具有支持在兼容性气体轴承上的锥形轴的无油涡轮增压器轴承组件的制作方法
【专利说明】具有支持在兼容性气体轴承上的锥形轴的无油涡轮増压器 轴承组件
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于10月17日提交的并且题为"具有支持在兼容性气体轴承上的锥形 轴的无油祸轮增压器轴轴承组件（AnOil-FreeTurbochargerBearingAssemblyHaving ConicalShaftSupportedOnCompliantGasBearings.)"的美国临时申请号 61/714, 909 的优先权及所有权益。
[0003] 发明背景
[0004] 1?发明领域
[0005] 本发明涉及一种具有多个锥形转子元件的气体动压箔片轴承组件。该轴承组件用 于内燃发动机的涡轮增压器中。该轴承组件还可以被用于其他涡轮机应用中，例如小型航 空发动机。
[0006] 2.相关技术的说明
[0007] 涡轮增压器是一种与内燃发动机一起使用的强制进气系统。涡轮增压器将压缩过 的空气传送到发动机进气端从而允许燃烧更多的燃料，因此增加了发动机的马力而没有明 显地增加发动机的重量。因此，涡轮增压器允许使用较小的发动机而形成与较大的、正常吸 气的发动机相同量的马力。在车辆中使用较小发动机具有减小车辆质量、提高性能并且增 强燃料经济性的所希望效果。此外，使用涡轮增压器允许被递送至发动机的燃料的更完全 燃烧，这有助于实现更清洁环境的这一高度希望的目标。
[0008] 涡轮增压器典型地包括连接至发动机的排气歧管上的一个涡轮机壳体、连接至发 动机的进气歧管上的一个压缩机壳体、以及将该祸轮机壳体和压缩机壳体联接在一起的一 个中央轴承壳体。涡轮机壳体内的一个涡轮机叶轮是由从该排气歧管供应的排气进气流可 旋转地驱动的。可旋转地支撑在该中央轴承壳体内的一个轴将该涡轮机叶轮连接至该压 缩机壳体内的一个压缩机叶轮上，这样使得该涡轮机叶轮的旋转造成了该压缩机叶轮的旋 转。将该涡轮机叶轮与该压缩机叶轮相连接的轴限定了一条旋转轴线。当压缩机叶轮旋转 时，它增大了经由发动机进气歧管被递送至发动机汽缸的空气质量流速、空气流密度和空 气压力。
[0009] 该涡轮机叶轮和涡轮增压器的轴非常快速地旋转。涡轮增压器轴的旋转速度取决 于压缩机叶轮和涡轮机叶轮的尺寸。铝压缩机叶轮、钛压缩机叶轮以及铬镍铁合金涡轮机 叶轮的最大叶轮转速分别是560m/s、600m/s和530m/s。因此，较小的叶轮产生较高的最大 涡轮增压器旋转速度。涡轮机叶轮在高温环境中运行并且可以达到高达1922°F(1050°C) 的温度。这些热量被传递到涡轮增压器的轴和轴承壳体中。该涡轮机轴的快速旋转产生摩 擦力，这些摩擦力进一步加热轴承区域。因此，涡轮增压器需要一个低摩擦轴承组件和一种 用于冷却的流体流动。
[0010] 实际上，在极端运行条件下（高温和高的轴旋转速度），箔片轴承支持的涡轮机械 由于热管理欠佳而失效。具体而言，由于轴承系统内的热传递而产生的推力轴承滑道的热 弹性变形导致变形大于气膜厚度，这引起系统故障。推力箔片气体轴承在极端运行条件下 由于热管理方面的困难而具有低的负载能力。
[0011] 美国专利8, 189, 291涉及一种用于硬盘驱动器内的流体动压轴承（FDB)系统。一 种流体动压轴承系统可以包括一个上锥形轴承和一个下锥形轴承，这两个锥形轴承均沿一 个静止轴布置，一个磁记录盘被可旋转地安装在该轴上。该上锥形轴承和下锥形轴承可以 具有不同的锥角、直径和/或润滑油以便在该第一锥形轴承与第二锥形轴承之间产生一个 所希望的刚度差异。通过调整该流体动压轴承系统的特性以实现所希望的支承刚度比，当 该硬盘驱动器接收到一个机械冲击时，该磁记录盘经受一个持续振动的倾向会减小。通过 防止这些磁记录盘在机械冲击后免受持续振动，写入并且从这些磁记录盘中读取的数据可 能具有更大的可靠性。
