CN103206271A - 涡轮机轴密封装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种涡轮机，所述涡轮机具有制成涡轮叶轮的旋转轴，所述涡轮机被支撑以在壳体内旋转。轴延伸通过壳体中的孔，并且轴承组件设置在孔中。轴的至少一个端部具有主密封和副密封。主密封包括由不旋转的第一密封元件与随轴一起旋转的第二密封元件之间的环状间隙限定的非接触密封。主密封被布置成接收来自轴承组件的润滑油。甩油部件设置在主密封与副密封之间。

Description

涡轮机轴密封装置
技术领域
本发明涉及一种具有轴密封装置的诸如涡轮机的旋转机。本发明具体地但不是排他地应用于涡轮增压器或动力涡轮机形式的涡轮机。
背景技术
涡轮增压器是用于在大气压以上的压力(增压压力)下将空气供应到内燃机的进气口的公知装置。传统的涡轮增压器基本上包括在涡轮壳体内安装在可旋转轴上的废气驱动涡轮叶轮。涡轮叶轮的旋转使安装在轴的另一端上的压缩机叶轮在压缩机壳体内旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机的进气歧管，从而增加发动机功率。
涡轮增压器轴传统地由位于连接在涡轮壳体与压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内的轴颈止推轴承支撑。涡轮增压器轴可以以达到大约150,00rpm的速度旋转，因此重要的是在涡轮增压器操作期间确保轴承被充分润滑。
众所周知的是涡轮增压器轴由球轴承支撑，但是所述球轴承通常被增加有挤压膜缓冲装置以抵抗噪声、振动和恶劣环境从而提高轴承的预期寿命。
设置有效密封系统以防止油从中心轴承壳体泄露到压缩机壳体或涡轮壳体中可能是有问题的。漏油，具体地涡轮增压器的压缩机端部是有问题的，这是因为在低增压压力下(例如，当发动机空转或当涡轮增压器在发动机制动模式下运转时)，从轴承壳体到压缩机壳体存在促进到压缩机壳体中的漏油的明显的压降。为了抵抗这种泄漏，传统的是在轴承壳体的压缩机端部处包括作为推力轴承组件的一部分的甩油器。甩油器是与涡轮增压器轴一起旋转并具有被布置成当旋转时使油远离轴(并且具体地从通道通过轴承壳体进入到压缩机壳体中)的表面或通道的环形部件。通常，限定在轴承壳体中的环形飞溅室收集通过甩油器被移动的油，使所述油再循环并允许所述油排出到贮槽。
尽管涡轮增压器的涡轮驱动压缩机，但是在动力涡轮机中，远离涡轮叶轮的涡轮轴的端部通过机械耦合传递动力。在涡轮复式发动机中，两个涡轮被设置成与动力涡轮机串联，所述动力涡轮机与涡轮增压器的涡轮串联连接。动力涡轮机用于产生额外的动力，并且齿轮可以固定到动力涡轮轴的端部以通过适当联轴器(例如，液压联轴器或齿轮或其它驱动机构)、液压、机械或电装置将动力传递给发动机的曲轴。与涡轮增压器一样，动力涡轮机的轴支撑在轴承组件上，所述轴承组件包括适当的润滑系统，位于连接到涡轮壳体的轴承壳体内。虽然轴的驱动端处的轴承装置可以是球轴承组件，但是在轴的涡轮端处的轴承装置可以基本上与涡轮增压器中存在的轴承装置相同。
在轴转速高的涡轮增压器应用中，正接触密封件(positive contact seals)是不期望的，这是因为该正接触密封件在接触表面处受到明显磨损并且促进高摩擦损失。因此通常采用非接触密封装置。
在现有的涡轮增压器轴承壳体中，迷宫式密封装置通常由一个或多个密封环(活塞型环)提供。环由壳体支撑，突出到限定在轴的外表面和/或安装在轴上的部件中的环形沟槽中。环形密封件调节从高压涡轮和压缩机壳体进入到低压轴承壳体中的气流，使得压差被保持以降低油从轴承壳体泄露到涡轮壳体和压缩机壳体中的风险。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于涡轮机的改善或可选的轴密封装置。
根据本发明，提供了一种涡轮机，该涡轮机包括：可绕旋转轴线旋转的轴；涡轮叶轮，所述涡轮叶轮设置在轴的一端处以在涡轮壳体内绕旋转轴线旋转；轴被轴承组件支撑以在轴承壳体中旋转，轴承壳体具有孔，轴延伸通过所述孔，轴承组件设置在所述孔中；其中轴的至少一端具有主密封和副密封，主密封包括由不旋转的第一密封元件与随轴一起旋转的第二密封元件之间的环状间隙限定的非接触密封，主密封被布置成接收来自轴承组件的润滑油，甩油部件设置在主密封与副密封之间。
主密封可以设置在轴承组件与副密封之间的轴向位置处。可选地，主密封可以限定在轴承组件的一端处。
