渦輪機的製作方法

2023-05-24 17:40:51

專利名稱：渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種渦輪機器，例如用於內燃機的動力渦輪或渦輪增壓器。更具體地，本發明涉及減小從渦輪機軸承殼體到渦輪殼體或隔熱罩後面的腔中的油洩漏。
背景技術：
渦輪增壓器是用於以高於大氣的壓力(升壓)提供空氣給內燃機的進氣管的眾所 周知的裝置。傳統的渦輪增壓器主要包括安裝在渦輪殼體內的可旋轉軸上的廢氣驅動的渦 輪葉輪。渦輪葉輪的旋轉使安裝在壓縮機殼體內的軸的另一端上的壓縮機葉輪旋轉。壓縮 機葉輪將壓縮空氣傳輸至引擎的進氣歧管，由此提高引擎的功率。渦輪增壓器的軸通常由軸頸(journal)和止推軸承支撐，包括適當的潤滑系統， 位於被連接在渦輪和壓縮機葉輪殼體之間的中心軸承殼體內。眾所周知，提供有效的密封 系統用以防止油從中心軸承殼體洩漏到渦輪殼體中是難以解決的問題。然而，防止油洩漏 到渦輪殼體中是重要的，因為在渦輪殼體中油會與廢氣混合且增加廢氣排放，且可能導致 對下遊的部件(例如催化排氣淨化器)的損壞。渦輪增壓器的渦輪葉輪可以通過摩擦緊密結合至渦輪增壓器軸的一端的密封輪 轂，密封輪轂的直徑大於所述軸且在環形通路內旋轉通過殼體壁，該殼體壁將軸承殼體與 渦輪殼體分開。已知的油密封布置包括在通路內圍繞密封輪轂的密封環，從而以活塞環的 方式提供密封。然而，渦輪增壓器的渦輪驅動壓縮機，在動力渦輪中遠離渦輪葉輪的渦輪軸的末 端經由機械聯結傳輸功率。在包括與渦輪增壓器的渦輪串聯的動力渦輪的渦輪複合式引擎 中，可以將齒輪裝到動力渦輪軸的末端上，以將功率經由適合的聯結(諸如例如流體聯結 或齒輪或其它驅動機構)而以液力的、機械的或電學的方式傳輸至引擎的曲柄軸。對於渦 輪增壓器，動力渦輪的軸被支撐在軸承組件上，所述軸承組件包括適當的潤滑系統，位於連 接至渦輪殼體的軸承殼體中。在軸的渦輪末端的軸承布置可以與在渦輪增壓器中發現的軸 承布置大致相同，儘管在軸的驅動端的軸承布置可以是滾珠軸承組件。渦輪，不論是包含在渦輪增壓器、還是動力渦輪或其它渦輪機中，通常設置有隔熱 罩，該隔熱罩設置在渦輪葉輪和渦輪/軸承殼體壁之間，渦輪軸穿過所述渦輪/軸承殼體 壁。隔熱罩典型地是安裝在渦輪葉輪後面的渦輪殼體中的片狀金屬部件，其被提供用於防 止軸承殼體過熱，而過熱可能例如導致油在軸承殼體中焦化。

發明內容
本發明的目的是消除或緩解從渦輪機軸承殼體到渦輪殼體或隔熱罩中的油洩漏 的問題。根據本發明，提供了一種渦輪機，所述渦輪機包括殼體，限定被第一壁分開的渦輪室和軸承腔；渦輪葉輪，其安裝到軸上，用於圍繞機器軸線在所述渦輪室中旋轉；
隔熱罩，其設置在所述第一壁和所述渦輪葉輪之間，隔熱罩腔被限定在所述第一 壁和所述隔熱罩之間；通過至少部分地由在所述壁中的第一開口和在所述隔熱罩中的第二開口限定的 通路，所述軸從所述渦輪室延伸到所述軸承腔中，所述軸被安裝用於在設置在所述軸承腔 中的軸承組件上旋轉；第一密封件，其在所述軸和所述第一開口之間；所述殼體限定了所述隔熱罩腔連通的第一氣體通道，用於連接至壓力源，所述壓力源用於升高在所述隔熱罩腔中的壓力；第二通道，其在所述隔熱罩腔和所述通路之間，所述第二通道向所述第一密封件 的對於所述軸承組件的相對側上的所述通路敞開；和第二密封件，其設置在所述軸和所述第二開口之間。相對於軸承腔中的壓力升高通路中的壓力可減小油洩漏到第一密封件對面的可 能性。在這一點上，優選地，隔熱罩腔中的壓力升高到高於典型地軸承腔中靠近第一開口處 建立的壓力。所述第一密封件可以包括一個或更多的密封環，例如包括重疊的開口環密封件。第二密封件可以包括一個或更多的密封環，例如開口環密封件。在一些實施例中，所述第二通道可以包括環形間隙，其限定在所述壁與在所述第 一和第二開口之間的所述隔熱罩之間。在一些實施例中，所述第二通道可以包括圍繞所述通路限定的一個或更多的圓周 地延伸的槽。在一些實施例中，所述第二通道可以包括一個或更多敞開到所述通路和所述隔熱 罩腔中的開口。所述第一通道可以在所述隔熱罩腔和由所述殼體限定的外表面之間延伸，且可以 包括多個通道。所述軸可以具有擴大的直徑部，其位於所述通路中且在所述通路中旋轉。所述軸 的擴大直徑部可以限定了大致徑向地延伸的環形壁，所述環形壁面向(且可能鄰接)所述 軸承組件。所述環形壁可以被構造以在所述軸旋轉時促使油徑向地遠離所述軸。油可以被 推進到環形油收集通道中，所述環形油收集通道設置在所述軸承腔內並圓周地圍繞所述徑 向延伸環形壁。