CN104160129A - 涡轮增压器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种涡轮增压器，其特征在于，在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，以减少通过背面从涡轮叶轮的入口侧向焊接部泄漏的排气量、抑制因运转中的焊接部温度升高导致焊接部强度降低为目的，具有涡轮外壳(3)和轴承外壳(10)，并且具有：在所述涡轮叶轮(5)的背面侧、沿背面留有间隙而设置的背板(11)；形成于该背板(11)的外周部、且固定在涡轮外壳(3)与轴承外壳(10)的接合部的背板的固定部(11a)；形成于所述背板(11)的内周部、且使圆筒凸缘部(10b)留有间隙地插入的开口部(35)；形成于所述涡轮叶轮(5)的背面与背板(11)内周面的侧面之间、抑制通过背面从涡轮叶轮(5)的入口侧向所述钎料的接合部(B)泄漏的排气流量的节流部(36)。
Description
技术领域
本发明涉及发动机等内燃机中所使用的涡轮增压强，特别涉及具有通过焊接接合涡轮叶轮部和轴部形成的涡轮转子的涡轮增压器。
背景技术
机动车用涡轮增压器具有为了提高燃油效率而进行小型化改造、以及为了提供性能而提高排气温度的倾向。
对于上述提高性能的需求，提出了一种涡轮转子，其由耐热性良好的TiAl制品形成涡轮叶轮，通过Ni焊剂等钎料与钢材的轴接合而形成，例如已知专利文献1(日本特开2000-202683号公报)、专利文献2(日本特开平10-193087号公报)等。
在该专利文献1中，公开了经由中间材料、将由TiAl类金属间化合物基合金形成的涡轮叶轮与由碳钢形成的轴接合的结构，并且公开了涡轮叶轮与中间材料接合、使涡轮叶轮的凸状连接部与中间材料的凹状连接部嵌合、且在其中插入钎料而接合的结构。
而且，在专利文献2中也公开了一种结构，其在TiAl制品的涡轮叶轮的凸部与轴的凹部之间插入钎料(银为主要成分的银钎料、镍为主要成分的镍钎料、铜为主要成分的铜钎料等)，嵌合上述凹部与凸部，从而将TiAl制品的涡轮叶轮与由结构用或马氏体类耐热钢形成的转轴接合。
如上所述，随着排气温度的升高，例如在轿车的汽油发动机中，有时排气温度会达到950℃～980℃，如果将TiAl制品的涡轮转子暴露在上述高温的排气中，则如图7所示，在TiAl制品的涡轮叶轮钎料之间、Ni钎料碳钢制品的轴之间存在扩散现象。
即涡轮叶轮中的Ti成分、Al成分向钎料侧移动，而且Ni钎料中的Ni成分向涡轮叶轮侧或轴侧移动，进而轴侧的C成分及N成分向钎料侧移动。通过该轴侧的C成分及N成分的移动，在Ni钎料与碳钢制品的轴的边界部分结合由涡轮叶轮移动过来的Ti，生成TiC(碳化钛)、TiN(氮化钛)之类的碳氮化物。然后，在轴侧，在移动缺少了C成分及N成分的部分产生空洞(空隙)。
由于在上述Ni钎料与碳钢制品的轴的边界部分所产生的碳氮化物及空洞(空隙)，焊接强度显著降低，有时可能会出现折损。因此，对于提高温度后的排气，需要具有防止焊接强度降低的对策。
另一方面，涡轮增压器内部的排气流向为，如图2(第一实施方式的说明图)所示，从发动机流向涡轮外壳3内的排气G的大部分流向涡轮叶轮5，但一部分排气漏向涡轮叶轮5的背面侧，流向涡轮叶轮5与轴7的接合部，进而流向轴7的轴承9侧。
对于上述泄漏排气流，为了排气的密封性以及热量不向轴承部等传递的隔热，在涡轮叶轮的背面侧设置背板。例如专利文献3(日本特开2001-173450号公报)，在该专利文献3中，如图8所示，在收纳于涡轮外壳01内的涡轮叶轮03的背面侧设置背板05。
专利文献1：(日本)特开2000-202683号公报
