CN105889314B - 一种超高速涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速涡轮增压器，其包括涡轮机、压气机、转轴、2个径向轴承、1个止推轴承及主壳体，所述径向轴承为槽式动压气体径向轴承，所述止推轴承为混合式动压气体止推轴承，所述主壳体套设在转轴的中部，2个径向轴承分别套设在位于主壳体内的转轴上，所述止推轴承套设在位于主壳体与压轮间的转轴上。本发明可实现在气浮状态下的超高速稳定运转，针对相同功率要求，可使涡轮增压器的体积显著减小实现微型化。

Description

一种超高速涡轮增压器
技术领域
本发明是涉及一种超高速涡轮增压器，属于高精密机械技术领域。
背景技术
发动机是靠燃料在气缸内燃烧作功来产生功率的，输入的燃料量受到吸入气缸内空气量的限制，所产生的功率也会受到限制，如果发动机的运行性能已处于最佳状态，再增加输出功率只能通过压缩更多的空气进入气缸来增加燃料量，提高燃烧作功能力。在目前技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。涡轮增压器的工作原理是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸，当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整一下发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率了。
由于涡轮增压器的关键零件是轴承，然而目前的涡轮增压器通常采用滚动轴承和滑动轴承，存在以下诸多问题：由于采用润滑油，不可避免的出现漏油现象，从而导致了经油封泄漏机油和中冷器的工作面沾污的问题；由于摩擦力的存在，使得转子转速低，效率低下；并且由于存在磨损使得轴承寿命较短；难以适应高转速工况；并且，较大质量的转子也会消耗较多的废气能量。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种可长时间稳定运行的超高速涡轮增压器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种超高速涡轮增压器，包括涡轮机、压气机、转轴、2个径向轴承、1个止推轴承及主壳体，所述涡轮机包括涡轮、涡轮机导流器及涡轮机壳体，所述压气机包括压轮、压气机扩压器及压气机壳体；其特征在于：所述径向轴承为槽式动压气体径向轴承，包括轴承外套和轴承内套；所述止推轴承为混合式动压气体止推轴承，包括两个侧盘以及夹设在两个侧盘之间的中盘，在每个侧盘与中盘之间均设有箔型弹性件；所述主壳体套设在转轴的中部，2个径向轴承分别套设在位于主壳体内的转轴上，所述止推轴承套设在位于主壳体与压轮间的转轴上。
作为进一步实施方案，所述的小微型涡轮增压器还包括涡轮机导流器壳体、转轴套及左轴承室端盖和右轴承室端盖，所述转轴套套设在转轴上，径向轴承和止推轴承均套设在转轴套上；涡轮机壳体与涡轮机导流器壳体固定连接，涡轮机导流器壳体与左轴承室端盖固定连接，左轴承室端盖与主壳体固定连接；压气机壳体与右轴承室端盖固定连接，右轴承室端盖与主壳体固定连接。
作为优选方案，所述转轴的表面开设有散热螺旋槽，以利于转轴和轴承室的散热。
作为优选方案，在主壳体的内筒周侧开设有若干通气孔，以利于气体的导入和导出，一方面实现快速散热排气，另一面实现对轴承室内进行空气补给。
作为优选方案，所述轴承内套的外圆周面和两端面均具有规则形状的槽式花纹。
作为进一步优选方案，所述轴承内套的一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。
作为进一步优选方案，所述轴承内套的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。
作为优选方案，所述轴承内套与轴承外套间的配合间隙为0.003～0.008mm。
作为优选方案，在所述轴承外套的两端设有止环。
作为优选方案，所述中盘的两端面均设有规则形状的槽式花纹，且一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称。
作为优选方案，在所述中盘的外圆周面也设有槽式花纹，且外圆周面的槽式花纹的形状与两端面的槽式花纹的形状相同，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。
作为进一步优选方案，中盘的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。
作为进一步优选方案，在与中盘相配合的箔型弹性件的配合面上设有耐磨涂层。
