CN1869407A

CN1869407A - 压缩机转轮

Info

Publication number: CN1869407A
Application number: CNA2005101191562A
Authority: CN
Inventors: S·E·瓦卡雷扎; V·卡尼戈夫斯基
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2006-11-29
Anticipated expiration: 2025-12-14
Also published as: EP1681473A3; EP1681473B1; EP1681473A2; CN1869407B; US7722336B2; US20060127243A1

Abstract

一种典型压缩机转轮包括近端、远端、旋转轴、位于近端和远端之间的z平面以及近端延伸部分，其中延伸部分包括一个或多个导向直径和用于啮合涡轮增压器的运行轴的啮合机构。

Description

压缩机转轮

技术领域

在此所公开的主题总体上涉及用于压缩机的方法、装置和/或系统，和尤其用于内燃机的压缩机的方法、装置和/或系统。

背景技术

各种类型的接头用于将压缩机转轮连接到轴上。一些接头依靠压缩机转轮上沿旋转轴的孔。在这种接头中，轴穿过该孔，螺母将转轮固定到轴上。其他接头依赖“无孔”压缩机转轮。无孔压缩机转轮包括接头或腔，其延伸入压缩机转轮内一定距离，沿旋转轴的该距离通常不延伸至或不超过压缩机转轮的z平面。

在任一种情况下，孔或接头必须形成或加工在压缩机转轮上。这种加工处理所产生的应力会危害转轮完整性，从而在运行期间转轮损坏。另外，如果选择使用钛或其他硬材料用于压缩机转轮，接头的加工耗时且消耗更多资源。

另一个关心的问题涉及到压缩机转轮的平衡。无孔压缩机转轮对平衡形成了唯一的挑战。压缩机转轮可以是使用平衡轴来平衡的部件和/或使用压缩机或涡轮增压器轴来平衡的组件。每一种方法具有一定优点，例如，部件平衡使得能在另外的压缩机或涡轮增压器组件之前拆掉压缩机转轮；而组件平衡能更好地运行压缩机转轮和轴组件。

对于传统的无孔压缩机转轮来说，由于无孔设计，会出现平衡限制。特别地，传统的无孔压缩机转轮需要浅轴连接接头(例如通常没有延伸至或超过z平面)来将运行应力减小到最小。这种浅接头能引起严重的制造局限。为了克服这些局限和/或其他问题，需要一种新的压缩机转轮接头。因此，在此提出了各种典型的接头、压缩机转轮、平衡轴、组件和方法，目的在于满足前述需求和/或其他需要。

附图说明

结合附图参考下面的详细描述能更透彻理解在此描述的各种方法、装置、系统等及其同等物，其中：

图1是显示具有可变几何尺寸机构和内燃机的涡轮增压器的大致简图。

图2是现有的压缩机组件的横截面视图，该压缩机组件包括压缩机外壳和具有全孔的压缩机转轮。

图3是现有的压缩机组件的横截面视图，该压缩机组件包括压缩机外壳和传统的“无孔”压缩机转轮。

图4是现有的压缩机转轮组件的横截面视图，该压缩机组件包括轴和其他部件。

图5是典型压缩机转轮组件的横截面视图，该压缩机组件包括典型的轴和其他部件。

图6是图5中的典型接头的横截面视图。

图7是平衡压缩机转轮的典型方法的方框图。

具体实施方式

在此公开的各种典型装置、系统和方法等提出了涉及到压缩机的问题。下面通过对传统压缩机转轮接头、典型压缩机转轮接头和压缩机转轮平衡的典型方法的描述公开了涡轮增压器的运行。

经常使用涡轮增压器来增加内燃机的输出量。参见图1，显示了一种包括典型内燃机110和典型涡轮增压器120的典型系统100。内燃机110包括发动机组118，其容纳有可操作地驱动轴112的一个或多个燃烧室。如图1所示，吸入口114向发动机组提供了气流通道，而排出口116提供了用于从发动机组118排气的流体通道。

典型涡轮增压器120用来从排出口吸取能量并将能量提供给吸入空气，所述吸入空气能与燃油混合形成燃烧气体。如图1所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、压缩机124、涡轮机126和排气口136。废气门或其他机构可与这样的系统一起结合使用来影响或控制运行。

涡轮机126可选择地包括可变几何尺寸的元件和可变几何尺寸的控制器。可变几何尺寸的元件和可变几何尺寸的控制器可选择地包括一些与市场上可买到的可变几何尺寸的涡轮增压器(VGTs)相关的特征，例如，但并不局限于GARRETT^VNT^TM和AVNT^TM涡轮增压器，这两种涡轮增压器使用多个可调节的叶片来控制经过涡轮机的排出流量。

