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CN101014753A - 涡轮机机座内的滚珠轴承衬套的旋转和轴向保持装置 - Google Patents

涡轮机机座内的滚珠轴承衬套的旋转和轴向保持装置 Download PDF

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CN101014753A
CN101014753A CNA2005800284695A CN200580028469A CN101014753A CN 101014753 A CN101014753 A CN 101014753A CN A2005800284695 A CNA2005800284695 A CN A2005800284695A CN 200580028469 A CN200580028469 A CN 200580028469A CN 101014753 A CN101014753 A CN 101014753A
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CN
China
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cylindrical hole
outer race
pin
longitudinal axis
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Application number
CNA2005800284695A
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English (en)
Inventor
P·马夫罗萨基斯
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Honeywell International Inc
Original Assignee
Honeywell International Inc
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Publication date
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Abstract

一种用于涡轮增压器的示例性机座(440)，其包括具有纵轴线、内径、近端和远端的大致圆柱形孔；位于远端并且大致居中于所述纵轴线上并具有内径的沉孔(442)；位于近端、用于连接板(450)的板连接装置(机构445)，其包括大致居中于所述纵轴线上并具有内径的开口，其中，所述圆柱形孔的内径大于沉孔(442)的内径和板(450)开口的内径；大致位于所述圆柱形孔内径上并且通往圆柱形孔的销钉开口(444)，该销钉开口能够容纳销钉。本发明还公开了各种示例性的轴承衬套、机座、组件等等。

Description

涡轮机机座内的滚珠轴承衬套的旋转和轴向保持装置
技术领域
本文所公开的题述发明大体上涉及用于内燃机的涡轮机械，具体涉及滚动元件轴承衬套和用于该轴承衬套的轴承机座。
背景技术
与低摩擦轴承有关的优点在众多不同的工业中是众所周知的。超过1000000 DN值(动态数值)的高速应用在涡轮机械中很普遍。由于转子不均衡力是以转子速度的平方函数增大，这些高速应用需要阻尼作用。如果没有阻尼，通过系统传送的力会引起许多众所周知的问题，例如噪音、腐蚀、接合点松动以及总体使用寿命缩短。另外，轴承自身的使用寿命也无法接受。由于这些原因，涡轮机械的轴承并没有牢固地安装在其机座内。有经验的转子动力学设计工程师把他/她的大部分时间花在控制这些力上、特别是在转子通过其自然频率、通常称为“临界速度”时遇到的那些力。
