压缩机密封系统的制作方法

1.本发明涉及一种涡轮机，尤其涉及一种具有包括挡板元件的密封系统的涡轮机。涡轮机可以是涡轮增压器或动力涡轮机。本发明还涉及一种用于涡轮机中的挡板元件，以及一种用于涡轮机中的密封系统。


背景技术：

2.涡轮机是在转子和流体之间传递能量的机器。例如，涡轮机可将能量从流体传递到转子或可将能量从转子传递到流体。涡轮机的两个示例是：动力涡轮机，它使用由流体驱动的转子的旋转能量来做有用的功，例如发电；以及使用转子的旋转能量来压缩流体的压缩机。
3.涡轮增压器是众所周知的涡轮机，其用于在高于大气压的压力(增压压力)下将空气供应到内燃机的入口。传统的涡轮增压器主要包括废气驱动的涡轮叶轮，该涡轮叶轮安装在连接在发动机排气歧管下游的涡轮壳体内的可旋转轴上。涡轮叶轮的旋转使安装在压缩机壳体内的轴的另一端上的压缩机叶轮旋转。压缩机叶轮将压缩空气输送到发动机进气歧管。
4.涡轮增压器轴通常由包括适当的润滑系统的轴颈轴承和推力轴承支撑，其位于连接在涡轮和压缩机叶轮壳体之间的中心轴承壳体内。
5.图1示出了通过已知涡轮增压器的示意性横截面。涡轮增压器包括经由中心轴承壳体3连接到压缩机2的涡轮1。涡轮1包括用于在涡轮壳体5内旋转的涡轮叶轮4。类似地，压缩机2包括能够在压缩机壳体7内旋转的压缩机叶轮6。压缩机壳体7限定压缩机腔室，压缩机叶轮6可在该压缩机腔室内旋转。涡轮叶轮4和压缩机叶轮6安装在共用涡轮增压器轴8的相对端上，该轴8延伸穿过中心轴承壳体3。
6.涡轮壳体5具有涡轮叶轮4环形定位的至少一个废气入口蜗壳9(在图1中示出了两个蜗壳)，以及轴向废气出口10。压缩机壳体7具有轴向进气通道11，以及围绕压缩机腔室环形布置的蜗壳12。蜗壳12与压缩机出口13气流连通。
7.轴承壳体3限定了涡轮增压器轴8穿过的轴承腔室22。轴8由轴承组件可旋转地支撑，该轴承组件包括两个轴颈轴承14和15，轴颈轴承14和15分别朝向轴承壳体3的涡轮端和压缩机端被容纳。轴承组件还包括与油封组件相互作用的推力轴承16，该油封组件包括抛油环17。油从内燃机的油系统经由进油口18供给轴承组件，并通过油通道19供给轴承14、15、16。供给到轴承14、15、16的油可用于润滑轴承和从轴承去除热量。当轴8旋转时，抛油环17与其一起旋转，并将油朝向排油口20向外(即，在具有径向向外分量的方向上)引导。内燃机的油系统可配置为将油从排油口20返回到进油口18。
8.在使用中，涡轮叶轮4通过从废气入口9到废气出口10的废气通道绕轴线25旋转。废气从涡轮增压器所附接的发动机(未示出)的排气歧管(也称为出口歧管)提供至废气入口9。涡轮叶轮4又使压缩机叶轮6旋转，从而通过压缩机入口11吸入进气，并经由蜗壳12将增压空气输送到发动机的入口歧管，然后到达出口13。
9.压缩机叶轮6在其径向向内部分产生低压区，这具有从轴承壳体3抽吸油的不希望的趋势。油泄漏到压缩机中是故障的关键原因。为了阻止油沿轴向朝向压缩机3移动，在轴承壳体中设置了挡板21。挡板21具有中心开口，轴8和抛油环17穿过该中心开口螺纹连接。挡板21具有与旋转轴线25同轴的截头圆锥形结构。挡板21包括大体面向涡轮1的“前”表面和面向压缩机2的后表面。虽然抛油环17将一些油直接引导至排油口20，但抛油环17将其他油引导至挡板的前表面，并且挡板21的前表面将这些油引导至排油口20。


技术实现要素：

10.本发明旨在提供一种用于涡轮机的轴承腔室的新的且有用的挡板元件、一种用于涡轮机的包括该挡板元件的密封系统，以及一种包括该密封系统的涡轮机，例如涡轮增压器。
11.在诸如上述涡轮增压器的已知涡轮增压器中，与轴同向旋转的油体趋向于在挡板的前表面(即，轴向面向涡轮的表面)上形成并持续存在。这种油体阻止了油流回排油口的期望的流动，并可能导致通过挡板的中心孔朝向压缩机的油泄漏。
