CN102146954A

CN102146954A - 空气循环机的空气轴承轴

Info

Publication number: CN102146954A
Application number: CN2011100360732A
Authority: CN
Inventors: S·E·罗森; C·M·比尔斯; R·M·帕拉格卢斯基; M·P·劳利
Original assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Current assignee: Hamilton Sundstrand Corp
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: US20110192165A1; CN102146954B; US8475114B2

Abstract

本发明涉及空气循环机的空气轴承轴。一种空气循环机包括通过将端盖附连到中央部分形成的轴。中央部分包括空气循环机中轴承所支撑的第一直径以及与相应的端盖形成接合一部分的第二直径。第二直径小于第一直径并从中央部分的端部延伸轴向距离，使得焊接束的方向垂直于接合部位，从而提高焊接质量和制造效率。

Description

空气循环机的空气轴承轴

技术领域

本发明总体涉及用作飞机环境控制系统(ECS)的一部分的空气循环机。

背景技术

ECS将调节过的空气供给封闭空间，例如，飞机机舱和驾驶室。ACM是ECS的不可或缺的部分。传统的ACM包括至少两个涡轮机和一个压缩机，涡轮机和压缩机沿共同的轴线安装。利用多个轴件组装涡轮机和压缩机并通过连接杆组件将它们保持在一起。例如，压缩机可作为连杆安装在两个轴件之间。通常，每个轴件在单独操作中被加工至期望的公差，之后被组装到其它的轴件。

不利的是，在组件中来自每个构件的公差叠加。这经常造成ACM的轴颈支承部分未对准，并导致ACM工作过程中发生非期望的轴负载、振动以及不均衡。而且，传统的组装通常需要使用复杂和笨重的构件将轴件、涡轮机以及压缩机保持在一起，例如，连接杆和坚固的静态结构。

因此，需要开发和设计改进的ACM轴以及制造ACM轴的方法。

发明内容

本发明的ACM包括由将端部分附连到中央部分而形成的轴。中央部分包括与ACM的空气轴承接合的第一直径以及形成与相应的端部分的接合部的一部分的第二直径。第二直径小于第一直径并从中央部分的端部延伸一轴向距离，使得与焊接束的干涉被基本消除。而且，第二直径的构造使得焊接束的方向能垂直于接合部位，从而提高焊接质量和制造效率。

通过下面的说明书和附图，可更好地理解本文披露的这些特征和其它的特征。下面简要描述本发明。

附图说明

图1是用于飞机环境控制系统的空气循环机的示意图。

图2是用于空气循环机的空气轴承轴的放大图。

图3是空气轴承轴的组成部分的分解图。

图4是示例空气轴承轴的组成部分之间的接合的放大图。

图5是生产示例空气轴承轴的制造步骤的流程图。

图6是将示例空气轴承轴安装到ACM中的步骤的流程图。

具体实施方式

图1示出了环境控制系统(ECS)10的总体示意图。ECS 10包括空气循环机12，空气循环机12接收旁路空气，该旁路空气在附图标记42示意性表示的多级中被调节以产生用于飞机机舱的处于所期望的温度下的气流。尽管示例ACM12描述为在飞机ECS中使用，但其它的应用和使用将从本文中受益。

示例ACM12包括支撑压缩机20以及第一和第二涡轮机16、18的旋转的轴14。从入口26进入压缩机20中的排出空气37被压缩从而在期望的压力下离开输出出口28。通过各种装置调节从压缩机20输出的空气以改变最终被输入第一涡轮机16中的空气的性质。来自第一涡轮机16的空气从出口32中排出并通过附图标记42示意性表示的调节装置进一步调节。第二涡轮机18接收空气并将接收的空气输出到飞机机舱。

第一和第二涡轮机16、18以及压缩机20皆固定到轴14。因此，通过由气流引起的涡轮机16、18的旋转驱动压缩机20。可理解的，示例ACM12和ECS10包括用于将流向飞机机舱的空气调节到所期望的压力和温度的其它装置，例如，热交换器、冷凝器以及集水器。可利用调节装置的多种组合，并可构想到使这些组合用于示例ACM12。

示例ACM12包括带有附连到中央部分44的端部分46和48的壳体。部分44、46以及48通过紧固件50相互附连。紧固件50有利于ACM12的组装和拆卸，以实现维护的目的。

参照图2，轴14被支撑在壳体部分44、46以及48内以便绕轴线15旋转。示例轴14包括中央部分52以及焊接到中央部分52两端的第一和第二端盖54、56。推力凸缘58焊接到中央部分52的外径。推力轴承24与推力凸缘58协作来限制轴14的轴向运动。中央轴部分52包括空腔76使得中央轴部分52是中空的。轴14被轴承22A和22B支撑在壳体内。示例轴承22A和22B是箔片空气轴承。

