CN1382897A - 带球轴承的高推力涡轮增压器转子 - Google Patents

Abstract

用于铁路机车发动机的改进的涡轮增压器,在一优选实施例中,包含第一和第二轴向间隔的球轴承,利用本身为被安装来吸收作用在轴压气机端上的径向和轴向负荷的混合陶瓷球轴承的第一轴承来支承转子。第一轴承被安装在轴的直径缩小部,使轴承直径减小,可接受地限制顶靠周围轴承座圈的轴承内的陶瓷球的离心负荷。第一轴承为双排陶瓷球轴承,它们分担作用在轴向的所有轴向推力负荷。第二轴承也是球轴承。轴承最好通过润滑油直接撞击在内座圈上来润滑,使引起加热和功率损失的搅动减至最小。公开了其它的特点和优点。

Description

带球轴承的高推力涡轮增压器转子

发明领域

本发明涉及发动机涡轮增压器，尤其涉及一种新颖的装有球轴承的高推力涡轮增压器转子。

发明背景

适用于铁路机车和其它应用场合的中速柴油机涡轮增压器，和一般的汽车涡轮增压器不同，它具有一个带径流式压气机工作轮或叶轮的转子和一个轴流式涡轮机工作轮或涡轮。这些工作轮安装在一个被支承在两间隔的轴承部位的带外伸式工作轮的连接轴的相反两端。这种结构称之为适应性强的转子，因为它要高于其第一且可能第二临界速度工作。因此，它能承受转子的动力状况，如涡动和同步振动。

高推力负荷是由涡轮工作轮和压气机工作轮之间的空气压力差产生的。由于这些工作轮的径向面积比较大，这些负荷可能非常大。在这些工作轮上的净推力负荷处在同一方向，在转子上产生高的总推力。由转子静止重量产生的径向负荷是相当低的。

涡轮增压器设计可包括在涡轮工作轮轮缘处采用密封装置，以有助于控制涡轮工作轮叶片内侧面上的压力。这是可行的，因为涡轮增压器的这些高温涡轮端材料的热膨胀系数比压气机端的铝工作轮和铁壳体的常用材料更加密切匹配。这样，在涡轮端，可获得合理的间隙范围。

在上游端，目标是在涡轮工作轮叶面附近保持流道压力。该压力沿与压气机工作轮上的推力相同的方向推动。在下游端，若该叶面能被加压，则利用相反方向推动会有助于减小压气机工作轮推力作用。实际上，这是困难的，因为该密封件须作成非常紧密，不然的话，需要一股极高的压缩空气流仅仅从涡轮增压器直接排出，而没有被利用来作功。

柴油机车发动机和涡轮增压器，可以在自起动时的零下40℃到高海拔隧道内经历的高温、高速的范围极宽的工况下工作。就少于低惯性快速反应而选用的铝质压气机工作轮而言，它们的旋转和静止热系数和壳体的匹配是很差的，因此，密封压气机工作轮背面的作法不是现时实用的选择方案。由于压气机的压力比较涡轮的压力比高得多，因此，一个较高的压力作用在一个大致等于涡轮面积的面积上。

即使在采用密封装置有效的情况下，作用在转子上的高推力负荷及潜在的涡动与振动，和汽车发动机涡轮增压器内普遍采用使轴承相比，已使这种涡轮增压器普遍选择液压动力流体薄膜轴承液压动力流体薄膜轴承的特点是负载能力高，刚性可变，若流体薄膜得以保持的话，工作寿命基本上是无限的，并且允许有大的轴颈，使刚性更好、振动更低。然而，它们要求有高的润滑油流量，从而引起大的功率损失，这降低了总效率。

球轴承要求较低的润滑油流量，且工作时伴有较低的功率损失而提高了效率，以及在运转范围内刚性较恒定。然而，它们的止推负载能力低，由于活动部件的金属疲倦，工作寿命有限，而且必须限制其直径，以使高转速并不对这些球施加过大的离心负荷。结果，球轴承已如应用于铁道发动机和其它应用场合所述的成功地应用于所述这类涡轮增压中。