专利文献2：(日本)特开平10-193087号公报
专利文献3：(日本)特开2001-173450号公报
发明内容
发明要解决的问题
由于来自暴露于高温排气而成为高温的涡轮叶轮的热传导，运转中涡轮转子的焊接部温度升高，进而，如前所述，因为向涡轮叶轮的背面侧泄漏的排气为950℃以上，所以，如果该泄漏的排气到达焊接部，则可能使焊接部的温度升温至因涡轮叶轮的热传导而达到的温度以上而被高温化。
因此，即使使焊接部的位置离开涡轮叶轮，来作为应对来自涡轮叶轮的热传导的对策，但如果泄漏的排气到达焊接部，也存在相对于被高温化了的排气、不能有效地防止焊接强度降低的问题。
虽然在专利文献3中公开了在涡轮叶轮的背面设置背板的结构，但因为背板的内周端部面对径向中心，向与涡轮叶轮相反的方向倾斜，所以，尽管对于来自涡轮叶轮侧的热量具有隔热效果，但难以得到抑制泄漏的排气朝向轴向流动的效果。
解决问题的方案
因此，本发明是鉴于上述现有技术的问题而提出的，目的在于在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，减少通过背面从涡轮叶轮的入口处向焊接部泄漏的排气量，从而抑制因运转中的焊接部温度升高导致焊接部强度降低。
为了解决上述问题，本发明的特征在于，在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，具有：收纳所述涡轮叶轮的涡轮外壳；具有旋转支承所述轴的轴承的轴承外壳；在所述涡轮叶轮的背面侧，沿背面留有间隙设置的背板；形成于该背板的外周部，且固定在所述涡轮外壳与所述轴承外壳的接合部的背板的固定部；形成于所述背板的内周部，且使支承所述轴的所述轴承外壳的圆筒凸缘部留有间隙地插入的开口部；形成于所述涡轮叶轮背面与所述背板侧面之间，抑制从涡轮叶轮的入口向背面侧泄漏的排气向所述轴向流动的排气流量的抑制部。
根据本发明，因为具有形成于在涡轮叶轮背面侧沿背面留有间隙而设置的背板侧面与涡轮叶轮背面之间、抑制从涡轮叶轮入口向背面侧泄漏的排气向所述轴向流动的排气流量的抑制部，所以，能够减少到达钎料的排气流量。因此，能够抑制因950℃以上高温的排气流导致焊接部温度升高，防止焊接部强度降低。
而且，在本发明中，优选所述背板面随时对涡轮叶轮的旋转中心，而从半径方向向涡轮叶轮侧倾斜，由该倾斜形状的前端部形成所述抑制部。
这样，因为随着面对涡轮叶轮的旋转中心，使背板从半径方向向涡轮叶轮侧倾斜，由该倾斜形状的前端部形成所述抑制部，所以，通过简单的结构能够构成抑制部，因而容易制造。
此外，在本发明中，优选所述抑制部在所述背板内周部的侧面由迷宫式结构形成，该迷宫式结构由向所述涡轮叶轮的背面侧突出设置的凸部形成。
这样，通过在背板内周部设置迷宫式结构，能够形成相对于排气流的流动难度，能够抑制流向焊接部的排气流量。
通过所述背板的倾斜形状对排气流量的抑制，是基于缩小流路截面积、即所谓的节流效应对排气流量的抑制。另一方面，通过设置于所述背板的迷宫式结构对排气流量的抑制是基于使流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)恶化。
可以认为，通过减小流路的截面积、即缩小流路截面、以及使流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)恶化，能够减少排气流量。基于该想法构成抑制部既是通过所述背板的倾斜形状引起的节流效应，也是通过迷宫式结构导致的流动难度。
而且，在本发明中，优选所述迷宫式结构由形成于所述背板的凸部与形成于所述涡轮叶轮背面的凸部的组合来形成。