在一些實施例中，所述軸的擴大直徑部具有大致軸向地延伸的徑向外圓周表面， 且其中甩油槽延伸到所述擴大部中，所述甩油槽具有在第一圓周延伸緣和第二圓周延伸緣 之間限定的口，其中所述第二緣與所述第一緣徑向地且軸向地隔開。隔熱罩可以與殼體壁一體地形成，而不是設置為獨立的部件。例如，限定所述隔熱 罩和所述壁的殼體的一部分可以包括單個部件，例如單個鑄件。渦輪機可以例如是渦輪增壓器，其包括限定所述渦輪室的渦輪殼體以及限定所述 軸承腔的軸承殼體。可替代地，所述渦輪機可以是動力渦輪，其包括限定所述渦輪室的渦輪 殼體以及限定所述軸承腔的軸承殼體。在動力渦輪中，驅動渦輪的廢氣經由驅動連接裝置 傳遞功率，所述驅動連接裝置在所述軸的對渦輪葉輪的相對端處旋轉。所述驅動連接裝置 例如可以被耦合至內燃氣的輸出軸。動力渦輪可以是徑向流或軸向流渦輪。在軸向流渦輪中，渦輪具有軸向進入口，該進入口弓丨導廢氣沿著大致軸向方向通過渦輪葉輪而朝向環形 排出口。渦輪增壓器和動力渦輪可以被結合成複合式的渦輪引擎。本發明還提供了一種減小渦輪機中的油洩漏的方法，所述渦輪機包括殼體，該殼 體限定被第一壁分開的軸承腔和渦輪室；渦輪葉輪，其安裝到軸上，用於圍繞機器軸線在渦輪室中旋轉；隔熱罩，其設置在所述第一壁和所述渦輪葉輪之間，隔熱罩腔被限定在所述第一 壁和所述隔熱罩之間；通過至少部分地由在所述壁中的第一開口和在所述隔熱罩中的第二開口限定的 通路，所述軸從所述渦輪室延伸到所述軸承腔中，所述軸被安裝用於在設置在所述軸承腔 中的軸承組件上旋轉；第一密封件，其在所述軸和所述第一開口之間；第二通道，其在所述隔熱罩腔和所述通路之間，所述第二通道向所述第一密封件 的對所述軸承組件的相對側上的所述通路敞開；和方法，其包括將加壓的空氣供給至所述隔熱罩腔以升高所述隔熱罩腔中的壓力， 由此升高在所述第一密封件的對所述軸承組件的相對側上的通路中的壓力。


以舉例的方式，現在將參考附圖對本發明的具體實施例進行描述，在附圖中圖1是通過已知的渦輪增壓器的橫截面；圖2是通過已知的徑向流式動力渦輪的橫截面；圖3是通過已知的軸向流式動力渦輪的橫截面；圖4是根據本發明的通過軸向流式動力渦輪的橫截面；圖5是通過圖4中的渦輪的一部分的放大橫截面；圖6a和6b顯示出對圖4中的動力渦輪的特徵的變型；和圖7顯示出對圖6a和6b中的動力渦輪的變型。
具體實施例方式參考圖1，顯示出的渦輪增壓器(如在US7，086，842中公開的)包括經由中心軸承 殼體3連接至壓縮機2的渦輪1。渦輪1包括在渦輪殼體5中旋轉的渦輪葉輪4。類似地， 壓縮機2包括在壓縮機殼體7中旋轉的壓縮機葉輪6。渦輪葉輪4和壓縮機葉輪6安裝在 公共的渦輪增壓器軸8的相對端上，渦輪增壓器軸8延伸通過中心軸承殼體3。渦輪殼體5具有圍繞渦輪葉輪4環形地設置的廢氣進入渦殼9和軸向廢氣排出口10。壓縮機殼體7具有軸向的空氣進入通路11和圍繞壓縮機葉輪6環形地設置的壓縮空 氣排出渦殼12。在使用中，通過從環形廢氣進入口 9到廢氣排出口 10的廢氣的通行使得渦輪葉輪4在渦輪室4a中旋轉，其又使得壓縮機葉輪6旋轉，從而通過壓縮機進入口 11吸入進入空 氣和經由壓縮機排出渦殼12將增壓的空氣運送至內燃機的進入口中。渦輪增壓器軸8在完全浮動的軸頸軸承13和14上旋轉，所述軸頸軸承13和14容 納在軸承腔3b中且分別朝向軸承殼體3的渦輪端和壓縮機端。壓縮機端的軸承組件14還包括止推軸承15，止推軸承15與包括甩油環16的油密封組件相互作用。甩油環是與軸一起旋轉的且典型地包括多個徑向延伸的通路的環形部件，這些徑向延伸的通路有效地作為 將油甩離所述軸的葉片，尤其是將油甩離所述通路而從軸承殼體進入到壓縮機殼體中。圍 繞止推軸承和密封組件設置的環形濺射室收集用於在潤滑系統中再循環的油。濺射室可以 設置有用於將油排出到機油箱的排出通道。壓縮機端軸承和油密封的細節對於理解本發明 不是太重要，因此將不再對此進行進一步地描述。油經由油進入口 17被從內燃機的油系統 供給至軸承殼體，並通過通路裝置18提供給至軸承組件。渦輪葉輪4在密封輪轂19處連接至渦輪增壓器軸8的渦輪端。通常密封輪轂19 與軸8 —體形成(且例如形成軸的一部分)，且被連接(例如通過摩擦緊密接合)至渦輪葉 輪4的背面的輪轂部分。密封輪轂19延伸通過軸承殼體壁3a中的環形通路20並進入到 渦輪殼體中。密封輪轂19相對於環形通路20由重疊類型的開口環21密封，該開口環防止 油和氣體通過通路20洩漏。渦輪端軸頸軸承13位於彈性擋圈22和23之間。油經由油通 路裝置18進給至軸承13，且軸承13設置有用於讓油通到渦輪增壓器軸8的圓周隔開的徑 向孔27。環形油返回槽24徑向地凹陷到軸承殼體3中靠近穿過殼體壁3a的通路20。