渦輪機軸密封裝置的製作方法

2023-09-18 10:41:15

專利名稱：渦輪機軸密封裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種具有軸密封裝置的諸如渦輪機的旋轉機。本發明具體地但不是排他地應用於渦輪增壓器或動力渦輪機形式的渦輪機。
背景技術：
渦輪增壓器是用於在大氣壓以上的壓力(增壓壓力)下將空氣供應到內燃機的進氣口的公知裝置。傳統的渦輪增壓器基本上包括在渦輪殼體內安裝在可旋轉軸上的廢氣驅動渦輪葉輪。渦輪葉輪的旋轉使安裝在軸的另一端上的壓縮機葉輪在壓縮機殼體內旋轉。壓縮機葉輪將壓縮空氣輸送到發動機的進氣歧管，從而增加發動機功率。渦輪增壓器軸傳統地由位於連接在渦輪殼體與壓縮機葉輪殼體之間的中心軸承殼體內的軸頸止推軸承支撐。渦輪增壓器軸可以以達到大約150，OOrpm的速度旋轉，因此重要的是在渦輪增壓器操作期間確保軸承被充分潤滑。眾所周知的是渦輪增壓器軸由球軸承支撐，但是所述球軸承通常被增加有擠壓膜緩衝裝置以抵抗噪聲、振動和惡劣環境從而提高軸承的預期壽命。設置有效密封系統以防止油從中心軸承殼體洩露到壓縮機殼體或渦輪殼體中可能是有問題的。漏油，具體地渦輪增壓器的壓縮機端部是有問題的，這是因為在低增壓壓力下(例如，當發動機空轉或當渦輪增壓器在發動機制動模式下運轉時)，從軸承殼體到壓縮機殼體存在促進到壓縮機殼體中的漏油的明顯的壓降。為了抵抗這種洩漏，傳統的是在軸承殼體的壓縮機端部處包括作為推力軸承組件的一部分的甩油器。甩油器是與渦輪增壓器軸一起旋轉並具有被布置成當旋轉時使油遠離軸(並且具體地從通道通過軸承殼體進入到壓縮機殼體中)的表面或通道的環形部件。通常，限定在軸承殼體中的環形飛濺室收集通過甩油器被移動的油，使所述油再循環並允許所述油排出到貯槽。儘管渦輪增壓器的渦輪驅動壓縮機，但是在動力渦輪機中，遠離渦輪葉輪的渦輪軸的端部通過機械耦合傳遞動力。在渦輪複式發動機中，兩個渦輪被設置成與動力渦輪機串聯，所述動力渦輪機與渦輪增壓器的渦輪串聯連接。動力渦輪機用於產生額外的動力，並且齒輪可以固定到動力渦輪軸的端部以通過適當聯軸器(例如，液壓聯軸器或齒輪或其它驅動機構)、液壓、機械或電裝置將動力傳遞給發動機的曲軸。與渦輪增壓器一樣，動力渦輪機的軸支撐在軸承組件上，所述軸承組件包括適當的潤滑系統，位於連接到渦輪殼體的軸承殼體內。雖然軸的驅動端處的軸承裝置可以是球軸承組件，但是在軸的渦輪端處的軸承裝置可以基本上與渦輪增壓器中存在的軸承裝置相同。在軸轉速高的潤輪增壓器應用中，正接觸密封件(positive contact seals)是不期望的，這是因為該正接觸密封件在接觸表面處受到明顯磨損並且促進高摩擦損失。因此通常採用非接觸密封裝置。在現有的渦輪增壓器軸承殼體中，迷宮式密封裝置通常由一個或多個密封環(活塞型環)提供。環由殼體支撐，突出到限定在軸的外表面和/或安裝在軸上的部件中的環形溝槽中。環形密封件調節從高壓渦輪和壓縮機殼體進入到低壓軸承殼體中的氣流，使得壓差被保持以降低油從軸承殼體洩露到渦輪殼體和壓縮機殼體中的風險。

發明內容
