将工作轮固定在轴上的固定装置

摘要

将工作轮(22)固定在一根轴(14)上，特别是将涡轮增压器涡轮(22)固定在涡轮增压器轴(14)上的固定装置(26)，包括一个可拧在轴(14)轴颈(20)上的轴套(34)，和一个工作轮(22)靠近轴侧的轮毂凸肩(30)及定心间隙(32)，轴套(34)安装在轮毂凸肩内且可传递力。轮毂凸肩(30)至少在靠近轴侧的端部基本上成空心圆柱状。此外，固定装置(26)还包括一个压配合套管(36)，该套管在径向外侧以传力方式与轮毂凸肩(30)连接在一起。

说明书

【技术领域】

本发明涉及按照权利要求1前序部分的、将工作轮固定在轴上的固定装置，特别是将涡轮增压器的涡轮固定在涡轮增压器的轴上的固定装置。

【背景技术】

在运转速度较高的机器上，例如在高速速运转的涡轮机中，工作轮与轴之间的连接必须满足很高的要求。这些连接必须在转速较高并产生较高作用力时能确保不出现相对转动，能传递较高扭矩并具有较长的使用寿命，而且为进行维护可多次拆装。

为实现这类连接，已推荐了各种不同的方案。例如，工作轮可以配有一个中心通孔，轴可以配有一个螺纹孔，这样，工作轮即可用紧固螺栓拧上。或者，工作轮在朝向轴的一侧设有带内螺纹的盲孔，在轴端部上安装有一个带有相应外螺纹的螺纹销，从而可以将工作轮直接拧装在轴上。因为工作轮与轴的加工材料往往不同，所以，在使用这类螺纹连接时，一直会因材料膨胀系数不同而引发问题，从而可能导致工作轮运转不平稳。如果材料较软，则多次松开和拧紧后，也可能会造成螺纹部分损坏。此外，可能导致所谓的螺纹咬死现象。直接在工作轮轮毂内或轴内形成的螺纹槽痕可能会导致在部件内产生应力集中，这对轮毂内有螺纹来说会导致轮毂折断。在脉动增压的涡轮增压噐中，一个非常严重的问题是，涡轮要承受较大的周期性扭矩波动。

为避免因螺纹而产生问题，对于直接拧装在轴上的工作轮来说，人们曾建议，在轴与工作轮之间装一个轴套。例如，“柴油机涡轮增压噐和燃气轮机目录1998，第63卷；第686页”上提到的Napir EGT297即采用这类连接方式。在这个例子中，涡轮增压器的压缩机涡轮在靠近轴侧配有一个轮毂凸肩，该凸肩具有一个中心盲孔。在这个盲孔内安装了一个可传力的轴套。该轴套具有一个沿轴向延伸的轴套部分，在靠近轴侧有一个与此垂直、沿径向向外凸出的圆环状轴套法兰，该法兰的外径基本上与轮毂凸肩的端面的外径相同。轴套部分的布置方式是，将轴套法兰与轮毂凸肩的端面紧靠在一起时，轴套部分会接近盲孔的底部。在轴套部分内有两个沿轴向彼此靠在一起的圆柱形间隙，这个工作轮侧圆柱形间隙的直径小于轴侧圆柱形间隙的直径，该间隙带有内螺纹。两个间隙之间形成了一个凸肩，该凸肩与轴套内侧相同的轴颈凸肩一起用于定心。在装配时，首先将轴套以可传力的方式装入压缩机涡轮的中心间隙内，随后将压缩机涡轮与轴套一起拧在涡轮增压器轴的轴颈上。压缩机涡轮本身不带螺纹，因此不会产生应力集中。此外，在选择相应的轴套材料时，可以减小或完全消除多次松开和拧紧后由不同的膨胀系数、螺纹咬合以及软螺纹损坏带来的问题。当采用这种结构时，盲孔和轮毂凸肩的端面、带法兰的轴套、凸肩和螺纹以及带螺纹和凸肩的轴颈都必须达到很高的加工要求，这意味着加工时间和费用都比较高。除此之外，这种结构还会导致漏流量较高。尽管如此，这种连接方式仍无法用于工作轮与轴之间必须传递很高或较高扭矩的连接，例如用于脉动增压的涡轮增压噐，因为这种连接无法传递足够大的扭矩。

