CN101619677A - 旋涡式气-油分离器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及旋涡式气－油分离器系统，具体而言，本发明提供了一种旋涡发生器(700)，该旋涡发生器(700)可用在将油从气－油混合物中分离出来的系统中。该旋涡发生器包括具有轮缘(525)的转盘(510)和腔(578)，轮缘(525)具有贯穿其的多个通道(521)，腔(578)由转盘(510)和腔壁(537)形成，其中，当流体通过多个通道(521)进入腔(578)时，产生旋涡(621)。

Description

旋涡式气-油分离器系统
相关申请的交叉引用
[0001]本说明书通过引用名称为“AIR-OIL SEPARATOR”的序列号11/946,103的美国申请和名称为“FREE VORTEX AIR-OILSEPARATOR”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
[0002]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旋涡式气油分离器系统，该油用于润滑和冷却燃气涡轮发动机的轴承和其他构件。
背景技术
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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和来自环境的热负荷，润滑油流必须足以带走由轴承内部地产生的热量。
[0006]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。
[0007]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。轴承通常以高负荷和高速运行，并因此通常以高温运行。供给的润滑油为轴承提供冷却。然而，在油底壳中形成的气-油混合物达到高温。在更高的温度下更难将油从气-油混合物中分离出来。
[0008]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。所希望的是有一种旋涡式气-油分离器系统，其可以在将油从气-油混合物分离出来之前冷却气-油混合物。
发明内容
[0009]一种旋涡发生器可满足上述需求，该旋涡发生器能够用在将油从气油混合物分离出来的系统中。该旋涡发生器包括转盘和腔，转盘具有轮缘，该轮缘具有贯穿其的多个通道，腔由转盘和腔壁形成，其中当流通过多个通道进入腔时产生旋涡。
附图说明
[0010]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：
[0011]图1为燃气涡轮发动机的纵轴向剖面图。
[0012]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旋涡式气-油分离器系统的示范性实施例。
[0013]图3为显示本发明的旋涡发生器的示范性实施例的透视图。
[0014]图4为显示图3中示出的旋涡发生器的横截面的透视图。
具体实施方式
[0015]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旋涡式气-油分离器系统的示范性实施例。发动机10具有纵向中心线或轴线511，以及同心地围绕该轴线511且共轴地沿该轴线511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，燃烧室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511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。
[0016]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。
[0017]内驱动轴38通过后轴承32，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542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562，该前风扇轴562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。
[0018]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542限定了轴承油底壳558。轴承油底壳558大致由外环形结构560限定，该外环形结构560与固定框架559、油底壳盖561、前风扇轴562、内驱动轴538以及旋涡发生器700相互连接。前风扇轴562相对于固定的外环形结构560随内驱动轴538一起旋转，前风扇轴562与前轴承542的内环形座圈542A连接，固定的外环形结构560与连接到前轴承542的外环形座圈542B上。尽管图2中仅示出了一种轴承(见项目542)，但也可将另外的轴承(未示出)安装在低压(LP)轴、前风扇轴562或内驱动轴538上，以支承发动机中的风扇和增压器转子或压缩机转子。与图2中示出的568类似的另外的供油导管(未示出)可以给这些另外的轴承供油。
[0019]轴承润滑油610通过供油导管568泵入油底壳558。轴承润滑油流611由喷嘴613导向前轴承542。另外的油流，例如图2中示为项目612的油流，在油底壳中的其他位置处被引导。常规圆周迷宫式或石墨的空气和油密封件，例如图2中示为项目546的密封件，被提供成靠近旋转和固定的部件，以密封轴承油底壳558，从而在轴承油底壳内维持适当的压力并防止气-油混合物从油底壳逸出。加压空气600从加压空气腔557注入以防止油通过油密封件渗漏，该加压空气腔557容纳来自空气供给系统(未示出)的空气。位于内驱动轴538和固定结构547之间的迷宫式密封件，例如图2中示为项目546的密封件，防止油从轴承油底壳558的后端渗漏。
[0020]进入轴承油底壳558的注入加压空气600的一部分必须以可控的方式从油底壳558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558中的油微粒混在一起。轴承油底壳558内的气-油混合物在图2中被示为项目620。若不分离和去除油微粒便排出气-油混合物620，将会发生大量的油的损失。