油 返回槽24圍繞軸8。輪轂19的環形面被加工有切口 25，使得它不是嚴格地從軸8徑向地 延伸，而是以一角度遠離通路20延伸通過軸承殼體壁3a。因此，隨著軸8旋轉，出現在環形 表面31上的油從通路20徑向地且軸向地射出。如在US7，086，842中討論的，底切密封輪 轂19起到甩油環的功能，用於減少朝向通路20和密封環21的油流。壓制的金屬隔熱罩26位於渦輪殼體中在渦輪葉輪4和軸承殼體3之間。隔熱罩 將熱的廢氣流與軸承殼體隔離開，以減少至軸承殼體的熱量轉移，否則該熱量轉移將導致 軸承過熱。在其徑向外圍26a處，隔熱罩26被夾在軸承殼體3和渦輪殼體5之間。隔熱罩 26具有中心孔27，該中心孔圍繞且與輪轂19隔離開，以允許軸8自由旋轉。隔熱罩腔28 被限定在隔熱罩26和軸承殼體3之間，以減少從流動通過渦輪殼體的熱廢氣的到軸承殼體 的熱流。參考圖2，其顯示出包括軸31的徑向流式動力渦輪(如在US6，905，316中討論 的)，軸31在一端支撐渦輪室32a中的渦輪葉輪32且在另一端支撐驅動齒輪33。軸31支 撐在一個單件的管狀軸承34中，該管狀軸承34支撐在軸承殼體35的軸承腔中。軸承殼體 35固定至渦輪殼體36，該渦輪殼體36限定了渦殼37，從內燃機運送出的用於施加扭矩至渦 輪32的廢氣通過該渦殼37。隔熱罩38保護軸承組件免受熱氣體的影響，該熱氣體流經渦 輪室32a且驅動渦輪32。軸承34的一端鄰接在軸31的渦輪端的由密封輪轂40限定的肩39。軸承4的另 一端鄰接法蘭41，該法蘭41形成在軸31的驅動端的止推軸承的一部分。如在US6，905，316 中描述的，這種單件的軸承替代了更傳統的軸承布置(其典型地包括在軸的驅動端的固定 軸承)，其改善了在動力渦輪的驅動端所承受的負載。與圖1的渦輪增壓器一樣，隔熱罩32是壓制的金屬構件，該金屬構件在其徑向外 圍處被夾在渦輪殼體36和軸承殼體35之間，且限定了中心開口 42，所述密封輪轂40在中 心開口 42中旋轉(再次在開口 42和密封輪轂40之間留下了小的環形間隙)。隔熱罩腔 45限定在隔熱罩38和軸承殼體35之間，以在它們之間提供一定的隔離。在軸3 1的渦輪端的密封布置大致與圖1中的渦輪增壓器中所包含的密封布置相同，同樣包括密封環43 (其再次典型地是類似於傳統的活塞環的開口環)，該密封環43使輪 轂40相對於通過軸承殼體35的通路44密封。圖3顯示出已知的軸向流式動力渦輪。渦輪包括軸承殼體50和軸向流渦輪殼體 51。軸52延伸通過軸承殼體50且在一端支撐渦輪葉輪53而在另一端支撐驅動齒輪54。 軸支撐在單件的軸承55上，該單件的軸承大致與圖2 (和US6，905，316)中的單件的軸承31 相同，因此將不對其進一步的細節進行描述。類似地，渦輪葉輪53在密封輪轂56處連接至 軸52的一端上，該密封輪轂56延伸通過軸承殼體50的壁中的環形通路57。密封輪轂56 相對於通路57由密封環58密封，該密封環可以是重疊的開口環。渦輪殼體51包括圍繞穹頂的噴嘴60限定的軸向環形進入通路59，且包括固定的 環形葉片陣列61。廢氣流過環形進入通路59、渦輪葉輪53以及經由環形的張開的渦輪擴 散部63進入到渦輪排出口的環形收集部62，該擴散部63是進入通路59的延伸。氣體經由 大致軸向定向的排出口 64流出渦輪。再次提供壓制的金屬隔熱罩65，用於將軸承殼體50與廢氣流隔離開。隔熱罩65 的結構很大程度上由通過渦輪的廢氣的軸向流路徑來規定，具體地說隔熱罩65限定了渦 輪擴散部62的徑向內表面，其幫助引導廢氣流進入到渦輪排出口 62/63。此外，隔熱罩65 在其徑向地最外圍被夾持在軸承殼體50和渦輪殼體51之間，但在這個例子中隔熱罩65的 徑向內周接觸圍繞軸通路57的軸承殼體35且由保持環66保持在適當的位置上。隔熱罩 腔67被限定在隔熱罩65和軸承殼體51之間，用於減少從流經渦輪的熱廢氣到軸承殼體51 的熱量轉移。本發明涉及在渦輪機軸的渦輪端的密封布置，且現在將參考圖4對應用在軸向流 式動力渦輪的本發明的一個實施例進行描述。參考圖4，其顯示出根據本發明的動力渦輪，其中，渦輪殼體70、軸承殼體71以及 隔熱罩72 —體地形成為單個部件，該單個部件可以例如被形成為單個鑄件(雖然殼體的特 定特徵可以是在澆鑄後再機加工而製成)。渦輪殼體具有軸向進入部73，其與噴嘴74 一起 限定了環形進入通路75。噴嘴74由保持環75保持在軸向進入口 73的適當的位置上。固 定的葉片76的環形陣列設置在渦輪葉輪77的上遊的進入通路75中，渦輪葉輪77在渦輪 室77a中旋轉。