使用低摩擦滚动元件轴承的大多数涡轮增压器使用两个向心止推滚珠轴承，其中每一个轴承在给定的轴向方向承受推力负荷，该两个向心止推滚珠轴承在通常称为“衬套”(cartridge)的内部结合在一起。在圆柱坐标系统中，轴承可以由轴向、径向和方位角向尺寸来限定。在下文中称为机座的轴承机座内，衬套经由一个或多个机构轴向和方位角向定位。为了实现合适的功能，可以沿径向线的径向方向发生某些移动，其中径向线一般由方位角向定位机构来限定。
传统轴承衬套和机座组件一般依赖于轴向推力负荷销钉在机座内轴向和方位角向定位衬套。该销钉在机座内校直衬套而且承受大多数推力负荷的能力有限。因此，轴向推力负荷销钉可能引起严重的磨损和错位问题。
总的来说，工业上需要存在用于滚动元件轴承和/或机座的能更好地排列和/或减少磨损的方案。此处介绍的各种示例性的轴承衬套和机座解决了这些问题和可选的其它问题。
附图简介
下面将结合附图并参考详细描述进行说明，以便更完全地理解这里描述的各种方法、装置、系统、设备等等以及其等同物。
图1A是用于涡轮增压器的现有技术轴承衬套的透视图图解；
图1B是在现有技术机座内现有技术轴承衬套的图解；
图2是示例性轴承衬套的透视图图解，其不包括容纳轴向推力负荷销钉的孔。
图3是示例性轴承衬套的侧视图，其不包括容纳轴向推力负荷销钉的孔。
图4是示例性组件的剖视图，其包括示例性机座和示例性轴承衬套。
图5是示例性机座的剖视图，其包括用于轴向定位轴承衬套的特征。
图6是示例性机座组件的正视图，其包括用于在机座组件中轴向定位轴承衬套的保持机构。
图7是示例性保持机构的侧剖视图，其用于在机座中轴向定位轴承衬套。
图8是示例性轴承衬套的侧剖视图，其包括各种外表面区域。
图9A是示例性机座的侧剖视图，其包括具有不同内径的两个区域，从而与轴承衬套一起允许诸如两个薄膜区域的形成。
图9B是示例性机座的顶部剖视图，其包括具有不同内径的两个区域，从而与轴承衬套一起允许诸如两个薄膜区域的形成。
发明详述
这里公开的各种示例性方法、装置、系统、设备等等，解决了涉及与涡轮增压器相关的技术的问题，并可选地适合于与电力辅助涡轮增压器一起使用。
图1A显示了现有技术轴承衬套100的透视图。其中显示了包括径向(r)、轴向(x)和方位角向(Θ)尺寸的圆柱坐标系统用于参考。衬套100包括位于外座圈105上、在中心段106和衬套100的各个末端中间的两个环形凹槽104、104’。衬套100的中心段106包括开口108，其与销钉配合在机座或轴颈内轴向和角向方位定位衬套100。例如，用于涡轮机械的传统轴承衬套通常依赖于由该开口接收的轴向推力负荷销钉来在传统机座内轴向定位轴承衬套。
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’具有相同的内径，其与机座一起限定了间隙并因此允许润滑剂薄膜f、f’形成。
图1B显示了在现有技术机座160内现有技术衬套100的剖视图。销钉162轴向和方位角向定位衬套100的同时允许衬套径向自由移动。特别地，销钉162与外座圈105配合。沿X轴的轴向推力负荷产生了从轴承衬套100的外座圈105经由销钉162传送至机座160的力。由于销钉允许径向移动，在销钉162的外径和开口108的内径之间存在着一些少量间隙。因此，在工作期间，推力可能引起衬套相对于机座的轴向移动。这种移动会导致磨损和错位。
销钉162还允许润滑剂经由销钉162中的导管流到衬套100中心段106附近的润滑剂入口凹槽164中。润滑剂出口凹槽168接近位于入口凹槽164对面，其允许润滑剂导入并包围在衬套100周围。
如图1B所示，在外部段110、110’的外径和机座160的内径之间存在间隙。在该现有技术组件中，间隙限定了单个薄膜厚度f。放大的剖视图显示了存在于凹槽104任一侧的单个薄膜厚度f。该间隙(挤压薄膜厚度)的选择决定了工作特性，例如转子径向自由度和转子不均衡力的阻尼。
