專利名稱：有一經(jīng)處理以提高對誘生應(yīng)力疲勞耐力并可構(gòu)型來保持緊湊軸向長度的埋頭孔的渦輪增 ...的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)總的涉及可用于渦輪增壓器、增壓器等的壓縮機(jī)葉輪。
背景技術(shù)：
設(shè)計用于滿足嚴(yán)格的排放規(guī)定的裝備了內(nèi)燃機(jī)如柴油機(jī)的機(jī)車可能需要可由渦輪增壓器提供的相當(dāng)高的空氣流速和高的歧管壓力，來滿足空氣質(zhì)量目標(biāo)，同時盡可能提高燃料經(jīng)濟(jì)性和可靠性。高的增壓比(通常3.8或更高)可能要求渦輪增壓器壓縮機(jī)葉輪上的高的端部速度，這可能導(dǎo)致鏜孔區(qū)域中的高的拉伸應(yīng)力值和由于低周波疲勞而產(chǎn)生的輪壽命縮短。已知壓縮機(jī)葉輪已使用一個沿轉(zhuǎn)動軸線穿過該輪的中心的通孔，在那里該輪可以用一鎖緊螺母牢固地安裝在一根軸上。
還知道所謂無孔的壓縮機(jī)葉輪能夠以比有一通孔的壓縮機(jī)葉輪更高的速度轉(zhuǎn)動，因為通孔除去載帶負(fù)荷的材料，由此提高了剩余材料中的應(yīng)力值。也就是，更多的葉輪材料存在于一個導(dǎo)致更高的負(fù)荷支承能力的最大離心負(fù)荷的點上。
在一種已知的壓縮機(jī)葉輪中，壓縮機(jī)葉輪的沿軸向?qū)?yīng)于該葉輪的徑向最外部分的一個輪轂部分承受該最大離心負(fù)荷。也就是，存在一個與輪轂的最大徑向范圍基本上軸向?qū)?zhǔn)的指示特有的最大應(yīng)力的平面。在該已知的壓縮機(jī)葉輪中，在輪轂延伸部中設(shè)置一個螺紋埋頭孔以裝入該軸，但是，該埋頭孔的終點必須離指示特有的最大應(yīng)力的平面很短，以避免在該位置上的高應(yīng)力值。因為該軸/螺紋界面的長度對任何給定的用途通常是恒定的，所以上述配置(該配置使設(shè)計者將這樣一個界面安置成離開該高應(yīng)力平面)可能造成該壓縮機(jī)葉輪的過分懸伸。這有害地影響轉(zhuǎn)子動力學(xué)性能并增加了輪轂延伸部的軸向長度，從而增加了壓縮機(jī)葉輪和渦輪增壓器的總軌跡(footprint)。
發(fā)明簡述利用一個有一其底面經(jīng)處理以傳遞用于提高對應(yīng)力誘生疲勞耐力的殘余壓縮應(yīng)力的埋頭孔的輪轂，本發(fā)明的各方面可改善壓縮機(jī)壽命。這種表面處理允許延伸該埋頭孔而使其相當(dāng)?shù)馗咏谝粋€指示特有的最大應(yīng)力的平面。這種設(shè)計的靈活性能夠有利地避免或減小壓縮機(jī)葉輪的懸伸，由此改善轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性和縮短輪轂的軸向長度以及壓縮機(jī)葉輪和渦輪增壓器的總軌跡。
大體上，本發(fā)明通過在其一個方面中提供一種制造一壓縮機(jī)葉輪的方法而滿足上述要求。該方法能夠形成壓縮機(jī)葉輪的形成一埋頭孔的輪轂延伸部。該方法還允許將殘余的壓縮應(yīng)力傳遞到該埋頭孔的一個底面。
在其另一方面中，本發(fā)明還通過提供一種包括一個有一形成埋頭孔的輪轂延伸部的輪轂的壓縮機(jī)葉輪來滿足上述要求。該埋頭孔包括一個底面，而該埋頭孔的底面經(jīng)處理而將殘余的壓縮應(yīng)力傳遞到其上。
附圖簡述結(jié)合附圖閱讀本發(fā)明的詳細(xì)描述將清楚本發(fā)明的特點和優(yōu)點，附圖中