本發明的目的是提供一種用於渦輪機的改善或可選的軸密封裝置。根據本發明，提供了一種渦輪機，該渦輪機包括:可繞旋轉軸線旋轉的軸；渦輪葉輪，所述渦輪葉輪設置在軸的一端處以在渦輪殼體內繞旋轉軸線旋轉；軸被軸承組件支撐以在軸承殼體中旋轉，軸承殼體具有孔，軸延伸通過所述孔，軸承組件設置在所述孔中；其中軸的至少一端具有主密封和副密封，主密封包括由不旋轉的第一密封元件與隨軸一起旋轉的第二密封元件之間的環狀間隙限定的非接觸密封，主密封被布置成接收來自軸承組件的潤滑油，甩油部件設置在主密封與副密封之間。主密封可以設置在軸承組件與副密封之間的軸向位置處。可選地，主密封可以限定在軸承組件的一端處。主密封的第一密封元件可以相對於軸承殼體固定。第一密封元件可以由軸向止推軸承或可以由從軸承殼體突出的突出部限定，例如，可以由與軸承殼體一體形成或以其它方式固定到軸承殼體的肋限定。突出部優選地是環形的。主密封的環狀間隙優選地僅在軸向方向上延伸，而沒有任何徑向部件。主密封的環狀間隙優選地具有至少0.05mm的徑向深度。該徑向深度可以大於0.075mm。環狀間隙優選地具有小於或等於0.15mm的徑向深度，更優選地具有小於或等於
0.0lmm的徑向深度，並且進一步優選地具有小於或等於0.082mm的徑向深度。可以設置第一主密封和第二主密封，一個主密封在軸的每一端處，而另一個在軸承組件的相對端部處或靠近所述相對端部。渦輪端處的第一主密封的環狀間隙可以具有至少0.05mm且不大於0.082mm的徑向深度。在相對端部處的第二主密封的環狀間隙可以具有至少0.075mm且不超過0.125mm的徑向深度。第二密封元件可以是非接觸密封。第二密封元件可以由軸限定，例如由與軸一體形成的突出部限定，或者可以由固定到軸以與軸一起旋轉的部件限定。第二密封元件優選地是環形的。副密封可以包括一個或多個活塞密封件，所述一個或多個活塞密封件被支撐在軸承殼體的表面上並徑向延伸到限定在軸中的相應環形溝槽中。活塞密封件可以滑動地設置在軸承殼體的表面上。軸承組件可以包括擠壓膜緩衝器，在擠壓膜緩衝器的外表面與限定孔的表面之間具有徑向間隙。軸承組件優選地包括滾動軸承元件。軸承組件可以是具有內環、外環和至少一個中間滾動軸承元件的筒的形式。滾動軸承元件可以是輥或球。輥可以大致為圓柱形。在一個實施例中，輥是錐形的。主密封可以設置在內座圈與外座圈之間，或設置在外座圈與軸或固定到軸的部件之間。不旋轉的第一元件可以由軸承的外環限定。第二元件可以由內環限定，但這不是必須的。軸向止推軸承可以為板或盤的形式。第一密封元件可以由通過軸承的孔口的周邊限定。甩油部件可以是專用甩油器，該專用甩油器可以是與軸分離或與軸一體形成的部件。甩油部件可以支撐在固定到軸以與軸一起旋轉的部件上或與所述部件一體形成。可選地，甩油部件可以簡單地通過由軸或固定到軸以與軸一起旋轉的部件限定的肩狀部或臺階來提供。甩油部件可以由諸如環形底切的徑向向內凹部的表面限定，或者由諸如環形肋的向外突出部的表面限定。甩油部件可以設置在軸承的內座圈上或由所述內座圈限定。第二元件可以由軸的密封凸起部限定，所述密封凸起部可以是單獨的部件或可以與軸一體形成。渦輪機可以是在壓縮機葉輪安裝到軸的另一端以繞所述軸線在壓縮機殼體內旋轉的渦輪增壓器。


以下參照附圖僅以示例的方式描述本發明的具體實施例，其中:圖1是沿著實現本發明的渦輪增壓器的縱向軸線的截面圖，其中軸承和密封裝置由粗線矩形盒突出表示；以及圖2是圖1的渦輪增壓器的軸承和密封裝置的放大圖。
具體實施例方式以下參照附圖，所示的渦輪增壓器包括通過中心軸承殼體3連接到壓縮機2的渦輪I。渦輪I包括在渦輪殼體5內旋轉的渦輪葉輪4。類似地，壓縮機2包括在壓縮機殼體7內旋轉的壓縮機葉輪6。渦輪機葉輪4和壓縮機葉輪6安裝在延伸通過中心軸承殼體3的軸向孔8a的共用渦輪增壓器軸8的相對端部上。在使用中，渦輪葉輪4通過來自內燃機的出口歧管的廢氣旋轉。廢氣從入口 9流動到廢氣出口 10。渦輪葉輪4的旋轉接著使壓縮機葉輪6旋轉，從而通過壓縮機入口 11吸入進氣空氣並將通過出口蝸殼12將升壓空氣輸送到內燃機的入口歧管。渦輪增壓器軸8在容納在軸承殼體3的孔8a中的軸承13內旋轉。油通過油入口
