CN102149838A - 涡轮增压器及其对应的可调叶片 - Google Patents

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Abstract

披露了用于涡轮增压器应用的、特别用在柴油发动机内的一种可调叶片，它由具有一种奥氏体基本结构与树枝状碳化物沉淀的一种铁基合金组成。

Description

涡轮增压器及其对应的可调叶片
说明书
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于涡轮增压器应用的、特别用在一种柴油机中的一种可调叶片，并且还涉及根据权利要求5的前序部分所述的具有一种可调叶片的一种排气涡轮增压器。
排气涡轮增压器是用于增加活塞式发动机动力的系统。在一种排气涡轮增压器中，排出气体的能量被用来增加动力。动力增加是每个工作行程的混合物通过量提高的结果。
一种涡轮增压器主要由具有一根轴的排气涡轮机和压缩机组成，这种安排在发动机的进气管道内的压缩机与这根轴相连接，并且位于排气涡轮的以及该压缩机壳体内这些叶片轮是转动的。在一种具有可变的涡轮几何形状的涡轮增压器中，可调叶片另外被可转动地安装在一种叶片支承环中并且通过一个被安排在涡轮增压器的涡轮壳体内的调整环来移动。
这些可调叶片正如它们被人所知的，必须满足极端严格的一些材料要求。形成这些可调叶片的材料必须具有耐热性，这就是说即使在非常高的温度(高达大约900℃)下仍然展示足够的强度。此外，该材料必须具有高的耐磨性还以及对应的抗氧化性，从而减小该材料的腐蚀或磨损，并因此使得该材料的耐受性在极端的操作条件下仍然得以确保。而且，材料对侵蚀性腐蚀是耐受性的。该材料的这些物理性质还将反映在该部件即该可调叶片中。
从EP 1 396 620A1获知了用于排气涡轮增压器或其单独部件的耐热性材料。在此认为适合的是具有一种特殊组成的材料，其中这些部件的表面能够用一个碳化铬层涂覆，并且该材料具有低含量的细小的、非金属的夹杂物。将由此实现该涡轮增压器或其单独部件的700℃或更高的耐热性。
相比之下，本发明的目的在于提供一种根据权利要求1的前述部分所述的可调叶片以及一种根据权利要求5的前述部分所述的涡轮增压器，它们具有改进的温度和氧化耐受性、以及在极端温度下的耐腐蚀性、以及对应的液体腐蚀耐受性，其突出之处在于最优的摩擦特性，并且此外展示了减小的对磨损的敏感性。
该目的是通过权利要求1和权利要求5的这些特征实现的。
由于根据本发明的一种可调叶片或一种包括正好这样的可调叶片的排气涡轮增压器的这种设计，实现了该部件的更好的温度耐受性。而且这通过在铁基合金内所包含的树枝状碳化物沉淀(即被包含在铁基合金中并且具有细小的分枝以及此外处于氮化物结构形式的氮分散体的一种碳化物微结构)而成倍地增加了。由此提供一种可调叶片或一种排气涡轮增压器(包含根据本发明的可调叶片)，它在高达900℃的范围内具有最优的温度耐受性，而且是高耐热的，具有对磨损、侵蚀和腐蚀的高耐受性，并且此外其突出之处在于非常好的滑动特性以及减小的可氧化性。
此外，根据本发明的可调叶片在尺寸上保持是稳定的并由此是高度平面的，这就是说其突出之处在于形成它的材料的高强度。
无意牵涉到理论之中，在此推测处于枝状晶体形式的碳化物沉淀增大了该铁基合金的稳定性是在于它们在该材料的微结构中形成细小的分枝，这些分枝起到一种支撑作用，因此使得该材料的强度因此还有根据本发明的调整环的强度由于它们的独特结构而显著地增大。在这种情况下，处于氮化物结构形式的元素氮的分散体额外地增大了抗磨损性能和耐腐蚀性。
此外，形成根据本发明的可调叶片的材料或该可调叶片展示了对晶间腐蚀的最优耐受性。
在使用柴油机排气作为试验媒介的情况下，对于10N/mm2到18N/mm2的支承荷载、0.0025m/s的滑动速度、约500℃到900℃的部件温度、6.3的表面粗糙度Rz、500小时的测试持续时间、0.2Hz的时钟频率、45°的调整角度、0.28的摩擦系数，、4.7mm的轴颈直径、大于200mbar的压力脉动、以及大于1.5巴的排气压力，根据本发明的可调叶片的最大磨损率是小于0.08mm。
在试验时间为300小时的一个热冲击循环试验过程中，在圆周直径为80mm情况下，根据本发明的可调叶片的材料平面度是小于0.1mm。
根据本发明的可调叶片的材料可以通过常规的焊接方法如WIG、等离子以及EB方法来焊接。
这些从属权利要求包含有本发明的多个有利的发展。
在一个实施方案中，该可调叶片的突出之处在于一种包含以下这些成分的特殊组成，C：按重量计0.1％到2％，Cr：按重量计18％到43％，Ni：按重量计5％到15％，Mn：按重量计8％到16％，Si：按重量计≤1.3％，Nb：按重量计0.5％到4％，N：按重量计0.1％到3％，V：按重量计0.2％到2.0％，以及Fe。
单独的元素对一种铁基合金的影响是已知的，但随后出人意料地发现恰恰是所描述这种组成产生了一种材料，该材料在被处理成一种可调叶片时具有特别平衡的特性轮廓。根据本发明的这种组成的一个结果是，得到了一种具有特别高的耐热性和温度耐受性(甚至高达900℃)的可调叶片，其突出之处在于非常好的滑动特性以及因此的低滑动磨损或摩擦损耗。另外，与已知的一些材料相比，提高了抗侵蚀性，并且这此外也适用于液体腐蚀。该材料因此还有根据本发明的可调叶片此外在尺寸上是极其稳定的，并且该材料由此具有高的强度和抗变形性。
