CN1092747C - 涡轮增压器的压气机叶轮装置及其安装/折卸装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压气机叶轮装置，及简化的装/拆装置和方法。轴套有一涡轮侧固定套，套内装有内螺纹与轴套的紧固螺纹配合。内螺纹和紧固螺纹所在零件上螺纹两侧有导向面。固定套导向面与轴端导向面配合。机壳包括至少一个进气侧部件和至少一个出气侧部件。两部件间装有多个固定件。装/拆装置的第一定位件装在轴端上，第二定位件装在叶轮上，第三定位件装在出气侧部件上。

Description

涡轮增压器的压气机叶轮装置及其安装/拆卸装置和方法
本发明涉及一种涡轮增压器的压气机叶轮装置，特别用于废气涡轮增压器，包括一安装/拆卸装置及方法。
废气涡轮增压器主要包括一个机壳，其中有一个整装的废气涡轮机和一个相应的压气机，废气涡轮机和压气机通常被装在一个共同的轴上。实现废气涡轮增压器功能的一个重要的先决条件是在涡轮机一侧和压气机一侧均需要有一旋转锁定的轴/轴套连接。这样的连接可通过摩擦或强制联锁两种方式来实现。
摩擦连接可通过如使轴套抱紧轴或将轴套热装到轴上的方法来实现。但是，这样一种操作需要相对较大的工作量。为了在修理和维护涡轮增压器的过程中，能在涡轮增压器内一合适位置进行操作，涡轮增压器必须进行大部分拆卸，而与此同时轴/轴套连接也须频繁地拆卸。然而，这样做明显地增加了维护和修理工作的工作量。因而可以想见，与涡轮增压器相连的内燃机会相当长时间地停机，即退出工作状态。
美国专利US 5,193,989公开了一种用于涡轮增压器压气机叶轮的强制联锁轴/轴套连接。为此，压气机叶轮在涡轮机一侧有一具有盲孔的固定套和一装在其上的内螺纹，该螺纹与涡轮增压器轴的螺纹端拧在一起。在两螺纹所在部件上，内螺纹两侧分别具有一段导向表面，该表面与螺纹末端相应的导向表面相配合。在这种解决办法中，最大应力集中区域，对每个压气机叶轮来说是在它的径向最大处，没有被用于固定的孔所削弱。由于轴/轴套连接安装在危险区之外，因而压气机叶轮获得了一种特别坚固的固定效果。
然而，压气机叶轮固定的这个优点却给安装和拆卸过程中带来了不便。因为在一台与内燃机相连的涡轮增压器中，没有通向涡轮机的通道，所以也就无法施加拆卸或紧固压气机叶轮所需的反转矩。因此，涡轮增压器的零部件既不能从压气机一侧安装也不能从该侧拆卸。为了进行维护或修理，涡轮增压器，包括附带的气体管线，就必须从内燃机上拆下来。但是，这一过程需要很大的工作量，并因此导致与涡轮增压器相连的内燃机需要较长时间的停机。
相反，有些涡轮增压器的压气机叶轮装置(如，DE-A1 43 30380)中有一个具有连续中心孔的轴套。穿过这个中心孔的涡轮增压器轴的一端具有螺纹，在该端拧有一个用于轴向限制压气机叶轮的螺母。但是在这些解决办法中，轴/轴套连接在最大应力集中区形成。可能会导致轴套中心孔的扩宽，并因此使轴/轴套连接松脱，特别是在涡轮增压器高速旋转的情况下。因此，从长远的观点看，不能保证压气机叶轮被可靠地固定。
因此，为了避免所有这些不利之处，本发明的一个目标是提供一种新型的涡轮增压器的压气机叶轮装置，该装置的压气机叶轮的固定被设计得非常坚固而又易于拆卸。为此，将对一种简化的安装/拆卸方法和相应的装置进行详细说明。
