CN102213117B - 轴密封部 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴密封部，具体而言，一种流体机械的工作叶轮轴(20)的轴密封部包括工作叶轮侧的密封部(41，42)以及在轴承壳体(30，31)和轴(20，21)之间的轴承侧的密封部(43)，其中，在工作叶轮侧的密封部和轴承侧的密封部之间布置有排油腔(53)，由在轴承壳体(30，31)和轴(20，22)之间的第三密封部(44)限制排油腔(53)，并且在第三密封部(44)和工作叶轮侧的密封部之间布置有气体出口腔(55)，其中，通过至少一个喷油孔(61)在排油沟(52，63)的区域中主动地冷却该结构，由此可阻止轴密封部的结焦。根据本发明，第三密封部(44)将来自排油腔的油与来自气体出口腔的气体分隔。

Description

轴密封部
技术领域
本发明涉及流体机械的、尤其地利用内燃机的废气加载的废气涡轮增压器的领域。
本发明涉及这种流体机械的轴密封部(Wellendichtung)。
背景技术
目前，应用标准化的废气涡轮增压器用于内燃机的功率提升，该废气涡轮增压器带有在内燃机的排气管中的涡轮以及位于内燃机之前的压缩机，该压缩机通过共同的轴与涡轮相连接。在借助于废气涡轮增压器增压内燃机的情况下，提高在气缸中的充气量并由此增加气缸中的燃料混合物，并且从中获得用于内燃机的明显的功率提升。可选地，借助于动力涡轮(Nutzturbine)可将结合(binden)在内燃机的废气中的能量转化成电能或机械能。在此，代替压缩机(例如在废气涡轮增压器中)，发电机或机械消耗器(Verbraucher)联接在涡轮轴处。
标准化地，废气涡轮增压器由转子(其由轴、压缩机叶轮(Verdichterrad)以及涡轮叶轮(Turbinenrad)组成)、用于轴的支承、引导流动的壳体部件(压缩机壳体以及涡轮壳体)以及轴承壳体组合而成。
由于在涡轮侧以及压缩机侧的流动区域中的高的过程压力(Prozessdruck)，必须利用合适的密封方案相对于轴承壳体的空腔密封废气涡轮增压器的轴。通常，在轴承壳体的空腔中的内压力相应于大气压力。相反地，在压缩机侧或涡轮侧的流动通道中的气压与废气涡轮增压器的当前运行点(Betriebspunkt)相关，并且在大多数运行点中该气压位于轴承壳体的空腔中的压力之上。但是，在一定的情况中，同样必须考虑负压，例如在部分负载运行中或在静止状态(Stillstand)中。
从文件DE 20 25 125中已知废气涡轮增压器的涡轮侧的轴密封部，该轴密封部由径向轴承的涡轮侧的简单的集油腔以及带有在轴和轴承壳体之间的密封作用的活塞环组合而成。轴向地从径向轴承离开的轴承油喷射(spritzen)到向外错位且旋转的轴肩上，并且通过离心力被甩到集油腔中。紧接着，如此被甩出的轴承油在集油腔之内跟随重力向下流动，并且再次回到轴承润滑的油循环中。
标准化地，为了减少气体从流动通道中通过涡轮的叶轮后部空间(Radrückraum)泄漏到轴承壳体的空腔中，应用由金属(例如灰口铸铁)制成的活塞环。在轴承壳体中，处于应力中的活塞环卡紧在带有轴向的止动肩部的径向的槽中。旋转的轴设有径向的槽作为相对于活塞环的配合件，其中，活塞环轴向地被俘获(fangen)在该槽之内，并且活塞环径向地覆盖该槽。由于废气压力和在轴承壳体的内部中的压力之间的压力差，在已有的压力梯度的方向上在槽之内将活塞环轴向地推向止动部。通过活塞环轴向地支撑在槽内表面中的一个处，活塞环磨合(einschleifen)并且相对于废气流密封轴承壳体空间。为了改进密封作用，也可应用两个或多个活塞环，例如在文件CH 661 964 A5、文件US 3 180 568、文件US 4 196 910或文件EP 1 860 299中公开的那样。在这些文件中显示出，如何可通过附加地应用密封空气(Sperrluft)或对两个活塞环之间的空间通风提高对于热的废气的密封作用，并且由此可完全地阻止废气漏出到轴承壳体中。
