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CN106662118A - 压气机 - Google Patents

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CN106662118A
CN106662118A CN201480078143.2A CN201480078143A CN106662118A CN 106662118 A CN106662118 A CN 106662118A CN 201480078143 A CN201480078143 A CN 201480078143A CN 106662118 A CN106662118 A CN 106662118A
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resinous material
shell
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compressor
section
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铃木浩
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Abstract

压气机具备：叶轮，其包括轮毂以及在该轮毂的外表面设置的多个叶片；外壳，其收纳所述叶轮；所述外壳具有：护罩部，其与所述轮毂的外表面对置而在该护罩部与所述外表面之间形成流体流路，并且该护罩部包围所述叶轮；壳体部，其与所述护罩部一体形成并且支承所述护罩部；所述护罩部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为65MPa以上200Mpa以下，并且断裂应变为0.3mm/mm以下的第一树脂类材料，所述壳体部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为40MPa以上，并且断裂应变为0.1mm/mm以上的第二树脂类材料。

Description

压气机
技术领域
本公开涉及压气机。
背景技术
压气机例如用于在机动车等中搭载的涡轮增压器(排气涡轮增压器)。涡轮增压器具有将排气的能量转换为动力的排气涡轮，利用排气涡轮输出的动力来驱动压气机。压气机在工作中对向发动机供给的空气进行压缩，由此来实现发动机的热效率的提高等。
压气机具备外壳和收纳在外壳内的叶轮。叶轮具有轮毂和在轮毂的外周面配置的多个叶片，轮毂的外周面具有喇叭形状。具有在外壳与轮毂的外周面之间形成流体流路的护罩部，在流体通过流体流路的过程中利用叶片对其进行加速。外壳一般由铝铸件、钢铸件等金属构成，但是近些年，出于轻量化和降低成本等目的，使用树脂制的外壳。
然而，树脂制的外壳与金属制的外壳相比热膨胀大，存在外壳与叶片之间的间隙随着外壳的温度上升而变大，压气机效率降低这样的问题。另外，树脂制的外壳与金属制的外壳相比强度低，为了防止在叶轮破损时叶轮的碎片向外部飞散，也就是说为了提高防护性，必须使外壳的壁厚变厚、设置肋部等来对外壳进行补强。由此，存在与通过使用树脂制的外壳所带来的轻量化、降低成本等优点相互抵消的问题。
为了解决这些问题，在专利文献1所公开的压气机中，在叶轮与树脂制的外壳之间配置有金属制的护罩(金属护罩)。金属护罩的热变形量比树脂小，因此能够使伴随着金属护罩的温度上升的金属护罩与叶片之间的间隙的扩大量相对变小。因此在设置金属护罩的情况下，能够确保良好的压气机效率。另外，金属护罩具有优异的强度，因此能够确保良好的防护性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特开2011-064118号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
如专利文献1所公开的那样，在使用树脂制的外壳的情况下，通过设置金属护罩，能够确保良好的压气机效率和防护性。然而，无论有无金属护罩，都希望利用树脂制的外壳自身的特性，确保良好的压气机效率和防护性。
鉴于上述实情，本发明至少一实施方式的目的在于提供一种压气机，使用由树脂类材料构成的外壳，无论有无金属制的金属护罩，都能够确保良好的压气机效率和防护性。
用于解决技术问题的技术方案
