CN101451467B - 气-油分离器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及气-油分离器，具体而言，本发明提供了一种气-油分离器(180)，其包括，第一区域(58)，其具有空气和油的混合物；第二区域(78)，在其中发生至少一些油从气-油混合物的分离；以及至少一个多方向喷嘴塞(290)，其位于与第一区域(58)和第二区域(78)成流体连通的旋转构件(62)上，多方向喷嘴塞(290)具有排放头(206)，排放头(206)被定向为使得从其排出的气-油混合物的至少一部分具有与旋转构件的旋转方向相切的速度分量。

Description

气-油分离器
相关申请的交叉引用
本说明书通过引用名称为“VORTEX AIR-OILSEPARATOR SYSTEM”的序列号11/946,103的美国申请和名称为“FREE VORTEX AIR-OIL SEPARATOR”的序列号11/946,111的美国申请涉及如上申请将其结合于本文，以上申请与本申请共同提交。
技术领域
本发明大致涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用来回收油的气油分离器，该油用来润滑和冷却燃气涡轮发动机的轴承。
背景技术
燃气轮机典型地包括芯部、燃烧器和高压涡轮，其中，芯部具有用于压缩进入该芯部的空气的压缩机；在燃烧器内，燃料与压缩空气混合然后燃烧以产生高能量燃气流；高压涡轮从燃气流中提取能量以驱动压缩机。在航空涡扇发动机中，位于芯部下游的低压涡轮从燃气流中提取更多能量以驱动风扇。风扇通常提供由发动机产生的主要推力。
在发动机中使用轴承来相对于压缩机中的静子以及发动机的高压、低压涡轮而精确地定位和可旋转地安装转子。轴承封在称为油底壳(sump)的发动机的油湿(oil-wetted)部分内。
为了防止轴承过热，必须提供润滑油和密封件，以防止发动机流径内的热空气到达轴承油底壳，并且，由于轴承旋转的高相对速度，润滑油流必须足以带走由轴承内部地产生的热量。
耗油量会因用来密封发动机油底壳的方法而上升。密封方法使流入和流出油底壳的空气流回路需要存在。该流中最终含有油，除非适当地将该油分离出来并送回油底壳，否则该油便不可回收。在一个具体构造中，前向发动机油底壳通过前风扇轴排出，并通过中心通气管排出发动机。一旦气/油混合物离开油底壳，该混合物形成旋涡，使油沉淀在风扇轴的内部。由于快速逸出的通风空气，当不能通过通气孔将油离心分离回油底壳时，气/油混合物中所含的油被流失。
一些常规设计考虑通过使用结合在前向风扇轴设计中的泄水孔(weep hole)对油进行回收，这些泄水孔为通道，其作用是为油再次进入油底壳提供专用路径。在另一些常规设计中，风扇轴上没有专用泄水孔，只有通风孔。一些常规设计中采用旋转轴上的渗水塞(weepplug)，渗水塞将气/油混合物径向地喷入用于分离油和气的室内，并通过渗水塞内的通道引导分离出的油。渗水塞允许气/油混合物通过渗水塞内的中心通道径向地进入分离器腔。随着气/油混合物向更小的半径形成旋涡，离心力驱动更大的油微粒回到到轴的内径，而空气通过通风出口逸出。然而，在径向入口位置和空气排出入口的轴向距离短的情况下，这些常规设计中的气/油分离非常差。由于经通风孔或渗水塞进入室的气-油混合物的高径向动量，以及到通风出口的短轴向距离，气-油混合物的旋涡运动的停留时间很短。已经发现，若旋涡运动没有足够的停留时间，从气-油混合物的油分离会很差。
所希望的是有一种气-油分离器，其既可减少气-油混合物的径向动量，又可增加气-油混合物的切向动量。所希望的是有一种气-油分离器，其可有效去除具有径向较短的油底壳的发动机系统内的油。所希望的是有一种方法，其可不用修改现有设备，而在现有油底壳结构中较高效地对油进行回收。
