CN106468212A - 隔热式涡轮增压器叶盘/轴接头 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种排气涡轮增压器，其包括连接到涡轮轮盘毂的涡轮轮盘。该涡轮轮盘毂远离涡轮轮盘向远端延伸并朝向将所述涡轮轮盘连接到压缩机的轴延伸。该轴包括近端，该近端包括轴毂，该轴毂远离该轴向近端延伸并朝向该涡轮轮盘毂延伸。该涡轮轮盘毂在接头处同轴地连接到轴毂。该涡轮轮盘毂和该轴毂在该涡轮轮盘和该轴的近端之间形成腔体。该涡轮增压器还包括具有内表面的套管，该内表面包围并接合该涡轮轮盘毂的至少一部分、该轴毂的至少一部分，且进一步包围该接头并部分地包围该腔体。该套管实现了接头的结构强化并实现了超过由该腔体提供的冷却功能的额外冷却功能。

Description

隔热式涡轮增压器叶盘/轴接头

技术领域

本文公开了一种涡轮增压器的涡轮轮盘与轴之间的接头，其减少从涡轮轮盘至轴的热量传递。

背景技术

涡轮增压器通过压缩进入发动机的进气歧管的空气来增加内燃机的功率密度。涡轮增压器包括涡轮和压缩机。涡轮可包括包围涡轮轮盘的涡轮入口和出口导管。涡轮轮盘可连接至多个涡轮叶片，或者轮盘和叶片可为一体结构并且称为叶盘。压缩机可包括包围压缩机轮盘的压缩机壳体。共同轴可将压缩机轮盘连接至涡轮轮盘。来自发动机的排气流通过排气歧管行进至涡轮入口导管，这使得涡轮轮盘、轴和压缩机轮盘旋转。随着压缩机轮盘的自旋，新鲜空气被压缩挤入发动机的进气歧管，由此提升了发动机的功率密度。将涡轮轮盘连接至压缩机轮盘的轴通常穿过轴颈轴承和润滑油槽。

来自排气的热量向方便将热量传递至涡轮轮盘的涡轮增压器部件、尤其是涡轮叶片产生较高操作温度。涡轮轮盘的较高操作温度需要在其被传送至润滑油槽和轴颈轴承之前降低。一种实现此降低的方法是如第7,241,416号美国专利中公开般在涡轮轮盘与轴之间提供槽口或腔体。然而，此技术造成涡轮轮盘与轴之间的接头处的强度降低，且其进一步损害涡轮轮盘承受剧烈加载事件(诸如叶片损耗等)的能力。因此，需要一种涡轮轮盘/轴连接，其减少从涡轮轮盘至轴、轴颈轴承和油槽的热量传递且不牺牲涡轮轮盘/轴连接的结构完整性。

发明内容

一方面，本文公开了一种排气涡轮增压器，其可包括连接至所连接的涡轮轮盘毂的涡轮轮盘。涡轮增压器还可包括具有包括轴毂的近端的轴。涡轮轮盘毂可在接头处同轴地连接至轴毂。涡轮轮盘毂和轴毂可在涡轮轮盘与轴的近端之间形成腔体。涡轮增压器可进一步包括具有内表面的套管，该内表面包围并且接合涡轮轮盘毂的至少一部分和轴毂的至少一部分。套管还可包围接头并且至少部分包围腔体。

另一方面，本文公开了一种将涡轮轮盘连接至轴的方法。方法可包括在涡轮轮盘的远侧上形成涡轮轮盘毂，其中涡轮轮盘毂形成涡轮轮盘槽口。方法可进一步包括在轴的近端上形成轴毂，其中轴毂形成轴槽口。方法可进一步包括将涡轮轮盘毂连接至轴毂以在涡轮轮盘毂与轴毂之间形成接头，以及包括涡轮轮盘槽口和轴槽口的腔体。方法可进一步包括围绕接头并且围绕腔体的至少一部分放置套管。

