CN113614332A - 轴密封系统、具有轴密封系统的涡轮机器和密封轴的方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种被支撑在涡轮机器的轴承壳体(30)中的轴(11)的轴密封系统(10)。轴密封系统包括布置在轴承壳体(30)与轴(11)之间的转子侧密封件(19)。另外，轴密封系统包括支撑轴(11)的轴向轴承(15)。此外，间隙(13)被设置在轴向轴承(15)的转子侧推力轴承表面(12)与轴(11)的相对表面(14)之间。间隙(13)的间隙宽度(W)能够根据轴(11)的转速调节。

Description

轴密封系统、具有轴密封系统的涡轮机器和密封轴的方法
技术领域
本公开的实施例涉及涡轮机器的轴密封系统、具体地是排气涡轮增压器。本公开的其他实施例涉及密封轴、具体地是被支撑在涡轮机器的轴承壳体中的轴的方法。
背景技术
涡轮机器(例如，包括涡轮增压器或动力涡轮)在转子与流体之间传递能量。例如，排气涡轮增压器包括用于将能量从转子传递到流体的压缩机和用于将能量从流体传递到转子的涡轮。
已知排气涡轮增压器用于增加内燃机的功率。在排气涡轮增压器中，涡轮被设置在内燃机的排气路径中，并且压缩机布置在内燃机的上游，该压缩机通过公共轴连接到涡轮。排气涡轮增压器通常包括转子、用于轴的轴承组件、导流壳体部段(压缩机壳体和涡轮壳体)和轴承壳体。转子包括轴、叶轮和涡轮叶轮。
通过排气涡轮增压器对内燃机进行充气，增加了充气量并且因此增加了气缸中的燃料混合物，由此可以获取发动机的显著功率增加。可选地，可以通过动力涡轮将储存在内燃机的排气中的能量转化为电能或机械能。在这种情况下，代替压缩机，如在排气涡轮增压器的情况下，发电机或机械消费者连接到涡轮轴。
由于涡轮侧和压缩机侧流动区域中的高过程压力，排气涡轮增压器的轴通过合适的密封系统相对于轴承壳体的腔体被密封。轴承壳体的腔体中的内部压力通常对应于大气压力。压缩机侧和涡轮侧流道中的气体压力取决于排气涡轮增压器的实际操作点，并且大多数操作点位于轴承壳体的腔体中的压力之上。然而，在某些情况下，也应当考虑负压，例如在部分负载运行或静止时。
在主要具有径向涡轮的涡轮增压器中，活塞环用作气体密封件。此外，通常采用带有防溅边和用于轴密封以防止漏油的捕获室的系统。由于在整个操作范围内(旋转和非旋转组件之间)的间隙设计要求，移动部件与静止部件之间的间隙是根据最坏情况设计的，间隙尺寸是固定的。已经发现，传统的轴密封系统存在这样的问题，即，在静止和低速时会发生漏油，因为存在非常小的正压降或甚至负压降，从而对轴承壳体产生“泵送效应”。
因此，鉴于上述情况，需要能够至少部分克服现有技术的问题的轴密封系统和轴密封方法，从而可以提供改进的涡轮机器、特别是排气涡轮增压器。
发明内容
鉴于上述情况，提供了根据独立权利要求的一种轴密封系统、一种包括该轴密封系统的涡轮机器和一种用于密封轴的方法。根据从属权利要求、说明书和附图，其他方面、优点和特征是很清楚的。
根据本公开的一方面，提供了一种被支撑在涡轮机器的轴承壳体中的轴的轴密封系统。轴密封系统包括布置在轴承壳体与轴之间的转子侧密封件。此外，轴密封系统包括支撑轴的轴向轴承。此外，在轴向轴承的转子侧推力轴承表面与轴的相对表面之间设置有间隙。间隙的间隙宽度能够根据轴的转速调节。具体地，间隙宽度随着轴的转速的增加而增加，随着轴的转速的减小而减小，其中间隙是轴密封系统的润滑入口间隙。