上述目标可根据本发明由如下方面实现，一种涡轮增压器的压气机叶轮装置，包括：压气机机壳，与涡轮机机壳相连；压气机叶轮，通过涡轮增压器轴与涡轮机叶轮相连；还包括一个装有多个转动叶片的轴套；轴套具有中心通孔，用来装入涡轮增压器轴的轴端；在轴端上有与轴套配合的紧固螺纹，其中，轴套有一涡轮机侧固定套，其上有一内螺纹。该内螺纹与轴端的固定螺纹相配合。在内螺纹和固定螺纹所在两部件上，螺纹的两侧都有导向表面。固定套的导向表面与轴端的导向表面相配合。压气机机壳包括至少一个进气侧机壳部件和至少一个出气侧机壳部件。在两个机壳部件间装有多个可拆卸的固定零件。用来安装/拆卸压气机叶轮的装置的第一定位零件装在轴端，该装置的第二定位零件装在压气机叶轮上，而该装置的第三定位零件装在出气侧的机壳部件上。
由于这种压气机叶轮装置的轴/轴套连接位于最大应力集中区以外，且可以从压气机上拆卸，因此这种压气机叶轮装置提供了一种坚固的轴/轴套连接。在这种情况下，固定套的内螺纹和轴端的固定螺纹实现了将压气机叶轮固定在轴上的功能，而相互配合的导向平面用于保证轴和压气机叶轮之间所需的同轴度。由于设计了相互配合的导向表面，具有连续中心孔的压气机叶轮中剩余失衡值的可再现性也得到了保证。因此，更换压气机叶轮所需的工时可被缩短，并且涡轮增压器所需的停机时间也可被减少。
如果第一定位零件被设计成装在轴端的外六角形，第二定位零件被设计成装在轴套的与固定套相对端的六边形，第三定位零件被设计成出气侧机壳部件上多个螺纹孔，是十分有利的。这样可以通过相对简单的方式实现压气机叶轮从压气机侧的可拆卸性。
为了更换压气机叶轮，提供了一种安装/拆卸装置，由安装板，锁紧装置和旋转装置组成。为此，在安装板用于安装压气机出气侧机壳部件的外层圆周上开有多个安装孔，而在安装板中心有一中心凹孔，用来装入锁紧装置和旋转装置。在中心凹孔里固定了一个用于在安装板上装入锁紧装置的衬套。
在压气机叶轮的拆卸过程中，首先将连接出气侧机壳部件和进气侧机壳部件的固定零件拆下，再将进气侧机壳部件取下。然后将安装板固定在出气侧的机壳部件上。这样压气机叶轮就被锁紧装置锁紧，不能绕其轴转动。然后用旋转装置将轴/轴套连接拆卸下来。接着，将安装板和出气侧机壳部件分离，而且在这一过程中，锁紧装置和旋转装置一同被从压气机叶轮上拔下来。拆卸的最后一步是把压气机叶轮取下来。根据需要，或者将一个新的压气机叶轮装进去，其安装过程是拆卸步骤的逆过程；或者可以进一步从压气机一侧将涡轮增压器拆下来。
这样解决办法的根本优点在于：尽管采用一种改进型的轴/轴套连接，为了安装/拆卸压气机叶轮也不必将内燃机和涡轮增压器之间的连接拆掉。涡轮增压器的维护或修理因此得到相当大地简化，因而与其相连的内燃机的有效性地也得到明显的改善。
当然，装在涡轮增压器较靠里面的零件，如轴承等，在压缩机叶轮拆下来之后可很容易地够得着。因此，不需要将涡轮增压器从内燃机中拆下来，就同样可以对这些零件进行检查和/或更换。
如果把轴端装在固定套里面，就会十分方便。由于在这种解决办法中，整个轴/轴套连接均位于最大应力集中区以外，所以可获得一种非常可靠而且耐用的压气机叶轮固定装置。
作为替代，轴端装在轴套的与固定套相对的区域上。用来拆卸或紧固压气机叶轮的旋转装置因而可以被设计得短许多，这就简化了压气机叶轮的安装或拆卸。
再者，如果把轴端装在固定套区和轴套的与固定套相对区之间，是十分有利的。这种设计吸取了上述解决办法的优点，弥补了它们各自的缺点。
最后，旋转装置有利地在其远离轴套的一端与一增速传动装置相连，在安装板上装有一个抬升传送装置。这样对于大型涡轮增压器的安装/拆卸会十分方便。
