CN100430606C - 高速悬臂离心式压缩机转子机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，主要是由一套筒(housing)、一衬套、多个轴承、一传动轴及一叶轮构成，适于连接一动力输出机构。其中，套筒具有一第一侧边、一第二侧边、一中央孔洞及多个环形肋部，而衬套配置在套筒内，并与其中的一环形肋部互相接合，又轴承配置在衬套内，且传动轴穿过这些轴承，并在传动轴的一端连接一涡轮引擎，使涡轮引擎与第二侧边结合，另一端连接叶轮，使叶轮位于第一侧边，并经由动力输出机构带动传动轴转动而连动叶轮转动。

Description

高速悬臂离心式压缩机转子机构

技术领域

本发明涉及一种转动机构，且特别是一种高速悬臂离心式压缩机转子机构。

背景技术

一般客机或战机引擎激活除可使用机体内建的辅助动力系统外，另一选择即使用气源车。由气源车提供的高压气源输入客机或战机引擎内的空气涡轮(air turbine)，空气涡轮受高压气流带动而产生轴功，进而带动飞机引擎主转轴至点火转速以上，此时驾驶员再使飞机引擎点火，此刻气源车即完成飞机引擎激活程序。

所以，气源车的设计目的在于提供压缩空气，使停机的飞机再激活引擎，或引擎维修时，需要带动引擎转动所需的高压气源的一种地面辅助动力系统，其构造及功能与飞机的辅助动力系统(APU)相仿。而气源车能够提供气流量的多寡，与其所配备的涡轮引擎及空气负载压缩机更是息息相关，之后，再将气流量藉由供气软管，将压缩气体输送至飞机引擎。

图1为习知压缩机的转动机构的剖面示意图。请参考图1，习知压缩机的转动机构100主要由一本体102、二个轴承104、106及传动轴110所构成。其中，本体102的中央具有一孔洞(未绘示)及环绕在孔洞周围的叶轮108，而轴承104、106系位于叶轮108的两侧，并配置于中央孔洞内，且使传动轴110穿过这些轴承104、106，而传动轴110连接一动力输出机构(未绘示)。

承上所述，习知压缩机的转动机构100尚具有一进气道112及一气管114，其系环绕在孔洞的外围，而叶轮108系配置于进气道112中，但是叶轮108的体积并未占据整个进气道112，其系大部分位于进气道112的后半段。习知的二个轴承104、106包括一球轴承及一可沿轴心滑动的滚柱轴承，并且在两个轴承104、106的外围尚有一机械油封116包围，以避免润滑油外溢。故当传动轴110连接一动力输出机构的动力输出传动轴而转动时，动力输出机构例如涡轮引擎，其将带动叶轮108转动，外部气体将经由进气道112被吸收，再经过叶轮108增压后，最后从气管114排出增压的气源。

然而，习知压缩机的转动机构在运作过程中，仍有以下不便利性存在：

1.叶轮置于球轴承与滚柱轴承之间，因此叶轮在转动时，轴承润滑油容易渗入压缩空气中，除了对飞机引擎长久有不良影响外，更容易对客舱空调的空气造成油滴污染，而威胁旅客的健康。

2.习知压缩机的转动机构缺少油膜阻尼或一阻尼器，因此不容易解决机械振动的困扰。

3.习知压缩机的滚柱轴承其操作转速受到限制，无法提高至工作转速(33000rpm)

发明内容

本发明的目的是提供一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，其能够因应飞机引擎激活所需的压缩气源，及供给客舱空调所需的气源。

本发明的另一目的是提供一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，其能够有效解决传动轴在高速转动(33000rpm)时的振动困扰，并使传动轴的临界转速避开工作转速范围(28000～33000rpm)。

本发明的又一目的是提供一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，其能够使叶轮的组装容易。

为达上述目的，本发明提出一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，主要由一套筒、一衬套、多个轴承、一传动轴及一叶轮构成，适于连接一动力输出机构，动力输出机构例如是涡轮引擎。其中，套筒具有一第一侧边、一第二侧边及内部多个环形肋部，而衬套配置于套筒内，并具有一底座及一壳体，且底座与多个环形肋部其中之一第一环形肋部互相接合。多个轴承配置于衬套的内径，并且传动轴穿过轴承的内径，而轴承的一端与叶轮连接，使叶轮位于第一侧边，而传动轴的另一端与动力输出机构的动力输出传动轴连接，使动力输出机构位于第二侧边。油膜阻尼其配置于第二轴承与衬套的第二端之间。