参照图3，中央轴部分52包括位于第一端的第一轴向朝向表面80A和位于第二端的第二轴向朝向表面80B。端盖54、56包括配装到中央轴部分52的内径中的引导肩部82。随后，轴14的轴向朝向表面被焊接到端盖54、56的相应的轴向朝向表面。推力凸缘58被焊接到中央轴部分52的外表面上的相应的位置。示例推力凸缘58被附连到中央轴部分52上的中间部位，并径向向外延伸以形成与安装在壳体44内的推力轴承24相对应的表面。

参照图4，通过使中央轴部分52的轴向朝向表面80A与端盖54的轴向朝向表面94紧靠而形成端盖54与中央部分52之间的接合部88。焊接束90被大体垂直于接合部88地导向，从而形成将端盖54固定到中央部分52的焊接。示例焊接形成为围绕中央部分52与端盖54之间的接合部88的圆周的连续焊接。

中央部分52包括与端部和轴向朝向表面80A轴向间隔远离的第一直径60。中央轴部分52包括跨越长度84的第二直径62。第二直径62设为跨越在轴向朝向表面80A起始并朝向第一直径60与第二直径62之间的过渡区域延伸的轴向长度84。示例过渡区域设为跨越轴向长度74并包括径向表面。还可利用倒角和倾斜表面等其它的表面构造使较大的第一直径60过渡到较小的第二直径62。

第二直径62便于焊接束90以大体垂直于接合部88的表面的角度取向。端盖54包括与第二直径62大体相等的外径64。外径64和第二直径62可能因公差因素略微不同。然而，示例接合部88包括由附图标记86表示的在第二直径62与端盖直径64之间不超过约0.010”英寸(0.254mm)的差异。在另一实例中，附图标记86表示的差异不超过0.005”英寸(0.127mm)。通过端盖直径64与第二直径62之间的关系用于定向焊接束90。如果第二直径62与端盖直径64之间的差异过大，则焊接束90可能扭曲而不能提供期望的焊接质量。

换言之，如果直径62和64中的一者与另一者明显不同，当焊接束90以垂直于接合部的角度取向时，焊接束90将会被扭曲。在这种情况中，需要焊接束90与接合部成一定角度取向以防止焊接束发生扭曲。例如，如果焊接束90与接合部88成45度角度取向，则焊接束90将发生扭曲而不能提供期望的焊接质量和可重复性。

由于示例接合部未超过上述差异，因此，当焊接束90垂直于接合部取向时，焊接束90提供期望的焊接质量和可重复性。而且，由于焊接束90垂直于接合部取向，因此，同理，可将轴14在焊接机中安装一次，并使轴14朝向和远离焊接束90往复运动，而不需要再次定向轴14与焊接束之间的相对角度。如可预见的，如果要求焊接束90相对于接合部成一定角度取向，则仅使轴14轴向往复运动不能如将第二端盖56焊接到中央轴部分52的相对端部所需要地对准焊接束90。本发明的构造能仅使轴14或焊接束90仅轴向运动从而使焊接束90和接合部88对准。

进一步，较大的第一直径60与轴向端面80A分隔总轴向长度85，使得第一直径60不会干涉焊接束90。示例轴向间距85包括第二直径62的轴向长度84和过渡区域的轴向长度74。示例轴向间隔近似为0.050”英寸，该尺寸具有+/-0.005”英寸的公差。如所预见的，也可使用为给焊接束提供充分间隙而确定的其它间隔长度。

示例焊接接合是利用电子束(EB)焊接工艺形成的对头焊接。示例EB焊接工艺形成围绕轴14圆周的具有完全穿过中央部分52厚度的深度的连续焊接。在本发明的构想内可利用其它的焊接工艺和焊接构造。

端盖54包括在端盖54与中央部分52之间的接合部88下方设置的凹切68。端盖54还包括引导部分82，引导部分82配装到中央轴部分52的内径中以使端盖54的直径与中央部分52的直径对准。

参照图5，并继续参照图4，通过首先将端盖54和56安装到中央轴部分52的每一端而制造示例轴14。将端盖54、56安装到中央部分52包括使中央部分52的轴向朝向表面80A、80B与相应端盖54、56的相应的轴向朝向表面94A、94B紧靠。端盖54、56包括容纳于中央轴部分52的空腔76中的引导部分82。引导部分82用于使直径64和62沿圆周方向对准，使得接合部的各处均不超过附图标记86表示的公差范围。

紧靠的轴向表面横向于旋转轴线15。焊接束90与旋转轴线成90度取向或在接合部88处垂直于轴线15取向。随后，轴14在焊接束90朝向接合部88的状态下以设定的速度旋转从而形成期望的焊接。依据应用的具体参数确定焊接束90的速度和强度。进一步，示例焊接束90包括电子束，因而利用所公知的有利于电子光束焊接工艺的参数和环境。

