CN109488692A - 具有共同外主体的组合轴承和密封组件 - Google Patents

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Abstract

组合轴承和密封组件包括管状外主体，其可与外构件连接并且具有第一和第二轴向端部，相对的内表面和外表面以及在外主体内表面上的轴承外滚道。管状内主体设置在外主体孔内，并且可围绕可旋转构件设置并可与可旋转构件联接。内主体具有内表面和外表面、相对的外轴向端部和内轴向端部，内轴向端部提供大致径向密封接触表面，以及在内主体外表面上的轴承内滚道。设置在外滚道和内滚道之间的滚动元件可旋转地联接外主体和内主体并形成轴承。环形密封件位于外主体孔内，与管状外主体联接并且具有可与内主体接触表面密封地接合的大致径向密封表面。

Description

具有共同外主体的组合轴承和密封组件
技术领域
本发明涉及轴承和密封件，更具体地涉及用于高速和/或高温应用的轴承和密封件。
背景技术
轴承和密封件通常以众多不同类型和构造已知，比如滑动轴承、滚动元件轴承、弹性唇形密封件、碳环密封件等。当在相对高速或/和相对高温应用中使用时，轴承通常是滚动元件轴承，密封件通常是径向面密封碳环密封件，以便在这样的环境条件下有效地起作用。通常，单独的环形密封组件位于轴承组件附近，以防止或至少减少某些流体(例如蒸汽、燃烧产物等)流入轴承。
发明内容
在一方面，本发明是一种用于将可旋转内构件与外构件联接的组合轴承和密封组件，所述内构件可绕中心轴线旋转。所述轴承和密封组件包括：大致管状外主体，其可与所述外构件连接，可围绕可旋转内构件设置。外主体具有中心轴线、第一和第二轴向端部、相对的内圆周表面和外圆周表面，外主体内表面限定孔，以及在外主体内表面上的轴承外滚道。大致管状内主体设置在外主体孔内，以便与外主体大致同轴，所述内主体可围绕可旋转构件设置并可与可旋转构件联接。内主体具有内圆周表面和外圆周表面和相对的外轴向端部和内轴向端部，内轴向端部提供大致径向的密封接触表面。内主体还具有在内主体外表面上的轴承内滚道，所述内滚道与外滚道大致轴向对齐。多个滚动元件设置在所述外滚道和内滚道之间，以便可旋转地联接所述外主体和内主体并形成轴承。此外，大致环形密封件设置在所述外主体孔内，大致轴向地位于外主体第二轴向端部和内主体内轴向端部之间，与管状外主体联接并且可围绕可旋转内构件设置。该密封件具有大致径向的密封表面，其配置成与内主体接触表面密封地接合，以便大致防止流体在外主体第二轴向端部和轴承之间流动。
在另一方面，本发明同样是一种用于将可旋转内构件与外构件联接的组合轴承和密封组件，该内构件可绕中心轴线旋转。组合轴承和密封组件包括大致管状的外主体，该外主体可与外构件连接并且可围绕可旋转构件设置。外主体具有相对的内圆周表面和外圆周表面，外主体内表面限定孔并且具有提供轴承外滚道的部分。大致管状的内主体可设置在外主体孔内并围绕可旋转的内构件设置，内主体可与内构件联接，以便可绕中心轴线旋转。内主体具有内圆周表面和外圆周表面、相对的外轴向端部和内轴向端部，内主体内径向端提供大致径向的密封接触表面。内主体外圆周表面的一部分大致与轴承外滚道轴向对齐并且提供轴承内滚道。多个滚动元件设置在外滚道和内滚道之间，以便可旋转地联接外主体和内主体并形成轴承。此外，大致环形密封件可移动地与外主体联接，设置在外主体孔内，以便与内主体轴向间隔开，并且可围绕可旋转的内构件设置。该密封件具有配置成与内主体径向接触表面密封地接合的大致径向的密封表面和当密封件围绕可旋转构件设置时与可旋转内构件径向向外间隔开的内圆周表面。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及本发明优选实施例的详细描述。出于说明本发明的目的，在附图中示出了目前优选的示意性实施例。然而，应该理解，本发明不限于所示的精确布置和手段。在图中：
