涡轮机的压缩装置及其压缩叶轮.pdf

本发明的目的是提供一种即使高速旋转也损坏少的涡轮机压缩装置及其压缩叶轮。该涡轮机压缩装置，通过套筒来结合：一体设在压缩叶轮主体部上的压缩叶轮外螺纹部、和设在驱动所述压缩叶轮用的转轴的前端部的转轴外螺纹部，在该套筒的一侧部设有可自由螺纹结合在所述压缩叶轮外螺纹部的压缩叶轮侧内螺纹部，在另一侧设有可自由螺纹结合在所述转轴外螺纹部的转轴侧内螺纹部。

1、  一种涡轮机压缩装置，包括：
压缩叶轮外螺纹部，其一体地设置在压缩叶轮的主体部上；
转轴外螺纹部，其设置在所述压缩叶轮的驱动用转轴的前端部；和
套筒，在该套筒的一端设有可与所述压缩叶轮外螺纹啮合的压缩叶轮侧内螺纹部，在套筒的另一端设有可与所述转轴外螺纹部啮合的转轴侧内螺纹部；
所述压缩叶轮外螺纹部和所述转轴外螺纹部通过套筒互相结合。

2、  根据权利要求1所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：所述压缩叶轮外螺纹部的直径大于所述转轴外螺纹部的直径。

3、  根据权利要求1～2中任一项所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：所述压缩叶轮与所述套筒之间、以及所述套筒与所述转轴之间中的、至少一方的对心是利用凹窝来进行的。

4、  根据权利要求1～2中任一项所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：在所述套筒的外周部具有密封槽，在所述密封槽内嵌入安装密封圈，而防止所述压缩叶轮的后室与轴瓦室之间的漏空气和漏油。

5、  根据权利要求3所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：在所述套筒的外周部具有密封槽，在所述密封槽内嵌入安装密封圈，而防止所述压缩叶轮的后室与轴瓦室之间的漏空气和漏油。

6、  根据权利要求4所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：还包括固定成不与所述转轴同步旋转的非旋转部件的止推轴承、和固定在所述转轴上的圆板状止推环，所述止推环与所述套筒之间夹入所述止推轴承而构成。

7、  根据权利要求5所述的涡轮机压缩装置，其特征在于：还包括固定成不与所述转轴同步旋转的非旋转部件的止推轴承、和固定在所述转轴上的圆板状止推环，所述止推环与所述套筒之间夹入所述止推轴承而构成。