通过结合附图并参考下面的详述内容，将产生进一步的了解，从而得到对本发明及其许多附带优点的一个较全面认识。下列描述是针对附图的，附图表示一个具有内部轴承装置的废气涡轮增压器的有关结构，其中：
图1是废气涡轮增压器的纵向剖面图；
图2是图1中压气机叶轮的轴/轴套区的放大图；
图3是压气机叶轮和安装/拆卸装置之间连接的示意图，图中上部为压气机叶轮的安装状态，下部为其从涡轮机轴上被卸下的状态。
图4是图3中压气机叶轮和安装/拆卸装置间连接的放大图。
图中只显示了理解本发明所需的基本零件。图中未示出的零件是如与废气涡轮增压器相连的内燃机和相应的连接管线等。工作介质的流动方向如箭头所示。
下面参照附图，其中相同的标号代表几个图中相同的或相应的部分，废气涡轮增压器由一个压缩机1和一个废气涡轮机2组成。机壳3装在涡轮机侧2上，它由进气机壳4和出气机壳5构成。由涡轮增压器轴6支撑的涡轮机叶轮7以可旋转方式安装在涡轮机机壳3上，该叶轮上有转动叶片8。一个喷嘴环9装在转动叶片8的上游。进气机壳4有一个气流通道10，用来接收内燃机(未示出)的废气，并把废气导向涡轮机叶轮7。内燃机与废气涡轮增压器相连并被设计成柴油机形式。该叶轮固定在涡轮机进气道11的外部，而进气道11由螺栓12固定在出气机壳5上。
废气涡轮增压器的压气机1被设计成一种离心式压气机。它由压气机壳13组成，其中压气机叶轮14以可旋转地方式装在涡轮增压器轴6上。压气机叶轮14有一轴套16，其上装有许多转动叶片15。一个沿径向排列带有叶片的进气道17位于转动叶片15下游，而进气道17通向离心式压气机的螺纹管18(图1)。
轴套16内有一中心通孔20，用来容纳涡轮增压器轴6的轴端19。轴套16的紧固螺纹21装在轴端19上。在涡轮机一侧，轴套16有一具有内螺纹23的固定套22。轴端19装在固定套22和轴套16的与固定套22相对区之间(图2)。当然，轴端19也可以装在固定套22里或装在轴套16的与固定套22相对区里(未示出)。轴端19具有紧固螺纹21，以便与固定套22上的内螺纹23相配合。在内螺纹23和紧固螺纹21所在两部件上，螺纹的两侧有导向表面24，25。固定套22上的导向表面24与轴端19的导向表面25相配合。用于定位旋转装置27的第一定位零件26，被设计成外六角形，装在轴端19上，而用于定位锁紧装置29的第二定位零件，被设计成轴套16的内六边形，装在压气机叶轮14上(图2，图3)。当然，给定零件合适的设计，第一定位零件26也可以装在压气机叶轮14上，而第二定位零件28可以装在轴端19上(均未示出)。
废气涡轮增压器有一内部轴承装置，即轴承箱30，涡轮增压器轴6以可旋转的方式装在里面，该轴承箱装在涡轮机机壳3和压气机机壳13之间。轴承箱30和压气机机壳13通过中间夹层31相互分开。在中间夹层31中装有压气机叶轮14的轴套16的固定套22，并与轴套16密封。压气机机壳13由一个进气侧机壳部件32和一个出气侧机壳部件33组成。两个机壳部件32，33通过多个设计成螺栓的固定零件34，以可拆的方式相互联接。为此，在机壳部件32，33上开有相应的设计成孔的凹孔35。进气侧机壳部件32与过滤消音器36相连(图1)。在出气侧机壳部件33上开有设计成安装平台38的螺纹孔的第三定位零件37(图3)。当然，出气侧机壳部件33上的孔35也可以被设计成第三定位零件37的样式。这样这些孔35可被便利地用于两种用途，而不再需要一个另外的第三定位零件37。