图2显示了现有的典型压缩机组件124的横截面视图，其适于使用在图1的涡轮机系统120中。压缩机组件124包括用于保护压缩机转轮140的壳体150。压缩机转轮140包括绕中心轴(例如旋转轴)旋转的转子142。孔160在转子142的中心轴的整个长度(例如，轴向转子长度)上延伸；因此，这种转子有时被称为全孔转子。端部构件162安装在转子142的上游端上，并可用来固定轴和/或减小气流中的扰动。通常，这种轴具有压缩机端部和涡轮机端部，其中涡轮机端部连接到能由排出气流驱动的涡轮机上。

再次参见连接到转子142上的压缩机转轮140，其是多个从转子表面径向延伸的压缩机转轮叶片144。如图所示，压缩机转轮叶片144具有临近压缩机吸入口152的前缘部分144、临近外壳壁154的外缘部分146和临近压缩机壳体扩散器156的后缘部分148。临近压缩机转轮叶片144的外壳壁154限定了在此有时称之为压缩机蜗形壳150的外壳的部分。转轮出口156之后的压缩机壳体外壳壁形成了压缩机扩散器的一部分，所述扩散器进一步扩散流体并增加静压。壳体涡卷158、159用于收集和引导压缩空气。

壳体涡卷158的上部分和壳体涡卷159的下部分之间存在一些对称性。通常，一部分比另一部分具有更小的横截面积；从而，在上部分158和下部分159之间可以存在基本上的差异。图2没有显示涡卷横截部分的所有可能的变化，但是显示了压缩机转轮相对于压缩机转轮壳体怎样定位。

图3显示了现有的传统压缩机转轮转子324的横截面视图，该转子324包括适于使用在图1的涡轮增压器系统120中的“无孔”压缩机转轮340。压缩机组件324包括用于保护压缩机转轮340的壳体350。压缩机转轮340包括绕中心轴旋转的转子342。多个从转子表面径向延伸的压缩机转轮叶片344连接到转子342上。如图所示，压缩机转轮叶片344具有临近于压缩机吸入口352的前缘部分344、临近于外壳壁354的外缘部分346和临近于压缩机壳体扩散器356的后缘部分348。临近于压缩机转轮叶片344的外壳壁354限定了在此有时称之为压缩机蜗形壳350的外壳的部分。转轮出口356之后的压缩机壳体外壳壁形成了压缩机扩散器的一部分，所述扩散器进一步扩散流量并增加静压。壳体涡卷358、359用于收集和引导压缩空气。

图3显示了基本上与叶片344的外缘或后缘部分348的最低点重合的z平面。基本上位于转子轴中心上的孔或接头360位于容纳轴的转子342的近端上。通过该描述，孔或连接件360例如位于某一位置上，在该位置处两个或多个构件(例如，压缩机转轮和轴或杆等)连接。具有连接件如接头360的压缩机转轮有时称之为“无孔”压缩机转轮，接头没有穿过或延伸过压缩机转轮的整个长度。的确，这种传统的无孔压缩机转轮不具有延伸到z平面的深度中的接头。接头360通常容纳具有压缩机端部和涡轮机端部的轴，其中涡轮机端部连接到能由排出气流驱动的涡轮机上。为了平衡压缩机转轮，接头360可以容纳平衡轴；但是，这种平衡轴由于接头深度而不延伸到或穿过z平面。如下面参照图4所揭露的那样，加工这种接头的重要参数与z平面和接头端部之间的距离有关。

图4显示了现有压缩机转轮组件的横截面视图，所述压缩机转轮组件包括压缩机转轮340、止推套环370、环372和轴380。压缩机转轮340包括接头360。Δz_b表示接头360的端部和z平面之间的距离。在现有的压缩机转轮340中，接头360的端部处或其附近和沿着z轴具有最大应力。转轮360的整体性通常随着距离Δz_b的减小而减小；从而，接头端面的位置必须相对于转轮340的z平面和表面缺陷来仔细制造。

图4显示了另一距离Δz_c，其代表从z平面到转轮340的端面所测的突出距离，例如在该端面处转轮接触止推套环370。突出距离或长度影响稳定性，通常，突出得越短，稳定性(例如，轴承稳定性，转子动态稳定性等)越高。传统的无孔转轮340还包括沿接头长度的径向距离Δr_j，该距离可相对于轴向位置变化。这种距离可用来计算突出空间，从而能计算突出质量。突出特性如质量和从z平面的延伸距离可用来决定稳定性。