因此，与传统的轴密封系统相比，本公开的轴密封系统得到了改进。特别地，本公开的轴密封系统有利地提供了一种轴密封系统，其中可以根据操作条件主动地控制轴向轴承与轴的相对表面之间的间隙宽度。更具体地，在静止(即，没有配比)时，间隙宽度可以最小化或甚至关闭，使得只有很少或甚至没有油可以渗透到间隙中，这通常表示密封系统的“入口间隙”。因此，在静止时，涡轮侧的轴承壳体中的油槽腔可以有利地保持干燥，从而将通过密封系统的出口间隙进入的油减少到最小。当轴旋转时，间隙宽度可以增加，使得油可以渗透到间隙中并且基本上避免磨损。
根据本公开的另一方面，提供了一种涡轮机器，该涡轮机器包括根据本文中描述的任何实施例的轴密封系统。特别地，涡轮机器是包括径向排气涡轮机的排气涡轮增压器。因此，提供了一种排气涡轮增压器，该排气涡轮增压器包括径向排气涡轮机和如本文中描述的被支撑在排气涡轮增压器的轴承壳体中的轴密封系统。因此，可以有利地提供改进的涡轮机器、特别是改进的排气涡轮增压器。
根据另一方面，提供了一种用于密封被支撑在涡轮机器的轴承壳体中的轴的方法。该方法包括根据轴的转速适应性地调节被设置在推力轴承表面与轴的相对表面之间的间隙的间隙宽度。具体地，适应性地调节间隙宽度包括随着轴的转速的增加而增加间隙宽度和随着轴的转速的减小而减小间隙宽度，其中间隙为轴密封系统的润滑入口间隙。
因此，与传统的轴密封方法相比，本文中描述的用于密封轴的方法的实施例得到改进，因为可以避免在静止或低转速时漏油，而在高转速时，可以确保充分润滑从而基本上避免磨损。
附图说明
为了能够详细地理解本公开的上述特征，可以通过参考实施例获取对以上简要概括的本公开的更具体的描述。附图涉及本公开的实施例，并且描述如下：
图1示出了根据现有技术的具有径向压缩机和径向涡轮的排气涡轮增压器的示意性局部剖视图；
图2示出了根据本文中描述的实施例的轴密封系统的示意性剖视图；以及
图3示出了用于说明根据本文中描述的实施例的用于密封轴的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考各种实施例，其一个或多个示例在每个图中示出。每个示例都是通过解释的方式提供的，并不表示限制。例如，作为一个实施例的一部分而示出或描述的特征可以用于任何其他实施例或与任何其他实施例结合使用以产生又一实施例。本公开旨在包括这样的修改和变化。
在以下对附图的描述中，相同的附图标记指代相同或相似的组件。一般地，仅描述相对于个体实施例的差异。除非另有说明，否则对一个实施例中的部分或方面的描述也可以适用于另一实施例中的对应部分或方面。
示例性地参考图1，描述了根据现有技术的具有径向压缩机41和径向涡轮45的排气涡轮增压器40。特别地，所描述的排气涡轮增压器的壳体被示出为被部分打开以更清楚地描绘叶轮42、轴11和涡轮叶轮46。粗箭头用于指示从空气入口43经由叶轮到空气出口44的空气路径42、以及从气体入口47经由涡轮叶轮46到气体出口48的气体路径。轴11借助于两个径向轴承和至少一个推力轴承被可旋转地支撑在轴承壳体30中。