圖1例示一種可得益于本發(fā)明說明的示范的渦輪增壓器的省略圖；圖2表示體現(xiàn)本發(fā)明各方面的一種示范的壓縮機(jī)葉輪的截面圖；圖3表示有關(guān)圖2的壓縮機(jī)葉輪的構(gòu)型細(xì)節(jié)，這些細(xì)節(jié)允許將一個安裝的埋頭孔安置成相當(dāng)?shù)馗咏谝粋€指示該輪的特有的最大應(yīng)力的平面；圖4表示一根裝配在體現(xiàn)本發(fā)明各方面的一個埋頭孔中的可轉(zhuǎn)動的軸。
發(fā)明詳述圖1表示一種可從本發(fā)明的說明中得益的示范的渦輪增壓器(10)的省略圖。渦輪增壓器(10)總的包括相應(yīng)的壓縮機(jī)和渦輪機(jī)的級(12)和(14)，并包括通過可轉(zhuǎn)動的軸(20)聯(lián)接的壓縮機(jī)葉輪(16)和渦輪(18)。渦輪(18)設(shè)置在渦輪機(jī)座體內(nèi)，該座體包括一個入口，用于接受從內(nèi)燃機(jī)(未示出)來的排出氣體。該渦輪機(jī)座體引導(dǎo)發(fā)動機(jī)的排出氣體與渦輪(18)連通和膨脹通過渦輪(18)，以便可轉(zhuǎn)動地驅(qū)動該渦輪。同時，渦輪可轉(zhuǎn)動地驅(qū)動軸(20)和可以置于壓縮機(jī)座體內(nèi)的壓縮機(jī)葉輪(16)。壓縮機(jī)葉輪(16)及座體能夠抽入和壓縮環(huán)境空氣，以便供給發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣。
參照圖2，示出一種壓縮機(jī)葉輪(16)的示范實施例的截面圖。壓縮機(jī)葉輪(16)包括一個輪轂部分(21)。輪轂部分(21)限定一個對應(yīng)于壓縮機(jī)葉輪(16)的前表面(22)，并支承多個沿周邊隔開設(shè)置的壓縮機(jī)葉片(23)(圖2中只可以看到兩個)，這些葉片在輪(16)上又沿徑向向外又沿軸向地懸伸。輪轂部分(21)還包括一個沿徑向擴(kuò)大的盤狀部分(24)，后者用于支承壓縮機(jī)葉片(23)，也形成底表面(25)，用于在葉片(23)之間限定空氣流動通道。盤狀部分(24)還限定輪轂(21)的一個沿徑向的外周邊表面(26)，以及一個沿軸向設(shè)置的后側(cè)面或后表面(27)。
相關(guān)技術(shù)的專業(yè)人員將會認(rèn)識到，在壓縮機(jī)葉輪(16)的操作中，與輪轂(21)的最大徑向范圍基本上沿軸向?qū)?zhǔn)地存在一個指示特有的最大應(yīng)力的平面(30)。也就是，最大應(yīng)力的平面(30)通常與表面(26)符合一致，并在轉(zhuǎn)動軸(34)橫交平面(30)的點上即近似地于點(31)處達(dá)到最大值。
為了避免一個傳統(tǒng)通孔的不希望的應(yīng)力集中和保持點(31)附近的固體金屬的強(qiáng)度，壓縮機(jī)葉輪(16)包括一個由輪轂(21)整體形成的且沿軸向背離平面(30)地延伸的輪轂延伸部(38)。輪轂延伸部(38)限定一個沿軸向延伸的埋頭孔(36)。
本發(fā)明的發(fā)明人已創(chuàng)新地認(rèn)識到，當(dāng)埋頭孔(36)的底面(40)被處理而將殘余的壓縮應(yīng)力傳遞給這樣一個底面時，就可以有利地改進(jìn)轉(zhuǎn)子的動力學(xué)性能和減小壓縮機(jī)葉輪的軸向長度?？梢杂糜谔幚砺耦^孔基本的技術(shù)例子如冷加工技術(shù)可以包括噴丸處理、激光處理、玻璃丸處理、滾軋拋光等。冷加工在金屬的退火溫度以下提供一種金屬(如鋁)的塑性形變而造成永久的應(yīng)變硬化。