本实施例中，衬套具有一底座及一壳体，壳体具有一第一端、一第二端及一中间部，中间部连接第一端与第二端，又壳体的第一端与底座相连，第一端、第二端及底座的内径相等，且底座的外径大于壳体的外径，又底座及中间部各具有多个贯穿孔，底座并与套筒的第一环形肋部互相锁合，而壳体的外径与第一环形肋部及第二环形肋部互相邻接，壳体的中间部的内径具有多个环形突部，这些环形突部各具有多个贯孔，且在互相对应的这些贯孔内配置一弹性体及一插销，而插销配置于弹性体内，弹性体例如是弹簧。

本实施例中，其中多个轴承包括一第一轴承及一第二轴承，又第一轴承系配置于壳体的第一端及底座的内径，且第一轴承具有一轴承外环，其顶压其中的一环形突部的一端，并受这些弹性体的顶压，而第二轴承配置于壳体第二端的内径，且第二轴承亦具有一轴承外环，其顶压另一环形突部的一端，而且亦受这些弹性体的顶压，而轴承例如为球轴承。

本实施例中，多个甩油器为一第一甩油器、一第二甩油器及一第三甩油器，甩油器为一具有圆形突起的环形体，第一甩油器系配置于传动轴外径的环形突起与第一轴承之间，而第二甩油器与第三甩器系互相相邻，并且第二甩油器与第二轴承互相相邻，而第三甩油器与叶轮相邻。而多个甩油槽配置于套筒内，并与甩油器相邻，又排油道连接甩油槽与漏油槽。

本实施例中，多个油封为一第一油封及一第二油封，第一油封配置于第二甩油器圆形突起的外径，并与第三环形肋部互相接合，第二油封配置于第三甩油器圆形突起的外径，并与第四环形肋部互相接合。

本实施例中，套筒还具有多个甩油槽、多个排油道及一漏油槽，这些甩油槽包括一第一甩油槽及一第二甩油槽，而第一甩油槽是由套筒、第一油封、第二甩油器及第二轴承所围成的环形空间，而第二甩油槽是由套筒、第二油封、第三甩油器及第一油封所围成的环形空间，而漏油槽位于套筒与衬套的壳体之间，又多个排油道连接多个甩油槽与漏油槽，且多个排油道成环状分布。

本实施例中，叶轮背板还具有一圆形突部，而在叶轮背板的表面配置一气封。叶轮背板中心具有一突起的多边形凸部，而传动轴靠近叶轮背板的一端，亦相对应地具有一多边形凹部，当欲结合叶轮与传动轴时，使突起的多边形凸部紧配合多边形凹部。

本实施例中，套筒还具有多个小孔，其位于套筒的背部，可插入多根管件，并延伸至轴承附近，而对轴承喷润滑油。

本发明采用高速悬臂离心式压缩机转子机构，使叶轮配置于两轴承的侧边，不仅在组装上较容易，且降低传动轴的临界转速，使临界转速远低于工作转速。

为了标语进一步了解本发明的特征、目的及功能，下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明。

附图说明

图1绘示为习知压缩机的转动机构的剖面示意图；

图2A为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构剖面示意图；

图2B为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其弹性体及插销示意图；

图2C为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其油膜阻尼放大示意图；

图3为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其传动轴具有键槽的一端的示意图；

图4A为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其传动轴具有多边形凹槽的示意图；

图4B为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其叶轮背板中心具有一凸出的多边形凸部剖面示意图；