这样，通过与形成于涡轮叶轮背面的凸部的组合，设置迷宫式结构，由此，能够在小空间内有效地发挥由迷宫导致的流动难度，所以，能够有效地获得对流向焊接部的排气流量的抑制。
此外，在本发明中，优选相对于涡轮叶轮的旋转中心，同心状地设置多列形成于所述背板的凸部，并且旋转中心侧的凸部形成得较高。
这样，在半径方向上形成多列构成迷宫的凸部，并且面对旋转中心较高地形成其高度，所以在运转中也能够维持流动难度的作用效果。
即因为运转中来自涡轮叶轮入口处的泄漏排气在背板与涡轮叶轮背面的间隙内流动，所以，在背板的内周部，排气的压力发挥作用，推开背板，但因为随着面对旋转中心，凸部的高度形成得较高，所以即使推开背板，发生变形，也能够得到由凸部导致的流动难度的作用效果，而不会减弱其作用效果。
发明的效果
如上所述，根据本发明，在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，通过具有形成于涡轮叶轮背面与背板内周部的侧面之间、抑制通过背面从涡轮叶轮入口侧向所述钎料的接合部泄漏的排气流量的抑制部，能够减少通过背面从涡轮叶轮的入口侧向焊接部泄漏的排气量，从而抑制因运转中的焊接部温度升高导致焊接部强度降低。
附图说明
图1是本发明涡轮增压器的整体结构图；
图2表示第一实施方式，(A)是图1的A部的剖面放大图，(B)是节流部的放大图；
图3表示第二实施方式，是图2的对应图；
图4是第二实施方式的说明图；
图5表示第三实施方式，是图2的对应图；
图6表示第四实施方式，是图2的对应图；
图7是在TiAl制品的涡轮叶轮、Ni钎料、碳钢制品的轴的相互之间的扩散现象的说明图；
图8是现有技术的说明图。
具体实施方式
下面，利用附图所示的实施方式，详细地说明本发明。但记述于该实施方式的结构部件的尺寸、形状、以及其相对配置等除非另有记述，否则不是限定本发明范围的主旨，只不过是简单的说明例。
(第一实施方式)
图1是沿本发明第一实施方式的涡轮增压器1的旋转轴线K的剖面图。
首先，针对涡轮增压器1的结构概况进行说明，该涡轮增压器1以乘用车发动机用涡轮增压器为例进行说明。
在旋转轴线K方向上相邻配置有收纳涡轮叶轮5的涡轮外壳3、具有旋转支承涡轴7(称为轴)的轴承9的轴承外壳10、收纳压缩机叶轮13的压缩机外壳15。
在涡轮外壳3的外周部，形成为涡卷状涡卷17，在该涡卷状的中心部分设置涡轮叶轮5，通过钎料在接合部B的部分将涡轮叶轮5与轴7的一端部接合，一体地形成涡轮转子19。
而且，在轴承外壳10设置有在旋转轴线K周边可旋转地支承轴7的左右一对轴承9，9。然后，经由润滑油路21分别向该轴承9，9供给润滑油。
使形成于该轴承外壳10与所述涡轮外壳3各自端部的突出凸缘10a，3a对接，通过嵌合在其外周具有截面形状大致为コ形的环状的弹性挡环23而结合。在该结合部夹持后述的背板11的固定部即外凸缘部11a。
此外，在轴7的另一端部通过安装螺母25固定压缩机叶轮13。而且，在压缩机外壳15中形成空气入口通路27、涡卷状空气通路29、扩散器圆(ディフューザまる)，由此而构成离心压缩机31。
在由相关结构形成的涡轮增压器1工作时，来自发动机(未图示)的排气进入所述涡卷17，顺其外周侧从该涡卷17流入涡轮叶轮5的涡轮叶片，面对中心侧在半径方向上流动，在对该涡轮叶轮5形成膨胀功后，向轴向流出，被引导向气体出口33，从而送出机外。
另一方面，涡轮叶轮5的旋转经由轴7，使离心压缩机31的叶轮13旋转，通过压缩机外壳15的空气入口通路27，由该叶轮13对吸入的空气进行加压，从而通过空气通路29后提供给发动机(未图示)。
接着，针对背板11进行说明。
