CN103867236B - 轴密封件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种轴密封件，包括以至少一个活塞环形式的叶轮侧密封件以及以密封间隙形式的支承件侧密封件。在叶轮侧密封件与支承件侧密封件之间设置排油腔，其由以密封间隙形式的第三密封件限制。在第三密封件与叶轮侧密封件之间布置气体离开腔。套筒具有这样的轮廓，即其与支承件罩壳共同形成排油腔以及气体离开腔并包括至少一个用于容纳至少一个活塞环的槽。套筒朝向轴具有两个轴向间隔的径向可传递力的支撑区域，两个支撑区域中的布置在叶轮侧的那个支撑区域轴向上布置在叶轮侧的密封件的至少一个活塞环的区域中。通过在套筒的相应端部处的两个短承座部代替长的连续的承座部可减小在轴与支承套筒之间的接触面和因此减少由叶轮通过轴的热输入。

Description

轴密封件

技术领域

本发明与涉及流体机械尤其地利用内燃机的排气被加载的排气涡轮增压器的领域。

本发明涉及一种这样的流体机械的轴密封件。

背景技术

为了提升内燃机功率目前根据标准使用排气涡轮增压器，其带有在内燃机的排气管中的涡轮机且带有位于内燃机之前的压缩机，该压缩机与涡轮机经由共同的轴相连。利用借助于排气涡轮增压器对内燃机进行增压，在气缸中的填充量和因此燃料混合物提升且由此获得对于发动机的显著的功率提升。可选可以将结合在内燃机排气中的能量借助于动力涡轮机转化成电能或者机械能。在此替代如在排气涡轮增压器情况下的压缩机将发电机或者机械负载联接到涡轮机轴处。

排气涡轮增压器标准地由转子(包括轴、压缩机叶轮和涡轮机叶轮)、用于轴的支承、导流的罩壳部件(压缩机罩壳或涡轮机罩壳)以及支承件罩壳组装而成。

由于在涡轮机侧以及压缩机侧的流动区域中的高的过程压力，相对于支承件罩壳的空腔应利用合适的密封概念来密封排气涡轮增压器的轴。在支承件罩壳的空腔中的内压通常与大气压相应。然而在压缩机侧或涡轮机侧的流动通道中的气体压力取决于排气涡轮增压器的当前运行点且在大多数运行点中超过在支承件罩壳的空腔中的压力。然而在某些情况中也可考虑负压，例如在部分负荷运行中或者在静止状态中。

由文件DE 20 25 125已知排气涡轮增压器的涡轮机侧的轴密封件，其由在径向支承件的涡轮机侧上的简单的集油腔以及带有在轴与支承件罩壳之间的密封作用的活塞环组装而成。轴向地从径向支承件排出的支承件机油喷到向外偏移且转动的轴肩上且通过离心力甩到集油腔中。如此甩开的支承件机油紧接着跟随重力在集油腔内向下流动且再次返回到支承件润滑的油路循环中。

为了减少气体从流动通道中通过涡轮机的叶轮后部空间(Radrückraum)泄漏到支承件壳体的空腔中根据标准使用由金属例如灰口铸铁制成的活塞环。在轴承壳体中，处于应力中的活塞环卡紧在带有轴向的止动肩部的径向的槽中。作为活塞环的配对件，转动的轴设有径向的槽，其中活塞环在该槽内轴向卡住且径向覆盖该槽。由于在排气压力与在支承件罩壳内部中的压力之间的压差，在已有的压力梯度的方向上在槽之内将活塞环轴向地推向止挡。通过活塞环轴向支承在槽内表面之一处该活塞环磨合(einschleifen)且相对于排气流密封支承件罩壳全体。为了改进密封效果也可以使用两个或者更多个活塞环，如例如在文件CH 661 964A5、US 3 180 568、US 4 196 910或者EP 1 860 299中公开的那样。在这些文件中显示，可如何通过附加使用密封空气(Sperrluft)或对在两个活塞环之间的空间进行放气来相对于热的排气提升密封效果且由此可以完全阻止排气泄漏到支承件罩壳中。

