本文公開了一種渦輪增壓器的渦輪輪盤與軸之間的接頭，其減少從渦輪輪盤至軸的熱量傳遞。

背景技術(shù)：

渦輪增壓器通過壓縮進入發(fā)動機的進氣歧管的空氣來增加內(nèi)燃機的功率密度。渦輪增壓器包括渦輪和壓縮機。渦輪可包括包圍渦輪輪盤的渦輪入口和出口導(dǎo)管。渦輪輪盤可連接至多個渦輪葉片，或者輪盤和葉片可為一體結(jié)構(gòu)并且稱為葉盤。壓縮機可包括包圍壓縮機輪盤的壓縮機殼體。共同軸可將壓縮機輪盤連接至渦輪輪盤。來自發(fā)動機的排氣流通過排氣歧管行進至渦輪入口導(dǎo)管，這使得渦輪輪盤、軸和壓縮機輪盤旋轉(zhuǎn)。隨著壓縮機輪盤的自旋，新鮮空氣被壓縮擠入發(fā)動機的進氣歧管，由此提升了發(fā)動機的功率密度。將渦輪輪盤連接至壓縮機輪盤的軸通常穿過軸頸軸承和潤滑油槽。

來自排氣的熱量向方便將熱量傳遞至渦輪輪盤的渦輪增壓器部件、尤其是渦輪葉片產(chǎn)生較高操作溫度。渦輪輪盤的較高操作溫度需要在其被傳送至潤滑油槽和軸頸軸承之前降低。一種實現(xiàn)此降低的方法是如第7,241,416號美國專利中公開般在渦輪輪盤與軸之間提供槽口或腔體。然而，此技術(shù)造成渦輪輪盤與軸之間的接頭處的強度降低，且其進一步損害渦輪輪盤承受劇烈加載事件(諸如葉片損耗等)的能力。因此，需要一種渦輪輪盤/軸連接，其減少從渦輪輪盤至軸、軸頸軸承和油槽的熱量傳遞且不犧牲渦輪輪盤/軸連接的結(jié)構(gòu)完整性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一方面，本文公開了一種排氣渦輪增壓器，其可包括連接至所連接的渦輪輪盤轂的渦輪輪盤。渦輪增壓器還可包括具有包括軸轂的近端的軸。渦輪輪盤轂可在接頭處同軸地連接至軸轂。渦輪輪盤轂和軸轂可在渦輪輪盤與軸的近端之間形成腔體。渦輪增壓器可進一步包括具有內(nèi)表面的套管，該內(nèi)表面包圍并且接合渦輪輪盤轂的至少一部分和軸轂的至少一部分。套管還可包圍接頭并且至少部分包圍腔體。

另一方面，本文公開了一種將渦輪輪盤連接至軸的方法。方法可包括在渦輪輪盤的遠側(cè)上形成渦輪輪盤轂，其中渦輪輪盤轂形成渦輪輪盤槽口。方法可進一步包括在軸的近端上形成軸轂，其中軸轂形成軸槽口。方法可進一步包括將渦輪輪盤轂連接至軸轂以在渦輪輪盤轂與軸轂之間形成接頭，以及包括渦輪輪盤槽口和軸槽口的腔體。方法可進一步包括圍繞接頭并且圍繞腔體的至少一部分放置套管。

另一方面，本文公開了一種動力系統(tǒng)，其可包括發(fā)動機、流體連接至發(fā)動機的排氣歧管以及流體連接至排氣歧管的渦輪增壓器。渦輪增壓器可包括構(gòu)造成從排氣歧管接收排氣的渦輪入口導(dǎo)管。渦輪入口導(dǎo)管可流體連接至渦輪出口導(dǎo)管。渦輪增壓器還可包括設(shè)置在渦輪入口和出口導(dǎo)管內(nèi)的渦輪輪盤。渦輪輪盤可連接至渦輪輪盤轂。渦輪增壓器可進一步包括具有包括軸轂的近端的軸。渦輪輪盤轂可在接頭處同軸地連接至軸轂。渦輪輪盤轂和軸轂可包括位于渦輪輪盤與軸的近端之間的腔體。渦輪增壓器可進一步包括具有內(nèi)表面的套管，該內(nèi)表面包圍并且接合渦輪輪盤轂的至少一部分和軸轂的至少一部分。套管可進一步包圍接頭并且至少部分包圍腔體。