发明内容
一种气-油分离器可满足上述需求，该气-油分离器包括第一区域、第二区域以及至少一个多方向喷嘴塞，第一区域具有空气和油的混合物，在第二区域中，发生至少一些油从气-油混合物中的分离，多方向喷嘴塞位于与第一区域和第二区域成流动连通的旋转构件上，该多方向喷嘴塞具有排放头，该排放头指向为使得从其排出的气-油混合物的至少一部分具有与旋转构件的旋转方向相切的速度分量。
附图说明
在本说明书的结论部分具体指出被认为是本发明的主题并明确要求其权益。在以下详细描述部分，根据优选的和示范性的实施例，并结合附图介绍了本发明及其更多目的和优点，在附图中：
图1为燃气涡轮发动机的纵轴向剖面图。
图2为图1的燃气涡轮发动机的轴承油底壳区域的放大轴向剖面图，其中结合了本发明的气-油分离器系统的示范性实施例。
图3为本发明的多方向喷嘴塞的示范性实施例的透视图。
图4为本发明的气-油分离器系统的示范性实施例中的多方向喷嘴塞装置的透视图。
图5为燃气涡轮发动机的风扇前轴的一部分的横截面图，该风扇前轴具有安装在其中的本发明的多方向喷嘴塞的示范性实施例。
具体实施方式
参照附图，在各视图中相同的标记表示相同的元件，图1示出了一般地标为10的燃气涡轮发动机，其中结合了本发明的气-油分离器系统180，该系统180包括如图3至5中详细示出的多方向喷嘴塞290。发动机10具有纵向中心线或轴线11，以及同心地围绕轴线11且共轴地沿轴线11布置的外部固定环形壳体14。发动机10包括气体发生器芯部16，该芯部16包括多级压缩机18，燃烧器20和高压涡轮22，不管是单级的或多级的发动机，所有的部件都共轴地围绕发动机10的纵向轴线即中心线11以连续、轴向流的关系排列。环形外驱动轴24固定地与压缩机18和高压涡轮22相互连接。
芯部16对于产生燃烧气体是有效的。将来自压缩机18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合并点燃，由此产生燃烧气体。来自这些气体的功的一部分被高压涡轮22提取，该高压涡轮22驱动压缩机18。其余的燃烧气体从芯部16排入低压涡轮26。
内驱动轴38通过后轴承32、差速轴承40进行安装，以相对于外驱动轴24旋转，并通过合适的前轴承42与外固定壳体14相互连接。内驱动轴38又旋转地驱动前风扇轴62，该前风扇轴62又驱动前风扇转子44，并且在一些情况下，还驱动增压器转子45。风扇叶片48和增压器叶片54安装在风扇转子44和增压器转子45上，以随其旋转。
参照图2，示出了燃气涡轮发动机10的区域，在此处关于前轴承42限定了轴承油底壳58。轴承油底壳58大致由外环形结构60和前风扇轴62限定，该外环形结构60与固定框架59相互连接，前风扇轴62刚性地将内驱动轴38与前风扇转子44相互连接。前风扇轴62相对于轴承油底壳58的固定外环形结构60随内驱动轴38一起旋转，前风扇轴62与前轴承42的内环形座圈42A连接，固定外环形结构60连接到前轴承42的外环形座圈42B上。
如图2所示，可在前风扇轴62上安装附加轴承52以支承风扇/增压器转子44，45。轴承52的内座圈52A附装在前风扇轴62的后端上，而外座圈52B附装在固定支承结构61上。供油导管(未示出)给轴承52提供供油150。加压空气通过石墨密封件66进入轴承油底壳
常规圆周迷宫式或石墨的空气和油密封件64，66提供成靠近前轴承42，并位于相对地旋转的前风扇轴62和固定外环形结构60的前端之间，以密封轴承油底壳58的前端，油被泵送到前轴承42处，并因此通过供油导管68进入油底壳58。加压空气100从加压空气腔57注入空气/油密封件64以防止油通过石墨密封件66渗漏，该加压空气腔57容纳来自空气供给系统(例如增压器流径)的空气。
