一种涡轮增压器结构及其中间壳的制作方法

1.本发明属于内燃机的涡轮机械领域，具体涉及一种涡轮增压器结构及其中间壳。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.涡轮增压器用于从发动机排气歧管的废气中提取能量并提供能量给发动机进气歧管，提高内燃发动机的输出。
4.传统的涡轮增压器包括涡轮壳、涡轮机叶轮、涡轮轴、中间壳(轴承壳)、压缩机叶轮以及压缩机壳等零件组成，在涡轮增压器的中间壳内部包括用于可旋转地支撑涡轮轴的轴承系统(涡端轴承和压端轴承)，并且在涡轮压缩器的涡端形成有用于避免涡轮和中间壳之间发生油气窜漏密封系统。
5.由于涡轮壳与发动机排气歧管直接相连接，因此高温会从涡端传递到整个涡轮增压器。基于此，当涡轮增压器的轴承系统和涡端密封系统附近的温度超过所能承担的限值，会带来轴承系统和涡端密封系统失效，从而影响涡轮增压器的耐久性能和密封性能。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中存在的问题，提出了一种涡轮增压器结构及其中间壳，利用这种结构及中间壳，能够解决上述问题。
7.本发明提供了以下方案。
8.第一方面，提供一种涡轮增压器结构，其包括：中间壳、设置在中间壳内部的涡轮轴以及设置在中间壳和涡轮轴之间的轴承；中间壳在涡轮端设有用于容纳涡轮轴的涡端轴孔、在内部设有用于容纳轴承的轴承座，以及在涡端轴孔和轴承座之间设有空腔，空腔在靠近涡端轴孔一侧形成穹顶区域；其中，中间壳在穹顶区域上还设有沿着涡端轴孔向中间壳内部延伸形成的环形沟槽结构，沟槽结构与轴承座之间具有间隙。
9.根据本申请一实施例，沟槽结构和/或涡端轴孔的内侧表面与涡轮轴的外侧表面上设有相互配合的迷宫密封结构。
10.根据本申请一实施例，涡轮轴上的一个或多个涡端密封环槽以及安装在涡端密封环槽上的密封环被中间壳的沟槽结构所覆盖。
11.根据本申请一实施例，涡轮轴上的一个或多个涡端密封环槽以及安装在涡端密封环槽上的密封环被中间壳的涡端轴孔的内侧表面所覆盖。
12.根据本申请一实施例，涡轮轴上形成有甩油槽结构，甩油槽结构位于沟槽结构和轴承座之间的间隙内。
13.根据本申请一实施例，沟槽结构的径向壁厚s＝.～.h，沟槽结构的轴向厚度h＝.～.h；其中h为涡轮轴上的涡端密封环槽的最小轴向槽宽。
14.根据本申请一实施例，中间壳中的空腔从穹顶区域向远离涡端的方向延伸。
15.第二方面，提供一种涡轮增压器的中间壳，中间壳在其涡轮端设有用于容纳涡轮轴的涡端轴孔、在其内部设有用于容纳轴承的轴承座，以及在涡端轴孔和轴承座之间设有空腔，空腔在靠近涡端轴孔一侧形成穹顶区域；其中，中间壳在穹顶区域上还设有沿着涡端轴孔向轴承座方向延伸形成的环形沟槽结构，沟槽结构与轴承座之间具有间隙。
16.根据本申请一实施例，沟槽结构和/或涡端轴孔的内侧表面还设有密封结构，用于与涡轮轴的外侧表面上设置的另一密封结构形成相互配合的迷宫密封结构。
17.根据本申请一实施例，中间壳的沟槽结构的内侧表面形成有台阶孔，以使得沟槽结构被配置为用于覆盖涡轮轴上的一个或多个涡端密封环槽以及安装在涡端密封环槽上的密封环。
18.根据本申请一实施例，中间壳的涡端轴孔的内侧表面形成有台阶孔，以使得涡端轴孔被配置为用于覆盖涡轮轴上的一个或多个涡端密封环槽以及安装在涡端密封环槽上的密封环。
19.根据本申请一实施例，沟槽结构的径向壁厚s＝0.5～1.5h，沟槽结构的轴向厚度h＝0.4～1.0h；其中h为涡轮轴上的涡端密封环槽的最小轴向槽宽。
20.根据本申请一实施例，中间壳中的空腔从穹顶区域向远离涡端的方向延伸。