旋转装置27，锁紧装置29和安装板38共同构成压气机叶轮14的安装/拆卸装置39(图3，图4)。这里，锁紧装置29被设计成一锁紧套筒，旋转装置27被设计为套筒扳手。在安装板38的径向外侧区域有许多固定孔40，用于将其与压气机叶轮14的出气侧机壳部件33相连。另外，安装板上有一中心凹孔41，其中固定有一个衬套42，该衬套具有内六角形43。锁紧套筒29有内径44而套筒扳手27有外径45。后者设计成比锁紧套筒29的内径44小一些，以便套筒扳手27以可旋转的方式伸入锁紧套筒29中。锁紧套筒29的外表面具有外六边形46，与衬套42的内六边形43相互配合，也与压气机叶轮14的轴套16上的内六边形28相配合(图4)。套筒扳手27的外径45沿扳手部分长度与轴套16的通孔20配合。此外，套筒扳手27在其朝压气机叶轮14的一侧也有一内六边形47，该内六边形47与轴端19的外六边形26相配合(图3)。
如果需要拆卸压气机叶轮或者拆卸装在较靠里面的零件，如轴承48，首先要将过滤消音器36从压缩机机壳13上全部拆下。接着松开装在出气侧机壳部件33和进气侧机壳部件32之间的螺栓34，然后将进气侧机壳部件32，连同进气道17一并卸下(图1)。然后将安装板38拧进出气侧机壳33上的螺纹孔37中，于是将锁紧套筒29通过安装板38的中心凹孔41或衬套42插入压气机叶轮14(图3，图4)中。在这一过程中，锁紧套筒29的外六边形46与轴套16的内六边形28和衬套42的内六边形28分别配合，这样压气机叶轮14就被锁紧而不能转动。接下来通过锁紧套筒29将套筒扳手27插入到压气机叶轮14中，直到其内六边形47将轴端19的外六边形26全部包入(图3上部)。当然，套筒扳手27也可在插入锁紧套筒29的同时插入压气机叶轮14中。
接下来，轴/轴套连接就可以通过旋转套筒扳手27来拆卸，直到压气机叶轮14接近安装/拆卸装置39和安装扳38的衬套42时为止(图3，图4，底部)。然后，安装板38就可以通过将装在固定孔40和螺纹孔37之间的螺栓49松开而与出气侧机壳部件33分离。在该过程中，锁紧套筒29和套筒扳手27都被从压气机叶轮14上拔下。一旦压气机叶轮14被取下，装在废气涡轮增压器较里面位置上的零件，如轴承48等，也可以被拆卸了。根据需要，除压气机叶轮14外的这些内部零件，也可以从压缩机一侧拆卸。在压气机叶轮14的安装过程中，上述步骤按相反顺序进行。
由于除第一定位零件外，特别是第二定位零件也装在轴套16的内部，而套筒扳手27的外径45在其部分长度上与轴套16的通孔20相配合，压气机叶轮，在被从涡轮增压器轴上拆下以及安装板38与出气侧机壳部件33分离之后，也可以和安装/拆卸装置39一同从废气涡轮增压器上取下。这样形成了压气机叶轮14和安装/拆卸装置39之间的刚性，即相对坚固的连接，这个连接既可以便利地从废气涡轮增压器上卸下，又可以插回其中。
在第二实施方案中，旋转装置27在其远离轴套16的一端与增速传动装置50相连。为此，套筒扳手27在其远离压气机叶轮14的一侧上有一个内四方形51，增速传动装置50的一个相应的轴颈52在该内四方形51处啮合。增速传动装置50有一个装在安装板38切口53中的锁定套箍54。此外，安装板38与抬升和传送装置55相连。为此，在其径向外侧上有多个固定孔56，用于容纳抬升和传送装置55的连接零件57，如螺栓(图3)。