图1是根据本发明的组合轴承和密封组件的放大的剖视轴向剖视图，示出了与机器的内构件和外构件连接；
图2是组合轴承和密封组件的透视图；
图3是组合轴承和密封组件的分解图；
图4是组合轴承和密封组件的透视轴向剖视图；
图5是组合轴承和密封组件的轴向剖视图；
图6是组合轴承和密封组件的放大的剖视轴向剖视图；
图7是图6的一部分的放大图，示出了密封件的细节；
图8是图6的一部分的放大图，示出了轴承的细节；
图9是通过图8的线9-9的剖视透视图；
图10是组合轴承和密封组件的管状内主体的透视图；
图11是管状内主体的透视放大的剖视轴向剖视图；
图12是组合轴承和密封组件的密封件的透视图；
图13是组合轴承和密封组件的密封件的轴向剖视图；
图14是图6的一部分的另一更放大的视图，示出了具有替代轴承座圈部件的轴承的细节；
图15是组合轴承和密封组件的密封件的替代结构的透视轴向剖视图，示出了与外管状主体分开的盒式密封组件；以及
图16是具有替代的盒式密封结构的组合轴承和密封组件的放大的剖视轴向剖视图。
具体实施方式
在以下描述中使用某些术语仅是为了方便而不是限制。词语“内”、“向内”和“外”、“向外”分别指的是朝向和远离所描述的元件的指定中心线或几何中心的方向，该特定含义从描述的上下文中显而易见。此外，如本文所用，词语“连接”和“联接”各自旨在包括两个构件之间的直接连接，其间没有任何其他构件，以及构件之间的间接连接，其间***有一个或多个其他构件。术语包括上面具体提到的词语、其衍生词及类似含义的词语。
现在详细参考附图，其中相同的数字用于表示相同的元件，如图1-16所示，组合轴承和密封组件10用于将可旋转内构件1(例如轴)与外构件2比如壳体、框架等联接，内构件1可绕中心轴线AC旋转。可旋转构件1优选地是轴3(或轴3上的套筒/滑道)，最优选地是设置在机器4的框架或壳体2内的高速发动机轴，例如燃气涡轮机、汽轮机、压缩机或类似装置。此外，轴3以及轴承和密封组件10各自优选地配置成在相对高温的环境中操作，例如大于100摄氏度(100℃)的环境条件。轴承和密封组件10基本上包括可与外构件2连接并可围绕可旋转内构件1设置的大致管状外主体12、设置在外主体12内并可围绕可旋转构件1设置的大致管状内主体14、设置在内主体12和外主体14之间的多个滚动元件16以及设置在外主体12内并可围绕可旋转构件1设置的“轴向面”密封件18。
更具体地，管状外主体12分别具有中心轴线13、第一和第二轴向端部12a、12b以及分别相对的内外圆周表面20、22，内表面20限定孔24。外主体12还在外主体内表面20上具有轴承外滚道26，其优选地由外主体内表面20的一部分提供。可替代地，外滚道26可由设置在孔24内的环形主体38的内圆周表面38a提供，如图14所示。此外，管状外主体12配置成与外构件2固定连接，以便相对于轴中心轴线AC不可旋转。当外主体12围绕内构件/轴3设置时，外主体轴线13至少基本上与轴的轴线AC共线。
管状内主体14设置在外主体孔24内，以便与外主体12大致同轴(即以轴线13为中心)，并且可与可旋转内构件1联接，以便可绕中心轴线AC旋转(即在轴3旋转期间)。内主体14分别具有内圆周表面30和外圆周表面32以及分别相对的外轴向端部14a和内轴向端部14b。外轴向端14a通常轴向邻近外主体第一轴向端部12a，内径向端部14b提供大致径向密封接触表面34。管状内主体14的内表面30的尺寸优选地设计成与轴3的外圆周表面3a(或套筒/滑道(未示出)的外表面)摩擦接合，以便将管状内主体14与内构件1可旋转地联接并密封内主体14和构件/轴3之间的界面(未示出)。此外，管状内主体14在内主体外表面32上具有轴承内滚道36，内滚道36定位成与外滚道26大致轴向对齐(即沿着轴线13对齐)。优选地，内滚道36由内主体外圆周表面32的一部分提供，但也可以由围绕内主体14设置的环形主体39的外圆周表面39a提供(图14)。