21.本申请实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：本实施例中，由于增加了该沟槽结构，涡端密封系统附近用于承受热量的材料变多，进而使热量减小向涡端密封系统处传递。并且，由于涡端轴承处流出的润滑剂会沿着穹顶区域流动，通过引入该沟槽结构增加了润滑剂和穹顶区域的接触面积，有利于将涡端传到该穹顶区域的热量通过流动的润滑剂带走，涡端密封系统的温度得以有效降低。同时，由于中间壳的沟槽结构与轴承座之间仍有一定间隙，所以涡端高温难以直接传递给轴承座，轴承系统的温度并不会显著升高。
22.应当理解，上述说明仅是本发明技术方案的概述，以便能够更清楚地了解本发明的技术手段，从而可依照说明书的内容予以实施。为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举例说明本发明的具体实施方式。
附图说明
23.通过阅读下文的示例性实施例的详细描述，本领域普通技术人员将明白本文所述的优点和益处以及其他优点和益处。附图仅用于示出示例性实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的标号表示相同的部件。在附图中：
24.图1为示例性的传统涡轮增压器的剖视图；
25.图2为根据本发明一实施例的涡轮增压器的示例性剖视图；
26.图3为图2所示出的涡轮增压器的涡端区域a的局部放大图；
27.图4为根据本发明一实施例的涡轮增压器中间壳的示例性剖视图。
28.在附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
29.下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例
所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
30.在本申请实施例的描述中，应理解，诸如“包括”或“具有”等术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不旨在排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在的可能性。
31.除非另有说明，“/”表示或的意思，例如，a/b可以表示a或b；本文中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。
32.术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.图1示出了传统涡轮增压器的示例。传统的涡轮增压器包括涡轮壳、涡轮机叶轮、涡轮轴、中间壳(轴承壳)、压缩机叶轮以及压缩机壳等零件组成。其中涡轮壳和发动机排气歧管相连接，从而使发动机废气通过涡轮机叶轮而驱动涡轮轴旋转。涡轮轴可以是包括多个部件的轴组件，其可由设置在中间壳内部的轴承系统(涡端轴承和压端轴承)可旋转地支撑，使得涡轮机叶轮的旋转引起压缩机叶轮的旋转。压缩机在这种应用下，压缩机叶轮将压缩气体输送到发动机进气歧管。由此，涡轮增压机实现从发动机排气歧管的废气中提取能量并提供能量给发动机进气歧管，提高内燃发动机的输出。
34.在涡轮压缩器中，通常由中间壳涡端部分、涡轮轴及密封环等零件构成涡端密封系统，该涡端密封系统有助于阻止润滑剂流入涡轮机叶轮中，避免涡轮和中间壳之间发生油气窜漏。
35.涡轮增压器通常在高温下工作。由于发动机废气为高温气体，且涡轮壳与发动机排气歧管直接相连接，因此高温会通过涡轮壳而传递到整个涡轮增压器。可以理解，轴承系统在温度过高时会导致积碳、磨损等失效问题。涡端密封系统的密封环对温度同样也有一定要求，温度过高会导致密封环失效，无法发挥动态密封功能。因此，若涡轮增压器的轴承系统和涡端密封系统附近的温度超过所能承担的限值，会带来轴承系统和涡端密封系统失效，从而影响涡轮增压器的耐久性能和密封性能。
36.由于涡轮端传递给整个涡轮增压器的热能是确定的，并且只能通过涡轮增压器本身的设计传递热量降低温度。而对于非水冷结构的中间壳，一般很难平衡轴承系统和涡端密封系统之间的温度，往往都是此消彼长，从而一定程度上限制了增压器的耐久或者密封性能。