主密封的第一密封元件可以相对于轴承壳体固定。第一密封元件可以由轴向止推轴承或可以由从轴承壳体突出的突出部限定，例如，可以由与轴承壳体一体形成或以其它方式固定到轴承壳体的肋限定。突出部优选地是环形的。
主密封的环状间隙优选地仅在轴向方向上延伸，而没有任何径向部件。
主密封的环状间隙优选地具有至少0.05mm的径向深度。该径向深度可以大于0.075mm。环状间隙优选地具有小于或等于0.15mm的径向深度，更优选地具有小于或等于0.01mm的径向深度，并且进一步优选地具有小于或等于0.082mm的径向深度。
可以设置第一主密封和第二主密封，一个主密封在轴的每一端处，而另一个在轴承组件的相对端部处或靠近所述相对端部。涡轮端处的第一主密封的环状间隙可以具有至少0.05mm且不大于0.082mm的径向深度。在相对端部处的第二主密封的环状间隙可以具有至少0.075mm且不超过0.125mm的径向深度。
第二密封元件可以是非接触密封。第二密封元件可以由轴限定，例如由与轴一体形成的突出部限定，或者可以由固定到轴以与轴一起旋转的部件限定。第二密封元件优选地是环形的。
副密封可以包括一个或多个活塞密封件，所述一个或多个活塞密封件被支撑在轴承壳体的表面上并径向延伸到限定在轴中的相应环形沟槽中。活塞密封件可以滑动地设置在轴承壳体的表面上。
轴承组件可以包括挤压膜缓冲器，在挤压膜缓冲器的外表面与限定孔的表面之间具有径向间隙。轴承组件优选地包括滚动轴承元件。轴承组件可以是具有内环、外环和至少一个中间滚动轴承元件的筒的形式。滚动轴承元件可以是辊或球。辊可以大致为圆柱形。在一个实施例中，辊是锥形的。
主密封可以设置在内座圈与外座圈之间，或设置在外座圈与轴或固定到轴的部件之间。不旋转的第一元件可以由轴承的外环限定。第二元件可以由内环限定，但这不是必须的。
轴向止推轴承可以为板或盘的形式。第一密封元件可以由通过轴承的孔口的周边限定。
甩油部件可以是专用甩油器，该专用甩油器可以是与轴分离或与轴一体形成的部件。甩油部件可以支撑在固定到轴以与轴一起旋转的部件上或与所述部件一体形成。可选地，甩油部件可以简单地通过由轴或固定到轴以与轴一起旋转的部件限定的肩状部或台阶来提供。
甩油部件可以由诸如环形底切的径向向内凹部的表面限定，或者由诸如环形肋的向外突出部的表面限定。
甩油部件可以设置在轴承的内座圈上或由所述内座圈限定。
第二元件可以由轴的密封凸起部限定，所述密封凸起部可以是单独的部件或可以与轴一体形成。
涡轮机可以是在压缩机叶轮安装到轴的另一端以绕所述轴线在压缩机壳体内旋转的涡轮增压器。
附图说明
以下参照附图仅以示例的方式描述本发明的具体实施例，其中：
图1是沿着实现本发明的涡轮增压器的纵向轴线的截面图，其中轴承和密封装置由粗线矩形盒突出表示；以及
图2是图1的涡轮增压器的轴承和密封装置的放大图。
具体实施方式
以下参照附图，所示的涡轮增压器包括通过中心轴承壳体3连接到压缩机2的涡轮1。涡轮1包括在涡轮壳体5内旋转的涡轮叶轮4。类似地，压缩机2包括在压缩机壳体7内旋转的压缩机叶轮6。涡轮机叶轮4和压缩机叶轮6安装在延伸通过中心轴承壳体3的轴向孔8a的共用涡轮增压器轴8的相对端部上。
在使用中，涡轮叶轮4通过来自内燃机的出口歧管的废气旋转。废气从入口9流动到废气出口10。涡轮叶轮4的旋转接着使压缩机叶轮6旋转，从而通过压缩机入口11吸入进气空气并将通过出口蜗壳12将升压空气输送到内燃机的入口歧管。
涡轮增压器轴8在容纳在轴承壳体3的孔8a中的轴承13内旋转。油通过油入口15、通路16和通道17在发动机的油路系统的压力下被供给轴承。
涡轮叶轮4在一体形成的密封凸起部21连接到涡轮增压器轴8，所述一体形成的密封凸起部21延伸通过孔8a的涡轮端22。具有大于轴8的其余部分的直径的直径的凸起部21通过活塞环23和沟槽组合相对于孔8a被密封。活塞环23由限定孔8a的涡轮端的环形壁24支撑。活塞环23径向向内延伸到限定在凸起部21的外表面中的环形沟槽25以提供密封。在沟槽25的轴向内侧，凸起部21的外表面具有限定第一甩油器26的凹入轮廓。轴承壳体3包围甩油器26的区域被凹入以限定用于捕获分散油并包括排出物的环形室27。
在轴承壳体3的相对端部处，轴8穿过压缩机壳体背板29中的中心孔28，所述压缩机壳体背板形成轴承壳体3的一部分并使轴承壳体3内部与压缩机壳体7的内部分离。凸起部30在该端部处固定到轴8，所述凸起部30具有由一体形成的第二甩油器分离的第一部分和第二部分，所述甩油器31沿着凸起部30的长度径向向外突出近似一半。凸起部30的第一部分设置在轴承壳体3内部，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环形沟槽32，所述环形沟槽容纳活塞环33从而以在涡轮端22处的方式相同的方式提供密封。活塞环33支撑在压缩机背板29的限定孔8a的表面上。