从文件DE 37 37 932 A1中已知一种废气涡轮增压器的涡轮侧的轴密封部，在其中，在轴承部位和两个活塞环之间从径向轴承中排油在此，为了改进不透油性代替简单的轴向的轴肩使用附加的离心盘(Schleuderscheibe)。由此，可显著地减小在活塞环槽的区域中出现的不期望的轴承油的量。相似地，在根据文件US 4 268 229以及文件DE 30 21 349的轴密封部中，在径向轴承和邻近的活塞环之间进行排油，其中，排油部总是由腔体组成。附加地，借助于附加的连接通道，在两个活塞环之间的空腔与轴承壳体的空腔相连接，并且被通风至大气的环境压力。由此阻止了在左侧的活塞环上引起的压力差，从而该活塞环主要承担油密封的功能而不是热气密封的功能。由此，仅仅右侧的活塞环承担在处于压力下的流动通道和轴承壳体的空腔之间的密封。相应地，通过该结构变型方案得到用于介质油(来自径向轴承)以及废气(来自流体通道)的两个分隔的排出部(Ablauf)，其中，通过活塞环分隔排出部。从径向轴承中离开的润滑油可能轴向地喷射到气体密封的活塞环区域中，并且在最不利的情况中充满(fluten)整个活塞环槽。通常，在压缩机或涡轮的流动通道中的气压大于在涡轮增压器的轴承壳体中的内压力。因此，正的压力差(在流动通道中的压力高于在轴承壳体的空腔中的压力)导致，出现的气体泄漏吹过活塞环密封部，并且将无意地渗入到活塞环区域中的轴承油送回轴承壳体的集油腔中。
在文件DE 10 2004 055 429 B3中描述的用于转子轴的被润滑的支承的密封机构尝试相反地作用，该密封机构在轴向方向上相对于输送的润滑介质密封废气涡轮增压器的轴承壳体。在转子轴上设置有以间隙(Spalt)、迷宫或活塞环的形式的第一密封部以及以窄的间隙或迷宫的形式的第二密封部，两个密封部在其之间包围环形地围绕转子轴的周缘延伸的排油通道，借助于壳体侧的排油槽和布置在同轴线的(achsgleich)位置中的轴侧的排油槽构建该排油通道。在排油通道中设置有在转子轴的径向方向上利用端部自由地伸入环形的排油通道中的环形的密封桥接部，该密封桥接部为用于渗入排油通道中的润滑介质的在轴向方向上作用的障碍部(Barriere)，并且径向地覆盖第二密封部的间隙。
从文件DE 43 30 380 A1中已知一种废气涡轮增压器，其包括两件式的轴承壳体，在其中，来自第一部件的油喷射到第二部件的表面上以用于冷却。
在所有已描述的涡轮侧的轴密封方案中，在一定的情况中存在这样的危险，即，热的气体从废气涡轮的叶轮后部空间中通过活塞环密封部漏出，并且，在活塞环区域中以及排油槽中残留的轴承油在该处(lokal)燃烧，并且由此造成轴密封部的严重结焦以及与此相关的磨损。随着升高的废气温度和通过活塞环的提高的气体泄漏以及不良的构件冷却，结焦的危险增加。因此，密封部部分(Dichtungspartie)的主动的冷却对于轴密封部的运行安全性来说是决定性的。
从文件DE 197 13 415 A1中已知一种废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器在压缩机叶轮的后部中的轴向轴承的区域中具有环形的密封板作为喷油保护件
