CN101010487B - 孔和轴组件 - Google Patents

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Abstract

用于涡轮机械的轴的示例性孔(248)包括总体上从孔的内端延伸到外端的纵向轴线；在用于外密封环(258)靠近孔的外端布置的外座半径处的外座，其中外座包括内端、外端、在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处向内径向延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面；以及在用于内部密封环(254)的内座半径处布置在外座内侧的内座，其中外座半径超过内座半径。还披露多种其它的示例性装置、系统和方法等。

Description

孔和轴组件
技术领域
本发明总体涉及一种用于内燃机的涡轮机械，特别是用于转动涡轮机械轴的密封件。
背景技术
大多数涡轮包括从涡轮涡轮叶轮的轮毂延伸到轴的轴承的轴。例如，用于内燃机的涡轮通常包括将发动机的排出物(exhaust)引导到涡轮叶轮的涡轮叶轮壳体以及容纳连接到涡轮叶轮轴的轴承的另一壳体。在这种配置中，轴承位于润滑环境中，润滑环境润滑轴承以便减小摩擦力、缓冲振动，由此使得涡轮高速操作，并且涡轮叶轮位于通常为高温和高压并且腐蚀性反应化学品(根据排出物的性质)的排出物环境中。为了将这两种环境分开，提出并使用多种密封机构。
通常，这种密封机构旨在减小排出物流动到润滑环境和/或润滑剂流动到排出物环境，两种情况可对性能(例如效率、排放、寿命等)造成影响。排出物流动到润滑环境中通常指的是窜漏，并且润滑剂流动到排出物环境中通常指的是泄漏。窜漏通常在排出物环境和润滑环境之间存在显著正压差的高速操作或负载过程中出现。泄漏通常在出现在压差是负值和/或最小并不足以克服毛细管或其它润滑传送力的例如发动机空转的操作的低涡轮功率模式过程中。美国专利第4,865,332号中公开了一种用于避免窜漏和泄漏的方案，其中的密封机构依赖于一种“阻塞气体”，该“阻塞气体”的压力可随时间变化。
由于涡轮机械工业趋于朝着增加涡轮入口压力、更加严格的排放规定、闭式曲轴箱通风系统以及增加用户对于废弃气体经过涡轮密封件的敏感性，将增加减小窜漏和/或泄漏的密封机构的需要，并且这种机构的结构将更加具有挑战性。这里披露的多种示例性密封机构旨在减小窜漏和/或泄漏。另外，多种示例性密封机构可以增加性能(例如效率、排放、寿命等)、涡轮机械的组装和/或拆卸。
发明内容
一方面，本发明提供了一种用于涡轮机械的轴的孔，该孔包括：从孔的内端延伸到外端的纵向轴线；在用于外密封环的外座半径处靠近孔的外端布置的外座，其中外座包括内端、外端、在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处向内径向延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面。
优选地，该孔包括：在用于内部密封环的内座半径处布置在外座内侧的内座，其中外座半径超过内座半径。
优选地，内座包括轴向宽度，并且内座包括轴向宽度，其中内座的轴向宽度超过外座的外部。
优选地，内座包括靠近内座的台阶的凹槽。
优选地，外座包括靠近外座的台阶的凹槽。
优选地，斜面高台半径与内座半径大致相同。
优选地，内座包括超过从外座的台阶到斜面高台的轴向宽度的轴向宽度。
优选地，孔从斜面高台轴向向外增加半径。
优选地，本发明的孔还包括布置在外座的台阶和斜面之间的外部密封环，以及布置在内座的台阶和外座的台阶之间的内部密封环，其中内部密封环的轴向宽度超过从外座的台阶到斜面高台的轴向宽度。
