CN109790848A - 带有无油静压轴承的涡轮增压器 - Google Patents

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Abstract

一种用于内燃机的涡轮增压器，该涡轮增压器通过涡轮增压器的压缩机(11)供应的压缩空气，由径向和轴向方向上的静压轴承(15、16)支撑，并且由单独的增压压缩机(17)对该压缩空气增压至足够高的压力以支撑涡轮增压器的转子。涡轮增压器静压轴承(15、16)利用金属丝网或分散式摩擦阻尼器(33、41)产生阻尼作用。

Description

带有无油静压轴承的涡轮增压器
政府许可权利
本发明依照美国空军授予的合同号为FA86500-14-M-2470的协议，在美国政府支持下完成。美国政府对本发明享有一定的权利。
技术领域
本发明大体上涉及涡轮增压器，并且更具体地涉及具有带机械阻尼器的无油静压轴承的涡轮增压器。
背景技术
涡轮增压器利用排出的热气体作为驱动力来压缩供应到发动机的空气。发动机排气装置驱动涡轮机，该涡轮机驱动压缩机将压缩的空气供应给发动机。由于空气压缩，改善了发动机的性能。
现有技术的涡轮增压器需要使用油润滑轴承的轴支撑***，该油润滑轴承取决于在轴承中提供流体动力膜的流体的粘度。轴上的部件通常包括安装到轴的一端的压缩机转子和安装到轴的另一端的涡轮机转子。
在涡轮增压器运行期间，压缩机和涡轮机能够产生显著的径向力和轴向力，它们通过径向轴颈轴承和轴向止推轴承反作用到壳体中。这通常通过加压油润滑***来实现，从而去除热量并降低滚动阻力。对于涡轮增压器，润滑***需要油冷却器和泵来为轴承提供足够的压力，同时防止油结焦。如果油压丢损失或油被内燃(IC)机污染，则轴承的性能会由于发生润滑或冷却损失而下降，从而导致涡轮增压器轴承***发生灾难性故障。为了防止油的结焦，一些先进的高温涡轮增压器在轴承壳体中使用额外的冷却剂***以进一步降低轴承和轴承流体的温度。但同时单独的轴承润滑***也会增加飞行器的重量，而重量对于诸如无人驾驶的航空飞行器或UAV之类的飞行器而言是至关重要的。
发明内容
本发明有利地提供了一种涡轮增压器，用于将压缩的空气供应到内燃机。该涡轮增压器包括由涡轮机驱动的压缩机以及在径向和轴向方向上由静压轴承支撑的转子。来自压缩机的压缩空气被引导至增压压缩机，这能够增加用于静压轴承的压力。该增压压缩机可以由IC发动机的动力传动轴或诸如电动机的独立马达来驱动。
静压轴承是无油的且除了来自压缩机和增压压缩机的压缩空气外没有任何其他流体，使得允许更高的温度暴露并限制涡轮增压器的总重量，以便用于轻型飞行器(其中重量对其性能至关重要)，如无人驾驶航空飞行器(UAV)。
静压轴承包括设于涡轮泵中心的轴颈轴承，该涡轮泵带有悬臂式压缩机和涡轮机。其中轴颈轴承使用机械或摩擦阻尼器来抑制振动。机械阻尼器可以是全环形阻尼器或围绕轴承周向间隔布置的弓形阻尼器。也可以使用分散式摩擦阻尼器，其具有在布置完整的环中的小球形构件。
附图说明
当结合附图考虑时，通过参考以下详细的描述，将更容易理解本发明的更完整的意义及其伴随的优点和特征，其中：
图1示出了本发明的带有无油静压轴承的涡轮增压器的示意图；
图2示出了本发明的带有无油静压轴承的涡轮增压器的横截面视图；
图3示出了本发明的涡轮增压器的横截面视图，其中涡轮增压器具有带静压止推轴承的无油轴承和机械阻尼器；
图4示出了本发明的具有无油轴承和机械阻尼器的涡轮增压器(带有平衡活塞)的横截面视图；
图5示出了本发明的带有无油轴承和分散式摩擦阻尼器的涡轮增压器的横截面视图；
图6示出了图5的涡轮增压器中的分散式摩擦阻尼器的横截面视图；
图7示出了一个具有完整环形形状的摩擦阻尼器的横截面侧视图；
图8示出了摩擦阻尼器的第二实施例，其中三个弧形段围绕着壳体布置；以及
图9示出了进入和离开静压轴承和平衡活塞的流体的流动示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种涡轮增压器，其具有无油静压轴承和机械或分散式摩擦阻尼器。压缩机排出的气体用作带有增压压缩机的静压轴承的工作流体，以在轴承中实现足够的流体静载荷能力和阻尼。本发明通过省略现有技术涡轮增压器中的温度敏感油润滑剂、油冷却器、油泵和轴承壳体冷却***来提高可靠性和耐用性。这是通过利用来自压缩机的压缩气体(空气)以流体静压的方式来支撑轴而实现的。为了降低***的总功耗，轴承进给***由涡轮增压器压缩机预先增压，然后使用无油正排量压缩机升压将***至所需的工作压力，该无油正排量压缩机直接通过附属传动轴18驱动或由小型电动机19驱动。在任何一种情况下，总功率消耗都相对较小，从而对内燃(IC)机性能的影响最小。