从文件US2005/0188694 A1中已知一种废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器在压缩机叶轮的后部中的轴密封部的区域中在两个活塞环之间具有油抽吸管借助于真空泵通过该油抽吸管清洁易于渗入的油的在两个活塞环之间的区域。
从文件US 4,523,763中已知一种废气涡轮增压器，该废气涡轮增压器在压缩机叶轮的后部中的轴密封部的区域中具有迷宫密封部，其应防止，油可从润滑循环中到达压缩机的工作空间中。
发明内容
因此本发明的目的为，提供流体机械的支承在轴承壳体中的轴的轴密封部，在该轴密封部中，改进润滑油的排出性能(Ablaufverhalten)，以及可通过密封部部分的主动的冷却使活塞环密封部的结焦危险最小化。
流体机械的支承在轴承壳体中的轴的根据本发明的轴密封部在轴承壳体中的空腔和流体机械的工作叶轮(Laufrad)的叶轮后部空间之间包括多个密封部：第一工作叶轮侧的密封部，其例如可以至少一个活塞环的形式构造；以及第二轴承侧的密封部，其例如可以在轴承壳体和轴之间的密封间隙(Dichtspalt)的形式构造。在工作叶轮侧的密封部和轴承侧的密封部之间布置有排油腔，由第三中间的密封部限制该排油腔，该第三中间的密封部例如以在轴承壳体和轴之间的密封间隙的形式构造。此外，根据本发明，在第三密封部和第一工作叶轮侧的密封部之间布置有气体出口腔(Gasaustrittskammer)。根据本发明，第三密封部明确地(sauber)将两种介质(将来自排油腔的油与来自气体出口腔的气体)分隔，由此可使在排油腔中的结焦危险最小化，因为两种介质不在相同的收集腔之内彼此相遇。两种介质以通过第三密封部彼此分隔的方式通过至少两个排出通道侧向地导出到轴承壳体空间中。此外，通过至少一个倾斜地取向的喷射油装置主动地冷却根据本发明的轴密封部，其中，喷射油不应到达排出腔中。结构上如此设计轴密封部，即，尽可能多的喷射油将轴承壳体以及可选的嵌入件(Einsatzstück)的材料温度保持较低，并且阻止在若干排出腔中的油的结焦。
可选地，轴承壳体的这样的区域可构造成嵌入件，即，该区域为根据本发明构造的轴密封部的一部分。在由运行引起磨耗的情况下可容易地更换嵌入件，或例如为了清洁目的可暂时地从轴承壳体中拆下嵌入件。此外，选择带有尽可能高的导热性能的材料作为用于该嵌入件的材料。
可选地，轴的这样的区域可构造成与轴一起旋转的罩形的套筒(Aufsatz)，即，该区域为根据本发明构造的轴密封部的一部分并且利用其轮廓与轴承壳体共同形成排油腔以及气体出口腔。该套筒可热装(aufschrumpfen)、旋拧在轴上，或以其它方式以形状和/或力配合的方式与轴相连接。可选地，由这样的材料制造套筒，即，该材料相对于轴的材料具有改进的导热能力或提高的隔绝(isolieren)的作用。以这种方式可阻止在排油沟中的潜在的油结焦。
附图说明
下面根据图纸详细地解释根据本发明的轴密封部。其中：
图1显示了带有径流式压缩机和径流式涡轮的根据现有技术的废气涡轮增压器的部分剖切的视图，
图2显示了沿着轴引导的穿过根据图1的废气涡轮增压器的根据本发明构造的涡轮侧的轴密封部的截面，
图3显示了根据图2的轴密封部的第二实施形式的壳体部件的从下部观看的视图，
图4显示了沿着IV-IV引导的穿过根据图3的壳体部分的截面，以及
图5显示了带有热装在轴上的套筒的根据图2的轴密封部。
参考标号列表
10        涡轮
11        涡轮叶轮
12        气体进口
13        气体出口
15        工作叶轮的叶轮后部空间
20        轴
21，22    密封桥接部
30        轴承壳体
31        轴承壳体的嵌入件
32        密封板
33        密封桥接部
