用于高速涡轮机的压气机叶轮固定装置 本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于高速涡轮机的压气机叶轮固定装置。
涡轮机的压气机叶轮或者通过摩擦连接或者通过形状连接与其驱动轴相连接。当压缩比升高从而导致驱动转矩升高时以及较大的圆周速度时比较有利的是采用形状连接传递转矩，也就是说，压气机叶轮的轴-轮毂-连接采用的形状连接比较有利。
EP 05 22 630 B1公开了一种形状连接的压气机叶轮固定装置，该装置借助花键轴实现连接。在该解决方案中，由于键槽所带的槽口而限制了轴-轮毂-连接的寿命。此外还需要另外一个对中件，该对中件增加了压气机叶轮的成本。由于制造条件所限会产生花键轴的加工误差，因此这种轴-轮毂-连接必须总是需要作为一个单元进行平衡适配，此时为了进行完全相同的再装配，必须相应地在各部分做上标记。因此要用另外一个未与压气机叶轮平衡适配过的轴装入该压气机叶轮中是不可能地。这一点在修理时是一个重大的缺陷。
借助螺纹实现形状连接的压气机叶轮固定装置在US 3,961,867和WO 93/022778中都公开过。其缺陷同样是因制造条件所限会产生螺纹的加工误差。此外在压气机叶轮出现较高的驱动扭矩时要求有较高的拧紧或拧松扭矩。特别是在压气机叶轮较大时，拆卸所要求的拧松扭矩可达驱动扭矩的两倍。这样的力只有借助特种工具或借助传动机构才能传递。而这就明显地增加了拆卸压气机叶轮所要求的费用。借助螺纹固定压气机叶轮的另外一个缺点是，在安装压气机叶轮时轮毂螺纹首先与轴螺纹相接触的部分要到达其最终位置必须经过轴螺纹上相当长的一段距离。由于所参与的螺纹间隙很小，因而在单个螺纹之间，也就是说在没有任何润滑的部分，产生相当强的挤压。结果就出现了所谓的咬蚀或者螺纹变形，这样在每一次新的安装时就出现另外一种结果。所以这样一种连接不足以实现重复装配。此外在这种解决方案中还公开了带一盲孔的压气机叶轮，该盲孔就其轴-轮毂-连接来说不同于带一通孔的压气机叶轮。
根据FORTUNA-WERKE机械制造股份公司，Stuttgart-BadCannstatt分厂“关于应用多边形连接的说明”，公开了用于冷却装置风扇的一种小正齿轮轴和压气机叶轮。为了将压气机叶轮旋紧到轴上，两个构件具有基面为多边形的锥形截面，此处轴锥体设置于轴端部。轴锥体和轮毂圆锥体，也就是轴和压气机叶轮的真正的接触位置，位于压气机叶轮后壁上靠近压气机的一侧，当然要位于压气机叶轮的重心上。该区域具有最高的应力集中，在涡轮增压机运行时必然承受最大程度的扩张。从而导致该种连接的安全性随着压气机叶轮圆周速度的升高而下降。高速涡轮机，比如涡轮增压机，圆周速度可达500m/s以上。这样的圆周速度显然对转矩传递和轴-轮毂-连接的安全性有更高的要求。该要求以传统的技术背景无法实现。
本发明旨在避免所有上述缺点。其任务是，设计一种用于高速涡轮机的既安全又可重复装配的压气机叶轮固定装置，此装置另外还具有较好的转矩传递特性。
根据本发明，该目标是这样实现的，位于压气机叶轮的通孔的轮毂圆锥体和与其相匹配的轴锥体都各有一个平均直径，该平均直径位于离压气机叶轮的重心一定轴向间距的位置，该间距至少相当于半个平均直径。这里轮毂的通孔在轮毂圆锥体轴向一侧至少部分地做成柱形孔。
在该种布置中，轮毂圆锥体和轴锥体，也就是真正的固定件，位于压气机叶轮重心外侧。因此在压气机叶轮的固定部分具有明显较小的离心力或热膨胀载荷，这样可以显著减小轮毂圆锥体的扩张。所以即使在高转速下也能实现安全的压气机叶轮固定。位于轴向一侧的柱形孔用作压气机叶轮的对中座。
特别有利的是，轮毂通孔在轮毂圆锥体的两侧都至少部分地做成柱形孔，其中第二个孔，也就是靠近压气机一侧的孔用于辅助安装。
第一个实施例中，压气机叶轮有一个在轴向一侧连接于后壁上的轴颈的固定轴套。其中轮毂圆锥体装于固定轴套内，柱形孔位于轮毂圆锥体的两侧，也就是轴向一侧或压气机叶轮一侧。采用这个特别适于内部支承的涡轮增压机的方案，固定件到压气机叶轮重心的间距可进一步扩大。这使得压气机叶轮固定更好，允许更高的转速并且不会有危险。