作为进一步优选方案，所述箔型弹性件与中盘的配合间隙为0.003～0.008mm。
作为进一步优选方案，所述箔型弹性件的至少一端固定在对应侧盘的内端面上。
作为进一步优选方案，每个侧盘上的箔型弹性件为多个，且沿侧盘的内端面均匀分布。
作为进一步优选方案，固定在一个侧盘上的箔型弹性件与固定在另一个侧盘上的箔型弹性件形成镜像对称。
作为进一步优选方案，在侧盘的内端面设有用于固定箔型弹性件的卡槽。
作为一种实施方案，所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的弧形凸起顶端与平箔相贴合。
作为另一种实施方案，所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的波拱间过渡底边与平箔相贴合。
作为又一种实施方案，所述的箔型弹性件由两个平箔组成。
上述的槽式花纹均为叶轮形状。
上述的箔型弹性件优选经过表面热处理。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
因本发明所提供的涡轮增压器，是以气体作为轴承的润滑剂，因此不仅具有无污染、摩擦损失低、使用时间长、适用范围广、节能环保等诸多优点，而且采用所述结构，散热效果好，可保证长时间稳定运行；尤其是，因所述结构的空气轴承能实现在气浮状态下的超高速稳定运转(经测试，可达100,000～450,000rpm的极限转速)，因此针对相同功率要求，本发明可使涡轮增压器的体积显著减小实现微型化，具有占用空间小、使用便捷等优点，对促进微型化高新技术的发展具有重要价值，相对于现有技术具有显著性进步。
附图说明
图1是实施例1提供的一种超高速涡轮增压器的剖面结构示意图；
图2是实施例1提供的槽式动压气体径向轴承的局部分割的左视立体结构示意图；
图3是图2中的A局部放大图；
图4是实施例1提供的槽式动压气体径向轴承的局部分割的右视立体结构示意图；
图5是图4中的B局部放大图；
图6是实施例1提供的混合式动压气体止推轴承的剖面结构示意图；
图7a是实施例1中所述中盘的左视图；
图7b是实施例1中所述中盘的右视图；
图8a是实施例1中所述的固定有箔型弹性件的左侧盘的右视图；
图8b是实施例1中所述的固定有箔型弹性件的右侧盘的左视图；
图9是实施例1提供的箔型弹性件的截面结构示意图；
图10是实施例1提供的箔型弹性件的立体结构示意图；
图11a是实施例2提供的一种混合式动压气体止推轴承的左视立体结构示意图；
图11b是实施例2提供的混合式动压气体止推轴承的右视立体结构示意图；
图12是实施例2提供的混合式动压气体止推轴承的局部分割立体结构示意图；
图13是实施例2中所述中盘的左视立体结构示意图；
图14是图13中的C局部放大图；
图15是实施例2中所述中盘的右视立体结构示意图；
图16是图15中的D局部放大图；
图17是实施例3所提供的转轴结构示意图；
图18是图17中的E局部放大图。
图中标号示意如下：
1、涡轮机；11、涡轮；12、涡轮机导流器；13、涡轮机壳体；14、涡轮机导流器壳体；2、压气机；21、压轮；22、压气机扩压器；23、压气机壳体；3、转轴；31、转轴套；32、散热螺旋槽；4、槽式动压气体径向轴承；4a、左端径向轴承；4b、右端径向轴承；41、轴承外套；42、轴承内套；43、槽式花纹；431、外圆周面的槽式花纹；4311、轴向高位线；4312、轴向中位线；4313、轴向低位线；432、左端面的槽式花纹；4321、径向高位线；4322、径向中位线；4323、径向低位线；433、右端面的槽式花纹；4331、径向高位线；4332、径向中位线；4333、径向低位线；44、止环；5、混合式动压气体止推轴承；51、侧盘；511、左侧盘；512、右侧盘；513、卡槽；52、中盘；521、左端面的槽式花纹；5211、径向高位线；5212、径向中位线；5213、径向低位线；522、右端面的槽式花纹；5221、径向高位线；5222、径向中位线；5223、径向低位线；523、外圆周面的槽式花纹；5231、轴向高位线；5232、轴向中位线；5233、轴向低位线；53、箔型弹性件；53a、固定在左侧盘上的箔型弹性件；53b、固定在右侧盘上的箔型弹性件；531、波箔；5311、弧形凸起；5312、波拱间过渡底边；532、平箔；6、主壳体；7a、左轴承室端盖；7b、右轴承室端盖。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步详细地说明。
实施例1
