技术领域
[0001] 本
发明涉及
动力涡轮，主要涉及动力涡轮输出轴系。
背景技术
[0002] 使用动力涡轮对热工机械排气余压
能量进行回收是当前在机外采取措施提高系统热效率的方法之一。以柴油机为例，喷入
气缸的燃油能量有30％左右是通过排气浪费掉，可以使用动力涡轮发电技术或者是动力
涡轮机械耦合技术将废热中的能量部分转
化成电能或者机械能。转化成的电能能够并入整车的
电网，满足车载电动附件的能耗需求；动力涡轮的机械耦合是通过减速机构降速增扭，然后将动力耦合到
发动机曲轴上抑或用来驱动
水泵、
风扇等附件。
[0003] 发动机上与动力涡轮最为相近的是
涡轮增压器。涡轮增压技术在一战后从航空发动机逐渐进入车用发动机领域，目前已经成为现代
柴油发动机的标准配置之一，在原理、
硬件、使用方面都已经很成熟。国内外有很多著名的
涡轮增压器制造商为各大发动机和主机厂进行
涡轮增压器的设计、制造和匹配工作。涡轮增压器本身是一个非常紧凑、精密的设备，工作环境由于伴随着高温、振动等环境而非常苛刻。最高达20万转每分钟的转速对其制造、动平衡以及复杂环境下的转动
稳定性、润滑、
隔热等都提出了严峻的挑战。当前成熟的涡轮增压器技术已经为这些问题提供了详尽可靠的解决方案并接受了实际使用的考验。而动力涡
轮作为一种相对较新的技术，由于其主要功能和目的的不同，在设计、使用等方面也出现了不同于传统涡轮增压器的特点。
[0004] 动力涡轮输出轴端需要连接高速发
电机抑或是高速减速箱等机构，与轴端距离不远便与被驱动机构的
轴承相邻，涡轮壳中的热
流体工质产生的热
辐射和沿轴向的热传导会对被驱动件动力
输入轴端的轴承产生附件的热效应，这些附件的热效应是处于被驱动件设计时所考虑的热负荷之外，来自涡轮机的额外热负荷会导致这些轴承的失效，对实验安全及系统成本带来巨大问题和损失。动力涡轮相比涡轮增压器最大的区别在于涡轮机的负载是不同的，增压器涡轮机负载为
压气机，而动力涡轮的负载可以是高速发电机或者是减速机构(如高速减速箱)，这些负载相比压气机
转动惯量较大，且被驱动件在工作过程
中轴系会沿轴向伸缩，对轴承产生一定的轴向和径向力。此外，传统的涡轮增压器为了防止
润滑油沿轴向的窜油设置了相应的油封，而涡轮增压器一般不会出现轴向窜油的另一个重要原因是涡端和压端气体压力的平衡。两端的气压平衡有效防止了润滑油沿轴向的窜动。但是在动力涡轮系统中，由于其输出轴端并不存在带压力的流体，而直接是
大气压力。润滑油两端的压力
不平衡很容易造成润滑油沿着轴向渗出动力输出轴端。润滑油的泄露不仅会造成润滑油量的逐渐减少，泄露的润滑油对实验系统的安全等也会造成很大的隐患。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于克服已有技术的不足，提供一种可以对轴承进行有效润滑，同时能够防止润滑油沿轴向泄露以及有效隔热的动力涡轮输出轴系。
[0006] 本发明的一种动力涡轮输出轴系，它包括设置在涡轮机轴涡轮端处的
浮动轴承和设置在涡轮机轴的输出轴端的双并列
滚动轴承，在所述的浮动轴承和双并列滚动轴承外套有中间体，套装在涡轮机轴的输出轴端处的
背板紧密配合的固定在中间体位于电机侧的端面上，固定双并列滚动轴承用的轴承端盖安装在背板和中间体之间，在背板
法兰与电机壳体的法兰之间安装有两端带
定位止口的套筒，背板法兰、电机壳体的法兰与套筒通过端面配合形成一个密闭的空气室，在空气室的下端安装有一个机械放气
阀，所述的空气室与气源相连通，在所述的中间体上开有与供油路相连通的主油道、与回油管相连通的回油口以及与主油道相连通的双并列滚动轴承润滑油道，双并列滚动轴承润滑油道通过润滑支路油道直接通向双并列滚动轴承靠近涡轮机侧的滚动轴承，浮动轴承润滑油道与双并列滚动轴承润滑油道相连通并且出口直接通向浮动轴承的润滑油入口以润滑，所述的轴承端盖上开有与双并列滚动轴承润滑油道连通的润滑油入油孔以及与润滑油入油孔连通的滚动轴承润滑油道，滚动轴承润滑油道从发电机侧引导润滑油到双并列滚动轴承的发电机侧滚动轴承端面，在背板涡轮机侧上设置有多个
