CN104033477B - 空气轴承轴 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于空气循环机的空气轴承轴。所述空气轴承轴包括密封盘和轴主体。所述轴主体包括从所述密封盘的面延伸至刀刃密封部的第一轴主体部分。所述第一轴主体部分包括轴颈轴承冷却孔，所述轴颈轴承冷却孔轴向地定位成离所述刀刃密封部比离所述密封盘的所述面更近。所述轴颈轴承冷却孔延伸穿过所述第一轴主体部分到中空内部并且具有总冷却面积。启动孔轴向地定位成离所述密封盘的所述面比离所述刀刃密封部更近。所述启动孔延伸穿过所述第一轴主体部分到所述中空内部。所述启动孔具有总启动面积。所述总冷却面积与所述总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。

Description

空气轴承轴
发明背景
本发明示例性实施方案大体涉及飞机环境控制系统，并且更具体地，涉及被用作飞机环境控制系统的部分的空气循环机的空气轴承轴。
常规飞机环境控制系统(ECS)包含空气循环机(ACM)(也被称为空气循环冷却机)用于对供应至飞机舱的空气进行冷却和除湿。ACM可以包括被安装用于在轴上共转的离心压缩机和离心涡轮。以轴颈轴承和止推轴承的形式的空气轴承典型地用来支持轴的旋转。离心压缩机进一步部分地压缩被压缩的空气，所述被压缩的空气诸如从燃气涡轮发动机的压缩机接收的排出空气。被压缩的空气在返回至离心涡轮之前排出至下游的热交换器或其它系统。被压缩的空气在涡轮中膨胀从而驱动压缩机。从涡轮输出的空气可以被利用作为交通工具(诸如飞机的舱)的空气供给。
发明概要
根据本发明的一个实施方案，提供用于空气循环机的空气轴承轴。该空气轴承轴包括密封盘和轴主体。该轴主体包括从该密封盘的面延伸至刀刃密封部的第一轴主体部分。该第一轴主体部分包括多个轴颈轴承冷却孔，所述多个轴颈轴承冷却孔轴向地定位成离刀刃密封部比密封盘的面更近。轴颈轴承冷却孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部。轴颈轴承冷却孔具有总冷却面积。启动孔轴向地定位成离密封盘的面比离刀刃密封部更近。启动孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部。启动孔具有总启动面积。总冷却面积与总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。
根据本发明的另一个实施方案，提供空气循环机总成。空气循环机总成包括轴颈轴承和空气轴承轴。该空气轴承轴包括密封盘和轴主体。该轴主体包括定位在轴颈轴承内的第一轴主体部分。该第一轴主体部分从密封盘的面延伸至刀刃密封部。该第一轴主体部分包括多个轴颈轴承冷却孔，所述多个轴颈轴承冷却孔轴向地定位成离刀刃密封部比密封盘的面更近。轴颈轴承冷却孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部。轴颈轴承冷却孔具有总冷却面积。启动孔轴向地定位成离密封盘的面比离刀刃密封部更近。启动孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部。启动孔具有总启动面积。总冷却面积与总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。
将空气轴承轴安装在空气循环机总成中的方法包括将空气轴承轴插入到轴颈轴承中。该空气轴承轴包括密封盘和轴主体。该轴主体包括定位在轴颈轴承内的第一轴主体部分。该第一轴主体部分从密封盘的面延伸至刀刃密封部。该第一轴主体部分包括多个轴颈轴承冷却孔，所述多个轴颈轴承冷却孔轴向地定位成离刀刃密封部比密封盘的面更近。轴颈轴承冷却孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部，并且轴颈轴承冷却孔具有总冷却面积。启动孔轴向地定位成离密封盘的面比离刀刃密封部更近。启动孔延伸穿过第一轴主体部分到中空内部。启动孔具有总启动面积。总冷却面积与总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。该方法也包括将空气轴承轴联接到空气循环机总成的止推轴，以及将空气轴承轴联接到空气循环机总成的涡轮转子。
