较小外螺纹(较大螺距)40 内缘孔，内六角41 密封圈18’轴承箱21’平面22’平面轴肩33’柱形轴端34’柱形轴环37’安装/拆卸工具，差动螺杆(加长)37”安装/保险件，螺纹轴套
权利要求1.高速涡轮机的压气机叶轮固定装置，包括一个固定在轴(2)上的压气机叶轮(4)，该叶轮由一个备有多个涡轮叶片(5)及一后壁(13)的轮毂(6)构成，重心(14)位于后壁(13)靠近压气机的一侧，其中轮毂(6)有一中央通孔(8)用来支承轴(2)的轴颈(7)，通孔(8)至少部分地做成具有多边形基面(10)的轮毂圆锥体(9)，轴颈(7)有一个与轮毂圆锥体(9)共同作用的轴锥体(11)，该轴锥体(11)具有一与轮毂圆锥体(9)的基面(10)相匹配的多边形基面(12)其特征在于，a)轮毂圆锥体(9)和轴锥体(11)都各有一个平均直径(23，24)，该平均直径(23，24)位于离压气机叶轮(4)的重心(14)一定轴向间距(25)的位置，该间距至少相当于半个平均直径(23，24)，b)轮毂(6)的通孔(8)在轮毂圆锥体(9)轴向一侧至少部分地做成柱形孔(16)。
2.按权利要求1所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，轮毂(6)的通孔(8)，在轮毂圆锥体(9)的两则，至少部分地做成柱形孔(15，16)。
3.按权利要求2所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，压气机叶轮(4)的轮毂(6)有一个在轴向一侧连接于后壁(13)上的轴颈(7)的固定轴套(20)，其中轮毂圆锥体(9)位于固定轴套(20)内，柱形孔(15，16)位于轮毂圆锥体(9)的两侧。
4.按权利要求3所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，固定轴套(20)在轮毂(6)轴向一侧形成一平面(21)，轴(2)有一相应的平面轴肩(22)。
5.按权利要求4所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，轴颈(7)至少由两部分构成，包括轴锥体(11)及一个与轴向一侧的柱形孔(16)相匹配的轴环(34)。
6.按权利要求4所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，轴颈(7)至少由三部分构成，包括轴锥体(11)，一个与轴向一侧的柱形孔(16)相匹配的轴环(34)，以及一柱形轴端(33)。
7.按权利要求5或6所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，在轴颈(7)和通孔(8)内至少各有一个接纳装置(35，36)，用于接纳压气机叶轮(4)的安装拆卸工具(37，37’)，该安装拆卸工具最好是带有两个不同螺距的外螺纹(38，39)的差动螺杆。
8.按权利要求7所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，两接纳装置(35，36)是内螺纹形式，轴颈(7)的接纳装置(35)位于轴端(33)，比位于轮毂(6)的通孔(8)内的接纳装置(36)小。
9.按权利要求7所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，两接纳装置(35，36)是内螺纹形式，轴颈(7)的接纳装置(35)位于轴锥体(11)内，比位于轮毂(6)的通孔(8)内的接纳装置(36)小。
10.按权利要求1所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，轮毂圆锥体(9)位于压气机叶轮(4)的重心(14)的逆流上方位置。
11.按权利要求10所述的压气机叶轮固定装置，其特征在于，轮毂(6)在重心(14)靠近压气机一侧形成一平面(21’)，同时轴(2)有一相应的平面轴肩(22’)。
专利摘要本实用新型的目的是,设计一种安全而且可以重复装配的高速涡轮机压气机叶轮的固定装置,此外该装置还具有较好的同心。根据本实用新型,该目的是这样实现的,轮毂圆锥体(9)和轴锥体(11)都各有一平均直径(23,24),该平均直径(23,24)位于离压气机叶轮(4)的重心的位置,该间距至少相当于半个平均直径(23,24)。轮毂(6)的通孔(8)在轮毂圆锥体(9)的轴向一侧至少部分地做成柱形孔(16)。
文档编号F02C6/12GK2360609SQ9823347
公开日2000年1月26日 申请日期1998年12月2日 优先权日1998年12月2日
发明者J·贝蒂格, A·米勒 申请人:亚瑞亚·勃朗勃威力有限公司