專利名稱：渦輪機機座內的滾珠軸承襯套的旋轉和軸向保持裝置的制作方法
技術領域：
本文所公開的題述發(fā)明大體上涉及用于內燃機的渦輪機械，具體涉及滾動元件軸承襯套和用于該軸承襯套的軸承機座。
背景技術：
與低摩擦軸承有關的優(yōu)點在眾多不同的工業(yè)中是眾所周知的。超過1000000 DN值(動態(tài)數(shù)值)的高速應用在渦輪機械中很普遍。由于轉子不均衡力是以轉子速度的平方函數(shù)增大，這些高速應用需要阻尼作用。如果沒有阻尼，通過系統(tǒng)傳送的力會引起許多眾所周知的問題，例如噪音、腐蝕、接合點松動以及總體使用壽命縮短。另外，軸承自身的使用壽命也無法接受。由于這些原因，渦輪機械的軸承并沒有牢固地安裝在其機座內。有經驗的轉子動力學設計工程師把他/她的大部分時間花在控制這些力上、特別是在轉子通過其自然頻率、通常稱為“臨界速度”時遇到的那些力。
使用低摩擦滾動元件軸承的大多數(shù)渦輪增壓器使用兩個向心止推滾珠軸承，其中每一個軸承在給定的軸向方向承受推力負荷，該兩個向心止推滾珠軸承在通常稱為“襯套”(cartridge)的內部結合在一起。在圓柱坐標系統(tǒng)中，軸承可以由軸向、徑向和方位角向尺寸來限定。在下文中稱為機座的軸承機座內，襯套經由一個或多個機構軸向和方位角向定位。為了實現(xiàn)合適的功能，可以沿徑向線的徑向方向發(fā)生某些移動，其中徑向線一般由方位角向定位機構來限定。
傳統(tǒng)軸承襯套和機座組件一般依賴于軸向推力負荷銷釘在機座內軸向和方位角向定位襯套。該銷釘在機座內校直襯套而且承受大多數(shù)推力負荷的能力有限。因此，軸向推力負荷銷釘可能引起嚴重的磨損和錯位問題。
總的來說，工業(yè)上需要存在用于滾動元件軸承和/或機座的能更好地排列和/或減少磨損的方案。此處介紹的各種示例性的軸承襯套和機座解決了這些問題和可選的其它問題。
附圖簡介下面將結合附圖并參考詳細描述進行說明，以便更完全地理解這里描述的各種方法、裝置、系統(tǒng)、設備等等以及其等同物。


圖1A是用于渦輪增壓器的現(xiàn)有技術軸承襯套的透視解；圖1B是在現(xiàn)有技術機座內現(xiàn)有技術軸承襯套的圖解；圖2是示例性軸承襯套的透視解，其不包括容納軸向推力負荷銷釘?shù)目住?br> 圖3是示例性軸承襯套的側視圖，其不包括容納軸向推力負荷銷釘?shù)目住?br> 圖4是示例性組件的剖視圖，其包括示例性機座和示例性軸承襯套。
圖5是示例性機座的剖視圖，其包括用于軸向定位軸承襯套的特征。
圖6是示例性機座組件的正視圖，其包括用于在機座組件中軸向定位軸承襯套的保持機構。
圖7是示例性保持機構的側剖視圖，其用于在機座中軸向定位軸承襯套。
圖8是示例性軸承襯套的側剖視圖，其包括各種外表面區(qū)域。
圖9A是示例性機座的側剖視圖，其包括具有不同內徑的兩個區(qū)域，從而與軸承襯套一起允許諸如兩個薄膜區(qū)域的形成。
圖9B是示例性機座的頂部剖視圖，其包括具有不同內徑的兩個區(qū)域，從而與軸承襯套一起允許諸如兩個薄膜區(qū)域的形成。
發(fā)明詳述這里公開的各種示例性方法、裝置、系統(tǒng)、設備等等，解決了涉及與渦輪增壓器相關的技術的問題，并可選地適合于與電力輔助渦輪增壓器一起使用。
圖1A顯示了現(xiàn)有技術軸承襯套100的透視圖。其中顯示了包括徑向(r)、軸向(x)和方位角向(Θ)尺寸的圓柱坐標系統(tǒng)用于參考。襯套100包括位于外座圈105上、在中心段106和襯套100的各個末端中間的兩個環(huán)形凹槽104、104’。襯套100的中心段106包括開口108，其與銷釘配合在機座或軸頸內軸向和角向方位定位襯套100。例如，用于渦輪機械的傳統(tǒng)軸承襯套通常依賴于由該開口接收的軸向推力負荷銷釘來在傳統(tǒng)機座內軸向定位軸承襯套。