附图简述
被视为本发明的主题特别地被指出并且明确地在本说明书的结尾处的权利要求中被要求保护。本发明的前述及其它特征和优势根据结合附图所作的下列详细描述是明显的，在附图中：
图1是根据实施方案的空气循环机(ACM)的横截面；
图2是根据实施方案的图1的ACM的空气轴承轴的透视图；
图3是根据实施方案的图2的空气轴承轴的横截面；
图4是根据实施方案的图2的空气轴承轴的多个启动孔的横截面；以及
图5是根据实施方案的图2的空气轴承轴的多个轴颈轴承冷却孔的横截面。
通过参考附图以示例的方式的详细描述解释本发明的实施方案连同优势和特征。
具体实施方式
现在参照图1，示例性空气循环机(ACM)10包括压缩机进口18，该压缩机进口18被构造成输送空气至压缩机转子24。压缩机转子24压缩空气并且朝压缩机出口26输送空气。压缩机出口26可以将被压缩的空气传递至飞机空气供应系统(未描绘)。此外，被压缩的空气的一部分从压缩机出口26传递至涡轮进口28，并且驱动涡轮转子30绕轴线A旋转。通过涡轮转子30膨胀的被冷却的空气也被用作飞机空气供应系统(未描绘)的部分。
如所图示的，横拉杆17连接压缩机转子24和涡轮转子30。横拉杆17也连接到风扇转子32，使得压缩机转子24、涡轮转子30和风扇转子32都被构造成绕轴线A旋转。
冷却空气进口35从涡轮进口28放出空气，并且将该空气输送进室34。来自室34的空气经过止推轴承表面36与止推盘40之间。止推盘40是止推轴38的部分。止推轴38具有在止推盘40的一侧上的向前延伸部分54，向前延伸部分54被接纳在空气轴承轴121中的表面120内。沿着止推轴承表面36经过的空气被传递到轴颈轴承41和轴颈轴承42，所述轴颈轴承41和轴颈轴承42是空气轴承。止推轴38的一部分被定位在轴颈轴承41内，并且空气轴承轴121的一部分被定位在轴颈轴承42内。沿着轴颈轴承42传递的空气到达多个轴颈轴承冷却孔200并且能够进入到空气轴承轴121的中空内部52中。空气轴承轴121也包括贴近表面120的密封盘50。多个启动孔65轴向地定位在空气轴承轴121上以对准在轴颈轴承42和密封盘50的面53之间形成的腔66。
对于各种压力范围和工作条件，启动孔65和轴颈轴承冷却孔200的大小有助于控制空气经过孔的相对体积。在实施方案中，启动孔65减小启动ACM10所需的压力。轴颈轴承冷却孔200确保充分的冷却流至轴颈轴承42并且也将启动压力要求降低。
在空气轴承轴端68和轴颈轴承冷却孔200之间，空气轴承轴121进一步包括刀刃密封部70和定位成接近密封脊(seal land)80的一组刀刃密封部72。空气轴承轴端68联接到涡轮转子30的涡轮转子端82。
ACM10也包括本领域已知的若干其它部件。ACM10的两个或更多个部件的任意组合在本文中大体可以被视为ACM总成。
图2是根据实施方案的图1的ACM10的空气轴承轴121的透视图。空气轴承轴121的轴主体64包括从密封盘50的面53延伸至刀刃密封部70的第一轴主体部分74。第一轴主体部分74包括轴颈轴承冷却孔200，所述轴颈轴承冷却孔200轴向地定位成离刀刃密封部70比离密封盘50的面53更近。轴颈轴承冷却孔200延伸穿过第一轴主体部分74至空气轴承轴121的中空内部52。第一轴主体部分74也包括启动孔65，所述启动孔65轴向地定位成离密封盘50的面53比离刀刃密封部70更近。启动孔65延伸穿过第一轴主体部分74至空气轴承轴121的中空内部52。
轴主体64也包括第二轴主体部分76。第二轴主体部分76贴近第一轴主体部分74的刀刃密封部70并且延伸至空气轴承轴端68。第二轴主体部分76包括定位在刀刃密封部70和刀刃密封部组72之间的多个密封排气孔78。密封排气孔78提供级间排气以为了更好的密封性能。
图3是根据实施方案的图2的空气轴承轴121的横截面。在实施方案中，第一轴主体部分74具有约0.9英寸(2.286cm)的外径D1和约0.705英寸(1.791cm)的内径D2。第一轴主体部分74也可以包括使内径D2延伸约0.03英寸(0.0762cm)的附加中空部分H1。第二轴主体部分76具有约0.81英寸(2.057cm)的外径D3。