图2(A)表示图1的A部的剖面放大图，图2(B)如图2(A)的图2所示，背板11形成大致有底圆筒状，具有底部11b、以及从该底部11b的外周源向旋转轴线K的一方向抬高的大致圆筒状的圆筒部11c，圆筒部11c的前端部进而与旋转轴线K的方向弯曲成直角，而设置外凸缘部(背板的固定部)11a。该外凸缘部11a如前所述，通过夹持在轴承外壳10与涡轮外壳3之间而被固定、定位。
在底部11b的径向中央部设有开口部35，其用于使形成于支承轴7的轴承外壳10的端部的圆筒凸缘部10b设有间隙地插入。因此，背板11的内周部侧不是被支承、而是开放状态(未束缚状态)，只通过外周部的外凸缘部11a就能够固定、定位背板11。
在本实施方式中，如图2所示，背板11底部11b在旋转轴线K方向上的截面形状随着从径向外侧面向中心侧而倾斜，逐渐接近涡轮叶轮5的背面，在其前端部与涡轮叶轮5背面的最接近部分形成节流部(抑制部)36。另外，设定倾斜角度θ，使之即使由于排气的热量而扩展变形，也不会与涡轮叶轮5的背面接触。
背板11暴露在由涡轮叶轮5的入口泄漏而流向涡轮叶轮5背面侧的排气中，因为排气温度为950℃以上、接近1000℃的高温，所以，背板11由耐热钢板制品制造，例如由SUS301(不锈钢)制品制造。
而且，涡轮叶轮5由耐热性良好的TiAl制品形成，轴使用碳钢、例如SC材料、SCM材料的钢材，涡轮叶轮5与轴7例如通过Ni钎料等钎料接合。
在图2(A)中，在接合部B接合涡轮叶轮5和轴7，在接合部B的轴承9侧，为了使排气不流向轴承9侧，在设置于轴7的密封凸缘37，37之间设置金属制密封环39。
根据上述结构的第一实施方式，从发动机向涡轮外壳3内的涡卷17流动的排气G的大部分从涡轮叶轮5的入口侧在径向上流入，但一部分排气泄漏、流向涡轮叶轮5的背面侧，在涡轮叶轮5背面与背板11之间的间隙流动，从而在中心方向上流动，流向轴7的接合部B，进而流向轴7的轴承9侧。
在流向该轴7的接合部B时，利用在形成于轴承外壳10端部的圆筒凸缘部10b的前端与涡轮叶轮5背面之间所形成的间隙S1(参照图2(A))产生的节流作用，减少排气向轴7的接合部B流动。但在本实施方式中，为了进一步增加该圆筒凸缘部10b的前端部分产生的节流作用，形成有节流部36，该节流部36产生于接近涡轮叶轮5背面而倾斜的背板11前端部与涡轮叶轮5背面最接近部分。因此，增加节流部36的间隙S2(参照图2(B))所产生的节流作用。
另外，虽然只要背板11底部11b的倾斜从半径方向倾斜，即θ＞0，就能够起到基于节流部36的节流作用，但通过将间隙S2与间隙S1设定得相同、或设定得较小，也能够有效地起到节流作用。
如上所述，通过节流部36对排气流量的抑制效果的结果为能够减少泄漏排气到达接合部B的钎料的流量，所以，抑制950℃以上高温的排气流导致焊接部温度升高，能够防止焊接部强度降低。
(第二实施方式)
接着，参照图3、图4，针对第二实施方式进行说明。相对于第一实施方式的节流部(抑制部)36，第二实施方式采用迷宫式结构41。对于与第一实施方式相同的结构，使用相同的标记，所以省略说明。
如图3所示，背板43的底部43b沿径向伸展，在背板43的内周部、即开口部45的周缘设有向涡轮叶轮5的背面侧突出的凸部47，并在其外周侧设有凸部49。凸部47，49相对于涡轮叶轮5的旋转中心，环状地设置为同心状。而且，设置于开口部45周缘的凸部47的突出量形成得高于其外侧的凸部47。通过该凸部47，49，形成迷宫式结构41。另外，凸部47，49当然也可以为相同高度。
通过上述结构，能够形成相对于排气流的流动难度，能够抑制流向焊接部的排气流量。