环形推力板34相对于轴承壳体3被固定并在甩油器31与轴承13的端部之间绕凸起部30的第一部分定位。板34具有延伸到轴承13的径向尺寸之外并在其外周边处支承在背板29的表面上的径向尺寸。在使用中，板34被设计成抵抗由轴承13施加的轴向推力。
推力板34的内周边具有在板的径向表面之间轴向延伸并被设计成容纳凸起部30的第一部分的中心圆孔口35。在轴承侧，板的径向表面中的环形凹部36有效地在径向方向上扩大孔口35。凹部36没有延伸横过板34的全部轴向长度，从而在板34的内周边上留下窄区域37。区域37限定紧邻凸起部30的外表面的一部分定位以提供非接触密封50的环状密封表面38。为了方便起见，该密封件被称为主密封50，基于该主密封50，所述主密封50轴向设置在活塞环33的内侧，因此为朝向压缩机流动的油所遇到的第一密封件。与沟槽32组合的活塞环33因此成为副密封。
轴承13为具有由轴承元件42径向分离的内环40和外环41的筒的形式。外环41在轴向推力板34与肩状部39之间容纳在轴承壳体3的孔8a中并克服旋转通过销(未示出)固定。内环40通过稍微的干涉配合固定到轴。两个环40，41是轴向细长的并具有面向内的表面，每一个面向内的表面都限定用于轴承元件42的一对轴向间隔开的座圈，所述座圈在这种情况下为球形形状。可以理解的是可以使用例如可以为圆柱形、筒形或锥形的辊的其它轴承元件设计。
外环41的外表面具有用于容纳润滑油的多个浅环形凹部43。这些在轴承壳体3与轴承筒的外表面之间提供大约0.03mm或更小的环状间隙。在涡轮增压器的操作期间，油在发动机的油路系统的压力下被供应给轴承13。油从通道17离开并充满凹部43以在轴承13的外环41与轴承壳体3之间提供油薄膜。油薄膜用作挤压膜缓冲器并抑止由轴8的旋转产生的振动。从凹部43油通过外环41中的小孔(未示出)流入到轴承13中。
与轴承壳体13一体形成的环形肋44在轴承13与第一甩油器26之间朝向孔8a的涡轮端22。肋44径向向内突出并限定以紧邻的方式包围凸起部21的外表面的环状密封表面45。肋44因此提供位于由活塞环23和沟槽25组合提供的副密封的轴线内侧的又一个非接触主密封50。
非接触型的主密封50每一个都提供围绕各个凸起部21，30的窄径向间隙并用于限制油从轴承壳体3朝向甩油器26，31、副密封和压缩机壳体/涡轮壳体流动。紧密的间隙限制并引导油的主要部分排出，且总油的仅一小部分到达甩油器和副密封。在压缩机端处，油收集在由轴向推力板34限定的凹部36中并在推力板与轴承13之间被排走。在涡轮端22处，油收集在肋44与轴承13之间的空腔中并通过出口(未示出)离开以排出。
主密封的窄径向间隙通常在50微米至100微米，即，0.05mm至0.1mm的范围内，但是可以达到0.15mm并且仍然提供有效密封。在一个优选的实施例中，涡轮端22处的主密封50具有在0.05mm至0.082mm的范围内的径向间隙，而压缩机端处的主密封具有在0.075mm至0.125mm的范围内的径向间隙。
应该限制环状密封表面38，45的轴向长度以避免过多的摩擦损失。
每一个主密封的间隙的径向尺寸和轴向长度应该足够大以适应涡轮增压器轴的由挤压膜缓冲间隙提供的细微倾斜，而不允许与环状密封表面38接触，但是应该被限于确保有效密封。主密封间隙还取决于其它因素，诸如各个部件的热膨胀和轴承的中心与密封位置之间的轴向距离。
与轴颈轴承相比，辊元件轴承需要较少的油来润滑座圈。然而，在增加挤压膜缓冲器的情况下，油流量类似于轴颈轴承所需的油流量。主密封的增加降低了油沿着轴泄露并泄露到涡轮壳体或压缩机壳体中的风险。
虽然已经相对于涡轮增压器描述了本发明，但是可以理解的是本发明可应用于任意类型的涡轮机。例如，涡轮可以用于驱动除了压缩机之外的例如包括发电机的其它适当的装置。
可以理解的是在不背离如在所附权利要求中限定的本发明的保护范围的情况下可以对上述设计进行多种修改。例如，轴的涡轮端处的凸起部21可以是安装在轴上或以其它方式连接到轴的单独的部件。在一个实施例中，凸起部21可以与涡轮叶轮一体形成并连接到轴。类似地，轴8的压缩机端处的凸起部30可以与轴的其余部分一体形成或可以与压缩机叶轮6一体形成。甩油部件可以由轴承的内座圈的轴向延伸超过外座圈的一部分限定。甩油部件可以具有由环形底切或由环形突出部限定的表面的形式。因此，可以理解的是这种甩油器与轴承区域间隔开。