图1示出了具有无油静压轴承的涡轮增压器的示意图。该涡轮增压器包括压缩机11和涡轮机12，该压缩机11和涡轮机12与共用转子13连接。转子13由一个或多个径向静压轴承15在径向方向上和一个或多个轴向流体静压(或止推)轴承16在轴向方向上支撑。
内燃(IC)机14排出的热气体供应到涡轮机12，该涡轮机12通过转子13驱动压缩机11以压缩空气。然后将压缩的空气输送到发动机14。来自压缩机11的一部分压缩空气被排出并通过增压压缩机入口供应到增压压缩机17，供应到增压压缩机17的压缩空气能够将压力增加到足以以流体静压的方式支撑转子13的量。增压压缩机17的出口与一个或多个静压轴承16流畅体连通。
增压压缩机17可以由发动机14通过附属传动轴18、发动机中的压缩气缸来直接驱动，或者由诸如电动机19的独立马达驱动。
静压流体薄膜轴承能够提供许多优点，使其特别适用于高速涡轮增压器轴/转子支撑***。这些优点包括：能够支撑大负载；静压轴承承载能力是流体压力作用在轴承区上的压降的函数；由于表面不接触，所以寿命长(理论上无限)；以及非常大的刚度和阻尼系数，以便能够提供精确的定位和控制。
使用压缩空气代替油作为应用在涡轮增压器的静压轴承中的工作流体还提供了诸如消除润滑剂失效问题的优点，允许涡轮入口更高的工作温度。由于省去了防止油过热所需的冷却通道，它还降低了轴承壳体中的热应力。随着贫燃内燃机中工作温度的增加，需要更高温度的轴承来支撑涡轮增压器的转子。诸如无人机之类的小型飞行器需要能够承受由于机动产生的更高负载的轴承，该机动包括持续的高G转弯和在湍流空气中的操作。此外，由于内部部件在轴承剥离后不会发生摩擦，所以静压轴承不需要使用先进的涂层，因此，甚至可以把包括陶瓷在内的高温材料用作轴承材料。高压涡轮增压器应用中的静压轴承的主要优点是能够利用涡轮增压器压缩机提供的增压压力来预先提升小型无油压缩机入口的压力，从而最大化所有涡轮增压器运行条件下的负载能力。轴承可以在IC机点火之前或在点火的瞬间被抬起，以在整个工作范围内实现无磨损操作。
静压轴承提供的另一个显著优点是它们可以提供精确的公差控制。这对于最大化涡轮增压器的效率尤其重要，其中小直径无罩压缩机和涡轮机(在其径向和轴向方向上)均需要最小化间隙以减少泄漏。这种对具有高度的刚度和阻尼的轴的精确控制，使得静压轴承非常适合应用在无人驾驶航空***涡轮增压器。
图2示出了图1的具有无油静压轴承的涡轮增压器的横截面视图。该涡轮增压器包括压缩机入口21和压缩机出口22、涡轮机入口23和涡轮机出口24、一个或多个轴颈轴承25、止推轴承26、旋转轴颈27、轴承壳体28、轴承供气配件29、V形带30和密封区31。该涡轮增压器包括悬臂式压缩机和涡轮机元件以及密封轴承腔的密封件，其中涡轮机元件具有位于中心壳体中的轴承。止推轴承26位于轴的中心，以便为每个静压轴颈轴承25提供对称的通风孔。图2的涡轮设计简化了轴承腔部件。轴承相对于止推轴承26的中心平面完全对称而设计，因此提供了部件重复使用，这有助于对没有静压轴承的现有生产的涡轮增压器进行售后升级。图2中的静压空气轴承可以用于代替现有技术涡轮增压器的轴承壳体。
图3示出了涡轮增压器，其具有定位在轴承壳体28和静压轴颈轴承25之间的机械阻尼器33。该机械摩擦阻尼器是金属丝网型的。静压止推轴承34位于左侧，轴向摩擦止动件35位于右侧。
图4示出了类似于图3中的涡轮增压器，但在涡轮增压器的左侧具有平衡活塞腔36。机械摩擦阻尼器33则位于与图3中的机械阻尼器33相同的位置上。
图5的实施例的涡轮增压器使用以完整圆环方式布置的分散式摩擦阻尼器。这些摩擦阻尼器是由陶瓷或金属材料制成的小球形元件或球体，其通过在有限空间内彼此摩擦而产生阻尼。图6示出了其中一个分散式摩擦阻尼器41的详细视图，该分散式摩擦阻尼器41具有密封件42、卡环构件43、密封件或盖板44、以及用于在有限空间内压缩摩擦阻尼器41的弹簧45。轴承壳体28和浮动轴颈轴承25之间形成有一间隙47。轴颈46浮置在壳体28内。分散式摩擦阻尼器41由小球形构件形成，当轴承轴颈浮动(轴承通过阻尼器支撑在地面上)时，小球形构件则会占据轴承和壳体之间的完整圆环空间。这些球形构件可以是金属的或陶瓷的，并且通过相互摩擦起到阻尼器的作用以产生阻尼效果。分散式摩擦阻尼器表现得像是不可压缩的流体并且模拟油挤压膜阻尼器。