固定轴套在轮毂的轴向一侧最好做成平面，同时在轴上做成相应的平面轴肩。以此不仅达到压气机叶轮的明确的轴向定位，而且达到良好的同心度。
轴颈至少由两部分构成，包括轴锥体和一个与对中座，也就是轴向一侧的柱形孔相匹配的轴环。作为两部分结构形式的另一种选择，轴颈也可至少由三部分构成。对此该轴颈另加一个柱形轴端，该轴端用于压气机叶轮在轴颈上定位时的预先对中。由于此预先对中，在安装压气机叶轮时就不会出现轴锥体和轮毂圆锥体的径向移动，这样就可以避免损伤真正的固定件。最后上述方案产生了较好的轴-轮毂-连接，从而提高了压气机叶轮的使用寿命。
在压气机叶轮的通孔和轴颈内，至少各有一个用于安装拆卸工具的接纳装置。借此压气机叶轮可以从压气机一侧相当容易地装卸。特别有利的是，轴颈的该接纳装置位于轴端，在两部分构成的轴颈中位于轴锥体内。该接纳装置是内螺纹形式的，其中轴端或者轴锥体的内螺纹比位于轮毂的内螺纹小。该安装拆卸工具是带有两个不同螺距的外螺纹的差动螺杆。其中螺距较小的外螺纹与轮毂内螺纹相匹配，螺距较大的外螺纹与轴端或轴锥体的内螺纹相匹配。
差动螺杆或者说其差动螺纹不仅用于安装/拆卸工具，而且用于压气机叶轮在轴上的轴向保险作用。因此不需要另外的安装/拆卸工具。
在本发明的第二种实施例中，轮毂圆锥体位于压气机叶轮重心靠近压气机的一侧。由此压气机叶轮受离心力或热膨胀作用的负荷远远小于轮毂圆锥体位于重心上时所受负荷。在这种特别适于涡轮增压机外部轴承的方案中，还可以更明显地降低轮毂圆锥体的扩张，从而进一步改善压气机叶轮的固定。此外还使构件的轴向长度更小。
在该解决方案中，轮毂在重心靠近压气机的一侧形成一平面，轴具有相应的平面轴肩。在压气机叶轮的该部分相对于其它部分温度最低，因此不会出现由于轴向热膨胀引起较大的表面挤压。所以可以提高轴-轮毂-连接的使用寿命。
附图中借助废气涡轮增压机的压气机给出了本发明的多个实施例。
图示为：
图1是内部支承的废气涡轮增压机在压气机叶轮部分的局部纵剖视图；
图2是根据图1所示压气机叶轮在轴锥体部分的截面Ⅱ-Ⅱ(放大图)；
图3是内部支承的废气涡轮增压机对应于第二种实施例的局部纵剖图；
图4是外部支承的废气涡轮增压机在压气机叶轮部分的局部纵剖图。
图示只给出了对理解本发明较重要的零件。未给出例如废气涡轮增压机的涡轮一侧和与废气涡轮增压机相连的内燃机等装置。
废气涡轮增压机包括一个径流式压气机形式的压气机1和一个未示出的废气涡轮，两者安装于一公共轴2上。径流式压气机1有一压气机壳体3，在该壳体内压气机叶轮4以可转动方式支承在轴2上。压气机叶轮4包括一个备有多个工作叶片5的轮毂6。在轮毂6内开设一个位于中心的、容纳轴2的轴颈7的通孔8(图1)。通孔8部分构成具有基面10的轮毂圆锥体9(图2)。轴颈7支承与轮毂圆锥体9相应的轴锥体11，该轴锥体本身同样具有多边形基面12。
压气机叶轮4的轮毂6在轴向一侧备有一后壁13。压气机叶轮4的重心处于该后壁13靠近压气机的一侧。通孔8在轮毂圆锥体9的两侧制造成柱形孔15,16。两孔15,16与通孔8的轴17同轴。
当然根据本发明的技术方案也可用于压气机1为轴流式压气机的废气涡轮增压机上(未给出图示)。
在第一种实施例中，废气涡轮增压机有一内轴承，也就是说在涡轮或者同样未示出的涡轮壳体与压气机壳体3之间有一轴承箱18，轴承箱内装有轴向/径向轴承19，轴2可转动式支承在该轴承内。在轮毂6的后壁13轴向一侧连接有轴颈7的一个固定轴套20。固定轴套20端部有一平面21，同时轴2有一相应的轴肩22。轮毂圆锥体9和轴锥体11都位于固定轴套20。两者都各有一个平均直径23,24，并且位于离压气机叶轮4的重心14一定轴向间距25的位置处，该间距至少相当于半个平均直径23,24。在轮毂圆锥体9的每一侧各有一个柱形孔15,16。
轴向/径向轴承19包括一个通过螺钉26固定在轴承箱18上并因此固定的轴承体27以及一个与轴2旋紧连接的轴承凸轮28。轴向/径向轴承19与压气机叶轮4被一个作为辅助轴承套圈的中间件29隔开，该中间件在靠近压气机一侧具有另一个用于固定轴套20的止挡30。轴承箱18与压气机壳体3之间装有一中间隔板31，该隔板通过固定螺钉32固定到轴承箱18上。该中间隔板31支承压气机叶轮4的轮毂6的固定轴套20，与该轴套之间例如通过迷宫式密封结构实现密封(未示出)。
