CN104675747A - 压缩机轮 - Google Patents

Abstract

根据本发明的压缩机轮包括铝和轻金属的基体，和叶片上的抗腐蚀性涂覆过的表面，其中特别通过与局部不同的负载相适应的局部不同的涂层。

Description

压缩机轮

技术领域

本发明涉及一种压缩机轮，特别用于具有内部燃烧的发动机上的废气涡轮增压器的转子，所述压缩机轮具有叶片，所述叶片在所述轮的圆周方向彼此隔开，在压缩机运行期间，所述压缩机轮经历压缩流体的输入，特别经历低压下发动机侧流入的燃烧过程的废气。

本发明还涉及这种压缩机轮的制造。

背景技术

为了减少氮氧化物的排放，公知的是利用内部燃烧，特别是在柴油机中，以提供废气再循环，使得各种情况下均将较大量或较少量的废气供应至发动机的燃烧过程。在该联系中，一方面高压废气再循环是公知的，另一方面低压废气再循环也是公知的。

借助高压废气再循环，将直至400℃的热的废气再循环至内燃机的入口侧。这产生了进料至内部燃烧过程的空气被大幅加热，并由此只能使非常少的氧气为内部燃烧过程可用，使得能达到的内燃机功率保持相对较低的缺点。

借助于低压废气再循环，待被循环的废气在相应地显著降低的温度下从距离发动机较大距离处的排气管排出，并经历与已冷却的燃烧空气内部混合，再被导向发动机的入口侧。如果发动机的效率现将通过废气涡轮增压器得到提高，这是同样必须要在流经加压空气冷却器之前，通常之后，压缩来自压缩机阶段中涡轮增压器的压缩机轮的冷废气-空气混合物，该混合物流入到发动机的燃烧室中。通过该方式，氮氧化物排放很少的高性能内燃机是可能的，但是压缩机轮经受了超出正常的负载，因为研磨地起作用的颗粒和腐蚀地起作用的组件一起承载在再循环的废气中。这些物质具体为油和含水冷凝物，这些油和含水冷凝物由于露点下降在废气中行进，并可导致气穴现象。因为该原因，通常已尽力在涡轮增压器的压缩器阶段前的再循环的废气中避免蒸汽冷凝。为此目的，至今已提供分离与再循环的废气一起夹带的蒸汽的详细措施。

这是本发明的切入点，并将其目的是为使颗粒和蒸汽与过量的再循环的废气分离提供详细的措施。

根据本发明，该目的通过压缩机轮在压缩机运行期间适应于局部不同负载的具有局部不同的材料的表面来解决。

发明内容

本发明基于以下总体思想：替代“均一材料”的表面层，在压缩机轮上局部提供不同的表面材料，这些表面材料在压缩机运行期间最佳地适应于压缩机轮的各个局部负载。因此能实现用于超增压的内燃机上废气再循环的新理念，其中可省略具有气穴现象趋势的研磨颗粒或介质与再循环的废气的精细分离，因为压缩机轮的叶片在经受研磨或气穴负载并且充分耐腐蚀的区域中具有充分耐久且耐磨损的叶片表面或边缘。

为此，本发明利用以下实现：叶片通过研磨颗粒和气穴过程等在其流入侧的边缘主要经受高机械负载，而叶片表面基本仅暴露在再循环的废气的化学侵蚀中，特别是仅暴露在容纳于其中的磷酸和硫酸中。

因此，优选提供仅以抗腐蚀的方式设计流入侧的边缘外的叶片表面，并将叶片边缘仅提供在具有“铠装层(armour)”的流入侧。

如果合适，如果提供用于铠装层的材料相对于再循环废气的腐蚀组件不具有充分的长期稳定性，上述铠装层还可经抗腐蚀地涂布。

本发明的特定的优点在于，至少在其实施方式中的作为径向压缩机轮的此类压缩机轮(规则地提供在常规涡轮增压器中)可以用相对较少的制造力制造。此外，有利的是，借助于局部不同的表面材料，可考虑压缩机轮的基材的任何强度限值。因此，薄的且由此轻质的表面层可被提供在此类区域中，在高旋转速度下，这些区域通过表面材料和伴随此出现的离心力经受特别高的负载。

