專利名稱：帶球軸承的高推力渦輪增壓器轉(zhuǎn)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)動機渦輪增壓器，尤其涉及一種新穎的裝有球軸承的高推力渦輪增壓器轉(zhuǎn)子。
背景技術(shù)：
適用于鐵路機車和其它應(yīng)用場合的中速柴油機渦輪增壓器，和一般的汽車渦輪增壓器不同，它具有一個帶徑流式壓氣機工作輪或葉輪的轉(zhuǎn)子和一個軸流式渦輪機工作輪或渦輪。這些工作輪安裝在一個被支承在兩間隔的軸承部位的帶外伸式工作輪的連接軸的相反兩端。這種結(jié)構(gòu)稱之為適應(yīng)性強的轉(zhuǎn)子，因為它要高于其第一且可能第二臨界速度工作。因此，它能承受轉(zhuǎn)子的動力狀況，如渦動和同步振動。
高推力負荷是由渦輪工作輪和壓氣機工作輪之間的空氣壓力差產(chǎn)生的。由于這些工作輪的徑向面積比較大，這些負荷可能非常大。在這些工作輪上的凈推力負荷處在同一方向，在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生高的總推力。由轉(zhuǎn)子靜止重量產(chǎn)生的徑向負荷是相當?shù)偷摹?br> 渦輪增壓器設(shè)計可包括在渦輪工作輪輪緣處采用密封裝置，以有助于控制渦輪工作輪葉片內(nèi)側(cè)面上的壓力。這是可行的，因為渦輪增壓器的這些高溫渦輪端材料的熱膨脹系數(shù)比壓氣機端的鋁工作輪和鐵殼體的常用材料更加密切匹配。這樣，在渦輪端，可獲得合理的間隙范圍。
在上游端，目標是在渦輪工作輪葉面附近保持流道壓力。該壓力沿與壓氣機工作輪上的推力相同的方向推動。在下游端，若該葉面能被加壓，則利用相反方向推動會有助于減小壓氣機工作輪推力作用。實際上，這是困難的，因為該密封件須作成非常緊密，不然的話，需要一股極高的壓縮空氣流僅僅從渦輪增壓器直接排出，而沒有被利用來作功。
柴油機車發(fā)動機和渦輪增壓器，可以在自起動時的零下40℃到高海拔隧道內(nèi)經(jīng)歷的高溫、高速的范圍極寬的工況下工作。就少于低慣性快速反應(yīng)而選用的鋁質(zhì)壓氣機工作輪而言，它們的旋轉(zhuǎn)和靜止熱系數(shù)和殼體的匹配是很差的，因此，密封壓氣機工作輪背面的作法不是現(xiàn)時實用的選擇方案。由于壓氣機的壓力比較渦輪的壓力比高得多，因此，一個較高的壓力作用在一個大致等于渦輪面積的面積上。
即使在采用密封裝置有效的情況下，作用在轉(zhuǎn)子上的高推力負荷及潛在的渦動與振動，和汽車發(fā)動機渦輪增壓器內(nèi)普遍采用使軸承相比，已使這種渦輪增壓器普遍選擇液壓動力流體薄膜軸承液壓動力流體薄膜軸承的特點是負載能力高，剛性可變，若流體薄膜得以保持的話，工作壽命基本上是無限的，并且允許有大的軸頸，使剛性更好、振動更低。然而，它們要求有高的潤滑油流量，從而引起大的功率損失，這降低了總效率。
球軸承要求較低的潤滑油流量，且工作時伴有較低的功率損失而提高了效率，以及在運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)剛性較恒定。然而，它們的止推負載能力低，由于活動部件的金屬疲倦，工作壽命有限，而且必須限制其直徑，以使高轉(zhuǎn)速并不對這些球施加過大的離心負荷。結(jié)果，球軸承已如應(yīng)用于鐵道發(fā)動機和其它應(yīng)用場合所述的成功地應(yīng)用于所述這類渦輪增壓中。
發(fā)明概述本發(fā)明提供了一種渦輪增壓器，適用于鐵路機車發(fā)動機和其它應(yīng)用場合，兼有能接收徑向支承負荷和軸向推力負荷適于鐵路發(fā)動機渦輪增壓器的球軸承轉(zhuǎn)子座。