以上討論的特征、功能和優(yōu)點可以在各個實施例中單獨實現(xiàn)或可以在其它實施例中組合，其進一步的細節(jié)可通過參考以下說明和附圖而得知。

附圖說明

為了更完整地理解所公開的方法和設(shè)備，應(yīng)參考附圖中更詳細說明的實施例，其中：

圖1是示例性的公開的動力系統(tǒng)的示意圖。

圖2是可結(jié)合圖1的動力系統(tǒng)使用的示例性的公開的渦輪增壓器的部分橫截面視圖。

圖3是圖2中所示的渦輪增壓器的另一部分橫截面視圖，其特別說明了渦輪輪盤與軸之間的接頭、設(shè)置在渦輪輪盤與軸之間的腔體以及包圍接頭并且部分包圍腔體的套管。

附圖并非按比例繪制并以圖解方式和部分視圖說明所公開的實施例。在某些實例中，本發(fā)明可省略對于理解所公開的方法和設(shè)備所不必要的或使其它細節(jié)難以理解的細節(jié)。另外，本發(fā)明不限于本文說明的特定實施例。

具體實施方式

參考附圖，術(shù)語“遠端”是指面向或設(shè)置于圖中左側(cè)的部件的部分或區(qū)域。參見(例如)圖3中的渦輪輪盤轂13的渦輪輪盤遠壁11和遠端12。相反，術(shù)語“近端”是指面向或設(shè)置于圖中右側(cè)的部件的部分或區(qū)域。參見(例如)圖3中的軸轂16的軸近壁14和近端15。

圖1說明了具有動力源21、空氣進氣系統(tǒng)22和排氣系統(tǒng)23的動力系統(tǒng)20。出于本發(fā)明的目的，動力源21可以是柴油機，諸如二沖程或四沖程柴油機等。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，動力源21可以是任何其它類型的內(nèi)燃機，諸如(例如)二沖程或四沖程汽油機或氣態(tài)燃料動力式發(fā)動機?？諝膺M氣系統(tǒng)22可構(gòu)造成將空氣或空氣、燃料和(諸如EGR驅(qū)動系統(tǒng)中的)排氣的混合物引導(dǎo)至動力源21中以供燃燒。排氣系統(tǒng)23將燃燒排氣從動力源21引導(dǎo)至大氣。

動力源21可包括至少部分界定多個氣缸25的發(fā)動機組24?；钊?未示出)可滑動地設(shè)置在每個氣缸25內(nèi)以在上止點位置與下止點位置之間往復(fù)運動，且氣缸蓋(未示出)可與每個氣缸25相關(guān)聯(lián)。每個氣缸25、活塞和氣缸蓋可以一起至少部分界定燃燒室。在圖1中說明的實施例中，動力源21包括以V型構(gòu)造(即，具有第一和第二組或第一和第二排氣缸25的構(gòu)造)布置的十二個氣缸25。然而，可預(yù)期的是，動力源21可包括更多或更少數(shù)量的氣缸25，且氣缸25可以直列式構(gòu)造、相對活塞構(gòu)造或如對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的另一種構(gòu)造進行布置。