在此联系中，必须首先强调，根据本发明的压缩机轮可由铝或相对轻的金属构成。有利地，由此，较轻的质量和相应的低惯性力矩可实现。由于根据本发明的局部不同的表面材料，尽管铝材料的仅仅有限的耐受性，不得不接受寿命方面没有降低。

如果合适，表面材料可局部不同地形成或构成。

形成压缩机轮的叶片的流入边缘的铠装层的表面层可在沿着流入边缘的叶片表面上或多或少地延展。

然而，以特别优选的方式，提供为规则，各种情况下形成铠装层的涂层被提供在位于压缩机轮的径向平面中的叶片端面上。如在下文中进一步示出的，从制造的观点可特别容易地实现此类盔甲。为了制造表面层，任何已知的涂布方法在原理上是适宜的，诸如等离子体喷涂、火焰和高速火焰喷涂、冷气喷涂、电弧喷涂以及PVD和CVD法。特别适宜的是借助于等离子体直流沉积或去除的层。

根据用于制造根据本发明的压缩机轮的优选方法，一般最初制造提供用于压缩机轮的铝或轻金属的固体坯料(solid blank)。以优选的方式，这可通过浇铸来实现。因此，该坯料提供为使得其外表面与待制造的压缩机轮的外封表面对应的形状。因为在径向压缩机轮的情况下，叶片的流入边缘通常位于压缩机轮的径向平面内，这种坯料通常具有圆盘型的径向端面。坯料在随后的机加工过程中可被整体或部分地形成到铠装材料(armour material)的表面中，或被对应地涂覆，其中由于上述端面的平整形状以及该末端表面上可能的大面积层，得以实现坯料的表面材料和基底材料之间的非常好的键合。因此，在端面上提供有铠装材料的坯料以去除芯片或去除材料的方式进行机加工，以制造合符要求的压缩机轮的叶片。以此方式，然后可制得具有经铠装的流入边缘的合符要求的径向压缩机轮。在最终的加工步骤中，然后可抗腐蚀地处理叶片之间的叶片表面和中间空间，其中抗腐蚀的表面层可以衬底特有的(substrate-specific)沉积层和/或扩散层的形式以及衬底除外的(substrate-extraneous)沉积层和/或扩散层的形式制造。在耐腐蚀性充分的铠装材料的情况下，如果仅仅邻接叶片的被铠装边缘的表面区域以抗腐蚀的方式形成，它是充分的。在此情况下，抗腐蚀表面层由此与流入边缘的铠装层头头接合。

反之，它还可能在经铠装的流入边缘上是抗腐蚀表面层延展至较大或较小的程度。

附图说明

另外，对于本发明的优选特征，参见权利要求书和以下附图说明，借助于此，更详细地描述了根据本发明的压缩机轮的特别优选的实施方式以及制造的优选形式。

不仅要求保护所述的或示出的特征组合，已示出的或已陈述的特征还可分别是本发明的实质。

在图中，示出了：

图1:根据本发明的径向压缩机轮的流入侧的顶视图；

图2:用于制造根据本发明的径向压缩机轮的坯料的分解侧视图；

图3:对应于图2的代表图，示出了借助于具有铠装材料的流入侧上坯料端面的涂层；

图4:通过从图3中所示的坯料去除材料制成的径向压缩机轮的分解前视图。

具体实施方式

图1中示出的径向压缩机轮1具有中心轴孔2，借助于该中心轴孔2，径向压缩机轮1可被布置在电机轴的相应段上，在涡轮增压器的情况下，该电机轴的相应段以可旋转地固定的方式是压缩机轮1与涡轮机轮连接。在涡轮增压器运行期间，涡轮机叶轮在涡轮机外罩内通过内燃机的废气流驱动，然后再驱动径向压缩机轮1。在该示出的实施例中，压缩机轮1具有6个主叶片3，在各种情况下，布置在辅助叶片4之间。所有的叶片3和4具有特定轮廓的边缘5，该边缘5的形状与未示出的压缩机外罩的内部轮廓相匹配，压缩机外罩接收径向压缩机轮1。因此，边缘5的轮廓和内罩的内表面彼此匹配，使得形成尽可能近的“密封间隙”。