在一個優(yōu)選實施例中，該渦輪增壓器包含一個支承一轉(zhuǎn)子的殼體，該轉(zhuǎn)子具有一軸流渦輪葉輪和一徑流壓氣機葉輪。該兩葉輪被支承在軸的相反兩端，該軸被支承在該殼體內(nèi)由潤滑油潤滑的第一和第二軸承上，該兩軸承軸向間隔，鄰近該軸的相應(yīng)的壓氣機端和渦輪端。該結(jié)構(gòu)提供了一種外伸的轉(zhuǎn)子座，來自兩渦輪的軸向推力負荷沿自該渦輪向壓氣機的同一方向通常作用于該軸上。
在該改善的組件中，第一軸承包含至少一個混合式陶瓷球軸承，它被安裝來接受作用在壓氣機端的軸上的徑向和軸向負荷。該第一軸承被安裝在該軸的直徑縮小的部位，使軸承直徑縮小，以便可接受地限制作用在周圍軸承座圈上的陶瓷球的離心負荷。
其它的特點可包含一種具有雙排陶瓷球軸承的第一軸承，這些陶瓷球軸承被安裝來分擔該軸上的所有軸向推力負荷。該第二軸承也可以是一種球軸承，作為選擇，可以是一種混合式陶瓷推力軸承，被安裝在軸直徑縮小的部位，以限制該軸承中這些球的離心負荷。這些軸承的潤滑最好是用直接撞擊在該內(nèi)座圈的方法，以使引起加熱和功率損失的潤滑油攪動減至最少。在該兩軸承之間的軸徑最好大于該軸承部位的軸頸。以便在外伸的轉(zhuǎn)子中保持足夠的彎曲剛度。第二軸承可被制成在該殼體內(nèi)滑動，以將所有的推力負荷引導(dǎo)到雙排第一軸承。一擠壓膜阻尼器可支承第二軸承，使該轉(zhuǎn)子渦輪端處的渦動減至最小。該軸可與壓氣機葉輪和渦輪葉輪分離，并包含一彈性等同件，如穿過壓氣機葉輪和該軸跟渦輪葉輪接合的并對該轉(zhuǎn)子保持一較恒定的夾緊負荷的螺柱或螺栓。
根據(jù)下面對本發(fā)明的某些具體實施例連同附圖一起所作的說明，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點會被更充分地理解。
附圖簡述

圖1是本發(fā)明的具有借助于球軸承安裝的轉(zhuǎn)子的發(fā)動機渦輪增壓器的剖視圖；圖2是圖1渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子和軸承安裝部分的放大剖視圖；圖3是經(jīng)轉(zhuǎn)子軸到壓氣機連接器端的剖視圖，表示一種多邊形驅(qū)動連接。
優(yōu)選實施例說明現(xiàn)在詳細參照各附圖，標號10總的代表發(fā)動機的廢氣驅(qū)動渦輪增壓器，這種發(fā)動機諸如準備用于鐵路機車或中速柴油發(fā)動機其它應(yīng)用場合的柴油機。渦輪增壓器10包含一個由一轉(zhuǎn)子支承件14支承能繞一縱軸線16轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子12，并包含一渦輪葉輪18和一壓氣機葉輪20。該壓氣機葉輪由一壓氣機殼體組件22包封，該殼體組件包含一些被支承在轉(zhuǎn)子支承件14的軸向面對第一側(cè)面24上的部件。一廢氣導(dǎo)管26有一壓氣機端28，它被安裝在轉(zhuǎn)子支承件14的第二側(cè)面30上，與第一側(cè)面24間隔。
廢氣導(dǎo)管26實際上裝定在轉(zhuǎn)子支承件14和渦輪葉輪18之間，以接受流經(jīng)渦輪葉輪的廢氣，并將它們輸送到一廢氣出口32。廢氣導(dǎo)管26的渦輪端34和一相聯(lián)的噴管保持器組件35單獨由在渦輪端34與廢氣導(dǎo)管26連接的一廢氣導(dǎo)管支承件36支承。該廢氣導(dǎo)管支承件36還支承一渦輪進口蝸殼38，后者自相聯(lián)的發(fā)動機接收廢氣，并經(jīng)一噴咀環(huán)40將它引導(dǎo)到渦輪葉輪18，以傳輸能量來驅(qū)動渦輪增壓器壓氣機葉輪20。