由文件DE 37 37 932 A1已知排气涡轮增压器的涡轮机侧的轴密封件，在其中油从径向支承件在支承部位与两个活塞环之间排出。在此为了改进油密封性替代简单的轴向轴肩使用附加的甩油盘(Schleuderscheibe)。由此可显著减少在活塞环槽区域中撞击的不希望的支承件油的量。类似地在根据文件US 4 268 229以及DE 30 21 349的轴密封件中实现在径向支承件与邻近的活塞环之间的排油，其中排油部总是由腔形成。附加地在两个活塞环之间的空腔借助于附加的连接通道与支承件罩壳的空腔相连且通风到大气环境压力上。由此阻止在左活塞环上合成的压差，以使得活塞环主要承担密封油而非密封热气的功能。因此仅右活塞环承担在处于压力情况下的流动通道与支承件罩壳空腔之间的密封。通过该结构变型因此获得两种分开的用于介质油(源自径向支承件)以及排气(源自流动通道)的排出部，其中排出部通过活塞环来分开。从径向支承件排出的润滑油可能(unter Umständen)轴向喷到气体密封的活塞环区域中且在最不有利的情况中淹没全部活塞环。通常在压缩机或者涡轮机的流动通道中的气体压力大于在涡轮增压器的支承件罩壳内部中的气体压力。因此正压差(在流动通道中的气体压力大于在支承件罩壳空腔中的气体压力)导致，出现的漏气吹过(durchbläst)活塞环密封件且将无意地渗透到活塞区域中的支承件油再次输送返回到支承件罩壳的集油腔中。

在文件DE 10 2004 055 429 B3中描述的用于转子轴的被润滑的支承的密封装置尝试抵抗上述情况，该密封装置在轴向方向上相对于供应的润滑剂密封排气涡轮增压器的支承件罩壳。在转子轴上设置以间隙、迷宫或者活塞环形式的第一密封件和以窄间隙或者迷宫的形式的第二密封件，其在本身之间包围环形地围绕转子轴的周缘延伸的排油通道，该排油通道借助于罩壳侧排油槽和在轴向相同位置中布置的轴侧排油槽来构建。在排油通道中设置有在转子轴径向方向上利用端部自由突入到环形排油通道中的环形的密封桥接部，其为用于渗透到排油通道中的润滑剂的在轴向方向上作用的阻碍物且径向覆盖第二密封件的间隙。

在所有描述的轴密封概念中在某些情况下存在这样的风险，即热气从排气涡轮机的叶轮后部空间通过活塞环密封件泄漏，且在活塞环区域以及排油槽中残留的支承件油就地燃烧且由此引起轴密封件的结焦和与之关联的损耗。结焦风险随着上升的排气温度和通过活塞环的提升的泄漏量以及糟糕的部件冷却而增加。因此主动的冷却该密封件部分对于轴密封件的运行安全是重要的。

文件EP2375000公开了在流动机械的支承件罩壳与轴之间的轴密封件，其包括叶轮侧的密封件以及支承件侧的密封件，其中在叶轮侧的密封件与支承件侧的密封件之间设置排油腔，该排油腔由在支承件罩壳与轴之间的第三密封件来限制。在第三密封件与叶轮侧的密封件之间布置气体离开腔，其中该结构通过在排油沟的区域中的至少一个喷油孔主动地被冷却，由此可以阻止轴密封件的结焦。第三密封件在此将源自排油腔的油与源自气体离开腔的气体分离。可选地密封件的轴侧的部分通过在轴上的套筒(Aufsatz)来形成。

发明内容

本发明目的在于，提供一种流体机械的在支承件罩壳中支承的轴的改进的轴密封件，在其中通过从密封件部分(Dichtungspartie)的改进的热量输出可使活塞环密封件的结焦风险最小化。