此外，多个滚动元件16设置在内滚道26和外滚道36之间，以便可旋转地联接外主体12和内主体14并形成轴承15。每个滚动元件16优选地是圆柱滚子17，但是也可以形成为珠、针、锥形滚子或任何其他类型的滚动元件(没有示出替代方案)。优选地，轴承和密封组件10还包括轴承保持架40，其配置成如下所述保持滚动元件16，但是也可以在没有保持架或其他保持装置的情况下形成。
此外，密封件18设置在外主体孔24内，以便大致轴向地位于外主体第二轴向端部12b和内主体内轴向端部14b之间。密封件18具有相对的内轴向端部18a和外轴向端部18b，并且与管状外主体12连接，以便基本上不能绕轴线AC旋转。此外，密封件18在内轴向端部18a上具有大致径向的密封表面42，密封表面42配置成与内主体接触表面34密封地接合，以便至少大致防止流体在外主体第二轴向端部12b和轴承15之间流动，特别是通过密封件18和主体14之间的界面SI。已经描述了上述基本元件，下面将进一步详细描述组合轴承和密封组件10的这些及其他部件。
参照图1-9和14-16，管状外主体12通常是圆形的，但优选地在轴向方向D1(图1)上从第一轴向端部12a到第二轴向端部12b大致径向向内呈锥形。外管状主体12优选地形成为单件结构或单个整体，但也可以由多个连接的管状主体部分(未示出)形成。优选地，多个凸耳44位于主体第一轴向端部12a附近并且从外表面22径向向外延伸并且围绕中心轴线13周向间隔开。凸耳44可与外构件2接合以固定地连接轴承和密封组件10，如图1所示，尽管外主体12还可以设置有径向凸缘或任何其它适当的结构，以便能够与第二构件2连接。
此外，外主体12优选地具有环形肩部46，其从主体内表面20的其余部分径向向内延伸并且位于第二轴向端部12b附近。肩部46具有可由密封件18接合的内圆周表面47，优选地由围绕密封件18设置的辅助密封件78，如下所述。可替代地，外主体12可以形成为没有任何肩部，而是内表面20的部分20a可以由盒式密封件90接合，如图15和16所示并在下面描述。对于优选的肩部46，外主体12优选地还包括从外主体第二轴向端部12b径向向内延伸的环形保持器凸缘48，并且为偏置构件86提供径向保持表面49，如下面详细讨论。
现在参考图1-11和14-16，管状内主体14也最好是大致圆形的，其轴向长度LAI约为外主体12的轴向长度LAO的一半，如图5所示。与外主体12一样，管状内主体14也优选地形成为单件或单个整体，但也可以由多个连接的管状主体部分形成。内主体14具有径向向外延伸的肩部50，其与主体内轴向端部14b相邻，以增加轴向端部14b的径向宽度，从而增加密封接触表面34的表面积。优选地，多个凹槽52从密封接触表面34轴向向内延伸，并且每个都配置成当可旋转构件1绕中心轴线AC旋转时在密封件18上产生轴向偏置力，使得密封表面42与内主体接触表面34轴向间隔开。
更具体地，当管状内主体14围绕中心轴线AC旋转时(即采用可旋转构件1)进入凹槽52的流体变得加压并且被引导抵靠着密封表面42，使得密封件18轴向地移位远离接触表面34，从而减少(并且优选地暂时消除)密封件18和管状内主体14之间的摩擦。优选地，为了进一步减小摩擦，特别是在静态和动态条件之间的过渡中，可以在内管状主体14的接触表面34上设置耐磨涂层。