12.油体的某些旋转速度是期望的，因为该旋转速度产生将油体推动远离挡板的中心开口的向外力。然而，如果油的旋转速度太高，则一部分油可能绕过排油口并完成第二次旋转，这意味着密封腔中势必容纳更大容量的油。此外，高旋转速度可能会导致油被迫流向排油口的一例，从而减少使用的排油面积，并因此导致排油效率降低。
13.一般而言，本发明提出挡板元件形成有前表面(例如，在涡轮增压器的情况下，面向涡轮增压器轴的涡轮端的表面)，其包括凹槽，凹槽限定周向延伸的油接收通道，以及排油口上的油偏转表面。通道在圆周方向上(即围绕旋转轴线)延伸比在径向上延伸得更多，优选至少进一步延伸三倍，或至少进一步延伸5倍。实际上，通道可以围绕轴线延伸360度。
14.通道靠近油偏转表面的横截面面积减小，并且实际上可能根本不存在于围绕中心轴线的所有角位置(例如不在靠近油偏转表面的角位置，例如不与油偏转表面对准)。优选地，存在以轴线为中心的圆形线，该圆形线在远离排油口的通道内与油偏转表面相交。这迫使油在排油口处改变方向(即，它将周向速度转换为轴向速度)，并将油从挡板元件中排出。因此，可以保持油体的高旋转速度，同时提高排油口处密封系统的排油效率。
15.本发明的一个具体表现是一种用于涡轮机的密封系统的挡板元件，该挡板元件包括：
16.内部部分，其限定圆形中心开口，其在使用中定位在涡轮机的旋转轴线上，其中中心开口的中心位于轴线上，并且中心开口的周边位于横向于轴线的平面中；
17.外部部分，其环绕内部部分；以及
18.排油口，其从外部部分径向向外延伸，并且具有倾斜于圆形中心开口的平面的油重定向表面；
19.挡板元件具有在使用中轴向面向轴承腔室的前表面和在使用中轴向面向油封板的后表面，
20.前表面包括凹部部分，其相对于前表面的分别在凹部部分的径向向内和径向向外的部分轴向向后；
21.凹部部分限定了周向延伸的油接收通道，其与油重定向表面相交，其中在通道中
周向移动的油遇到排油口的油重定向表面并径向向外偏转。油重定向表面优选地包括相对于圆形中心开口凹进的部分。
22.通道在远离油向表面的角位置处大体更深和/或更宽。
23.更准确地说，在围绕圆形中心开口的轴线的给定角位置处，通道相对于圆形中心开口的轴向范围(即通道的深度，例如从直接围绕圆形中心开口的挡板元件的前表面的部分到前表面上的位置沿轴向测量，该位置位于该角位置处的凹部内并且在后轴向上离前表面的那个部分最远)可以从一个角位置变化到另一个角位置，并且在围绕该轴线的周向位置处最大，该轴线与排油口周向地间隔开。
24.替代地或另外地，通道可在不同的周向位置处具有变化的横截面面积，不同周向位置处的横截面面积被测量为通道与包括轴线的相应平面的交点，横截面面积在围绕轴线的周向位置处最大，该轴线与排油口周向地间隔开。
25.通道可以包含居中地位于轴线上的圆的一部分，并且其与油偏转表面相交。
26.前表面的凹部部分可以例如在围绕轴线的一定角度范围内具有绕轴线的圆形对称(例如围绕旋转轴线至少120度、至少180度、至少220度，甚至至少270度)。在这种情况下，前表面的凹部部分可以包括圆的至少一部分(即，圆的该部分位于前表面的凹部部分上)。
27.挡板元件可以是一体的(即一件式的)构件。它可以是层状的(即片状，例如在前表面上的所有点处具有大体恒定的厚度，包括排油口)，但不一定是平坦的(平面)。它可以例如通过折叠均匀厚度的扁平坯料而形成。
28.挡板元件可以由环形密封板(例如，一体的(即一件式的)构件)接触和支撑，该密封板具有面向挡板元件的前表面(例如，在涡轮增压器的情况下朝向涡轮叶轮)。在涡轮增压器的情况下，密封板的后表面可以面向压缩机叶轮。可以提供连接元件以用于将挡板元件安装在密封板上。为了帮助挡板和密封板的对准(特别是周向上)，至少一个狭槽可以形成在其中一个(例如密封板的前表面)上，并且在密封系统的组装期间通过从另一个(例如挡板元件)接收相应的突起来使用。同样地，为了帮助密封板和轴承壳体对准，可以在密封板和轴承壳体中的一个上形成至少一个狭槽，以用于接收密封板和轴承壳体中另一个的突起。