图5为本发明一较佳实施例的具有侧突叶轮的转动转构其衬套的示意图；

图6为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其轴承的示意图；

图7为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其甩油器的示意图；

图8为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其油封的示意图。

附图标记说明：100、200-转动机构；102-本体；104-球轴承；106-滚柱轴承；108、212-叶轮；110、210-传动轴；112-进气道；114-气管；116-机械油封；202-套筒；204-衬套；205-轴承外环；206-第一轴承；207-轴承内环；208-第二轴承；209-轴承球体；210-传动轴；211-键槽；213-多边形凹部；214-动力输出机构；215-叶轮背板；216-第一侧边；217-空气流道；218-第二侧边；219-多边形凸部；220-第一环形部；222-第二环形部；224-第三环形部；226-第四环形部；228-动力输出传动轴；230-底座；232-壳体；234-第一端；238-第二端；236-中间部；240-环形突部；242-贯孔；244-弹性体；246-插销；250-油膜阻尼；252-第一甩油器；254-第二甩油器；256-第三甩油器；258-圆形突起；260-环形突起；262-气封；264-管件；270-第一油封；272-第二油封；276-贯穿孔；278-圆形突部；277-穿孔；280-第一甩油槽；282-第二甩油槽；284-排油道；286-漏油槽。

具体实施方式

图2A是本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构剖面示意图，图3是本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其传动轴具有键槽的一端的示意图，图4A是本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其传动轴具有多边形凹部的示意图，图4B是本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其叶轮背板中心具有一凸出的多边形凸部剖面示意图。请同时参考图2A、图3、图4A及图4B，本实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构200主要由一套筒202、一衬套204、二个轴承206、208、一传动轴210及一叶轮212构成，适于连接一动力输出机构214，而动力输出机构214例如是涡轮引擎。其中，套筒202具有一第一侧边216、一第二侧边218及多个环形肋部，而多个环形肋部为一第一环形肋部220、一第二环形肋部222、一第三环形肋部224及一第四环形肋部226。并且在套筒202内配置一衬套204，并在衬套204的内径配置二个轴承206、208，例如为球轴承，然后，传动轴210再配置于二个轴承206、208的内径，而传动轴210的一端设计成具有键槽211的形式，并与一联轴器266连接，联轴器266另一端再与动力输出机构214的动力输出传动轴228连接。又传动轴210另一端以多边形凹部(polygon type)213与叶轮背板215中央所具有的突起的多边形凸部219互相对应连接。当叶轮212配挂于传动轴210时，再施以力矩逼紧，使叶轮212与传动轴210于轴方向固定，并且于高速旋转时，因多边形耦合而更加紧密。

图2B为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其弹性体及插销示意图，图2C为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其油膜阻尼放大示意图，图5为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其衬套的示意图。请同时参考图2A、图2B、图2C及图5，本实施例的衬套204，具有一底座230及一壳体232，壳体232位于底座230的上方，壳体232具有一第一端234、一第二端238及一中间部236，中间部236连接第一端234与第二端238，而壳体232的第一端234与底座230相连；第一端234、第二端238及底座230的内径相等，而中间部236的内径具有二个环形突部240，因二个环形突部240各具有多个贯孔242，并且在互相对应的贯孔242配置一弹性体244及一插销246，并且插销246位于弹性体244内部，使弹性体244保持直线伸缩，弹性体244例如是弹簧。而底座230及壳体232各具有多个贯穿孔276，并利用贯穿孔276使底座230与套筒202的第一环形肋部220互相锁合。而壳体232的第一端234及第二端238的外径与第一环形肋部220及第二环形肋部222互相邻接，使得壳体232能稳定地被支撑。本实施例的衬套204的底座230利用一环螺丝固定于第一环形肋部220，而第二端238则自由悬浮，其目的在于自由悬浮的第二端238可于传动轴210旋转时具有自由对心的功能。

图6为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其轴承的示意图。请同时参考图2A、图2B、图5及图6，本实施例包括一第一轴承206及一第二轴承208；第一轴承206配置于衬套204的第一端234及底座230的内径，并且与环形突部240的一端互相接触，然而因环形突部240的贯孔242配置有弹性体244，故弹性体244亦顶压第一轴承206，而第二轴承208配置于第二端238的内径，其与另一环形突部240的一端互相接触，同样地，第二轴承208亦受弹性体244的顶压。本实施例的二个轴承206、208受环状排列的多个弹性体244的顶压，以确保轴承滚珠于工作转速时保持适当的接触角。又本实施例的套筒202背部具有多个小孔，用以插入多个管件264，使润滑油经由管件264而喷向轴承206、208并润滑。

