焊接的軸和渦輪機(jī)葉輪組件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本文公開的主題一般地涉及用于內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪機(jī)器，并且特別地涉及軸和渦輪機(jī)葉輪組件。
【背景技術(shù)】
[0002]大多數(shù)常規(guī)的渦輪增壓器包括固定至渦輪機(jī)葉輪的軸，這通常被稱作軸和渦輪機(jī)葉輪組件(SWA)。在渦輪增壓器的組裝期間，SWA的軸通常被插入穿過中心殼體的軸承孔，使得軸的自由端可以與壓縮機(jī)葉輪相配。
[0003]由于壓縮機(jī)葉輪、軸和渦輪機(jī)葉輪的工作環(huán)境不一樣，這些部件的制造材料和制造方式也可能不一樣。例如，對于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣溫度可能超過500°C，而對于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)，排氣溫度可能超過1000°C，由此對于渦輪機(jī)葉輪的制造而言，需要高溫材料。而且，盡管軸可由在車床上轉(zhuǎn)動(dòng)的中等耐溫金屬或金屬合金制成，但渦輪機(jī)葉輪通常使用耐高溫陶瓷、金屬或金屬合金(例如，考慮在西弗吉尼亞州亨廷頓的Special Metals公司的商標(biāo)INCONEL?下銷售的奧氏體鎳鉻基超合金)鑄造而成。
[0004]可以使用各種技術(shù)把軸連接至渦輪機(jī)葉輪。一種技術(shù)是電子束焊接，其涉及把軸和渦輪機(jī)葉輪放置在真空中，并且把電子束聚焦在將要被焊接的接頭上。另一種基于能量射束的技術(shù)涉及一個(gè)或多個(gè)激光束，用以輸送充足能量以將部件焊接在一起。其它技術(shù)包括例如摩擦焊接，其中，一個(gè)部件旋轉(zhuǎn)并與另一個(gè)部件接觸，以產(chǎn)生導(dǎo)致材料熔化的熱量。一般地，以所需焊后機(jī)加工最少的方式來形成焊接是有益的。而且，以不引入過量應(yīng)力的方式來形成焊接是有益的。
[0005]總之，SWA應(yīng)當(dāng)能夠承受溫度變化和離心載荷，而不經(jīng)受顯著的變形(例如顯著的變形可能改變平衡、引入噪聲、減少組件壽命等等)。如在本文的各個(gè)示例中描述的，各種部件、組件和技術(shù)可改進(jìn)SWA質(zhì)量和渦輪增壓器性能。
【附圖說明】
[0006]參考以下的詳細(xì)描述，連同在附圖中所示出的示例，可以對本文描述的各種方法、設(shè)備、組件、系統(tǒng)、裝置等及其等同物有更加完整的理解，在附圖中:
圖1是渦輪增壓器和內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的簡圖；
圖2是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的一系列視圖；
圖3是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的一系列視圖；
圖4是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的一系列視圖；
圖5是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的截面視圖的圖示；
圖6是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的一系列視圖；
圖7是用于渦輪增壓器的軸和葉輪組件的示例的一系列視圖；
圖8是軸和渦輪機(jī)葉輪的示例的一系列視圖；
圖9是軸和渦輪機(jī)葉輪的示例的一系列視圖； 圖10是用于通過焊接過程形成軸和葉輪組件的系統(tǒng)的示例的簡圖；
圖11是用于執(zhí)行無損測量的系統(tǒng)的示例的簡圖以及包括焊接接頭的圖像的示例；以及
圖12是渦輪增壓器的截面視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0007]渦輪增壓器經(jīng)常被用于增加內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出。參考圖1，作為示例，系統(tǒng)100可包括內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)110和渦輪增壓器120。如在圖1中所示，系統(tǒng)100可以是車輛101的一部分，其中，系統(tǒng)100被布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，并被連接至排氣管103，排氣管103將排氣引導(dǎo)至排氣出口 109，排氣出口 109例如定位于客艙105后面。在圖1的示例中，可以提供處理單元107以處理排氣(例如通過分子的催化轉(zhuǎn)化以減少排放，等等)。