軸向進入口 73的內側端徑向向外地張開，以限定通向至渦輪排出口的渦輪擴散 部76，該渦輪排出口包括環形收集部77和大致徑向的排出通路78。通過渦輪殼體70的廢氣流路徑由一體的隔熱罩72與軸承殼體71隔開，該隔熱罩 72還限定了環形排出部77和渦輪殼體擴散部76的一部分。隔熱罩腔78被限定在隔熱罩 72和軸承殼體71之間，通路79通過渦輪殼體延伸至腔78。下文將進一步描述通路79的 目的。渦輪葉輪77安裝(例如通過摩擦緊密接合)到限定在軸81的一端的密封輪轂80 的一端上。軸81被支撐以用於在單件的管狀軸承82內旋轉，該管狀軸承82大致與圖2和 3中顯示的軸承相同。軸承被限制在軸承腔71a中在輪轂80和法蘭83之間，該法蘭形成在 軸81的驅動端的止推軸承的一部分，該軸81支撐驅動齒輪84。再次，在軸的驅動端的驅動 齒輪組件和軸承的細節可以大致與圖2和3中顯示的相同。如圖4所示和圖5中更加詳細地顯示(其是軸81的渦輪端的密封布置的放大)，密封輪轂80在通路85中旋轉，通路85部分由軸承殼體71的壁中的開口 86限定，部分由 通過隔熱罩72的開口 87限定。密封輪轂由第一密封環88相對於通路87密封，該第一密 封環88提供了在由軸承殼體77限定的開口 86和密封輪轂80之間的氣體密封，第二密封 環89提供了在由隔熱罩72限定的開口 87和密封輪轂80之間的氣體密封。密封環88和 89優選地是重疊的開口環密封，且每個設置在密封輪轂80的外表面中限定的各自的環形 槽90禾口 91中。環形間隙92被限定在靠近通路85的隔熱罩72和軸承殼體71之間，通路85提供 了第一和第二密封環88和89之間限定的通路85的一部分和腔78之間的流體連通。油被供給至軸承殼體71用於潤滑軸承81，且分別通過在軸承82的渦輪端和壓縮 機端的油通道93和94通到軸承上。軸承82設置有油通路95，該油通路95允許油流過軸 承到軸81上。軸承82的中心部中的開口 96確保油可以從內軸承表面自由地排出。軸承 殼體還限定了在軸承殼體的渦輪端的環形濺射室97，該環形濺射室97收集從旋轉的密封 輪轂80返回的濺射的油，且將其運送至軸承腔放油口 98，其由於軸承殼體和隔熱罩是一體 鑄件的原因而比傳統的情形陡(這在渦輪是傾斜的時候可能是有利的，例如當它被包含到 位於斜面上的車輛中時)。供給至軸承殼體的油可以來自於任何適合的源。典型地，可以從內燃機的加壓的 油供給系統運送油供給，例如通過內燃機曲柄的情形的油供給件。類似地，可以將油從軸承 殼體排放至機油箱，該機油箱可以是內燃機的油箱或齒輪箱的油箱。應當理解，其它的油供 給布置是可以的。可以改變軸承殼體內的油壓，但它將通常大於渦輪葉輪後面的渦輪殼體中的壓 力。對於在渦輪葉輪後面可以產生低於大氣壓力的壓力時的軸向流式動力渦輪的情形，尤 其是這樣。從軸承殼體到渦輪殼體的壓力降可能加劇從軸承殼體到渦輪殼體並且因此到廢 氣流中的油洩漏的問題。根據本發明，是通過通路79給在隔熱罩72和軸承殼體71之間限 定的腔78加壓，來這解決這一問題。腔78中的壓力被傳遞至密封輪轂通路85的一部分上， 其被限定在第一和第二密封環90和91之間。這具有增加第一密封環90後面的壓力的作 用，所述第一密封環90使軸(密封輪轂80)相對於軸承殼體密封。降低從軸承殼體至渦輪 殼體的在密封環90兩側的壓力降將減小從軸承殼體越過密封環90的油洩漏的可能性。隔熱罩腔78可以被加壓至高於典型地在軸承殼體中遇到的壓力。小到約0. 2巴 表壓至約1巴表壓的壓力可能在典型的動力渦輪中是足夠的。雖然可以以約5巴表壓的壓 力供給對軸承殼體的油供給，但是在密封輪轂80附近的油壓將通常遠小於這一壓力，假定 油到達軸承殼體的這一區域的流動路徑是受限制的話。升高在隔熱罩腔78中的壓力，且因此升高在密封環90和91之間的通路85的一 部分中的壓力，這將具有減小跨過密封環90的油洩漏的有利效果。也就是，即使腔78中的 升高的壓力保持低於密封輪轂80的區域中的軸承殼體內的壓力，不過跨過密封環90的壓 力差仍然被減小。然而，優選地，腔78中的壓力位於至少大致接近將在靠近密封輪轂80的 軸承殼體中出現的最大壓力的水平，更優選地是還高於這一水平。在上述的本發明的實施例中，密封環90和91是重疊的開口環。在本發明的可替代的實施例中，可以用簡單的非重疊的開口環來替代第二密封環91，這樣可以節省成本。通 過隔熱罩72的開口 87和密封輪轂80之間的密封的效力明顯地小於第一密封環90的效力。雖然優選是沒有從腔78到渦輪殼體的任何的空氣流，但是在一些情況下小的空氣流將不會導致任何重大的問題。