如該技術(shù)中所理解的和此處使用的，噴丸意味著加壓一部分表面而在該表面上形成凹陷或壓痕。噴丸設(shè)備通常用于在一工件的外表面上產(chǎn)生一個壓縮應(yīng)力保護(hù)層。該保護(hù)層顯著地增大該工件對疲勞失效的阻力。噴丸處理中使用的丸?？梢园ㄓ糜步饘倩蛉魏纹渌线m的材料制成的球粒。利用噴丸處理系統(tǒng)，一股高速行進(jìn)的丸粒被引向工件的外表面如該埋頭孔的底部。每個以足夠的力沖擊在工件外表面上的丸粒造成該表面的塑性形變而在表面中形成一凹坑。以這種方式，在該工件的外表面上形成一個壓縮應(yīng)力層，從而增大該工件的疲勞強(qiáng)度。
在激光處理工藝中，來自激光束源的激光束被用來在一表面上產(chǎn)生一強(qiáng)大的局部壓力。激光處理工藝可用來替代噴丸處理工藝，在工件的外表面上產(chǎn)生一壓應(yīng)力保護(hù)層。此類處理還相當(dāng)?shù)卦黾恿斯ぜ谄茐牡淖枇?。因此，激光處理通常對于產(chǎn)生表面殘余壓縮應(yīng)力是一種非常有效的措施，從而延伸了工件的有效壽命。
如圖3中所示，埋頭孔底面的表面處理能夠延伸埋頭孔(36)的底面(40)相當(dāng)?shù)馗咏咏甘咎赜械淖畲髴?yīng)力的平面(30)。這通過相對于埋頭孔底部(40)的埋頭孔底部(40’)的表示而示范地例示于圖3中。這種設(shè)計的靈活性能夠有益地避免或減小壓縮機(jī)葉輪的懸伸，由此改善了轉(zhuǎn)子的動力學(xué)特性和縮短了輪轂延伸部的軸向長度，以及壓縮機(jī)葉輪和渦輪增壓器的總軌跡。例如，假定埋頭孔(36)的底部(40)做成向平面(30)延伸一個距離L，那么這將能夠使輪轂延伸部(38)的軸向長度縮短距離L。
在本發(fā)明的又一方面，如可從圖4中所見，該埋頭孔的延伸底部(40)允許軸(20)相對于特有的最大拉伸應(yīng)力的平面(30)貫穿得更深，由此減小壓縮機(jī)葉輪的軸向懸伸。在一個示范的實施例中，埋頭孔(36)包括設(shè)置成易于使埋頭(36)中裝入的軸(20)定中心的對準(zhǔn)導(dǎo)向器(42)。也就是，對準(zhǔn)導(dǎo)向器(42)做成盡可能減小軸(20)相對于埋頭孔壁的偏心度。如該技術(shù)的專業(yè)人員將能理解的，壓縮機(jī)葉輪、軸和推力環(huán)(44)可以相對于一個能對這些轉(zhuǎn)動構(gòu)件提供徑向支承的軸承而轉(zhuǎn)動。
雖然此處已示出和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但顯然這些實施例只是例子。該技術(shù)的專業(yè)人員可以進(jìn)行各種變化、更換和替代而并不偏離本發(fā)明。因此，預(yù)期本發(fā)明僅受附屬的權(quán)利要求書的范圍和實際精神的限制。
權(quán)利要求
1.一種制造壓縮機(jī)葉輪(16)的方法，該方法包括在該壓縮機(jī)葉輪的輪轂(21)上形成一個輪轂延伸部(38)，該輪轂延伸部限定一個埋頭孔(36)；以及將殘余壓縮應(yīng)力傳遞給該埋頭孔的底面(40)。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于，還包括將該埋頭孔被構(gòu)型成使其底面向一個指示該壓縮機(jī)葉輪的特有的最大拉伸應(yīng)力的平面延伸。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于，還包括根據(jù)該埋頭孔的底面向指示該壓縮機(jī)葉輪的特有的最大拉伸應(yīng)力的平在所延伸的距離而減小該輪轂延伸部的軸向長度。