典型的压缩机转轮和轴组件包括止推套环，该止推套环形成了止推轴承组件的一部分。这种组件可以包括止推间隔套、环和/或其他部件。止推间隔套通常旋到轴上以与肩部如止推套环或类似件轴向轴承啮合，形成止推轴承组件的一部分，并可绕轴旋转。这样，轴套使止推套环与压缩机转轮轴向分开。另外，轴套有利地将密封环容纳在外径槽中，在其中密封环啮合后板壁轴开口的内径表面以防止润滑剂通道从中心壳体进入压缩机壳体。如图4所示，环372位于止推套环370和压缩机转轮340之间。尽管在图4中显示了环，但是可使用碳密封件、曲径密封垫片或其他机构。

图5显示了典型压缩机转轮组件的横截面视图，其包括压缩机转轮540、止推套环570、环572和轴580。典型压缩机转轮540包括插入典型轴580的接头590的延伸部分549。在该例子中，延伸部分549沿z轴从z平面延伸一定距离Δz_max。典型转轮540包括止推套环距离Δz_c，其从z平面到接触止推套环570的表面。环572可以位于压缩机转轮540的表面和止推套环570的表面之间。如图所示，典型压缩机转轮540包括基本上环形的表面，该表面与z平面相隔一定距离Δz_c并位于基本上垂直于旋转轴的平面上。该表面可以用于定位止推套环570。槽或其他表面可以将环572限定在止推轴环570和转轮540之间。

各种典型转轮包括从z平面到某一表面或位置的距离(如Δz_c)，延伸部分从所述表面或位置延伸。该距离可以小于从z平面到传统无孔或有孔压缩机转轮的端部的距离，所述压缩机转轮没有这种延伸部分。对于各种典型压缩机转轮来说，Δz_c与Δz_max之比能适当变化，例如以使重心能远离转轮前缘(例如，与具有孔或传统无孔设计的转轮相比)等。与传统压缩机转轮相比，在各种例子中，压缩机转轮延伸部分减小了从z平面到涡轮增压器的运行轴的距离。

图6显示了典型接头的横截面视图，所述接头包括压缩机转轮540和轴580，如在图5中所显示的。图6显示了各种尺寸，包括从z平面到某一点的距离Δz_r，在该点处典型转轮540相对于z轴具有基本恒定的外径；从z平面到典型轴580的最外轴向点之间的距离Δz_s；直径d_pi，其表示延伸部分549的导向内径；距离Δz_c，其表示延伸部分549的轴向长度；直径d_po，其表示延伸部分549的导向外径；和直径d_s，其表示轴直径。

典型轴580包括接头590以容纳延伸部分549。图6中的例子显示了包括任意曲形端面的接头590。通常，与压缩机转轮540相邻的轴580具有基本上恒定的外径。恒定外径用于最小化轴580的应力。因此，轴580上的接头590对于减小所测的应力来说不是必须的或不涉及到与传统无孔转轮相关的接头，传统无孔转轮的外径沿z轴明显变化。

与传统无孔压缩机转轮相比，各种典型的压缩机转轮使得能减小突出长度。突出长度的减小也可使得如涡轮增压器的压缩机部分的整体长度减小，从而形成稳定的转子和涡轮增压器系统。

在图6的例子中，典型压缩机转轮540包括用于对齐止推套环570d的第一导向直径d_pi和第二导向直径d_po，第二导向直径d_po用于对齐典型轴580的接头590的导向表面。螺纹或其他啮合机构或装置(如，接合销钉等)设置在导向表面之间。典型轴580包括相应或互补的螺纹或啮合机构或装置(如，接合销钉等)。

典型接头可由一个或多个区域、空间、表面和/或尺寸来限定。例如，典型接头590包括最近区域(如考虑直径d_pi)、中间区域(例如考虑螺纹)和远端区域(如考虑直径d_po)。这些区域可被适当称之为导向区域和/或副导向区域或螺纹区域。中间区域或其他区域可以包括螺纹或其他固定机构(如，接合销钉等)。在包括螺纹的情况下，螺纹通常与典型压缩机转轮的一组螺纹相配合。

典型接头可包括一个或多个环形收缩管道，例如其设置在这些区域之间的接合点附近，在这些区域中，一个或多个环形收缩管道的直径随着沿旋转轴的长度增加而减小，并可形成相对于旋转轴具有一定角度的表面。收缩管道可以用于最小化或消除由于加工(钻孔、削尖等)而形成的危害。

典型压缩机转轮结构的材料并不局限于铝和钛，可包括不锈钢等。结构的材料可选择地包括铝。例如，以Ti6-4著称的Ti-6A1-4V(wt.-％)是包括钛、铝和钒的合金。这种合金可具有双相组织，其中主要成分是α相态六角形，次要成分是由钒稳定的β相态立方体。掺入其他成分可以适当增强硬度(如掺入氮等)。