15、通路16和通道17在發動機的油路系統的壓力下被供給軸承。渦輪葉輪4在一體形成的密封凸起部21連接到渦輪增壓器軸8，所述一體形成的密封凸起部21延伸通過孔8a的渦輪端22。具有大於軸8的其餘部分的直徑的直徑的凸起部21通過活塞環23和溝槽組合相對於孔8a被密封。活塞環23由限定孔8a的渦輪端的環形壁24支撐。活塞環23徑向向內延伸到限定在凸起部21的外表面中的環形溝槽25以提供密封。在溝槽25的軸向內側，凸起部21的外表面具有限定第一甩油器26的凹入輪廓。軸承殼體3包圍甩油器26的區域被凹入以限定用於捕獲分散油並包括排出物的環形室27。在軸承殼體3的相對端部處，軸8穿過壓縮機殼體背板29中的中心孔28，所述壓縮機殼體背板形成軸承殼體3的一部分並使軸承殼體3內部與壓縮機殼體7的內部分離。凸起部30在該端部處固定到軸8，所述凸起部30具有由一體形成的第二甩油器分離的第一部分和第二部分，所述甩油器31沿著凸起部30的長度徑向向外突出近似一半。凸起部30的第一部分設置在軸承殼體3內部，而第二部分在背板29的孔28中延伸。凸起部30的第二部分的外表面具有環形溝槽32，所述環形溝槽容納活塞環33從而以在渦輪端22處的方式相同的方式提供密封。活塞環33支撐在壓縮機背板29的限定孔8a的表面上。環形推力板34相對於軸承殼體3被固定並在甩油器31與軸承13的端部之間繞凸起部30的第一部分定位。板34具有延伸到軸承13的徑向尺寸之外並在其外周邊處支承在背板29的表面上的徑向尺寸。在使用中，板34被設計成抵抗由軸承13施加的軸向推力。推力板34的內周邊具有在板的徑向表面之間軸向延伸並被設計成容納凸起部30的第一部分的中心圓孔口 35。在軸承側，板的徑向表面中的環形凹部36有效地在徑向方向上擴大孔口 35。凹部36沒有延伸橫過板34的全部軸向長度，從而在板34的內周邊上留下窄區域37。區域37限定緊鄰凸起部30的外表面的一部分定位以提供非接觸密封50的環狀密封表面38。為了方便起見，該密封件被稱為主密封50，基於該主密封50，所述主密封50軸向設置在活塞環33的內側，因此為朝向壓縮機流動的油所遇到的第一密封件。與溝槽32組合的活塞環33因此成為副密封。軸承13為具有由軸承元件42徑向分離的內環40和外環41的筒的形式。外環41在軸向推力板34與肩狀部39之間容納在軸承殼體3的孔8a中並克服旋轉通過銷(未示出)固定。內環40通過稍微的幹涉配合固定到軸。兩個環40，41是軸向細長的並具有面向內的表面，每一個面向內的表面都限定用於軸承兀件42的一對軸向間隔開的座圈，所述座圈在這種情況下為球形形狀。可以理解的是可以使用例如可以為圓柱形、筒形或錐形的輥的其它軸承元件設計。外環41的外表面具有用於容納潤滑油的多個淺環形凹部43。這些在軸承殼體3與軸承筒的外表面之間提供大約0.03_或更小的環狀間隙。在渦輪增壓器的操作期間，油在發動機的油路系統的壓力下被供應給軸承13。油從通道17離開並充滿凹部43以在軸承13的外環41與軸承殼體3之間提供油薄膜。油薄膜用作擠壓膜緩衝器並抑止由軸8的旋轉產生的振動。從凹部43油通過外環41中的小孔(未示出)流入到軸承13中。與軸承殼體13 —體形成的環形肋44在軸承13與第一甩油器26之間朝向孔8a的渦輪端22。肋44徑向向內突出並限定以緊鄰的方式包圍凸起部21的外表面的環狀密封表面45。