这些特性甚至还可以进一步得到改进。为此目的，根据一个实施方案，根据本发明的可调叶片由一种包含以下元素的材料组成：C：按重量计0.2％到1.0％，Cr：按重量计20％到32％，Ni：按重量计7％到14％，Mn：按重量计9％到14.5％，Si：按重量计≤1％，Nb：按重量计0.75％到3.5％，N：按重量计0.1％到1.0％，V：按重量计0.3％到1.6％，以及Fe。
按照这种方式生产的一种可调叶片不仅具有高达900℃的高耐热性，而且还有显著提高的滑动特性。这里滑动磨损被最小化。而且，对腐蚀和侵蚀的耐受性被最大化。这些特性伴随着根据本发明的可调叶片在高温下的非常好的抗变形性以及尺寸稳定性。
以这种方式生产的材料因此还有根据本发明的可调叶片因而具有以下特性：
Figure BPA00001329552100031
Figure BPA00001329552100041
根据本发明的一个进一步的实施方案，根据本发明的可调叶片或形成它的材料(该铁基合金)不含西格马相(σ相)。σ相是脆性的、具有高硬度的金属间的相。它们在一种体心立方金属和一种面心立方金属(它们的原子半径相同，仅具有微小的偏差)彼此相遇时产生。这样的σ相是不希望的，因为它们的变脆作用还因为该析出铬的基体的特性。因此，根据这个进一步有利的实施方案，根据本发明的材料的突出之处在于它不含σ相。这消除了材料的脆变并且增大了其耐久性。该σ相的减少或避免得以实现是在于该合金材料中的硅含量被降低至少于按重量计1.3％并且优选地被降低至少于按重量计1％。进而，在此有利的是采用奥氏体形成元素，例如像锰、氮和镍，如果适当的话以组合的方式。
权利要求5定义了(作为一种独立地可操作的物品)一种排气涡轮增压器，如已经阐述的，它包括一种可调叶片，该叶片由一种奥氏体基本结构组成，并且具有或包含树枝状碳化物沉淀。
图1示出了根据本发明的一个排气涡轮增压器的透视图，是部分地以剖面展示的。图1展示了根据本发明的涡轮增压器1，它具有一个涡轮机壳体2以及一个通过支承壳体28连接其上的压缩机壳体3。这些壳体2、3和28是沿着一个旋转轴线R安排的。该涡轮机壳体部分地以剖面示出，以便使叶片支承环6和一个径向在外的导向叶片栅18的安排很清楚，这种安排是由后者形成的并且具有多个可调叶片7，这些可调叶片分布在圆周上并具有旋转轴线8。由此形成了多个喷嘴截面，它们取决于这些可调叶片7的位置是更大或更小的，并且它们利用发动机排放气体(经由供气管道9提供并经由一个中央连接件10被排出)在更大或更小的程度上作用于涡轮机转子4(位于旋转轴线R的中央)上，以便通过该涡轮机转子4来驱动被固定在同一个轴上的一个压缩机转子17。
为了控制这些可调叶片7的移动或位置，提供了一个致动装置11。这本身可以是具有任何所希望的设计，但一个优选的实施方案具有一个控制壳体12，该控制壳体控制了被固定在其上的一个梃杆构件14的移动，以便将所述梃杆构件在位于该叶片支承环6后面的一个调整环5上的运动转变成所述调整环的一种轻微的旋转运动。在叶片支承环6与涡轮机壳体2的环状部分15之间形成了用于这些可调叶片7的一个自由空间13。为了可以确保所述自由空间13，该叶片支承环6具有多个间隔件16。
-实例-
按照常规方法由如下这些元素生产了用来形成根据本发明的多个可调叶片的一种合金。化学分析给出了这些元素的以下值：C：按重量计0.2％到0.5％；Cr：按重量计23％到26.5％％；Ni：按重量计9％到13.5％；Mn：按重量计9％到12.5％；Si：按重量计最大1.3％，Nb：按重量计0.75％到1.75％；V：按重量计0.7％到1.6％；N：按重量计0.1％到0.4％，其余：铁。
根据本实例生产的这些可调叶片的突出之处在于687MPa的拉伸强度Rm(ASTM E 8M/EN 10002-1；在升高的温度下：EN 10002-5)。其屈服点Rp0.2(根据标准方法测得)是337MPa。该材料的断裂伸长率(根据标准方法测得)是14.2％。该材料的硬度(根据ASTM E 92/ISO 6507-1测得)是258HB。线膨胀系数(根据一些标准方法测得)数值为17.8K-1(20℃到900℃)。该材料经受了一个确认试验系列，包括以下试验：
-室外暴露试验
-气候改变试验
-热冲击试验/循环试验-300h
-在裂变炉中的热气体腐蚀试验
在所有这些试验中，该部件的显著之处在于对这些作用力的优异耐受性。该材料因而具有极高的耐磨性和出色的抗氧化性，因此显著地减小了该材料在指定条件下的腐蚀和磨损，并因此因此该材料的耐受性甚至在长的时期内得以保证。
热循环试验：
根据本发明的部件经受了一种热循环试验，热冲击是如下操作的：
1.使用固定的转子；
2.2-涡轮增压器操作；
3.试验持续时间：350h(约2000次循环)；
4.在整个试验过程中，该涡轮增压器中的排气阀瓣在15℃保持打开；
5.高温：额定功率的点T3＝750℃，在涡轮机侧的涡轮增压器质量流速：0.5kg/s；
6.低温：T3＝100℃，在涡轮机侧的涡轮增压器质量流速：0.5kg/s；
7.循环持续时间：2×5min.(10min.)；
8.执行三个中间裂痕试验。
参考符号清单
1涡轮增压器
2涡轮机壳体
3压缩机壳体
4涡轮机转子
5调整环
6叶片支承环
7可调叶片
8旋转的轴线
9供气管道
10轴向连接件
11致动装置
12控制箱
13用于可调叶片7的自由空间
14梃杆构件
15涡轮机壳2的环形部分
16间隔件/隔离凸台
17压缩机转子
18导向叶片栅
28支承壳体
R旋转轴线