值得注意的是，当动力输出机构214高速旋转时，叶轮212因气动而产生向前些许的轴向位移，致使整个传动轴210往前，导致轴承内环207向前拖曳，使轴承球体209产生一顺时针方向的力矩，因而轴承球体209与轴承内环207、轴承外环205的接触角会与原设计值不同，故为保持正确的接触角，所以于两轴承208、209间装置多个弹性体244，以产生适当的力矩。

本实施例的衬套204的中间部236设计为具有指状的穿孔277，用以降低第二轴承208的刚性。另本实施例的第二轴承208与衬套204的第二端238之间的微小间隙，注入一具有压力的润滑油，而形成油膜阻尼250，此油膜阻尼250需具备适当的压力及流量，以支撑部分叶轮212端重量及吸收传动轴210旋转所造成的振动，并且可使整体刚性下降至工作转速为33000rpm时的自然频率的40％，以确保衬套204不会因工作转速而产生共振。所以，本实施例由于油膜阻尼250效益加上具有多个指状的穿孔277的衬套204的使用，可使第二轴承208的有效刚性减小、系统的自然频率下降，以避开本实施例的转动机构200的操作转速范围。

图7为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其甩油器的示意图。请同时参考图2A、图6及图7，本实施例的多个甩油器，为一第一甩油器252、一第二甩油器254及一第三甩油器256，而甩油器为一具有圆形突起258的环形体，而第一甩油器252配置于传动轴210外径的环形突起260与第一轴承206之间，而第二甩油器254及第三甩器256互相相邻，并且第二甩油器254与第二轴承208互相相邻，而第三甩油器256与叶轮212相邻。

图8为本发明一较佳实施例的高速悬臂离心式压缩机转子机构其油封的示意图。请同时参考图2A、图7及图8，本实施例的多个油封为一第一油封270及一第二油封272，第一油封270配置于第二甩油器254圆形突起258的外径，并与第三环形肋部224互相锁合，而第二油封272配置于第三甩油器256圆形突起258的外径，并与第四环形肋部226互相锁合。又本实施例的叶轮背板215具有一圆形突部278，其平行于传动轴210，故为减少压缩空气流至叶轮背板215所产生的背压，所以另在圆形突部278的表面装置一气封262。并且在气封262以下的叶轮背板215与套筒202之间预留数道空气流道217，以紧急排放因气封262失效瞬间注入叶轮背板215的高压空气。而前述两道迷宫式油封270、272的设计，乃为确保无油污泄漏至空气流道217。

请同时参考图2A、图6、图7及图8，本实施例的转动机构200还具有一第一甩油槽280、一第二甩油槽282、多个排油道284及一漏油槽286。第一甩油槽280是由套筒202、第一油封270、第二甩油器254及第二轴承208所围成的环形空间，而第二甩油槽282是由套筒202、第二油封272、第三甩油器256及第一油封270所围成的环形空间。当第二轴承208完成润滑后，润滑油受第二甩油器254及第三甩油器256的作用，将润滑油径向排至第一甩油槽280及第二甩油槽282，其中，每个甩油槽各连接三个排油道284，并且排油道284成120度的环状分布，的后，润滑油经由排油道284而流至漏油槽286。此设计的目的在于防止甩油槽充满润滑油时，传动轴210可能会产生非线性及破坏性的振动。

在上述较佳实施例中，叶轮配置于两轴承的一侧，然而上述仅为举例说明，并非用以限定本发明的叶轮型态及装设的位置，任何本领域熟练技术人员应可推知本发明的叶轮亦可以装置在其它位置。同样地，本实施例的轴承亦可以是其它轴承的结构。

综合以上所述，本发明的高速悬臂离心式压缩机转子机构至少具有下列优点：

1.本发明的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其叶轮悬挂于两轴承之外，且采用两到油封及一道气封，可完全杜绝轴承润滑油污染空气流道。

2.本发明的高速悬臂离心式压缩机转子机构，采用油膜阻尼及衬套并混合使用，以减少传动轴的刚性，使临界转速降至8000rpm左右，避开传动轴的工作转速范围(28000～33000rpm)。