优选地，内滚道36与内管状主体14的外圆周表面32的其余部分径向向内间隔开。这样，两个支撑表面54a、54b分别限定为每个与内滚道36的单独的轴向端36a、36b相邻，其支撑轴承保持架40，如下面进一步详细描述。此外，内主体14还优选地具有多个轴向槽56，其从内主体外轴向端部14a延伸并且从主体内表面30径向向外延伸。至少一个并且优选地多个径向润滑通道58各自在主体内圆周表面30和两个支撑表面部分54a、54b中的一个之间大致径向地延伸，优选地从单独的一个轴向槽56延伸。这样，进入轴向槽52的润滑剂通过离心力径向向外通过径向通道56，然后进入支撑表面54a、54b和保持架40之间的空间，以便当保持架40在支撑表面54a、54b和滚动元件16上滑动移动时润滑保持架40。
参照图3、图8和图9，轴承保持架40大致设置在外管状构件12和内管状构件14之间，并且配置成“松散地”保持多个滚动元件16。保持架40包括内圆周表面41A和外圆周表面41B以及在表面41A、41B之间的多个径向延伸的开口43，每个开口优选地形成为大致矩形的凹穴，如图3中最佳示出。多个滚动元件16中的单独的一个设置在每一个保持架开口/凹穴43内，使得当每个滚动元件16在滚道26、36上同时滚动并且在相关凹穴43内旋转时，保持架40绕中心轴线AC成角度地移位。此外，如上所述，轴承保持架40围绕两个内主体支撑表面部分54a、54b设置，使得当保持架40围绕轴线AC成角度地移位时，保持架内表面41A沿着表面54a、54b滑动。
现在参考图1-9和图12-14，密封件18优选地包括大致圆形的环形主体60，其具有相对的外轴向端部60a和内轴向端部60b，内端部60b提供密封表面42，以及内圆周表面62和外圆周表面63。环形主体60优选地是单件式结构，但是也可以包括连接在一起以形成主体60的多个单独的弧形段(未示出)。密封件主体60的尺寸使得当密封件18围绕构件/轴1设置时密封件内表面62与可旋转构件1径向向外间隔开，如图1所示，以消除密封件18与可旋转构件1/轴3之间的任何摩擦。此外，肩部64从内表面62的与密封主体内轴向端部60b相邻的其余部分径向向内延伸，以增加内端部60b的径向宽度，从而增加密封表面42的表面积。优选地，环形凸缘65从主体外表面63径向向外延伸，并包括多个轴向槽66，每个配置成接收联接器70，如下所述。密封件主体60优选地由碳材料形成，但也可以由陶瓷材料、高温聚合物材料或任何其它适当的材料形成。
最好如图1和3-7所示，组合轴承和密封组件10优选地还包括至少一个并且优选地多个联接器70，每个配置成将密封件18与管状外主体12可移动地联接。这样，密封件18可在外主体孔24内轴向移位，并且相对于中心轴AC不可旋转；即，联接器70防止密封件18绕轴线AC的角位移。每个联接器70优选地包括细长销72，其具有设置在外主体肩部46内的第一端部72a和设置在密封凸缘轴向槽69之一内的第二端部72b。联接器销72与密封凸缘68相互作用以基本上防止密封件18的角位移，但是槽69允许密封件18沿销72轴向滑动。虽然联接器销70目前是优选的，但是组合轴承和密封组件10也可以具有任何其他结构或部件以可移动地将密封件18与外管状主体12联接，图15和16中示出了一个替代方案，如下所述。
仍然参考图1和图3-7，轴承和密封组件10优选地还包括用于防止流体在密封件18和外管状主体12之间流动的辅助密封件78。辅助密封件80优选地包括围绕密封件18设置的环形主体80，并且配置成通常在密封件18和外管状主体12之间密封，从而防止流体在密封件外表面63和管状主体内表面20之间流动。优选地，密封件主体60具有从外表面63径向向内延伸的环形凹槽82，且辅助密封主体80是O形环，其设置在凹槽82内并配置成向外密封抵靠外主体肩部46的内表面部分47。然而，辅助密封件78可以以任何其它合适的方式构造，例如直接密封抵靠肩部内表面47的密封件主体60的整体部分(例如凸缘)。