优选地，本发明的孔还包括布置在外座的台阶和斜面之间的外部密封环，以及布置在内座的台阶和外座的台阶之间的内部密封环，其中内部密封环的轴向宽度超过外部密封环的轴向宽度。
优选地，本发明的孔还包括多个密封环和可操作地连接到涡轮叶轮上的轴，孔、密封环以及轴形成迷宫密封件。
优选地，本发明的孔还包括一个或多个台阶形间隙密封环。
另一方面，本发明提供了一种在涡轮机械中使用的方法，包括：将多个密封环定位在可操作地连接到涡轮叶轮上的轴上；以及经由轴向向内的运动，将轴插入孔内，其中在插入过程中，外部密封环收缩，并且接着沿着斜面膨胀，以便到达外部密封座。
优选地，在插入过程中，内部密封环桥接用于外部密封件的座，其中座布置在台阶和斜面之间。
另一方面，本发明提供了一种在涡轮机械中使用的方法，包括：经由向外的轴向运动，从孔中取出可操作地连接到涡轮叶轮上的轴，其中轴包括多个密封环，并且其中在取出过程中，外部密封环沿着斜面收缩，以便到达斜面高台，并且其中内部密封环桥接用于布置在座的台阶和斜面高台之间的外部密封环的座。
另一方面，本发明提供了一种涡轮增压器，包括：包括压缩器壳体和安装在压缩器壳体上的压缩器叶轮的压缩器；包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体内的涡轮叶轮的涡轮；将压缩器叶轮连接到涡轮叶轮上的轴；布置在压缩器和涡轮壳体之间并且安装其上的中央壳体，中央壳体限定接收穿过其中的轴的孔；其中孔包括：从孔的内端延伸到外端的纵向轴线；在外座半径处靠近孔的外端布置的外座，其中外座包括内端、外端、在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处向内径向延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面。
附图说明
结合附图，通过参考以下详细描述，将更加完全地理解这里描述的多种方法、装置、系统、配置等，附图中：
图1是传统涡轮增压器和内燃机的视图；
图2是涡轮增压器的示例性壳体的截面图；
图3是用于孔和轴的示例性密封机构的截面图；
图4A是台阶形间隙密封环的顶视图，并且图4B是台阶形间隙密封环的一部分的侧视图。
具体实施方式
这里披露的多种示例性方法、装置、系统、配置等克服了与涡轮增压器相关的技术问题，并且任选地适用于电辅助涡轮增压器。
涡轮增压器通常用来增加内燃机的输出。参考图1，表示包括内燃机110和涡轮增压器120的现有技术系统100。内燃机110包括容纳可操作地驱动轴112的一个或多个燃烧室的发动机缸体118。如图1所示，进入孔114提供空气到发动机缸体118的流动路径，而排出物孔116提供用于排出物离开发动机缸体118的流动路径。
涡轮增压器120用来从排出物中吸取能量并且将能量提供给与燃料组合以便形成燃烧气体的进入空气。如图1所示，涡轮增压器120包括空气入口134、轴122、压缩器124、涡轮126、中央壳体或组件128以及排出物出口136。
压缩器124的出口流到通常用来在发动机110的进入孔114之前从压缩的进入空气吸取能量的热交换器(例如冷却器)130。如背景技术所述，压缩造成空气分子之间摩擦以及摩擦加热。因此，压缩器出口处的空气通常具有比压缩器入口处的空气显著较高的温度。在图1中，热交换器130通常是用来在压缩空气到达发动机110的一个或多个燃烧室之前从压缩空气去除热量的内部冷却器。
参考涡轮126，这种涡轮任选地包括可变几何单元和可变几何控制器。可变几何单元和可变几何控制器任选地包括例如可在市场上得到的可变几何涡轮增压器(VGT)相关的那些特征，例如(但不局限于)采用多个可调节叶片以便控制排出物通过涡轮的流动的GARRETT