典型压缩机转轮可包括用于部件平衡的平衡元件，其与压缩机转轮的一个或多个特征(如延伸部分特征)相适配。例如，平衡元件可包括接头，如典型轴580的接头590。

图7显示了典型方法700的方框图。该方法700从开始方框704开始，其包括提供压缩机转轮和具有平衡元件的平衡机器。在固定方框708中，平衡元件容纳典型延伸部分。例如，操作员可将延伸部分至少局部插入平衡元件的接头中。这种接头可包括一个或多个容纳一个或多个延伸部分表面的导向表面。

接下来是平衡方框712，在该方框中进行平衡过程。通常，平衡是动态平衡。平衡之后，在拆卸方框716中，压缩机转轮延伸部分从平衡元件的接头上拆掉。接下来，在另一固定方框720中，典型轴容纳延伸部分，其中其他元件适当定位或组装。方法700在结束方框724中止。方法700可选择地包括另一平衡方框，其中压缩机转轮和运行轴可作为一个组件来平衡。在一变形实施例中，在典型压缩机转轮的平衡过程中使用典型轴。

典型方法700和/或其部分可使用硬件和/或软件来执行。例如，方法和/或其部分可以使用机器人和/或其他计算机控制机器来操作。

如在此所公开的，这种典型方法或其步骤可用来生产平衡压缩机转轮。在此公开的各种典型压缩机转轮包括近端、远端、旋转轴、位于近端和远端之间的z平面以及具有与旋转轴重合的轴的延伸部分。典型轴包括互补接头来容纳延伸部分，至少将延伸部分局部容纳在其中。典型轴接头可以包括曲形端面，该曲形端面可具有椭圆横截面部分(如半径与高度之比大约为3∶1等)。典型压缩机转轮可选择地包括钛、钛合金(如Ti6-4等)或其他具有相同或类似机械特性的材料。这种压缩机转轮可具有比传统无孔压缩机转轮组件小的峰值运行应力。各种典型压缩机转轮是组件(如，平衡组件、涡轮增压器组件，压缩机组件等)的可选择部分。典型组件包括典型压缩机转轮和典型运行轴。

结论

尽管在附图中已经显示了并在前面已经描述了一些典型方法、装置、系统等，但是将能理解：这些方法、装置、系统等并不局限于在此公开的典型实施例，在不背离由下面的权利要求书阐明和限定的精神的情况下，能够进行多种重新配置、改变和替换。

Claims

1、一种压缩机转轮，其包括：

近端；

远端；

旋转轴；

位于近端和远端之间的z平面；和

近端延伸部分，其中延伸部分包括一个或多个导向直径和用于啮合涡轮增压器的运行轴的啮合机构。

2、根据权利要求1所述的压缩机转轮，还包括涡轮增压器的运行轴。

3、根据权利要求1所述的压缩机转轮，其中近端包括环形表面，所述环形表面位于基本上垂直于旋转轴的平面上。

4、根据权利要求3所述的压缩机转轮，还包括止推套环，其中止推套环包括环形表面，其能对着压缩机转轮的近端的环形表面定位。

5、根据权利要求1所述的压缩机转轮，还包括止推套环。

6、根据权利要求5所述的压缩机转轮，还包括设置在止推套环和压缩机转轮之间的环。

7、根据权利要求1所述的压缩机转轮，其中啮合机构包括螺纹。

8、根据权利要求1所述的压缩机转轮，其中延伸部分包括用于止推套环的导向直径。

9、根据权利要求1所述的压缩机转轮，其中延伸部分包括导向直径，其对着涡轮增压器的运行轴的内径定位。

10、根据权利要求1所述的压缩机转轮，其中延伸部分啮合到涡轮增压器的运行轴的一定深度处，所述深度部分地由止推套环的厚度来决定。

11、一种涡轮增压器组件，其包括：

具有旋转轴线的轴和接头；和

压缩机转轮，其中压缩机转轮包括近端、远端、与所述轴的轴线重合的旋转轴线、位于近端和远端之间的z平面以及延伸入所述轴的接头中的近端延伸部分。

12、根据权利要求11所述的涡轮增压器组件，其中延伸部分包括一个或多个导向直径和用于啮合轴的啮合机构。

13、根据权利要求11所述的涡轮增压器组件，还包括止推套环，其设置在压缩机转轮的表面和轴的表面之间。

14、根据权利要求13所述的涡轮增压器组件，其中止推套环的厚度部分地决定了压缩机转轮延伸入轴的接头中的深度。

15、根据权利要求13所述的涡轮增压器组件，其中止推套环的厚度和环的厚度部分地决定了压缩机转轮延伸入轴的接头中的深度。

16、一种用于平衡压缩机转轮的方法，其包括：

将压缩机转轮的延伸部分插入平衡元件的接头中；

平衡压缩机转轮；和

将压缩机转轮从接头上拆掉。

17、如权利要求16所述的方法，其中接头包括一个或多个导向表面。