8、  一种涡轮机压缩装置的压缩叶轮，其特征在于：压缩叶轮的背面侧盘部的圆筒部的前端为外螺纹加工部。

涡轮机的压缩装置及其压缩叶轮
技术领域
本发明涉及涡轮机的压缩装置及其压缩叶轮。
背景技术
已知一种作为涡轮增压器的用于涡轮机的压缩装置，其中的涡轮机利用排气的能量经由转轴通过涡轮叶轮而被旋转，所述涡轮叶轮通过压缩空气增加发动机的吸气量，所述涡轮机驱动结合在转轴上的离心型压缩叶轮。
在图7中，表示有关以往技术的涡轮增压器11的侧面剖视图。涡轮增压器11包括：从发动机的排气中取出旋转能量的排气侧部12、和利用这个旋转能量来压缩空气之后输送到发动机的吸气侧部13。
涡轮叶轮14是从排气流入通路19流入的排气中获得能量而旋转。在转轴23的涡轮叶轮14的另一侧(以下叫做转轴23的前端部侧)，通过转轴23，安装：压缩空气的离心型压缩叶轮16。在压缩叶轮16的中央部位设有安装孔25。转轴23以微间隙配合或过盈配合程度插入安装孔25。通过把安装螺母26紧固在转轴23前端部的外螺纹部40，来把压缩叶轮16固定在转轴23。
在图8中，表示图7的压缩叶轮16的侧面剖视图，压缩叶轮16的主体部29包括入口侧盘部29A和背面侧盘部29B。在主体部29的外侧设有多个叶翼18，在主体部29的中心部位贯通有安装孔25。
为了实现轻量化，压缩叶轮16是铸造铝合金来制造。因为压缩叶轮16转数达到几万转/每分钟的很高的值，由于高速旋转所引起的离心力，在其径向受非常大的拉伸应力，有时会损坏。已知：这个损坏特别是以安装孔25的内壁为起点而容易发生。
为了解决这样的问题，已知：专利文献(日本特表5-504178)所公开的技术。
在图9中，表示这个专利文献的压缩叶轮16的剖视图。在压缩叶轮16，不设贯通的安装孔，而在下部设置切有内螺纹的安装洞42。另外，在转轴23的前端部54，设有外螺纹。通过把前端部54拧紧在安装洞42，而结合转轴23与压缩叶轮16。
然而，在图8所示的以往技术中存在如下问题。即，已判明：在轴的方向上，压缩叶轮16的外圆周变为最大的最大外圆周部位30的附近，特别容易发生压缩叶轮16的安装孔25内壁的损坏。
另外，根据图9所示的以往技术，轴向的最大外圆周部位30的附近，设有安装洞42，所以，如果提高转数，则有在最大外圆周部位30的附近发生损坏的可能性。
特别是把具备涡轮增压器11的发动机(该涡轮增压器11利用有压缩叶轮16)应用在施工机械等的作业机械上时，在短的时间内反复：如装载作业的高负荷(即涡轮增压器为高转数)的状态和几乎没有负荷的(即低转数)状态。其结果，施加在压缩叶轮16上的应力振幅变高，容易引起损坏。
近几年，作为降低柴油发动机的排气所包含的氮氧化物(NOx)的对策，逐渐实施叫做EGR(Exhaust Gas Recirculation排气再循环)的技术。这是把发动机所排出的排气的一部分返回到发动机的吸气系统而再循环的技术。为了实现EGR，有必要保证用于汽缸内的燃烧容积的新鲜空气的量(在所述汽缸内新鲜空气的量因排气再循环的量而变少)，并且有必要实现更高地涡轮增压器的压力比。从而，有必要以更高的转数来旋转压缩叶轮16，只是靠以往的技术是不够充分的；希望有耐久性更高的压缩叶轮16。
发明内容
本发明是鉴于上述的问题而进行的，其目的在于提供一种即使高转数旋转，也不易损坏的涡轮机的压缩装置及其压缩叶轮。
为了达到上述的目的，本发明的涡轮机的压缩装置，通过套筒来结合：一体设在压缩叶轮主体部上的压缩叶轮外螺纹部、和设在驱动所述压缩叶轮用的转轴的前端部的转轴外螺纹部，在该套筒的一侧部设有可自由螺纹结合在所述压缩叶轮外螺纹部的压缩叶轮侧内螺纹部，在另一侧设有可自由螺纹结合在所述转轴外螺纹部的转轴侧内螺纹部。
本发明的压缩叶轮的外螺纹直径可以大于转轴外螺纹的直径。
本发明压缩叶轮与套筒之间或套筒与转轴之间中的至少一方的对心，可以利用凹窝(孔台阶)来进行。
可以：本发明的套筒外圆周设有密封槽，在密封槽内安装密封圈，来谋求防止：压缩叶轮的后室与轴瓦室之间的漏空气和漏油。
本发明可以：具备：固定成不和转轴同步旋转的非旋转部件的止推轴承和固定在转轴的圆板状止推环，并在止推环与套筒之间夹住止推轴承而构成。
本发明是压缩叶轮的背面侧盘部的圆筒部前端为外螺纹加工部。
本发明的效果有以下几点。