压缩机外罩具有相对于压缩机轮的进口为轴向的入口，该入口将空气引导至被压缩机轮1压缩，或者将其他气体引导至压缩机轮1的主叶片3的流入边缘6。流入边缘6通常位于压缩机轮1的径向平面内，该径向平面式所有流入边缘6公共的。相对于主叶片3的流入边缘6，辅助叶片4的流体边缘通常轴向地偏向后部，因此图1的代表图中不能看见这些。

在低压废气再循环的情况下压缩机运行期间，主叶片3的流入边缘6经受格外高的机械负载，通过研磨颗粒或冷凝物颗粒以及水或油雾的气穴现象。

尽管如此，为了能确保压缩机轮1的长寿命，对主叶片3的流入边缘6提供铠装层7，该铠装层7在邻接流入边缘6的叶片表面上或多或少程度地延展。如上文已进一步解释的，为了产生铠装层7，原则上可以采用任何涂覆方法。

在图中，在压缩机轮1的轴线方向朝向后部偏移的辅助叶片4的流体边缘只经受较低的负载，使得在此不需要铠装层。然而，经受待被压缩的流体的压缩机轮1的所有表面暴露于待被压缩流体的化学侵蚀性组分，特别是硫酸和亚硫酸的腐蚀性影响中。因此，根据本发明提供用于抗腐蚀地涂覆这些表面。因此，抗腐蚀性涂层与铠装层7头头接合。相反，还可能使抗腐蚀性涂层至少在区域中与铠装层7重叠。

在下文中，更详细地解释用于制造压缩机轮1的第一优选方法。首先，参见图2，例如通过浇铸制造坯料8。例如参见图1，该坯料8具有外表面，该外表面具有待被制造的压缩机轮1的包封表面的形式。该坯料8在还需被制造的主叶片3的流入边缘6的区域中具有小的端面9，并且在坯料8相对的一侧具有大的端面10。

在以下方法步骤中，小的端面9的至少一个径向的外环形区通过材料去除被清洁，在形成为浇铸主体的坯料8的情况下，这意味着去除浇铸表层。

清洁后的环形区随后被提供用于铠装主叶片3的流入边缘6的材料涂覆，使得形成经涂覆或铠装的环形区11，该环形区11或多或少的是宽的。

现通过材料去除，例如借助于芯片去除工具制造合符要求压缩机轮的主叶片和辅助叶片3、4。这对预在合符要求叶片之间产生自由空间具有相同意义。在这些自由空间的区域中，在加工中也清除小的端面上的具有铠装材料的涂层。

由此，只有小端面9的端面上的主叶片3的流入边缘6保留着端面铠装层。因为，具有铠装材料的涂层最初被涂覆至较大的以及无台阶的小的端面9上，在其随后的用于形成叶片3和4的芯片去除机加工过程中，由此形成的铠装材料和坯料8的材料中间的紧密结合不经受任何损坏，确保了主叶片3上经铠装的流入边缘6的优异粘附性。通过材料去除完成经铠装的流入边缘可被提供有空气动力学最佳的轮廓。该材料去除可以避免待被制造的压缩机轮1上的任何不平衡的方式在精密平衡的意义上进行。

在制造叶片3和4之后，经受待被压缩的流体的压缩机轮1的所有表面在叶片3和4之上或之间被额外处理。如果需要，在重建的精密平衡之后，然后完成合符要求的压缩机轮。

在此之前描述的方法中，提供用于铠装层的材料在坯料的小的端面上或在流入侧的压缩机轮的边缘上形成层，该层具有衬底特有的材料。

根据用于制造压缩机轮的第二优选方法，铠装层材料还可被提供为衬底特有的沉积层或扩散层。

借助于该第二方法，另外地，坯料8还是由拟用于随后压缩机轮的基底材料制成，随后，例如浇铸制造。此后，材料还从小的端面9去除，即在坯料由浇铸制造的情况下，在小的端面9的径向的外环形区上去除浇铸表层。