对于根据本发明的流体机械的支承在支承件罩壳中的轴的轴密封件(位于在支承件罩壳中的空腔和流体机械的叶轮的叶轮后部空间之间，带有在轴上的套筒，包括在支承件罩壳与套筒之间的以至少一个活塞环的形式的叶轮侧的密封件以及在支承件罩壳与套筒之间的以密封间隙的形式的支承件侧的密封件，其中在叶轮侧的密封件与支承件侧的密封件之间设置排油腔，其中排油腔由在支承件罩壳与套筒之间的以密封间隙的形式的第三密封件来限制，并且在第三密封件与叶轮侧的密封件之间布置有气体离开腔，其中套筒具有这样的轮廓，即该轮廓与支承件罩壳共同形成排油腔以及气体离开腔并且包括至少一个用于容纳至少一个活塞环的槽)，根据本发明套筒朝向轴具有两个轴向间隔的、径向上可传递力的支撑区域，两个支撑区域如此构造，即其使得在径向上传递力成为可能，其中两个支撑区域中的布置在叶轮侧的那个支撑区域轴向上布置在叶轮侧的密封件的至少一个活塞环的区域中。

通过在套筒(轴密封衬套)相应端部处的两个短承座部(Sitz)代替长的连续的承座部可以减小在轴与支承套筒之间的接触面和因此减少由叶轮通过轴的热输入，其中有利地在位于轴上的套筒的两个轴向间隔、径向可传递力的支撑区域之间构造以空气填充的空腔。

通过直接在活塞环区域中布置叶轮侧的承座部可以将由于离心力引起的变形保持较小。

可选地，径向上在排油腔之外将排油沟引入到支承件罩壳中且在支承件罩壳中布置有至少一个油喷射孔，利用该油喷射孔可给排油沟加载油，其中排油沟在轴向方向上延伸直到叶轮侧密封件的至少一个活塞环之上。

由此在支承区域中的热量较大份额可以直接径向在活塞环之外经由润滑油来输出。

有利地排油沟构造成在轴向方向上朝着叶轮侧的密封件朝向轴线倾斜，从而在支承件侧引导到排油沟中的油由于重力在轴向方向上朝着叶轮侧流动。

可选地叶轮侧密封件的活塞环直接被加载冷却介质(密封空气)。由此阻止热气从叶轮叶轮后部空间渗入到支承间隙中。

可选地可将套筒(轴密封衬套)扩展了扭转减振器的功能，这可以通过在支承件侧的承座部处的轻的按压以及在叶轮侧的承座部处的强的按压来实现。其中在前部的承座部处的按压必须与减振需求相对应来设计。为此附加地或者替代可以在承座部中引入摩擦元件例如特氟隆带(Teflonband)，由此可以在扭转振动时充分利用在轴处的相对运动，为以为了进一步提升衰减常数(Dämpfungsmass)。

可选地，支承件罩壳的这样的区域(即其是根据本发明构造的轴密封件的一部分)可以构造成嵌入件。嵌入件可以在由于运行引起的磨损时容易地被替换或者例如为了清洁目的暂时从支承件罩壳拆卸出来。

此外作为用于该嵌入件的材料可选择带有尽可能高的导热性能的材料。

附图说明

接下来借助于图纸详细地来阐述根据本发明的轴密封件。其中：

图1显示根据现有技术的带有径向压缩机和轴向涡轮机的排气涡轮增压器的部分剖切的图示，

图2显示穿过根据现有技术的排气涡轮增压器的涡轮机侧的轴密封件的沿着轴引导的截面，

图3显示显示穿过根据现有技术的带有在轴上的套筒的排气涡轮增压器的涡轮机侧的轴密封件的沿着轴引导的截面，

图4显示通过根据本发明的排气涡轮增压器的涡轮机侧的轴密封件的沿着轴引导的截面。

附图标记清单

10 涡轮机

11 涡轮机叶轮

12 进气口

13 排气口

15 叶轮的叶轮后部空间

20 轴

21,22 密封桥接部

30 支承件罩壳

31 支承件罩壳的嵌入件

32 密封板

33 密封桥接部

34 径向支承件

35 冷却介质(密封空气)的输送管路

39 帽状遮盖部

41,42 活塞环

43,44 径向密封间隙

50 在支承件罩壳中的空腔

51,52 排油沟

53 排油腔

54 排油通道

55 气体离开腔

56 排气通道

60 油通道

61 油喷射孔

62 支承件凸缘

63 内轮廓

70 压缩机

71 压缩机叶轮

72 进气口

81 与轴共同转动的套筒

821,822 轴承座部

83 轴向止挡

85 空腔

86 减振元件。

具体实施方式

图1显示根据现有技术的排气涡轮增压器，其带有径向压缩机70和轴向涡轮机10。绘出的排气涡轮增压器的罩壳部分剖切地示出，为了可以看见带有压缩机叶轮71、轴20以及涡轮机叶轮11的转子。从进气口72到压缩机叶轮71的空气引导以粗箭头说明。在涡轮机侧热排气通过进气口12经由涡轮机叶轮11引导到排气口13。轴20在支承件罩壳30中可旋转地支承，通常借助于两个径向支承和至少一个轴向支承。

