CN109441567A - 动力涡轮机的输出轴系 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动力涡轮机的输出轴系，包括中间体、双并列滚动轴承、浮动轴承以及轴承端盖。中间体包括第一润滑油道、第二润滑油道、第一轴承孔位于远离动力涡轮机的一端以及第二轴承孔位于靠近动力涡轮机的一端；第一润滑油道与第一轴承孔连通，第二润滑油道与第二轴承孔连通，第一润滑油道的直径小于第二润滑油道的直径；双并列滚动轴承设置于第一轴承孔内；浮动轴承设置在第二轴承孔内；轴承端盖设置在双并列滚动轴承的外端，轴承端盖包括第三润滑油道，其同时连通第一轴承孔连通和第一润滑油道；其中动力涡轮机的输出轴从浮动轴承、双并列滚动轴承以及轴承端盖的轴孔中穿过。借此，浮动轴承处润滑油量较大可带走大部分的热量。

Description

动力涡轮机的输出轴系

技术领域

本发明是关于动力涡轮，特别是关于一种动力涡轮机的输出轴系。

背景技术

使用动力涡轮对热工机械排气余压能量进行回收是当前在机外采取措施提高系统热效率的方法之一。以柴油机为例，喷入气缸的燃油能量有30％左右是通过排气浪费掉，可以使用动力涡轮发电技术或者是动力涡轮机械耦合技术将废热中的能量部分转化成电能或者机械能。转化成的电能能够并入整车的电网，满足车载电动附件的能耗需求；动力涡轮的机械耦合是通过减速机构降速增扭，然后将动力耦合到发动机曲轴上抑或用来驱动水泵、风扇等附件。

发动机上与动力涡轮最为相近的是涡轮增压器。涡轮增压技术在一战后从航空发动机逐渐进入车用发动机领域，目前已经成为现代柴油发动机的标准配置之一，在原理、硬件、使用方面都已经很成熟。国内外有很多著名的涡轮增压器制造商为各大发动机和主机厂进行涡轮增压器的设计、制造和匹配工作。涡轮增压器本身是一个非常紧凑、精密的设备，工作环境由于伴随着高温、振动等环境而非常苛刻。最高达20万转每分钟的转速对其制造、动平衡以及复杂环境下的转动稳定性、润滑、隔热等都提出了严峻的挑战。当前成熟的涡轮增压器技术已经为这些问题提供了详尽可靠的解决方案并接受了实际使用的考验。而动力涡轮作为一种相对较新的技术，由于其主要功能和目的的不同，在设计、使用等方面也出现了不同于传统涡轮增压器的特点。

动力涡轮输出轴端需要连接高速发电机，抑或是高速减速箱等机构，与轴端距离不远便与被驱动机构的轴承相邻，涡轮壳中的热流体工质产生的热辐射和沿轴向的热传导会对被驱动件动力输入轴端的轴承产生附件的热效应，这些附件的热效应是处于被驱动件设计时所考虑的热负荷之外，来自涡轮机的额外热负荷会导致这些轴承的失效，对实验安全及系统成本带来巨大问题和损失。动力涡轮相比涡轮增压器最大的区别在于涡轮机的负载是不同的，增压器涡轮机负载为压气机，而动力涡轮的负载可以是高速发电机或者是减速机构(如高速减速箱)，这些负载相比压气机转动惯量较大，且被驱动件在工作过程中轴系会沿轴向伸缩，对轴承产生一定的轴向和径向力。此外，传统的涡轮增压器为了防止润滑油沿轴向的窜油设置了相应的油封，而涡轮增压器一般不会出现轴向窜油的另一个重要原因是涡端和压端气体压力的平衡。两端的气压平衡有效防止了润滑油沿轴向的窜动。但是在动力涡轮系统中，由于其输出轴端并不存在带压力的流体，而直接是大气压力。润滑油两端的压力不平衡很容易造成润滑油沿着轴向渗出动力输出轴端。润滑油的泄露不仅会造成润滑油量的逐渐减少，泄露的润滑油对实验系统的安全等方面也会造成很大的隐患。

现有的技术方案主要存在以下缺点：

1.对于两端采用与普通涡轮增压器相同的浮动轴承的支撑方案，未能考虑动力涡轮的带载情况带来的轴系动平衡对支撑形式稳定性的要求，不利于输出轴系的高速稳定性。对于两侧均采用滚动轴承的方案，轴系成本较高，且最高转速会受到限制。