示例性地参考图2，描述了根据本公开的被支撑在涡轮机器的轴承壳体30中的轴11的轴密封系统10。根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，轴密封系统10包括布置在轴承壳体30与轴11之间的转子侧密封件19。在本公开中，“转子侧”是指设置有涡轮转子(即，涡轮叶轮)的一侧。因此，“转子侧”可以被称为“涡轮叶轮”侧。
另外，轴密封系统10包括支撑轴11的轴向轴承15。此外，轴密封系统10包括被设置在轴向轴承15的转子侧推力轴承表面12与轴11的相对表面14之间的间隙13。间隙13的间隙宽度W能够根据轴11的转速而调节。换言之，轴密封系统被构造为使得轴的轴向轴承与轴的相对表面之间的间隙宽度W可以根据操作条件(即，轴的转速)被主动控制。特别地，轴密封系统被构造为使得间隙宽度W随着轴的转速的增加而增加，并且随着轴的转速的减小而减小。
因此，轴密封系统的实施例有利地提供了适应性轴密封系统。更具体地，在静止状态下(即，轴没有配比)，轴的轴向轴承与轴的相对表面之间的间隙宽度可以最小化或甚至关闭，从而有利地，只有很少或甚至没有油可以渗透到间隙中，这通常是密封系统的“入口间隙”。因此，本文中所称的“间隙”是轴密封系统的润滑入口间隙。因此，在静止状态下，涡轮侧的轴承壳体中的油槽腔可以保持干燥，并且通过密封系统的出口间隙17(如图2所示)进入的油可以减少到最小。当轴旋转时，间隙宽度增加，使得油可以渗透到间隙中，并且可以基本上避免轴向轴承和轴的磨损。
根据可以与本文中描述的其他实施例组合的实施例，转子侧推力轴承表面12是辅助推力轴承表面。通常，润滑剂(例如，油)通过轴向轴承15间接供应到转子侧推力轴承表面12。通常，转子侧推力轴承表面12是在轴11的径向方向R上延伸的环形表面。类似地，轴11的相对表面14是在轴11的径向方向R上延伸的环形表面。通常，轴11的相对表面14是由轴11的径向台阶16提供的径向环形表面。.
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，轴向轴承15包括面对与转子侧推力轴承表面12相对的方向的主推力轴承表面21。特别地，如图2示例性地所示，主推力轴承表面21面对负轴向方向x，并且转子侧推力轴承表面12面对正轴向方向x。通常，主推力轴承表面21面对设置在轴11周围的推力环20。因此，推力环20和主推力轴承表面21形成轴承间隙，该轴承间隙也可以称为主轴承间隙。通常，主轴承被直接供应润滑剂。因此，可以生成在负轴向方向上作用于轴的流体动力。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，主推力轴承表面21具有相比于转子侧推力轴承表面12更大的表面积。这种构造可以有利于取决于本文中描述的操作条件来提供可调节间隙宽度。特别地，轴可以在负轴向方向x上移动(即，在图2所示的实施例中被推向左侧)，特别是在轴的低转速下或在静止状态下通过主轴承间隙中的流体动力压力。因此，间隙13被最小化或甚至关闭，使得没有或几乎没有油渗透到转子侧密封件19。
在较高转速和相关联的较高涡轮入口压力下，涡轮推力在正轴向方向(即，在图2所示的实施例中向右)上增加，并且因此打开间隙13。因此，在较高转速下，可以防止间隙中的磨损。
如图2示例性地所示，主推力轴承表面21通常是在径向方向R上延伸的环形表面。类似地，转子侧推力轴承表面12通常是在径向方向R上延伸的环形表面.