空氣進氣系統(tǒng)22還可包括，尤其包括至少一個壓縮機26，其可表現(xiàn)為固定幾何形狀壓縮機、可變幾何形狀壓縮機或任何構(gòu)造成接收空氣并且將空氣壓縮至期望壓力級的其它類型的壓縮機。壓縮機26可將空氣引導(dǎo)至與動力源21相關(guān)聯(lián)的一個或多個進氣歧管27。應(yīng)注意的是，空氣進氣系統(tǒng)22可包括以如對本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見的串聯(lián)構(gòu)造、并聯(lián)構(gòu)造或串/并聯(lián)組合式構(gòu)造進行布置的多個壓縮機26。

排氣系統(tǒng)23可包括，尤其包括連接到一組或全部兩組的氣缸25上的排氣歧管28。排氣系統(tǒng)23還可包括至少一個通過來自排氣歧管28的排氣來驅(qū)動以旋轉(zhuǎn)空氣進氣系統(tǒng)22的壓縮機(多個)26的渦輪29。壓縮機26和渦輪29可共同形成渦輪增壓器33。渦輪29可表現(xiàn)為固定幾何結(jié)構(gòu)渦輪、可變幾何渦輪或任何構(gòu)造成接收排氣并將排氣中的能量轉(zhuǎn)換為機械旋轉(zhuǎn)的其他類型的渦輪。在流出渦輪29后，排氣可通過后處理系統(tǒng)34排放到大氣，后處理系統(tǒng)可包括(例如)烴給料器、柴油氧化催化器(DOC)、柴油顆粒過濾器(DPF)和/或另一個本領(lǐng)域已知的處理裝置或系統(tǒng)。應(yīng)注意的是，排氣系統(tǒng)23可包括多個布置成串聯(lián)構(gòu)造、并聯(lián)構(gòu)造或串/并組合式構(gòu)造的渦輪29，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。

如圖2中所示，渦輪增壓器33可包括渦輪入口導(dǎo)管37和渦輪出口導(dǎo)管38，其構(gòu)造成容納渦輪輪盤39，渦輪輪盤39通過共同軸42連接至壓縮機輪盤(未示出)。渦輪入口導(dǎo)管37可在引導(dǎo)排氣流穿過榫舌43并進入軸向通道44之前從排氣歧管28直接或間接地接收排氣流，軸向通道44可包括構(gòu)造成朝與渦輪輪盤39相連接的渦輪葉片46加速排氣流的噴嘴環(huán)45。渦輪輪盤39和渦輪葉片46可以是一體結(jié)構(gòu)或是葉盤的形式，這對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是顯而易見的。

如圖2中所示，渦輪葉片46接合流經(jīng)軸向通道44和噴嘴環(huán)45的排氣。因為排氣流處于相對較高的溫度，渦輪葉片46要承受相對較高溫度。另外，來自渦輪葉片46的熱量傳送至渦輪輪盤39，而不論渦輪葉片46和渦輪輪盤39是否是一體結(jié)構(gòu)(即，葉盤的形式)或是否渦輪葉片46是連接到渦輪輪盤39的分離部件(即，葉片與渦輪葉輪或輪盤相連接的形式)。另外，來自渦輪輪盤39的熱量會很容易傳送至軸42，這個過程還有疑問是因為軸42在連接到壓縮機輪盤(未示出)之前穿過了潤滑油槽和軸頸軸承(未示出)。為了降低從渦輪輪盤39向軸42傳遞的或從渦輪葉片46通過渦輪輪盤39向軸42傳遞的熱量，如圖2-3中所示，在渦輪輪盤39和軸42的近端52之間形成腔體51?？傊?，因為空氣相比固體金屬不是熱量的優(yōu)良導(dǎo)體，所以腔體51通過減小傳遞熱量的金屬的橫截面積有效地降低了渦輪輪盤39和軸42之間的熱量傳遞。