一旦第一端盖54与中央部分52之间的接合部88已经形成，轴14沿轴向往复运动以对准包括中央部分52的轴向表面80B和第二端盖56的轴向表面94B的接合部88B。由于焊接束90垂直于轴14取向，所以仅需要轴14的轴向运动。不需要任何角度调整。而且，轴保持原始安装状态，使得之前确定的用于焊接工艺的任何数据点仍然有效。一旦轴14位于适当的位置，轴14在焊接束90执行期望的焊接操作的状态下再次旋转。

一旦端盖54、56已通过焊接而附连到中央部分52，就通过焊接操作附连推力凸缘58。如所预见的，焊接推力凸缘58需要沿大体平行于旋转轴线15的方向取向的焊接。因此，以独立于端盖54、56的焊接的工艺完成推力凸缘58的焊接。可使用另一焊接束以与用于焊接端盖54、56相同的安装方法实施用于附连推力凸缘58的工艺。可替换地，可采用与用于附连端盖54、56的工艺独立的工艺和安装方法附连推力凸缘58。

参照图1和图6，示例ACM12是在飞机上使用的ECS 10的一部分。在定期的检查和维护过程中，检查空气轴承轴和ACM12的其它部分。空气轴承轴与轴承22A、22B以及24接合。这些部件可能经受磨损，因而可能需要定期更换。在图6中示意性示出了用于更换示意性示出的空气轴承轴的步骤。这些步骤包括由附图标记96表示的拆卸壳体部分44、46、48的其中一个的初始步骤。移除壳体部分44、46、48的其中一个可能需要移除周围的飞机构件和面板以能够接近ACM 12的准备工作。可能还需要移除将空气导引到ACM12中的管道。

可能仅需要移除壳体部分44、46、48的其中一个以实现轴的移除。在任一情况中，壳体部分44、46、48通过紧固件50固定，移除紧固件50以便于ACM12的所需程度的拆卸从而实现轴14的移除。涡轮机16、18以及压缩机20皆固定到轴14，可以任选性地与轴14一起从ACM12中移除或者保留在ACM12中。在示例步骤中，涡轮机16、18以及压缩机20与轴14一起被移除。因此，通过从包括涡轮机16、18、20的ACM12中移除轴14继续执行该方法，如附图标记98所示。随后从轴14中移除涡轮机16、18、20，如附图标记100所示。之后可独立于轴14检查和处理涡轮机16、18、20。

根据本申请的公开，随后获得新轴14以及安装于新轴的涡轮机16、18、20，如附图标记102所示。如可预见的，现有的ACM可能包括不具有本文所述的特征的轴。示例方法包括移除旧轴并使用包括本申请所述特征的空气轴承轴替换该旧轴的步骤。旧轴的构造可包括或者可不包括本申请所述的特征。

如果涡轮机16、18、20未与旧轴一起被移除，则这些涡轮机也可保留在ACM中。涡轮机16、18、20可为更换部件或者也可为旧部件。在任一情况中，安装到轴14上以再次安装到ACM中的涡轮机16、18和20符合任何可应用的要求。

随后将轴14安装到壳体部分44、46、48中的至少一者中。如果尚未完成，可将涡轮机16、18以及压缩机20固定到轴14。一旦轴14被安置到适当的位置并完成任何校正或调整，则再次组装所有的壳体部分44、46、48，如附图标记106所示。通过再次安装紧固件50使示例壳体固定到彼此。该更换过程用于轴14的安装，轴14包括本申请中描述的部件(例如端盖54、56以及中央部分52)之间的关系。

所披露和描述的ACM12包括轴14的中央部分52，中央部分包括与ACM12的空气轴承接合的第一直径以及与端部分54、56中的相应一个形成接合部88一部分的第二直径62。第二直径62小于第一直径64并从中央部分52的端部延伸轴向距离84，使得与焊接束90的干涉被基本消除。而且，第二直径62相对于第一直径60和端盖54的直径64的构造能使焊接束90的方向垂直于接合部88，从而提高焊接质量和制造效率。

尽管描述了示例实施例，但本领域的普通技术人员将认识到，可在本申请披露的实例的范围内进行一定的修改。因此，应该研习下面的权利要求来确定本发明的范围和内容。

Claims

1.一种空气轴承轴，包括：

包括轴向朝向表面的中央轴部分；以及

端盖，所述端盖包括轴向朝向端部，该轴向朝向端部紧靠并焊接到所述中央轴的所述轴向朝向表面，所述中央轴和所述端盖中的一者包括：所述轴向朝向表面与所述轴向朝向端部之间的接合处的第一直径；和与所述第一直径轴向分隔一定距离的大于所述第一直径的第二直径。