轴颈7由三部分构成，包括一柱形轴端33，轴锥体11和一连接在轴2上的柱形轴环34。轴锥体11在轴端33一侧直径最小(图1)。
轴颈7和轮毂6在其压气机一侧的端部都各有一内螺纹形式的接纳装置35,36，用于接纳压气机叶轮4的差动螺杆式安装/拆卸工具37。为此轴端33的内螺纹35比轮毂6的内螺纹36小。差动螺杆37有两个不同大小和不同螺距的外螺纹38,39。较大的外螺纹38具有较小的螺距并与轮毂6的内螺纹匹配，而较大螺距的较小外螺纹39与轴端33的内螺纹35共同作用。此外差动螺杆37有一个内六角形的内缘孔40用于未示出的操作件。
当然也可以较大的外螺纹38配以较大螺距，而较小的外螺纹39配以较小螺距，从而在安装时要求安装/拆卸工具37相对图1所示的方案反向旋转。很显然也可采用另外一种压气机叶轮4的安装/拆卸工具，例如液力装置。
安装压气机叶轮4时，首先将差动螺杆37旋入压气机叶轮4大约三分之一。紧接着将压气机叶轮4穿过柱形轴端33往前推，直到差动螺杆37的较小外螺纹到达轴端33的内螺纹35。然后借助操作件旋转差动螺杆37，直到压气机叶轮4以其平面21靠到止挡30上。此时，在反推时用作轴向/径向轴承19的座圈的辅助轴承套圈29就被夹紧在轴2的平面轴肩与压气机叶轮4的平面21之间。当通过外螺纹38,39的不同螺距将压气机叶轮4拧上时，由于外螺纹38,39的不同直径就可避免差动螺杆37的错误安装，从而不会如前述损伤螺纹。差动螺杆37在废气涡轮增压机运转时仍然在通孔8内，为压气机叶轮4形成一道附加的轴向保险。此外在安装完压气机叶轮4之后，将操作件从差动螺杆37的内六角40上移走。拆卸压气机叶轮时按上述相反次序进行。
根据第二种实施例，废气涡轮增压机同样有一内轴承。但与第一种实施例不同的是，轴颈7只有两部分构成，包括轴锥体11以及与轴向一侧的柱形孔16相匹配的轴环34(图3)。该情况下，内螺纹形式的接纳装置35位于轴锥体11的内部，因此需要一个相匹配的安装/拆卸工具37’，也就是说需要采用一个加长的差动螺杆。因此可选用作为压气机叶轮4的另外一种固定形式，其中安装/拆卸工具类似第一种实施例。
在第三种实施例中，废气涡轮增压机有一个位于压气机叶轮4的逆流方向的外轴承，图中只给出了轴承箱18’及密封圈41。轮毂圆锥体9和轴锥体11都位于压气机叶轮4上靠近压气机的一侧。轮毂6的两个柱形孔15,16位于轮毂圆锥体9的轴向同一侧。该两个柱形孔具有相同的直径并在压气机叶轮4的重心14处相互过渡合并。轴颈7由三部分构成，包括柱形轴端33’，轴锥体11和一连接于轴2上的柱形轴环34’，其中轴端33’用于支承形成螺纹轴套的安装/保险件37”。与第一种实施例不同，在这里，轴环34’与轮毂6的两个柱形孔15,16相配合。轮毂6在轮毂圆锥体9的轴向一侧具有一平面21’，该平面与轴环34’的相应形式的平面轴肩22’共同作用(图4)。
安装时，首先将压气机叶轮4推到轴颈7上，紧着借助螺纹轴套37”套到轴锥体11上。当平面21’与平面轴肩22’接触后，就产生了满足要求的轴-轮毂-连接。
附图符号清单1压气机2轴3压气机壳体4压气机叶轮5叶片6轮毂7轴颈8通孔9轮毂圆锥体10 9的多边形基面11轴锥体12 11的多边形基面13 6的后壁14 4的重心15柱形孔16柱形孔17轴线18轴承箱19轴向/径向轴承20固定轴套21平面22平面轴肩23 9的平均直径24 11的平均直径25间距，轴向26螺钉27轴承体28轴承凸轮29中间件，辅助轴承套圈30止挡31中间隔板32固定螺钉33 7的柱形轴端34柱形轴环35接纳装置，内螺纹36接纳装置，内螺纹37安装/拆卸工具，差动螺杆38 37或37’的较大外螺纹(较小螺距)39 37或37’的较小外螺纹(较大螺距)40内缘孔，内六角41密封圈18’轴承箱21’平面22’平面轴肩33’柱形轴端34’柱形轴环37’安装/拆卸工具，差动螺杆(加长)37”安装/保险件，螺纹轴套