凹槽104、104’各自位于外座圈105的外部段110、110’附近。外部段110、110’具有相同的內徑，其與機座一起限定了間隙并因此允許潤滑劑薄膜f、f’形成。
圖1B顯示了在現(xiàn)有技術機座160內現(xiàn)有技術襯套100的剖視圖。銷釘162軸向和方位角向定位襯套100的同時允許襯套徑向自由移動。特別地，銷釘162與外座圈105配合。沿X軸的軸向推力負荷產生了從軸承襯套100的外座圈105經由銷釘162傳送至機座160的力。由于銷釘允許徑向移動，在銷釘162的外徑和開口108的內徑之間存在著一些少量間隙。因此，在工作期間，推力可能引起襯套相對于機座的軸向移動。這種移動會導致磨損和錯位。
銷釘162還允許潤滑劑經由銷釘162中的導管流到襯套100中心段106附近的潤滑劑入口凹槽164中。潤滑劑出口凹槽168接近位于入口凹槽164對面，其允許潤滑劑導入并包圍在襯套100周圍。
如圖1B所示，在外部段110、110’的外徑和機座160的內徑之間存在間隙。在該現(xiàn)有技術組件中，間隙限定了單個薄膜厚度f。放大的剖視圖顯示了存在于凹槽104任一側的單個薄膜厚度f。該間隙(擠壓薄膜厚度)的選擇決定了工作特性，例如轉子徑向自由度和轉子不均衡力的阻尼。
圖2顯示了示例性軸承襯套200的透視圖，其不包括容納軸向推力負荷銷釘?shù)拈_口。襯套200包括位于外座圈205上、在中心段206和襯套200的各個末端中間的兩個環(huán)形凹槽204、204’。在該示例中，襯套200包括開口207和207’，其允許噴射潤滑劑進入并對準襯套200的滾珠。另外的開口也可選地用于潤滑劑流動。
凹槽204、204’分別位于末端段210、210’附近。外座圈205的末端段210、210’的外徑與機座一起限定了間隙，并因此允許大致相等的潤滑劑薄膜f1、f1’形成。
圖3顯示了諸如圖2中襯套200的示例性襯套300的側視圖。襯套300包括外座圈305，其具有大概的長度L、大概的軸向中點Lm并包括具有外徑Do1、Do1’的末端段310、310’。在該示例中，排出口或潤滑劑開口309位于軸向位置中點Lm或接近中點Lm的位置。襯套300可以包括如圖2中襯套200的開口207、207’一樣的開口。潤滑劑開口309可選地容納銷釘或其它限制外座圈305旋轉的裝置。潤滑劑開口309可以容納該旋轉限制裝置，同時仍然能夠進行某些徑向移動。
襯套300包括凹槽，其軸向寬度Δw1、Δw1’位于中心段306和具有外徑Do1和Do1’的末端段310、310’之間。凹槽寬度Δw1、Δw1’可大致相等。外部段310、310’可以在軸向寬度方向不同。例如，襯套300可以包括具有外徑Do1的外部段310，其軸向寬度小于具有外徑Do1’的外部段310’。
示例性襯套300包括各種參數(shù)，其可以用于獲得期望的性能參數(shù)。例如，各個段的軸向寬度和外徑可以用于限定軸向間隙/薄膜厚度和軸向薄膜長度。通常，恰如其分地選擇擠壓油膜厚度、長度和數(shù)量可以獲得軸向自由度的減小以及轉子不均衡力的阻尼優(yōu)化。下面將進一步參考附圖8和附圖9A～9B描述具有多種擠壓薄膜厚度的各種示例。
圖4顯示了渦輪機構的示例性組件400的剖視解。組件400包括位于機座440上并借助于板450軸向定位的軸承襯套300。在該示例中，板450靠在機座440的表面446上。銷釘460可選地協(xié)助襯套300相對于機座440進行方位角向定位，其中銷釘插入機座440的開口444中。開口444可選地包括其軸線與中心軸(例如X軸)成角度φ相交的銷釘開口，該角度可選為非正交的。