29.密封板的前表面优选地不是旋转对称的。它可以包括用于接触挡板元件的后表面的支撑表面，例如，在围绕旋转轴线的至少120度、至少180度、至少220度或甚至至少270度的角度范围内。例如，支撑表面可以接触形成在通道的径向外侧的挡板元件的壁的后表面。
30.在轴向范围内，支撑表面和可选地挡板的壁可具有绕轴线的圆形对称。支撑表面和可选地挡板的壁可以例如相对于轴线是截头圆锥形。
31.密封系统可以包括：主腔体，其限定在挡板元件的前表面和与轴承壳体紧固的元件(例如推力轴承)之间；以及限定在挡板元件的后表面和密封板的前表面之间的次腔体。
32.密封板的前表面还包括排油表面，该排油表面与挡板元件的排油口周向对准，但在相同的轴向位置处比支撑表面的圆形对称部分离轴线更远。这可以允许排油口和密封板之间的间隔，以允许油从次腔体移动到涡轮机的排油口。
33.排油表面的位置还可以允许至少部分排油口在径向上形成为比在相同轴向位置的壁距轴线更远。例如，在给定的轴向位置，它可以允许挡板元件的排油口的油重定向表面的至少一部分在径向上比壁的前表面离轴线更远。
34.在本文件中，物体表面“面向”某个方向(例如，朝向第二物体)的表述是指表面的法线方向，在物体外的方向上，在某个方向上具有正分量(例如，从物体沿法线方向移动会使一个物体更接近第二物体，至少在最初时)。
35.通常，挡板元件位于轴承腔室的一个轴向端，并且其前表面面向挡板腔室的中心部分。在涡轮增压器的情况下，挡板元件的前表面优选地沿着涡轮增压器的轴线面向涡轮增压器的涡轮部分。注意，在前表面的任何给定部分处，前表面的法线方向可以相对于旋转轴线倾斜。
36.当指定表面倾斜于给定方向时，本文件中使用的术语“倾斜”表示表面的法线方向与给定方向之间的角度在0到90度之间，但不等于0或90度。例如，该角度可以在从10度到80度，或从20度到70度的范围内。例如，它可以是大约45度。
附图说明
37.现在将仅出于示例的目的参考以下附图描述本发明的非限制性实施例，其中：
38.图1是已知涡轮增压器的剖视图；
39.图2是作为本发明的一个实施例的涡轮机的一部分的剖视图，该部分包括密封系统；
40.图3是图2所示的涡轮机的部分的分解图；
41.图4由图4(a)和图4(b)组成，示出了图2的涡轮机的密封系统的密封板；以及
42.图5由图5(a)至图5(f)组成，示出了图2的涡轮机的密封系统的挡板元件。
具体实施方式
43.首先参考图2，示出了作为本发明的一个实施例的涡轮机的一部分。涡轮机可以是与图1所示的已知涡轮增压器相同的涡轮增压器，不同之处在于设置在轴承腔室22和压缩机叶轮6之间的密封系统采用在下文中解释并且相对于图2至图5说明的形式。在以下描述中，术语“前”指的是图2中向右的方向，即沿旋转轴线朝向涡轮叶轮，而术语“后”指的是图2中的向右方向，即沿旋转轴线朝向压缩机叶轮。
44.密封系统包括油封板50(下面参考图4更详细地描述)和代替图1的挡板21的挡板元件70(下面参考图5更详细地描述)。油封板50和挡板元件70都限定了居中地位于轴线25上的圆形中心开口，并且密封系统包括定位在中心开口内的抛油环90(代替图1的抛油环17)。抛油环90本身限定了居中地位于旋转轴线25上的中心开口，并且轴8穿过抛油环90的中心开口。密封环100可以定位在抛油环90和密封板50之间。
45.挡板元件具有径向内部部分71和径向外部部分72(在图5(e)上标记)。在轴线25的一侧上，挡板元件包括相对于旋转轴线25倾斜的层状排油口77。排油口77的前表面是油偏转表面78，其可以是大体平坦的(平面)。
46.密封系统包括限定在挡板元件70的前表面上的主腔体60。如图所示，在该实施例中，主腔体60限定在挡板元件70和推力轴承103之间。在轴线25的上侧(在图2中观看)上，主腔体60包括由挡板元件70的前表面的凹部部分73限定的通道74。因此，通道相对于限定圆形中心开口的挡板的内部部分71的平坦前表面(即轴向向后)凹进。由于通道74，主腔体60的轴向宽度(即“深度”)从挡板元件的内部部分71的径向位置到通道74的径向位置增加，从
而提供用于油收集的大容积。