散热翅片。
[0007] 本发明的优点：
[0008] (1)动力输出端的双并列滚动轴承能够保证其连接的转动惯量相对较大的发电机负载稳定运转，具有较强的带载能力。
叶轮端的浮动轴承能够以较大的润滑油量带走涡壳中的废气热量。起到隔热的第一道有效屏障的作用。
[0009] (2)非对称润滑油道的设计，根据不同轴承对润滑油量的需求，特别充分考虑了润滑油除润滑之外的冷却作用，在浮动轴承处进行润滑同时带走大部分的热量。
[0010] (3)散热加强型背板上的散热翅片能够进一步将从涡轮机端热传导和热辐射带来的热量耗散掉。尽量减少热量在动力涡轮机壳上的
停留时间，减小轴承的热负荷，保证系统热安全。
[0011] (4)发电机与动力涡轮之间空气室的设计能够巧妙利用发动机气泵的压缩空气，同时结合机械放气阀的使用，维持动力输出端一定的压力，有效防止由于压差造成的润滑油轴向泄露，减少润滑油耗。
附图说明
[0012] 图1为本发明的一种动力涡轮输出轴系的整体结构示意图；
[0013] 图2a为本发明图1所示的结构中的散热加强型背板的侧视图；
[0014] 图2b为2a所示的背板的正视图；
[0015] 图2c为2a所示的背板A-A向剖视图；
[0016] 图3a为本发明图1所示的结构中的带润滑油道的轴承端盖的主视图；
[0017] 图3b为图3a所示的轴承端盖的A-A剖视图。
具体实施方式
[0018] 下面结合附图和具体
实施例对本发明作详细描述。
[0019] 如附图所示本发明的一种动力涡轮输出轴系，它包括设置在涡轮机轴涡轮端处的浮动轴承6和设置在涡轮机轴的输出轴端的双并列滚动轴承1，在所述的浮动轴承6和双并列滚动轴承1外套有中间体3，套装在涡轮机轴的输出轴端处的背板16紧密配合的固定在中间体3位于电机侧的端面上，固定双并列滚动轴承1用的轴承端盖11安装在背板和中间体之间，在背板法兰与电机壳体10的法兰22之间安装有两端带定位止口的套筒18，背板法兰、电机壳体的法兰与套筒通过端面配合形成一个密闭的空气室，在空气室的下端安装有一个机械放气阀19，所述的空气室与气源相连通，在所述的中间体3上开有与供油路相连通的主油道4、与回油管相连通的回油口9以及与主油道4相连通的双并列滚动轴承润滑油道2，双并列滚动轴承润滑油道2通过润滑支路油道直接通向双并列滚动轴承靠近涡轮机侧的滚动轴承，浮动轴承润滑油道5与双并列滚动轴承润滑油道2相连通并且出口直接通向浮动轴承6的润滑油入口以润滑，所述的轴承端盖上开有与双并列滚动轴承润滑油道2连通的润滑油入油孔27以及与润滑油入油孔27连通的滚动轴承润滑油道15，滚动轴承润滑油道从发电机侧引导润滑油到双并列滚动轴承1的发电机侧滚动轴承端面，在背板涡轮机侧上设置有多个散热翅片14。轴承端盖开通滚动轴承润滑油道的开口处可以安装有堵头，堵头安装
螺栓孔30用于安装堵头，用来防止润滑油从润滑油道向外溢出。图中7为叶轮，8为固定浮动轴承用的浮动轴承卡环，13为涡轮机轴端
花键，20为发电机轴端花键，21为连接涡轮机轴端花键和发电机轴端花键应的
联轴器。
[0020] 空气室用于防止润滑油沿轴向由于压力不平衡而导致泄露，优选的空气室的气源可来自于发动机自带的气泵17。发动机在运行过程中气泵工作，高压空气进入到空气室维持室内一定压力。机械放气阀19的作用是维持室内压力一定，在压力过高时，阀
门弹簧被压缩，阀门自动打开，气体压力降低。当降低到规定阀值的时候，弹簧形变恢复，阀门关闭。如此维持空气室所规定气体压力。室内压力与中间体内的压力平衡，防止润滑油沿轴向泄露。
