CN101057078A - 压缩机叶轮 - Google Patents

Abstract

本发明介绍一种压缩机叶轮(7)，它包含一系列从中心轮毂(21)伸出的叶片(20)，此轮毂将旋转轴(8)与背面(25)相连接。压缩机叶轮背面(25)的一个表面区域形成残余压缩应力层(26，27)。

Description

压缩机叶轮

本发明涉及压缩机叶轮和安装在旋转轴上的压缩机叶轮组件。其中包括但不仅仅包括涡轮增压器的压缩机叶轮组件。

涡轮增压器是众所周知的为内燃机进气口提供高于大气压力(升压)的空气的装置。传统的涡轮增压器基本包括由废气驱动的涡轮，它被安装在涡轮外壳内的旋转轴上。涡轮叶轮的旋转使得安装在压缩机外壳内的轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气提供给引擎的进气管，从而增加引擎功率。此轴被支撑在处于连接在涡轮和压缩机叶轮外壳之间的中心轴承外壳内的枢轴和止推轴承上。

传统压缩机叶轮包括前面(由一系列从中心轮毂伸出的叶片组成)和后面(在涡轮增压器工业中通称为“背面”)。中心轮毂上有孔，用来接纳涡轮增压器轴的一端。

通常用铝合金来制造压缩机叶轮，虽然对于某些应用，尤其是工作温度较高的高压力比压缩机，最好采用钛合金、陶瓷或超级合金。在汽车工业中喜欢用浇铸的制造方法，以获得高性价比。也可以用实心棒料机加工来形成压缩机叶轮。

如上所述，涡轮增压器轴通常用枢轴和止推轴承来支撑，此轴承包括一些适当的润滑系统，后者处在连接在涡轮和压缩机叶轮外壳之间的中心轴承外壳内。在传统的涡轮增压器设计中，轴从轴承外壳穿过压缩机外壳后板(即油封板)内的适当通道通过压缩机外壳，止推轴承组件处于轴承外壳内的板附近。为防止油泄漏到压缩机叶轮内，通常在此止推轴承组件中装入包含油控制装置(在涡轮增压器工业中往往叫做“抛油圈”)的密封组件。抛油圈是一个随轴旋转的元件，而且包含将油抛出轴、特别是从轴承外壳进入压缩机外壳的通道的径向伸出表面。位于止推轴承和密封组件附近的环形喷溅室收集油，以在润滑系统内再循环。抛油圈可以是单个元件或另一个元件(如止推轴承和/或密封组件的一部分)的整体部分。

现代对涡轮增压器性能的要求是增加给定尺寸涡轮增压器的空气流量，这导致旋转速度的增加，例如超过100,000rpm。速度增加就希望采用铝和钛合金等重量轻的材料，以降低压缩机的旋转惯性质量。不过，速度的增加还使得在过渡工作条件下压缩机所受的负荷加大。

因此，考虑负荷和疲劳对压缩机叶轮的作用是很重要的，以确保它能工作在所要求的旋转速度，而同时在整个预期寿命内具有充分的可靠性。分析表明，轮毂孔是压缩机叶轮的高应力区。例如，美国专利6,164,931中就建议对轮毂进行处理，以减小因孔内圆周上产生残余压缩应力而引起的表面缺陷。美国专利6,481,970提出的另一途径是，通过提供紧配合尺寸而在轮毂孔内造成预定的预应力，从而降低径向孔应力。

但是，尽管有这样一些建议，本申请人仍然发现压缩机叶轮的疲劳是一个问题。本申请人尤其发现有超乎预期数量的压缩机叶轮出现早期疲劳。

本发明的目的是消除或减轻上述问题。本发明提供的压缩机叶轮具有一条旋转轴线并包含许多叶片，后者一般是从该轴线沿径向并从盘状支撑的一个面沿轴向伸出，而该支撑的相对面界定一个叶轮背面，其中至少一部分背面具有一个残余压缩应力层，它延伸至背面表面下一定深度。

本申请人发现，比例多得惊人的压缩机叶轮失效，包括早期失效，是由于在压缩机叶轮背面上出现裂纹而造成的。这类裂纹连续蔓延直至产生严重的失效。这类失效是不可预测的，因为它们与压缩机叶轮的应力分析不一致，这种分析表明压缩机叶轮的背面实际上是压缩机叶轮应力较低的区域。

本申请人已经找到背面开始出现失效的两个特别重要的因素。

对生产的质量进行了仔细的控制，以尽可能减小压缩机叶轮内的3D缺陷。但是，本申请人目前惊奇地发现，即使看起来很小而且不重要的2D表层缺陷，虽然通常不认为是不满足制造质量要求，但仍将增加压缩机叶轮早期失效的可能性。