4.權(quán)利要求2的方法，其特征在于，將殘余壓縮應(yīng)力傳遞給該埋頭孔的底面的工藝方法選自下列一組工藝對所述表面進(jìn)行噴丸處理、激光處理、滾軋拋光和玻璃丸處理。
5.一種用于減小一壓縮機(jī)葉輪的軸向長度的方法，該方法包括如下步驟在該壓縮機(jī)葉輪的輪轂(21)上形成一個輪轂延伸部(38)，該輪轂延伸部限定一個埋頭孔(36)；將殘余的壓縮應(yīng)力傳遞給該埋頭孔的底面(40)；將所述埋頭孔的底面向著一個指示該壓縮機(jī)葉輪的典型的最大拉伸應(yīng)力的平面延伸；以及根據(jù)該埋頭孔的底面向指示特有的最大拉伸應(yīng)力的平面所延伸的距離而減小該壓縮機(jī)葉輪的軸向長度。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于，將殘余壓縮應(yīng)力傳遞給該埋頭孔的底面的工藝方法選自下列一組工藝對所述表面進(jìn)行噴丸處理、激光處理、滾軋拋光和玻璃丸處理。
7.權(quán)利要求5的方法，其特征在于，還包括將一個可轉(zhuǎn)動的軸(20)裝入該埋頭孔，其中所述埋頭孔的延伸底面允許所述軸相對于指示特有的最大拉伸應(yīng)力的平面更深地貫穿，從而減小該壓縮機(jī)葉輪的沿軸向的懸伸。
8.一種壓縮機(jī)葉輪，包括一個輪轂(21)，包括一個限定一埋頭孔(36)的輪轂延伸部(38)，所述埋頭孔包括一底面(40)，其中所述埋頭孔的底面經(jīng)處理而將殘余壓縮應(yīng)力傳遞到那里。
9.權(quán)利要求8的壓縮機(jī)葉輪，其特征在于，該輪轂和輪轂延伸部組成一個整體結(jié)構(gòu)。
10.一種用于內(nèi)燃機(jī)的渦輪增壓器，所述渦輪增壓器包括一個壓縮機(jī)葉輪(16)；一個在所述壓縮機(jī)葉輪中的輪轂(21)，該輪轂包括一個限定一埋頭孔的輪轂延伸部(38)，該埋頭孔有一底面(40)。其中所述埋頭孔的底面經(jīng)處理而將殘余壓縮應(yīng)力傳遞到那里，而且，其中所述埋頭孔的底面被構(gòu)型成向一個指示該壓縮機(jī)葉輪的特有的最大拉伸應(yīng)力的平面(30)延伸；以及一個安裝在該埋頭孔中的可轉(zhuǎn)動的軸(20)，其中所述埋頭孔的延伸的底面允許所述軸相對于指示特有的最大拉伸應(yīng)力的平面更深地貫穿，由此減小壓縮機(jī)葉輪的軸向懸伸。
全文摘要
一種壓縮機(jī)葉輪(16)及其制造技術(shù)。該輪包括一個有一埋頭孔(36)的輪轂(21)，該埋頭孔內(nèi)部受處理而傳遞殘余壓縮應(yīng)力，以便提高對誘生應(yīng)力的疲勞的耐力。該表面處理允許延伸該埋頭孔使其更接近一個該輪的典型的最大應(yīng)力的平面(30)。該設(shè)計的靈活性能有利地避免或減小壓縮機(jī)葉輪的懸伸，由此改善轉(zhuǎn)子的動力學(xué)性能并減小輪轂的軸向長度和壓縮機(jī)葉輪的總軌跡。
文檔編號F02C6/12GK1846067SQ200480024840
公開日2006年10月11日 申請日期2004年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月28日
發(fā)明者A·H·福爾曼, K·R·斯文森, D·E·洛林格 申請人:通用電氣公司