實際上，在本發明的其它的可替代的實施例中，這樣的第二密封 環91可以完全地省去，倘若可以在腔78中保持所需要的壓力，而沒有不可接受的水平的空 氣流進入到渦輪殼體中的話。實際上，可能很難測量在軸承殼體中靠近密封輪轂處的油壓。對於任何給定的應 用，可以通過測試經驗性地確定對於腔78的最優壓力。可替代地，可以在放油口處測量油 壓，該油壓通常類似於在密封輪轂80處出現的壓力。在本發明的一些實施例中，在渦輪或 其中包含渦輪的設備(例如內燃機)的不同的操作條件下可以改變腔78中的壓力，且也可 以有意地改變上述壓力。加壓氣體(優選地空氣)的供給可以通過通路79被運送至腔78。可以設置專門 的加壓氣體(空氣)源(未顯示)。在將渦輪連接至內燃機的應用中，例如可以從空氣制動 系統或輔助空氣供給運送加壓的空氣。在渦輪與上遊的渦輪增壓器(可能作為渦輪複式系 統中的動力渦輪或作為雙渦輪增壓器系統中的第二渦輪增壓器)結合使用的應用中，可以 從上遊渦輪增壓器運送加壓的空氣。類似地，諸如齒輪箱等的另一動力渦輪部件可以用於 對隔熱罩腔78中的空氣進行加壓。對於在圖4和5中顯示出的本發明的實施例，隔熱罩72與軸承/渦輪殼體是一體 的。因為不再需要對在隔熱罩的徑向外圍提供密封以便幫助在隔熱罩腔78中保持期望的 壓力時，這是尤其有利的。在這一區域中設置有效的密封例如對於傳統的壓制的金屬隔熱 罩可能是有問題的，至少部分地由於隔熱罩和殼體之間的不均勻的膨脹。對於如所顯示的 軸向流式動力渦輪，需要在這一位置提供密封還可能不利地影響設置有傳統的隔熱罩的渦 輪擴散器/出口的空氣動力學性能。例如通過澆鑄而一體地形成隔熱罩72和軸承/渦輪殼體，還有助於在隔熱罩和軸 (密封輪轂)之間產生所需的公差。在一些實施例中，通過隔熱罩的開口 87(且實際上通過 軸承殼體的開口 86)可以是被至少部分地澆鑄後機加工而成。在另外的實施例中，通過隔 熱罩的開口 87和通過軸承殼體的開口 86可以在一個步驟中被機加工，以確保對準。可替 代地，可以機加工開口 87，同時將隔熱罩72保持在靠近軸承殼體3的適當的位置上，且機加 工工具相對於開口 87的表面對準。在軸承殼體和隔熱罩之間的環形間隙92可以不是澆鑄 特徵，而是可以是澆鑄後被機加工而成。然而，優選地這一特徵是澆鑄特徵。適合的澆鑄方 法將對本領域技術人員來說是已知的，且例如包括失泡沫鑄造、失蠟鑄造以及砂型鑄造。在 本發明的一些實施例中在機加工開口 87之後，環形間隙92被機加工。在另外的實施例中， 使用插入通過開口 87的工具對環形間隙92進行機加工。雖然提出的是密封環90和91，但是可以在軸(密封輪轂)和軸承殼體之間以及在 軸(密封輪轂)和隔熱罩之間設置可替代的密封布置。例如，不是單個密封環90，而是可以 設置多個密封環，用於相對於軸承殼體密封軸(密封輪轂)，類似的，代替單個密封環91，可 以使用多個密封環以相對於隔熱罩密封軸(密封輪轂)，。在圖4和5顯示出的本發明的實施例中，由環形間隙92限定從腔77到通路86的 通路。除了允許對密封環90和91之間的通路85進行加壓之外，環形間隙92還幫助減小 從隔熱罩72到軸承殼體71的熱量轉移，且減小可能由隔熱罩的熱膨脹造成的應力。然而， 不需要環形間隙92 —定是連續的，間隙可以例如由在隔熱罩72和軸承殼體71之間延伸的材料被架在間隔開的圓周的位置。這樣的布置可以有效地提供在腔78和通路85之間的通 道，其形式為穿過限定通路85的壁的多個圓周地間隔的狹槽。類似地，可以通過一個或更 多的開口(例如孔)來提供腔78和通路85之間的所需的連通，所述開口被設置通過在隔 熱罩72和軸承殼體71之間延伸的殼體壁，該殼體壁限定了軸通路85。在軸承 殼體71和隔熱罩72之間具有環形間隙92的實施例中，優選地，間隙的軸 向寬度比第一密封環91的軸向寬度窄，從而便於將包括密封環的軸通過渦輪殼體插入到 軸承殼體中。隔熱罩72和軸承殼體71之間的環形間隙的，幫助防止當軸/密封環組件被 插入到殼體中時在環形間隙內堵塞密封環90的，其它結構，對本領域技術人員是顯而易見 的。本發明的其它實施例可以包括用於收集/移除可能通過密封環90洩漏到腔78中 的任何油的貯存器或通路。這樣的油洩漏可以例如可能在無法提供加壓的空氣供給到腔78 時或因為任何理由而中斷時出現。例如任何這樣的被收集的油可能返回至引擎或齒輪箱機 油箱。通過提供環形油收集通道97來幫助減小到第一密封環90的油流，該收集通道收 集從使密封輪轂80旋轉的徑向面80a濺射返回的油，且使其流動到放油口。因此這幫助防 止油在密封輪轂80的區域中被收集和到達第一密封環90。