[0021]图2示出了通过使用用来将油从气-油混合物中分离的旋涡式气-油分离器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568，供油610通过该供油导管568流入油底壳。为防止油从该系统渗漏，加压空气600从加压空气腔557通过密封件进入油底壳558。在示出的该示范性实施例中，旋涡发生器700通过紧固件532刚性地连接在前风扇轴562上，紧固件532固定在前风扇轴562中的对应孔534上。旋涡发生器700还通过紧固件512刚性地连接到内驱动轴538的前端上。尽管图2中所示的这些连接采用紧固件，但也可采用任何其他适当的常规连接方式。
[0022]如将在下文进一步解释，旋涡式气-油分离器系统的示范性实施例还包括分离器腔578，在该分离器腔578中发生油微粒从气-油混合物的分离。该分离器腔578由旋涡发生器700和适当地成形的腔壁537限定。如图2所示，腔壁537可与前内驱动轴一体地形成。备选地，可单独制造腔壁537，然后使用常规连接方式将其附接在内驱动轴538的前端上。分离出的油微粒539沿分离器腔壁537的内侧径向地向外运动，并通过孔572流出分离器腔，孔572形成在分离器腔壁537的径向外部区域中。通过内驱动轴538的内部将空气排出。常规通气管(未示出)也可用于此目的。
[0023]旋转的涡轮发生器700容纳来自油底壳558的气-油混合物620，并使其流入分离器腔578，从而在分离器腔中形成旋涡621。图3中示出了旋涡发生器700的一个示范性实施例。旋涡发生器700具有绕中心线511旋转的盘510。该盘510具有位于径向外部区域517中的轮缘525。涡轮发生器700的轮缘525具有一排或多排绕圆周设置的通风孔520。通道521从通风孔520贯穿轮缘525的厚度。这些通道521的定向为这样的定向，使得从油底壳558进入这些通风孔并穿过通道521的气-油混合物被相对于中心线511沿轴向、切向和径向重新定向。典型地有多排这些孔520，各排孔位于不同的径向位置。图4示出了旋涡发生器700的径向外部区域的横截面透视图。旋涡发生器700在到通风孔520的入口处接受沿大致轴向的气-油混合物流620，并在旋涡发生器700中将其流动的方向重新定向为朝切向，并将该气-油混合物620注入分离器腔578。在图2和图3示出的示范性实施例中，分离器腔578形成在旋涡发生器700和与内驱动轴538一体形成的腔壁537之间。使用具有一排对应孔513和紧固件514的凸缘512和539连接旋涡发生器700和内驱动轴538。
[0024]在分离器腔578中，当旋转的气-油混合物旋涡621轴向地流向气孔时，该旋涡向更小半径形成旋涡。气-油混合物的该旋涡621旋转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中示为项目692)驱动更大的油微粒流向腔壁537的内部区域。
[0025]在本发明的一方面，在气-油混合物620流入分离器腔578之前通过可选地对其进行冷却进一步改善油微粒的分离。通过冷却气-油混合物使油微粒的密度增加，且结果是，通过分离器腔578中的旋涡中作用在油微粒上的离心力，更大的油微粒可更轻易地去除。冷却油底壳558中的热的气-油混合物的一种方法是，通过将其与供应到油底壳的相对较冷的油混合。这在图2示出的旋涡式气-油分离器系统的示范性实施例中示出。在所示的示范性实施例中，相对较冷的油612通过喷嘴614供应，该喷嘴614将油流导向旋转的偏转器800。当相对较冷的油流612撞击在旋转的偏转器800上时，便产生了与相对较热的气-油混合物620混合的油滴。这导致相对较冷的气-油混合物，其被吸入旋涡发生器通风孔520内。如图3所示，在该示范性实施例中，偏转器800附接在旋涡发生器700上并随之旋转。可采用任何常规方式，如紧固件，将偏转器800固定在旋涡发生器和/或前风扇轴562上。
[0026]偏转器800能够可选地包括穿过其壁的选定数量的槽/窗口，例如图3中示为项目810的槽/窗口，以将油流610的一部分传递至偏转器的内侧，从而给发动机内的其他轴承位置提供润滑油。槽810的相对大小和空间可定制，以控制穿过壁的油量，和被溅回油底壳558以冷却气-油混合物620的油量。
[0027]借助于旋转的轴腔壁537上的槽和/或孔，例如图2中示为项目572的槽和/或孔，将从气-油混合物中分离出来的油微粒从分离器室578去除。图2和3中示为项目692的去除的油流入油底壳558中。通过通气出口，例如通过常规的通气导管(未示出)，将空气粒子从分离器腔578中取除(图2中示为项目694)。备选地，可通过在旋涡发生器700上设置通道以给油提供返回油底壳558的路径，使其不会被流过旋涡发生器700的内部通道520的相对高质量流率的气-油混合物所淹没，从而将油从分离器腔578中去除。常规提取系统(未示出)将油从油底壳腔558中去除，以在油被泵送回轴承润滑系统中之前进一步处理。
[0028]如上所述，停留时间，切向速度和温度是决定将油微粒从气-油混合物分离出来的旋涡分离效果的三个重要因素。当气-油混合物620通过通风孔520时，旋转的旋涡发生器700使其切向速度增加。进入分离器腔578的气-油混合物621主要具有切向，轴向以及少量的径向动量。气-油混合物621在旋转轴线511的径向外部位置处进入分离器腔。与使用通风孔和径向塞的常规设计相比，由于处于更大半径处的切向流，该特征使得涡流621能够具有较长停留时间。这通过在旋涡发生器700的通风孔520中转动该流来赋予其沿旋转方向的切向速度分量而实现。因此，当气-油混合物620在通气孔520内流动时，除了由旋涡发生器700的旋转所赋予的切向速度，还获得了附加的切向速度。
[0029]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578中的气-油混合物中分离出来。由于空气在更大半径的外部区域位置处切向地注入，气-油混合物621在到达旋涡分离器出口之前沿长得多的路径流动，并因此气-油混合物的停留时间比常规结构的停留时间长。
[0030]图2示出了使用旋涡发生器700的旋涡式气-油分离器系统的示范性实施例，图3和图4示出了旋涡发生器700的示范性实施例。在图3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，在内驱动轴538的旋转方向的正向。在图3和图4示出的旋涡发生器700的示范性实施例中，绕圆周设有4排通风孔520，每排有大约100个通风孔。通风孔520具有约0.100英寸的直径‘D’，并在其间具有间距‘S’，对于不同的排，间距典型地在0.015英寸至0.025英寸之间变化。对于图4中示出的示范性实施例，各排之间的间隔‘H’为约0.020英寸。涡轮发生器700的轮缘525的厚度T为约0.36英寸。通风孔520接受沿大致轴向的气-油混合物流620并重新定向该流向，使得该流沿内驱动轴538的旋转方向以与切线轴线Z成角度A的大致切向流出通风孔520进入分离器腔578。一般而言，流出通道521的气-油混合物流的方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。在本发明的示范性实施例中，采用4排通风孔520，且角度A选择为大约45度，而角度B相对于轴向(X轴线)为大约45度。
