CN102536913B - 空气循环机内的轴承冷却控制 - Google Patents

空气循环机内的轴承冷却控制 Download PDF

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Abstract

本发明涉及空气循环机内的轴承冷却控制。一种空气循环机，具有容纳压缩机部分和涡轮机部分的壳体，涡轮机部分具有膨胀区域，还有设置在壳体外侧的风扇部分。连接至压缩机部分、涡轮机部分和风扇部分并与这些部分同轴的轴杆由空气轴颈轴承和空气止推轴承支撑。轴杆具有中空的轴芯用于输送来自空气轴颈轴承和空气止推轴承的冷却空气，还有管路，其伸入所述膨胀区域内并将冷却空气从涡轮机膨胀区域送往空气止推轴承。

Description

空气循环机内的轴承冷却控制
技术领域
本申请涉及装在空气循环机内的空气轴承，并且更具体地涉及使空气轴承能够冷却的气封件。
背景技术
空气循环机是已知的并且可以包括由压缩空气驱动的离心压缩机和降低压缩空气温度的离心涡轮机。涡轮机的输出被用作调节供气以用于待调节的空间或部件。
发明内容
根据本文中提供的示例，一种空气循环机具有容纳压缩机部分、和具有膨胀区域的涡轮机部分的壳体，以及设置在壳体外侧的风扇部分。连接至压缩机部分、涡轮机部分和风扇部分并与这些部分同轴的轴杆由空气轴颈轴承和空气止推轴承支撑。轴杆具有中空的轴芯用于输送来自空气轴颈轴承和空气止推轴承的冷却空气。轴杆还在其后部具有前开口和后开口用于将冷却空气送入中空的轴芯内。管路伸入膨胀区域内并将冷却空气从涡轮机膨胀区域送往止推轴承和轴颈轴承。
根据本文中提供的示例，一种用于空气循环机的前轴承装置具有密封件，密封件具有平坦的外部，一对平行侧面，侧面通过倾斜面连接至平坦的内部。内部平行于外部，从而在其间形成一定厚度。圆柱状引导件被设置在空气循环机壳体内并且具有用于接收密封件平坦外部的平坦区域。引导件具有内径，其中前引导件的内径与密封件的厚度之比为20.09-15.05:1。
根据本文中提供的示例，一种用于空气循环机的后轴承装置具有引导件、密封件和密封台。密封件包括具有第一宽度的平坦的外部，通过第一倾斜壁连接至平坦内部的第一侧面的第一侧壁，具有比第一宽度更宽的第二宽度的平坦内部，通过第二倾斜壁从内部的第二侧面径向向外延伸的第二侧壁，连接至第二侧壁并且向第一侧壁轴向延伸的延长段，和从延长段延伸并连接至平坦的外部的倒圆部分。引导件为圆柱状并且设置在空气循环机壳体内。引导件具有用于接收密封件平坦外部的平坦区域并且具有内径，其中前引导件的内径与密封件的厚度之比为10.33-8.03:1。
根据本文中提供的示例，一种空气循环机具有弯曲管路，其具有沿弯曲中心轴线的长度和沿弯曲中心轴线的宽度。中心轴线沿其上部以0.500±0.04英寸(或1.3±0.1厘米)的半径R弯曲并且管路的长度与宽度之比为1.456-1.657:1。
根据本文中提供的示例，一种用于空气循环机的轴杆具有中空主体，从中空主体径向延伸的前凸缘，前凸缘具有设置在其上的第一组多个径向延伸齿以用于与密封件配合，与主体内部连通的第一开口，接近于第一开口并且在第一开口后方的齿，该齿形成对沿轴杆流动的空气的屏障并且促使空气流入第一开口内，该齿后方的第二开口和第二开口，以及该齿、第二开口和第一开口后方的第二组多个齿，其中多个齿形成对沿轴杆流动经过上述接近于第一开口并且在第一开口后方的齿的空气的屏障并且促使空气流入第一开口内。
根据本文中提供的示例，一种用于空气循环机的涡轮机壳体具有容纳压缩机部分和涡轮机部分的外壳，以及容纳中空轴杆的内壳，并且在内壳和外壳之间界定出膨胀区域。内壳具有前引导件和后引导件，前引导件具有第一内径，后引导件具有第二内径，其中前引导件的内径和后引导件的内径之间的比值为1.668-1.664:1。前引导件和后引导件均在其轴向边缘具有半泪滴形的凹口。
根据本文中提供的示例，一种将密封件装入空气循环机内的方法包括以下步骤：提供第一密封件，其具有被设置用于啮合旋转面的外径和厚度，其中外径和厚度之间的比值为20.09-15.05:1，提供具有第一引导件的壳体，第一引导件具有内径，并且将第一密封件压入第一引导件内。