在压缩叶轮主体部没有必要设：为了结合转轴用的安装孔或安装洞。其结果，施加在压缩叶轮的应力变小，即使高速旋转压缩叶轮，其损坏变少。
为了轻量化，压缩叶轮利用强度低于转轴的材料来制作的情形多。从而，使压缩叶轮的外螺纹部可以变粗的方法，可以减少压缩叶轮的外螺纹部特别容易损坏的现象，可以提高整体的耐久性。
分别单独调整旋转平衡之后，组装压缩叶轮和涡轮叶轮时，组装后的偏心变小。从而，必须再调整涡轮机的压缩装置的旋转平衡的量变小。
没有必要单独设置密封空气和油的部件，可以紧凑的结构来密封空气和油。
以简单的结构来支承止推轴承，可以有效承受施加在转轴上的轴向力。
不易发生压缩叶轮的损坏而可以提高耐久性，因此能够增大利用该压缩叶轮的涡轮增压器的压力比。
附图说明
图1是本发明的压缩叶轮的侧视图。
图2是图1的剖视图。
图3是本发明的涡轮增压器的剖视图。
图4是图3的P部的详细图。
图5是表示组装压缩叶轮顺序的流程图。
图6是表示众所周知的安装孔的内径与应力大小关系的曲线图。
图7是以往技术的涡轮增压器侧面剖视图。
图8是图7的压缩叶轮的侧面剖视图。
图9是以往技术的压缩叶轮的剖视图。
具体实施方式
下面，结合图详细说明本发明的实施方式。
在图3中，排气侧部12是由排气侧壳体15和具备多个叶翼并固定在转轴23的涡轮叶轮14所构成。
排气侧壳体15具备把排气供给到涡轮叶轮14的排气流入通路19。排气流入通路19是形成环绕涡轮叶轮14外周的环状，连接在图中未示的发动机所排出的排气流动的发动机排气流路。另外，在排气侧壳体15，还设有：对给予涡轮叶轮14能量后的排气进行排出的排气流出口21。排气流出口21是和涡轮叶轮14的旋转中心近似同心地形成近似圆筒状。排气流出口21的另一侧的开口部是由排气侧内板22来封闭。
在涡轮叶轮14，一体形成转轴23。转轴23贯通排气侧内板22，由轴瓦24旋转自由地被支承。涡轮叶轮14和转轴23一般是由镍基超合金和碳素钢或合金钢来制作。
压缩叶轮16收容在吸气侧壳体17的内部。吸气侧壳体17上设有：向压缩叶轮16吸入空气的吸入口27。吸入口27是和压缩叶轮16近似同心地形成圆筒状。吸入口27的另一侧的开口部是由吸气侧内板55来封闭的。
被压缩叶轮16压缩的空气是以离心状排出，通过环状围绕压缩叶轮16外周的吸气排出通路28，供给到图中未示的发动机的供气口。
在叶翼18，有：翼的轴向上宽度长的全翼18A和相对于全翼18A在轴向中途开始叶翼入口的中间叶翼18B，两者互相交替布置。
以下把包括涡轮叶轮14、压缩叶轮16和转轴23等的旋转部件群叫做旋转部件。另外，把包括吸气侧壳体17、排气侧壳体15和轴瓦壳45等的不旋转的部件群叫做非旋转部件。安装孔25的贯通方向叫做轴向。
如图1、图2所示，本发明的压缩叶轮16是其主体部29为实心，没有设置安装孔或安装洞。
向压缩叶轮16吸入空气的部位叫做压缩叶轮入口部35，向半径方向排出空气的部位叫做压缩叶轮出口部33。另外，压缩叶轮入口部35和压缩叶轮出口部33之间的中间部位的曲面叫做盘中央部34。
压缩叶轮16的外圆周变为最大的轴向部位叫做最大外圆周部位30。压缩叶轮16的主体部29包括入口侧盘部29A和背面侧盘部29B。在背面侧盘部29B的最背面部，和主体部29同心一体设置圆筒部43。在圆筒部43的下端部，也一体形成小于圆筒部43直径的外螺纹部44。把外螺纹部44叫做压缩叶轮外螺纹部44。
在压缩叶轮16的压缩叶轮入口部35的外圆周，进行双面的宽度加工或螺母状的加工，利用扳手可以把持这个部位。
在图3、图4中，固定在涡轮叶轮14的转轴23的前端部60和转轴23同心，并被精加工成圆柱形。这个圆柱形的部位叫做转轴圆筒部60。在转轴圆筒部60的前端部还设有外螺纹部46。把这个外螺纹部46叫做转轴外螺纹部46。转轴外螺纹部46的外径小于压缩叶轮外螺纹部44的外径。转轴外螺纹部46和压缩叶轮外螺纹部44之间是通过两端部设有内螺纹的套筒49来结合的。
如图4所示，在套筒49的转轴23侧的端部的内圆周部58，对转轴圆筒部60实施凹窝(in low)的加工。在内圆周部58的里侧(压缩叶轮16侧)，设有与转轴外螺纹部46配合的内螺纹53(以下称转轴侧内螺纹部53)。