如图2中的双侧箭头111示例性地指示的，根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，轴11相对于轴向轴承15在轴向方向x上可移动。具体地，应当理解，轴密封系统被构造为使得轴11在正轴向方向x以及负轴向方向x上可移动。此外，从图2可以理解，轴向轴承15通常固定在轴承壳体30中。
因此，轴11相对于轴向轴承15在轴向方向x上可移动。特别地，轴密封系统被构造为使得当轴11的转速减小时，轴11在负轴向方向x上移动。此外，轴密封系统被构造为当轴11的转速增加时，轴11在正轴向方向x上移动。
因此，间隙13的间隙宽度W随着轴11的转速的增加而可增加。特别地，间隙13的间隙宽度W通过采用朝向转子侧密封件19在正轴向方向x上作用于轴的力而可增加。例如，在正轴向方向上作用于轴的力可以包括流体动力。
此外，间隙13的间隙宽度W可以随着轴11的转速的降低而可减小。特别地，间隙13的间隙宽度W通过采用远离转子侧密封件19在负轴向方向x上作用于轴的力而可减小。例如，在负轴向方向上作用于轴的力可以包括流体动力。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，轴向轴承包括集成的径向轴承。此外，轴向轴承包括用于轴承润滑的一个或多个润滑供应通道。
因此，应当理解，通过在涡轮机器中采用根据本文中描述的实施例的轴密封系统，例如，可以提供包括径向排气涡轮的排气涡轮增压器、改进的涡轮机器、特别是改进的排气涡轮增压器。
因此，根据本公开的另一方面，提供了一种涡轮机器，该涡轮机器包括根据本文中描述的任何实施例的轴密封系统。特别地，涡轮机器可以是包括径向排气涡轮的排气涡轮增压器。备选地，涡轮机器可以是包括发电机的动力涡轮。
示例性地参考图3所示的流程图，描述了根据本公开的用于密封被支撑在涡轮机器的轴承壳体30中的轴11的方法50。根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，该方法包括根据轴的转速适应性地调节(由图3中的框51表示)设置在推力轴承表面12与轴11的相对表面14之间的间隙13的间隙宽度W。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，适应性地调节间隙宽度W包括相对于推力轴承表面12轴向移动(由图3中的框52表示)轴11的相对表面14。特别地，通常推力轴承表面12由支撑轴11的轴向轴承15提供，如图2示例性地所示。此外，轴11的相对表面14可以是由轴11的径向台阶16提供的径向环形表面，如图2所示。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，适应性地调节间隙宽度包括随着轴11的转速的增加而增加间隙宽度W(由图3中的框53表示)。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，适应性地调节间隙宽度W包括随着轴11的转速的降低而减小间隙宽度W(由图3中的框54表示)。
根据可以与本文中描述的其他实施例结合的实施例，适应性地调节间隙宽度(W)包括采用在轴11的轴向方向上作用于轴11的力。
例如，增加间隙宽度W通常包括采用朝向转子侧密封件19在正轴向方向x上作用于轴的力。例如，在正轴向方向上作用于轴的力可以包括由润滑油等润滑液生成的流体动力。减小间隙宽度W通常包括采用远离转子侧密封件19在负轴向方向x上作用于轴的力。例如，在负轴向方向或正轴向方向上作用于轴的力可以包括流体动力。
在这点上，应当理解，通常不仅存在可以在轴向方向上作用于轴的流体动力，而且其他机械力也可以有助于调节或控制间隙宽度W。然而，在在轴的非旋转状态或低转速下，通常，流体动力占主导地位。
鉴于上文，应当理解，根据本文中描述的实施例的用于密封轴的方法50可以包括使用根据本文中描述的任何实施例的轴密封系统10。换言之，轴密封系统10可以用于实施用于密封轴的方法50。
因此，与现有技术相比，本文中描述的实施例提供了一种改进的轴密封系统、一种改进的涡轮机器、特别是一种改进的排气涡轮增压器，并且提供了一种用于密封被支撑在轴承壳体中的轴的改进的方法。特别地，本公开的实施例有利地提供了一种轴密封系统、一种包括该轴密封系统的涡轮机器以及一种轴密封方法，其被构造为适应性调节支撑轴的轴向轴承与轴的相对表面之间的间隙的间隙宽度。通常，该间隙是密封系统的润滑入口间隙。如本文所述，间隙宽度可以根据操作情况受到影响。因此，通过本公开的实施例，在静止或低转速时，可以避免漏油，而在高转速时，可以确保充分润滑，从而基本上避免磨损。
虽然前述内容涉及实施例，但在不脱离基本范围的情况下，可以设计其他和另外的实施例，并且该范围由所附权利要求确定。
附图标记
10：轴密封系统
11：轴
111：箭头，指示轴的移动方向
12：推力轴承表面