其次，一些由裂纹引起的失效是从压缩机背面和抛油圈元件之间的交界面处开始的。这些疲劳好象是被抛油圈外径留在背面上的压痕外径引起的。这类失效的特征是形成周边裂纹，它由于外加的径向应力而开始渗透到叶轮内。随着轴环应力成为主要应力，裂纹改变方向并在径向继续增长直至碎裂，最终使压缩机叶轮破裂。

原则上至少某些失效形式可通过修改压缩机叶轮的结构来补偿。例如，加长背面有望使应力重新分布，并通过将接触应力与轮毂孔处的最大应力分开而帮助减轻抛油圈界面处的失效。不过，加长背面将需要重新设计其它的压缩机/涡轮增压器元件，这将是很费钱的，而且在许多情况下，由于对压缩机总体尺寸的限制是不可能的。

正如在本说明书引言中所述，人们知道形成残余压缩应力层可以改善各种材料的疲劳寿命。但是本申请人认定的一些失效形式一般并不认为是与“疲劳”有关的失效。例如，这些失效可以在压缩机叶轮寿命内的任何时刻发生。而且实际上在产生早期失效方面可能尤其成问题。但是，本申请人曾经发现，形成残余压缩应力层在减少上面讨论的失效模式方面是有效的。具体而言，已发现形成残余压缩应力层可抑制背面内裂纹的形成，并阻止任何裂纹的蔓延，这些裂纹确实仍然在形成，而且否则会导致严重的失效。残余压缩应力层的形成似乎改善了存在任何微弱缺陷的表面内的局部应力。这降低了叶轮对这类看起来不明显的二维表层缺陷的敏感度，这些缺陷一般并不认为是超出可接受的制造公差范围，但本申请人已证明它们将导致失效。此残余压缩应力层可能基本上复盖差压缩机叶轮的整个背面，或者仅仅是作用于已看出可能形成的裂纹将成为一个特殊问题的区域。

在一个优选实施例中，残余压缩应力层至少复盖压缩机叶轮背面的一部分，此背面在使用中与压缩机叶轮组件的一个元件交界。该元件可包括止推轴承组件的一个元件，典型地包括抛油圈一类的油控装置。

这个实施例在防止开始于抛油圈和压缩机叶轮交界处的失效等是有用的。除了抑制裂纹的形成和蔓延之外，残余压缩应力层还可减少在抛油圈外径处出现凹痕，否则的话可能增加出现裂纹的可能性。

本申请人已经认识到的、在形成残余压缩应力层时的一个问题是，背面的某些区域对于在所需机械力下的变形很敏感。例如，背面可能在压缩机叶轮的外边缘或背面的轮廓区域变形。因此，在一个优选实施例中，将背面的至少一个选定区内残余压缩应力层减小，以防止叶轮在该选定区内变形。

压缩机叶轮在使用时与旋转轴相连。轴和叶轮的过渡区可包含由残余压缩应力层形成的区域。例如，叶轮可焊到轴上，比如与叶轮和包含内圆角半径的轴之间的过渡区通过摩擦焊接。

因而，本发明的另一种形式提供压缩机叶轮组件，它包括与绕轴线旋转的轴焊接的压缩机叶轮，此压缩机叶轮包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定压缩机叶轮背面，其中在背面和轴之间在焊接区界定一个过渡区，后者有一个残余压缩应力层延伸到背面表面下一定深度。

本发明还提供一种制造压缩机叶轮的方法，以增加对临界失效的抵抗力。此压缩机叶轮有一条旋转轴并包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定压缩机叶轮背面，其中背面的至少一部分经过处理，以形成延伸到该背面表面下一定深度的残余压缩应力层。

此残余压缩应力层最好是通过在该区域实行冷加工处理而形成。已经有几种形成残余压缩应力层的冷加工技术可以改善多种材料的疲劳寿命，例如抛光、喷丸硬化、重力硬化和激光震动硬化。本发明人曾经发现，这些方法也适用于按本发明形成残余压缩应力层。在本发明的一个优选实施例中，此压缩应力层是通过滚光加工而引发的。

在本发明一些优选实施例中，该层的深度比在以前谈到疲劳问题时的典型深度(通常为200μm量级)要大。在本发明一些优选实施例中，该层的最大或者甚至平均深度大于300μm。建议该层的深度至少为500μm。在另一些实施例中，该层的深度甚至更深，其最大深度大于800μm甚至1mm。