所述第一实施方式中，通过背板11的倾斜形状对排气流量的抑制是基于缩小流路截面积、即所谓的节流效应对排气流量的抑制。本实施方式中，通过设置于背板43的迷宫式结构41对排气流量的抑制是基于使流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)恶化的抑制。
排气流量Q通常由Q＝A×φ×f(ΔP)表示，在此，A为流路的截面积，φ为流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)，f(ΔP)为压力差。因为f(ΔP)由流入涡轮叶轮5的入口侧的排气压力及焊接部的压力差确定，所以难以将其改变得较小。
因此，通过减少流路的截面积、即缩小流路截面、以及减小流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)φ(使之恶化)，能够实现减少排气流量Q。基于上述想法构成抑制部是第一实施方式的、通过背板11的倾斜形状产生的节流作用，而通过迷宫式结构41构成流动难度是第二实施方式。虽然是控制流动容易程度(表面粗糙度、流路形状等)的想法，但也包括利用凸部47，49与涡轮叶轮5背面的间隙产生的节流作用，可以认为是所述流路的截面积A与流动容易程度φ双方所起的作用。
而且，对于制造构成迷宫式结构41的凸部47，49，如图4所示，在通过对板部件冲压成型而形成大致有底圆筒状的背板43时，同时制造凸部47，49，由此，能够简单地设置迷宫式结构41。
如上所述，根据第二实施方式，通过迷宫式结构41对排气流量的抑制效果的结果为能够减少泄漏排气到达接合部B的钎料的流量，所以，抑制因950℃以上高温的排气流导致焊接部温度升高，能够防止焊接部强度降低。
而且，因为形成突出量大于外周侧凸部49的内周侧凸部47，所以，能够维持运转中流动难度的作用效果。即在运转中，来自涡轮叶轮5的入口侧的泄漏排气通过在背板43与涡轮叶轮5背面的间隙内流动的泄漏排气、推开背板43而发挥作用，但因为内周侧凸部47的突出量大于外侧凸部49，所以，即使推开背板43，也能够维持凸部49产生的流动难度的作用效果，而不会减弱该作用效果。
(第三实施方式)
接着，参照图5，针对第三实施方式进行说明。第三实施方式能够进一步发挥第二实施方式的迷宫效应。对于与第二实施方式相同的结构，使用相同标记，从而省略说明。
如图5所示，隔着形成于背板43的凸部49，在涡轮叶轮5的背面形成凸部51，51，通过将背板43的凸部47，49与涡轮叶轮5的凸部51，51组合，形成迷宫式结构53。另外，设置于涡轮叶轮5背面的凸部51，51为同一高度。
这样，通过与形成于涡轮叶轮5背面的凸部51，51的组合，设置迷宫式结构53，由此，能够在小空间内有效地发挥迷宫产生的流动难度，所以，能够有效地获得对流向焊接部的排气流量的抑制。
(第四实施方式)
接着，参照图6，针对第四实施方式进行说明。第四实施方式能够进一步发挥第二实施方式的迷宫效应。对于与第二实施方式相同的结构，使用相同标记，从而省略说明。
如图6所示，将第一实施方式的背板的倾斜结构与第二实施方式的迷宫式结构进行组合。
背板61的底部61b随着从径向外侧向中心侧而倾斜，逐渐与涡轮叶轮5的背面接近，进而在其前端部设置凸部63，在其外周侧设置凸部65。凸部63，65相对于背板61的底部61b，在直角方向上突出设置，内周侧凸部63的高度高于外周侧凸部65。
这样，通过底部61b的倾斜形状与凸部63，65，形成迷宫式结构67，由此能够在小空间内有效地发挥对排气流量的抑制，所以，能够有效地获得对流向焊接部的排气流量的抑制。