肋44因此提供位於由活塞環23和溝槽25組合提供的副密封的軸線內側的又一個非接觸主密封50。非接觸型的主密封50每一個都提供圍繞各個凸起部21，30的窄徑向間隙並用於限制油從軸承殼體3朝向甩油器26，31、副密封和壓縮機殼體/渦輪殼體流動。緊密的間隙限制並引導油的主要部分排出，且總油的僅一小部分到達甩油器和副密封。在壓縮機端處，油收集在由軸向推力板34限定的凹部36中並在推力板與軸承13之間被排走。在渦輪端22處，油收集在肋44與軸承13之間的空腔中並通過出口(未示出)離開以排出。主密封的窄徑向間隙通常在50微米至100微米，S卩，0.05mm至0.1mm的範圍內，但是可以達到0.15_並且仍然提供有效密封。在一個優選的實施例中，渦輪端22處的主密封50具有在0.05mm至0.082mm的範圍內的徑向間隙，而壓縮機端處的主密封具有在0.075mm至0.125mm的範圍內的徑向間隙。應該限制環狀密封表面38，45的軸向長度以避免過多的摩擦損失。每一個主密封的間隙的徑向尺寸和軸向長度應該足夠大以適應渦輪增壓器軸的由擠壓膜緩衝間隙提供的細微傾斜，而不允許與環狀密封表面38接觸，但是應該被限於確保有效密封。主密封間隙還取決於其它因素，諸如各個部件的熱膨脹和軸承的中心與密封位置之間的軸向距離。與軸頸軸承相比，輥元件軸承需要較少的油來潤滑座圈。然而，在增加擠壓膜緩衝器的情況下，油流量類似於軸頸軸承所需的油流量。主密封的增加降低了油沿著軸洩露並洩露到渦輪殼體或壓縮機殼體中的風險。雖然已經相對於渦輪增壓器描述了本發明，但是可以理解的是本發明可應用於任意類型的渦輪機。例如，渦輪可以用於驅動除了壓縮機之外的例如包括發電機的其它適當的裝置。可以理解的是在不背離如在所附權利要求中限定的本發明的保護範圍的情況下可以對上述設計進行多種修改。例如，軸的渦輪端處的凸起部21可以是安裝在軸上或以其它方式連接到軸的單獨的部件。在一個實施例中，凸起部21可以與渦輪葉輪一體形成並連接到軸。類似地，軸8的壓縮機端處的凸起部30可以與軸的其餘部分一體形成或可以與壓縮機葉輪6—體形成。甩油部件可以由軸承的內座圈的軸向延伸超過外座圈的一部分限定。甩油部件可以具有由環形底切或由環形突出部限定的表面的形式。因此，可以理解的是這種甩油器與軸承區域間隔開。所述和所示實施例在性質上被認為是示例性且是非限制性的，可以理解的是僅顯示和描述了優選的實施例，並且在如權利要求中限定的本發明的保護範圍內的所有變化和修改期望受到保護。應該理解的是雖然在說明中使用諸如「優選的」、「優選地」、「被優選」或「更加優選的」的措辭表示如此描述的特徵可能是理想的，但是這不是必須的，並且可以在如所附權利要求中限定的本發明的保護範圍內構思沒有這種特徵的實施例。對於權利要求，目的是當諸如「一」、「一個」、「至少一個」或「至少一部分」的措辭用在特徵的前面時，除非在權利要求中具體地另外規定之外，其目的不是將權利要求僅限制為一個這種特徵。當使用措辭「至少以部分」和/或「一部分」時，除非具體地另有規定之外，術語可以包括一部分和/或整個部分。
權利要求
1.一種渦輪機，包括: 能夠繞旋轉軸線旋轉的軸； 渦輪葉輪，所述渦輪葉輪設置在所述軸的一端處以在渦輪殼體內繞所述旋轉軸線旋轉; 所述軸被軸承組件支撐以在軸承殼體中旋轉，所述軸承殼體具有孔，所述軸延伸通過所述孔，所述軸承組件設置在所述孔中； 其中所述軸的至少一端具有主密封和副密封，所述主密封包括由不旋轉的第一密封元件和隨所述軸一起旋轉的第二密封元件之間的環狀間隙限定的非接觸密封，所述主密封被布置成接收來自所述軸承組件的潤滑油，甩油部件設置在所述主密封與所述副密封之間。