进入轴承油底壳58的注入加压空气100的一部分必须以可控的方式从油底壳58排出，以使油底壳压力保持适度的平衡。然而，加压空气变得与油底壳58中的油微粒混在一起。图2中将轴承油底壳58内的气-油混合物显示为项目120。若不分离和去除油微粒便排出气-油混合物120，将会发生大量的油的损失。
图2示出了通过将油从气-油混合物中分离出来以减少航空发动机的耗油量的系统的示范性实施例。该系统包括供油导管68，供油110通过该供油导管68流入油底壳。为防止油从该系统渗漏，加压空气100从加压空气腔57通过密封件进入油底壳58。旋转的前风扇轴62具有沿大致径向贯穿其厚度的一个或多个通风孔84。典型地，风扇轴62具有布置在其圆周周围范围内的多个这些孔84。如图2中的轴向截面图和图4中透视图中所示，多方向的喷嘴塞290插入旋转轴62上的通风孔84内。多方向的喷嘴塞290通过中心通道200沿径向接收气-油流140，并在塞290内将径向流重新定向为朝切向方向，然后将气-油混合物140注入分离器腔78。在图2所示的示范性实施例中，分离器腔78形成于前风扇轴62内，其范围由盖74限定，盖74用紧固件76附装在前风扇轴62上。
在分离器腔78中，在旋转的气-油混合物轴向地流向气孔时，该气-油混合物向更小的半径形成旋涡。该气-油混合物的旋涡190产生高切向速度和作用在空气和油微粒上的离心力。这些离心力径向地向外(在图2中如项目192所示)驱动更大的油微粒流向轴62的内径。通过槽，例如设置在多方向喷嘴塞290上那些槽，从分离器室78将分离的油微粒去除。也可在旋转轴62上设置槽和/孔以便于去除油。通过通风出口(如图2中示为项目80)，从分离器腔78去除空气微粒(图2中示为项目194)。从分离器腔78去除油的优选方法是，通过在多方向喷嘴塞290外侧上设置通道230，240以给油提供返回轴62的外径的路径，而使其不被流过这些塞的内部通道的相对高质量流率的气-油混合物所淹没。
如之前所述，停留时间和切向速度是决定将油微粒从气-油混合物分离的旋涡分离效果的两个重要因素。与使用常规通风孔设计或使用常规径向塞的设计相比，由于处于更大半径处的切向流，多方向喷嘴塞290提高了进入分离器腔78的气-油混合物的切向速度以及停留时间。如图4所示，通过在多方向喷嘴塞290内转动该流来赋予其沿轴旋转的方向的切向速度分量实现这一点。因此，当气-油混合物在多方向喷嘴塞290内流动时，除了由旋转轴所赋予的切向速度，还获得了附加的切向速度。
气-油混合物流的切向速度的增加导致更强的旋涡和更大的离心加速度，从而将油微粒从分离器腔78中的气-油混合物分离出来。由于空气是切向地而不是径向地注入，所以在到达旋涡分离器出口之前，气-油混合物沿长得多的路径流动，因此，气-油混合物的停留时间比常规构造的停留时间长。该新型多方向喷嘴塞290不仅具有增加离心加速度和停留时间的好处，还减小了油微粒78的初始向内径向动量，因而有助于在排出之前将油粒子去除。
图4中示出了使用周向地布置在旋转轴62中多方向喷嘴塞290的本发明的示范性实施例。在图4中，所示的X轴线代表轴向，Y轴线代表径向，而Z轴线代表切向，在轴62的旋转方向的正向。以下详细描述的多方向喷嘴塞290设置为使得各喷嘴塞容纳沿Y轴负方向径向地进入它的气-油混合物并重新定向流向，使得流沿轴62的旋转方向与切向轴线Z成角度A以大致切向的方向离开塞进入分离器腔78。通常，流出多方向喷嘴塞290的气-油混合物流的指向角度选择成相对于Z轴线具有切向分量，相对于X轴线具有轴向分量，且相对于Y轴线具有径向分量。在本发明的一个示范性实施例中，使用了24个喷嘴塞，而角度A选择为大约32度，角度B为大约58度，角度C为大约90度。尽管希望使角度A尽可能小，但大约32度的角度是优选的，以便从多方向喷嘴塞290出来的流不会撞击沿旋转方向紧靠在其之前的下一个喷嘴塞。如之前所述，由于由旋转的多方向喷嘴塞290产生的旋涡运动，油微粒从分离器腔中的气-油混合物中分离出来，并沿轴62的内表面(见图2)被径向地导出。油微粒流入塞外侧上的槽230，并回到油底壳腔58中。位于油底壳底部的常规提取系统(在图2中由项目115显示用于说明目的)将油从油底壳腔的底部去除，以在油被泵送回轴承润滑系统中之前进一步处理。