在套筒49的压缩叶轮16侧的端部的内圆周部57，对设在压缩叶轮16背面部的圆筒部43实施凹窝加工。在内圆周部57的里侧(转轴23的一侧)设有与压缩叶轮外螺纹部44配合的内螺纹52(以下称压缩叶轮侧内螺纹部52)。
另外，在套筒49中，转轴侧内螺纹部53与压缩叶轮侧内螺纹部52之间是表示成贯通的形态，但是，也可以不贯通。在套筒49的压缩叶轮16的一侧的外圆周61，进行双面宽度加工或螺母形状加工(图中未示)，利用扳手可以把持这个部位。在套筒49的轴向的中间左右外圆周，在整个外周设有密封槽50，嵌入FC材料制作的密封圈51。密封圈51如果受到缩小直径的力，则其外圆周密接嵌入在吸气侧内板55的内周部。
轴瓦24安装在连接吸气侧壳体17与排气侧壳体15的轴瓦壳45内部的轴瓦室(图中未示)里。在轴瓦壳45上设有向轴瓦24和止推轴承48供给润滑油用的供油口59。
图5是表示在转轴23上组装压缩叶轮16顺序的流程图。首先，在中央部位设有圆形孔的圆板状止推环47插入到被轴瓦24支承的转轴23外(步骤S11)。
其次，把止推轴承48插入轴瓦壳45(步骤S12)。在止推轴承48中设有润滑用油通过的油路56。
然后，把套筒49拧紧在转轴23(步骤S13)上。此时，利用扳手等来把持套筒49上被加工成螺母状的外圆周61，把套筒49拧紧在转轴外螺纹部46上。由此，使套筒49、止推环47和转轴23一体旋转。
接着，把吸气侧内板55固定在轴瓦壳45(步骤S14)上。由此，止推轴承48被夹在轴瓦壳45与吸气侧内板55之间而固定成非旋转部件。
其结果，在步骤S13中固定成非旋转部件的止推轴承48被夹在和转轴23一体旋转的作为旋转部件的止推环47与套筒49之间。从而，旋转时，施加在转轴23的轴向力被止推轴承48挡住，来限制轴向位置。另外，在步骤S14中，拧紧套筒49时，密封圈51的外圆周密接在吸气侧内板55的内圆周部上。由此，防止：润滑轴瓦24和止推轴承48的润滑油流到压缩叶轮16的里面的空间(叫做后室)。
接着，把压缩叶轮16拧紧在套筒49(步骤S15)上。此时，利用扳手等把持压缩叶轮16的压缩叶轮入口部35的所述螺纹状加工部和涡轮叶轮14出口部的被加工成螺母状的部位，来互相拧紧。由此，结合压缩叶轮16和转轴23。
如上所说明，根据本发明，在压缩叶轮16的背面侧盘部29B的最背面部的圆筒部43的外周，设有压缩叶轮外螺纹部44。然后，由两侧设有内螺纹52、53的套筒49来结合压缩叶轮外螺纹部44和设在转轴23前端部的转轴外螺纹部46。
由此，即使压缩叶轮16为实心，也可以结合压缩叶轮16和转轴23。从而，施加在压缩叶轮16的应力变小，即使高速旋转，被损坏的现象也会变少。
图6表示：以往技术中的、沿压缩叶轮16的安装孔25的内径Φ和压缩叶轮16的旋转轴的轴向、在压缩叶轮16的外圆周变为最大的最大外圆周部位30处施加于压缩叶轮16的应力T的大小关系的曲线。在这个图中，如果安装孔25内径为0时应力T小，内径过小时，应力T变为非常大。并且，在大于某一个直径D时，安装孔25的内径越大应力T变大。从而，可以清楚：如本发明那样，没有安装孔25而实心时，应力变小。
另外，根据本发明，设成：一体形成在压缩叶轮16的压缩叶轮外螺纹部44的直径大于设在转轴23前端部的转轴外螺纹部46的直径。压缩叶轮16和压缩叶轮外螺纹部44例如由铝合金铸造物来制作。另一方面，转轴23和转轴外螺纹部46是由铁或其合金的硬材料制作。从而，利用强度更低的铝合金铸造物的粗度变粗的方法，使任何一方特别容易损坏的现象变少。
并且，在转轴23的前端部设有转轴外螺纹部46，其上拧入具有内螺纹部53的套筒49。由此，和在转轴23上设有内螺纹的形态相比，可以使支承在轴瓦24部分的转轴23的外径变小。从而，转轴23的外圆周的速度变小，所以，与轴瓦24之间的旋转摩擦损失变小，不易发生转轴23或轴瓦24的损坏。
另外，在套筒49外圆周设有密封槽50，可以以紧凑的结构来密封油。利用凹窝来轴配合中套筒49与压缩叶轮16之间，所以，旋转时的不平衡变小。
另外，压缩叶轮16的压缩叶轮入口部35的外圆周只要是拧紧在套筒49时能够固定的就可以，例如，可以是六方螺栓形状的零件。
另外，在本发明中虽然只说明了涡轮增压器的应用例，但是，可以应用在微型燃气轮机等的其他的涡轮机或机械驱动压缩机。