图2显示根据现有技术的轴密封件，其将支承件罩壳中的空腔50与涡轮机叶轮11的叶轮后部空间15隔开。在此支承件罩壳在轴密封件的区域中包括嵌入件31(密封衬套)，其实现成独立的构件。嵌入件31构造成环形的，并且包括径向上外部的排油沟52以用于从径向支承件34中径向地向外甩出的以及侧向地送出(abgeben)的喷射油。直接或间接地以喷射油喷溅(bespritzen)嵌入件并且由此主动地冷却嵌入件。通过油喷射孔61将喷射油导引到待冷却的构件上。通过支承件壳体30中的油通道60实现喷射油的供给。油喷射孔61如此实施并且取向，即喷射油在支承件壳体30的区域中碰撞内轮廓63，并且在排油沟52的区域中弄湿嵌入件。通过喷射油和来自支承件34和排油沟51的油，全面地冷却嵌入件和位于嵌入件中的活塞环、密封件以及排出腔，并且很大程度上阻止了结焦。为了提高在活塞环和排出腔上的冷却效果，优选地由带有尽可能高的导热特性的材料制造嵌入件31。在轴向方向上由径向地延伸(ausziehen)的密封板32限制排油沟52，另一方面该密封板32自身通过在排出通道51中的油冷却。此外，嵌入件包括凹入部以用于容纳两个串联布置的活塞环41和42。此外，嵌入件在径向地位于内部的区域中包括排油腔53、用于来自两个活塞环41和42的气体泄漏的独立的气体离开腔55以及密封桥接部33，该密封桥接部33将排油腔53和气体离开腔55彼此分隔。

在径向支承件34和密封板32之间的排油沟51形成从径向支承件中离开的支承件油的第一主排出通道。密封板32与轴20的径向地相对而置的第一桥接部21形成第一径向的密封间隙43，由于该密封间隙43，使支承件油从排油沟51到排油腔53中的渗入最小化。排油腔53的旋转的轴轮廓设有径向地向内错位的(versetzt)排出槽，由此在排油腔53之内得到在该槽的左侧和右侧的两个喷射棱边(Abspritzkante)。由于重力，通过喷射棱边甩到排油腔53的通过在嵌入件31中的槽形成的径向的外部的区域中的油在排油腔53之内沿着嵌入件31的轮廓向下流动。为了可将支承件油从排油腔53中引导回到支承件润滑的油循环中，排油腔53在下部的区域中具有至少一个排油通道54。

根据本发明构造的轴密封件的嵌入件31通过布置在排油腔53旁边的气体离开腔55而出众，通过环绕的密封桥接部33将气体离开腔55与排油腔53分隔。构造成环形的气体离开腔55用于收集流动通过活塞环41和42的热的气体。密封桥接部33与轴20的径向地相对而置的第二桥接部22形成第二径向的密封间隙44。根据本发明，密封间隙44明确地将两种介质(将来自排油腔53的油与来自气体离开腔55的气体)分隔。另一方面，通过至少一个在嵌入件31之内且与排油通道54分离的独立的排气通道56，将在气体出口腔55中捕获的气体转移到在支承件壳体中的空腔50的共同的体积(Volumen)中。通过两个排出部的有针对性的分隔，应阻止两种介质在排油腔53的区域中混合，并且由此减小在密封组合件(Dichtverbund)中的结焦危险。此外，通过大的排油沟51以及第一密封件43，将从径向支承件34中离开的支承件油的大部分向外引出，并且通过排油沟52保持支承件油远离活塞环部分。