现在参照图3，多方向喷嘴塞290具有单一主体290，该单一主体290具有第一端296和第二端298，它们限定在它们之间延伸的轴线294。大致圆柱形的中心通道200轴向地从第一端296到第二端298通过主体290。具有平坦表面286的平台204设置于第一端296处。大致圆柱形的加长部分231在第一端296和远端212之间延伸。环形槽214设置在加长部分231和平台204的汇合处。当安装多方向喷嘴塞290时，平台上的平坦表面286在多方向喷嘴塞290与其他邻近结构之间提供了空隙。设于平台204下方的槽117提供了用于工具的表面，以在移除该多方向喷嘴塞290时抵靠该表面撬动。
一对槽222形成于加长部分231的相对侧。槽222始于加长部分231的远端212，并部分地向下延伸加长部分231的长度。槽222将加长部分231分成两个股(prong)224。各股224具有形成于其远端212处的一对斜切面220，位于股224的相对侧。环形突出唇226从各股224的远端212延伸。尽管所示示例中示出了两个槽222，但应注意到，在加长部分231中可形成三个或更多槽222，将该加长部分231分成三个或多个股224。在加长部分230的外表面228中形成至少一个渗漏通道(weep passage)230。渗漏通道230呈具有大致半圆形截面的槽的形态，尽管也可使用其他形状。渗漏通道230具有设置在加长部分231的远端的出口232。这样渗漏通道轴向地向平台204延伸。渗漏通道230与位于加长部分231和平台204之间的环形槽214相交。渗漏通道230与环形槽214成流动连通。平台204具有若干渗透通道240，渗透通道240位于靠近主体230的第一端296的平台204的表面上。渗漏通道240与环形槽214成流动连通。这些渗漏通道230，240和槽214有助于从来自分离器腔78的气-油混合物中分离出来的油的返回。
多方向喷嘴塞290具有排放头206，排放头206具有弯曲部分205。排放头弯曲部分205具有内部通道208，气-油混合物在进入分离器腔78前流过该内部通道208。气-油混合物202在出口孔202处被排入分离器腔78。排放头内部通道208和出口孔202被适当地成形以提供任何希望的定向角度A，B和C。在图3中示出的示范性实施例中，排放头内部通道208具有与通道内的流向垂直的大致圆形的形状。出口孔202具有与出口处的流向垂直的大致圆形的形状。
如之前所述，多方向喷嘴塞290将气-油混合物以选定的指向角度A，B和C引入分离器腔。在发动机组装期间，重要的是保证多方向喷嘴塞290沿正确的方向组装。如图5所示，这通过在平台204的侧面设置平坦表面286来实现。该平面286与风扇轴62上的凸缘88对齐。如果沿不正确的方向尝试安装多方向喷嘴塞290，该特征便会产生干涉。备选地，平坦表面286可位于多方向喷嘴塞290的其他适当位置，例如在排放头206或主体292上或其他适当的位置，以与另一适当的平面接合以避免误组装。