轉(zhuǎn)子支承件14包含一對側(cè)面間隔的安裝腿42，它與轉(zhuǎn)子支承件14的豎直安裝部44剛性連接，并適于安裝在一剛性座上，未示。轉(zhuǎn)子支承件14還包含一個具有球軸承48、50的錐形轉(zhuǎn)子支承部46，這些球軸承以轉(zhuǎn)動方式支承轉(zhuǎn)子12，隨后還要進一步說明。
詳細參照圖2，轉(zhuǎn)子12包含一根在渦輪葉輪18內(nèi)端和壓氣機葉輪20內(nèi)端之間延伸并按工作關(guān)系接合的軸52。呈螺栓結(jié)構(gòu)的彈性緊固件54穿過壓氣機葉輪20和軸52的軸向孔跟渦輪葉輪18的螺孔接合。螺柱54上的螺母56與壓氣機葉輪外端上的墊圈接合，以所需的預(yù)負荷將轉(zhuǎn)子部件夾緊在一起。該螺柱是可彈性伸縮的，因此，不管轉(zhuǎn)子組件在運轉(zhuǎn)或靜止狀態(tài)下其軸向長度有變化，預(yù)負載保持較恒定。
按照本發(fā)明，轉(zhuǎn)子12分別由軸向隔開的第一和第二球軸承48、50支承。這些軸承在軸52的相反兩端與直徑縮小的座部58、60接合。選定這些座部的直徑尺寸，使軸承座圈的直徑縮小，以使這些軸承球上的離心力保持在可接受的范圍內(nèi)。在這些座之間的軸52的部分保持大的直徑，以便在壓氣機葉輪和渦輪葉輪之間提供剛性連接。
在該軸的壓氣機端，軸承48包含雙排混合陶瓷球軸承，使內(nèi)、外座圈62、64沿軸向接合，以傳遞推力負荷。兩內(nèi)座圈62由螺母66夾緊在座部58內(nèi)端的凸肩68上。兩外座圈64安裝在軸承殼體70的孔內(nèi)，該軸承殼體由轉(zhuǎn)子支承件14的轉(zhuǎn)子支承部48固定且徑向定位。該雙排軸承48將主推力負荷傳遞給軸承殼體70的徑向法蘭72。安裝在軸承殼體70上的保持板73將外座圈阻擋在該軸承殼體內(nèi)，并在軸向推力換向期間，限制其軸向移動。
軸承殼體內(nèi)的供油槽74將潤滑油直接自法蘭72處噴濺到內(nèi)外座圈之間的軸承48內(nèi)。多余的潤滑油自軸承處經(jīng)泄油道76部分地泄入蔽口的泄油區(qū)78。潤滑油密封件80由軸承殼體70徑向定位，但由安裝座軸向定位在轉(zhuǎn)子支部分46上。密封件80與被固定在壓氣機葉輪20的突出部上的密封適配件82配合，以限制潤滑油自軸承48處向壓氣機葉輪泄漏。
在軸52的渦輪端，軸承50為具有內(nèi)、外座圈84、86的單排軸承。該軸承50可以是普通型的或混合陶瓷型的，當它主要支承較輕的徑向負荷時，可以做得較小。內(nèi)座圈84由一螺母88固緊在直徑縮小的座部60的內(nèi)端處的凸肩90上。外座圈86被支承在擠壓油膜阻尼器(SFD)套92上。該套在被固定于轉(zhuǎn)子支承部46內(nèi)的SFD殼體94中浮動。潤滑油經(jīng)SFD殼體中的一條槽輸送到SFD，該SFD殼體也有一輸油道96，將潤滑油直接輸入座圈84、86之間的兩球承球內(nèi)。一預(yù)載彈簧組98，在SFD殼體94和SFD套92之間，將該套和軸承外座圈86軸向偏移到凸肩90，在軸承有限的軸向移動期間，將連續(xù)的軸向負荷保持在這些球上，并防止球滑移和隨之產(chǎn)生的疲勞。
渦輪葉輪突出部上的適配器100與安裝在轉(zhuǎn)子支承部46上的密封件102配合，以限制潤滑油漏向渦輪葉輪。軸承50向轉(zhuǎn)子支承部46的潤滑油中央排泄區(qū)78直接排泄。
用于高速旋轉(zhuǎn)機械的球軸承的使用壽命往往受作用于這些軸承球上的離心力的限制。因這些軸承球的尺寸和這些球座圈的直徑在渦輪機球軸承的使用場合中是重要的因素。因此，球軸承通常應(yīng)用于小的汽車發(fā)動機渦輪增壓器轉(zhuǎn)子中，因為這些小直徑的球和座圈允許普通軸承材料有長的壽命。出于相同的理由，在具有大直徑的軸和需要較大軸承的大推力負荷的大發(fā)動機渦輪增壓器中未發(fā)現(xiàn)應(yīng)用球軸承。