为了达成上述目的，本发明发明人经过了锐意研究。
首先，为了确保良好的防护性，需要防止外壳的断裂，为此，外壳需要通过变形来吸收叶轮的碎片的碰撞能量。从该观点出发，优选在外壳中使用的树脂类材料的韧性高。
作为具有较高韧性的树脂类材料，例如，包括作为聚酰胺类树脂的一种的PA46。于是通过模拟，评价在100℃的温度下金属制的叶轮发生损伤的情况下的、仅由主成分为PA46的树脂类材料构成的外壳的形状变化。其结果是，发现虽然从叶轮发生损伤开始数毫秒后外壳大幅变形，但是不会产生裂纹。
另一方面，为了确保良好的压气机效率，需要确保外壳与叶轮的叶片之间的间隙小，因此优选树脂类材料的热变形量小。
在这一点，PA46的热变形量大，在压气机中使用仅由主成分为PA46的树脂类材料构成的外壳的情况下，难以确保良好的压气机效率。
作为热变形量较小的树脂类材料，例如，包括作为聚酰胺类树脂的一种的PA9T。于是通过模拟，评价在100℃的温度下金属制的叶轮发生损伤的情况下的、仅由主成分为PA9T的树脂类材料构成的外壳的形状变化。其结果是，发现在从叶轮发生损伤开始数毫秒后遍及外壳整周地产生裂纹而断裂。此时的断裂应变(等效断裂应变)为大约0.01mm/mm。
认为这样的外壳的断裂的原因是，PA9T具有良好的热变形性但韧性低，不能通过变形来充分吸收由于受到叶轮的碎片撞击的碰撞能量，外壳发生脆性破坏。
基于上述评价结果，本申请发明者进行了进一步的研究，发现只要使用由静态拉伸强度及断裂应变分别处于规定范围内的树脂类材料构成的外壳，就能够确保良好的压气机效率及防护性，得到本发明。
(1)本发明至少一实施方式的压气机具备：
叶轮，其包括轮毂以及在该轮毂的外表面设置的多个叶片；
外壳，其收纳所述叶轮；
所述外壳具有：
护罩部，其与所述轮毂的外表面对置而在该护罩部与所述外表面之间形成流体流路并且包围所述叶轮，
壳体部，其与所述护罩部一体形成，并且支承所述护罩部；
所述护罩部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为65MPa以上200Mpa以下，并且断裂应变为0.3mm/mm以下的第一树脂类材料，
所述壳体部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为40MPa以上，并且断裂应变为0.1mm/mm以上的第二树脂类材料。
根据上述实施方式(1)的压气机，
第一树脂类材料的静态拉伸强度为65MPa以上200MPa以下，并且断裂应变为0.3mm/mm以下，因此压气机的温度上升所引起的护罩部的热变形量小。因此，能够狭小地保持护罩部与叶轮的叶片之间的间隙，能够确保良好的压气机效率。
另一方面，第二树脂类材料的静态拉伸强度为40MPa以上，并且，断裂应变为0.1mm/mm以上，因此壳体部具有高的韧性。因此，在叶轮的碎片与外壳碰撞时，壳体部发生变形，由此来吸收碰撞的能量。因此，能够防止外壳的断裂。
(2)在几个实施方式中，上述(1)的结构中，第一树脂类材料及第二树脂类材料分别包括聚酰胺类树脂。
聚酰胺类树脂为热塑性，在使用分别包括聚酰胺类树脂的第一树脂类材料及第二树脂类材料的情况下，能够通过挤压成型、注塑成型以及树脂层叠法等简单的制造方法制造外壳。由此，能够削减外壳的制造所花费的时间和成本。
(3)在几个实施方式中，在上述(1)或(2)的结构中，所述护罩部作为所述第一树脂类材料包括PA9T，所述壳体部作为所述第二树脂类材料包括PA46。
PA9T的耐热变形性高，因此能够狭小地保持护罩部与叶轮的叶片之间的间隙，能够确保良好的压气机效率。另一方面，PA46的韧性高，因此通过使壳体部发生变形能够可靠地吸收叶轮的碎片的碰撞能量，防止外壳的断裂。
(4)在几个实施方式中，在上述(1)至(3)的结构中，护罩部和壳体部通过热熔焊接而一体化。
根据上述实施方式(4)的压气机，通过对护罩部和壳体部彼此进行热熔焊接，能够容易地制造外壳。
发明的效果
根据本发明的至少一实施方式，能够提供一种压气机，使用由树脂类材料构成的外壳，无论有无金属制的金属护罩，都能够确保良好的压气机效率和防护性。
附图说明
图1是示意性表示具备本发明一实施方式的压气机的涡轮增压器的纵剖视图。
图2是示意性表示具备本发明一实施方式的压气机的涡轮增压器的纵剖视图。
图3是表示第一树脂类材料及第二树脂类材料的应力应变线图的一个例子的图。