另一方面，本文公开了一种动力系统，其可包括发动机、流体连接至发动机的排气歧管以及流体连接至排气歧管的涡轮增压器。涡轮增压器可包括构造成从排气歧管接收排气的涡轮入口导管。涡轮入口导管可流体连接至涡轮出口导管。涡轮增压器还可包括设置在涡轮入口和出口导管内的涡轮轮盘。涡轮轮盘可连接至涡轮轮盘毂。涡轮增压器可进一步包括具有包括轴毂的近端的轴。涡轮轮盘毂可在接头处同轴地连接至轴毂。涡轮轮盘毂和轴毂可包括位于涡轮轮盘与轴的近端之间的腔体。涡轮增压器可进一步包括具有内表面的套管，该内表面包围并且接合涡轮轮盘毂的至少一部分和轴毂的至少一部分。套管可进一步包围接头并且至少部分包围腔体。

以上讨论的特征、功能和优点可以在各个实施例中单独实现或可以在其它实施例中组合，其进一步的细节可通过参考以下说明和附图而得知。

附图说明

为了更完整地理解所公开的方法和设备，应参考附图中更详细说明的实施例，其中：

图1是示例性的公开的动力系统的示意图。

图2是可结合图1的动力系统使用的示例性的公开的涡轮增压器的部分横截面视图。

图3是图2中所示的涡轮增压器的另一部分横截面视图，其特别说明了涡轮轮盘与轴之间的接头、设置在涡轮轮盘与轴之间的腔体以及包围接头并且部分包围腔体的套管。

附图并非按比例绘制并以图解方式和部分视图说明所公开的实施例。在某些实例中，本发明可省略对于理解所公开的方法和设备所不必要的或使其它细节难以理解的细节。另外，本发明不限于本文说明的特定实施例。

具体实施方式

参考附图，术语“远端”是指面向或设置于图中左侧的部件的部分或区域。参见(例如)图3中的涡轮轮盘毂13的涡轮轮盘远壁11和远端12。相反，术语“近端”是指面向或设置于图中右侧的部件的部分或区域。参见(例如)图3中的轴毂16的轴近壁14和近端15。

图1说明了具有动力源21、空气进气系统22和排气系统23的动力系统20。出于本发明的目的，动力源21可以是柴油机，诸如二冲程或四冲程柴油机等。然而，本领域技术人员将认识到，动力源21可以是任何其它类型的内燃机，诸如(例如)二冲程或四冲程汽油机或气态燃料动力式发动机。空气进气系统22可构造成将空气或空气、燃料和(诸如EGR驱动系统中的)排气的混合物引导至动力源21中以供燃烧。排气系统23将燃烧排气从动力源21引导至大气。

动力源21可包括至少部分界定多个气缸25的发动机组24。活塞(未示出)可滑动地设置在每个气缸25内以在上止点位置与下止点位置之间往复运动，且气缸盖(未示出)可与每个气缸25相关联。每个气缸25、活塞和气缸盖可以一起至少部分界定燃烧室。在图1中说明的实施例中，动力源21包括以V型构造(即，具有第一和第二组或第一和第二排气缸25的构造)布置的十二个气缸25。然而，可预期的是，动力源21可包括更多或更少数量的气缸25，且气缸25可以直列式构造、相对活塞构造或如对于本领域技术人员将显而易见的另一种构造进行布置。

空气进气系统22还可包括，尤其包括至少一个压缩机26，其可表现为固定几何形状压缩机、可变几何形状压缩机或任何构造成接收空气并且将空气压缩至期望压力级的其它类型的压缩机。压缩机26可将空气引导至与动力源21相关联的一个或多个进气歧管27。应注意的是，空气进气系统22可包括以如对本领域技术人员将显而易见的串联构造、并联构造或串/并联组合式构造进行布置的多个压缩机26。

排气系统23可包括，尤其包括连接到一组或全部两组的气缸25上的排气歧管28。排气系统23还可包括至少一个通过来自排气歧管28的排气来驱动以旋转空气进气系统22的压缩机(多个)26的涡轮29。压缩机26和涡轮29可共同形成涡轮增压器33。涡轮29可表现为固定几何结构涡轮、可变几何涡轮或任何构造成接收排气并将排气中的能量转换为机械旋转的其他类型的涡轮。在流出涡轮29后，排气可通过后处理系统34排放到大气，后处理系统可包括(例如)烃给料器、柴油氧化催化器(DOC)、柴油颗粒过滤器(DPF)和/或另一个本领域已知的处理装置或系统。应注意的是，排气系统23可包括多个布置成串联构造、并联构造或串/并组合式构造的涡轮29，这对于本领域的技术人员是显而易见的。