而且，相对于本实施方式，进而也可以如第三实施方式那样，通过与涡轮叶轮5侧的凸部的组合，形成迷宫式结构。在该情况下，能够在小空间内进一步得到对泄露排气流的抑制作用。
工业实用性
根据本发明，通过具有形成于涡轮叶轮背面与背板内周部的侧面之间、抑制通过背面由涡轮叶轮的入口侧向所述含料的接合部泄漏的排气流量的抑制部，减少通过背面从涡轮叶轮的入口侧向焊接部泄漏的排气量，能够抑制因运转中焊接部温度升高导致焊接部强度降低，所以，适合应用在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种涡轮增压器，其特征在于，在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，具有：
收纳所述涡轮叶轮的涡轮外壳；具有旋转支承所述轴的轴承的轴承外壳；在所述涡轮叶轮的背面侧、沿背面留有间隙而设置的背板；形成于该背板的外周部、且固定在所述涡轮外壳与所述轴承外壳的接合部的背板的固定部；形成于所述背板的内周部、且使支承所述轴的所述轴承外壳的圆筒凸缘部留有间隙地插入的开口部；形成于所述涡轮叶轮背面与所述背板侧面之间、抑制从涡轮叶轮的入口向背面侧泄漏的排气在所述轴向上流动的排气流量的抑制部，
所述背板随着面对涡轮叶轮的旋转中心，而从半径方向向涡轮叶轮侧倾斜，由该倾斜形状的前端部形成所述抑制部。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述抑制部在所述背板内周部的侧面，由迷宫式结构形成，该迷宫式结构由面向所述涡轮叶轮的背面侧突出设置的凸部形成。
3.如权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述迷宫式结构由形成于所述背板的凸部与形成于所述涡轮叶轮背面的凸部的组合形成。
4.如权利要求2所述的涡轮增压器，其特征在于，相对于涡轮叶轮的旋转中心，同心状地设置有多列形成于所述背板的凸部，并且旋转中心侧的凸部形成得较高。
Claims (5)
1.一种涡轮增压器，其特征在于，在具有通过钎料接合涡轮叶轮与轴的涡轮转子的涡轮增压器中，具有：
收纳所述涡轮叶轮的涡轮外壳；具有旋转支承所述轴的轴承的轴承外壳；在所述涡轮叶轮的背面侧、沿背面留有间隙而设置的背板；形成于该背板的外周部、且固定在所述涡轮外壳与所述轴承外壳的接合部的背板的固定部；形成于所述背板的内周部、且使支承所述轴的所述轴承外壳的圆筒凸缘部留有间隙地插入的开口部；形成于所述涡轮叶轮背面与所述背板侧面之间、抑制从涡轮叶轮的入口向背面侧泄漏的排气在所述轴向上流动的排气流量的抑制部。
2.如权利要求1所述的涡轮增压器，其特征在于，所述背板随着面对涡轮叶轮的旋转中心，而从半径方向向涡轮叶轮侧倾斜，由该倾斜形状的前端部形成所述抑制部。
3.如权利要求1或2所述的涡轮增压器，其特征在于，所述抑制部在所述背板内周部的侧面，由迷宫式结构形成，该迷宫式结构由面向所述涡轮叶轮的背面侧突出设置的凸部形成。
4.如权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，所述迷宫式结构由形成于所述背板的凸部与形成于所述涡轮叶轮背面的凸部的组合形成。
5.如权利要求3所述的涡轮增压器，其特征在于，相对于涡轮叶轮的旋转中心，同心状地设置有多列形成于所述背板的凸部，并且旋转中心侧的凸部形成得较高。
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| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20141119 |