[0008]如在圖1中所示，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)110包括容納一個(gè)或多個(gè)燃燒室的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體118，一個(gè)或多個(gè)燃燒室(例如通過活塞)操作地驅(qū)動(dòng)軸112，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)還包括進(jìn)氣端口 114和排氣端口 116，進(jìn)氣端口 114提供用于使空氣流動(dòng)至發(fā)動(dòng)機(jī)缸體118的流動(dòng)路徑，排氣端口116提供用于從發(fā)動(dòng)機(jī)缸體118排氣的流動(dòng)路徑。
[0009]渦輪增壓器120可以用于從排氣提取能量，并將能量提供至進(jìn)氣空氣，該進(jìn)氣空氣可以與燃料混合以形成燃燒氣體。如在圖1中所示，渦輪增壓器120包括空氣進(jìn)口 134、軸122、用于壓縮機(jī)葉輪125的壓縮機(jī)殼體組件124、用于渦輪機(jī)葉輪127的渦輪機(jī)殼體組件126、另一個(gè)殼體組件128以及排氣出口 136。殼體128可被稱為中心殼體組件，因?yàn)槠浔徊贾迷趬嚎s機(jī)殼體組件124和渦輪機(jī)殼體組件126之間。軸122可以是包括了各種部件的軸組件。例如，軸122可以例如通過焊接接頭被連接至渦輪機(jī)葉輪127，以形成軸和葉輪組件(SWA)。
[0010]在圖1的示例中，軸122可以被布置在殼體組件128中(例如在由一個(gè)或多個(gè)孔壁限定的孔中)的軸承系統(tǒng)(例如，(一個(gè)或多個(gè))軸頸軸承、(一個(gè)或多個(gè))滾動(dòng)元件軸承等等)可旋轉(zhuǎn)地支撐，使得渦輪機(jī)葉輪127的旋轉(zhuǎn)引起壓縮機(jī)葉輪125的旋轉(zhuǎn)(例如，由于被軸122可旋轉(zhuǎn)地聯(lián)接)。例如，中心殼體旋轉(zhuǎn)組件(CHRA)可包括壓縮機(jī)葉輪125、渦輪機(jī)葉輪127、軸122、殼體組件128和各種其它部件(例如，定位在壓縮機(jī)葉輪125和殼體組件128之間的軸向位置處的壓縮機(jī)側(cè)板)。
[0011]在圖1的示例中，可變幾何組件129被示出為部分地布置在殼體組件128和殼體組件126之間。這樣的可變幾何組件可包括翼片或者其它部件，以改變通向渦輪機(jī)殼體組件126中的渦輪機(jī)葉輪空間的通道的幾何形狀。例如，可以提供可變幾何壓縮機(jī)組件。
[0012]在圖1的示例中，廢氣門閥(或僅僅是廢氣門)135定位成鄰近于渦輪機(jī)殼體組件126的排氣進(jìn)口。廢氣門閥135可以被控制以允許來自排氣端口 116的至少一些排氣繞過渦輪機(jī)葉輪127。各種廢氣門、廢氣門部件等可以被應(yīng)用于常規(guī)的固定噴嘴渦輪機(jī)、固定翼片噴嘴渦輪機(jī)、可變噴嘴渦輪機(jī)、雙渦卷渦輪增壓器等。
[0013]在圖1的示例中，還示出了排氣再循環(huán)(EGR)導(dǎo)管115，其可被提供(任選地具有一個(gè)或多個(gè)閥門117)以例如允許排氣流動(dòng)至壓縮機(jī)葉輪125上游的位置。
[0014]圖1還示出了用于排氣流至排氣渦輪機(jī)殼體組件152的示例裝置150，并且示出了用于排氣流至排氣渦輪機(jī)殼體組件172的另一個(gè)示例裝置170。在裝置150中，氣缸蓋154在內(nèi)包括通道156，以將排氣從氣缸引導(dǎo)至渦輪機(jī)殼體組件152，而在裝置170中，歧管176例如提供了渦輪機(jī)殼體組件172的安裝，而沒有任何分開的、中間的排氣管段。在示例性裝置150和170中，渦輪機(jī)殼體組件152和172可被構(gòu)造成與廢氣門、可變幾何組件等一起使用。