图3和图4示出的实施例所使用的两个摩擦阻尼器33均是由金属丝编织网状材料形成的完整360度环形摩擦阻尼器，如由Metex Corporation(www.metexcorp.com)生产的冲击和振动隔离器)。图7示出了固定在外表面上的轴承壳体和内表面上的轴颈轴承25之间的全环形摩擦阻尼器33的侧视图。该摩擦阻尼器33是圆环形的。图8示出了摩擦阻尼器的第二实施例，其中使用了三个弓形部51，它们围绕着轴颈轴承25等间距地布置。
图9示出了空气供应和通风***中的流动示意图。高压流通过配件29进入中心孔。然后它流入轴承轴颈25内的中心腔和间隙47。当需要时，一小部分高压流将通过间隙47向阻尼器41或阻尼器33提供冷却剂。而大部分高压流则在轴承轴颈25中分流；大部分流高压流中的一半将传递到位于压缩机侧的轴承，而另一半则流向位于涡轮机侧的轴承。当在静压轴承中提供升力之后，高压流将从静压轴承的中心部分离开进入流道27和轴承轴颈25之间形成的低压腔50中，然后通过流道27中的一系列孔口60进入流道27和轴13之间的腔51。在进入腔51之后，高压流流过流道27中的一系列孔口61并且逸出到涡轮机流动路径24中，并最终被排出。该空气能够为涡轮转子12的后侧提供冷却。轴承高压流的另一半则通过腔52离开并通过控制孔62排出到环境压力。
单向止推轴承34或止推活塞36中的气流从中心压力配件29分离穿过孔63并进入腔53。腔53推进止推轴承或止推活塞使气流穿过孔64并进入止推腔54。一小部分气流从腔54泄出到压缩机中。而大部分气流则泄出到腔52中并通过孔口62排出。
本领域技术人员应理解，本发明不限于上文特别示出和描述的内容。另外，除非上面提到的与之相反，否则应该注意，所有的附图均未按比例绘制。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，根据上述教导可以进行各种修改和变化，本发明的范围和精神仅受所附权利要求的限制。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于内燃机的涡轮增压器，包括：
压缩机，压缩空气以协助内燃机中的燃烧；
涡轮机，利用内燃机排出的热气体驱动压缩机；
转子，连接在涡轮增压器的压缩机和涡轮机之间；
第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承，用于沿径向可旋转地支撑转子；
第一振动阻尼器，位于轴承壳体和第一静压轴颈轴承之间；第二振动阻尼器，位于轴承壳体和第二流体静压轴颈轴承之间；
具有入口和出口的增压压缩机，该增压压缩机的入口连接到压缩机的出口，并且该增压压缩机的出口连接到第一静压轴承和第二静压轴承，用以支撑转子；以及
所述增压压缩机将来自压缩机的压缩空气的压力增压到更高以支撑转子。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述转子包括静压轴向止推轴承，所述轴向止推轴承供应有所述增压压缩机的压缩空气。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机由内燃机的动力传动轴驱动。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机由电动机驱动。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机是所述内燃机内的额外压缩气缸。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中的每一个均是金属丝网阻尼器。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中：所述第一振动阻尼器包括多个元件，多个元件封闭在所述第一静压轴颈轴承和所述轴承壳体之间形成的腔内；以及
所述第二振动阻尼器包括多个元件，所述多个元件封闭在所述第二静压轴颈轴承和轴承壳体之间形成的腔内。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中每一个的所述多个元件均是陶瓷球形的并且由陶瓷构成。
9.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中每一个的所述多个元件均是金属球形的并且由金属构成。