在該示例中，襯套300借助于機座440的沉孔442和板450軸向定位。通常，板450和沉孔442限定了軸向距離，其大于軸承襯套300外座圈的軸向長度。組件400的正常操作需要某些量的徑向移動；因此，軸向定位機構允許軸承襯套徑向移動。另外，板450表面和沉孔442表面之間的軸向距離與軸承襯套300外座圈軸向長度之間的差異限定了間隙。該間隙的調節(jié)可以通過板450的連接機構(例如螺栓452)和/或其它特征(例如襯墊、墊圈等等)實現(xiàn)。
示例性組件400的各種特征還將軸向推力負荷直接分配給超過一個的元件。例如，板450可以承載推力負荷，機座440的沉孔442可以承載從軸承襯套300來的軸向推力負荷。比較而言，圖1B中的傳統(tǒng)組件將軸向推力負荷直接并完全地傳送給銷釘162。另外，與圖1B中傳統(tǒng)組件的銷釘162比較，示例性組件400能夠將軸向推力負荷分配在更大的表面積上。
前面已經提及，機座440包括可以容納銷釘460的開口444，以協(xié)助軸承襯套300的外座圈進行方位角向定位。這種銷釘稱為防轉銷釘或方位角向定位銷釘，因為其相對于機座方位角向定位并限制了軸承襯套的外座圈轉動。在該示例中，機座440的潤滑劑排出開口448允許銷釘460插入開口444。照這樣，潤滑劑排出開口448允許潤滑劑排出以及防轉銷釘?shù)牟迦牒?或調節(jié)。盡管直線顯示了進入開口444的通道，但是通道可選為迂回的(例如不沿直線)。
圖5顯示了示例性機座440和板450的頂部剖視圖。示例性機座440包括鄰近的凹陷表面446和遠處的沉孔442。鄰近的凹陷表面446可選地與渦輪機構的壓縮機側連接，遠處的沉孔442可選地與渦輪機構的渦輪側連接。當然，也可以使用其它的安裝方式。
示例性機座440包括與中央縱向機座軸(例如X軸)成一定角度的開口444，其允許銷釘插入。該銷釘可以在示例性機座440內方位角向地定位軸承襯套的外座圈。
示例性機座440包括用于板450的連接機構。在該示例中，設置的螺紋孔445、445’沿表面446上開口。螺紋孔445、445’分別容納螺栓452、452’。該示例中還顯示了墊圈453、453’。也可使用其它連接裝置將板或限制機構連接在機座上。另外，盡管顯示了大致呈環(huán)形形狀的板，也可使用其它的形狀或限制機構，其包括一個或多個表面和/或一個或多個元件，用于與沉孔一起在機座的圓柱形孔內限制軸承襯套的外座圈的移動。示例性機座可選地包括用于一個或多個限制元件的連接機構或機構組，該限制元件徑向向內延伸至小于圓柱形孔內半徑的最小半徑，其中至少一部分元件能限制圓柱形孔內軸承襯套的軸向移動。
圖6顯示了示例性組件600的前視圖，其包括示例性機座440和示例性板450。在該示例中，板450與機座440的凹口配合。板450與機座(圖6中未顯示，見圖5)的沉孔一起限定軸向距離。與軸承襯套的外座圈的軸向長度一起，軸向距離限定了在外座圈和板450和/或機座440的沉孔之間的間隙或多個間隙。示例性板450包括四個開口454、454’、454”、454，其用于將板450連接在機座440上。螺栓452或其它裝置穿過開口454將板450連接在機座440上。在該示例中，墊圈453與螺栓452配合連接板450。
板450包括開口456，其內徑小于機座440的大致圓柱形孔內徑。在該示例中，開口456與機座440的圓柱形孔大致同軸。機座440上沉孔442的內徑小于機座440上圓柱形孔的內徑。在該示例中，沉孔442具有小于360°的弧長。示例性沉孔可以包括一個或多個圓弧段、凸起等等，其沿縱向或圓柱形孔的中心軸向內延伸，并從而限制圓柱形孔內軸承襯套外座圈的移動。