37.图2示出了示例性的涡轮增压器的剖视图。图3示出了图2中的涡轮增压器的涡端区域a的局部放大图。
38.下面结合图2和图3对本发明具体实施方式作进一步的说明。
39.在图3的示例中，本实施例提供一种涡轮增压器结构，其具体为涡轮增压器的涡端组件，包括：中间壳1、设置在中间壳1内部的涡轮轴2以及设置在中间壳1和涡轮轴2之间的涡端轴承3，涡端轴承3用于可旋转地支撑该涡轮轴2。
40.中间壳1在涡轮端设有用于容纳涡轮轴2的涡端轴孔11，该涡端轴孔11具体为中间
壳1的涡轮轴孔在涡端形成的开口。中间壳1在内部设有用于容纳轴承3的轴承座12，在该轴承座12还形成有与中间壳1中的润滑剂通道相连通的润滑剂开口。润滑剂可以从该润滑剂开口流出以润滑该轴承3，并从中间壳1下方的回油槽17流出涡轮增压器。中间壳1在涡端轴孔11和轴承座12之间设有空腔13，该空腔13与回油槽17相通，且在靠近涡端轴孔11的一侧形成穹顶区域14。穹顶区域14是指中间壳1的空腔13在靠近涡轮一侧所形成的穹顶状凹面。
41.上述穹顶区域14可以理解为在中间壳1的空腔13左侧形成的类似圆顶形状的腔壁，穹顶状凹面由于其具有符合流体力学的结构设计，有利于润滑剂的流动和冷却。
42.中间壳1在该穹顶区域14上还设有沿着涡端轴孔11向中间壳内部延伸形成的环形沟槽结构15，沟槽结构15与轴承座12之间具有间隙。沟槽结构15具体可以理解为环形的凸台结构，其外侧壁与穹顶区域形成一环形沟槽，其内侧壁延伸自该涡端轴孔11的内侧壁。进一步地，中间壳1的沟槽结构15可以通过模具一体地铸造而成。
43.可以理解，传统涡轮增压器的中间壳一般并未设置如图3或图3所示的沟槽结构15。尽管可以通过在涡轮和中间壳之间设置隔热罩来减小热量传递，但是仍然会有热量从连接法兰处经过隔热罩、中间壳的涡端侧壁以及涡轮轴传递到安装有密封环的涡端密封系统处，中间壳的轴承座与中间壳的涡端侧壁之间存在间隙以用来降低涡端热量传递给轴承座，而涡端传递过来的热量会集中在中间壳的涡端侧壁，进一步增高了涡端密封系统处的温度。
44.在本申请实施例中，当采用图3所示出的具有沟槽结构15的涡轮增压器结构时，首先由于增加了该沟槽结构15，密封环4附近用于承受热量的材料变多，进而使热量减小向密封环4处传递。其次，润滑剂会沿着在中间壳1涡端形成的该穹顶区域14流动，通过引入该沟槽结构15增加了润滑剂和穹顶区域14的接触面积，有利于将涡端传到该穹顶区域的热量通过流动的润滑剂带走。因此，涡端密封系统的温度得以有效降低。
45.同时，由于中间壳1的沟槽结构15与轴承座18之间仍有一定间隙，所以涡端高温难以直接传递给轴承座12，因此轴承系统的温度并不会显著升高。
46.可以理解，在本申请实施例中，仍然可以通过在涡轮和中间壳1之间设置隔热罩5或者其他已知隔热手段来进一步减小热量传递。
47.在本申请一实施例中，沟槽结构15和/或涡端轴孔11的内侧表面与该涡轮轴2的外侧表面上设有相互配合的迷宫密封结构，以实现
48.在图3的示例中，沟槽结构15和涡端轴孔11的内侧表面与涡轮轴2的外侧表面上可以设有相互配合的迷宫密封结构。该迷宫密封结构可以由该涡端轴孔11、设置在沟槽结构15的内侧表面的台阶孔14、涡轮轴2上的两个涡端密封环槽21结构以及安装在各个涡端密封环槽21中的密封环4一起构成。该台阶孔14相较于涡端轴孔11具有更小孔径，密封环4的外径大于该台阶孔14的孔径，从而得以将该密封环4固定在台阶孔的孔口。在其他的示例中，该迷宫密封结构也可以全部形成在沟槽结构15的内侧表面，也即相较于图3中的位置更远离涡轮端。或者，台阶孔14也可以设置在涡端轴孔11的内侧表面，也即相较于图3中的位置更偏向涡轮端。
49.由于该沟槽结构15内侧表面延伸自该涡端轴孔11的内侧表面，因此该迷宫密封结构可以设置在沟槽结构15和涡端轴孔11的内侧表面上的任意合适的位置，本申请对此不作具体限制。