10.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述金属丝网阻尼器是圆环形阻尼器。
11.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中：
所述第一振动阻尼器包括多个弓形，所述多个弓形围绕第一静压轴颈轴承周向地布置；以及
所述第二振动阻尼器包括多个弓形，所述多个弓形围绕第二静压轴颈轴承周向地布置。
12.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述金属丝网阻尼器使用冷却空气冷却，所述冷却空气还用于冷却所述第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承。
13.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，用于所述第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承的压缩空气还用于冷却涡轮机转子的轮毂侧。

Claims (13)

1.一种用于内燃机的涡轮增压器，包括：
压缩机，压缩空气以协助内燃机中的燃烧；
涡轮机，利用内燃机排出的热气体驱动压缩机；
转子，连接在涡轮增压器的压缩机和涡轮机之间；
第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承，用于沿径向可旋转地支撑转子；
第一振动阻尼器，位于轴承壳体和第一静压轴颈轴承之间；第二振动阻尼器，位于轴承壳体和第二流体静压轴颈轴承之间；
增压压缩机，具有连接到压缩机的入口和连接到第一静压轴承和第二静压轴承以支撑转子的出口；以及
所述增压压缩机将来自压缩机的压缩空气的压力增压到能够支撑转子的更高压力。
2.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述转子包括静压轴向止推轴承，所述增压压缩机向所述静压轴向止推轴承供应压缩空气。
3.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机由内燃机的动力传动轴驱动。
4.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机由电动机驱动。
5.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述增压压缩机是所述内燃机内的额外压缩气缸。
6.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中的每一个均是金属丝网阻尼器。
7.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中：所述第一振动阻尼器包括多个元件，多个元件封闭在所述第一静压轴颈轴承和所述轴承壳体之间形成的腔内；以及
所述第二振动阻尼器包括多个元件，所述多个元件封闭在所述第二静压轴颈轴承和轴承壳体之间形成的腔内。
8.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中每一个的所述多个元件均是陶瓷球形的并且由陶瓷构成。
9.根据权利要求7所述的涡轮增压器，其中，所述第一振动阻尼器和第二振动阻尼器中每一个的所述多个元件均是金属球形的并且由金属构成。
10.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述金属丝网阻尼器是圆环形阻尼器。
11.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中：
所述第一振动阻尼器包括多个弓形，所述多个弓形围绕第一静压轴颈轴承周向地布置；以及
所述第二振动阻尼器包括多个弓形，所述多个弓形围绕第二静压轴颈轴承周向地布置。
12.根据权利要求6所述的涡轮增压器，其中，所述金属丝网阻尼器使用冷却空气冷却，所述冷却空气还用于冷却所述第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承。
13.根据权利要求1所述的涡轮增压器，其中，用于所述第一静压轴颈轴承和第二静压轴颈轴承的压缩空气还用于冷却涡轮机转子的轮毂侧。
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