所述和所示实施例在性质上被认为是示例性且是非限制性的，可以理解的是仅显示和描述了优选的实施例，并且在如权利要求中限定的本发明的保护范围内的所有变化和修改期望受到保护。应该理解的是虽然在说明中使用诸如“优选的”、“优选地”、“被优选”或“更加优选的”的措辞表示如此描述的特征可能是理想的，但是这不是必须的，并且可以在如所附权利要求中限定的本发明的保护范围内构思没有这种特征的实施例。对于权利要求，目的是当诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”的措辞用在特征的前面时，除非在权利要求中具体地另外规定之外，其目的不是将权利要求仅限制为一个这种特征。当使用措辞“至少以部分”和/或“一部分”时，除非具体地另有规定之外，术语可以包括一部分和/或整个部分。

Claims (18)

1.一种涡轮机，包括：
能够绕旋转轴线旋转的轴；
涡轮叶轮，所述涡轮叶轮设置在所述轴的一端处以在涡轮壳体内绕所述旋转轴线旋转；
所述轴被轴承组件支撑以在轴承壳体中旋转，所述轴承壳体具有孔，所述轴延伸通过所述孔，所述轴承组件设置在所述孔中；
其中所述轴的至少一端具有主密封和副密封，所述主密封包括由不旋转的第一密封元件和随所述轴一起旋转的第二密封元件之间的环状间隙限定的非接触密封，所述主密封被布置成接收来自所述轴承组件的润滑油，甩油部件设置在所述主密封与所述副密封之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述主密封设置在所述轴承组件与所述副密封之间的轴向位置处。
3.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述主密封限定在所述轴承组件的一端处。
4.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述主密封的第一密封元件相对于所述轴承壳体固定。
5.根据权利要求4所述的涡轮机，其中，所述第一密封元件由轴向止推轴承限定。
6.根据权利要求4所述的涡轮机，其中，所述第一密封元件由从所述轴承壳体突出的突出部限定。
7.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述主密封的环状间隙仅在所述轴向方向上延伸。
8.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述环状间隙具有0.05mm至0.15mm的径向深度。
9.根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述环状间隙具有0.05mm至0.082mm的径向深度。
10.根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述环状间隙具有0.075mm至0.125mm的径向深度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述第二密封元件由所述轴或固定到所述轴的部件限定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述副密封包括一个或多个活塞密封件，所述一个或多个活塞密封件被支撑在所述轴承壳体的表面上并径向延伸到限定在所述轴中的相应环形沟槽中。
13.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述轴承组件包括挤压膜缓冲器，在所述挤压膜缓冲器的外表面与限定所述轴承壳体中的孔的表面之间具有径向间隙。
14.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述轴承组件包括滚动轴承元件。
15.根据权利要求14所述的涡轮机，其中，所述轴承组件包括具有内环、外环和至少一个中间滚动轴承元件的筒。
16.根据权利要求15所述的涡轮机，其中，所述主密封设置在所述内环与所述外环之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述甩油部件是与所述轴一体形成或限定在固定到所述轴的部件上的专用甩油器上。
18.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，压缩机连接到所述轴的与所述涡轮相对的端部以在压缩机壳体内绕所述轴线旋转，从而形成涡轮增压器。
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