圖7顯示了包括示例性板750的示例性組件700。在該示例中，板750是壓縮機后板，其配裝入機座440的凹陷區(qū)域、例如表面446。在該示例中，連接機構包括使用螺栓752、752’將板750連接在機座440上。板750向內徑向延伸越過表面446，在那里其進一步延伸超過軸承襯套外座圈305的至少一部分。板750包括開口，其內尺寸(例如直徑等等)小于外座圈305的外徑。盡管示例性板可以包括直徑小于軸承襯套的外座圈直徑的大致呈圓形的開口，各種示例性板可以包括其它的形狀、凸起等等，其向內延伸越過機座的大致圓柱形孔的內徑，從而限制軸承襯套外座圈的軸向移動。舉例來說，示例性板可選地包括一個或多個朝向中心軸徑向向內延伸的凸起，從而限制軸承襯套外座圈的移動。盡管圖7中未顯示，機座440可選地包括沉孔來限制外座圈305的移動，舉例來說，在板750位于機座大致圓柱形孔的近端，并且沉孔位于機座大致圓柱形孔遠端的地方(例如圖5的沉孔442)。另外，圖7的機座440可選地包括諸如圖5中開口444所示的開口(例如銷釘開口等等)。盡管該開口在這里有時稱為“銷釘”開口，術語銷釘可以可選地泛指例如螺釘、螺栓等等各種機構，其用于限制軸承襯套外座圈的轉動。
圖8顯示了示例性軸承襯套800的剖視解，其允許具有可選不同厚度的多個薄膜。襯套800包括中心段806、中間段810、810’和外部段812、812’。軸承還包括潤滑劑通道807、807’和809。
放大圖顯示了各種凹槽(例如凹槽、研磨間隙等等)和/或從第一外徑到第二外徑的過渡段。機座或軸頸的壁866的內徑限定了間隙和薄膜厚度f1、f2。在第一方案801中，凹槽具有曲線剖面；在第二方案802中，凹槽具有大致呈多邊形的剖面；在第三方案803中，在厚薄膜區(qū)域f1和薄薄膜區(qū)域f2之間存在著外徑上的臺階。方案801、802、803是示例性的，可以使用其它方案來產生形成多薄膜厚度的間隙。
機座或軸頸可用于限定多個間隙，這些間隙在機座和軸承襯套的一個或多個外徑之間形成多個薄膜厚度。例如，示例性機座可以包括兩個或多個內徑，其用于與軸承襯套一起限定超過一個的環(huán)形間隙，并且包括用于輔助軸向定位軸承襯套的沉孔和/或用于容納銷釘?shù)拈_口，該銷釘輔助方位角向地定位軸承襯套的外座圈。
圖9A顯示了示例性機座940的側剖視圖，圖9B顯示了示例性軸承機座940的頂剖視圖。示例性機座940可以封裝軸承襯套并限定軸承襯套的外表面和機座940內壁之間的間隙，其中間隙形成了各種薄膜，該薄膜可以針對地用于減少不期望的過多的徑向間隙和/或優(yōu)化轉子不均衡力的阻尼。
示例性機座940包括沉孔942、開口944和大致垂直于中央軸線(例如X軸線)的表面946。開口944可選地包括其軸線與中央軸成角度φ相交的銷釘開口，該角度可選為非正交。表面946和沉孔942可以限定距離，其與軸承襯套一起限定了軸向間隙。板(例如圖6中的板450)或其它元件可選地與表面946配合限定軸承襯套腔的近端，同時沉孔942限定軸承襯套腔的遠端。
軸承襯套腔包括具有第一內徑的內表面966和具有第二內徑的內表面967，其中第一內徑大于第二內徑。當位于機座內形成組件時，包括具有外徑外表面的軸承襯套與第一和第二內表面966、967一起限定環(huán)形間隙。
這里描述的各種示例性的裝置、方法、系統(tǒng)、設備等等與多薄膜厚度的形成和使用相關。在各種示例中，一個薄膜具有阻尼特性，另一個薄膜具有可使過度徑向自由度和游隙最小的特性。