50.关于涡轮轴2上涡端密封环槽21以及配合安装在涡端密封环槽21中的密封环4的数量，本实施例不作具体限制，其可以是一个或多个。可以理解，密封环4越多，涡端密封效果更好。
51.在本申请一实施例中，参见图3，涡轮轴2上的一个或多个涡端密封环槽21以及安装在该涡端密封环槽21上的密封环4可以被该中间壳1的该沟槽结构15所覆盖。换言之，通过引入该沟槽结构15，使得密封环4可以向远离高温涡端的方向移动以降低温度。
52.可选地，涡轮轴2上的一个或多个涡端密封环槽21以及安装在该涡端密封环槽21上的密封环4也可以不被上述沟槽结构15所覆盖，而是仍然被该中间壳1的该涡端轴孔11的内侧表面所覆盖。
53.在本申请一实施例中，参见图3，涡轮轴2上还可以形成有甩油槽结构22，该甩油槽结构22位于该沟槽结构15和该轴承座12之间的间隙内。可以理解，通过设置在涡轮轴2上面的甩油槽结构22，更加有利于润滑剂在空腔内的流动，使得穹顶区域14附近传递过来的热量能够通过润滑剂带走，进一步减少热量。
54.在本申请一实施例中，该沟槽结构15的径向壁厚s＝0.5～1.5h，该沟槽结构15的轴向厚度h＝0.4～1.0h；其中该h为该涡轮轴2上的涡端密封环槽21的最小轴向槽宽。
55.图4示出示例性的涡轮增压器的中间壳1的剖视图。以下结合图4对本发明具体实施方式作进一步说明。
56.在图4的示例中，提供一种涡轮增压器的中间壳1，该中间壳1在其涡轮端设有用于容纳涡轮轴2的涡端轴孔11、在其内部设有用于容纳轴承3的轴承座12，以及在该涡端轴孔11和该轴承座12之间设有空腔13，该空腔13在靠近该涡端轴孔11一侧形成穹顶区域14；其中该中间壳1在该穹顶区域14上还设有沿着该涡端轴孔11向该轴承座12方向延伸形成的环形沟槽结构15，该沟槽结构15与该轴承座12之间具有间隙。
57.当使用图4所示出的具有沟槽结构15的中间壳1时，首先由于增加了该沟槽结构15，密封环4附近用于承受热量的材料变多，进而使热量减小向密封环处传递。其次，润滑剂会沿着在中间壳涡端形成的该穹顶区域流动，有利于将涡端传到该穹顶区域的热量通过流动的润滑剂带走。因此，通过使用该中间壳1，能够使得涡端密封系统的温度得以有效降低。同时，由于中间壳1的沟槽结构17与轴承座18之间仍有一定间隙，所以涡端高温难以直接传递给轴承座12，因此轴承系统的温度并不会显著升高。
58.根据本申请一实施例，该沟槽结构15和/或该涡端轴孔11的内侧表面还设有密封结构，用于与该涡轮轴2的外侧表面上设置的另一密封结构形成相互配合的迷宫密封结构。
59.根据本申请一实施例，该中间壳1的该沟槽结构15的内侧表面形成有台阶孔14，以使得该沟槽结构15被配置为用于覆盖该涡轮轴2上的一个或多个涡端密封环槽21以及安装在该涡端密封环槽21上的密封环4。
60.根据本申请一实施例，该中间壳1的该涡端轴孔11的内侧表面形成有台阶孔14，以使得该涡端轴孔11被配置为用于覆盖该涡轮轴2上的一个或多个涡端密封环槽21以及安装在该涡端密封环槽21上的密封环4。
61.根据本申请一实施例，该沟槽结构15的径向壁厚s＝0.5～1.5h，该沟槽结构15的轴向厚度h＝0.4～1.0h；其中该h为该涡轮轴2上的涡端密封环槽21的最小轴向槽宽。
62.根据本申请一实施例，该中间壳1中的该空腔从该穹顶区域14向远离涡端的方向
延伸。
63.可以理解的是，根据本申请实施例的涡轮增压器的其它构成例如涡轮机等均已为现有技术，且为本领域的技术人员所熟知，这里不再详细说明。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
65.虽然已经参考若干具体实施方式描述了本发明的精神和原理，但是应该理解，本发明并不限于所公开的具体实施方式，对各方面的划分也不意味着这些方面中的特征不能组合以进行受益，这种划分仅是为了表述的方便。本发明旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。