图2显示了示例性轴承衬套200的透视图，其不包括容纳轴向推力负荷销钉的开口。衬套200包括位于外座圈205上、在中心段206和衬套200的各个末端中间的两个环形凹槽204、204’。在该示例中，衬套200包括开口207和207’，其允许喷射润滑剂进入并对准衬套200的滚珠。另外的开口也可选地用于润滑剂流动。
凹槽204、204’分别位于末端段210、210’附近。外座圈205的末端段210、210’的外径与机座一起限定了间隙，并因此允许大致相等的润滑剂薄膜f1、f1’形成。
图3显示了诸如图2中衬套200的示例性衬套300的侧视图。衬套300包括外座圈305，其具有大概的长度L、大概的轴向中点Lm并包括具有外径Do1、Do1’的末端段310、310’。在该示例中，排出口或润滑剂开口309位于轴向位置中点Lm或接近中点Lm的位置。衬套300可以包括如图2中衬套200的开口207、207’一样的开口。润滑剂开口309可选地容纳销钉或其它限制外座圈305旋转的装置。润滑剂开口309可以容纳该旋转限制装置，同时仍然能够进行某些径向移动。
衬套300包括凹槽，其轴向宽度Δw1、Δw1’位于中心段306和具有外径Do1和Do1’的末端段310、310’之间。凹槽宽度Δw1、Δw1’可大致相等。外部段310、310’可以在轴向宽度方向不同。例如，衬套300可以包括具有外径Do1的外部段310，其轴向宽度小于具有外径Do1’的外部段310’。
示例性衬套300包括各种参数，其可以用于获得期望的性能参数。例如，各个段的轴向宽度和外径可以用于限定轴向间隙/薄膜厚度和轴向薄膜长度。通常，恰如其分地选择挤压油膜厚度、长度和数量可以获得轴向自由度的减小以及转子不均衡力的阻尼优化。下面将进一步参考附图8和附图9A～9B描述具有多种挤压薄膜厚度的各种示例。
图4显示了涡轮机构的示例性组件400的剖视图图解。组件400包括位于机座440上并借助于板450轴向定位的轴承衬套300。在该示例中，板450靠在机座440的表面446上。销钉460可选地协助衬套300相对于机座440进行方位角向定位，其中销钉插入机座440的开口444中。开口444可选地包括其轴线与中心轴(例如X轴)成角度φ相交的销钉开口，该角度可选为非正交的。
在该示例中，衬套300借助于机座440的沉孔442和板450轴向定位。通常，板450和沉孔442限定了轴向距离，其大于轴承衬套300外座圈的轴向长度。组件400的正常操作需要某些量的径向移动；因此，轴向定位机构允许轴承衬套径向移动。另外，板450表面和沉孔442表面之间的轴向距离与轴承衬套300外座圈轴向长度之间的差异限定了间隙。该间隙的调节可以通过板450的连接机构(例如螺栓452)和/或其它特征(例如衬垫、垫圈等等)实现。
示例性组件400的各种特征还将轴向推力负荷直接分配给超过一个的元件。例如，板450可以承载推力负荷，机座440的沉孔442可以承载从轴承衬套300来的轴向推力负荷。比较而言，图1B中的传统组件将轴向推力负荷直接并完全地传送给销钉162。另外，与图1B中传统组件的销钉162比较，示例性组件400能够将轴向推力负荷分配在更大的表面积上。
前面已经提及，机座440包括可以容纳销钉460的开口444，以协助轴承衬套300的外座圈进行方位角向定位。这种销钉称为防转销钉或方位角向定位销钉，因为其相对于机座方位角向定位并限制了轴承衬套的外座圈转动。在该示例中，机座440的润滑剂排出开口448允许销钉460插入开口444。照这样，润滑剂排出开口448允许润滑剂排出以及防转销钉的插入和/或调节。尽管直线显示了进入开口444的通道，但是通道可选为迂回的(例如不沿直线)。
图5显示了示例性机座440和板450的顶部剖视图。示例性机座440包括邻近的凹陷表面446和远处的沉孔442。邻近的凹陷表面446可选地与涡轮机构的压缩机侧连接，远处的沉孔442可选地与涡轮机构的涡轮侧连接。当然，也可以使用其它的安装方式。
