[发明专利]废气涡轮机的涡轮机转子以及用于制造涡轮机转子的方法

说明书

本发明涉及一种废气涡轮机的涡轮机转子以及一种用于制造涡轮机转子的方法。

这种涡轮机转子由作为结构单元的涡轮机叶轮和转子轴构成，且例如是废气涡轮增压机的工作轮的一部分，并用于把在内燃机废气中含有的废气能量转变为工作轮的旋转能量，还把这种旋转能量传递到于涡轮机转子连接的压缩机轮上，借助于压缩机轮，利用旋转能量来使得输送给内燃机的空气产生提高的压力，进而提高内燃机的功率和效率。

替代地，例如也可以使得发电机与涡轮机转子耦接，借助于发电机使得旋转能量转变为电能，电能又能在多方面得到利用。

但这种主要应用领域涉及用于汽车中的内燃机的废气涡轮增压机，因此，为便于理解，此后在说明书中参见废气涡轮增压机。

废气涡轮增压机广泛地应用于提高汽车内燃机的功率。此点日益频繁，其目的是，在功率相同或者甚至提高的情况下，减小内燃机的结构尺寸和重量，同时针对日益严格的法律规定在此方面减少消耗，进而减少CO₂排放。工作原理在于，利用废气流中含有的能量来提高内燃机进气道中的压力，从而改善对燃烧室的空气-氧气填充度，进而能在每次燃烧过程中都利用更多的动力燃料即汽油或柴油，因而提高内燃机的功率。

为此，废气涡轮增压机具有设置在内燃机废气道上的涡轮机和设置在进气道上的压缩机，压缩机带有能建立压力的压缩机叶轮。涡轮机叶轮和转子轴材料配合地相互连接，由此形成一个结构单元。压缩机叶轮抗扭地固定在涡轮机转子的转子轴的与涡轮机叶轮相对的端部上，其中，转子轴可转动地支撑在布置于涡轮机与压缩机之间的轴承单元中。由此借助于废气质量流驱动涡轮机转子，而通过转子轴又驱动压缩机叶轮，由此利用废气能量在进气道中建立压力。

涡轮机轮在工作时位于热的废气流中，进而受到很大的温度波动，其中，尖峰温度乃至达到高于1000℃。同时，涡轮机转子以高达300000U/min的很高的转速旋转，因此，由于所出现的大的离心力而使得涡轮机叶轮特别是涡轮机轮叶片遭受很大的机械负荷。此外，特别是涡轮机轮的质量对于涡轮机的动态响应特性意义重大，这与按照大负荷对涡轮机叶轮进行的大质量设计背道而驰。

因此针对涡轮机叶轮广泛地采用耐高温的金属合金，比如钛-铝合金(TiAl合金或铝化钛)或Ni基合金，其特点尤其在于其在高温情况下的高的比强度还有低的比重。此外，这种耐高温的金属合金的热膨胀系数很接近于在涡轮机制造中常用的金属，这有助于避免因热膨胀不同引发的问题。实际上使用内部金属混合物，其主要成分为钛和铝或镍。

例如由DE 10 2007 048 789 A1也已知，对于TiAl合金来说，完全可以改变具体的合金组分，还可以含有其它成分，其通常的特点为，钛含量介于50％和60％之间(重量含量)，而铝含量＞25％(重量含量)。其它成分例如可以为Cr、Nb、B、C或Mo。钛合金形成四方晶系的所谓的γ-TiAl相(伽马-铝化钛)，且根据其它不同相的含量而称为伽马合金、二相合金或片层合金。

Ni基合金例如是Inco 713C、Inco 713LC、MAR-M246、MAR-M 247、B1964、IN100或GMR-235。

在下面的论述中，所有这些合金组织都统一地称为“耐高温的金属合金”。

另一方面，转子轴是涡轮机转子的支撑系统的一部分，且必须能够承受较大的变化弯曲负载，必须至少在支撑区域具有足够硬的外层，以便避免轴承卡住。另一方面，转子轴不像涡轮机叶轮那样遭受极高的温度。

适合于这种应用的相应材料例如为钢、特别是结构钢、低合金的或高合金的调质钢，比如42CrMo4(1.7225)、X22CrMoV12-1(1.4923)或X19CrMoNbVN11-1(1.4913)，或者还有超合金比如Inconel或Incoloy(也参见DE 10 2007 048 789 A1)。这些材料在下面的论述中简单地统一地称为钢。

为了能够利用相应材料的各自优点，涡轮机转子因而由上述组分制成，涡轮机叶轮由耐高温的金属合金制成，转子轴由钢制成，结果必须有利地借助于材料配合连接而接合成一个结构单元。

材料配合连接的连接各方借助原子力或分子力而接合，是不可松开的连接，只有在损坏的情况下才能再松开。相关地，材料配合连接尤其系指焊接和钎焊连接。