示例性軸承襯套的外薄膜比內薄膜的比例大約為1∶2，也就是說，內薄膜大約是外薄膜厚度的兩倍。舉例來說，內薄膜大約0.0030英寸(大約0.076mm)厚，外薄膜大約0.0015英寸(大約0.0038mm)厚，其中內薄膜緩沖震動，外薄膜限制轉子徑向竄動。該示例性軸承襯套可以適合于使用在市場上可購買到的GARRETTGTA47-55R渦輪機構上(托蘭斯(Torrance)，加利福尼亞)。
通常，足夠厚的薄膜可以減小整個系統(tǒng)的噪音、震動以及負載；然而，較薄的薄膜可以減小系統(tǒng)的溢出和竄動(例如轉子竄動等等)。較薄的薄膜還允許在渦輪增壓器系統(tǒng)中減小葉輪到機座的間隙，其可以減小不期望的間接空氣動力流，該空氣動力流可能導致壓縮機和渦輪進程熱力學效率的減低。
各種不同的示例包括鄰近軸承襯套外部末端的一個或多個較薄間隙區(qū)域。與位于中心段附近或在中心段的較薄間隙區(qū)域相比，鄰近軸承襯套外部末端的兩個較薄間隙區(qū)域可以限制樞軸轉動。
盡管在附圖和前面的詳細描述中對一些示例性方法、裝置、系統(tǒng)、設備等已作說明，但是應當理解，所公開的示例性實施例并不限制本發(fā)明，在不背離由所附權利要求所闡明和限制的實質的前提下，可以對本發(fā)明進行各種重組、修改和替換。
權利要求
1.一種用于渦輪增壓器的組件，包括機座，其包括具有縱軸線、內徑、近端和遠端的大致圓柱形孔，以及位于所述遠端并大致居中于所述縱軸線上且具有內徑的沉孔；軸承襯套，其大致位于近端和遠端之間且居中于所述縱軸線上，并且包括具有外徑的外座圈；位于所述近端的板，所述板包括大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的開口，其中，所述圓柱形孔的內徑大于所述外座圈的內徑、所述沉孔的內徑以及所述板開口的內徑，其中，所述外座圈的外徑大于所述板的內徑和所述沉孔的內徑，其中，所述沉孔和板限制了所述軸承襯套的外座圈的軸向移動。
2.一種用于渦輪增壓器的組件，包括機座，其包括具有縱軸線、內徑、近端和遠端的大致圓柱形孔，以及位于所述遠端并大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的沉孔；軸承襯套，其位于所述近端和遠端之間并且大致居中于所述縱軸線上，并且包括具有外徑的外座圈；位于所述近端的限制機構，其中，所述圓柱形孔的內徑大于所述外座圈的外徑和所述沉孔的內徑，其中，所述外座圈的外徑大于所述沉孔的內徑，并且所述沉孔和限制機構限制了所述軸承襯套的外座圈的軸向移動。
3.根據(jù)權利要求2所述的組件，其特征在于，在所述外座圈和所述圓柱形孔之間存在環(huán)形間隙。
4.根據(jù)權利要求3所述的組件，其特征在于，所述環(huán)形間隙限定了潤滑劑薄膜的厚度。
5.根據(jù)權利要求2所述的組件，其特征在于，所述組件還包括位于所述圓柱形孔內徑上的通向所述圓柱形孔的銷釘開口，所述銷釘開孔開口能夠容納銷釘，以便限制所述軸承襯套的外座圈繞所述縱軸線的旋轉。
6.根據(jù)權利要求5所述的組件，其特征在于，所述機座包括潤滑劑開口，所述潤滑劑開口提供了通往所述銷釘開口的通道。
7.根據(jù)權利要求2所述的組件，其特征在于，所述軸承襯套的外座圈包括在第一外徑的外表面和在第二外徑的外表面，其中，所述外表面連同所述圓柱形孔的內徑一起限定了薄膜區(qū)域。
8.根據(jù)權利要求7所述的組件，其特征在于，所述薄膜區(qū)域的厚度不同。
9.根據(jù)權利要求2所述的組件，其特征在于，所述限制機構包括板。
