[發明專利]一種渦輪葉輪分體式結構

有效

• 申請號: 201410300359.0
• 申請日: 2014-06-19
• 公開（公告）號: CN104074551A
• 公開（公告）日: 2014-10-01
• 發明（設計）人: 王正;王增全;王阿娜;王晉偉
• 申請（專利權）人: 中國北方發動機研究所(天津)
• 主分類號: F01D5/02
• 分類號: F01D5/02;B23P15/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于渦輪增壓技術領域，具體涉及一種渦輪葉輪分體式結構與加工方法。

背景技術

渦輪增壓器是發動機提升功率密度、改善高原環境適應性的關鍵零部件之一，渦輪葉輪作為渦輪增壓器的核心零部件，承擔著將發動機氣缸排出的廢氣能量轉化為增壓器壓氣機葉輪工作所需機械功的功能。目前，增壓器渦輪葉輪主要采用的是鑄造鎳基高溫合金K418材料，但是由于K418合金材料的密度比較大，由其鑄造成型的增壓器渦輪葉輪的轉動慣量也比較大，導致廢氣渦輪增壓發動機的瞬態響應性較差；此外，K418合金渦輪葉輪的重量也比較大，不利于發動機的輕量化設計。

為提高渦輪增壓發動機瞬態響應性，減輕渦輪增壓器的重量，增壓器渦輪葉輪可以采用比強度較高的鈦鋁合金材料代替K418合金材料。由于鈦鋁合金材料的密度為3.87×10³kg/m³，約為K418合金密度的43％，并且鈦鋁合金具有良好的高溫性能和抗氧化性能，采用鈦鋁合金制造的增壓器渦輪葉輪，不僅可以有效降低渦輪增壓器轉子的轉動慣量，改善發動機的瞬態響應性，而且可以降低渦輪葉輪的重量，有助于實現渦輪增壓器和發動機的輕量化。但是，由于鈦鋁合金屬于金屬間化合物，受材料自身特點的影響以及增壓器渦輪葉輪鑄造成型工藝的制約，由鈦鋁合金鑄造成型的增壓器渦輪葉輪普遍存在心部力學性能差的問題，渦輪葉輪的心部拉伸強度僅為母合金拉伸強度的58％，導致鑄造鈦鋁合金渦輪葉輪的超速裕度不足，難以滿足渦輪葉輪的可靠性要求。

發明內容

本發明為解決鑄造鈦鋁合金渦輪葉輪心部強度較低、渦輪葉輪可靠性差的技術問題，提出一種渦輪葉輪分體式結構與加工方法。

渦輪葉輪由輪盤與輪轂組成，輪盤上有錐形盲孔，輪轂上有與輪盤錐形盲孔進行焊接的錐形結構，渦輪葉輪通過輪盤與輪轂的摩擦焊接而成。通過分析渦輪葉輪的應力空間分布特征，合理設計輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數，輪盤在合金鑄造成型的基礎上加工而成，輪轂采用合金棒材機械加工而成。根據渦輪葉輪的材料性能參數以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數，采用摩擦焊接的方式將輪盤與輪轂焊接在一起形成完整的渦輪葉輪。

本發明的技術方案：

一種渦輪葉輪分體式結構，其特征在于：渦輪葉輪由輪盤1和輪轂2組成，所述輪盤1心部有錐形盲孔，所述輪轂2有與輪盤1錐形盲孔進行配合的錐形結構，所述輪轂2錐形結構的高度L₂大于輪盤1錐形盲孔深度L₁，所述輪盤1和輪轂2采用摩擦焊接方式連接形成完整的渦輪葉輪。

一種增壓器渦輪葉輪分體式加工方法，包括以下步驟：

a、確定渦輪葉輪的應力空間分布特征：采用有限元仿真計算方法確定渦輪葉輪的應力空間分布特征；

b、確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數：根據渦輪葉輪的結構參數與應力空間分布特征，確定輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數，渦輪葉輪輪轂部位的最大應力位于輪轂錐形結構中，輪盤的錐形盲孔錐度角θ₁為80-160°，深度L₁為葉輪厚度的20％-60％，底部直徑ΦD₁為5-25mm，錐形盲孔底部B與錐面A有過渡圓角R₁；輪轂錐面C的錐度角θ₂與輪盤錐形盲孔錐度θ₁相同，高度L₂比錐形盲孔深度L₁大2-12mm，錐面小端直徑ΦD₂與輪盤錐形盲孔底部直徑ΦD₁相同，錐面C與底面D之間有過渡圓角R₂，R₂大小與R₁相同，錐面大端與轉軸之間有過渡圓角R₃；

c、輪盤的加工：按照步驟b中確定的輪盤尺寸參數進行輪盤的鑄造與機械加工，輪盤在合金鑄造成型的基礎上經過機械加工而成；

d、輪轂的加工：采用合金棒材，按照步驟b中確定的輪轂尺寸參數，將合金棒材加工成輪轂；

e、確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數：根據渦輪葉輪的材料性能以及輪盤錐形盲孔與輪轂錐形結構的尺寸參數，確定輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數，包括輪盤與輪轂之間的相對旋轉角速度、軸向力與進給量；

f、輪盤與輪轂的摩擦焊接：采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上通過夾具將輪盤與輪轂分別固定在兩端，按照步驟e確定的工藝參數，將輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的渦輪葉輪。