示例性机座440包括与中央纵向机座轴(例如X轴)成一定角度的开口444，其允许销钉插入。该销钉可以在示例性机座440内方位角向地定位轴承衬套的外座圈。
示例性机座440包括用于板450的连接机构。在该示例中，设置的螺纹孔445、445’沿表面446上开口。螺纹孔445、445’分别容纳螺栓452、452’。该示例中还显示了垫圈453、453’。也可使用其它连接装置将板或限制机构连接在机座上。另外，尽管显示了大致呈环形形状的板，也可使用其它的形状或限制机构，其包括一个或多个表面和/或一个或多个元件，用于与沉孔一起在机座的圆柱形孔内限制轴承衬套的外座圈的移动。示例性机座可选地包括用于一个或多个限制元件的连接机构或机构组，该限制元件径向向内延伸至小于圆柱形孔内半径的最小半径，其中至少一部分元件能限制圆柱形孔内轴承衬套的轴向移动。
图6显示了示例性组件600的前视图，其包括示例性机座440和示例性板450。在该示例中，板450与机座440的凹口配合。板450与机座(图6中未显示，见图5)的沉孔一起限定轴向距离。与轴承衬套的外座圈的轴向长度一起，轴向距离限定了在外座圈和板450和/或机座440的沉孔之间的间隙或多个间隙。示例性板450包括四个开口454、454’、454”、454，其用于将板450连接在机座440上。螺栓452或其它装置穿过开口454将板450连接在机座440上。在该示例中，垫圈453与螺栓452配合连接板450。
板450包括开口456，其内径小于机座440的大致圆柱形孔内径。在该示例中，开口456与机座440的圆柱形孔大致同轴。机座440上沉孔442的内径小于机座440上圆柱形孔的内径。在该示例中，沉孔442具有小于360°的弧长。示例性沉孔可以包括一个或多个圆弧段、凸起等等，其沿纵向或圆柱形孔的中心轴向内延伸，并从而限制圆柱形孔内轴承衬套外座圈的移动。
图7显示了包括示例性板750的示例性组件700。在该示例中，板750是压缩机后板，其配装入机座440的凹陷区域、例如表面446。在该示例中，连接机构包括使用螺栓752、752’将板750连接在机座440上。板750向内径向延伸越过表面446，在那里其进一步延伸超过轴承衬套外座圈305的至少一部分。板750包括开口，其内尺寸(例如直径等等)小于外座圈305的外径。尽管示例性板可以包括直径小于轴承衬套的外座圈直径的大致呈圆形的开口，各种示例性板可以包括其它的形状、凸起等等，其向内延伸越过机座的大致圆柱形孔的内径，从而限制轴承衬套外座圈的轴向移动。举例来说，示例性板可选地包括一个或多个朝向中心轴径向向内延伸的凸起，从而限制轴承衬套外座圈的移动。尽管图7中未显示，机座440可选地包括沉孔来限制外座圈305的移动，举例来说，在板750位于机座大致圆柱形孔的近端，并且沉孔位于机座大致圆柱形孔远端的地方(例如图5的沉孔442)。另外，图7的机座440可选地包括诸如图5中开口444所示的开口(例如销钉开口等等)。尽管该开口在这里有时称为“销钉”开口，术语销钉可以可选地泛指例如螺钉、螺栓等等各种机构，其用于限制轴承衬套外座圈的转动。
图8显示了示例性轴承衬套800的剖视图图解，其允许具有可选不同厚度的多个薄膜。衬套800包括中心段806、中间段810、810’和外部段812、812’。轴承还包括润滑剂通道807、807’和809。
放大图显示了各种凹槽(例如凹槽、研磨间隙等等)和/或从第一外径到第二外径的过渡段。机座或轴颈的壁866的内径限定了间隙和薄膜厚度f1、f2。在第一方案801中，凹槽具有曲线剖面；在第二方案802中，凹槽具有大致呈多边形的剖面；在第三方案803中，在厚薄膜区域f1和薄薄膜区域f2之间存在着外径上的台阶。方案801、802、803是示例性的，可以使用其它方案来产生形成多薄膜厚度的间隙。