再次参考图1和图3-7，轴承和密封组件10还优选地包括至少一个偏置构件86，其配置成使密封件18大致轴向朝向内主体密封接触表面34偏置。更具体地，偏置构件86优选地包括波形弹簧88并且设置在密封外轴向端部60a和外主体保持器凸缘48之间。波形弹簧88在主体端部60a和保持器凸缘48之间部分地被压缩，以便倾向于在朝向管状内主体14的另一方向D2(图1)上“推动”或轴向移动密封件主体60。可替代地，偏置构件86可包括一个或多个线圈压缩弹簧或能够轴向偏置密封件18的任何其他合适的部件。
在任何情况下，偏置构件86用于确保密封件主体密封表面42在组件10和机器3的静止状态下保持与密封接触表面34并置，即当内构件1/轴3是非旋转的时，以防止流体在密封件18和内管状主体14之间的密封界面SI中流动。然而，在可旋转构件/轴1和联接的管状内主体14围绕中心轴线AC旋转或成角度地移位的动态状态下，内主体接触表面34中的凹槽52对界面S1中的流体加压和引导，以使密封件主体60移位远离管状主体14，以便减小摩擦。尽管一些流体在动态条件下通过密封界面SI，但是摩擦的显著减少极大地增加了密封寿命，这被认为比完全防止或中断流体流过界面SI更重要。
现在参考图15和16，密封件18还可由盒式密封组件90提供，盒式密封组件90还包括外密封壳体92和外圆周表面93，外密封壳体92具有至少部分地包含密封件18的内腔CH。优选地，密封壳体外表面93可以与外主体内表面20的一部分摩擦接合，以将盒式密封组件90保持在管状外主体12内，尽管C形夹94也优选地设置成与外主体12和壳体92接合以轴向保持盒式密封件19。此外，壳体92优选地为大致C形，并且具有提供外表面93的外环形部分92a以及内环形部分92b和连接外部分92a与内部分92b的径向部分92c。
优选地，至少一个且优选两个固定的防旋转凸耳96各自刚性地附接到壳体外环形部分92a的内表面并且与密封件主体60中的配合槽(未示出)接合以防止密封件18的角位移。此外，内辅助密封件98优选的是O形环设置在密封件主体60和壳体内环形部分92b之间。偏置构件86优选地设置在壳体92内并且在壳体环形部分92c和密封件主体外端部60b之间被压缩。这样，偏置构件86将密封件主体60朝向管状内主体14偏置，使得主体60滑动抵靠固定的防旋转凸耳96并且在内辅助密封件98上，并且基本上防止流体流过壳体92和密封件18。
本领域技术人员将理解，在不脱离其广泛的发明构思的情况下，可以对上述实施例进行改变。因此，应理解，本发明不限于所公开的特定实施例，而是旨在覆盖在所附权利要求中一般定义的本发明的精神和范围内的修改。

Claims (11)

1.一种用于将可旋转内构件与外构件联接的组合轴承和密封组件，所述内构件可绕中心轴线旋转，所述轴承和密封组件包括：
大致管状外主体，其可与所述外构件连接，可围绕可旋转内构件设置并具有中心轴线、第一和第二轴向端部、相对的内圆周表面和外圆周表面，外主体内表面限定孔，以及在外主体内表面上的轴承外滚道；
大致管状内主体，其设置在外主体孔内，以便与外主体大致同轴，所述内主体可围绕可旋转构件设置并可与可旋转构件联接，并且具有内圆周表面和外圆周表面、相对的外轴向端部和内轴向端部，内轴向端部提供大致径向的密封接触表面，以及在内主体外表面上的轴承内滚道，所述内滚道与外滚道大致轴向对齐；
多个滚动元件，其设置在所述外滚道和内滚道之间，以便可旋转地联接所述外主体和内主体并形成轴承；以及
大致环形密封件，其设置在所述外主体孔内，大致轴向地位于外主体第二轴向端部和内主体内轴向端部之间，与管状外主体联接并且可围绕可旋转内构件设置，该密封件具有大致径向的密封表面，其配置成与内主体接触表面密封地接合，以便大致防止流体在外主体第二轴向端部和轴承之间流动。