【发明内容】

本发明的目的是，提供一种将工作轮固定在轴上的固定装置，特别是将涡轮增压器的涡轮固定在涡轮增压器的轴上的固定装置，这种装置可避免上述缺点并传递很大的扭矩和/或承受较大的扭矩波动。

通过权利要求1所述的特征即可得到一种将工作轮固定在轴上的固定装置。

除了人们所熟悉的、在工作轮轴侧带有中心间隙的上述轮毂凸肩以及安装在轮毂凸肩内可传递力且拧在轴上的轴套外，按照本发明的固定装置还包括一个在径向外侧以传力的方式与轮毂凸肩连接在一起的压配合套管。为此，轮毂凸肩至少在其靠近轴侧的端部附近基本成空心圆柱状，但其径向外表面侧也可以略成锥形、靠近轴侧缩小。这种锥形结构特别适合于压配合。通过外面的压配合套管，可以承受较高的扭矩，也可以承受较大的扭矩波动。

如果处于安装状态时在轴侧通过固定式壳体部件将工作轮与轴承座隔开并且该壳体部件向内沿轴侧径向卡在带轴套和压配合套管的轮毂凸肩后，则可以减少泄漏。如果在止推轴承与轮毂凸肩之间沿轴向安装一个辅助支撑盘并且在安装状态下该支撑盘首先与轴套或压配合套管的一部分靠在一起，则会起到更好的效果。

如果在压配合套管与壳体部件之间和/或轴套与壳体部件之间安装一个密封垫，尤其是曲径环式密封垫，则可以进一步减少泄漏。比较理想的方式是将压配合套管和/或轴套靠近壳体部件的一侧(至少其中一部分)作为曲径环式密封垫的一部分，同时将壳体部件指向轴颈一侧(至少其中一部分)作为曲径环式密封垫的另一部分使用。

如果在轴颈外部的圆周上形成一个或多个定心面，这些定心面与轴套内侧圆周上的一个或多个定心面共同完成定心作用，则可保证定心简单且很精确。在轴颈外部的圆周上和轴套内侧圆周上沿轴向靠近定心面处设有螺纹，这些螺纹互相配合共同发挥作用并且在工作轮与轴之间形成固定连接。如果螺纹沿轴向的延伸量大约等于轴套径向内侧沿轴向伸长量的三分之一至三分之二，则比较理想。

为确保固定牢固，轴套沿轴向指向工作轮侧的各段内径依次减小，这些内径与轴颈相对应。如果为了在带有大轴套内径的一段上将轴套拧在轴颈上而布置了轴套内螺纹，则会对传递扭矩和扭矩波动起积极作用。

除了沿轴向延伸的套管部分外，比较理想的方案是，轴套和/或压配合套管带有一个沿径向向外或沿径向向内凸出的圆环状法兰，该法兰在安装状态下紧靠在轮毂凸肩轴侧的端面上。这些法兰在安装状态下沿径向彼此卡在一起，或者，如果只有压配合套管或只有轴套有一个法兰，则比较理想的是这个法兰沿径向延伸，且卡在轴套部分或压配合套管部分后。