机座或轴颈可用于限定多个间隙，这些间隙在机座和轴承衬套的一个或多个外径之间形成多个薄膜厚度。例如，示例性机座可以包括两个或多个内径，其用于与轴承衬套一起限定超过一个的环形间隙，并且包括用于辅助轴向定位轴承衬套的沉孔和/或用于容纳销钉的开口，该销钉辅助方位角向地定位轴承衬套的外座圈。
图9A显示了示例性机座940的侧剖视图，图9B显示了示例性轴承机座940的顶剖视图。示例性机座940可以封装轴承衬套并限定轴承衬套的外表面和机座940内壁之间的间隙，其中间隙形成了各种薄膜，该薄膜可以针对地用于减少不期望的过多的径向间隙和/或优化转子不均衡力的阻尼。
示例性机座940包括沉孔942、开口944和大致垂直于中央轴线(例如X轴线)的表面946。开口944可选地包括其轴线与中央轴成角度φ相交的销钉开口，该角度可选为非正交。表面946和沉孔942可以限定距离，其与轴承衬套一起限定了轴向间隙。板(例如图6中的板450)或其它元件可选地与表面946配合限定轴承衬套腔的近端，同时沉孔942限定轴承衬套腔的远端。
轴承衬套腔包括具有第一内径的内表面966和具有第二内径的内表面967，其中第一内径大于第二内径。当位于机座内形成组件时，包括具有外径外表面的轴承衬套与第一和第二内表面966、967一起限定环形间隙。
这里描述的各种示例性的装置、方法、系统、设备等等与多薄膜厚度的形成和使用相关。在各种示例中，一个薄膜具有阻尼特性，另一个薄膜具有可使过度径向自由度和游隙最小的特性。
示例性轴承衬套的外薄膜比内薄膜的比例大约为1∶2，也就是说，内薄膜大约是外薄膜厚度的两倍。举例来说，内薄膜大约0.0030英寸(大约0.076mm)厚，外薄膜大约0.0015英寸(大约0.0038mm)厚，其中内薄膜缓冲震动，外薄膜限制转子径向窜动。该示例性轴承衬套可以适合于使用在市场上可购买到的GARRETTGTA47-55R涡轮机构上(托兰斯(Torrance)，加利福尼亚)。
通常，足够厚的薄膜可以减小整个系统的噪音、震动以及负载；然而，较薄的薄膜可以减小系统的溢出和窜动(例如转子窜动等等)。较薄的薄膜还允许在涡轮增压器系统中减小叶轮到机座的间隙，其可以减小不期望的间接空气动力流，该空气动力流可能导致压缩机和涡轮进程热力学效率的减低。
各种不同的示例包括邻近轴承衬套外部末端的一个或多个较薄间隙区域。与位于中心段附近或在中心段的较薄间隙区域相比，邻近轴承衬套外部末端的两个较薄间隙区域可以限制枢轴转动。
尽管在附图和前面的详细描述中对一些示例性方法、装置、系统、设备等已作说明，但是应当理解，所公开的示例性实施例并不限制本发明，在不背离由所附权利要求所阐明和限制的实质的前提下，可以对本发明进行各种重组、修改和替换。

Claims (20)

1.一种用于涡轮增压器的组件，包括：
机座，其包括具有纵轴线、内径、近端和远端的大致圆柱形孔，以及位于所述远端并大致居中于所述纵轴线上且具有内径的沉孔；
轴承衬套，其大致位于近端和远端之间且居中于所述纵轴线上，并且包括具有外径的外座圈；
位于所述近端的板，所述板包括大致居中于所述纵轴线上并具有内径的开口，其中，所述圆柱形孔的内径大于所述外座圈的内径、所述沉孔的内径以及所述板开口的内径，其中，所述外座圈的外径大于所述板的内径和所述沉孔的内径，其中，所述沉孔和板限制了所述轴承衬套的外座圈的轴向移动。
2.一种用于涡轮增压器的组件，包括：
机座，其包括具有纵轴线、内径、近端和远端的大致圆柱形孔，以及位于所述远端并大致居中于所述纵轴线上并具有内径的沉孔；
轴承衬套，其位于所述近端和远端之间并且大致居中于所述纵轴线上，并且包括具有外径的外座圈；
位于所述近端的限制机构，其中，所述圆柱形孔的内径大于所述外座圈的外径和所述沉孔的内径，其中，所述外座圈的外径大于所述沉孔的内径，并且所述沉孔和限制机构限制了所述轴承衬套的外座圈的轴向移动。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，在所述外座圈和所述圆柱形孔之间存在环形间隙。