发明概述

本发明提供了一种涡轮增压器，适用于铁路机车发动机和其它应用场合，兼有能接收径向支承负荷和轴向推力负荷适于铁路发动机涡轮增压器的球轴承转子座。

在一个优选实施例中，该涡轮增压器包含一个支承一转子的壳体，该转子具有一轴流涡轮叶轮和一径流压气机叶轮。该两叶轮被支承在轴的相反两端，该轴被支承在该壳体内由润滑油润滑的第一和第二轴承上，该两轴承轴向间隔，邻近该轴的相应的压气机端和涡轮端。该结构提供了一种外伸的转子座，来自两涡轮的轴向推力负荷沿自该涡轮向压气机的同一方向通常作用于该轴上。

在该改善的组件中，第一轴承包含至少一个混合式陶瓷球轴承，它被安装来接受作用在压气机端的轴上的径向和轴向负荷。该第一轴承被安装在该轴的直径缩小的部位，使轴承直径缩小，以便可接受地限制作用在周围轴承座圈上的陶瓷球的离心负荷。

其它的特点可包含一种具有双排陶瓷球轴承的第一轴承，这些陶瓷球轴承被安装来分担该轴上的所有轴向推力负荷。该第二轴承也可以是一种球轴承，作为选择，可以是一种混合式陶瓷推力轴承，被安装在轴直径缩小的部位，以限制该轴承中这些球的离心负荷。这些轴承的润滑最好是用直接撞击在该内座圈的方法，以使引起加热和功率损失的润滑油搅动减至最少。在该两轴承之间的轴径最好大于该轴承部位的轴颈。以便在外伸的转子中保持足够的弯曲刚度。第二轴承可被制成在该壳体内滑动，以将所有的推力负荷引导到双排第一轴承。一挤压膜阻尼器可支承第二轴承，使该转子涡轮端处的涡动减至最小。该轴可与压气机叶轮和涡轮叶轮分离，并包含一弹性等同件，如穿过压气机叶轮和该轴跟涡轮叶轮接合的并对该转子保持一较恒定的夹紧负荷的螺柱或螺栓。

根据下面对本发明的某些具体实施例连同附图一起所作的说明，本发明的其它特点和优点会被更充分地理解。

附图简述

图1是本发明的具有借助于球轴承安装的转子的发动机涡轮增压器的剖视图；

图2是图1涡轮增压器的转子和轴承安装部分的放大剖视图；

图3是经转子轴到压气机连接器端的剖视图，表示一种多边形驱动连接。

优选实施例说明

现在详细参照各附图，标号10总的代表发动机的废气驱动涡轮增压器，这种发动机诸如准备用于铁路机车或中速柴油发动机其它应用场合的柴油机。涡轮增压器10包含一个由一转子支承件14支承能绕一纵轴线16转动的转子12，并包含一涡轮叶轮18和一压气机叶轮20。该压气机叶轮由一压气机壳体组件22包封，该壳体组件包含一些被支承在转子支承件14的轴向面对第一侧面24上的部件。一废气导管26有一压气机端28，它被安装在转子支承件14的第二侧面30上，与第一侧面24间隔。

废气导管26实际上装定在转子支承件14和涡轮叶轮18之间，以接受流经涡轮叶轮的废气，并将它们输送到一废气出口32。废气导管26的涡轮端34和一相联的喷管保持器组件35单独由在涡轮端34与废气导管26连接的一废气导管支承件36支承。该废气导管支承件36还支承一涡轮进口蜗壳38，后者自相联的发动机接收废气，并经一喷咀环40将它引导到涡轮叶轮18，以传输能量来驱动涡轮增压器压气机叶轮20。

转子支承件14包含一对侧面间隔的安装腿42，它与转子支承件14的竖直安装部44刚性连接，并适于安装在一刚性座上，未示。转子支承件14还包含一个具有球轴承48、50的锥形转子支承部46，这些球轴承以转动方式支承转子12，随后还要进一步说明。

详细参照图2，转子12包含一根在涡轮叶轮18内端和压气机叶轮20内端之间延伸并按工作关系接合的轴52。呈螺栓结构的弹性紧固件54穿过压气机叶轮20和轴52的轴向孔跟涡轮叶轮18的螺孔接合。螺柱54上的螺母56与压气机叶轮外端上的垫圈接合，以所需的预负荷将转子部件夹紧在一起。该螺柱是可弹性伸缩的，因此，不管转子组件在运转或静止状态下其轴向长度有变化，预负载保持较恒定。

按照本发明，转子12分别由轴向隔开的第一和第二球轴承48、50支承。这些轴承在轴52的相反两端与直径缩小的座部58、60接合。选定这些座部的直径尺寸，使轴承座圈的直径缩小，以使这些轴承球上的离心力保持在可接受的范围内。在这些座之间的轴52的部分保持大的直径，以便在压气机叶轮和涡轮叶轮之间提供刚性连接。