[0012] 美国专利8, 181，462涉及一种排气驱动的单轴涡轮增压器，该涡轮增压器包括与 一个单一二级离心式压缩机串联的两个平行流一级离心式压缩机和一个一级涡轮机，该一 级涡轮机被安排成通过一个单轴来驱动该一级离心式压缩机和二级离心式压缩机二者，这 些压缩机和涡轮机被固定地安装在该单轴上。压缩机壳体限定一级第二叶轮的一至多个环 圆周间隔开的进气管道以及一至多个环圆周间隔开的级间管道，这些级间管道从一级的一 个无叶式扩散器通向二级的入口。根据一个实施例，一个第一轴承组件在该涡轮机与二级 离心式压缩机之间的一个位置处可旋转地支持该轴，并且一个第二轴承组件在一级离心式 压缩机与二级离心式压缩机之间的一个位置处可旋转地支持该轴。有利地，该第一轴承组 件包括多个滚珠轴承并且可以包括例如两个轴向间隔开的滚珠轴承。该第二轴承组件有利 地包括一个空气箔片轴承。
[0013] 美国专利7, 988, 426涉及一种带气门的压缩机护罩，该护罩在空气被完全压缩之 前从该压缩机护罩中获取压缩空气并且将其递送到箔片轴承中。该压缩空气具有比出口压 缩空气更低的压力和温度。更低的空气温度意味着需要从该压缩机中释放更少的空气来冷 却该箔片轴承。由于低温空气的质量流动需求减少，这增加了整个系统的效率。通过获取 处于更低压力下的空气，在压缩轴承冷却空气时损失的功更少。
[0014] 美国专利7, 553, 086涉及一种轴颈箔片轴承，该轴颈箔片轴承包括一个保持构 件，该保持构件具有一个限定轴孔的内表面，在该轴孔内可接收一个可旋转轴以用于旋转； 以及一个箔片组件，该箔片组件被附接到并且作为该内表面的衬里并且包括多个箔片子组 件，每个子组件围成该内表面的一个圆周区段。这些箔片子组件中的每个子组件可以包括 一个下层箔片，该下层箔片被夹在一个在该下层箔片的径向上向外布置的弹簧箔片与一个 在该下层箔片的径向上向内布置的顶层箔片之间，该下层箔片、顶层箔片和该弹簧箔片各 自具有一个在旋转轴的旋转方向上远离后缘的前缘，并且该下层箔片、顶层箔片以及弹簧 箔片分别沿其各自的前缘、其各自的后缘或者其各自的前缘和其各自的后缘被附接到该保 持构件上，其中该顶层箔片的曲率半径小于该下层箔片的曲率半径。还披露了支持旋转轴 的一种方法。
[0015] 美国专利7, 108,488涉及一种涡轮增压器，该涡轮增压器包括一个箔片轴承组 件，该箔片轴承组件被安装在该涡轮增压器的一个压缩机与一个涡轮机之间的中央壳体 中。该轴承组件形成一个单元，该单元从其一端处可安装到该中央壳体中并且该中央壳体 是一个一件式结构。该轴承组件包括一个布置在两个箔片轴颈轴承之间的箔片推力轴承组 件。这些轴颈箔片被安装在多个固定地安装在该中央壳体中的环形轴承座中。该推力轴承 组件的推力盘的一个径向向内部分被捕获在该涡轮增压器的一个轴与轴套之间。该中央壳 体限定了用于给这些箔片轴承供应冷却空气的冷却空气通道并且任选地包括一个水套以 用于通过该中央壳体来循环发动机冷却液。
[0016] 美国专利5, 498, 083涉及一种方法和装置，该方法和装置通过在每个垫片与由包 含这些轴承的套筒来支持的一个轴之间建立一个气体压力来增加一个三垫片兼容性气体 箔片轴承的负载能力和阻尼能力。
[0017] 发明概述
[0018] 本发明提供了一种气体动压箔片轴承组件，该轴承组件具有多个锥形转子表面和 箔片轴承垫片。气体动压箔片轴承的一个优点是与一个具有相同尺寸的刚性表面的气体轴 承相比，它提供了增加的轴承阻尼。该增加的阻尼是库伦式阻尼，该库伦式阻尼由于材料的 滞后作用以及该波形带与该顶层箔片之间还有在这些波形带与该轴承内表面之间的干摩 擦而产生。该锥形气体箔片轴承组件适合用作一个涡轮增压器轴承组件并且还可以被用于 其他涡轮机械应用中，例如小型航空发动机中。
[0019] 两个锥形转子元件在该轴上被端对端地布置以便被支持。这些锥形转子元件具有 截顶直圆锥的形状并且