2.根據權利要求1所述的渦輪機，其中，所述主密封設置在所述軸承組件與所述副密封之間的軸向位置處。
3.根據權利要求1所述的渦輪機，其中，所述主密封限定在所述軸承組件的一端處。
4.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述主密封的第一密封元件相對於所述軸承殼體固定。
5.根據權利要求4所述的渦輪機，其中，所述第一密封元件由軸向止推軸承限定。
6.根據權利要求4所述的渦輪機，其中，所述第一密封元件由從所述軸承殼體突出的突出部限定。
7.根據前述權利 要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述主密封的環狀間隙僅在所述軸向方向上延伸。
8.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述環狀間隙具有0.05mm至0.15mm的徑向深度。
9.根據權利要求8所述的渦輪機，其中，所述環狀間隙具有0.05mm至0.082mm的徑向深度。
10.根據權利要求8所述的渦輪機，其中，所述環狀間隙具有0.075mm至0.125mm的徑向深度。
11.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述第二密封元件由所述軸或固定到所述軸的部件限定。
12.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述副密封包括一個或多個活塞密封件，所述一個或多個活塞密封件被支撐在所述軸承殼體的表面上並徑向延伸到限定在所述軸中的相應環形溝槽中。
13.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述軸承組件包括擠壓膜緩衝器，在所述擠壓膜緩衝器的外表面與限定所述軸承殼體中的孔的表面之間具有徑向間隙。
14.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述軸承組件包括滾動軸承元件。
15.根據權利要求14所述的渦輪機，其中，所述軸承組件包括具有內環、外環和至少一個中間滾動軸承元件的筒。
16.根據權利要求15所述的渦輪機，其中，所述主密封設置在所述內環與所述外環之間。
17.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述甩油部件是與所述軸一體形成或限定在固定到所述軸的部件上的專用甩油器上。
18.根據前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，壓縮機連接到所述軸的與所述渦輪相對的端部以在壓縮機殼體內繞所述 軸線旋轉，從而形成渦輪增壓器。
全文摘要
本發明公開了一種渦輪機，所述渦輪機具有製成渦輪葉輪的旋轉軸，所述渦輪機被支撐以在殼體內旋轉。軸延伸通過殼體中的孔，並且軸承組件設置在孔中。軸的至少一個端部具有主密封和副密封。主密封包括由不旋轉的第一密封元件與隨軸一起旋轉的第二密封元件之間的環狀間隙限定的非接觸密封。主密封被布置成接收來自軸承組件的潤滑油。甩油部件設置在主密封與副密封之間。
文檔編號F01D25/16GK103206271SQ20131001033
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月13日
發明者普拉胡·拉馬薩馬, 安德魯·戴 申請人:康明斯有限公司