图4是示意性表示图1中的护罩部的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的几个实施方式进行说明。其中，作为实施方式记载的或附图中所示的构成部件的尺寸、材质、形状、其相对配置等并非用于将本发明的范围限定于此，仅仅是说明例。
例如，“某一方向”“沿着某一方向”“平行”“正交”“中心”“同心”或“同轴”等表示相对或绝对配置的表现，不仅仅是严格地表示这样的配置，也包括公差、或以能够得到相同功能的程度的角度、距离而相对位移的状态。
另外，例如四边形、圆柱形等表示形状的表现不仅仅表示几何学上严格的四边形、圆柱形等的形状，在能够得到相同效果的范围内，也表示包括凹凸部、倒角部等的形状。
另一方面，“具备”“设有”“备置有”“包括”或“具有”一个构成要素这样的表现并不是排除其他构成要素的存在的排他性的表现。
图1及图2是概略性地表示具备本发明几个实施方式的压气机12的涡轮增压器的纵剖视图。涡轮增压器例如适用于车辆、船舶等的内燃机。
涡轮增压器具有涡轮机10和离心式的压气机12。涡轮机10具有涡轮机壳14、能够旋转地收纳在涡轮机壳14内的涡轮机转子叶片(涡轮机叶轮)16，压气机12具有外壳18、能够旋转地收纳于外壳18的叶轮(压气机叶轮)20。
涡轮机壳14及外壳18被未图示的连接部件固定于轴承壳(壳体)22，涡轮机10的涡轮转子叶片16和压气机12的叶轮20被在轴承壳22内延伸的驱动轴(涡轮转子)24彼此连结。因此，涡轮转子叶片16、叶轮20及驱动轴24配置在同一轴线26上。例如，利用从内燃机排出的排气使涡轮机10的涡轮转子叶片16旋转，由此经由驱动轴24使压气机12的叶轮20旋转。通过叶轮20的旋转来压缩向内燃机供给的进气。
例如，涡轮机壳14由收纳涡轮转子叶片16的涡轮筒部(涡轮护罩部)28和包围涡轮筒部28的轴承壳22侧的部分的涡轮涡卷部30构成。涡轮涡卷部30具有未图示的排气的入口，并且经由喉口部32与涡轮筒部28连通。与轴承壳22位于相反侧的涡轮筒部28的开口形成排气的出口。
在轴承壳22侧的涡轮机壳14的开口嵌合有轴承壳22的端壁34。在端壁34上一体且同轴地设有筒状的密封部36，密封部36贯穿端壁34的中央而形成密封孔。涡轮转子叶片16侧的驱动轴24的端部配置在密封部36内，在驱动轴24与密封部36之间的间隙配置有密封环38。
在端壁34与涡轮转子叶片16的背面之间的环状的凹的部位配置有环状的扩压板40。扩压板40的外周部被涡轮机壳14和轴承壳22夹住，扩压板40的内周缘包围密封部36。
在轴承壳22的内部，与周壁42一体地设有轴承部44，在轴承部44形成有轴承孔45。在轴承部44的轴承孔45内，作为径向轴承装置，例如配置有两个浮动衬套46，驱动轴24的中央部以贯穿浮动衬套46的状态配置在轴承部44的轴承孔45内。
在压气机12侧的轴承部44的端面上固定有与轴线26正交的板形的推力部件48，驱动轴24贯穿推力部件48的贯通孔。在驱动轴24上嵌合有推力环50及推力套筒52，推力部件48、推力环50及推力套筒52构成推力轴承装置。
在这里，在轴承壳22的周壁42上设有供油口54及排油口56，在轴承部44及推力部件48上，在径向轴承及推力轴承的轴承间隙形成有用于供给润滑油的供油路。另一方面，为了防止润滑油向压气机12的方向飞散，以覆盖推力部件48的压气机12侧的面的方式设有挡油圈58。
在压气机12侧的轴承壳22的开口嵌合有在中央具有密封孔的盖部件60，盖部件60被固定环61固定于轴承壳22。推力套筒52贯穿盖部件60的密封孔，在推力套筒52与密封孔之间的间隙配置有未图示的密封环。
压气机12的叶轮20包括在轮毂62以及在该轮毂62的外表面64设置的多个叶片66。轮毂62具有绕轴线26旋转对称的形状。在沿着轴线26的方向上，轮毂62的一端侧位于进气的入口侧，轮毂62的另一端侧位于轴承壳22侧。轮毂62的外表面具有朝向另一端侧扩大的喇叭形状，轮毂62在另一端侧具有与盖部件60对置的背面68。多个叶片66在周向上空出间隔地配置于轮毂62的外表面64。
驱动轴24贯穿轮毂62，在位于轮毂62的一端侧的驱动轴24的前端侧形成有外螺纹，在外螺纹上螺纹结合有作为连接部件70的螺母。连接部件70与轮毂62的一端侧抵接，在沿着轴线26的方向上对叶轮20向涡轮机10侧施加轴力。
着眼于形状，收纳叶轮20的压气机12的外壳18具有筒部72、扩散部74和涡卷部76。在筒部72的一端侧形成有被压缩的流体(进气)的入口，在筒部72的另一端侧一体形成有扩散部74。涡卷部76与扩散部74一体形成，包围筒部72的另一端侧。