如图2中所示，涡轮增压器33可包括涡轮入口导管37和涡轮出口导管38，其构造成容纳涡轮轮盘39，涡轮轮盘39通过共同轴42连接至压缩机轮盘(未示出)。涡轮入口导管37可在引导排气流穿过榫舌43并进入轴向通道44之前从排气歧管28直接或间接地接收排气流，轴向通道44可包括构造成朝与涡轮轮盘39相连接的涡轮叶片46加速排气流的喷嘴环45。涡轮轮盘39和涡轮叶片46可以是一体结构或是叶盘的形式，这对于本领域的技术人员是显而易见的。

如图2中所示，涡轮叶片46接合流经轴向通道44和喷嘴环45的排气。因为排气流处于相对较高的温度，涡轮叶片46要承受相对较高温度。另外，来自涡轮叶片46的热量传送至涡轮轮盘39，而不论涡轮叶片46和涡轮轮盘39是否是一体结构(即，叶盘的形式)或是否涡轮叶片46是连接到涡轮轮盘39的分离部件(即，叶片与涡轮叶轮或轮盘相连接的形式)。另外，来自涡轮轮盘39的热量会很容易传送至轴42，这个过程还有疑问是因为轴42在连接到压缩机轮盘(未示出)之前穿过了润滑油槽和轴颈轴承(未示出)。为了降低从涡轮轮盘39向轴42传递的或从涡轮叶片46通过涡轮轮盘39向轴42传递的热量，如图2-3中所示，在涡轮轮盘39和轴42的近端52之间形成腔体51。总之，因为空气相比固体金属不是热量的优良导体，所以腔体51通过减小传递热量的金属的横截面积有效地降低了涡轮轮盘39和轴42之间的热量传递。

参照图3，涡轮轮盘39连接到涡轮轮盘毂13，其远离涡轮轮盘39向远端延伸。相反，轴42的近端52连接到轴毂16，其向远离轴42的近端52并朝向涡轮轮盘毂13的方向延伸。因为从涡轮轮盘39向轴42传递热量的速率是涡轮轮盘39和轴42之间接触面积的函数，所以涡轮轮盘毂13和轴毂16的形成以及涡轮轮盘毂13和轴毂16在接头53处的连接有效地减少了由涡轮轮盘毂13的远端12和轴毂16的近端15表示的环形表面的接触面积。然而，通过形成腔体51来减少涡轮轮盘39和轴42之间的接触面积也减小了接头53的强度。因此，为了补充接头53的强度，涡轮增压器33包括套管55。如图3中所示，套管55包括包围轴毂16的至少一部分和涡轮轮盘毂13的至少一部分的内表面56。套管55还包括外表面57，其包括多个交替的脊部58和凹槽59。

套管55设置在涡轮密封托架61中。涡轮密封托架61包括近端62。另外，套管55还包括近端63。套管55的近端63连接到近端脊部64。另外，参照图2和3，涡轮入口导管37可包括径向向内延伸的接合表面65，其接合涡轮密封托架61的近端62并与设置在如图3中所示的近端脊部64和接合表面65之间的径向间隙67一起环绕套管55的近端脊部64。

涡轮增压器33利用由压缩机(未示出)产生的压缩空气来将润滑油密封在涡轮增压器33中。因此，如图3中箭头71所示，来自压缩机(未示出)的来流在近端方向流动。一旦来流到达径向间隙67，来流的一部分继续沿箭头71的方向前进并且来流的一部分扭转方向以包裹套管55。由压缩机产生的压缩空气的温度基本上比旋转涡轮叶片46和涡轮轮盘39的排气流的温度低。因此，压缩空气流入设置在套管55的外表面57的凹槽59，由此冷却套管55并将套管55维持在相比涡轮轮盘39较低的温度上。通过在套管55的近端脊部64和涡轮入口涡壳37的接合表面65之间提供径向间隙67，部分压缩空气流过径向间隙67，由此阻止热排气流进入径向间隙67并在套管55的外表面57周围向远端流动。因此，连续的压缩空气流沿箭头71的方向流动并包裹套管55，其用于将套管55与流经涡轮的热排气流的直接热量隔离。因此，压缩空气被用来将套管55与热排气流隔离并且将套管55维持在较低的运行温度。