本發(fā)明通過綜合幾個特點克服了上述這些問題，使球軸承應(yīng)用于適用柴油機鐵路貨運機車這樣尺寸的發(fā)動機中成為現(xiàn)實。例如，至少將該較大的推力支承軸承48安裝在該軸端的直徑縮小部。這允許球承座圈的直徑縮小，而在這些軸承之間的該軸部分仍保持為保持足夠的剛性所需的大直徑。若需要，采用雙排軸承，以支承所產(chǎn)生的大的推力負荷。而且，將混合的陶瓷球軸承至少應(yīng)用于高負荷區(qū)域。該陶瓷球輕于合金鋼，但有大的工作能力，因此，球的離心力減小，而軸承的疲勞壽命延長。
由于軸端直徑縮小，在軸52和渦輪與壓氣機葉輪18，20之間形成更緊湊和有效的驅(qū)動接合?，F(xiàn)在參照與軸52接合的P3多邊形開口104，和自適配器82，100延伸的多邊形突起106匹配，該適配器被在葉輪18，20上，形成運接觸區(qū)或迷宮密封表面。圖3經(jīng)軸52朝適配器82端的剖視圖，表示該優(yōu)選的P3多邊形突起106的形狀，它與適配器82中的相同形狀的多邊形開口104匹配。若需要，這些突起可自該軸延伸，并與在適配器內(nèi)形成的開口相匹配。
渦輪增壓器10運轉(zhuǎn)時，加壓廢氣經(jīng)渦輪進口蝸氣38輸送到渦輪葉輪18，在那里葉輪將能量傳遞到渦輪葉輪，以驅(qū)動轉(zhuǎn)子12，然而以低壓排出。在渦輪葉輪的進口面上的廢氣高壓沿壓氣機葉輪方向產(chǎn)生軸向推力。其旋轉(zhuǎn)的壓氣機葉輪20吸入軸向移動的周圍空氣，并以高壓將其徑向排到壓氣機殼體22。該輸出壓力作用在壓氣機葉輪20的內(nèi)側(cè)面上，并在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生額外的軸向推力，增加了渦輪葉輪18的推力。這些推力完全由雙排陶瓷球軸承48吸收，后者將推力負荷自渦輪軸52傳輸?shù)捷S承殼體70，從而到轉(zhuǎn)子支承件14。
這些推力負荷產(chǎn)生的力遠遠高于徑向支承負荷，它們被分配在轉(zhuǎn)子軸承48和50之間。軸承50借助于其在SFD殼體94內(nèi)的擠壓油膜阻尼器(SFD)套92而能軸向移動。然而，可以預(yù)料，能對付與主推力方向相反的瞬態(tài)的推力負荷。彈簧組98將軸承外座圈偏移到軸肩90，以便在這些軸承球上保持一小的軸向負荷。這樣，軸承50主要支承徑向負荷，并可將其制得比軸承48小。軸承50的軸向負荷有助于避免球滑移，這種滑移可有害地影響軸承的疲勞壽命。這擠壓油膜阻尼器被用來平衡所謂的軸渦動，在那里，若軸承負載得太輕，該軸或渦輪會沿軌道旋轉(zhuǎn)。然而，在所有渦輪增壓器應(yīng)用場合中，可不需要擠壓油膜阻尼器。
軸承的潤滑，通過在該球/座圈界面外的潤滑油的直接碰撞，同時限制所供應(yīng)的潤滑油量并將多余的油很快排空，這就避免了潤滑油的攪拌，軸承的過熱和疲勞。借助于所公開的這些球軸承和潤滑油輸送系統(tǒng)，由于泵油和先前的液壓動力軸承的粘性阻力引起的功率損失大大減少。
和采用現(xiàn)有軸承技術(shù)的渦輪增壓器相比，本發(fā)明的優(yōu)點包括，但不限于，減少了潤滑油消耗和功率損失，而無需昂貴的空氣動力密封，由于采用了更適合于徑向負荷較輕的軸承，改善了轉(zhuǎn)子的動態(tài)特性，由于低的潤滑油消耗和可能的不復(fù)雜的渦輪增壓器潤滑油供應(yīng)系統(tǒng)，簡化了軸的密封。