此后，就“铠装”而言，为了改变小的端面9的表面层的材料结构，进行清洁的小的端面9的物理化学处理。以优选方式，产生PDO层(等离子体电解氧化)，即具有特定厚度的PEO层。

在此之后紧接着通过制造压缩机轮叶片来芯片去除机加工坯料，其中位于小的端面9的平面中的主叶片的流入边缘具有PEO层形式的铠装层。

在第三优选制造方法中，坯料8首先还是有待规定的基底材料，例如浇铸体制造，该基底材料然后以芯片去除的方式清洁。此后，压缩机轮叶片通过芯片去除机加工形成。为了在流入边缘和紧接着的叶片区域上形成铠装材料的表面层，现物理化学处理压缩机轮叶片的流入边缘以及轴向遵循流入边缘的叶片区域。优选地，根据本发明的优选实施方式，再次制造PEO表面层，该PEO表面层可在压缩机轮的至多30％的轴向长度上延展。

制造方法的以上陈述基于径向压缩机轮1，该压缩机轮1的主叶片3包括流入边缘6，这些流入边缘6在压缩机轮1的径向平面中延展，并且因此是直线的。原则上，具有不同形状的流入边缘的不同形状的压缩机轮也可由坯料8制得，坯料8的外侧形成合符要求的压缩机轮1的包封表面。如果合适，包含随后的支流边缘的坯料的端面然后将不得不具有卷曲的、旋转对称的形式。除此之外，上述端面还可被以其包含流入边缘的方式设计为波形，该流入边缘在压缩机轮的不同轴向位置中交替提供。

由此本发明利用以下实现方式：当布置在废气再循环路径中的压缩机轮具有耐腐蚀性表面时，在低压废气再循环的情况下，废气路径中的精细设计措施是多余的，该耐腐蚀性表面在经受高机械负载的区域中进行铠装。在本发明中，特别使用以下实现方式：一方面，限于压缩机轮叶片的流入边缘6的铠装，另一方面，在具有铝基体或较轻的金属的压缩机轮的情况下，剩下的叶片表面的抗腐蚀性处理或涂覆是足够的。根据本发明的压缩机轮的制造可以简单方式实现，首先产生铝或轻金属的坯料，该坯料的外表面大致具有合符要求的压缩机轮的包封表面的形式。此类坯料包括含有待制造的压缩机轮的压缩机叶片的流入边缘的端面，在该端面上，至少在径向的外环形区域中，首先在整个区域上产生铠装材料的表面。因为如果合适，上述端面尽管是拱形或弯曲的，但在仍待制造的压缩机叶片的流入边缘的附件区域中没有台阶，确保了铠装材料和坯料的铝或轻金属(提供为基材)之间非常紧密的粘结。在下文中，然后可制造压缩机轮，以材料去除或芯片去除的方式机加工前述端面上的提供有铠装材料的坯料。在此之后，进行以此方式制造的压缩机轮的抗腐蚀性涂覆。

在所有的实施方式中，压缩机轮的端面优选在其中心孔中保持没有铠装层。

对于适宜的方法，特别是用于抗腐蚀性的涂层，可示例性地参照以下方法：

等离子体喷涂、火焰和高速火焰喷涂、冷气喷涂、电弧喷涂、PVD和CVD方法。

铠装材料的表面层一方面可通过衬底除外的沉积层或扩散层形成，并特别由钢、镍、钴和/或钛合金构成。

另一方面，衬底特有的沉积层或扩散层是可能的，且在成本有效的制造方面是特别优选的，这特别适用于PEO层。

具体地，铝提供为压缩机轮的基材。然而，其它的轻金属，诸如，例如镁和/或钛类似地也是适用的。

Claims (15)