根据以下的说明内容和附图可以更好地理解本发明的这些以及其他的特征，以下就是简要说明部分。
附图说明
图1示出了装有多个轴承密封件的空气循环机的示意图。
图1A示出了沿图1中的A-A线截取的轴承密封件布置的示意图。
图1B示出了沿图1中的B-B线截取的轴承密封件布置的示意图。
图2是在图1的空气循环机中使用的管路的透视图。
具体实施方式
图1,1A和1B示出了一种示例性空气循环机20(“ACM”)，其可以被装入交通工具例如飞机、直升飞机或基于陆地的交通工具(未示出)的空气供应系统内。ACM 20包括压缩机部分24、涡轮机部分26和风扇部分28，这些部分通常都按照分段围绕主轴30设置。压缩机部分24包括压缩机转子32。涡轮机部分26包括涡轮机转子34，并且风扇部分28包括风扇转子36。压缩机转子32、涡轮机转子34和风扇转子36被固定在分段的主轴30上，主轴30在其内具有轴向延伸的连杆37用于随主轴一起围绕轴线A共同旋转。
主轴30的前部38具有通向周围环境的多个开口40并连接至风扇转子36。主轴的后部42连接至主轴30的前部38并具有从其主体46伸出的圆形的径向延伸凸缘44以与前引导件48相配合。凸缘44具有从其伸出的与设置在前引导件48上的前密封件50(例如壳体90上的平坦区域)对准的三个齿45。每一个齿45都具有大致为三角形的截面，并且高度标称值为0.045英寸(0.114厘米)，具有0.010英寸(0.025厘米)宽的平坦上部49。每一个齿45的高度与宽度之比大约为4.5:1。主体46的后部62具有在齿66前方伸入主体46内的第一开口64、在齿66后方伸入主体46内的第二开口68以及在开口68后方的第二组多个齿70。齿66和第二组多个齿70与安装在后引导件72上的后密封件71对准，正如将在本文中讨论的那样。齿66和包括具有大致为三角形截面的五个齿的第二组多个齿70高度标称值为0.045英寸并且具有0.010英寸(0.025厘米)宽的平坦上部51。每一个齿66,70的高度与宽度之比大约为4.5:1以确保正确的空气量可以透过从而可以如下文中所述的那样冷却轴承。
ACM 20具有后壳体(例如外壳)74，其中容纳有后空气轴颈轴承76、前引导件48和后引导件72、涡轮机部分26、压缩机部分24、主轴30的后部42以及空气止推轴承78。前壳体80容纳有主轴30的前部38、前空气轴颈轴承82和前气封件82。前壳体80和后壳体74通过螺栓86连接在一起并且界定出其间的环形区域88。
后壳体74具有圆锥形部分90(例如内壳)，在其径向外部界定出用于离开涡轮机转子34的空气的膨胀区域92。锥形部分90在其径向内部具有其中装有前密封件50的前引导件48、其中装有后密封件71的后引导件72以及安装在两个密封件50,71之间的后空气轴颈轴承76。
现参照图1A，平坦且为环形的在其每一端都具有半泪滴形切口96的前引导件48容纳有前密封件50，前密封件50可以由注入石墨的聚酰亚胺材料制成并且部分地覆盖半泪滴形切口96以允许空气循环到密封件后方从而允许将其冷却。切口96确保在加工完成后就不会留下会对在引导件48上安装密封件50造成影响的障碍。
前引导件ID和前密封件OD同为2.410±0.001英寸(6.121±0.025厘米)并且前密封件具有0.140±0.020英寸(0.356±0.051厘米)的厚度T，其中前引导件ID与前密封件50的厚度之比为20.09-15.05:1。该比值确保了密封件与多个齿的准确配合，在此情况下为三个齿(不过也可以设想有其他数量的齿)，这些齿被设置在连接至主轴30的凸缘44的一端。前密封件50为0.295±0.005英寸(0.75±0.012厘米)宽以确保齿45总是紧密接近于前密封件50。
前密封件50具有平坦外部100、一对平行侧面102和平坦内部104。用作密封台的平坦内部104通过相对于平坦外部100以40度的角度设置的一对倾斜面106被连接至侧面102。平坦内部与前方多个齿的相互作用将在下文中进行讨论。密封件ID为2.246±0.001英寸(5.705±0.003厘米)并且前密封件的内径与前密封件的外径之间的比值为1.074-1.072:1。