[0015]在圖1中，控制器190的示例被示出為包括一個(gè)或多個(gè)處理器192、存儲(chǔ)器194和一個(gè)或多個(gè)接口 196。這樣的控制器可包括電路，例如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)的電路。如本文中所描述，各種方法或技術(shù)可以任選地連同控制器例如通過控制邏輯而實(shí)施?？刂七壿嬁梢蕾囉谝环N或多種發(fā)動(dòng)機(jī)操作條件(例如渦輪rpm、發(fā)動(dòng)機(jī)rpm、溫度、載荷、潤滑劑、冷卻等)。例如，傳感器可通過一個(gè)或多個(gè)接口 196將信息傳遞至控制器190。控制邏輯可依賴這樣的信息，并且進(jìn)而控制器190可輸出控制信號以控制發(fā)動(dòng)機(jī)操作?？刂破?90可被構(gòu)造成控制潤滑劑流量、溫度、可變幾何組件(例如可變幾何壓縮機(jī)或渦輪機(jī))、廢氣門(例如經(jīng)由致動(dòng)器)、電馬達(dá)、或者與發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)其它部件、(一個(gè)或多個(gè))渦輪增壓器等。例如，渦輪增壓器120可包括例如可聯(lián)接至控制器190的一個(gè)或多個(gè)接口 196的一個(gè)或多個(gè)致動(dòng)器和/或一個(gè)或多個(gè)傳感器198。例如，廢氣門135可由控制器控制，所述控制器包括響應(yīng)于電信號、壓力信號等的致動(dòng)器。例如，用于廢氣門的致動(dòng)器可以例如是不需要電力就可以工作的機(jī)械致動(dòng)器(例如考慮被構(gòu)造成響應(yīng)于經(jīng)由導(dǎo)管提供的壓力信號的機(jī)械致動(dòng)器)。
[0016]圖2示出了包括軸220和渦輪機(jī)葉輪270的軸和葉輪組件(SWA) 200的示例。在圖2的示例中，軸220包括渦輪機(jī)端222和壓縮機(jī)端224，在這兩個(gè)相對的端部之間具有各種特征。例如，軸220包括軸頸表面223-1和223-2，其可以由一個(gè)或多個(gè)直徑以及一個(gè)或多個(gè)軸向長度來規(guī)定。軸220可包括布置在軸頸表面223-1和223-2之間的頸部226。如在圖2的示例中所示出，軸220包括在軸頸表面223-2的邊緣處的肩部，該肩部躍變至軸220的直徑較小的壓縮機(jī)部分228。例如，壓縮機(jī)部分228可用于帶有通孔的壓縮機(jī)葉輪或者用于帶有不完全孔(partial bore)的壓縮機(jī)葉輪，其有時(shí)被稱作無孔壓縮機(jī)葉輪。作為另一個(gè)例子，軸可包括用于接收壓縮機(jī)葉輪延伸部的凹部(例如，用于接收螺紋延伸部的螺紋凹部等)。
[0017]在圖2的示例中，軸220包括至少一個(gè)環(huán)形溝槽225-1和225_2、肩部227以及軸向面229。例如，至少一個(gè)環(huán)形溝槽225-1和225-2可被構(gòu)造成接收一個(gè)或多個(gè)密封元件，例如一個(gè)或多個(gè)活塞環(huán)。在工作期間，密封元件可用于從渦輪機(jī)組件空間密封中心殼體空間，例如以減少在這些空間之間的排氣、潤滑劑等的轉(zhuǎn)移。
[0018]在圖2的示例中，渦輪機(jī)葉輪270包括軸端272和自由端274，葉片275布置在它們之間，從輪轂徑向向外延伸并且與所謂的背板277成為一體，所述背板277沿著曲線輪轂表面273至軸端272漸縮。
[0019]例如，渦輪機(jī)葉輪的特征可能部分地在于渦輪機(jī)葉輪的進(jìn)口導(dǎo)流器部分和渦輪機(jī)葉輪的出口導(dǎo)流器部分之間的關(guān)系，其中，進(jìn)口導(dǎo)流器部分被構(gòu)造為用于排氣的進(jìn)口(例如葉片的前緣)，并且出口導(dǎo)流器部分被構(gòu)造為用于排氣的出口(例如葉片的后緣)。在圖2的示例中，渦輪機(jī)葉輪270的進(jìn)口導(dǎo)流器部分包括葉片275的前緣，其主要在軸向方向上延伸，并且被布置在近似等于渦輪機(jī)葉輪270的最大直徑的直徑處，而渦輪機(jī)葉輪270的出口導(dǎo)流器部分包括葉片275的后緣，其主要在徑向方向上延伸，其最大直徑小于渦輪機(jī)葉輪270的最大直徑。在工作期間，在渦輪機(jī)葉輪270被連接至軸220以形成作為渦輪增壓器一部分的SWA 200的情況下，排氣從渦輪機(jī)葉輪270的進(jìn)口導(dǎo)流器部分流動(dòng)至渦輪機(jī)葉輪270的出口導(dǎo)流器部分(例如，以朝向圖2中的右側(cè)驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)葉輪270)。
[0020]在圖2的示例中，焊接接頭250被示為大體環(huán)形的接頭，其例如在軸220的渦輪機(jī)葉輪端222和渦輪機(jī)葉輪270的軸端272處連接軸220和渦輪機(jī)葉輪270。
[0021]圖2示出了軸220的渦輪機(jī)葉輪端222的平面圖以及渦輪機(jī)葉輪270的軸端272的平面圖，以及關(guān)于軸220的軸線和渦輪機(jī)葉輪270的軸線限定的徑向尺寸，所述軸線可大體上對準(zhǔn)。
[0022]在圖2的示例中，渦輪機(jī)葉輪270的軸端272包括腔體壁281 (例如在深度Δ zwc處)、在內(nèi)徑向尺寸Tw1*的邊緣282、環(huán)形面283以及在外徑向尺寸rw2#的邊緣288。例如，環(huán)形面