虽然本发明的压缩机叶轮可能有各种应用，但它们特别适用于涡轮增压器中。因此，优选实施例所提供的涡轮增压器包括本发明的压缩机叶轮(它安装在旋转轴上，并在压缩机外壳内旋转)和涡轮机叶轮(它安装在该旋转轴的另一端，并在涡轮外壳内旋转)。

本发明其它一些有用而可取的特性可从下面的说明了解。

现在仅以举例的方式参照附图说明本发明的一些具体实施例，附图中：

图1是普通涡轮增压器的轴向剖面，显示涡轮增压器和普通压缩机叶轮组件的主要元件；

图2是按本发明的压缩机叶轮组件剖面；

图3示意地表示压缩机叶轮抛油圈界面的失效模式，我们相信此优选实施例中失效较少；

图4表示适用于本发明的滚光加工工具。

首先参考图1，它显示传统向心型涡轮增压器的基本元件。涡轮增压器包括涡轮机1，它通过轴承外壳3连接到压缩机2。涡轮机1包含涡轮机外壳4，它罩住涡轮机叶轮5。类似地，压缩机2包括罩住压缩机叶轮7的压缩机外壳6。涡轮机叶轮5和压缩机叶轮7安装在共用轴8的相对两端，轴8被支撑在轴承外壳3内的轴承组件9上。

涡轮机外壳4具有废气入口10和废气出口11。入口10将进来的废气通向围绕涡轮机叶轮5的环形入口室12。废气通过与涡轮机叶轮5同轴的圆形出口流经涡轮机并进入出口11。涡轮机叶轮5的旋转使得压缩机叶轮7旋转，以通过轴向入口13吸入空气，并经环形出口蜗壳14将被压缩的空气送到引擎进气口。

更详细地参照图1和2所示的压缩机叶轮组件，此压缩机叶轮包含许多从中心轮毂21伸出的叶片20，轮毂有一个通孔23用以接纳轴8的一端。压缩机包含一个背面25，其外形可通过机加工形成。背面的外形被设计成使压缩机内的应力处于最佳状态。

轴8从涡轮机叶轮的前端伸出少许并攻上螺纹以接纳螺母22，后者拧在压缩机叶轮前端28上，以将压缩机叶轮7靠着止推轴承和油封组件24夹紧。压缩机叶轮也可以是如美国专利4,705,463中建议的所谓“无孔”压缩机叶轮。对于这种压缩机叶轮组件，在压缩机叶轮中只有比较短的螺纹孔，以接纳缩短了的涡轮增压器轴的螺纹端。止推轴承/油封组件的细节可以变化且对理解本发明并不重要。最要紧的是，通过螺母17所加的夹紧力防止压缩机叶轮7在轴8上打滑。

按照本发明的优选实施例，在至少一部分压缩机叶轮内产生残余压缩应力层，以减少开始于叶轮这个较低应力区的早期寿命失效的发生。

在某些实施例中，所形成的残余压缩应力层27基本复盖整个背面25。不过在另一些实施例中，只要所形成的残余压缩应力层26复盖在使用中与止推轴承和油封组件24接触的背面25区就足够了。这些实施例在克服压缩机叶轮在抛油圈界面区的失效方面可能更好。参照图3，本申请人注意到，抛油圈24好象在背面上形成轻微的压痕，然后在该压痕的外径处产生裂纹30。该裂纹似乎在背面内开始形成周边裂纹，这是由于该裂纹平行于压缩机孔蔓延所施加的径向应力向前穿透到叶片内。随着轴环应力占主导地位，裂纹改变方向并在径向蔓延直至最后碎裂。本申请人发现，一发生最后碎裂，则压缩机叶轮分裂成尺寸大致相似的两块或更多块(典型为三块)。

已提出几种引发残余压缩应力层的方法，以增加疲劳寿命，并降低对腐蚀疲劳和应力腐蚀的敏感度。如上所述，这些方法可用来提供本发明所需的残余压缩应力层。应该明白，本发明并不限于任何特定的方法，且残余压缩应力层可以在制造压缩机叶轮时，或在以后应用热加工或冷加工技术等分离过程中形成。

抛光是普遍使用的冷加工技术，此时至少有一个抛光组件的元件被以足够的力压在工件上，以使材料表面通过冷加工变形(即塑性变形)。表面的变形产生所需的残余压缩应力层。在大多数传统技术中，工件由于多次通过抛光元件而变形几次。滚光加工至少使用一个滚球或杆作为抛光组件元件。抛光过程由控制系统控制，使得抛光元件的运动可与工件的三维轮廓匹配并控制所加的滚动力。