Claims (8)

1.一种用于涡轮增压器应用的、特别用在柴油发动机内的可调叶片，该可调叶片是由具有一种奥氏体基本结构和树枝状碳化物沉淀的一种铁基合金组成的。
2.如权利要求1所述的可调叶片，该可调叶片包含以下成分：
C：按重量计0.1％到2％，Cr：按重量计18％到43％，Ni：按重量计5％到15％，Mn：按重量计8％到16％，Si：按重量计≤1.3％，Nb：按重量计0.5％到4％，N：按重量计0.1％到3％，V：按重量计0.2％到2.0％，以及Fe。
3.如权利要求1所述的可调叶片，该可调叶片包含以下成分：
C：按重量计0.2％到1.0％，Cr：按重量计20％到32％，Ni：按重量计7％到14％，Mn：按重量计9％到14.5％，Si：按重量计≤1％，Nb：按重量计0.75％到3.5％，N：按重量计0.1％到1.0％，V：按重量计0.3％到1.6％，以及Fe。
4.如权利要求1所述的可调叶片，其中该铁基合金不含σ相。
5.一种特别用于柴油发动机的排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括由具有一种奥氏体基本结构和树枝状碳化物沉淀的一种铁基合金组成的一种可调叶片。
6.如权利要求5所述的排气涡轮增压器，其中该可调叶片包含以下成分：
C：按重量计0.1％到2％，Cr：按重量计18％到43％，Ni：按重量计5％到15％，Mn：按重量计8％到16％，Si：按重量计≤1.3％，Nb：按重量计0.5％到4％，N：按重量计0.1％到3％，V：按重量计0.2％到2.0％，以及Fe。
7.如权利要求5所述的排气涡轮增压器，其中该可调叶片主要包含以下成分：
C：按重量计0.2％到1.0％，Cr：按重量计20％到32％，Ni：按重量计7％到14％，Mn：按重量计9％到14.5％，Si：按重量计≤1％，Nb：按重量计0.75％到3.5％，N：按重量计0.1％到1.0％，V：按重量计0.3％到1.6％，以及Fe。
8.如权利要求5所述的排气涡轮增压器，其中该可调叶片的材料不含σ相。
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