现参照图1B，平坦且为环形的后引导件72容纳有后密封件71，后密封件71可以由注入石墨的聚酰亚胺材料制成。后引导件72具有的ID为1.446±0.001英寸(3.67±0.003厘米)并且后密封件具有的厚度TI为0.16±0.02英寸(0.406±0.051厘米)，其中后引导件ID与后密封件的厚度之比为10.33-8.03:1。该比值确保了密封件与多个齿66,70的准确配合，在此情况下为六个齿(不过也可以设想有其他数量的齿)，这些齿被设置在主轴30后部42的主体46内。后引导件72具有的宽度W为0.500±0.005英寸(1.27±0.013厘米)并且齿66,70具有的高度为0.045英寸(0.114厘米)以确保齿总是紧密接近于后密封件71。
后引导件72是平坦的，在其每一端都具有机械加工出的半泪滴形切口110。后密封件71具有几乎覆盖半泪滴形切口110的平坦外部112，切口110确保了在加工完成后就不会留下会对在引导件72上安装后密封件71造成影响的障碍，还具有前侧部114，连接至前侧部114的第一斜切部分116以及用作密封台与齿66,70相互作用的平坦内部118。后密封件71还具有通过连接至轴向延伸部分126的倒圆部分124连接至底部122的后侧部120。延伸部分126连接至平坦外部112。后侧部120通过第二斜切面128连接至平坦内部118。
平坦内部118与齿66,70互相作用以使流过空气轴颈轴承76进入膨胀区域92内的相对较暖的气流最小化。齿66阻挡流过空气轴颈轴承76的空气，该空气倾向于通过主体46内的第一孔64抽出到外界环境中。但是，流过齿66的任何空气都被引导流入第二孔68内再到达外界环境中。将后轴颈轴承76与涡轮机部分26分离的多个齿70形成与第二孔68相比相对高压的区域以进一步促使来自后空气轴颈轴承76的相对较暖的气流流过第二孔68到达外部环境中并避免相对较暖的气流与涡轮机部分26内的相对较冷的空气混合。
前密封件50的ID与后密封件71的ID之间的比值在从1.665-1.668到1的范围内。该比值指明了前密封件和后密封件所需的用于适当冷却止推轴承78和空气轴颈轴承76的关系。类似地，前引导件48的ID和后引导件72的ID之间的比值为1.668-1.664:1。
轴杆30内的前开口40靠近前气封件84以确保流过前密封件50的空气通过主轴30的内部送往外界环境中。第一孔和第二孔之间的齿与第二孔后方的齿数之比大约为1:5以使从后方多个齿的前方到后方多个齿的后方的气流最小化。尽管示出的是一个齿以及一组五个齿，但是也可以设想其他的齿数。
另外，后齿66,70与前方多个齿45的比值大约为2:1。前齿45与分段轴杆内第一孔64和第二孔68之间的齿66的比值为3:1。这些比值有助于调节从止推轴承78通过空气轴颈轴承76的准确气流量以冷却这些轴承。
第一圆孔140由区域144钻入后壳体74的底部150内。第一圆孔140为0.272±0.005英寸(0.691±0.013厘米)粗和1.16±0.03英寸(2.946±0.076厘米)长并且相对于轴线A以约15度的角度钻取。标称值为0.25英寸粗和0.85±0.03英寸(2.16±0.076厘米)长的第二圆孔146穿过钻有埋头孔的部分148并且相对于轴线A以约15度的角度以及相对于第一圆孔140以30度的角度钻取，第二孔146由涡轮机入口腔152钻入后壳体74的底部150内以与第一圆孔140相交。
参照图2，弯曲管路156沿其中心轴线B的长度为1.18±0.03英寸，沿其中心轴线的宽度为0.76±0.03英寸(1.93±0.076厘米)，并且沿其上部158以0.500±0.04英寸(或1.3±0.1厘米)的半径R弯曲。管路156装在第二孔146内并且具有开口170用于引导进入涡轮机入口腔152的空气进入管路156内。开口170被定位到涡轮机入口腔中的气流内以促进向管路156内流入。管路156的长度与宽度之比为1.456-1.657:1，这就确保了管路适当地伸入涡轮机膨胀区域内以抽取冷却空气。