通過提供靠近密封輪轂80的甩 油環可以實現進一步地減小油到達第一密封環90的可能性。甩油環對本領域技術人員是 公知的。對於上述的軸承組件，可能需要做出修改，以便為甩油環提供空間，例如通過結合 彈性擋圈等以保持軸承82的渦輪端。實際上，對於單件軸承82，可能對於提供分離的甩油 環需要的空間有一定的困難，但對於另一軸承布置，諸如例如圖1中顯示的軸承布置，結合 單獨的甩油環可能是很簡單的。可替代地，可以修改密封輪轂80，以改善其甩油的性能。例如，可以如在 US7, 086，842中公開的且在圖1中在上文所顯示的輪轂80的徑向面形成有切口。這樣的切 口將改善密封輪轂80自身作為甩油環的操作。這對於圖4和5中顯示出的本發明的實施 例是尤其便利的，那些實施例包含單件的軸承82，而單件的軸承在軸的渦輪端處為包括分 離的甩油環留下的空間很小。已經證明了的對於減小到第一密封環90的油流是尤其有效的一種對密封輪轂80 的變型，在圖6a和6b中示出。圖6a對應於圖5，除了提供環形的甩油槽100之外。所有的 部件與圖5中使用的相同的參考標記表示。甩油槽100的功能是將到達密封輪轂80的油 徑向地且軸向地推進到油收集通道97中。將在圖6b中更加詳細地顯示出甩油槽100的結 構。參考圖6b，槽100包括第一環形側壁101、大致平行於第一環形側壁101的第二環 形側壁102以及環形基底103。第一環形側壁101位於錐形面上，該錐形在軸線X處對著 (subtend)角度θ，且在與包含密封輪轂80的圓柱形壁104的圓柱形表面相交之前與包含 環形面80a的平面相交。第二側壁102位於錐體的表面上，該表面在軸線X處也對著角度 θ，但在與包含環形表面80a的平面相交之前與包含密封輪轂80的圓柱形的外壁104的圓 柱形表面相交。同理，槽100具有在側壁101接觸徑向密封輪轂面80a處限定的第一環形 緣105和在第二側壁102接觸密封輪轂80的圓柱形壁104處限定的第二環形緣106，該第 二環形緣與第一緣105軸向地且徑向地間隔開。槽100具有在第一緣105和第二緣106之間限定的環形口 107，且位於圓錐表面上，該圓錐表面與環形面80a和圓柱形壁104相交。 環形基底103位於圓錐表面上，該圓錐表面大致垂直於側壁101和102且平行於口 107。本發明的上述實施例因此提供了一種有效地減小跨過渦輪端密封件的油洩漏的方法，而不對密封組件增加任何額外的部件，僅對傳統的渦輪增壓器部件進行小的修改，即 適當地設定密封輪轂80的環形肩的輪廓。在顯示出的實施例中，第一側壁101形成相對尖銳的環形邊緣，其中它在緣105處 接觸環形面80a，第二側壁102形成相對尖銳的環形邊緣，其中它在緣106處接觸圓柱形壁 104。在其它的實施例中，可以斜切緣105和106，或如例如以圖6b中的點線顯示地它們可 以被鈍化。一定程度上，緣104和105的尖銳度可以由用於形成槽100的技術來確定。預 期如所顯示的具有尖銳邊緣的緣將改善槽100的甩油表現。甩油槽緣105和106位於圓錐表面上，該圓錐表面在顯示的實施例中在軸線X處 對著角度90° -Θ。在本發明的其它實施例中，槽100的口 107基本上不垂直於側壁105 和106，所述角度可能不同於角度90° -Θ。然而，角度可能大於0度且小於90度。在一些 實施例中，角度將大於20度，且在其它的實施例中將大於30度。在一些實施例中，角度將 小於70度，且在其它的實施例中小於60度。所述角度例如可以在20度和70度之間。第一緣105以比第二緣106小的半徑(相對於軸線X)放置(且可以以小於第二 側壁102的徑向內端的半徑放置)。在一些實施例中，這些半徑的比是小於29 24。在其 它的實施例中，比是27 24，且在又一其它的實施例中比是25 24。在大多數實施例中，期望第一緣105的半徑小於靠近密封輪轂80的軸頸軸承82 的外半徑。在一些實施例中，第一緣105的半徑與軸頸軸承的半徑的半徑比至少是24 25。 在其它的實施例中，比至少是24 27，且在又一實施例中比至少是24 29。槽100的基底103不一定需要垂直於第一側壁101或第二側壁102延伸。如圖6b 所示也不需要基底103與被切成圓角的側壁101和102中的每一個相交。側壁101和102的間隔A可以不同於所顯示出的，且可以與如由側壁101和102 的高度的平均值所定義的槽的深度B成不同的比例。例如，在一些實施例中，比A B可 以是約2. 5 1，且在其它的實施例中它可以比這小。例如，比可以小於2 1或甚至小於 1.5 1。在又一實施例中，最小比可以是0. 5 1,0. 75 1或1 1。