3.本发明的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其叶轮悬挂于两轴承之外，使叶轮拆装容易。

唯以上所述为本发明的较佳实施例，当不能以此限制本发明的范围。凡依本发明权利要求所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围的，都应视为本发明的进一步实施。因此本发明的保护范围当视后附的权利要求界定为准。

Claims (10)

1.一种高速悬臂离心式压缩机转子机构，适于连接一动力输出机构，包括：

一套筒，具有一第一侧边、一第二侧边及内部数个环形肋部；

一衬套，配置于该套筒内部，具有一底座及一壳体，该底座与这些环形肋部其中之一接合；

复数个轴承，配置于该衬套内部；

一传动轴，配置于该轴承内部；以及

一叶轮，连接该传动轴，并且位于该套筒的第一侧边；

至少一个轴承与所述的衬套之间配置有一个油膜阻尼。

2.如权利要求1所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该环形肋部包括一第一环形肋部、一第二环形肋部、一第三环形肋部及一第四环形肋部。

3.如权利要求2所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该衬套的该壳体与该底座互相连接，且该底座的外径大于该壳体的外径，又该壳体具有一第一端、一第二端及一中间部，该中间部连接该第一端与该第二端，该壳体的第一端与该底座相连，该第一端、该第二端及该底座的内径相等，而该底座及该中间部各具有数个贯穿孔，而该底座并与该套筒的该第一环形肋部互相接合，而该壳体的外径与该第一环形肋部及该第二环形肋部互相相邻，且该壳体的该中间部的内径具有数个环形突部，这些环形突部具有数个互相对应的贯孔。

4.如权利要求3所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该机构还具有数个弹性体及复数个插销，这些弹性体配置于这些贯孔内，而这些插销配置于这些弹性体内，该弹性体包括弹簧。

5.如权利要求4所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中这些轴承包括一第一轴承及一第二轴承，又该第一轴承配置于该壳体的该第一端及该底座的内径，且第一轴承具有一轴承外环，其顶压这些环形突部其中之一的一端，并亦受这些弹性体的顶压，该第二轴承配置于该壳体的该第二端的内径，且该第二轴承亦具有一轴承外环，其顶压另一这些环形突部的一端，并亦受这些弹性体的顶压，而这些轴承包括球轴承。

6.如权利要求5所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中所述的油膜阻尼配置于该第二轴承与该衬套的第二端之间。

7.如权利要求5所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该机构还具有数个甩油器及复数个油封，其为一第一甩油器、一第二甩油器及一第三甩油器，而甩油器为一具有圆形突起的环形体，而该传动轴外径具有一环形突起，第一甩油器配置于该环形突起与该第一轴承之间，第二甩油器与该第三甩器互相相邻，并且第二甩油器与该第二轴承互相相邻，而第三甩油器与该叶轮相邻，这些油封为一第一油封及一第二油封，该第一油封配置于该第二甩油器圆形突起的外径，并与该第三环形肋部互相接合，该第二油封配置于该第三甩油器圆形突起的外径，并与该第四环形肋部互相接合。

8.如权利要求7所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该套筒还具有数个小孔，可插入数个管件，并延伸至轴承附近，经由管件可提供润滑油于这些轴承。

9.如权利要求8所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该套筒还具有数个甩油槽、数个排油道及一漏油槽，这些甩油槽包括一第一甩油槽、一第二甩油槽，该第一甩油槽是由套筒、第一油封、第二甩油器及第二轴承所围成的环形空间，而第二甩油槽是由套筒、第二油封、第三甩油器及第一油封所围成的环形空间，而漏油槽位于该套筒与该衬套的壳体之间，又这些排油道连接这些甩油槽与该漏油槽，且这些排油道成环状分布。

10.如权利要求1所述的高速悬臂离心式压缩机转子机构，其中该机构还包括至少一气封，而该叶轮背板还具有至少一圆形突部，该气封位于该环形突起的表面，又叶轮背板中心具有一突起的多边形凸部，而传动轴靠近叶轮背板的一端，亦相对应地具有一多边形凹部，当结合该叶轮与该传动轴时，使突起的多边形凸部紧配合该多边形凹部。

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