安装/拆卸装置39特别适用于大型废气涡轮增压器，即相对较重的压气机叶轮14。在这种情况下，这种拆卸可以和第一实施例基本同样地得以实现。但是，套筒扳手27在插入压气机叶轮14之后与增速传动装置50相连。增速传动装置50通过锁定套箍54固定在安装板38的切口53中，因此可阻止旋转。由于这种设计，拆卸压气机叶轮14的力矩和因此所需用的力可通过这样一种增速传动装置50被减小5倍至25倍。在压气机叶轮14卸下后，增速传动装置50也被再次取下，压气机叶轮14可以同第一种实施方案中一样，通过套筒扳手27与涡轮增压器轴6分离。
正如已在第一实施方案中已叙述过的一样，安装板38被从压缩机机壳13的出气侧机壳部件33上卸下。安装板38被拧在抬升传送装置55上，最终压气机叶轮14通过抬升传送装置55从废气涡轮增压器上撤去。在该过程中，整个安装/拆卸装置反过来充当一种撤去压气机的传送部件。在本实施方案中，压气机叶轮14的安装也可由本方法上述步骤的逆过程来实现。
显然，依据上述内容可对本发明进行许多修改和变动。因而应当理解，在附录权利要求的范围内，本发明可被以与本文所述方案不同的方案实施。
说明书标号表
1.压气机
2.废气涡轮机
3.涡轮机机壳，机壳
4.进气机壳
5.出气机壳
6.涡轮增压器轴
7.涡轮机叶轮
8.转动叶片
9.喷嘴环
10.气流通道
11.涡轮机进气道
12.螺栓
13.压气机机壳，机壳
14.压气机叶轮
15.转动叶片
16.轴套
17.进气道
18.螺栓管
19.轴端
20.通孔
21. 19的紧固螺纹
22.固定套
23. 22的内螺纹
24.固定套的导向表面
25.轴端的导向表面
26.定位零件，第一(外六边形)
27.旋转装置，套筒扳手
28.定位零件，第二(内六边形)
29.锁紧装置，锁紧套筒
30.轴承箱
31.中间夹层
32.机壳部件，进气侧
33.机壳部件，出气侧
34.固定零件，螺栓
35.凹孔，孔
36.过滤消音器
37.定位零件，第三(螺纹孔)
38.安装板
39.安装/拆卸装置
40. 38的固定孔
41. 38的中心凹孔
42. 38中的衬套
43. 42的内六边形
44. 29的内径
45. 27的外径
46. 29的外六边形
47. 29的内六边形
48.轴承
49.螺栓
50.旋转装置的增速传动装置
51. 27的内四边形
52. 50的轴颈
53. 38的切口
54.锁定套箍
55.(安装板的)抬升传送装置
56.固定孔
57.连接零件，螺栓

Claims (16)

1.一种涡轮增压器的压气机叶轮装置，包括：压气机机壳(13)，与涡轮机机壳(3)相连；压气机叶轮(14)，通过涡轮增压器轴(6)与涡轮机叶轮(7)相连；还包括一个装有多个转动叶片(15)的轴套(16)；轴套(16)具有中心通孔(20)，用来装入涡轮增压器轴(6)的轴端(19)；在轴端(19)上有与轴套(16)配合的紧固螺纹(21)，其中：
a.轴套(16)本身有一涡轮机侧固定套(22)，固定套上有一与轴端(19)的紧固螺纹(21)相配合的装于其上的内螺纹(23)，
b.在内螺纹(23)和紧固螺纹(21)所在两零件上，螺纹的两侧都有导向表面(24，25)，固定套(22)的导向表面(24)和轴端(19)的导向表面(25)相配合，
c.压气机机壳(13)包括至少一个进气侧机壳部件(32)和至少一个出气侧机壳部件(33)，且在两机壳部件(32，33)间，可拆卸地装上了多个固定零件(34)，
d.用于压气机叶轮(14)的安装/拆卸装置(39)的第一定位零件(26)装在轴端(19)上，该安装/拆卸装置(39)的第二定位零件(28)装在压气机叶轮(14)上，该安装/拆卸装置(39)的第三定位零件(37)装在出气侧机壳部件(33)上。