如图1所示：本实施例提供的一种超高速涡轮增压器，包括涡轮机1、压气机2、转轴3、2个径向轴承4、1个止推轴承5及主壳体6，所述涡轮机1包括涡轮11、涡轮机导流器12及涡轮机壳体13，所述压气机2包括压轮21、压气机扩压器22及压气机壳体23；其特征在于：所述径向轴承4为槽式动压气体径向轴承，包括轴承外套41和轴承内套42；所述止推轴承5为混合式动压气体止推轴承，包括两个侧盘51以及夹设在两个侧盘之间的中盘52，在每个侧盘51与中盘52之间均设有箔型弹性件53；所述主壳体6套设在转轴3的中部，2个径向轴承4分别套设在位于主壳体6内的转轴3上，所述止推轴承5套设在位于主壳体6与压轮21间的转轴3上。
所述的小微型涡轮增压器还包括涡轮机导流器壳体14、转轴套31及左轴承室端盖7a和右轴承室端盖7b，所述转轴套31套设在转轴3上，径向轴承4和止推轴承5均套设在转轴套31上；涡轮机壳体13与涡轮机导流器壳体14固定连接，涡轮机导流器壳体14与左轴承室端盖7a固定连接，左轴承室端盖7a与主壳体6固定连接；压气机壳体23与右轴承室端盖7b固定连接，右轴承室端盖7b与主壳体6固定连接。
另外，在主壳体的内筒周侧开设有若干通气孔(图中未示出)，可有利于气体的导入和导出，一方面可实现快速散热排气，另一面可实现对轴承室内进行空气补给。
结合图2至图5所示：所述轴承内套42的外圆周面和左、右端面均具有规则形状的槽式花纹43(如图中的431、432和433，本实施例中的槽式花纹均为叶轮形状)，且左端面的槽式花纹432与右端面的槽式花纹433形成镜像对称。位于轴承内套42的外圆周面的槽式花纹431的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(432和433)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接，即：外圆周面的槽式花纹431中的轴向高位线4311与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向高位线(4321和4331)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹431中的轴向中位线4312与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向中位线(4322和4332)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹431中的轴向低位线4313与左、右端面的槽式花纹(432和433)中的径向低位线(4323和4333)均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。
通过使轴承内套42的外圆周面和两端面均具有规则形状的槽式花纹(431、432和433)，左端面的槽式花纹432与右端面的槽式花纹433形成镜像对称及外圆周面的槽式花纹431的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(432和433)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接，可保证两端面的叶轮形状的槽式花纹(432和433)所产生的增压气体从轴心沿径向不断地往外圆周面的槽式花纹431形成的凹槽通道里输送，以致形成更强支撑高速运转轴承所需的气膜，而气膜即作为动压气体径向轴承的润滑剂，因此有利于实现所述槽式动压气体径向轴承4在气浮状态下的高速稳定运转。
另外，当在轴承外套41的两端分别设置止环44时，可实现在高速回转轴的带动下，使轴承内套42的两端面与止环44间产生自密封作用，使槽式花纹连续产生的动压气体能完好地密闭保存在轴承的整个配合间隙中，充分保证高速运转的动压气体径向轴承的润滑需要。
所述轴承外套41与轴承内套42间的配合间隙优选为0.003～0.008mm，以进一步确保轴承高速运转的可靠性和稳定性。
如图6所示：本实施例提供的一种混合式动压气体止推轴承5，包括：两个侧盘51，在两个侧盘51之间夹设有中盘52，在每个侧盘51与中盘52之间设有箔型弹性件53；所述中盘52的左端面设有规则形状的槽式花纹521，右端面设有规则形状的槽式花纹522。
结合图7a和图7b可见：所述中盘52的左端面的槽式花纹521与右端面的槽式花纹522之间形成镜像对称，左端面的槽式花纹521的径向轮廓线与右端面的槽式花纹522的径向轮廓线形成一一对应。
所述的槽式花纹521与522的形状相同，本实施例中均为叶轮形状。
进一步结合图8a和图8b可见：所述箔型弹性件53固定在对应侧盘51的内端面上(例如图8a所示的固定有箔型弹性件53a的左侧盘511和图8b所示的固定有箔型弹性件53b的右侧盘512)，且固定在左侧盘511上的箔型弹性件53a与固定在右侧盘512上的箔型弹性件53b形成镜像对称。在每个侧盘上的箔型弹性件可为多个(图中示出的是4个)，且沿侧盘的内端面均匀分布。