2.如权利要求1所述的空气轴承轴，包括所述第一直径与所述第二直径之间的过渡区域。

3.如权利要求2所述的空气轴承轴，其中，所述过渡区域包括在与所述接合处轴向分隔开的位置处起始的半径。

4.如权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述中央轴部分包括所述第一直径和所述第二直径。

5.如权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述端盖包括附连到所述中央轴的相对端部第一端盖和第二端盖。

6.如权利要求1所述的空气轴承轴，包括附连到所述中央轴部分的两端之间的中间部位的推力凸缘。

7.如权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述端盖与所述中央轴的焊接包括电子束焊接。

8.一种空气循环机(ACM)，包括：

由中央轴部分以及附连到所述中央轴部分各端的第一端盖部分和第二端盖部分形成的轴，所述中央轴部分与所述第一端盖部分和所述第二端盖部分的每一者之间的接合处包括：在轴向朝向表面与轴向朝向端部之间的接合处的第一直径；以及与所述第一直径轴向分隔一定距离的大于所述第一直径的第二直径；

安装在所述轴上的第一涡轮机；

安装在所述轴上的第二涡轮机；

在所述第一涡轮机与所述第二涡轮机之间安装在所述轴上的压缩机。

9.如权利要求8所述的空气循环机，其中，所述中央轴部分通过电子束焊接到所述第一端盖部分和所述第二端盖部分的每一者。

10.如权利要求8所述的空气循环机，其中，所述中央轴部分包括中空的内部空腔。

11.如权利要求10所述的空气循环机，其中，所述第一端盖部分和所述第二端盖部分的每一者包括支撑所述轴上的径向负载的轴颈支承表面。

12.如权利要求11所述的空气循环机，其中，所述轴包括支撑所述轴上的轴向负载的在所述第一端盖与所述第二端盖之间的径向推力凸缘。

13.一种制造空气循环机的空气轴承轴的方法，所述方法包括步骤：

形成中央轴部分，所述中央轴部分包括位于两端的第一外径和第二外径，其中，所述第二外径小于所述第一外径；

使第一端盖的轴向表面紧靠在所述中央轴部分的一端的第一轴向表面上；

使第二端盖的轴向表面紧靠在所述中央轴部分的另一端的第二轴向表面上，其中，所述第一端盖和所述第二端盖的每一者包括与所述中央轴的所述第二外径大体相同的外径；

在所述第一端盖和所述中央轴部分的紧靠的轴向表面之间形成焊接；

在所述第二端盖与所述中央轴部分的紧靠的轴向表面之间形成焊接；以及

当在所述第一端盖和所述第二端盖上完成焊接操作之后从固定装置中移除所述轴。

14.如权利要求13所述的方法，包括将推力凸缘焊接到所述中央轴部分的所述第一外径的步骤。

15.如权利要求13所述的方法，包括使所述中央轴部分形成有内部空腔的步骤。

16.如权利要求13所述的方法，其中，在所述中央轴部分的每端上的所述第二外径在相应的轴向表面处起始，并远离所述中央轴部分的端部地轴向延伸一定距离。

17.如权利要求13所述的方法，包括形成所述第一直径与所述第二直径之间的过渡表面，其中，所述过渡表面具有半径。

18.如权利要求13所述的方法，其中，利用电子束形成所述第一和第二端盖与所述中央轴部分之间的焊接。

19.一种将空气轴承轴安装到空气循环机(ACM)中的方法，所述方法包括步骤：

移除所述空气循环机的壳体的至少一部分使得能够从所述空气循环机移除第一空气轴承轴；

从所述空气循环机移除所述第一空气轴承轴；

将第二空气轴承轴安装到所述空气循环机的移除了所述第一空气轴承轴的空间，所述第二空气轴承轴包括附连到中央部分的端盖，其中，所述中央部分包括大于第二直径的第一直径，其中，所述第二直径设置在所述中央部分的附连所述端盖的端部；以及

重新安装空气循环机的为移除所述第一空气轴承轴而移除的所述壳体的所述一部分。

20.如权利要求19所述的方法，包括如下步骤：将所述端盖与所述中央部分对准使得每个端盖的外径与所述中央部分的所述第二外径对准。

21.如权利要求20所述的方法，包括如下步骤：使用以大体垂直于所述轴的旋转轴线的角度取向的焊接束将所述端盖焊接到所述中央部分的两端。

22.如权利要求20所述的方法，其中，所述第二直径与所述端盖中的相应一个端盖的外径包括差异不大于+/-0.010”英寸的直径。

23.如权利要求19所述的方法，其中，所述中央轴的所述第二直径从所述中央轴的端部向着所述第一直径延伸一定轴向长度。