另外，从涡轮轮盘39到套管55的传导式热量传递通过减小套管55和涡轮轮盘39之间的接触减小。如图3中所示，套管55的近端63与涡轮轮盘39仅有最小接触。同样的，套管55的内表面56通过倾斜壁72连接到套管55的近端63，倾斜壁横穿设置在涡轮轮盘39和涡轮轮盘毂13之间的外圆角73，由此形成位于倾斜壁72和外圆角73之间的环形空气室74。此外，接合涡轮轮盘39的套管55的近端63相对靠近定位到径向间隙67。因为套管55与涡轮轮盘39和轴42一起旋转，所以包裹套管55的外表面57的更冷的压缩空气具有相对较高的表面速度，由此使得套管55将热量带离涡轮轮盘39、涡轮轮盘毂13和轴毂16。压缩空气相对较高的表面速度也用于减少为套管55提供冷却功能所需求的压缩空气的量。通过从涡轮轮盘39、涡轮轮盘毂13和轴毂16除去热量，套管55有助于减少到达轴42的近端52的热量流。

最终，要注意的是，腔体51是由涡轮轮盘毂13在涡轮轮盘39的远侧上形成的槽口和由轴毂16在轴42的近端52上形成的槽口的组合腔体。更具体地说，涡轮轮盘毂13包括从涡轮轮盘毂13的远端12向涡轮轮盘圆角77延伸的圆柱形壁76。涡轮轮盘圆角77设置在圆柱形壁76和涡轮轮盘远壁11之间。相似地，轴毂16包括从轴毂16的近端15向轴圆角79延伸的轴圆柱形壁78，轴圆角79设置在轴圆柱形壁78和轴近壁14之间。这两个槽口在涡轮轮盘毂13的远端12连接到轴毂16的近端15形成接头53时组合在一起。接头53可用许多常规方法形成，包括但不限于：摩擦焊接。

工业实用性

本文公开了涡轮增压器33，该涡轮增压器33使得从涡轮叶片46和涡轮轮盘39到轴42的热量传递得以降低，轴42将涡轮轮盘39连接到压缩机轮盘上(未示出)。有助于热量降低的一个设计特征是在涡轮轮盘39和轴42之间形成腔体51。腔体51通过形成向近端延伸至涡轮轮盘39的轴毂16和向远端延伸至轴42的涡轮轮盘毂13而形成。轴毂16的近端15可使用焊接工艺(例如，摩擦焊接工艺)连接到涡轮轮盘毂13的远端12以形成接头53。由于接头53在构造上是环形的，因此增强套管55围绕接头53并至少部分地围绕涡轮轮盘毂13和轴毂16放置。套管55增强了接头53。此外，除了由腔体51实现的热量传递降低以外，套管55也实现了热量降低。具体地，由于压缩空气被用于将密封润滑油密封在涡轮增压器33内且由于该压缩空气处于比排气流较低的温度下来驱动涡轮轮盘39，因此由压缩机26产生的压缩空气是用于套管55的冷却空气的方便来源。套管55包括具有多个交替脊部58和凹槽59的外表面57，其使得来自压缩机的冷却空气可包裹套管55。另外，径向间隙67设置在套管55的近端脊部64和涡轮入口涡壳37的接合表面65之间，其实现了穿过径向间隙67的冷却空气的较小连续流。穿过径向间隙67的冷却空气流防止排气进入径向间隙67并防止排气干扰由包裹套管55的压缩空气流实现的冷却方面。套管55的近端63与涡轮轮盘39仅有最小接触，且在套管55的倾斜壁72和涡轮轮盘39的外圆角73之间形成环形空气室74。

本文公开了一种将涡轮轮盘39连接到轴42的方法。方法可包括在涡轮轮盘39的面向远端侧上形成涡轮轮盘毂13。方法可进一步包括在轴42的近端52上形成轴毂16。涡轮轮盘毂13形成涡轮轮盘槽口，且轴毂形成轴槽口。方法可进一步包括将涡轮轮盘毂13连接到轴毂16上以在涡轮轮盘毂13和轴毂16之间形成接头53及腔体51(该腔体51是涡轮轮盘槽口和轴槽口的组合腔体)。方法可进一步包括围绕接头53并围绕腔体51的至少一部分放置套管55。如上所述，套管55实现了对接头53的增强并实现了独立于由腔体51提供的冷却功能的冷却功能。