[0021] 优选的浮动轴承润滑油道直径较大，浮动轴承润滑油道5直径为3mm-5mm。保证在轴系运转时候能够建立起防止轴承出现干摩擦的油膜，同时利用较大的润滑油流量带走蜗壳中废气传递过来的热量。对于滚动轴承采用相对较细的供油油道，双并列滚动轴承润滑油道2直径为2mm-3mm。在满足滚动轴承润滑需求的同时也要避免润滑油过多带来的摩擦损耗。
[0022] 作为本发明的优选的实施方式，在所述的轴承端盖与中间体的连接面上沿圆周均匀分布3个定位凸台29，在所述的中间体与轴承端盖的连接面上设置有与定位凸台配合的定位孔。这样可以保证润滑油入油孔27与中间体上的双并列滚动轴承润滑油道2保持相对
位置关系。
[0023] 优选的，背板涡轮机侧上的散热翅片厚度为1mm，在背板上以2°间隔均布，共计180片。在背板安装完成之后，翅片能够有效地将传到到背板以及涡轮机侧由于热辐射传递来的热量散失到周围大气中。
[0024] 本发明装置中针对动力涡轮所带负载转动惯量较大，且在运转过程中存在轴系的轴向和径向伸缩问题，采用了涡轮端使用浮动轴承，输出轴端使用双并列滚动轴承的布局形式。采用这种布局的好处在于，第一涡轮端的浮动轴承为了维持润滑油膜，需要相对较大的润滑油量，较多的润滑油流量能够带走废气沿轴向的热传导以及热辐射，是传统隔热板之后，防止系统热负荷过大的第二道有效屏障。双并列滚动轴承布置在输出轴端，能够确保动力涡轮轴的带载能力，且能够在高速旋转的时候保持转动稳定性。此外，滚动轴承能够承受一定的轴向和径向力，能够容忍一定限度内轴系沿轴向和径向的伸缩。
[0025] 针对动力涡轮轴承及散热需求的特殊情况，为动力涡轮设计了区别于传统涡轮增压器的不对称润滑油道。所谓非对称油道指的是对于浮动轴承仍采用传统的油道布局方式，而对于双并列滚动轴承，为了保证靠近背板侧滚动轴承的有效润滑，在
轴承盖上设置了润滑油道。该油道与中间体上的润滑油道相连，润滑油可以通过轴承盖上的润滑油道从背板侧对滚动轴承进行润滑。对于靠近涡轮机侧的滚动轴承，中间体上加工的润滑油道可直接对其进行润滑。此外，对于浮动轴承采用较粗的供油油道，保证在轴系运转时候能够建立起防止轴承出现干摩擦的油膜，同时利用较大的润滑油流量带走蜗壳中废气传递过来的热量。对于滚动轴承采用相对较细的供油油道，在满足滚动轴承润滑需求的同时也要避免润滑油过多带来的摩擦损耗。
[0026] 为了防止涡轮机端的高温热源通过轴向的热传导以及热辐射等原因会影响到高速发电机轴端的轴承，导致轴承在高温环境下不能正常工作。对动力涡轮的背板进行了重新的设计。传统的涡轮增压器背板是要用来安装压气机壳体，需要有很高的强度来承受压气机壳体的重量而使用了加强筋的设计。此处，动力涡轮背板不再需要安装压气机壳体，对其强度要求降低，可以在背板上设计更多的散热翅片来加强其散热的功能。所设计的散热翅片厚度为1mm，沿圆周方向每两度
角度一片进行布局。
[0027] 传统涡轮增压器由于压气机与涡轮端都存在气体压力，能够在一定程度上通过两端的压力平衡来抑制润滑油沿轴向的泄露。动力涡轮的动力输出端是与发电机或者
齿轮减速机构连接，因此不能够通过压力平衡来防止润滑油的轴向泄露。为此，在动力涡轮背板与高速电机之间通过两端带法兰的套筒，通过端面配合形成一个密闭的空气室。可以使用发动机的气泵作为该空气室的气源，在气室的下端安装一个机械放气阀。在空气室气体压力超过设定值时阀门即开启，维持室内压力一定。
[0028] 本发明为一种动力涡轮的轴系，包含动力输出端双并列滚动轴承，叶轮端浮动轴承的布局形式，充分考虑润滑与散热需求的非对称润滑油道，散热加强型背板以及防止润滑油轴向泄露的空气室。为动力涡轮系统的轴系
支撑、润滑、冷却、隔热、润滑油防漏问题提供了一种可靠的技术方案。