2.轴承润滑沿用原涡轮增压器压力润滑方案，两侧油道对称，不能根据两侧不同的轴承支撑形式考虑供油系统的设计。

3.未充分考虑涡轮侧向电机侧散热的隔热措施，对电机输入轴承及永磁体寿命缺少设计上的考虑。

4.未充分考虑润滑油延轴系轴向由于压差的带来的泄露风险。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动力涡轮机的输出轴系，其动力输出端的双并列滚动轴承能够保证其连接的转动惯量相对较大的发电机负载稳定运转，具有较强的带载能力。叶轮端的浮动轴承能够以较大的润滑油量带走涡壳中的废气热量，起到隔热的第一道有效屏障的作用。

为实现上述目的，本发明提供了一种动力涡轮机的输出轴系，包括中间体、双并列滚动轴承、浮动轴承以及轴承端盖。中间体包括第一润滑油道、第二润滑油道、第一轴承孔位于远离动力涡轮机的一端以及第二轴承孔位于靠近动力涡轮机的一端；第一润滑油道与第一轴承孔连通，第二润滑油道与第二轴承孔连通，第一润滑油道的直径小于第二润滑油道的直径；双并列滚动轴承设置于第一轴承孔内；浮动轴承设置在第二轴承孔内；轴承端盖设置在双并列滚动轴承的外端，轴承端盖包括第三润滑油道，其同时连通第一轴承孔连通和第一润滑油道；其中动力涡轮机的输出轴从浮动轴承、双并列滚动轴承以及轴承端盖的轴孔中穿过。

在一优选的实施方式中，动力涡轮机的输出轴系还包括背板以及套筒。背板的一面与中间体的远离动力涡轮机的一端连接，且背板的该面抵顶轴承端盖，背板的另一面包括背板法兰；以及套筒的一端与背板法兰连接，另一端与发电机壳体法兰连接；其中背板法兰、套筒以及发电机壳体法兰之间形成密闭的空气室。

在一优选的实施方式中，背板还包括多个散热翅片以及多个安装孔。多个散热翅片沿背板法兰的背面圆周均匀分布；多个安装孔用于通过螺栓与中间体连接固定。

在一优选的实施方式中，套筒还包括定位止口、放气阀以及进气口。定位止口设置于套筒的两端，定位止口用以与背板法兰和发电机壳体法兰的定位连接；放气阀设置在套筒的侧壁上，放气阀能够设定在一定压力下开启；进气口与发动机气泵连通；其中放气阀以及发动机气泵能够够使空气室内保持一定压力。

在一优选的实施方式中，轴承端盖还包括进油口以及多个定位凸台。进油口设置在轴承端盖与中间体的连接面上，且与第三润滑油相通，进油口与第一润滑油到的出油口相连通；多个定位凸台设置在轴承端盖与中间体的连接面上，多个定位凸台与设置在中间体与轴承端盖的连接面上的多个定位孔相配合，用以定位进油口对正出油口。

在一优选的实施方式中，动力涡轮机的输出轴系还包括联轴器，其设置在背板法兰和发电机壳体法兰之间，且位于套筒之内，联轴器的两端具有花键孔，其一端的花键孔连接输出轴端花键，另一端的花键孔连接发电机的输入轴端花键。

在一优选的实施方式中，动力涡轮机的输出轴系还包括衬套、叶轮以及卡环。衬套设置在双并列滚动轴承和输出轴之间；卡环设置于第二轴承孔内，并卡设在浮动轴承的两端，以限制浮动轴承的轴向移动；叶轮设置在输出轴的靠近动力涡轮机的一端。

在一优选的实施方式中，中间体还包括主油道以及回油口。主油道设置在中间体的上部，并与发动机的供油系统连通，主油道同时连通第一润滑油道和第二润滑油道；回油口设置在中间体的下部，回油口用于中间体内的润滑油回流到发动机的回油系统。

与现有技术相比，本发明的动力涡轮机的输出轴系具有以下有益效果：其动力输出端的双并列滚动轴承能够保证其连接的转动惯量相对较大的发电机负载稳定运转，具有较强的带载能力。非对称润滑油道的设计，根据不同轴承对润滑油量的需求，特别充分考虑了润滑油除润滑之外的冷却作用，在浮动轴承处进行润滑同时带走大部分的热量。散热加强型背板上的散热翅片能够进一步将从涡轮机端热传导和热辐射带来的热量耗散掉，尽量减少热量在动力涡轮机壳上的停留时间，减小轴承的热负荷，保证系统热安全发电机与动力涡轮之间空气室的设计能够巧妙利用发动机气泵的压缩空气，同时结合机械放气阀的使用，维持动力输出端一定的压力，有效防止由于压差造成的润滑油轴向泄露，减少润滑油耗。。