通过在侧盘51与中盘52之间设置箔型弹性件53，在中盘52的左、右端面设置规则形状的槽式花纹(521和522)，且使左端面的槽式花纹521与右端面的槽式花纹522形成镜像对称，从而得到了既具有槽式动压气体止推轴承的高极限转速的刚性特征、又具有箔片式动压气体止推轴承的高抗冲击能力和载荷能力的柔性特征的混合式动压气体止推轴承；因为箔型弹性件53与中盘52间形成了楔形空间，当中盘52转动时，气体因其自身的粘性作用被带动并被压缩到楔形空间内，从而可使轴向动压力得到显著增强，相对于现有的单纯箔片式动压气体止推轴承，可具有在相同载荷下成倍增加的极限转速；同时，由于增加了箔型弹性件53，在其弹性作用下，还可使轴承的载荷能力、抗冲击能力和抑制轴涡动的能力显著提高，相对于现有的单纯槽式动压气体止推轴承，可具有在相同转速下成倍增加的抗冲击能力和载荷能力。
结合图6和图9、图10所示：所述的箔型弹性件53由波箔531和平箔532组成，所述波箔531的弧形凸起5311的顶端与平箔532相贴合，所述波箔531的波拱间过渡底边5312与对应侧盘51的内端面相贴合。
为进一步降低高速运转的中盘52对箔型弹性件53的磨损，以延长轴承的使用寿命，最好在与中盘52相配合的箔型弹性件53的配合面上设置耐磨涂层(图中未示出)。
实施例2
结合图11a、11b、12至16所示可见，本实施例提供的一种混合式动压气体止推轴承与实施例1的区别仅在于：
在所述中盘52的外圆周面也设有槽式花纹523，且外圆周面的槽式花纹523的形状与左、右端面的槽式花纹(521和522)的形状相同(本实施例中均为叶轮形状)，以及外圆周面的槽式花纹523的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(521和522)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接；即：
外圆周面的槽式花纹523中的轴向高位线5231与左端面的槽式花纹521中的径向高位线5211均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向中位线5232与左端面的槽式花纹521中的径向中位线5212均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向低位线5233与左端面的槽式花纹521中的径向低位线5213均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接(如图14所示)；
外圆周面的槽式花纹523中的轴向高位线5231与右端面的槽式花纹522中的径向高位线5221均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向中位线5232与右端面的槽式花纹522中的径向中位线5222均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹523中的轴向低位线5233与右端面的槽式花纹522中的径向低位线5223均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接(如图16所示)。
当在所述中盘52的外圆周面也设有槽式花纹，且使外圆周面的槽式花纹523的形状与左、右端面的槽式花纹(521和522)的形状相同，以及外圆周面的槽式花纹523的轴向轮廓线与左、右端面的槽式花纹(521和522)的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接时，可使内盘两端面的槽式花纹(521和522)所产生的增压气体从轴心沿径向不断地往外圆周面的槽式花纹523形成的凹槽通道里输送，以致形成更强支撑高速运转轴承所需的气膜，而气膜即作为动压气体止推轴承的润滑剂，因而可进一步确保所述的混合式动压气体止推轴承在气浮状态下的高速稳定运转，为实现电机的高极限转速提供进一步保证。
在侧盘51的内端面上设有用于固定箔型弹性件53的卡槽513(如图12所示)。
所述的箔型弹性件53与中盘52的配合间隙优选为0.003～0.008mm，以进一步确保轴承高速运转的可靠性和稳定性。
为了更好地满足高速运转的性能要求，所述的箔型弹性件53优选经过表面热处理。
另外需要说明的是：本发明所述的箔型弹性件53的组成结构不限于上述实施例中所述，还可以采用波箔和平箔组成，但所述波箔的波拱间过渡底边与平箔相贴合，或者，直接采用两个平箔组成，或采用其它的现有结构。