34        径向轴承
41，42    活塞环
43，44    径向的密封间隙
50        在轴承壳体中的空腔
51，52    排油沟
53        排油腔
54        排油通道
55        气体出口腔
56        排气通道
60        油通道
61        油喷射装置
62        涡轮侧的轴承法兰
63        轴承壳体的内轮廓
70        热板(Hitzeblech)
71        支撑部位
81        与轴一起旋转的套筒
82        轴配合部
83        轴向止动部
90        压缩机
91        压缩机叶轮
92        空气进口
93        空气出口
具体实施方式
图1显示了带有径流式压缩机90和径流式涡轮10的根据现有技术的废气涡轮增压器。以部分剖切的方式示出了绘出的废气涡轮增压器的壳体，以便可看到带有压缩机叶轮91、轴20以及涡轮叶轮11的转子。利用宽箭头指出从空气进口92经过压缩机叶轮91直至空气出口93的空气引导以及从气体进口12经过涡轮叶轮11直至气体出口13的气体引导。一般借助于两个径向轴承和至少一个轴向轴承将轴20可旋转地支承在轴承壳体30中。
图2以放大地示出的方式在涡轮侧的径向轴承34的区域中显示了废气涡轮增压器或动力涡轮。在叶轮轴承的涡轮侧(即，在图示中的右侧)布置有根据本发明构造成三件式的轴密封部，该轴密封部将在轴承壳体中的空腔50与涡轮叶轮11的叶轮后部空间15分隔。在所示出的根据本发明构造的轴密封部的实施形式中，轴承壳体在轴密封部的区域中包括嵌入件31(密封衬套)，嵌入件31实现成独立的构件。嵌入件31构造成环形的，并且包括径向上外部的排油沟52以用于从径向轴承34中径向地向外甩出的以及侧向地送出(abgeben)的喷射油。直接或间接地以喷射油喷溅(bespritzen)嵌入件并且由此主动地冷却嵌入件。通过油喷射装置61将喷射油导引到待冷却的构件上。通过在涡轮侧的轴承法兰62中的油通道60实现喷射油的供给。在所示出的实施形式中，油喷射装置61如此实施成孔并且如此取向，即，喷射油在轴承壳体30的区域中碰撞内轮廓63，并且在排油沟52的区域中弄湿嵌入件。通过喷射油和来自支承34和排油沟51的油，全面地冷却嵌入件和位于嵌入件中的活塞环、密封部以及排出腔，并且很大程度上阻止了结焦。为了提高在活塞环和排出腔上的冷却作用，可选地由带有尽可能高的导热特性的材料制造嵌入件31。此外，可通过附加的热板70将轴密封部31，30，41，42的构件与热的涡轮背壁11和叶轮后部空间15分隔。热板70在叶轮后部空间15的区域中布置在热的涡轮背壁11和轴密封部的嵌入件31之间。可选地，热板在径向的内部区域中利用支撑面71搁置在嵌入件31处。通过该热板70，附加地减小在嵌入件31和活塞环41，42的区域中的材料温度，这再次使结焦倾向最小化。在轴向方向上由径向地延伸(ausziehen)的密封板32限制排油沟52，另一方面该密封板32自身通过在排出通道51中的油冷却。此外，嵌入件包括凹入部以用于容纳两个串联布置的活塞环41和42，活塞环41和42是已知的并且在开头在现有技术中已描述了其工作原理。此外，嵌入件在径向地位于内部的区域中包括排油腔53、用于来自两个活塞环41和42的气体泄漏的独立的气体出口腔55以及密封桥接部33，该密封桥接部33将排油腔53和气体出口腔55彼此分隔。