1.一种压缩机轮，特别用于具有内部燃烧的发动机的废气涡轮增压器的转子，所述压缩机轮具有叶片，所述叶片在轮的圆周方向以流入边缘(6)彼此隔开，在压缩机运行期间，所述压缩机轮经历压缩流体相对轮的进口基本轴向的流入，其特征在于，所述压缩机运行期间，通过适应于局部不同的负载，所述压缩机轮具有局部不同的材料的表面层。

2.根据权利要求1所述的压缩机轮，其特征在于，所述叶片(3,4)在它们的提供有铠装层的流入边缘(6)上具有抗腐蚀性涂覆的表面和/或区域。

3.根据权利要求1或2所述的压缩机轮，其特征在于，所述流入边缘上的至少一些叶片包括具有第一表面材料或第一涂层的第一区域，以及遵循所述轮的轴向方向的具有第二表面材料或第二涂层的第二区域。

4.根据权利要求3所述的压缩机轮，其特征在于，所述第一表面材料由PEO层(等离子体电解氧化)形成，且所述第二表面材料由阳极化的层形成。

5.根据权利要求3或4所述的压缩机轮，其特征在于，所述压缩机轮的轴线方向上的第一表面材料被提供在整个长度上，所述长度的尺寸约为所述轴向叶片长度的10～40％。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的压缩机轮，其特征在于，提供在圆周方向上交替的主叶片和辅助叶片(3,4)，其中所述主叶片(3)的流入边缘(6)被布置在平面中，所述平面相对于含有相对待压缩的流体的流动方向的辅助叶片(4)的流入边缘的平面位于上游。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的压缩机轮，其特征在于，铠装材料的表面层基本只直接提供在所述流入边缘(6)上。

8.根据权利要求7所述的压缩机轮，其特征在于，所述流入边缘(6)基本仅在它们的径向的外部段上被铠装。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的压缩机轮，其特征在于，至少所述主叶片(3)的流入边缘(6)在所述压缩机轮的径向平面中延展。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的压缩机轮，其特征在于，作为径向压缩机轮的实施方式。

11.一种用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的压缩机轮的方法，其特征在于，由提供为所述压缩机轮(1)的基材的轻金属，特别是铝，首先制造坯料(8)，所述坯料(8)的外表面基本对应于合符要求的压缩机轮(1)的包封表面；在包含待制造的所述压缩机轮(1)的叶片(3)的流入边缘(6)的坯料(8)端面(9)上，形成铠装材料的表面层；以及随后通过所述坯料(8)的材料去除或芯片去除加工制得合符要求的压缩机轮的叶片(3,4)。

12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述叶片(3,4)的制造之后，抗腐蚀性地处理所述压缩机轮的表面，所述压缩机轮的表面在压缩机运行期间暴露于压缩流体中。

13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于，所述表面层通过用钢合金、镍基合金、钴合金和/或钛合金涂覆端面(9)而由铠装材料制得。

14.用于制造根据权利要求1至10中任一项所述的压缩机轮的方法，其特征在于，由提供为所述压缩机轮(1)的基材的轻金属，特别是铝，制造坯料(8)，所述坯料(8)的外表面基本对应于合符要求的压缩机轮(1)的包封表面；

随后通过所述坯料(8)的材料去除加工或芯片去除加工制造合符要求的压缩机轮的叶片(3,4)；以及

随后流入侧的边缘和在一些叶片，特别是主叶片的轴线方向上邻接所述边缘的叶片表面被提供有铠装层，特别是PEO层形式的铠装层。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，其特征在于，用以下方法中的一种或多种制造局部抗腐蚀的涂层：

沉积法和/或渗透涂覆法；

热喷涂或动力喷涂，用工艺源材料或不用工艺源材料的，优选在热固化工艺或化学固化工艺之后进行的复现法或刷涂法；

在有机或无机基底上涂覆基材的涂覆方法；

制造涂层，所述涂层通过蓄电池地、无电流地或化学地由气相或液相或借助于等离子体沉积的扩散沉积或形成；

以恒定或递增和/或减小的厚度形成涂层。