虽然仅提出了某些实施例，但对于本领域的技术人员而言，根据上述说明，替代实施例和各种变型将是显而易见的。这些以及其它替代方案被认为是等同的且属于本发明的精神和范围内。

Claims (10)

1.一种排气涡轮增压器，其包括：

涡轮轮盘，其连接到涡轮轮盘毂，

轴，其包括近端，所述近端包括轴毂，

所述涡轮轮盘毂在接头处同轴地连接到所述轴毂，所述涡轮轮盘毂和所述轴毂在所述涡轮轮盘和所述轴的所述近端之间形成腔体，

套管，其包括包围并接合所述涡轮轮盘毂的至少一部分和所述轴毂的至少一部分的内表面，所述套管进一步包围所述接头并至少部分地包围所述腔体。

2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中所述涡轮轮盘毂和轴毂焊接在一起以形成所述接头。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮增压器，其中所述套管包括外表面，且所述涡轮增压器进一步包括涡轮密封托架，所述涡轮密封托架至少部分地包围所述套管的所述外表面。

4.根据权利要求3所述的涡轮增压器，其中所述套管的所述外表面包括环绕所述套管的多个交替脊部和凹槽，所述脊部的至少部分接合所述轴承密封托架。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮增压器，其进一步包括包围所述涡轮轮盘的涡轮出口导管，所述涡轮出口导管连接到包围所述轴承密封托架的涡轮入口导管，所述涡轮入口导管包括接合表面，

所述轴承密封托架包括近端，

所述套管包括接合所述涡轮轮盘的近端，所述套管的所述近端连接到设置在所述轴承密封托架的所述近端和所述涡轮轮盘之间的近端脊部，

所述涡轮入口导管的接合表面接合轴承套管托架的所述近端，并以设置在所述套管的所述近端脊部和所述涡轮入口涡壳的所述接合表面之间的径向间隙环绕所述套管的所述近端脊部。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮增压器，其中所述涡轮轮盘毂包括远端，且所述轴毂包括连接到所述涡轮轮盘毂的所述远端以形成所述接头的近端，

所述涡轮轮盘毂包括从所述涡轮轮盘毂的所述远端延伸到涡轮轮盘圆角的涡轮轮盘圆柱形壁，所述涡轮轮盘圆角从所述涡轮轮盘圆柱形壁延伸到涡轮轮盘远壁，所述涡轮轮盘毂形成由所述涡轮轮盘圆柱形壁、所述涡轮轮盘圆角和所述涡轮轮盘远壁限定的涡轮轮盘槽口，

所述轴毂包括从所述轴毂的所述近端延伸到轴圆角的轴圆柱形壁，所述轴圆角从所述轴圆柱形壁延伸到轴远壁，所述轴毂形成由所述轴圆柱形壁、所述轴圆角和所述轴近壁限定的轴槽口，

所述轴槽口和所述涡轮轮盘槽口形成所述腔体，

所述套管的所述内表面环绕所述涡轮轮盘圆柱形壁和所述轴圆柱形壁。

7.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述套管环绕所述轴圆角的至少一部分。

8.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述套管环绕所述涡轮轮盘圆角的至少一部分。

9.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中所述套管环绕所述轴圆角的至少一部分和所述涡轮轮盘圆角的至少一部分。

10.一种将涡轮轮盘连接到轴的方法，所述方法包括：

在所述涡轮轮盘的远侧上形成涡轮轮盘毂，其中所述涡轮轮盘毂形成涡轮轮盘槽口；

在所述轴的近端上形成轴毂，其中所述轴毂形成轴槽口；

将所述涡轮轮盘毂连接到所述轴毂以在所述涡轮轮盘毂和所述轴毂之间形成接头以及包括所述涡轮轮盘槽口和所述轴槽口的腔体；以及

围绕所述接头并围绕所述腔体的至少一部分放置套管。