多方向喷嘴塞290由可承受油底壳58中常有的温度和抵抗来自发动机润滑油侵袭的材料制成，该常有的温度为约149摄氏度(300华氏度)。而且，由于风扇轴62可以是寿命有限的部件，其特性不得被危及，因此多方向喷嘴塞290必须由自身磨损而不是导致风扇轴62磨损的材料制成。此外，优选地最大程度减小多方向喷嘴塞290的重量，以大致避免发动机10内过多的重量并避免风扇轴62中的不平衡问题。一种合适的材料为可从E.I.DuPont de Nemours andCompany，Wilmington，DE 19898 USA得到的VESPEL聚酰亚胺，另一种合适的材料为可从Victrex USA Inc.，3 Caledon Court，Suite A，Greenville，SC 29615 USA得到的PEEK聚醚醚酮。通常，可采用满足上述要求的任何材料，例如铝或其他相对软的金属也可以是合适的材料。多方向喷嘴塞290可由任何已知的方法形成，例如注入模制，跟以机加工的压缩模塑近净成形(near-net shape)，或从材料毛坯开始机加工。
已经发现，对于旋涡分离器通常油分离效率趋向于随油微粒的大小而上升，对于15微米或更大的油微粒，效率可接近100％。然而，已经发现，使用常规的计算流体动量分析，本文描述的实施例对分离15微米以下的油微粒也非常有效。例如，在巡航状态下的航空发动机中，已经分析地发现对于10微米大小的油微粒，使用本发明的油分离效率超过95％，而使用常规技术的油分离效率小于20％。
尽管根据各种具体实施例描述了本发明，但那些本领域技术人员将会认识到，可在权利要求的精神和范围内以变型来实施本发明。

Claims (20)

1.一种气-油分离器(180)，包括：
第一区域(58)，其具有空气和油的混合物；
第二区域(78)，其中发生至少一些油从气-油混合物的分离；以及
至少一个多方向喷嘴塞(290)，其位于与所述第一区域(58)和所述第二区域(78)成流动连通的旋转构件(62)上，所述多方向喷嘴塞(290)具有排放头(206)，所述排放头(206)具有弯曲部分，所述弯曲部分具有内部通道，所述内部通道被定向为使得所述气-油混合物的流在所述多方向喷嘴塞内转动并且从其排出的所述气-油混合物的至少一部分具有与所述旋转构件的旋转方向相切的速度分量。
2.根据权利要求1所述的气-油分离器(180)，其特征在于：
所述第二区域(78)的至少一部分位于所述旋转构件(62)内。
3.根据权利要求1所述的气-油分离器(180)，其特征在于：
多个多方向喷嘴塞(290)沿圆周方向位于所述旋转构件(62)内。
4.根据权利要求1所述的气-油分离器(180)，其特征在于：
从所述多方向喷嘴塞(290)排出的所述气-油混合物的至少一部分具有沿所述旋转构件(62)的旋转方向的切向速度分量。
5.根据权利要求1所述的气-油分离器(180)，其特征在于：
从所述气-油混合物分离出来的油的至少一部分被引导通过位于所述多方向喷嘴塞(290)上的至少一个槽(230)。
6.根据权利要求1所述的气-油分离器(180)，其特征在于：
所述多方向喷嘴塞(290)具有用于在组装期间将其以选定的角度方向进行定位的装置。
7.一种用于降低航空发动机中耗油量的系统(185)，包括：
供油管路(68)；
油底壳腔(58)，其具有空气和油的混合物；
位于所述油底壳腔(58)的外侧的加压空气腔(57)，其将空气供入所述油底壳腔(58)；
旋转构件(62)，其至少部分地位于所述油底壳腔(58)内；
分离器腔(78)，其位于所述油底壳腔(58)内；
用于将油从所述分离器腔去除的装置；以及
至少一个多方向喷嘴塞(290)，其位于与所述油底壳腔(58)和所述分离器腔(78)成流体连通的所述旋转构件(62)上，其中，所述多方向喷嘴塞(290)具有排放头(206)，所述排放头(206)具有弯曲部分，所述弯曲部分具有内部通道，所述内部通道被定向为使得所述气-油混合物的流在所述多方向喷嘴塞内转动并且从其排出的所述气-油混合物的至少一部分具有与所述旋转构件的旋转方向相切的速度分量。
8.根据权利要求7所述的系统(185)，其特征在于：