其它理想实施例参见其它相关权利要求的主题。

【附图说明】

以下根据理想实施例详细描述了本发明的主题，这些实施例见以下图示。附图所示为：

图1是压缩机侧涡轮增压器的局部视图，其中示出了一个借助本发明的固定装置固定在涡轮增压器轴上的压缩机涡轮；

图2是图1的局部放大图，其中示出了按照本发明的固定装置的第一种实施形式；

图3至图6是与图2所示类似的图示，其中示出了按照本发明的固定装置的其它实施例。

图中所使用的相关标记及其含义在相关标记列表中一起列出。原则上在图示中相同部件采用同样的相关标记。例如，所描述的实施例适用于本发明对象且没有限制作用。

【具体实施方式】

图1作为按照本发明将一个工作轮22固定在一个轴14上的实施例示出了一个涡轮机的局部。在此沿其纵轴10方向画出了涡轮增压器在压缩机侧12处的局部。压缩机侧有一个涡轮增压器轴14沿径向和轴向支撑在一个轴承元件16内，该轴承元件支撑在一个轴承座18内。轴14有一个轴颈20，该轴颈位于工作轮侧，从轴承元件18中伸出。轴颈20支撑一个压缩机涡轮作为带工作轮叶片24的工作轮22。压缩机涡轮/工作轮22利用按照本发明的固定装置26固定在轴颈20上。工作轮22包括一个轮毂28，其上布置有工作轮叶片24。轮毂28安装在轴侧，带有一个轮毂凸肩30，该凸肩有一个中心间隙32且在其轴端附近大致成空心圆柱状。在间隙32内以可传力方式安装了一个轴套34，该轴套拧在轴颈20上。在轮毂凸肩30的径向外侧以可传力方式布置了一个压配合套管36，该套管可以很好地传递扭矩。涡轮增压器隔板38固定在轴承座18上，用于将压缩机腔40与轴承腔42隔开，该隔板位于带轴套34和压配合套管36的轮毂凸肩30四周且有一部分卡在其后面。带轴套34和压配合套管36的轮毂凸肩30与轴承元件16之间沿轴向布置了一个辅助支撑盘44。在此所示的带有部分轴套34的实施例中，该辅助支撑盘44沿轴向压到底。

图2是图1中按照本发明的固定装置的详细视图。从图中可以清楚地看出，轴套34有一个沿轴向延伸的轴套套管46和一个沿径向向外凸出的圆环状法兰48，该法兰带有一个向轴10方向倾斜、指向隔板38的表面。法兰48在安装状态下与轮毂凸肩30的轴侧端面紧靠在一起，其外径与空心圆柱状轮毂凸肩30的外径相同。以这种方式可以将法兰48与压配合套管36的径向内侧压在一起，在这个实施例中该套管只包住了沿轴向延伸的套管部分58。轴套34有三个沿轴向依次分布且内径不同的段a、b、c，这些直径向工作轮22方向依次减小。轴颈20有三个同形状的段a、b、c，其外径向工作轮方向依次减小，这样轴颈20与轴套34的配合就无任何问题。三段中的中间段b带有螺纹50，该螺纹用于将轴套34拧在轴颈20上。在段a和b附近的轴套34内圆周上和轴颈20外圆周上有定心面52，这些定心面互相配合起定心作用。螺纹50的轴向延伸量大致相当于轴套34径向内侧向轴向延伸量的一半。从图2中可以清楚地看到，轴侧定心面52延伸到轴颈20的段c内，该定心面与轴套34段c的定心面52共同发挥作用，然后沿轴向向轴承元件16方向延伸到轴套34的段c之外，同时还用于辅助支撑44定心。

从图示中也可以清楚地看到，压配合套管36与隔板38之间以及轴套34与隔板38之间形成了曲径环式密封垫54。靠近隔板38、向纵轴10方向倾斜的压配合套管36表面和轴套34表面构成了曲径环式密封垫54的一部分，指向轴颈20、向纵轴方向倾斜的隔板38表面构成了曲径环式密封垫54的另一部分。在这种特殊情况下，平行于纵轴延伸的压配合套管36径向外表面不带曲径环式齿状凹口56，而位于其对面的隔板38表面则带有齿状凹口56。不同技术措施的组合：一个带压配合套管36和轴套34的轮毂凸肩30卡在其后的隔板38、一个密封的辅助支撑44和曲径环式密封垫54一起可以最有效地防止压缩机腔40泄漏。从其它实施例中可以看出，也可以单独采用这些措施的个别措施来实现这一功能。