雖然通過參照某些優(yōu)選實施例說明了本發(fā)明，然而應(yīng)當明白，在所述發(fā)明構(gòu)思的精神和范圍，可作出許多變化。因此，要使本發(fā)明不限于所公開的這些實施例，而處在由下列權(quán)利要求書的文字所允許的整個范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種渦輪增壓器，具有一個支承轉(zhuǎn)子的殼體，該轉(zhuǎn)子包含一軸流式渦輪葉輪和一徑流式壓氣機葉輪，它們于安裝在殼體內(nèi)的一根軸的相反兩端處，被支承在軸向間隔相鄰的該軸各自的壓氣機端和渦輪端的用潤滑油潤滑的第一和第二軸承上，并構(gòu)成一外伸的轉(zhuǎn)子座，軸向推力負荷自兩葉輪沿自渦輪到壓氣機的相同方向作用在該軸上，其改進包括所述第一軸承包括至少一個被安裝來吸收作用在該軸上的徑向和軸向負荷的在壓氣機端的混合陶瓷球軸承，所述第一軸承被安裝在該軸的直徑縮小部，以使軸承直徑減小，以便可接受的限制在頂靠周圍軸承座圈的軸承內(nèi)的陶瓷球的離心負荷。
2.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述第一軸承包含雙排陶瓷球軸承，它們分擔作用在該軸上的所有的主推力負荷，將軸承的推力負荷保持在可接受的范圍內(nèi)。
3.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述第二軸承為單排球軸承，它主要支承僅僅徑向負荷，被安裝在該軸的第二直徑縮小部上，可接受限制在頂靠周圍軸承座圈的第二軸承內(nèi)的球的離心負荷。
4.權(quán)利要求3的渦輪增壓器，其特征在于所述第二軸承為一混合陶瓷球軸承。
5.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述第一軸承用受控量的潤滑油潤滑以限制潤滑油激烈攪動，潤滑油是通過直接撞擊在球與軸承內(nèi)座圈的界面上來供應(yīng)的。
6.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述轉(zhuǎn)子包含一個軸向緊固件，它穿過壓氣機和軸跟渦輪接合，用一初始軸向載荷將這些轉(zhuǎn)子部分保持在一起，該緊固件沿軸有彈性的，以便在轉(zhuǎn)子溫度變化運轉(zhuǎn)工況下較恒定地保持轉(zhuǎn)子上的軸向載荷。
7.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述第一和第二軸承間的這部分軸的外徑大于所述縮小的直徑，以保持外伸轉(zhuǎn)子有足夠的彎曲剛度。
8.權(quán)利要求4的渦輪增壓器，其特征在于所述第二軸承在殼體內(nèi)可滑動，將轉(zhuǎn)子的主推力負荷導(dǎo)引到第一軸承。
9.權(quán)利要求8的渦輪增壓器，其特征在于所述第二軸承裝有一擠壓油膜阻尼器，使轉(zhuǎn)子渦輪端的渦動減至最小。
10.權(quán)利要求1的渦輪增壓器，其特征在于所述匹配凹口內(nèi)的多邊形突起包括在所述軸和相連接的渦輪與壓氣機葉輪之間的驅(qū)動部件。
全文摘要
用于鐵路機車發(fā)動機的改進的渦輪增壓器,在一優(yōu)選實施例中,包含第一和第二軸向間隔的球軸承,利用本身為被安裝來吸收作用在軸壓氣機端上的徑向和軸向負荷的混合陶瓷球軸承的第一軸承來支承轉(zhuǎn)子。第一軸承被安裝在軸的直徑縮小部,使軸承直徑減小,可接受地限制頂靠周圍軸承座圈的軸承內(nèi)的陶瓷球的離心負荷。第一軸承為雙排陶瓷球軸承,它們分擔作用在軸向的所有軸向推力負荷。第二軸承也是球軸承。軸承最好通過潤滑油直接撞擊在內(nèi)座圈上來潤滑,使引起加熱和功率損失的攪動減至最小。公開了其它的特點和優(yōu)點。
文檔編號F01D25/16GK1382897SQ0211818
公開日2002年12月4日 申請日期2002年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月24日
發(fā)明者J·B·帕諾斯, J·W·海倫巴赫, E·J·杜韋 申請人:通用汽車公司