47.在通道存在的任何给定周向位置处的轴向宽度可以定义为从凹部(通道)的底部到挡板元件的内部部分71的平坦前表面的距离。该轴向宽度可替代地表示为凹部处的挡板的后表面的最轴向后部部分与内部部分71的平坦后表面之间的距离d。挡板元件在这些点处可具有相等的轴向厚度，所以这两个轴向宽度的表述是相同的。
48.在轴线25的下侧上，油可以通过在挡板元件70(即挡板元件的内部部分71和排油口77)和推力轴承103的下部之间经过而从主腔体60排出到排油口。
49.密封系统还包括限定在密封板50和挡板元件70之间的次腔体61。在轴线25的下侧上，油可以通过在排油口77的后表面和排油表面57之间通过而从次腔体61排出到排油口。
50.油封板50包括径向向外延伸的唇缘52。抛油环90包括径向向外延伸的次翅片91和径向向外延伸的主翅片92。翅片91、92绕轴线25圆形对称，实际上，抛油环90的整个径向外周边也是如此。挡板元件70的内部部分71为大体平坦且层状，挡板元件70的中心开口由挡板元件70的内部部分71的圆形径向内边缘限定。注意，挡板元件70的内部部分71从次翅片91的径向最外点径向向内延伸，从而限制油从主腔体60和次腔体61之间流动。
51.图3是根据该实施例的包括油封板50、密封环100、抛油环90和挡板元件70的密封系统的分解图。密封环100的提供允许在气体从图1的涡轮增压器所联接的发动机泄漏的情况下进行漏气控制。
52.挡板元件70的内径(即，中心开口的直径)应尽可能小，以便减少通过中心开口的泄漏。当主翅片92在组装期间穿过挡板元件70的中心开口时，内径的可能尺寸将受到主翅片92直径的间隙的限制。
53.优选地，主翅片92的直径保持在最小值，因为这允许改进密封性能。通过最小化该直径，当油离开抛油环时将最少量的旋转能量传递给油，并降低油的周向速度。
54.图4(a)和图4(b)分别示出了油封板50的平面图和剖视图。图4(a)中的视图是在朝向涡轮的轴向方向(即，从图2中的向左方向)观察时油封板50的外观。
55.图4(a)示出了具有形成在其前表面53中的狭槽58的油封板50。狭槽58可用于在分组装过程(其中挡板元件70和油封板50被组装)期间对油封板50进行定向。随后，当油封板50和挡板元件70的组合插入轴承壳体3中时，狭槽58也可以接收轴承壳体3的相应突起，以在涡轮增压器内定向挡板元件70和油封板50的组合。注意，在该实施例的变型中，油封板50可以附加地或替代地设置有狭槽，该狭槽被配置为在组装期间与挡板元件70中的相应突起接合。该狭槽因此用作对准特征，其可用于在组装期间相对于挡板元件70和可选地相对于涡轮增压器的排油口20定向油封板50。
56.图4(b)示出了油封板50的剖视图。这与图2所示的截面相同。
57.如上所述，本实施例的油封板50的前表面包括排油表面57。排油表面57相对于涡轮增压器的轴线25倾斜。油封板50可以通过锻造来制造，并且如果是这样，则可以在锻造过程中产生排油表面57。油封板50的其余部分可以被精车削，从而保持排油表面57不变。可替代地，油封板50可通过铸造或完全通过机加工制造。
58.在围绕轴线25的一定角度范围内，油封板50包括外壁56，其被构造成与油封板50的后表面接合。外壁56的内表面为挡板元件70提供支撑表面55。支撑表面55可以在围绕涡轮增压器的轴线25的至少180度的角度范围内是圆形对称的。替代地，支撑表面55可以在围
绕涡轮增压器的轴线25的至少220度的角度范围内是圆形对称的。
59.对于给定的轴向位置，支撑表面55比排油表面57定位成更靠近轴线。这使得当支撑表面55与挡板70的后表面接合时(例如，在图2中)，如上所述，可存在用于油从排油表面57和排油口77之间的次腔体61排出到排油口20的路径，即使在该轴向位置处排油口70比外壁75更远离轴线25。
60.在示例性实施例中，油封板50还包括内壁54，以防止油进入油封板50的中心密封开口从而泄漏到压缩机2。如图4(b)所示，油封板50的密封性能可以通过提供径向向外延伸的唇缘52进一步增强。