在抛光中施加的力影响到残余压缩应力层的形成，因此必须小心控制。现有的抛光工具可以是机械或水压工具。在机械工具中，可利用预载荷弹簧将滚动力设定在预定水平。在水压工具中，由调节液体压力来控制滚动力。

滚光技术被认为特别适合于本发明。两种具体的滚光技术是，美国专利5,826,453提出的“低塑性抛光”，和美国专利6,755,065提出的“深度滚压”。喷丸硬化一类冷加工技术一般产生深度200μm左右的残余压缩应力层，而这些滚光技术可产生较深的层，深度达800μm或者在某些情况下大于1mm。由于它们所需的冷加工量最少，这些技术也被认为是比较可取的。

举例来说，低塑性抛光利用一种光滑的自由滚动球形工具，用正常的力仅通过一次就足以使材料变形到形成残余压缩应力层所需的深度。参照图4，抛光装置的工具包括一个尖形元件40，它具有处在球座42内的抛光球41。从外储罐来的润滑液体44以足够的压力直接提供到球座42，使球漂浮在球座表面，让抛光球可以自由旋转，同时还可将润滑流体提供给工件50的表面。正常的力，压力和工具的位置由计算机控制，以提供所要求的残余压缩应力区域和大小。

本专业技术人员很容易做出其它可能的修改。

Claims (29)

1.一种压缩机叶轮，此压缩机叶轮有一根旋转轴并包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定叶轮背面，其中背面的至少一部分具有延伸到背面表面下一个深度的残余压缩应力层。

2.如权利要求1的压缩机叶轮，其中该背面部分为环形。

3.如权利要求2的压缩机叶轮，其中该背面部分从压缩机叶轮轴线沿径向伸出。

4.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中该背面表面部分是背面表面的主要部分。

5.如权利要求4的压缩机叶轮，其中整个背面表面都提供残余压缩应力层。

6.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少300μm的最大深度。

7.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有300μm的最小深度。

8.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少500μm的最大深度。

9.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少500μm的最小深度。

10.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少800μm的最大深度。

11.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少800μm的最小深度。

12.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少1mm的最大深度。

13.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层具有至少1mm的最小深度。

14.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层深度在该部分背面表面上是变化的。

15.如权利要求15的压缩机叶轮，其中在对产生压缩应力层所需压缩力下变形敏感的那部分背面区域内深度最小。

16.如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮，其中残余压缩应力层是由对背面部分采用冷加工技术而引发的。

17.如权利要求16的压缩机叶轮，其中冷加工技术包括滚光加工。

18.一种压缩机叶轮组件，包括按上述任一条权利要求的压缩机叶轮，它被安装在一根绕压缩机叶轮轴线旋转的轴上。

19.按权利要求18的压缩机叶轮组件，其中一个第二元件被安装在与它一起旋转的轴上靠近叶轮背面的一个区域，而且包含该残余压缩应力层的那部分叶轮至少包括该区域。

20.按权利要求19的压缩机叶轮组件，其中第二元件包括抛油圈等油控装置。

21.按权利要求19的压缩机叶轮组件，其中第二元件包括安装在该轴上的止推轴承组件的一个元件。

22.如权利要求18至21中任一条的压缩机叶轮组件，其中压缩机叶轮是焊到该轴上，在焊接区背面和轴之间形成一个过渡区，该过渡区具有残余压缩应力层。

23.按权利要求22的压缩机叶轮组件，其中过渡区包含一个内圆角半径。

24.一种压缩机叶轮组件，包含一个被焊接到绕轴线旋转的轴上的压缩机叶轮，此压缩机叶轮包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定压缩机叶轮背面，其中在背面和轴之间在焊接区界定一个过渡区，后者有一个残余压缩应力层，延伸到背面表面下一定深度。

25.一个涡轮增压器，包含如上述任一条权利要求所述的压缩机叶轮或压缩机叶轮组件。

26.一种对临界失效具有较强抵抗力的压缩机叶轮制造方法，此压缩机叶轮有一条旋转轴线并包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定叶轮背面，其中背面的至少一部分经过处理，以形成延伸到该背面表面下一定深度的残余压缩应力层。

27.如权利要求26的方法，其中处理包括对部分背面施以冷加工处理。

28.如权利要求27的方法，其中冷加工处理包括滚光加工。

29.一种制造如权利要求1至25中任一条的压缩机叶轮或压缩机叶轮组件的方法，其中冷加工处理被用来提供残余压缩应力层。

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