图3显示根据图2(为了更好的观察起见仅设有相对于图2附加的带有附图标记的特征)的轴密封件，在其中涡轮机的转动的轴轮廓在轴密封件的区域中通过罩状的套筒81来实施。套筒81在此热装到在轴上的长承座部82上且在轴上构造的棱边对于套筒81来说用作轴向止挡83。

图4图示根据图3的轴密封件的根据本发明的改进。在此支承件罩壳、套筒以及轴承座部如此构造，即使得经由油冷却的热输出最大化且经由支撑区域到轴的热输入最小化。套筒有利地可由良好导热的材料来制造。

根据本发明套筒81利用两个短承座部的贴靠在轴20上。填充有气的空腔85在支承件侧的承座部821与叶轮侧的承座部822之间延伸，该空腔85用作在套筒与轴之间的绝缘层。在轴向方向上套筒利用轴向止挡83贴靠在轴处。在所示实施形式中环状套筒81具有四个位于外部的槽。两个支承件侧的槽与在支承件罩壳的嵌入件31中的相对应的槽共同形成上面描述的、由现有技术已知的排油腔53和气体离开腔55。套筒的两个叶轮侧的槽用于容纳两个活塞环41和42，其形成轴密封件的叶轮侧的密封。两个活塞环贴靠在支承件罩壳的嵌入件31处。支承件罩壳的嵌入件31具有排油沟52，其使得将润滑油输送到径向在套筒外的区域中成为可能。根据本发明排油沟在轴向方向上延伸直到至少一个活塞环41和42之上，从而可保证借助于润滑油来冷却叶轮侧的密封件。排油沟52朝向轴的倾斜，使得引入到排油沟中的润滑油由于重力可以沿着排油沟朝向叶轮侧流动。支承件罩壳30和嵌入件31在此如此构造，在基于重力位于下部的区域中设置用于润滑油的排出可能性。在图中油流动利用细的深色箭头来显示。有利地为了冷却轴密封件使用源自支承件区域，在具体示例中源自到径向支承件的输送管路的润滑油。

在所述实施形式中轴密封件具有密封空气供应部。在此以小的白箭头显示的压缩的空气由压缩机侧(或者以从外部输送的方式)经由在支承件罩壳30中的密封空气通道引导到叶轮侧的活塞环密封件的叶轮侧上的支承间隙中。密封空气在此用于一方面直接冷却密封件，另一方面阻止，热气可能从叶轮的叶轮后部空间15渗透到密封间隙中。

可选地可将套筒(轴密封衬套)扩展了扭转减振器的功能，这可以通过通过在支承件侧的承座部821处的轻的按压以及在叶轮侧的承座部822处的强的按压来实现。其中在支承件侧的承座部处的按压必须与减振需求相对应来设计。为此附加地或者替代地可以在承座部中引入减振的摩擦元件86例如特氟隆带。由此可以在扭转振动时充分利用在轴处的相对运动，以为了进一步提升衰减常数。

可选地可以在无独立的嵌入件的情况下将支承件罩壳构造在根据本发明构造的轴密封件区域中。在该情况中相应的槽、密封板以及密封桥接部直接引入到支承件罩壳中。相对于单件式构造的无独立嵌入件31的变型详细描述的带有独立嵌入件31的实施形式具有这样的优点，即为了冷却密封件部分的目的嵌入件31由带有良好导热性(例如Ck45)的材料制造且因此独立于所使用的支承件罩壳材料(例如GGG-40)。此外嵌入件在由于运行引起的磨损时可容易地替换或者例如为了清洁目的可暂时地从支承件罩壳中拆卸出来。

在所示实施形式中轴密封件包括两个活塞环41和42。替代地也可以仅设置一个活塞环或者其可以在该区域中或者在轴密封件的其它部位处设置其它活塞环。

所示出且详细描述的实施形式显示根据本发明构造的在排气涡轮增压器的涡轮机侧或者动力涡轮机上的轴密封件。根据本发明构造的轴密封件当然也可以在任意其它流体机械中来使用。

Claims (10)

