压缩机叶轮制造技术

本发明专利技术介绍一种压缩机叶轮（７），它包含一系列从中心轮毂（２１）伸出的叶片（２０），此轮毂将旋转轴（８）与背面（２５）相连接。压缩机叶轮背面（２５）的一个表面区域形成残余压缩应力层（２６，２７）。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及压缩机叶轮和安装在旋转轴上的压缩机叶轮组件。其中包括但不仅仅包括涡轮增压器的压缩机叶轮组件。涡轮增压器是众所周知的为内燃机进气口提供高于大气压力(升压)的空气的装置。传统的涡轮增压器基本包括由废气驱动的涡轮，它被安装在涡轮外壳内的旋转轴上。涡轮叶轮的旋转使得安装在压缩机外壳内的轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气提供给引擎的进气管，从而增加引擎功率。此轴被支撑在处于连接在涡轮和压缩机叶轮外壳之间的中心轴承外壳内的枢轴和止推轴承上。传统压缩机叶轮包括前面(由一系列从中心轮毂伸出的叶片组成)和后面(在涡轮增压器工业中通称为“背面”)。中心轮毂上有孔，用来接纳涡轮增压器轴的一端。通常用铝合金来制造压缩机叶轮，虽然对于某些应用，尤其是工作温度较高的高压力比压缩机，最好采用钛合金、陶瓷或超级合金。在汽车工业中喜欢用浇铸的制造方法，以获得高性价比。也可以用实心棒料机加工来形成压缩机叶轮。如上所述，涡轮增压器轴通常用枢轴和止推轴承来支撑，此轴承包括一些适当的润滑系统，后者处在连接在涡轮和压缩机叶轮外壳之间的中心轴承外壳内。在传统的涡轮增压器设计中，轴从轴承外壳穿过压缩机外壳后板(即油封板)内的适当通道通过压缩机外壳，止推轴承组件处于轴承外壳内的板附近。为防止油泄漏到压缩机叶轮内，通常在此止推轴承组件中装入包含油控制装置(在涡轮增压器工业中往往叫做“抛油圈”)的密封组件。抛油圈是一个随轴旋转的元件，而且包含将油抛出轴、特别是从轴承外壳进入压缩机外壳的通道的径向伸出表面。位于止推轴承和密封组件附近的环形喷溅室收集油，以在润滑系统内再循环。抛油圈可以是单个元件或另一个元件(如止推轴承和/或密封组件的一部分)的整体部分。现代对涡轮增压器性能的要求是增加给定尺寸涡轮增压器的空气流量，这导致旋转速度的增加，例如超过100,000rpm。速度增加就希望采用铝和钛合金等重量轻的材料，以降低压缩机的旋转惯性质量。不过，速度的增加还使得在过渡工作条件下压缩机所受的负荷加大。因此，考虑负荷和疲劳对压缩机叶轮的作用是很重要的，以确保它能工作在所要求的旋转速度，而同时在整个预期寿命内具有充分的可靠性。分析表明，轮毂孔是压缩机叶轮的高应力区。例如，美国专利6,164,931中就建议对轮毂进行处理，以减小因孔内圆周上产生残余压缩应力而引起的表面缺陷。美国专利6,481,970提出的另一途径是，通过提供紧配合尺寸而在轮毂孔内造成预定的预应力，从而降低径向孔应力。但是，尽管有这样一些建议，本申请人仍然发现压缩机叶轮的疲劳是一个问题。本申请人尤其发现有超乎预期数量的压缩机叶轮出现早期疲劳。本专利技术的目的是消除或减轻上述问题。本专利技术提供的压缩机叶轮具有一条旋转轴线并包含许多叶片，后者一般是从该轴线沿径向并从盘状支撑的一个面沿轴向伸出，而该支撑的相对面界定一个叶轮背面，其中至少一部分背面具有一个残余压缩应力层，它延伸至背面表面下一定深度。本申请人发现，比例多得惊人的压缩机叶轮失效，包括早期失效，是由于在压缩机叶轮背面上出现裂纹而造成的。这类裂纹连续蔓延直至产生严重的失效。这类失效是不可预测的，因为它们与压缩机叶轮的应力分析不一致，这种分析表明压缩机叶轮的背面实际上是压缩机叶轮应力较低的区域。本申请人已经找到背面开始出现失效的两个特别重要的因素。对生产的质量进行了仔细的控制，以尽可能减小压缩机叶轮内的3D缺陷。但是，本申请人目前惊奇地发现，即使看起来很小而且不重要的2D表层缺陷，虽然通常不认为是不满足制造质量要求，但仍将增加压缩机叶轮早期失效的可能性。其次，一些由裂纹引起的失效是从压缩机背面和抛油圈元件之间的交界面处开始的。这些疲劳好象是被抛油圈外径留在背面上的压痕外径引起的。