在筒部72与叶轮20的轮毂62的外表面64之间形成有流体流路78，在扩散部74与轴承壳22的端壁80之间形成有扩散流路82，涡卷部76及端壁80形成涡卷流路84。
流体流路78与轮毂62的外表面64的形状对应地朝向轮毂62的径向外侧弯曲，经由扩散流路82与涡卷流路84相连。
在叶轮20旋转时，压缩对象的流体从筒部72的一端侧流入外壳内，在流体流路78、扩散流路82及涡卷流路84中流动而被压缩。在涡卷部76形成有未图示的流体的出口，被压缩的流体穿过该出口而向外壳18外流出。
另一方面，参照图1及图2，着眼于构成材料或构成材料的物理性质，外壳18具有护罩部86(86A、86B)和壳体部88(88A、88B)。护罩部86包围叶轮20，与叶轮20的轮毂62的外表面64对置而在其外表面64之间形成流体流路78。壳体部88与护罩部86一体形成。壳体部88固定于轴承壳22，对护罩部86进行支承。
图3是表示第一树脂类材料和第二树脂类材料的应力应变线图的一个例子的图。
护罩部86包括第一树脂类材料，在几个实施方式中，作为主成分包括第一树脂类材料。在几个实施方式中，护罩部86实质上由第一树脂类材料构成。第一树脂类材料在温度为100度时，静态拉伸强度(最大真应力)为65MPa以上200MPa以下，并且，断裂应变超过0mm/mm且在0.3mm/mm以下。
壳体部88包括第二树脂类材料，在几个实施方式中，作为主成分包括第二树脂类材料。在几个实施方式中壳体部88实质上由第二树脂类材料构成。第二树脂类材料在温度为100度时，静态拉伸强度(最大真应力)为40MPa以上，并且，断裂应变为0.1mm/mm以上。
在几个实施方式中，第二树脂类材料的断裂应变为0.2mm/mm以上。
在几个实施方式中，第二树脂类材料的静态拉伸强度为150MPa以下，断裂应变为0.4mm/mm以下。
需要说明的是，第一树脂类材料及第二树脂类材料的静态拉伸强度及断裂应变是通过拉伸试验求出的值。
根据上述压气机12，外壳18具有包括第一树脂类材料的护罩部86和包括第二树脂类材料的壳体部88，因此能够实现轻量化。
而且，根据上述压气机12，第一树脂类材料的静态拉伸强度为65MPa以上200MPa以下，并且，断裂应变为0.3mm/mm以下，因此压气机12的温度上升所造成的护罩部86的热变形量小。因此，能够狭小地保持护罩部86与叶轮20的叶片66之间的间隙，确保良好的压气机效率。
另一方面，第二树脂类材料的静态拉伸强度为40MPa以上，并且，断裂应变为0.1mm/mm以上，因此壳体部88具有高的韧性。因此，在叶轮20的碎片与外壳18碰撞时，通过使壳体部88变形来吸收碰撞的能量。因此，能够防止外壳18的断裂。
在几个实施方式中，第一树脂类材料及第二树脂类材料分别包括聚酰胺类树脂。
聚酰胺类树脂为热可塑性，在使用分别包括聚酰胺类树脂的第一树脂类材料及第二树脂类材料的情况下，能够通过挤压成型、注塑成型及树脂层叠法等简单的制造方法制造外壳18。由此，能够削减外壳18的制造所花费的时间和成本。
在几个实施方式中，护罩部86作为第一树脂类材料包括PA9T，壳体部88作为第二树脂类材料包括PA46。
PA9T的耐热变形性高，因此能够狭小地保持护罩部86与叶轮20的叶片66之间的间隙，能够确保良好的压气机效率。另一方面，PA46的韧性高，因此壳体部88通过变形能够可靠地吸收叶轮20的碎片的碰撞能量，能够防止外壳18的断裂。
需要说明的是，在图3的应力应变线图中，韧性通过以真应变对真应力进行积分的值来表示，积分范围为零至断裂应变。因此，PA9T的韧性以面积S1表示，PA46的韧性以面积S2表示。面积S2比面积S1大，可知与PA9T相比，PA46的韧性高。
在几个实施方式中，护罩部86与壳体部88通过热熔焊接而一体化。
通过对分别成型的护罩部86和壳体部88彼此进行热熔焊接，能够容易地制造外壳18。
在几个实施方式中，第一树脂类材料为包括聚酰胺类树脂和玻璃纤维的纤维强化塑料，玻璃纤维为例如纤维长度在1mm以上2mm以下的长纤维。
在几个实施方式中，第二树脂类材料为包括聚酰胺类树脂和玻璃纤维的纤维强化塑料，玻璃纤维是例如纤维长度为0.1mm以上0.2mm以下的短纤维。