实施例3
结合图17和图18所示：在转轴3的表面开设有散热螺旋槽32，以利于转轴和轴承室的散热。
经测试，本发明提供的轴承在气浮状态下能达到100,000～450,000rpm的极限转速，因此针对相同功率要求，本发明可使涡轮增压器的体积显著减小实现微型化，对促进微型化高新技术的发展具有重要价值。
最后有必要在此指出的是：以上内容只用于对本发明所述技术方案做进一步详细说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种超高速涡轮增压器，包括涡轮机、压气机、转轴、2个径向轴承、1个止推轴承及主壳体，所述涡轮机包括涡轮、涡轮机导流器及涡轮机壳体，所述压气机包括压轮、压气机扩压器及压气机壳体，所述主壳体套设在转轴的中部，所述止推轴承位于主壳体与压轮间；其特征在于：还包括转轴套，所述转轴套套设在转轴上，径向轴承和止推轴承均套设在转轴套上；所述径向轴承为槽式动压气体径向轴承，包括轴承外套和轴承内套；所述止推轴承为混合式动压气体止推轴承，包括两个侧盘以及夹设在两个侧盘之间的中盘，在每个侧盘与中盘之间均设有箔型弹性件；且，在所述转轴的表面开设有散热螺旋槽，在主壳体的内筒周侧开设有若干通气孔。
2.根据权利要求1所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述的超高速涡轮增压器还包括涡轮机导流器壳体及左轴承室端盖和右轴承室端盖，涡轮机壳体与涡轮机导流器壳体固定连接，涡轮机导流器壳体与左轴承室端盖固定连接，左轴承室端盖与主壳体固定连接；压气机壳体与右轴承室端盖固定连接，右轴承室端盖与主壳体固定连接。
3.根据权利要求1所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述轴承内套的外圆周面和两端面均具有规则形状的槽式花纹。
4.根据权利要求3所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述轴承内套的一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。
5.根据权利要求4所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述轴承内套的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。
6.根据权利要求1所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述中盘的两端面均设有规则形状的槽式花纹，且一端面的槽式花纹与另一端面的槽式花纹形成镜像对称。
7.根据权利要求6所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：在所述中盘的外圆周面也设有槽式花纹，且外圆周面的槽式花纹的形状与两端面的槽式花纹的形状相同，以及外圆周面的槽式花纹的轴向轮廓线与两端面的槽式花纹的径向轮廓线均形成一一对应并相互交接。
8.根据权利要求7所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：中盘的外圆周面的槽式花纹中的轴向高位线与两端面的槽式花纹中的径向高位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向中位线与两端面的槽式花纹中的径向中位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接；外圆周面的槽式花纹中的轴向低位线与两端面的槽式花纹中的径向低位线均相对应、并在端面圆周倒角前相互交接。
9.根据权利要求1所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：固定在一个侧盘上的箔型弹性件与固定在另一个侧盘上的箔型弹性件形成镜像对称。
10.根据权利要求1或9所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的弧形凸起顶端与平箔相贴合。
11.根据权利要求1或9所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述的箔型弹性件由波箔和平箔组成，所述波箔的波拱间过渡底边与平箔相贴合。
12.根据权利要求1或9所述的超高速涡轮增压器，其特征在于：所述的箔型弹性件由两个平箔组成。
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