返回参照图1，涡轮机入口腔152内的空气由管路156捕获并被引导通过第二圆孔146、第一圆孔140进入区域144内，由此其流过止推轴承78中的前侧面180和后侧面182。空气随后从止推轴承78的后侧面182转移，空气在此被按规定量供应通过前引导件48和前密封件50，流过后空气轴颈轴承76到达后引导件72和后密封件71，在此空气通过第一开口64或第二开口68被注入主轴30的内部，然后其流过主轴30、流过开口40而进入外界环境。与前密封件50对准的齿45、与后密封件71对准的齿66和70以及第一开口64和第二开口68的组合用于如本文中以上所述的那样按规定量供应流过止推轴承78和后空气轴颈轴承76的冷却空气。本文中所有的齿45,66,70与每一个密封件50,71的间距标称值均为0.006英寸(0.015厘米)。
尽管在图解示例中示出了各种特征的组合，但是并不需要组合其中的全部来实现本公开不同实施例的优点。换句话说，根据本公开实施例设计的系统不必包括任一附图中示出的所有特征或者在附图中示意性示出的所有部分。而且，在一个示例性实施例中选择的特征可以与其他示例性实施例中选择的特征进行组合。
以上说明内容本质上是示范性的而并非限制性的。对公开示例的不必背离本公开的实质的修改和变形对于本领域技术人员来说是显而易见的。赋予本公开的法律保护范围只有通过研读所附的权利要求才能确定。

Claims (22)

1.一种空气循环机，包括：
壳体，
设置在所述壳体内的压缩机部分，
设置在所述壳体内并且具有膨胀区域的涡轮机部分，
设置在所述壳体外侧的风扇部分，
连接至所述压缩机部分、所述涡轮机部分和所述风扇部分并与它们同轴的轴杆，所述风扇由空气轴颈轴承和空气止推轴承支撑，所述轴杆具有中空的轴芯用于输送来自所述空气轴颈轴承和所述空气止推轴承的冷却空气，所述轴杆在其后部具有第一开口和第二开口以用于将冷却空气送入中空的轴芯内，
伸入所述膨胀区域内并将冷却空气从所述膨胀区域送往所述空气止推轴承和所述空气轴颈轴承的管路，
第一密封件，其具有平坦外部、一对平行侧面和平坦内部，所述一对平行侧面被连接至所述平坦外部，所述平坦内部平行于所述平坦外部，所述第一密封件具有厚度和内径，
被设置在所述空气循环机的所述壳体内的圆柱状前引导件，其具有用于接收所述第一密封件的所述平坦外部的平坦区域，所述前引导件具有内径，其中前引导件的内径与所述第一密封件的厚度之比为20.09-15.05:1，以及
具有第二密封件的后引导件，所述第二密封件包括具有第一宽度的平坦外部，通过第一倾斜壁连接至所述第二密封件的平坦内部的第一侧的第一侧壁，所述第二密封件的所述平坦内部具有比所述第一宽度更宽的第二宽度，通过第二倾斜壁从所述第二密封件的所述平坦内部的第二侧径向向外延伸的第二侧壁，连接至所述第二侧壁并且向所述第一侧壁轴向延伸的延长段，和从所述延长段延伸并连接至所述第二密封件的所述平坦外部的倒圆部分，所述第二密封件具有厚度，所述第二密封件具有内径。
2.如权利要求1所述的空气循环机，其中所述管路进一步包括：弯曲管路，其具有沿弯曲中心轴线的长度和沿所述弯曲中心轴线的宽度，其中所述弯曲中心轴线沿其上部以1.3±0.1厘米的半径R弯曲并且其中管路的长度与宽度之比为1.456-1.657:1。
3.如权利要求1所述的空气循环机，其中所述轴杆进一步包括：
主体，
从所述主体径向延伸的前凸缘，所述前凸缘具有径向延伸并且设置在其上用于与密封件配合的第一组多个齿，
所述第一开口与所述主体的中空轴芯连通，
紧密接近于所述第一开口并且在所述第一开口后方的齿，该齿形成对沿轴杆流动的空气的屏障并且促使空气流入第一开口内，
所述紧密接近于所述第一开口并且在所述第一开口后方的齿后方的所述第二开口，以及
在所述紧密接近于所述第一开口并且在所述第一开口后方的齿、所述第二开口和所述第一开口后方的第二组多个齿，其中所述的多个齿形成对沿所述轴杆流动经过所述紧密接近于所述第一开口并且在所述第一开口后方的齿的空气的屏障并且促使空气流入第一开口内。
4.如权利要求3所述的空气循环机，其中所述紧密接近于所述第一开口并且在所述第一开口后方的齿与第二组多个齿的数量之比为5:1并且第一组多个齿与第二组多个齿之比为3:5。
5.如权利要求3所述的空气循环机，其中所述第一组多个齿中的每一个均为约0.114厘米高并且具有约0.25厘米宽的平坦上部。
6.如权利要求3所述的空气循环机，其中所述第二组多个齿中的每一个均为约0.114厘米高并且具有约0.025厘米宽的平坦上部。