图4是概略性地表示图1中的护罩部86A的立体图。参照图1、图2及图4，在几个实施方式中，护罩部86具有筒部90(90A、90B)和凸缘部92(92A、92B)。凸缘部92与筒部90的一端侧相连，筒部90的内周面93(93A，93B)的一端侧朝向凸缘部92逐渐扩大，具有喇叭形状。在筒部90的内周面93与轮毂62的外表面64之间形成有流体流路78，在凸缘部92与轴承壳22的端壁80之间形成有扩散流路82。
在几个实施方式中，如图1及图2所示，壳体部88具有配置有护罩部86的筒部90的凹部95(95A、95B)，利用壳体部88和护罩部86没有阶梯地形成外壳18的筒部72的内周面。
在几个实施方式中，壳体部88从外壳18的筒部72经过扩散部74连续地延续到涡卷部76，利用壳体部88的一部分桥接筒部72和涡卷部76。根据该结构，壳体部88在筒部72、扩散部74及涡卷部76连续地延续，因此能够高效地吸收碰撞能量。
在几个实施方式中，外壳18的外表面由壳体部88形成。
在几个实施方式中，如图1所示，凸缘部92A的径向外边缘比涡卷流路84位于径向内侧。
在几个实施方式中，如图2所示，凸缘部92B的径向外边缘位于涡卷流路84的内部。
本发明不限于上述实施方式，还包括在上述实施方式的基础上进行变形的实施方式、对这些实施方式进行适当组合的实施方式。
在几个实施方式中，第一树脂类材料与第二树脂类材料不同，但也可以是相同的材料。在这种情况下，作为第一树脂类材料及第二树脂类材料使用的树脂类材料在温度为100度时，静态拉伸强度(最大真应力)为65MPa以上200MPa以下，并且，断裂应变为0.1mm/mm以上0.3mm/mm以下。
在几个实施方式中，作为强化材料，第一树脂类材料及第二树脂类材料可以包括玻璃纤维以外的材料，例如碳纤维。或者，第一树脂类材料及第二树脂类材料可以不包括强化材料。
在几个实施方式中，壳体部88和护罩部86通过热熔焊接来接合，但也可以利用粘接剂接合。
在几个实施方式中，如图2所示，筒部90B和凸缘部92B具有相同的厚度，但是对于筒部90和凸缘部92的厚度没有特定的限制。
在几个实施方式中，可以在外壳18上形成使在流体流路78中流动的一部分流体返回上游的再循环路。
最后，本发明也能够适用于机动车用涡轮增压器之外的压气机，例如，车用空调的压气机、船舶用涡轮增压器的压气机。
附图标记说明
10 涡轮；
12 压气机；
14 涡轮机壳；
16 涡轮转子叶片；
18 外壳；
20 叶轮；
22 轴承壳；
24 驱动轴；
26 轴线；
28 涡轮筒部；
30 涡轮涡卷部；
32 喉口部；
34 端壁；
36 密封部；
38 密封环；
40 扩压板；
42 周壁；
44 轴承部；
45 轴承孔；
46 浮动衬套；
48 推力部件；
50 推力环；
52 推力套筒；
54 供油口；
56 供油口；
58 挡油圈；
60 盖部件；
62 轮毂；
64 外表面；
66 叶片；
68 背面；
70 连接部件；
72 筒部；
74 扩散部；
76 涡卷部；
78 流体流路；
80 端壁；
82 扩散流路；
84 涡卷流路；
86 (86A、86B)护罩部；
88 (88A、88B)壳体部；
90 (90A、90B)筒部；
92 (92A、92B)凸缘部；
95 (95A、95B)凹部。

Claims (4)

1.一种压气机，具备：
叶轮，其包括轮毂以及在该轮毂的外表面设置的多个叶片；
外壳，其收纳所述叶轮；
所述外壳具备：
护罩部，其与所述轮毂的外表面对置而在该护罩部与所述外表面之间形成流体流路并且包围所述叶轮；
壳体部，其与所述护罩部一体形成，并且支承所述护罩部；
所述护罩部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为65MPa以上200Mpa以下，并且断裂应变为0.3mm/mm以下的第一树脂类材料，
所述壳体部包括在温度为100度时，静态拉伸强度为40MPa以上，并且断裂应变为0.1mm/mm以上的第二树脂类材料。
2.根据权利要求1所述的压气机，
所述第一树脂类材料及所述第二树脂类材料包括聚酰胺类树脂。
3.根据权利要求1或2所述的压气机，
所述护罩部作为所述第一树脂类材料包括PA9T，
所述壳体部作为所述第二树脂类材料包括PA46。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的压气机，
所述护罩部和所述壳体部通过相互热熔焊接而一体化。
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