1.一种流体机械的支承在支承件罩壳(30)中的轴(20)的轴密封件，位于在所述支承件罩壳(30)中的空腔(50)和所述流体机械的叶轮(11)的叶轮后部空间(15)之间，带有在所述轴上的套筒(81)，包括在所述支承件罩壳(30,31)与所述套筒(81)之间的以至少一个活塞环(41,42)的形式的叶轮侧的密封件即第一密封件以及在所述支承件罩壳(30,31)与所述套筒(81)之间的以密封间隙(43)的形式的支承件侧的密封件即第二密封件，其中在所述叶轮侧的密封件与所述支承件侧的密封件之间设置有排油腔(53)，其中所述排油腔(53)由在所述支承件罩壳(30,31)与所述套筒(81)之间的以密封间隙(44)的形式的第三密封件来限制，并且在所述第三密封件与所述叶轮侧的密封件之间布置有气体离开腔(55)，其中所述套筒(81)具有这样的轮廓，即该轮廓与所述支承件罩壳共同形成所述排油腔(53)以及所述气体离开腔(55)并且包括至少一个用于容纳所述至少一个活塞环(41,42)的槽，其特征在于，所述套筒(81)朝向所述轴具有两个轴向间隔的、径向上可传递力的支撑区域(821,822)，其中所述两个支撑区域中的布置在叶轮侧的那个支撑区域(822)轴向上布置在所述叶轮侧的密封件的所述至少一个活塞环(41,42)中的一个的区域中，其中，轴向上在所述两个支撑区域(821,822)之间构造有由所述轴(20)和所述套筒(81)限制的空腔(85)。

2.根据权利要求1所述的轴密封件，其特征在于，径向上在所述排油腔(53)之外将排油沟(52)引入到所述支承件罩壳(30,31)中，并且在所述支承件罩壳(30)中布置有至少一个油喷射孔(61)，利用该油喷射孔可给所述排油沟加载油，其中所述排油沟在轴向方向上延伸直到所述叶轮侧的密封件的所述至少一个活塞环(41,42)之上。

3.根据权利要求2所述的轴密封件，其特征在于，所述排油沟(52)构造成在轴向方向上朝着所述叶轮侧的密封件朝向轴线倾斜，从而在支承件侧引导到所述排油沟中的油由于重力在轴向方向上朝着所述叶轮侧流动。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的轴密封件，其特征在于，在所述两个支撑区域的支承件侧的支撑区域(822)中在所述轴(20)与所述套筒(81)之间布置有减振元件(86)。

5.根据权利要求1到3中任一项所述的轴密封件，其特征在于，所述支承件罩壳在所述轴密封件的区域中包括嵌入件(31)，将凹口引入到该嵌入件中，所述凹口形成所述排油腔(53)以及所述气体离开腔(55)。

6.根据权利要求1到3中任一项所述的轴密封件，其特征在于，所述套筒(81)由相对于所述轴的材料具有更高导热性的材料制成。

7.根据权利要求1到3中任一项所述的轴密封件，其特征在于，在所述支承件罩壳(30,31)中布置用于将气态的冷却介质引入到在所述支承件罩壳(30,31)与所述套筒(81)之间的间隙区域中的输送管路，其中所述输送管路在所述叶轮侧的密封件的叶轮侧上通到在所述支承件罩壳(30,31)与所述套筒(81)之间的间隙中。

8.一种流体机械，包括至少一个布置在轴(20)上的叶轮(11)以及支承件罩壳(30)，所述轴(20)可转动支承在该支承件罩壳中，其中在所述支承件罩壳(30)与所述轴(20)之间布置有根据权利要求1到7中任一项所述的轴密封件。

9.一种排气涡轮增压器，包括至少一个布置在轴(20)上的涡轮机叶轮(11)以及支承件罩壳(30)，所述轴(20)可转动支承在该支承件罩壳中，其中在所述支承件罩壳(30)与所述轴(20)之间布置有根据权利要求1到7中任一项所述的轴密封件。

10.一种动力涡轮机，包括至少一个布置在轴(20)上的涡轮机叶轮(11)以及支承件罩壳(30)，所述轴(20)可转动支承在该支承件罩壳中，其中在所述支承件罩壳(30)与所述轴(20)之间布置有根据权利要求1到7中任一项所述的轴密封件。