在径向轴承34和密封板32之间的排油沟51形成从径向轴承中离开的轴承油的第一主排出通道。密封板32与轴20的径向地相对的第一桥接部21形成第一径向的密封间隙43，由于该密封间隙43，使轴承油从排油沟51到排油腔53中的渗入最小化。排油腔53的旋转的轴轮廓设有径向地向内错位的(versetzt)排出槽，由此，在排油腔53之内得到在该槽的左侧和右侧的两个喷射棱边(Abspritzkante)。由于重力，通过喷射棱边甩到排油腔53的通过在嵌入件31中的槽形成的径向的外部的区域中的油在排油腔53之内沿着嵌入件31的轮廓向下流动。为了可将轴承油从排油腔53中引导回到轴承润滑的油循环中，排油腔53在下部的区域中具有至少一个排油通道54。
根据本发明构造的轴密封部的嵌入件31通过布置在排油腔53旁边的气体出口腔55而出众，通过环绕的密封桥接部33将气体出口腔55与排油腔53分隔。构造成环形的气体出口腔55用于收集流动通过活塞环41和42的热的气体。密封桥接部33与轴20的径向地相对的第二桥接部22形成第二径向的密封间隙44。根据本发明，密封间隙44明确地将两种介质(将来自排油腔53的油与来自气体出口腔55的气体)分隔。另一方面，通过至少一个在嵌入件31之内且与排油通道54分离的独立的排气通道56，将在气体出口腔55中捕获的气体转移到在轴承壳体中的空腔50的共同的体积(Volumen)中。通过两个排出部的有针对性的分隔，应阻止两种介质在排油腔53的区域中混合，并且由此减小在密封组合件(Dichtverbund)中的结焦危险。此外，通过大的排油沟51以及第一密封部位43，将从径向轴承34中离开的轴承油的大部分向外引出，并且通过排油沟52保持轴承油远离活塞环部分。
可选地，至少一个排油通道54和排气通道56的出口在周向上错位地布置，如在图3和图4中示出的那样。图3显示了不带轴和邻接的壳体部件的嵌入件31的从下部观看的视图。两个排油通道54和排气通道56的在下部从嵌入件中引出的孔轴向上且尤其地在周向上错位。图4以沿着IV-IV引导的截面显示了排出通道和径向地向内伸出的密封板32以及在排气通道56的区域中同样径向地向内伸出的密封桥接部33。错位的通道出口导致嵌入件的更高的强度。
在所示出的实施形式中，密封部43和44实施成径向的密封间隙。可选地，可利用活塞环密封部或其它密封元件补充或代替该密封部。
可选地，轴承壳体在根据本发明构造的轴密封部的区域中可构造成不带独立的嵌入件。在该情况中，直接地将相应的槽、密封板以及密封桥接部引入(einlassen)轴承壳体中。相对于不带独立的嵌入件的构造成单件的变型方案，带有独立的嵌入件的详细地描述的实施形式具有的优点为，以密封部部分的冷却为目的可由带有良好的导热能力的材料(例如Ck45)制造嵌入件，并且由此与使用的轴承壳体材料(例如GGG-40)无关。此外，在由运行引起磨耗的情况下可容易地更换嵌入件，或例如为了清洁目的可暂时地从轴承壳体中拆下嵌入件。
可选地，根据图5，在根据本发明构造的轴密封部的区域中可通过罩形的套筒81实施涡轮的旋转的轴轮廓。套筒81热装在轴上的配合部(Sitz)82上，并且对于套筒来说，构造在轴上的棱边用作轴向止动部83。如此设计套筒以及轴配合部，即，使通过油冷却的热排放最大化，并且使通过到轴上的热压配合的热输入最小化。因此，由良好地导热的材料制造套筒。通过套筒的冷却同样冷却排油沟，这继而使在排出腔53和55中的结焦危险最小化。可选地，也可以其它方式将套筒81以力和/或形状配合的方式固定在轴上，例如，借助于在套筒和轴之间的螺栓连接(螺纹)。
在所示出的实施形式中，轴密封部包括两个活塞环41和42。备选地，也可仅仅设置一个活塞环，或可在轴密封部的该区域中或在轴密封部的其它部位处设置其它的活塞环。