[0031]在如图3所示的偏转器800的示范性实施例中，偏转器800附接在旋涡发生器700上，并随其以约3000至5000rpm的速度旋转。该偏转器具有大约0.2英寸的壁厚度，并具有12个槽，用于将油传递至其内部，从而进一步给发动机内的其他轴承位置提供润滑油。
[0032]旋涡发生器700由可承受油底壳558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)。如Inconel718的常规涡轮机转子材料可用于制造涡轮发生器700和轴538，562。涡轮发生器700可由任何已知的方法形成，例如跟以机加工的锻造，或从材料毛坯开始机加工。
[0033]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％。
[0034]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 (15)

1.一种气-油分离器系统(500)，包括：
第一区域(558)，其具有空气和油的混合物；
第二区域(578)，其中发生至少一些油从气-油混合物的分离；以及
旋涡发生器(700)，其包括盘(510)和多个通道(521)，所述盘(510)具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的轮缘(525)，贯穿所述轮缘(525)的多个通道(521)与所述第一区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通，所述旋涡发生器(700)被联接到旋转构件(538)上，使得在所述第二区域(578)内产生气-油混合物的涡流(621)。
2.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于：
所述通道(521)中的至少一些通道定向为使得从其排出的所述气-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。
3.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于：
所述第二区域(578)的至少一部分由所述旋涡发生器(700)和腔壁(537)封闭，所述腔壁(537)为旋转构件(538)的一部分。
4.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于：
所述旋转构件(538)具有与所述第一区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通的至少一个通道(572)，以将油从所述第二区域(578)去除。
5.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于：
所述旋涡发生器(700)具有与所述第一区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通的至少一个开口，以将油从所述第二区域(578)去除。
6.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于，所述气-油分离器系统(500)还包括：
附接在旋转构件(562)上的偏转器(800)。
7.根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于，所述气-油分离器系统(500)还包括：
附接在所述旋涡发生器(700)上的偏转器(800)。
8.根据权利要求6所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于，所述气-油分离器系统(500)还包括：
喷嘴(614)，其用于将油流(612)的至少一部分指向所述偏转器(800)上。
9.根据权利要求6所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于，所述偏转器(800)具有至少一个槽(810)，使得所述油流(612)的至少一部分通过所述槽(810)。
10.一种旋涡发生器(700)，包括：
转盘(510)，其具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的轮缘(525)；
贯穿所述轮缘(525)的多个通道(521)；
腔壁(537)；
腔(578)，其由所述转盘(510)和所述腔壁形成，其中，当进入所述腔(578)的流通过所述多个通道(521)进入所述腔(578)时，产生旋涡(621)。
11.根据权利要求10所述的旋涡发生器(700)，其特征在于：
所述腔壁(537)具有用于将油从所述腔(578)去除的至少一个通道。
12.根据权利要求10所述的旋涡发生器(700)，其特征在于：
所述多个通道(521)中的至少一些通道的定向成与所述旋转轴线(511)成角度。
13.根据权利要求10所述的旋涡发生器(700)，其特征在于：
所述多个通道(521)沿周向排列。
14.根据权利要求10所述的旋涡发生器(700)，其特征在于：
所述多个通道(521)排列成多个周向的排，各周向的排定位于不同的径向位置。
15.一种轴承润滑系统(400)，包括：
轴承(542)；
供油管路(568)，其给所述轴承提供润滑油；
油底壳腔(558)，其具有空气和油的混合物(620)；
加压空气腔(557)，其位于所述油底壳腔(558)外；
分离器腔(578)，其位于所述油底壳腔(558)内；以及
旋涡发生器(700)，其包括盘(510)和多个通道(521)，所述盘(510)具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的轮缘(525)，贯穿所述轮缘(525)的多个通道(521)与所述油底壳腔(558)和所述分离器腔(578)成流动连通，所述旋涡发生器(700)被联接到旋转构件(538)上，使得在所述分离器腔(578)内产生气-油混合物的涡流(621)。
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