在側壁101和102 是不平行的情況的實施例中，尺寸A可以是槽100的最大寬度或槽的口的寬度。類似地，在 基底103不垂直於側壁101和/或102的實施例中，尺寸B可以是從槽的口測量的槽的最 大深度。槽100的整體尺寸可以一定程度上依賴於密封輪轂80的尺寸。在典型的實施例 中，密封輪轂80可以具有在約15mm和40mm之間的直徑，但在這一範圍外的直徑也是可能 的。應當理解，可以改變油槽97的精確的形式。例如，在一些渦輪增壓器軸承殼體設 計中，油槽可以圍繞軸延伸接近360度，而在其它的實施例中槽可以延伸通過較小的角度。 油槽97的細節可以完全是傳統的。可替代地，可以通過使槽的側壁(尤其是內側側壁)傾 斜來修改油槽97，其在一些實施例中改善了油收集性能。在顯示出的實施例中，側壁101和102位於圓錐表面上，該圓錐表面與底部壁103 位於其上的錐形表面相交(且還與包含緣105和106的錐形表面相交)。在可替代的實施例中，基底103可以是凹入的或甚至凸起的，以及彎曲遠離任何特定的錐形表面。在又一 實施例中，側壁101和/或側壁102可以是凹入的或凸起的以及彎曲遠離任何特定的錐形 表面。例如，壁101、102以及103可以被如圖7示意性地顯示的單個凹入的壁替代。對於 如圖7顯示的結構的槽，槽仍然具有在環形緣105和環形緣106之間限定的口 107，所述口 107位於與包含密封輪轂壁104的圓柱形表面和包含環形面80a的徑向平面相交的錐形表 面上。雖然如所顯示的橫截面被彎曲，但是槽可以具有整體的尺寸，該整體尺寸廣義地對應 於圖6a和6b的槽100的多種可能的相對的尺寸。儘管在圖60、6b以及圖7中顯示出的本發明的實施例中，甩油槽具有圍繞其圓周 的始終如一的橫截面，但是在其它的實施例中橫截面可以改變。例如，槽可以在一些圓周位 置上比另外的圓周位置上更寬或更深。類似地，槽壁的形狀和/或它們的相對於彼此的定 向可以沿槽的圓周改變。類似地，每個緣105和106的半徑和/或槽的口 107的寬度可以 沿槽的圓周改變。
本領域技術人員將容易明白上述的本發明的實施例的其它的可能的修改。
權利要求
一種渦輪機，所述渦輪機包括殼體，其限定被第一壁分開的軸承腔和渦輪室；渦輪葉輪，其被安裝到軸上，用於圍繞機器軸線在所述渦輪室中旋轉；隔熱罩，其設置在所述第一壁和所述渦輪葉輪之間，隔熱罩腔被限定在所述第一壁和所述隔熱罩之間；所述軸從所述渦輪室通過至少部分地由在所述壁中的第一開口和在所述隔熱罩中的第二開口限定的通路延伸到所述軸承腔中，所述軸被安裝用於在設置在所述軸承腔中的軸承組件上旋轉；第一密封件，其在所述軸和所述第一開口之間；所述殼體限定了與所述隔熱罩腔連通的第一氣體通道，用於連接至壓力源，所述壓力源用於升高在所述隔熱罩腔中的壓力；第二通道，其在所述隔熱罩腔和所述通路之間，所述第二通道向在所述第一密封件的對於所述軸承組件的相對側上的所述通路敞開；和第二密封件，其設置在所述軸和所述第二開口之間。
2.根據權利要求1所述的渦輪機，其中所述第一密封件包括一個或更多的密封環。
3.根據權利要求2所述的渦輪機，其中所述至少一個密封環包括重疊的開口環。
4.根據權利要求2或3所述的渦輪機，其中所述密封環或每一密封環安裝在由所述軸 限定的環形槽中。
5.根據權利要求5所述的渦輪機，其中所述第二密封件包括一個或更多的密封環。
6.根據權利要求5或6所述的渦輪機，其中所述密封環或每一密封環是開口環，所述開 口環位於由所述軸限定的環形槽中。
7.根據任一前述的權利要求所述的渦輪機，其中所述第二通道包括在所述壁與在所述 第一和第二開口之間的所述隔熱罩之間限定的環形間隙。
8.根據權利要求1至7中任一項所述的渦輪機，其中所述第二通道包括圍繞所述通路 限定的一個或更多的圓周地延伸的槽。
9.根據權利要求1至7中任一項所述的渦輪機，其中所述第二通道包括敞開到所述通 路和所述隔熱罩腔中的一個或更多的開口。
10.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述第一通道在所述隔熱罩腔和由所 述殼體限定的外表面之間延伸。
11.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述第一通道包括多個通道。
12.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述軸具有擴大的直徑部，所述擴大的 直徑部位於所述通路中且在所述通路中旋轉。
13.根據權利要求13所述的渦輪機，其中所述軸的所述擴大直徑部限定了大致徑向地 延伸的環形壁，所述環形壁面向所述軸承組件。