图3示出了按照本发明的固定装置26，该装置的结构与图1和图2中所示相同，但是在此压配合套管36、轴套34和隔板38没有向轴10方向倾斜的表面。也没有曲径环式密封垫54。平行于纵轴10延伸的隔板38径向外表面可以有曲径环式齿状凹口56，但是也可以象轴侧区域60内通过刻线所表示的那样不带齿状凹口。压配合套管36的对侧不带曲径环式齿状凹口56。

图4所示固定装置26的结构原理与图1和图2中所示相同。但是，在这个实施例中不仅轴套34有一个圆环状法兰48，压配合套管36在轴侧也带有一个环状法兰62，该法兰在安装状态下紧靠在轮毂凸肩30的端面上。轴套和压配合套管的安装方式是，法兰48、62压到或拧到轮毂凸肩30上后以压紧方式彼此连接在一起。但是，与图3所示的实施例相反，也可以象通过刻线64所表示的那样，采用不带圆环状法兰48的轴套34，而是让压配合套管的环状法兰62沿径向向内延伸至空心圆柱状轮毂凸肩30的内径处。在这个图示中没有画出隔板38，但是该隔板与压配合套管36和轴套34一起构成了曲径环式密封垫54。与图1至图3所示固定装置26的实施例相反的是，在这个实施例中轴颈20的第一段a由一个很小的外径构成。与此相同的是，轴套34的段a同样带有很小的内径。这会使段a与b之间的刺入处集中应力较小。但是段a的表面可以作为定心面52使用。    

图5所示固定装置26实施例的结构与图4所示相同，轴套34和压配合套管36的两个法兰48、62不是采用压紧方式连接，而是彼此卡在一起。轴套34的圆环状法兰48为此配有一个凸肩66。

象图6所示的实施例那样，轴套34也可以只具有内径不同的两个段a、b，在靠近轴侧的大直径段b上设有螺纹50，在靠近工作轮侧的小直径段a上设有定心面52。轴颈20的结构相同，但是在轴侧有一个带定心面52的附加段c，该定心面用于辅助支撑44定心。轴套34的圆环状法兰48沿径向伸出到轮毂凸肩30之上且卡在压配合套管36之后。

虽然在这些图示中没有明确地画出这一点，但是轮毂凸肩30也可以成锥形，靠近工作轮22侧较大。这样可以有利于轮毂凸肩30与压配合套管及轴套之间以可传力方式连接。图1至图6中按照本发明的固定装置26的特征在于，可以按任意方式或多或少彼此组合在一起。但是，用于拧在轴颈20上的螺纹50最好位于带大直径的某一段上，螺纹长度大约等于轴套34径向内侧沿轴向伸长量的三分之一至三分之二。如果因工作轮22及其轮毂凸肩30的几何尺寸所限，或在辅助支撑44外侧轮毂凸肩30与轴承元件16之间还要布置定心所需要的其它元件，则定心面的数量也可以多于两个。也可以采用多个螺纹。轴套34和压配合套管36也可以采用单件形式。但是这对部件34/36的加工要求比较高，对与轮毂凸肩30之间以传力方式连接的要求也比较高。安装工作轮22前将轴套34或压配合套管36压到或拧到轮毂凸肩30上。然后将工作轮22与压配合套管36和轴套34一起，利用轴套34内的螺纹50拧到轴颈20上。

附图标记一览表

10  纵轴

12  涡轮增压器的压缩机侧

14  轴

16  轴承元件

18  轴承座

20  轴颈

22  工作轮/压缩机涡轮

24  工作轮叶片

26  固定装置

28  轮毂

30  轮毂凸肩

32  间隙

34  轴套

36  压配合套管

38  隔板

40  压缩机腔

42  轴承腔

44  辅助支撑

46  轴套套管

48  圆环状法兰

50  螺纹

52  定心面

54  曲径环式密封垫

56  曲径环式齿状凹口

58  套管部分

60  轴侧区域

62  环状法兰

64  刻线

66  凸肩