Figure GA20168674200580029672401D00041
VNTTM和AVNTTM涡轮增压器。当然，示例性涡轮增压器可采用废气门技术，以作为可变几何技术的选择或附加。
图2表示用于容纳轴承以便支承涡轮叶轮轴的示例性壳体228的截面图。示例性壳体228任选地适用于图1的壳体128。示例性壳体228包括具有压缩器孔端或部段244以及涡轮孔端或部段248的通孔242。通常，这种通孔具有与涡轮叶轮和压缩器叶轮的转动轴线同轴的纵向轴线。虚线框表示在图3中更加详细描述的孔242的涡轮孔部段248的示例性密封机构300以及另外的部件。
图3表示涡轮孔部段248的示例性密封机构300以及密封环254、258和轴280的截面图。在此实例中，示例性密封机构300包括密封环254、258、一起作用以便产生流动阻力的涡轮孔部段248的内表面(例如靠近涡轮叶轮)和轴280的外表面。密封机构300经由环形路径和间隙流动区域产生阻力，有时称为迷宫密封件。另外，在密封机构300的多种部件的安装、磨损、加热等时，会改变路径的扭曲或其它性能。
涡轮孔部段248的表面包括具有从外座的内侧台阶测量的径向深度Δrso的外座。涡轮孔部段248的内表面还包括从内座的内侧台阶测量的径向深度Δrsj的内座。外座接收外环258，而内座接收内环254。外环258包括小于外座的轴向宽度的轴向宽度Xo，并且内环254包括小于内座的轴向宽度的轴向宽度Xi。因此，对于位于其各自座内的环来说，会出现某些运动或轴向膨胀，其中座的内部台阶通常限制环254、258的运动。
在示例性孔部段248中，外座包括具有轴向宽度XGo的凹槽，并且内座包括具有轴向宽度XGi的凹槽。通常，凹槽的轴向宽度小于各自环的轴向宽度。在此实例中，每个凹槽在一个轴向端处与各自内侧台阶重合，这可限制环的向内轴向运动或膨胀。
示例性轴280包括与外环258大致重合的外部细槽以及与内环254大致重合的内部细槽。通常，细槽的轴向宽度超过各自环的轴向宽度。
为了进行说明，表示了多个压力P1、P2和P3，其中P1表示排出物环境压力，P2表示中间压力，并且P3表示润滑环境压力。在P1超过P2时，可预料到排出物在P1-P3方向上流动(例如，从排出物环境到润滑环境)，其中P1＞P2＞P3。在P3超过P1或者P3和P1之间的差别不显著时(例如，几厘米水柱)，那么润滑剂会在P3-P1方向上流动。再者，由于毛细管和/或其它润滑剂传送力(例如重力等)，润滑剂会流动。虽然在涡轮操作中排出物流动通常是更加严重的问题，密封机构300也可用来抵抗润滑剂流动。
如图3所示，内环254和外环258用来按照如下等式(等式1)顺序地产生阻力：
R总＝R内部+R外部+α                     (1)
其中α表示其它阻力。根据多种参数的数值，R内部可不同于R外部，并且如上所述，这种数值可在操作过程中变化。
虽然与单环机构相比，示例性机构300的环254、258用来增加流动阻力，示例性密封机构300还包括有助于轴280与孔248组装和/或拆卸的特征。有助于组装和/或拆卸的特定特征是孔248壁内的斜面，该斜面在此实例中通过一起确定径向斜面距离ΔrC的轴向斜面升高距离XCr和斜面升高角度γCr来限定。用于示例性斜面升高角度γCr的数值任选在大约30°和大约50°之间。虽然示例性斜面具有大致线性的截面，其它实例可包括具有与线性截面任选结合的非线性截面的斜面。例如，斜面可包括弯曲的截面。
从外座的台阶到斜面的距离与外环轴向宽度相结合来任选地选择，以便在使用或操作过程中外环在外座内充分偏移，而不使得外环达到斜面。当然，斜面将为外环朝着孔的涡轮端的运动提供某些阻力，该阻力可根据升高角度、斜面升高距离、斜面截面等来变化。但是，在组装和/或拆卸过程中这种阻力会通常被克服。