在该轴的压气机端，轴承48包含双排混合陶瓷球轴承，使内、外座圈62、64沿轴向接合，以传递推力负荷。两内座圈62由螺母66夹紧在座部58内端的凸肩68上。两外座圈64安装在轴承壳体70的孔内，该轴承壳体由转子支承件14的转子支承部48固定且径向定位。该双排轴承48将主推力负荷传递给轴承壳体70的径向法兰72。安装在轴承壳体70上的保持板73将外座圈阻挡在该轴承壳体内，并在轴向推力换向期间，限制其轴向移动。

轴承壳体内的供油槽74将润滑油直接自法兰72处喷溅到内外座圈之间的轴承48内。多余的润滑油自轴承处经泄油道76部分地泄入蔽口的泄油区78。润滑油密封件80由轴承壳体70径向定位，但由安装座轴向定位在转子支部分46上。密封件80与被固定在压气机叶轮20的突出部上的密封适配件82配合，以限制润滑油自轴承48处向压气机叶轮泄漏。

在轴52的涡轮端，轴承50为具有内、外座圈84、86的单排轴承。该轴承50可以是普通型的或混合陶瓷型的，当它主要支承较轻的径向负荷时，可以做得较小。内座圈84由一螺母88固紧在直径缩小的座部60的内端处的凸肩90上。外座圈86被支承在挤压油膜阻尼器(SFD)套92上。该套在被固定于转子支承部46内的SFD壳体94中浮动。润滑油经SFD壳体中的一条槽输送到SFD，该SFD壳体也有一输油道96，将润滑油直接输入座圈84、86之间的两球承球内。一预载弹簧组98，在SFD壳体94和SFD套92之间，将该套和轴承外座圈86轴向偏移到凸肩90，在轴承有限的轴向移动期间，将连续的轴向负荷保持在这些球上，并防止球滑移和随之产生的疲劳。

涡轮叶轮突出部上的适配器100与安装在转子支承部46上的密封件102配合，以限制润滑油漏向涡轮叶轮。轴承50向转子支承部46的润滑油中央排泄区78直接排泄。

用于高速旋转机械的球轴承的使用寿命往往受作用于这些轴承球上的离心力的限制。因这些轴承球的尺寸和这些球座圈的直径在涡轮机球轴承的使用场合中是重要的因素。因此，球轴承通常应用于小的汽车发动机涡轮增压器转子中，因为这些小直径的球和座圈允许普通轴承材料有长的寿命。出于相同的理由，在具有大直径的轴和需要较大轴承的大推力负荷的大发动机涡轮增压器中未发现应用球轴承。

本发明通过综合几个特点克服了上述这些问题，使球轴承应用于适用柴油机铁路货运机车这样尺寸的发动机中成为现实。例如，至少将该较大的推力支承轴承48安装在该轴端的直径缩小部。这允许球承座圈的直径缩小，而在这些轴承之间的该轴部分仍保持为保持足够的刚性所需的大直径。若需要，采用双排轴承，以支承所产生的大的推力负荷。而且，将混合的陶瓷球轴承至少应用于高负荷区域。该陶瓷球轻于合金钢，但有大的工作能力，因此，球的离心力减小，而轴承的疲劳寿命延长。

由于轴端直径缩小，在轴52和涡轮与压气机叶轮18，20之间形成更紧凑和有效的驱动接合。现在参照与轴52接合的P3多边形开口104，和自适配器82，100延伸的多边形突起106匹配，该适配器被在叶轮18，20上，形成运接触区或迷宫密封表面。图3经轴52朝适配器82端的剖视图，表示该优选的P3多边形突起106的形状，它与适配器82中的相同形状的多边形开口104匹配。若需要，这些突起可自该轴延伸，并与在适配器内形成的开口相匹配。

涡轮增压器10运转时，加压废气经涡轮进口蜗气38输送到涡轮叶轮18，在那里叶轮将能量传递到涡轮叶轮，以驱动转子12，然而以低压排出。在涡轮叶轮的进口面上的废气高压沿压气机叶轮方向产生轴向推力。其旋转的压气机叶轮20吸入轴向移动的周围空气，并以高压将其径向排到压气机壳体22。该输出压力作用在压气机叶轮20的内侧面上，并在转子上产生额外的轴向推力，增加了涡轮叶轮18的推力。这些推力完全由双排陶瓷球轴承48吸收，后者将推力负荷自涡轮轴52传输到轴承壳体70，从而到转子支承件14。