4.根据权利要求3所述的组件，其特征在于，所述环形间隙限定了润滑剂薄膜的厚度。
5.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述组件还包括位于所述圆柱形孔内径上的通向所述圆柱形孔的销钉开口，所述销钉开孔开口能够容纳销钉，以便限制所述轴承衬套的外座圈绕所述纵轴线的旋转。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征在于，所述机座包括润滑剂开口，所述润滑剂开口提供了通往所述销钉开口的通道。
7.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述轴承衬套的外座圈包括在第一外径的外表面和在第二外径的外表面，其中，所述外表面连同所述圆柱形孔的内径一起限定了薄膜区域。
8.根据权利要求7所述的组件，其特征在于，所述薄膜区域的厚度不同。
9.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述限制机构包括板。
10.一种用于涡轮增压器的机座，包括：
具有纵轴线、内半径、近端和远端的大致圆柱形孔；
位于所述远端并且大致居中于所述纵轴线上并具有内半径的沉孔，其中，所述圆柱形孔的内半径大于所述沉孔的内半径；和
位于所述近端以用于连接一个或多个限制元件的一个或多个连接机构，所述限制元件径向向内地延伸至小于所述圆柱形孔内半径的最小半径。
11.根据权利要求10所述的机座，其特征在于，还包括大致位于所述圆柱形孔内半径上的通向所述圆柱形孔的销钉开口，所述销钉开孔开口能够容纳销钉。
12.一种用于涡轮增压器的机座，包括：
具有纵轴线、内径、近端和远端的大致圆柱形孔；
位于所述远端并且大致居中于所述纵轴线上并具有内径的沉孔；
位于所述近端以用于连接板的板连接机构，所述板包括大致居中于所述纵轴线上并具有内径的开口，其中，所述圆柱形孔的内径大于所述沉孔的内径和所述板的开口的内径；
大致位于所述圆柱形孔的内径上并通向所述圆柱形孔的销钉开口，所述销钉开孔开口能够容纳销钉。
13.根据权利要求12所述的机座，其特征在于，还包括润滑剂开口，所述润滑剂开口提供了通往所述销钉开口的通道。
14.根据权利要求12所述的机座，其特征在于，所述销钉开口包括销钉开口轴线，所述销钉开口轴线基本上与所述圆柱形孔的纵轴线相交。
15.根据权利要求14所述的机座，其特征在于，所述销钉开口轴线与所述纵轴线以非正交的角度相交。
16.根据权利要求12所述的机座，其特征在于，所述圆柱形孔包括在第一内径的内表面和在第二内径的内表面，其中，所述内表面连同轴承衬套的外座圈一起限定了薄膜区域。
17.一种轴承衬套，包括外座圈，所述外座圈包括开口，所述开口用于润滑剂的排出并用于容纳销钉以便限制所述外座圈的旋转。
18.根据权利要求17所述的轴承衬套，其特征在于，用于容纳销钉的所述开口相对于所述轴承衬套的纵轴线以非正交的角度来容纳销钉。
19.一种限制轴承衬套的外座圈移动的方法，包括：
将所述轴承衬套放置在大致圆柱形孔内，所述圆柱形孔具有纵轴线、大于所述外座圈外径的内径、近端和远端；
利用沉孔在所述圆柱形孔的远端来限制所述外座圈的轴向移动，其中，所述沉孔与所述圆柱形孔大致同轴，并且所述沉孔的内径小于所述外座圈的外径；
利用板在所述圆柱形孔的近端来限制所述外座圈的轴向移动，其中，所述板定位成与所述纵轴线大致正交；和
用销钉来限制所述外座圈的旋转，其中，所述销钉位于可经由润滑剂排出口而达到的销钉开口中。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述销钉轴线与所述圆柱形孔的纵轴线以非正交的角度相交。
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