10.一種用于渦輪增壓器的機座，包括具有縱軸線、內半徑、近端和遠端的大致圓柱形孔；位于所述遠端并且大致居中于所述縱軸線上并具有內半徑的沉孔，其中，所述圓柱形孔的內半徑大于所述沉孔的內半徑；和位于所述近端以用于連接一個或多個限制元件的一個或多個連接機構，所述限制元件徑向向內地延伸至小于所述圓柱形孔內半徑的最小半徑。
11.根據(jù)權利要求10所述的機座，其特征在于，還包括大致位于所述圓柱形孔內半徑上的通向所述圓柱形孔的銷釘開口，所述銷釘開孔開口能夠容納銷釘。
12.一種用于渦輪增壓器的機座，包括具有縱軸線、內徑、近端和遠端的大致圓柱形孔；位于所述遠端并且大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的沉孔；位于所述近端以用于連接板的板連接機構，所述板包括大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的開口，其中，所述圓柱形孔的內徑大于所述沉孔的內徑和所述板的開口的內徑；大致位于所述圓柱形孔的內徑上并通向所述圓柱形孔的銷釘開口，所述銷釘開孔開口能夠容納銷釘。
13.根據(jù)權利要求12所述的機座，其特征在于，還包括潤滑劑開口，所述潤滑劑開口提供了通往所述銷釘開口的通道。
14.根據(jù)權利要求12所述的機座，其特征在于，所述銷釘開口包括銷釘開口軸線，所述銷釘開口軸線基本上與所述圓柱形孔的縱軸線相交。
15.根據(jù)權利要求14所述的機座，其特征在于，所述銷釘開口軸線與所述縱軸線以非正交的角度相交。
16.根據(jù)權利要求12所述的機座，其特征在于，所述圓柱形孔包括在第一內徑的內表面和在第二內徑的內表面，其中，所述內表面連同軸承襯套的外座圈一起限定了薄膜區(qū)域。
17.一種軸承襯套，包括外座圈，所述外座圈包括開口，所述開口用于潤滑劑的排出并用于容納銷釘以便限制所述外座圈的旋轉。
18.根據(jù)權利要求17所述的軸承襯套，其特征在于，用于容納銷釘?shù)乃鲩_口相對于所述軸承襯套的縱軸線以非正交的角度來容納銷釘。
19.一種限制軸承襯套的外座圈移動的方法，包括將所述軸承襯套放置在大致圓柱形孔內，所述圓柱形孔具有縱軸線、大于所述外座圈外徑的內徑、近端和遠端；利用沉孔在所述圓柱形孔的遠端來限制所述外座圈的軸向移動，其中，所述沉孔與所述圓柱形孔大致同軸，并且所述沉孔的內徑小于所述外座圈的外徑；利用板在所述圓柱形孔的近端來限制所述外座圈的軸向移動，其中，所述板定位成與所述縱軸線大致正交；和用銷釘來限制所述外座圈的旋轉，其中，所述銷釘位于可經由潤滑劑排出口而達到的銷釘開口中。
20.根據(jù)權利要求19所述的方法，其特征在于，所述銷釘軸線與所述圓柱形孔的縱軸線以非正交的角度相交。
全文摘要
一種用于渦輪增壓器的示例性機座(440)，其包括具有縱軸線、內徑、近端和遠端的大致圓柱形孔；位于遠端并且大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的沉孔(442)；位于近端、用于連接板(450)的板連接裝置(機構445)，其包括大致居中于所述縱軸線上并具有內徑的開口，其中，所述圓柱形孔的內徑大于沉孔(442)的內徑和板(450)開口的內徑；大致位于所述圓柱形孔內徑上并且通往圓柱形孔的銷釘開口(444)，該銷釘開口能夠容納銷釘。本發(fā)明還公開了各種示例性的軸承襯套、機座、組件等等。
文檔編號F16C19/18GK101014753SQ200580028469
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月28日 優(yōu)先權日2004年6月28日
發(fā)明者P·馬夫羅薩基斯 申請人:霍尼韋爾國際公司