在密封组件300的组装过程中，外环258的插入会从孔248的涡轮侧开口出现，其中在外环258轴向横过离开涡轮侧开口时，它达到斜面。在环258的外边缘表面接触外座时，斜面使得环258径向膨胀(例如通过径向距离ΔrC)。
当然，在可选择的组装技术中，环258可压缩或收缩到小于最小斜面半径(或直径)的尺寸，并且接着膨胀大于径向距离ΔrC的量，从而与孔248的内壁相遇。但是，环通常具有受到限制的收缩和膨胀范围，并且按照这里所述的多种实例，具有小的径向距离的斜面通常是优选的。
在拆卸过程中，在环258轴向横过斜面时，会出现外环258的径向收缩。因此，按照示例性密封机构300，环258通常能够径向膨胀和径向收缩，由此与斜面协作，并且使得轴280与孔248容易组装和/或拆卸。
示例性的孔248还包括具有轴向宽度XC的斜面高台，随后是具有增加半径的第二斜面或锥形区段。第二斜面以不同于斜面升高角度γCr的角度γCd布置。第二斜面使得外环258在组装和/或拆卸过程中径向膨胀或径向收缩。
在示例性密封机构300中，靠近用于外环的外座的斜面不与一个或多个内部密封环插入孔部段248干涉。在图3的实例中，斜面高台和内座具有大致等同的半径。因此，内环254可横过斜面高台，以便座置在内座内。通常，环254、258在组装时以各自环和内部台阶之间具有间隙的方式定位。在使用或操作过程中，间隙会减小，环可接触内部台阶和/或间隙会增加。
相对于轴280，示例性机构300需要带有两个环细槽的轴。通常，细槽在焊接点的足够内侧在涡轮叶轮轮毂内切制，以避免热影响区域。在示例性机构300内，细槽具有不同的轴向宽度：较窄宽度的外部细槽以及较宽宽度的内部细槽。细槽设置尺寸以便在与各自密封环配合时形成所需的侧向间隙。在不同实例中，内环足够宽，以便防止安装在外部细槽内，这可以进行复杂组装(即允许内环错位等)。内环轴向宽度Xi和外环轴向宽度Xo之间的示例性关系任选地是大约1.2的级别(例如内环轴向宽度比外环轴向宽度宽大约20％)。
如上所述，涡轮孔部段248包括径向向内延伸并且靠近各自密封环座的两个大致垂直的台阶。内部台阶以传统单环密封机构的方式任选地加工。外部台阶表面任选地加工成具有凹入的第二密封孔或外座直径，其中第一孔或内座和第二孔或外座之间的直径差别提供所需的台阶，而不伸入第一孔或内座直径中。在不同的实例中，凹入的第二孔或外座的外边缘构造成具有足够小的角度的斜面，从而可以拆卸外环。
包括斜面的外座的凹口的轴向宽度任选地选择成是内环的轴向宽度的大约80％。这种尺寸使得在内环安装时，内环桥接并轴向横过外座和斜面，其中保持在内座和斜面凹口外侧孔内的内环的一部分将内环保持在内部密封孔或内座直径处。从斜面的内端到外座的台阶的外座或凹入孔的轴向宽度任选地选择成使得窄小外环放松并膨胀到外孔或外座直径。在此实例中，外座直径通常超过内座直径。从外座的内侧台阶测量的示例性径向深度ΔrSo任选地是十分之一到十分之几毫米的级别(例如大约0.1mm-大约0.3mm)。
外部密封环膨胀到外密封孔直径(例如座直径)具有增加环的安装端间隙的作用。由于这种间隙影响穿过环及其周围的流动区域，通常希望将此间隙保持在所需的最小程度，以便允许操作过程中安装和热膨胀。为了补偿对于此实例的密封性能的任何不利影响，在外部密封环内可以采用台阶形间隙的几何形状以便增加流动阻力。
如上所述，斜面可有助于示例性密封机构的拆卸。例如，外座的斜面外边缘可用来在轴从孔抽出时压缩外环。
按照多种示例性机构，在使用或操作过程中，密封环通常在气体负载下磨合，使得环边缘接触座内的台阶，其中这种接触可用来限制环的进一步磨损。