附图说明

图1是根据本发明一实施方式的动力涡轮机的输出轴系的结构示意图。

图2a是根据本发明一实施方式的动力涡轮机的输出轴系的背板的侧视图。

图2b是根据本发明一实施方式的动力涡轮机的输出轴系的背板的主视图。

图2c是图2b的A—A方向的剖视图。

图3a是根据本发明一实施方式的动力涡轮机的输出轴系的轴承端盖的主视图。

图3b是图3a的B—B方向的剖视图。

主要附图标记说明：

1-双并列滚动轴承，2-第一润滑油道，3-中间体，4-主油道，5-第二润滑油道，6-浮动轴承，7-叶轮，8-卡环，9-回油口，10-衬套，11-轴承端盖，12-安装孔，13-输出轴端花键，14-散热翅片，15-第三润滑油道，16-背板，17-发动机气泵，18-套筒，19-放气阀20-输入轴端花键，21-联轴器，22-发电机壳体法兰，23-发电机壳体，25-进油口，26-定位凸台，27-螺纹，28-空气室。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1所示，图1是根据本发明一实施方式的动力涡轮机的输出轴系的结构示意图。根据本发明优选实施方式的一种动力涡轮机的输出轴系，它包括设置在涡轮机的涡轮端处第二轴承孔内的浮动轴承6和设置在涡轮机的输出轴靠近发电机端第一轴承孔内的双并列滚动轴承1，在浮动轴承6和双并列滚动轴承1外套设有中间体3，套装在涡轮机的输出轴端处的背板16紧密配合的固定在中间体3位于电机侧的端面上，固定双并列滚动轴承1用的轴承端盖11安装在背板16和中间体3之间，在背板法兰与发电机壳体法兰22之间安装有两端带定位止口的套筒18，背板法兰、发电机壳体法兰22与套筒18通过端面配合形成一个密闭的空气室28，在空气室28的下端安装有一个机械式放气阀19，空气室28与发动机气泵17相连通，在中间体3上开有与发动机的供油系统相连通的主油道4、与回油系统相连通的回油口9以及与主油道4相连通的第一润滑油道2，第一润滑油道2通过润滑支路油道直接通向双并列滚动轴承1靠近涡轮机侧的滚动轴承，第二润滑油道5与第一润滑油道2相连通并且出口直接通向浮动轴承6的润滑油入口以为浮动轴承6提供润滑，轴承端盖11上开有与第一润滑油道2连通的润滑油进油口25以及与润滑油进油口25连通的第三润滑油道15，第三润滑油道15通过进油口25和第一润滑油道2设置在中间体3发电机一侧的出油口相连通，第三润滑油道15从发电机侧引导润滑油到双并列滚动轴承1的发电机侧滚动轴承端面。

在一些实施方式中，第二润滑油道5的直径为3mm-5mm，第一润滑油道2的直径为2mm-3mm。这样第二润滑油道5的直径就大于第一润滑油道2的直径，这样就可以使浮动轴承6以较大的润滑油量带走涡壳中的废气热量，起到隔热的第一道有效屏障的作用。

在一些实施方式中，在背板16涡轮机一侧上还设置有多个散热翅片14。背板16涡轮机侧上的散热翅片14厚度为1mm，在背板16上以2°间隔均布。散热翅片14可以进一步将从涡轮机端热传导和热辐射带过来的热量耗散掉。在背板16上还设置有多个安装孔12，其用于通过螺栓与中间体3电机一侧安装面上的与多个安装孔12相对应的螺孔相连接。而且背板16抵顶轴承端盖11，轴承端盖11和第一轴承孔里端的台阶正好限位双并列滚动轴承1的轴向移动。在双并列滚动轴承1和涡轮机的输出轴之间还设置有衬套10。

在一些实施方式中，轴承端盖11与中间体3的连接面上沿圆周均匀分布3个定位凸台26，在中间体3与轴承端盖11的连接面上设置有与定位凸台26配合的定位孔。这样设计可以在安装时，使轴承端盖11上的进油口25与中间体3上的出油口对正，以保证第三润滑油道15和第一润滑油道2的连通效果。轴承端盖11内的第三润滑油道15还通向轴承端盖11的上部，这是第三润滑油道15加工时的工艺孔，在此处加工有螺纹27，届时用螺堵将此处堵住即可。

在一些实施方式中，空气室28与发动机气泵17相连通，可以使来自于发动机气泵17的气体通到空气室28中，在套筒18上设置的放气阀19可以设定在一定压力下开启放气，预设的压力值以能够平衡中间体3内的机油压力为准，以避免中间体3内的润滑油泄漏到空气室28内。