14.根據權利要求14所述的渦輪機，其中所述環形壁被構造以在所述軸旋轉時促使油 徑向地遠離所述軸。
15.根據權利要求15所述的渦輪機，其中所述殼體在所述軸承腔內限定了圓周地圍繞 所述徑向壁的大致環形的油收集槽。
16.根據權利要求15或16所述的渦輪機，其中所述軸的所述擴大直徑部具有大致軸向地延伸的徑向外圓周表面，且其中甩油槽延伸到所述擴大部中，所述甩油槽具有在第一圓 周延伸緣和第二圓周延伸緣之間限定的口，其中所述第二緣與所述第一緣徑向地且軸向地 間隔開。
17.根據權利要求17所述的渦輪機，其中所述第一和第二緣圍繞所述軸的所述大的直 徑部的整個圓周延伸。
18.根據權利要求17或18所述的渦輪機，其中所述槽的所述口在所述徑向地延伸的環 形壁處敞開以限定所述第一緣，且在所述大致軸向地延伸的圓周表面處敞開以限定所述第二緣。
19.根據權利要求17-19中任一項所述的渦輪機，其中所述槽包括基底、從所述第一緣 到所述基底延伸的第一側壁，以及從所述第二緣到所述基底延伸的第二側壁。
20.根據權利要求20所述的渦輪機，其中所述第一和第二側壁大致彼此平行，且所述 基底大致垂直於所述第一和第二側壁。
21.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述隔熱罩與所述殼體壁一體地形成。
22.根據權利要求22所述的渦輪機，其中限定所述隔熱罩和所述壁的所述殼體的至少 一部分是單件鑄造部件。
23.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述壁沿相對於所述軸的大致徑向方 向延伸遠離所述第一開口。
24.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述隔熱罩沿相對於所述軸的大致徑 向方向延伸遠離所述第二開口。
25.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述壁和所述隔熱罩接觸，以限定所述 隔熱罩腔的徑向外圓周外圍。
26.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述第一通道連接至加壓空氣源。
27.根據前述任一權利要求所述的渦輪機，其中所述渦輪機是包括限定所述渦輪室的 渦輪殼體以及限定所述軸承腔的軸承殼體的渦輪增壓器。
28.根據權利要求1-27中任一項所述的渦輪機，其中所述渦輪機是包括限定所述渦輪 室的渦輪殼體以及限定所述軸承腔的軸承殼體的動力渦輪。
29.根據權利要求28或29所述的渦輪機，其中所述壁是所述軸承殼體的壁。
30.一種減小渦輪機中的油洩漏的方法，所述渦輪機包括限定被第一壁分離的軸承腔 和渦輪室的殼體；渦輪葉輪，其被安裝到軸上，用於圍繞機器軸線在所述渦輪室中旋轉；隔熱罩，其設置在所述第一壁和所述渦輪葉輪之間，隔熱罩腔被限定在所述第一壁和 所述隔熱罩之間；所述軸從所述渦輪室通過至少部分地由在所述壁中的第一開口和在所述隔熱罩中的 第二開口限定的通路延伸到所述軸承腔中，所述軸被安裝用於在設置在所述軸承腔中的軸 承組件上旋轉；第一密封件，其在所述軸和所述第一開口之間；第二通道，其在所述隔熱罩腔和所述通路之間，所述第二通道向在所述第一密封件的 對於所述軸承組件的相對側上的所述通路敞開；和方法，包括將加壓的空氣供給至所述隔熱罩腔以升高所述隔熱罩腔中的壓力，由此升高在所述第一密封件的對於所述軸承組件的相對側上的通路中的壓力.
全文摘要
一種渦輪機包括殼體(71)，其限定被第一壁分開的軸承腔(71)和渦輪室(77a)。隔熱罩(72)設置在第一壁和渦輪葉輪(77)之間，隔熱罩腔(78)限定在第一壁和隔熱罩(72)之間。軸(81)延伸通過至少部分由在壁中的第一開口(86)和在隔熱罩(72)中的第二開口(87)限定的通路(85)。第一密封件(88)設置在軸(81)和第一開口(86)之間。殼體限定與隔熱罩腔(78)連通的第一氣體通道(79)，用於連接至用於升高在隔熱罩腔(78)中壓力的壓力源。第二通道(92)設置在隔熱罩腔(78)和通路(85)之間，第二通道向在第一密封件(88)的對於軸承組件(82)的相對側上的通路(85)敞開。第二密封件(89)設置在軸(81)和第二開口(87)之間。
文檔編號F01D11/00GK101821481SQ200880111455
公開日2010年9月1日 申請日期2008年10月10日 優先權日2007年10月13日
發明者克裡斯·恩賴特, 戴維·吉, 羅伯特·霍爾羅伊德 申請人:康明斯渦輪增壓技術有限公司