參照圖3，渦輪輪盤39連接到渦輪輪盤轂13，其遠離渦輪輪盤39向遠端延伸。相反，軸42的近端52連接到軸轂16，其向遠離軸42的近端52并朝向渦輪輪盤轂13的方向延伸。因為從渦輪輪盤39向軸42傳遞熱量的速率是渦輪輪盤39和軸42之間接觸面積的函數(shù)，所以渦輪輪盤轂13和軸轂16的形成以及渦輪輪盤轂13和軸轂16在接頭53處的連接有效地減少了由渦輪輪盤轂13的遠端12和軸轂16的近端15表示的環(huán)形表面的接觸面積。然而，通過形成腔體51來減少渦輪輪盤39和軸42之間的接觸面積也減小了接頭53的強度。因此，為了補充接頭53的強度，渦輪增壓器33包括套管55。如圖3中所示，套管55包括包圍軸轂16的至少一部分和渦輪輪盤轂13的至少一部分的內(nèi)表面56。套管55還包括外表面57，其包括多個交替的脊部58和凹槽59。

套管55設(shè)置在渦輪密封托架61中。渦輪密封托架61包括近端62。另外，套管55還包括近端63。套管55的近端63連接到近端脊部64。另外，參照圖2和3，渦輪入口導(dǎo)管37可包括徑向向內(nèi)延伸的接合表面65，其接合渦輪密封托架61的近端62并與設(shè)置在如圖3中所示的近端脊部64和接合表面65之間的徑向間隙67一起環(huán)繞套管55的近端脊部64。

渦輪增壓器33利用由壓縮機(未示出)產(chǎn)生的壓縮空氣來將潤滑油密封在渦輪增壓器33中。因此，如圖3中箭頭71所示，來自壓縮機(未示出)的來流在近端方向流動。一旦來流到達徑向間隙67，來流的一部分繼續(xù)沿箭頭71的方向前進并且來流的一部分扭轉(zhuǎn)方向以包裹套管55。由壓縮機產(chǎn)生的壓縮空氣的溫度基本上比旋轉(zhuǎn)渦輪葉片46和渦輪輪盤39的排氣流的溫度低。因此，壓縮空氣流入設(shè)置在套管55的外表面57的凹槽59，由此冷卻套管55并將套管55維持在相比渦輪輪盤39較低的溫度上。通過在套管55的近端脊部64和渦輪入口渦殼37的接合表面65之間提供徑向間隙67，部分壓縮空氣流過徑向間隙67，由此阻止熱排氣流進入徑向間隙67并在套管55的外表面57周圍向遠端流動。因此，連續(xù)的壓縮空氣流沿箭頭71的方向流動并包裹套管55，其用于將套管55與流經(jīng)渦輪的熱排氣流的直接熱量隔離。因此，壓縮空氣被用來將套管55與熱排氣流隔離并且將套管55維持在較低的運行溫度。

另外，從渦輪輪盤39到套管55的傳導(dǎo)式熱量傳遞通過減小套管55和渦輪輪盤39之間的接觸減小。如圖3中所示，套管55的近端63與渦輪輪盤39僅有最小接觸。同樣的，套管55的內(nèi)表面56通過傾斜壁72連接到套管55的近端63，傾斜壁橫穿設(shè)置在渦輪輪盤39和渦輪輪盤轂13之間的外圓角73，由此形成位于傾斜壁72和外圓角73之間的環(huán)形空氣室74。此外，接合渦輪輪盤39的套管55的近端63相對靠近定位到徑向間隙67。因為套管55與渦輪輪盤39和軸42一起旋轉(zhuǎn)，所以包裹套管55的外表面57的更冷的壓縮空氣具有相對較高的表面速度，由此使得套管55將熱量帶離渦輪輪盤39、渦輪輪盤轂13和軸轂16。壓縮空氣相對較高的表面速度也用于減少為套管55提供冷卻功能所需求的壓縮空氣的量。通過從渦輪輪盤39、渦輪輪盤轂13和軸轂16除去熱量，套管55有助于減少到達軸42的近端52的熱量流。