这类失效的特征是形成周边裂纹，它由于外加的径向应力而开始渗透到叶轮内。随着轴环应力成为主要应力，裂纹改变方向并在径向继续增长直至碎裂，最终使压缩机叶轮破裂。原则上至少某些失效形式可通过修改压缩机叶轮的结构来补偿。例如，加长背面有望使应力重新分布，并通过将接触应力与轮毂孔处的最大应力分开而帮助减轻抛油圈界面处的失效。不过，加长背面将需要重新设计其它的压缩机/涡轮增压器元件，这将是很费钱的，而且在许多情况下，由于对压缩机总体尺寸的限制是不可能的。正如在本说明书引言中所述，人们知道形成残余压缩应力层可以改善各种材料的疲劳寿命。但是本申请人认定的一些失效形式一般并不认为是与“疲劳”有关的失效。例如，这些失效可以在压缩机叶轮寿命内的任何时刻发生。而且实际上在产生早期失效方面可能尤其成问题。但是，本申请人曾经发现，形成残余压缩应力层在减少上面讨论的失效模式方面是有效的。具体而言，已发现形成残余压缩应力层可抑制背面内裂纹的形成，并阻止任何裂纹的蔓延，这些裂纹确实仍然在形成，而且否则会导致严重的失效。残余压缩应力层的形成似乎改善了存在任何微弱缺陷的表面内的局部应力。这降低了叶轮对这类看起来不明显的二维表层缺陷的敏感度，这些缺陷一般并不认为是超出可接受的制造公差范围，但本申请人已证明它们将导致失效。此残余压缩应力层可能基本上复盖差压缩机叶轮的整个背面，或者仅仅是作用于已看出可能形成的裂纹将成为一个特殊问题的区域。在一个优选实施例中，残余压缩应力层至少复盖压缩机叶轮背面的一部分，此背面在使用中与压缩机叶轮组件的一个元件交界。该元件可包括止推轴承组件的一个元件，典型地包括抛油圈一类的油控装置。这个实施例在防止开始于抛油圈和压缩机叶轮交界处的失效等是有用的。除了抑制裂纹的形成和蔓延之外，残余压缩应力层还可减少在抛油圈外径处出现凹痕，否则的话可能增加出现裂纹的可能性。本申请人已经认识到的、在形成残余压缩应力层时的一个问题是，背面的某些区域对于在所需机械力下的变形很敏感。例如，背面可能在压缩机叶轮的外边缘或背面的轮廓区域变形。因此，在一个优选实施例中，将背面的至少一个选定区内残余压缩应力层减小，以防止叶轮在该选定区内变形。压缩机叶轮在使用时与旋转轴相连。轴和叶轮的过渡区可包含由残余压缩应力层形成的区域。例如，叶轮可焊到轴上，比如与叶轮和包含内圆角半径的轴之间的过渡区通过摩擦焊接。因而，本专利技术的另一种形式提供压缩机叶轮组件，它包括与绕轴线旋转的轴焊接的压缩机叶轮，此压缩机叶轮包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定压缩机叶轮背面，其中在背面和轴之间在焊接区界定一个过渡区，后者有一个残余压缩应力层延伸到背面表面下一定深度。本专利技术还提供一种制造压缩机叶轮的方法，以增加对临界失效的抵抗力。此压缩机叶轮有一条旋转轴并包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定压缩机叶轮背面，其中背面的至少一部分经过处理，以形成延伸到该背面表面下一定深度的残余压缩应力层。此残余压缩应力层最好是通过在该区域实行冷加工处理而形成。已经有几种形成残余压缩应力层的冷加工技术可以改善多种材料的疲劳寿命，例如抛光、喷丸硬化、重力硬化和激光震动硬化。本专利技术人曾经发现，这些方法也适用于按本专利技术形成残余压缩应力层。在本专利技术的一个优选实施例中，此压缩应力层是通过滚光加工而引发的。在本专利技术一些优选实施例中，该层的深度比在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压缩机叶轮，此压缩机叶轮有一根旋转轴并包含许多叶片，它们一般是沿径向离开该轴线并沿轴向从盘形支撑的一个面伸出，该支撑的相对面界定叶轮背面，其中背面的至少一部分具有延伸到背面表面下一个深度的残余压缩应力层。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：D麦肯齐，
申请(专利权)人：奥尔塞特工程有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]