2.权利要求1的压气机叶轮装置，其轴端(19)装在固定套(22)区域和轴套(16)的与固定套(22)相对区域之间。
3.权利要求1的压气机叶轮装置，其轴端(19)装在固定套(22)区域里。
4.权利要求1的压气机叶轮装置，其轴端(19)装在轴套(16)的与固定套(22)相对的区域里。
5.权利要求2至4之一的压气机叶轮装置，其第一定位零件(26)被设计成装在轴端(19)上的外六边形，第二定位零件(28)被设计成装在轴套(16)的与固定套(22)相对端的六边形，而第三定位零件(37)被设计成出气侧机壳部件(33)上的螺纹孔。
6.权利要求5的压气机叶轮装置，其第二定位零件(28)被设计成轴套(16)的内六边形。
7.权利要求5或6的压气机叶轮装置，其出气侧机壳部件(33)上的固定零件(34)被设计成第三定位零件(37)。
8.一种用于权利要求1至7之一的压气机叶轮装置的安装/拆卸装置，其中：
a.安装/拆卸装置(39)包括安装板(38)，锁紧装置(29)和旋转装置(27)，
b.在安装板(38)的径向外层区域上有多个固定孔(40)，用于将压气机(1)的出气侧机壳部件(33)固定；还有一个中心凹孔(41)，用于装入锁紧装置(29)和旋转装置(27)，
c.安装板(38)内用于装入锁紧装置(29)的衬套(42)固定在中心凹孔(41)中。
9.权利要求8的安装/拆卸装置，其锁紧装置(29)被设计成一个锁紧套筒，该套筒有一个外六边形(46)和内径(44)，旋转装置(27)被设计成具有外径(45)的套筒扳手，其外径小于锁紧套筒(29)的内径(44)。
10.权利要求9的安装/拆卸装置，其套筒扳手(27)的外径(45)在其部分长度上与轴套(16)的通孔(20)相配合。
11.权利要求10的安装/拆卸装置，其套筒扳手(27)在其远离轴套(16)的一侧与一增速传动装置(50)相连。
12.权利要求8至11之一的安装/拆卸装置，其安装板(38)与一抬升传送装置(55)相连。
13.以权利要求8至12之一的安装/拆卸装置、用于权利要求1至7之一的压气机叶轮装置的安装/拆卸方法，其中：
a.拆卸中，首先将所有的固定零件(34)从出气侧机壳部件(33)和进气侧机壳部件(32)上拆下，然后取下进气侧机壳部件(32)，
b.接下来将安装板(38)固定在出气侧机壳部件(33)上，
c.压气机叶轮(14)接下来通过锁紧装置(29)锁紧，
d.接着轴/轴套连接通过旋转装置(27)被拆卸，
e.把安装板(38)与出气侧机壳部件(33)分离，在该过程中，锁紧装置(29)和旋转装置(27)都被从压气机叶轮(14)上拔出，因而压气机叶轮最终可被取出，
(f)本方法的安装步骤是上述步骤的逆过程。
14.权利要求13的安装/拆卸方法，其中，为了拆卸轴/轴套连接，需旋转涡轮增压器轴(6)，并锁紧压气机叶轮(14)。
15.权利要求13的安装/拆卸方法，其中，为了拆卸轴/轴套连接，需旋转压气机叶轮(14)，并锁紧涡轮增压器轴(6)。
16.权利要求14或15中的安装/拆卸方法，其中在拆卸重型压气机叶轮(14)的过程中，安装板(38)在与出气侧机壳部件(33)分开后，与抬升传送装置(55)相连，锁紧装置(29)和旋转装置(27)仍留在压气机叶轮(14)上，压气机叶轮(14)连同整个安装/拆卸装置(39)通过抬升传送装置(55)取下，只有在这时才可与两装置(27，29)分离。
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