在一些实施方式中，在第二轴承孔内的浮动轴承6的两端还设置有卡环8，以限制浮动轴承6的轴向移动。

在一些实施方式中，动力涡轮机的输出轴系还包括联轴器21，其设置在背板法兰和发电机壳体法兰22之间，且位于套筒18之内，联轴器21的两端具有花键孔，其一端的花键孔连接输出轴端花键13，另一端的花键孔连接发电机的输入轴端花键20。在输出轴的靠近动力涡轮机的一端还设置有叶轮7。

综上所述，本发明的动力涡轮机的输出轴系具有下列优点：

(1)动力输出端的双并列滚动轴承能够保证其连接的转动惯量相对较大的发电机负载稳定运转，具有较强的带载能力。叶轮端的浮动轴承能够以较大的润滑油量带走涡壳中的废气热量，起到隔热的第一道有效屏障的作用。

(2)非对称润滑油道的设计，根据不同轴承对润滑油量的需求，特别充分考虑了润滑油除润滑之外的冷却作用，在浮动轴承处进行润滑同时带走大部分的热量。

(3)散热加强型背板上的散热翅片能够进一步将从涡轮机端热传导和热辐射带来的热量耗散掉，可尽量减少热量在动力涡轮机壳上的停留时间，减小轴承的热负荷，保证系统热安全。

(4)发电机与动力涡轮之间空气室的设计能够巧妙利用发动机气泵的压缩空气，同时结合机械放气阀的使用，维持动力输出端一定的压力，有效防止由于压差造成的润滑油轴向泄露，减少润滑油耗。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (8)

1.一种动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，包括：

中间体，其包括第一润滑油道、第二润滑油道、第一轴承孔位于远离所述动力涡轮机的一端以及第二轴承孔位于靠近所述动力涡轮机的一端；所述第一润滑油道与所述第一轴承孔连通，所述第二润滑油道与所述第二轴承孔连通，所述第一润滑油道的直径小于所述第二润滑油道的直径；

双并列滚动轴承，其设置于所述第一轴承孔内；

浮动轴承，其设置在第二轴承孔内；以及

轴承端盖，其设置在所述双并列滚动轴承的外端，所述轴承端盖包括第三润滑油道，其同时连通所述第一轴承孔连通和第一润滑油道；

其中所述动力涡轮机的输出轴从所述浮动轴承、所述双并列滚动轴承以及轴承端盖的轴孔中穿过。

2.如权利要求1所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，还包括：

背板，其一面与所述中间体的远离所述动力涡轮机的一端连接，且所述背板的该面抵顶所述轴承端盖，所述背板的另一面包括背板法兰；以及

套筒，其一端与所述背板法兰连接，另一端与发电机壳体法兰连接；

其中所述背板法兰、所述套筒以及所述发电机壳体法兰之间形成密闭的空气室。

3.如权利要求2所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，所述背板还包括：

多个散热翅片，其沿所述背板法兰的背面圆周均匀分布；以及

多个安装孔，其用于通过螺栓与所述中间体连接固定。

4.如权利要求2所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，所述套筒还包括：

定位止口，其设置于所述套筒的两端，所述定位止口用以与所述背板法兰和所述发电机壳体法兰的定位连接；

放气阀，其设置在所述套筒的侧壁上，所述放气阀能够设定在一定压力下开启；以及

进气口，其与发动机气泵连通；

其中所述放气阀以及所述发动机气泵能够够使所述空气室内保持一定压力。

5.如权利要求1所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，所述轴承端盖还包括：

进油口，其设置在所述轴承端盖与所述中间体的连接面上，且与所述第三润滑油相通，所述进油口与所述第一润滑油到的出油口相连通；以及

多个定位凸台，其设置在所述轴承端盖与所述中间体的连接面上，所述多个定位凸台与设置在所述中间体与所述轴承端盖的连接面上的多个定位孔相配合，用以定位所述进油口对正所述出油口。

6.如权利要求2所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，还包括联轴器，其设置在所述背板法兰和所述发电机壳体法兰之间，且位于所述套筒之内，所述联轴器的两端具有花键孔，其一端的所述花键孔连接所述输出轴端花键，另一端的所述花键孔连接发电机的输入轴端花键。

7.如权利要求2所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，还包括：

衬套，其设置在所述双并列滚动轴承和所述输出轴之间；

卡环，其设置于所述第二轴承孔内，并卡设在所述浮动轴承的两端，以限制所述浮动轴承的轴向移动；以及

叶轮，其设置在所述输出轴的靠近所述动力涡轮机的一端。

8.如权利要求1所述的动力涡轮机的输出轴系，其特征在于，所述中间体还包括：

主油道，其设置在所述中间体的上部，并与发动机的供油系统连通，所述主油道同时连通第一润滑油道和第二润滑油道；以及

回油口，其设置在所述中间体的下部，所述回油口用于所述中间体内的润滑油回流到发动机的回油系统。