如相对于示例性机构300的描述那样，用于涡轮机械的轴的示例性孔可包括总体上从内端延伸到外端的纵向轴线、在用于外部密封环的外座半径处靠近孔外端布置的外座，其中外座包括内端、外端和在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处径向向内延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面以及在用于内部密封环的内座半径处布置在外座内侧的内座，其中外座半径超过内座半径。
如上所述，内座可包括轴向宽度，并且外座可包括轴向宽度，其中内座的轴向宽度超过外座的轴向宽度。内座任选地包括靠近内座台阶的凹槽，并且外座任选地包括靠近外座台阶的凹槽。斜面高台可被包括或指的是斜面的最小半径。这种斜面高台任选地包括与内座半径大致相同的半径。通常，示例性孔从斜面高台向外轴向增加半径。
如图3所示，外部密封环258布置在外座台阶和斜面之间，并且内部密封环254布置在内座台阶和外座台阶之间，其中内部密封环的轴向宽度任选地超过从外座台阶到斜面高台的轴向宽度。在多种实例中，内部密封环254的轴向宽度超过外部密封环258的轴向宽度。
示例性孔部段258表示成包括多个密封环和可操作地连接在涡轮叶轮上的轴，其中孔、密封环和轴形成迷宫密封件。示例性方法包括将多个密封环定位在可操作连接到涡轮叶轮的轴上(例如涡轮叶轮的任选操作连接部分等)，并且经由轴向向内运动将轴插入孔内，其中在插入过程中，外部密封环沿着斜面收缩并且接着膨胀，达到外部密封座。在此示例性方法中，在插入过程中，内部密封环任选地桥接用于外部密封件的座，其中座布置在台阶和斜面之间。另一示例性方法包括经由向外轴向运动从孔抽出可操作连接到涡轮叶轮(例如任选地连接等)上的轴，其中轴包括多个密封环，并且其中在取出过程中，外部密封环沿着斜面收缩以到达斜面高台，并且其中内部密封环桥接用于布置在座的台阶和斜面高台之间的外部密封环的座。
如上所述，环可采用台阶形间隙几何形状。图4A表示包括台阶形间隙452的示例性环450的顶视图，图4B表示包括台阶形间隙452的示例性环450的一部分的侧视图。示例性环450在示例性密封机构中任选地适合用作内环、外环和/或中间环。例如，环450可在示例性密封机构300中用作内环254和/或外环258。特别是，考虑到将环450用作外环258。在这种实例中，台阶形间隙452允许环径向收缩到足以横过斜面最小半径的尺寸。在台阶形间隙环横过斜面时，台阶形间隙452可膨胀，由此使得环膨胀，并且环座置在外座内。
虽然特定台阶形间隙表示在图4B中，允许密封环收缩和膨胀的其它机构也可适用于示例性密封机构中。
这里披露的多种示例性机构包括允许组装和/或拆卸一个或多个密封环的斜面。这种特征可以方便地检查外环和/或一个或多个内环的磨损。
多种示例性机构任选地包括一个以上的斜面，其中例如每个斜面与密封环相对应，并且靠近密封环座。在一个实例中，外部斜面与外环座相对应，中间斜面与中间环座相对应，并且内环任选地具有选择成桥接外座和中间座的轴向宽度以及大致等于或小于中间斜面的最小直径(例如斜面高台)的最小直径，由此使得内环定位在内环座内。
多种示例性实施例包括不同截面的密封环。例如，内环可包括比外环足够宽的轴向尺寸，由此使其桥接用于外环的下切孔区段或座。以此方式，内环能够在安装过程中绕过外座的内部台阶，使得内环位于其自己的座内，任选的是传统密封环座。
多种示例性机构包括从外座升高的斜面或倾斜边缘，其任选地用作外座的一部分，以便在使用或操作过程中保持密封环。斜面设置用于外环在拆卸过程中收缩和/或用于外环在组装过程中膨胀。