这些推力负荷产生的力远远高于径向支承负荷，它们被分配在转子轴承48和50之间。轴承50借助于其在SFD壳体94内的挤压油膜阻尼器(SFD)套92而能轴向移动。然而，可以预料，能对付与主推力方向相反的瞬态的推力负荷。弹簧组98将轴承外座圈偏移到轴肩90，以便在这些轴承球上保持一小的轴向负荷。这样，轴承50主要支承径向负荷，并可将其制得比轴承48小。轴承50的轴向负荷有助于避免球滑移，这种滑移可有害地影响轴承的疲劳寿命。这挤压油膜阻尼器被用来平衡所谓的轴涡动，在那里，若轴承负载得太轻，该轴或涡轮会沿轨道旋转。然而，在所有涡轮增压器应用场合中，可不需要挤压油膜阻尼器。

轴承的润滑，通过在该球/座圈界面外的润滑油的直接碰撞，同时限制所供应的润滑油量并将多余的油很快排空，这就避免了润滑油的搅拌，轴承的过热和疲劳。借助于所公开的这些球轴承和润滑油输送系统，由于泵油和先前的液压动力轴承的粘性阻力引起的功率损失大大减少。

和采用现有轴承技术的涡轮增压器相比，本发明的优点包括，但不限于，减少了润滑油消耗和功率损失，而无需昂贵的空气动力密封，由于采用了更适合于径向负荷较轻的轴承，改善了转子的动态特性，由于低的润滑油消耗和可能的不复杂的涡轮增压器润滑油供应系统，简化了轴的密封。

虽然通过参照某些优选实施例说明了本发明，然而应当明白，在所述发明构思的精神和范围，可作出许多变化。因此，要使本发明不限于所公开的这些实施例，而处在由下列权利要求书的文字所允许的整个范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮增压器，具有一个支承转子的壳体，该转子包含一轴流式涡轮叶轮和一径流式压气机叶轮，它们于安装在壳体内的一根轴的相反两端处，被支承在轴向间隔相邻的该轴各自的压气机端和涡轮端的用润滑油润滑的第一和第二轴承上，并构成一外伸的转子座，轴向推力负荷自两叶轮沿自涡轮到压气机的相同方向作用在该轴上，其改进包括：

所述第一轴承包括至少一个被安装来吸收作用在该轴上的径向和轴向负荷的在压气机端的混合陶瓷球轴承，所述第一轴承被安装在该轴的直径缩小部，以使轴承直径减小，以便可接受的限制在顶靠周围轴承座圈的轴承内的陶瓷球的离心负荷。

2.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述第一轴承包含双排陶瓷球轴承，它们分担作用在该轴上的所有的主推力负荷，将轴承的推力负荷保持在可接受的范围内。

3.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述第二轴承为单排球轴承，它主要支承仅仅径向负荷，被安装在该轴的第二直径缩小部上，可接受限制在顶靠周围轴承座圈的第二轴承内的球的离心负荷。

4.权利要求3的涡轮增压器，其特征在于所述第二轴承为一混合陶瓷球轴承。

5.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述第一轴承用受控量的润滑油润滑以限制润滑油激烈搅动，润滑油是通过直接撞击在球与轴承内座圈的界面上来供应的。

6.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述转子包含一个轴向紧固件，它穿过压气机和轴跟涡轮接合，用一初始轴向载荷将这些转子部分保持在一起，该紧固件沿轴有弹性的，以便在转子温度变化运转工况下较恒定地保持转子上的轴向载荷。

7.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述第一和第二轴承间的这部分轴的外径大于所述缩小的直径，以保持外伸转子有足够的弯曲刚度。

8.权利要求4的涡轮增压器，其特征在于所述第二轴承在壳体内可滑动，将转子的主推力负荷导引到第一轴承。

9.权利要求8的涡轮增压器，其特征在于所述第二轴承装有一挤压油膜阻尼器，使转子涡轮端的涡动减至最小。

10.权利要求1的涡轮增压器，其特征在于所述匹配凹口内的多边形突起包括在所述轴和相连接的涡轮与压气机叶轮之间的驱动部件。

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