7.如权利要求1所述的空气循环机，其中第一密封件的内径与第二密封件的内径之比为1.665-1.668:1。
8.一种用于空气循环机的前轴承装置，所述轴承装置包括：
密封件，其具有平坦外部、一对平行侧面和平坦内部，所述一对平行侧面被连接至所述平坦外部，所述平坦内部平行于所述平坦外部，所述密封件具有厚度，和
圆柱状引导件，其被设置在空气循环机壳体内，所述引导件具有用于接收所述密封件的所述平坦外部的平坦区域，所述引导件具有内径，其中前引导件的内径与密封件的厚度之比为20.09-15.05:1。
9.如权利要求8所述的轴承装置，其中所述密封件由注入石墨的聚酰亚胺材料制成，并且所述密封件部分地覆盖所述引导件的轴向边缘上的半泪滴形切口。
10.如权利要求8所述的轴承装置，其中所述平坦内部通过相对于所述平坦外部以40度的角度设置的一对倾斜面被连接至所述一对平行侧面。
11.如权利要求8所述的轴承装置，其中密封件内径和密封件外径之间的比值为1.074-1.072:1。
12.一种用于空气循环机的后轴承装置，所述轴承装置包括：
密封件，所述密封件包括具有第一宽度的平坦外部，通过第一倾斜壁连接至平坦内部的第一侧的第一侧壁，所述平坦内部具有比所述第一宽度更宽的第二宽度，通过第二倾斜壁从所述平坦内部的第二侧径向向外延伸的第二侧壁，连接至所述第二侧壁并且向所述第一侧壁轴向延伸的延长段，和从所述延长段延伸并连接至所述平坦外部的倒圆部分，所述密封件具有厚度，以及
设置在空气循环机壳体内的圆柱状引导件，所述引导件具有用于接收所述密封件的所述平坦外部的平坦区域，所述引导件具有内径，其中前引导件的内径与密封件的厚度之比为10.33-8.03:1。
13.如权利要求12所述的轴承装置，其中所述密封件由注入石墨的聚酰亚胺材料制成，并且所述密封件部分地覆盖所述引导件的轴向边缘上的半泪滴形切口。
14.如权利要求12所述的轴承装置，其中所述第一倾斜壁和所述第二倾斜壁以偏离中心轴线40度的角度朝向彼此地倾斜。
15.一种将密封件装入空气循环机内的方法，包括：
提供第一密封件，其具有平坦外部、一对平行侧面和平坦内部，所述一对平行侧面被连接至所述平坦外部，所述平坦内部平行于所述平坦外部，所述第一密封件具有厚度和内径，然后
提供具有第一引导件的壳体，所述第一引导件是圆柱状前引导件，其具有用于接收所述第一密封件的所述平坦外部的平坦区域，所述第一引导件具有内径，其中第一引导件的内径与所述第一密封件的厚度之比为20.09-15.05:1，然后
将所述第一密封件压入第一引导件内。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
提供轴杆，所述轴杆具有设置在其上的多个齿，然后
沿轴线将轴杆插入所述第一密封件和所述第一引导件内。
17.如权利要求16所述的方法，包括将轴杆上的第一组多个齿与所述第一密封件轴向对准的步骤以在所述密封件和所述第一组多个齿之间提供标称值约为0.015厘米的径向间隙。
18.如权利要求15所述的方法，进一步包括以下步骤：
提供第二密封件，具有被设置用于接合旋转面的外径和厚度，其中所述外径和所述厚度之间的比值为10.33-8.03:1，
提供具有内径的第二引导件，然后
将所述第二密封件压入所述第二引导件内，其中所述第一引导件的所述内径与所述第二引导件的所述内径之比为1.665-1.668:1。
19.如权利要求18所述的方法，进一步包括：
在所述第二引导件的任何一端处机加工切口。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括：
提供其上设有第一组多个齿和第二组多个齿的轴杆，然后
沿轴线将轴杆插入所述第一密封件和所述第一引导件内。
21.如权利要求20所述的方法，包括以下步骤：
将轴杆上的所述第二组多个齿与所述第二密封件轴向对准，然后
在第二密封件和第二组多个齿之间提供标称值约为0.015厘米的径向间隙。
22.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
在所述第一引导件任何一端处机加工切口。
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