所示出的且详细描述的实施形式显示了在废气涡轮增压器或动力涡轮的涡轮侧上的根据本发明构造的轴密封部。当然，根据本发明构造的轴密封部也可相似地应用在废气涡轮增压器的压缩机侧上，或同样可应用在任意其它流体机械中。

Claims (11)

1.一种流体机械的支承在轴承壳体(30)中的轴(20)的、在轴承壳体(30)中的空腔(50)和流体机械的工作叶轮(11)的叶轮后部空间(15)之间的轴密封部，所述轴密封部包括在轴承壳体(30，31)和轴(20，21)之间的工作叶轮侧的密封部(41，42)以及在所述轴承壳体(30，31)和所述轴(20，21)之间的轴承侧的密封部(43)，其中，在所述工作叶轮侧的密封部和所述轴承侧的密封部之间设置有排油腔(53)，
其特征在于，
由在所述轴承壳体(30，31)和所述轴(20，22)之间的第三密封部(44)限制所述排油腔(53)，并且在所述第三密封部和所述工作叶轮侧的密封部之间布置有气体出口腔(55)，并且，
径向上在所述排油腔(53)之外将排油沟(52)引入到所述轴承壳体中，其中，在所述排油沟(52)的区域中布置有至少一个油喷射装置(61)，可利用所述油喷射装置(61)对所述排油沟的区域喷溅油。
2.根据权利要求1所述的轴密封部，其特征在于，所述排油腔(53)和所述气体出口腔(55)分别包括至少一个独立的排出通道(54，56)。
3.根据权利要求2所述的轴密封部，其特征在于，所述排油腔(53)的至少一个排出通道(54)和所述气体出口腔(55)的至少一个排出通道(56)以彼此分隔的方式通入到所述轴承壳体(30)的空腔(50)中。
4.根据权利要求3所述的轴密封部，其特征在于，所述排油腔(53)的至少一个排出通道(54)和所述气体出口腔(55)的至少一个排出通道(56)以在周向上错位的方式通入到所述轴承壳体(30)中的空腔(50)中。
5.根据权利要求1所述的轴密封部，其特征在于，所述轴承壳体在所述轴密封部的区域中包括嵌入件(31)，将凹入部引入到所述嵌入件(31)中，所述凹入部形成所述排油腔(53)以及所述气体出口腔(55)。
6.根据权利要求1所述的轴密封部，其特征在于，所述轴在所述轴密封部的区域中包括套筒(81)，所述套筒(81)具有这样的轮廓，即， 所述轮廓与所述轴承壳体共同形成所述排油腔(53)以及所述气体出口腔(55)。
7.根据权利要求6所述的轴密封部，其特征在于，由这样的材料制造所述套筒(81)，即，使得所述材料相对于所述轴的材料具有更高的导热能力。
8.根据权利要求6所述的轴密封部，其特征在于，所述轴承壳体在所述轴密封部的区域中包括嵌入件(31)，将凹入部引入到所述嵌入件(31)中，所述凹入部形成所述排油腔(53)以及所述气体出口腔(55)。
9.一种流体机械，包括至少一个布置在轴(20)上的工作叶轮(11)以及轴承壳体(30)，所述轴(20)可旋转地支承在所述轴承壳体(30)中，其中，在所述轴承壳体(30)和所述轴(20)之间布置有根据权利要求1至8中任一项所述的轴密封部。
10.一种废气涡轮增压器或动力涡轮，包括至少一个布置在轴(20)上的涡轮工作叶轮(11)以及轴承壳体(30)，所述轴(20)可旋转地支承在所述轴承壳体(30)中，其中，在所述轴承壳体(30)和所述轴(20)之间布置有根据权利要求1至8中任一项所述的轴密封部。
11.一种废气涡轮增压器，包括至少一个布置在轴(20)上的压缩机工作叶轮(91)以及轴承壳体(30)，所述轴(20)可旋转地支承在所述轴承壳体(30)中，其中，在所述轴承壳体(30)和所述轴(20)之间布置有根据权利要求1至8中任一项所述的轴密封部。 
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