所述旋转构件是具有安装其上的轴承的旋转轴，且其中所述分离器腔(78)的至少一部分位于所述旋转轴内。
9.根据权利要求7所述的系统(185)，其特征在于：
多个多方向喷嘴塞(290)沿圆周方向位于所述旋转构件(62)内。
10.根据权利要求7所述的系统(185)，其特征在于：
从所述多方向喷嘴塞(290)排出的所述气-油混合物的至少一部分具有沿所述旋转构件(62)的旋转方向的切向速度分量。
11.根据权利要求7所述的系统(185)，其特征在于：
从所述气-油混合物中分离出来的油的至少一部分被引导通过位于所述多方向喷嘴塞(290)上的至少一个槽(230)。
12.根据权利要求7所述的系统(185)，其特征在于：
所述多方向喷嘴塞(290)具有用于在组装期间将其以选定的角度方向进行定位的装置。
13.一种多方向喷嘴塞(290)，包括：
平台(204)；
大致圆柱形的主体(292)，其设置在所述平台(204)的第一侧(251)上，所述圆柱形的主体(292)具有纵轴线(294)和壁(228)，所述壁(228)具有内表面和外表面(261，262)，其中，所述内表面限定中心通道(200)；
排放头(206)，其设置在所述平台(204)的第二侧(252)上，所述排放头具有弯曲部分，所述弯曲部分具有内部通道，用于使气-油混合物的流在所述多方向喷嘴塞内转动，并且所述排放头还具有出口孔(210)，所述出口孔(210)具有与所述纵轴线(294)不平行的中心轴线(253)；以及
至少一个渗透通道(230)，其设置在所述壁(228)的所述外表面(262)中。
14.根据权利要求13所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述多方向喷嘴塞(290)还包括至少一个大致环形的唇(226)，所述唇(226)从所述壁(228)的所述外表面(262)径向向外地延伸。
15.根据权利要求13所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述多方向喷嘴塞(290)还包括至少两个槽(222)，该槽(222)将所述壁(228)的一部分分成至少两个纵向延伸的股(224)。
16.根据权利要求15所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，每个股(224)均具有形成在其远端(212)处相对的侧上的一对斜切面(224)。
17.根据权利要求13所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述中心通道(200)从第一端(296)到第二端(298)轴向地穿过所述主体(292)，大致圆柱形的加长部分(231)在所述第一端(296)和远端(212)之间延伸，并且环形槽(214)设置在所述加长部分(231)和所述平台(204)的汇合处。
18.根据权利要求17所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述平台(204)具有若干渗透通道(240)，所述渗透通道位于靠近所述主体(292)的所述第一端(296)的所述平台(204)的表面上。
19.根据权利要求13所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述多方向喷嘴塞还包括用于在组装期间将其以选定的角度方向进行定位的装置。
20.根据权利要求13所述的多方向喷嘴塞(290)，其特征在于，所述主体(292)包括以下的至少其中一项：VESPEL聚酰亚胺，PEEK聚醚醚酮，或者铝。
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