61.可选地，油封板的后表面53的径向外部部分可以比径向内部部分在轴向上更远离轴承腔室。例如，油封板50的后表面53可以是截头圆锥形，以进一步减少经由中心密封开口到压缩机2的泄漏。截头圆锥后表面53的使用还用于增加限定在挡板元件70的后表面和油封板50之间的次腔体61的尺寸(对于油封板50的径向内部部分的给定轴向位置)，以允许更多的油容纳在该次腔体61内。
62.图5(a)至图5(f)示出了挡板元件70。图5(a)是挡板元件70的透视图，而图5(b)示出了从轴线的涡轮端看的挡板元件70的前表面的轴向视图。
63.挡板元件70形成为在其正表面和后表面之间没有孔。这允许挡板元件70更有效地容纳和引导轴承壳体中的油(与现有技术中已知的某些挡板相比)，因为在主腔体和次腔体之间存在更少的泄漏路径。在本文件中，术语“孔”是指具有封闭(即无限)边界表面的开口，其完全包含在形成孔的元件内。
64.图5(b)示出了居中地位于轴线25上并包含在周向延伸的油接收通道74中的圆80(例如，位于挡板元件70的前表面的凹部部分73上的圆)。在第一周向位置81处，在轴线25的与排油口77相对的一例上，油接收通道74具有在穿过轴线25的平面中测量的第一横截面面积。事实上，通道74在居中地位于位置81并围绕轴线220具有至少约220度的角度范围内的围绕轴线25的每个角位置处具有相同的横截面面积。在整个角度范围内，通道74围绕轴线25旋转对称。在第二周向位置82、83处，油接收通道74具有第二横截面面积。第二横截面面积小于第一横截面面积。因此，当油在油接收通道74中朝向排油口77周向移动时，它被迫改变方向并从挡板元件排出。
65.在区域84的任一端处，圆80与排油口77的油重定向表面78相交。在区域84内，圆80位于油重定向表面78的后方。因此，沿着圆80移动的油从油接收通道74排出，被推到油重定向表面78上，并且将油重定向表面78导向涡轮增压器的排油口20。
66.图5(c)示出了挡板元件70的一个实施例的后透视图。所包括的测量是示例性的并且不应被视为限制权利要求的范围。挡板元件70的中心开口在使用中居中地位于涡轮叶轮4的旋转轴线25。在排油口77的任一例上，凹痕79位于外壁75和排油口77之间，以便于排油口77在制造挡板元件70期间从平坦的层状坯件弯曲。排油口77可以大体上是层状和平坦的。
67.图5(d)是挡板元件70的平面图。所示的平面x
‑
x在图5(d)的左侧上与油接收通道74的具有第一横截面面积的部分81相交，并且在图5(d)的右侧上与油接收通道74的部分84和排油口77相交。所示的平面y
‑
y与具有第一横截面面积的油接收通道74的两个部分相交。
68.图5(e)是挡板元件70的剖面图，其垂直于图5(d)中所示的平面x
‑
x观察。所包括的
测量是示例性的并且不应被视为限制权利要求的范围。挡板元件70的前表面的凹部部分73包括在挡板元件的外部部分72中。挡板元件的前表面的凹部部分73位于(i)挡板元件70的位于凹部部分73的径向内侧的部分(即挡板元件70的内部部分71)的轴向后方，以及(ii)挡板元件70的位于凹部部分73的径向外侧的部分(即壁75的径向外部部分)的轴向后方。凹部部分73限定油接收通道74。从图5(e)可以看出，油接收通道74的横截面面积在图的右侧、在围绕轴线的与排油口77轴向对准的角位置处几乎减小到零。实际上，在该实施例的变体中，凹部部分73可以不存在于该角位置。优选地，通道74延伸到排油口77，并且在与排油口周向对准的周向位置处，排油口77优选地提供通道74的边界(边缘)。
69.图5(f)是垂直于图5(d)中所示的平面y
‑
y观察的图5(c)的实施例的剖视图。
70.尽管只描述了挡板元件和密封系统的一个实施例，但是在本发明的范围内可以有许多变化，这对于本领域技术读者来说是显而易见的。例如，挡板元件和密封系统可用于不同种类的涡轮机，例如不包括涡轮叶轮的涡轮机，或不包括压缩机叶轮的涡轮机。