13：间隙
14：相对表面
15：轴向轴承
16：轴的径向台阶
17：出口间隙
18：轴承壳体中的腔体
19：转子侧密封/活塞环
20：推力环
21：主推力轴承表面
25：旋转轴线
30：轴承壳体
40：排气涡轮增压器
41：压缩机
42：叶轮
43：空气入口
44：空气出口
45：涡轮
46：涡轮叶轮
47：气体入口
48：气体出口
50：用于密封轴的方法
51、52、53、54：框
W：间隙宽度
R：径向方向
x：轴向方向

Claims (15)

1.一种被支撑在涡轮机器的轴承壳体(30)中的轴(11)的轴密封系统(10)，包括：
-转子侧密封件(19)，布置在所述轴承壳体(30)与所述轴(11)之间；
-轴向轴承(15)，支撑所述轴(11)；以及
-间隙(13)，被设置在所述轴向轴承(15)的转子侧推力轴承表面(12)与所述轴(11)的相对表面(14)之间，
其中所述间隙(13)的间隙宽度(W)能够根据所述轴(11)的转速调节，其中所述间隙(13)是所述轴密封系统的润滑入口间隙。
2.根据权利要求1所述的轴密封系统(10)，其中所述转子侧推力轴承表面(12)是辅助推力轴承表面，并且其中所述轴(11)的所述相对表面(14)是在所述轴(11)的径向方向(R)上延伸的环形表面。
3.根据权利要求1或2所述的轴密封系统(10)，其中所述轴向轴承(15)还包括主推力轴承表面(21)，所述主推力轴承表面(21)面对与所述转子侧推力轴承表面(12)相对的方向，其中所述主推力轴承表面(21)面对被设置在所述轴(11)周围的推力环(20)，并且其中所述主推力轴承表面(21)具有相比于所述转子侧推力轴承表面(12)更大的表面积。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的轴密封系统(10)，其中所述轴(11)能够相对于所述轴向轴承(15)在轴向方向(x)上移动。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的轴密封系统(10)，其中所述间隙(13)的所述间隙宽度(W)能够随着所述轴(11)的转速的增加而增加，特别是通过采用在正轴向方向(x)上作用于所述轴的力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的轴密封系统(10)，其中所述间隙(13)的所述间隙宽度(W)能够随着所述轴(11)的转速的降低而减小，特别是通过采用在远离所述转子侧密封件(19)的轴向方向(x)上作用于所述轴的流体动力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的轴密封系统(10)，其中所述轴向轴承(15)包括集成的径向轴承，并且其中所述轴向轴承包括用于轴承润滑的一个或多个润滑供应通道。
8.一种涡轮机器，包括根据权利要求1至7中任一项所述的轴密封系统，特别地，所述涡轮机器是包括径向排气涡轮机的排气涡轮增压器，或者所述涡轮机器是包括发电机的动力涡轮机器。
9.一种用于密封被支撑在涡轮机器的轴承壳体(30)中的轴(11)的方法，包括：
根据所述轴的转速，适应性地调节被设置在推力轴承表面(12)与所述轴(11)的相对表面(14)之间的间隙(13)的间隙宽度(W)，其中所述间隙(13)是轴密封系统的润滑入口间隙。
10.根据权利要求9所述的方法，其中适应性地调节所述间隙宽度(W)包括相对于所述推力轴承表面(12)轴向移动所述轴(11)的所述相对表面(14)。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述推力轴承表面(12)由支撑所述轴(11)的轴向轴承(15)提供，并且其中所述轴(11)的所述相对表面(14)是由所述轴(11)的径向台阶(16)提供的径向环形表面。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其中适应性地调节所述间隙宽度包括：随着所述轴(11)的转速的增加而增加所述间隙宽度(W)。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中适应性地调节所述间隙宽度(W)包括：随着所述轴(11)的转速的降低而减小所述间隙宽度(W)。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中适应性地调节所述间隙宽度(W)包括：采用在所述轴(11)的轴向方向上作用于所述轴的力。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，其中所述方法包括使用根据权利要求1至7中任一项所述的轴密封系统(10)。
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