与传统单环机构相比，多种示例性多密封环机构提供改进的密封耐用性(密封环磨损)。示例性机构包括用于内环和外环的限制磨损台阶。而多种实例涉及孔的涡轮端或部段，这种示例性机构还可适用于孔的压缩器端或部段，以便减小进入空气流到中央壳体和/或润滑剂泄漏到压缩器壳体。
虽然在附图和具体实施方式中描述了某些示例性方法、装置、系统配置等，将理解到所披露的示例性实施例没有限制含义，能够进行多种重新配置、改型和替代，而不偏离由以下权利要求限定和提出精神。

Claims (16)

1.一种用于涡轮机械的轴的孔，该孔包括：
从孔的内端延伸到外端的纵向轴线；
在用于外密封环的外座半径处靠近孔的外端布置的外座，其中外座包括内端、外端、在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处向内径向延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面。
2.如权利要求1所述的孔，其特征在于，该孔包括：
在用于内部密封环的内座半径处布置在外座内侧的内座，其中外座半径超过内座半径。
3.如权利要求2所述的孔，其特征在于，内座包括轴向宽度，并且内座包括轴向宽度，其中内座的轴向宽度超过外座的外部。
4.如权利要求2所述的孔，其特征在于，内座包括靠近内座的台阶的凹槽。
5.如权利要求1所述的孔，其特征在于，外座包括靠近外座的台阶的凹槽。
6.如权利要求2所述的孔，其特征在于，斜面高台半径与内座半径大致相同。
7.如权利要求6所述的孔，其特征在于，内座包括超过从外座的台阶到斜面高台的轴向宽度的轴向宽度。
8.如权利要求1所述的孔，其特征在于，孔从斜面高台轴向向外增加半径。
9.如权利要求2所述的孔，其特征在于，还包括布置在外座的台阶和斜面之间的外部密封环，以及布置在内座的台阶和外座的台阶之间的内部密封环，其中内部密封环的轴向宽度超过从外座的台阶到斜面高台的轴向宽度。
10.如权利要求2所述的孔，其特征在于，还包括布置在外座的台阶和斜面之间的外部密封环，以及布置在内座的台阶和外座的台阶之间的内部密封环，其中内部密封环的轴向宽度超过外部密封环的轴向宽度。
11.如权利要求2所述的孔，其特征在于，还包括多个密封环和可操作地连接到涡轮叶轮上的轴，孔、密封环以及轴形成迷宫密封件。
12.如权利要求1所述的孔，其特征在于，还包括一个或多个台阶形间隙密封环。
13.一种在涡轮机械中使用的方法，包括：
将多个密封环定位在可操作地连接到涡轮叶轮上的轴上；以及
经由轴向向内的运动，将轴插入孔内，其中在插入过程中，外部密封环收缩，并且接着沿着斜面膨胀，以便到达外部密封座。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，在插入过程中，内部密封环桥接用于外部密封件的座，其中座布置在台阶和斜面之间。
15.一种在涡轮机械中使用的方法，包括：
经由向外的轴向运动，从孔中取出可操作地连接到涡轮叶轮上的轴，其中轴包括多个密封环，并且其中在取出过程中，外部密封环沿着斜面收缩，以便到达斜面高台，并且其中内部密封环桥接用于布置在座的台阶和斜面高台之间的外部密封环的座。
16.一种涡轮增压器，包括：
包括压缩器壳体和安装在压缩器壳体上的压缩器叶轮的压缩器；
包括涡轮壳体和安装在涡轮壳体内的涡轮叶轮的涡轮；
将压缩器叶轮连接到涡轮叶轮上的轴；
布置在压缩器和涡轮壳体之间并且安装其上的中央壳体，中央壳体限定接收穿过其中的轴的孔；
其中孔包括：
从孔的内端延伸到外端的纵向轴线；
在外座半径处靠近孔的外端布置的外座，其中外座包括内端、外端、在内端处径向向内延伸到台阶半径的台阶以及在外端处向内径向延伸通过向外轴向距离到斜面高台半径的斜面。
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