最終，要注意的是，腔體51是由渦輪輪盤轂13在渦輪輪盤39的遠側(cè)上形成的槽口和由軸轂16在軸42的近端52上形成的槽口的組合腔體。更具體地說，渦輪輪盤轂13包括從渦輪輪盤轂13的遠端12向渦輪輪盤圓角77延伸的圓柱形壁76。渦輪輪盤圓角77設(shè)置在圓柱形壁76和渦輪輪盤遠壁11之間。相似地，軸轂16包括從軸轂16的近端15向軸圓角79延伸的軸圓柱形壁78，軸圓角79設(shè)置在軸圓柱形壁78和軸近壁14之間。這兩個槽口在渦輪輪盤轂13的遠端12連接到軸轂16的近端15形成接頭53時組合在一起。接頭53可用許多常規(guī)方法形成，包括但不限于：摩擦焊接。

工業(yè)實用性

本文公開了渦輪增壓器33，該渦輪增壓器33使得從渦輪葉片46和渦輪輪盤39到軸42的熱量傳遞得以降低，軸42將渦輪輪盤39連接到壓縮機輪盤上(未示出)。有助于熱量降低的一個設(shè)計特征是在渦輪輪盤39和軸42之間形成腔體51。腔體51通過形成向近端延伸至渦輪輪盤39的軸轂16和向遠端延伸至軸42的渦輪輪盤轂13而形成。軸轂16的近端15可使用焊接工藝(例如，摩擦焊接工藝)連接到渦輪輪盤轂13的遠端12以形成接頭53。由于接頭53在構(gòu)造上是環(huán)形的，因此增強套管55圍繞接頭53并至少部分地圍繞渦輪輪盤轂13和軸轂16放置。套管55增強了接頭53。此外，除了由腔體51實現(xiàn)的熱量傳遞降低以外，套管55也實現(xiàn)了熱量降低。具體地，由于壓縮空氣被用于將密封潤滑油密封在渦輪增壓器33內(nèi)且由于該壓縮空氣處于比排氣流較低的溫度下來驅(qū)動渦輪輪盤39，因此由壓縮機26產(chǎn)生的壓縮空氣是用于套管55的冷卻空氣的方便來源。套管55包括具有多個交替脊部58和凹槽59的外表面57，其使得來自壓縮機的冷卻空氣可包裹套管55。另外，徑向間隙67設(shè)置在套管55的近端脊部64和渦輪入口渦殼37的接合表面65之間，其實現(xiàn)了穿過徑向間隙67的冷卻空氣的較小連續(xù)流。穿過徑向間隙67的冷卻空氣流防止排氣進入徑向間隙67并防止排氣干擾由包裹套管55的壓縮空氣流實現(xiàn)的冷卻方面。套管55的近端63與渦輪輪盤39僅有最小接觸，且在套管55的傾斜壁72和渦輪輪盤39的外圓角73之間形成環(huán)形空氣室74。

本文公開了一種將渦輪輪盤39連接到軸42的方法。方法可包括在渦輪輪盤39的面向遠端側(cè)上形成渦輪輪盤轂13。方法可進一步包括在軸42的近端52上形成軸轂16。渦輪輪盤轂13形成渦輪輪盤槽口，且軸轂形成軸槽口。方法可進一步包括將渦輪輪盤轂13連接到軸轂16上以在渦輪輪盤轂13和軸轂16之間形成接頭53及腔體51(該腔體51是渦輪輪盤槽口和軸槽口的組合腔體)。方法可進一步包括圍繞接頭53并圍繞腔體51的至少一部分放置套管55。如上所述，套管55實現(xiàn)了對接頭53的增強并實現(xiàn)了獨立于由腔體51提供的冷卻功能的冷卻功能。

雖然僅提出了某些實施例，但對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，根據(jù)上述說明，替代實施例和各種變型將是顯而易見的。這些以及其它替代方案被認(rèn)為是等同的且屬于本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)。