2.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中：
所述外滚道由外主体内表面的一部分提供或者由设置在外主体内的环形主体的内圆周表面提供；并且
所述内滚道由被主体外表面的一部分提供或者由围绕内主体设置的环形主体的外圆周表面提供。
3.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中：
所述内管状外主体的外圆周表面具有提供所述内滚道的表面部分，该滚道表面部分具有两个相对的轴向端部，以及两个肩部表面部分，每个肩部表面部分与滚道表面部分轴向端部中的单独的一个径向向外间隔开；并且
所述组合轴承和密封组件还包括大致环形轴承保持架，该轴承保持架可围绕两个肩部表面部分滑动地设置，并且包括多个径向延伸的开口，多个滚动元件中的单独的一个设置在每个保持架开口内。
4.如权利要求3所述的组合轴承和密封组件，其中，所述内管状主体具有至少一个润滑通道，该润滑通道在内主体内圆周表面和两个肩部表面中的一个之间大致径向延伸。
5.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中，所述管状外主体配置成与所述外构件固定连接，以便相对于所述中心轴线不可旋转。
6.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，还包括以下中的至少一个：
至少一个联接器，其配置成将密封件与外主体可移动地联接，使得密封件可在外主体孔内轴向移动并且相对于中心轴线不可旋转；
偏置构件，其配置成使密封件大致轴向朝向内主体密封接触表面偏置；
包括环形主体的辅助密封件，其围绕密封件设置并且配置成大致密封在密封件和外管状主体之间；以及
大致环形轴承保持架，其大致设置在外管状构件和内管状构件之间并且包括多个径向延伸的开口，多个滚动元件中的单独的一个设置在每个保持架开口内。
7.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中，所述密封件具有内圆周表面，所述密封件的尺寸设计成使得当密封件围绕可旋转构件设置时密封件内圆周表面与可旋转构件径向向外间隔开。
8.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中以下中的至少一个：
所述密封件包括大致环形主体和多个弧形段中的一个；并且
所述密封件由碳材料、陶瓷材料和高温聚合物材料中的一种形成。
9.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中，所述密封件由盒式密封件提供，所述盒式密封件还包括外密封壳体，所述外密封壳体具有至少部分地包含所述密封件的内腔和可与外主体内表面的一部分接合的外圆周表面，以将盒式密封组件保持在管状外主体内。
10.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中以下中的至少一个：
所述内管状主体具有多个凹槽，所述凹槽从密封接触表面轴向向内延伸，并且配置成当可旋转构件围绕中心轴线旋转时在密封件上产生轴向偏置力，使得密封表面与接触表面轴向间隔开；并且
耐磨涂层设置在内管状主体的密封接触表面上。
11.如权利要求1所述的组合轴承和密封组件，其中，所述内管状主体和外管状主体中的每一个包括单个管状主体和多个连接的管状主体部分中的一个。
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