若干特征长度相对于空气轴承轴端68的端平面E进行定义。在实施方案中，空气轴承轴121具有约2.895英寸(7.353cm)的长度L1。密封盘50的面53相对端平面E具有约2.535英寸(6.439cm)的长度L2。在实施方案中，附加中空部分H1的过渡部由相对于端平面E的长度L3和L5冲销，其中L3为约2.405英寸(6.109cm)并且L5为约0.92英寸(2.337cm)。在第一轴主体部分74上的启动孔65的轴向放置受相对于端平面E的长度L2和长度L4的约束，其中长度L4为约1.84英寸(4.674cm)。轴颈轴承冷却孔200被定位在相对于端平面E约0.745英寸(1.892cm)的长度L6处。刀刃70定位在离端平面E约0.645英寸(1.638cm)的长度L7处。密封排气孔78定位在离端平面E约0.545英寸(1.384cm)的长度L8处。刀刃密封部组72从端平面E偏移约0.255英寸(0.648cm)的长度L9。
图4是根据实施方案的图2的空气轴承轴121的多个启动孔65的横截面。在实施方案中，启动孔65从端平面E偏移约2.12英寸(5.385cm)的长度L10。然而，如先前所描述的，能够使启动孔65沿着第一轴主体部分74移位，使得启动孔65轴向地定位成对准图1中形成在图1的轴颈轴承42和密封盘50的面53之间的腔66。在实施方案中，存在两个启动孔65，该两个启动孔65基本上以约180度均匀分布在基本上轴向地对准的位置。各个启动孔65具有约0.055英寸(0.140cm)的直径D4。据此，总启动面积为约0.00478平方英寸(0.0308cm2)。
图5是根据实施方案的图2的空气轴承轴121的多个轴颈轴承冷却孔200的横截面。在实施方案中，存在十二个启动孔200，该十二个启动孔200基本上以约30度的角度θ均匀分布在基本上轴向地对准的位置。轴颈轴承冷却孔200与启动孔65的数量的比率是6∶1。各个轴颈轴承冷却孔200具有约0.078英寸(0.198cm)的直径D5。据此，总冷却面积为约0.00238平方英寸(0.0153cm2)。
图1的ACM10内部的各种腔中的压力影响止推负荷和启动。空气流受到ACM10的多个特征部且特别是空气轴承轴121的多个特征部之间的尺寸定位关系的组合的控制。在实施方案中，总冷却面积与总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。轴颈轴承冷却孔200中的一个的直径D5与启动孔65中的一个的直径D4的比率在1.21与1.66之间。第一轴主体部分74的外径D1与轴颈轴承冷却孔200中的一个的直径D5的比率是在10.78与12.40之间。第一轴主体部分74的外径D1与启动孔65中的一个的直径D4的比率是在14.91与18.1之间。第一轴主体部分74的内径D2与轴颈轴承冷却孔200中的一个的直径的比率是在8.43与9.73之间。第一轴主体部分74的内径D2与启动孔65中的一个的直径D4的比率是在11.66与14.2之间。
本文参照图1-图5描述将空气轴承轴121安装在ACM10中的过程。将空气轴承轴121安装在ACM10中的过程的描述顺序不一定意味着过程步骤的特殊需要的顺序。空气轴承轴121被插入到轴颈轴承42中。第一轴主体部分74被定位在轴颈轴承42内，使得启动孔65轴向地对准在轴颈轴承42与密封盘50的面53之间形成的腔66。轴颈轴承冷却孔200轴向地对准在轴颈轴承42和贴近刀刃密封部70和刀刃密封部组72的密封脊80之间。空气轴承轴121在向前延伸部分54和表面120处联接到止推轴38。空气轴承轴121在空气轴承轴端68和涡轮转子端82处联接到涡轮转子30。联接可以通过干涉配合来执行。
虽然已经结合仅有限数量的实施方案详细地描述了本发明，但是应容易理解，本发明不限于此类公开的实施方案。相反，本发明可被修改以合并此前尚未被描述但与本发明的精神和范围相称的任何数量的变型、改变、替换物或等同布置。另外，虽然已经描述了本发明的各实施方案，但是需要理解，本发明的方面可以仅包括所描述的实施方案中的一些。据此，本发明不被视为受到前述描述的限制，而是仅由所附权利要求的范围限制。

Claims (15)

1.一种空气轴承轴，其包括：
密封盘；和
轴主体，其包括从所述密封盘的面延伸到刀刃密封部的第一轴主体部分，所述第一轴主体部分包括：
多个轴颈轴承冷却孔，其轴向地定位成离所述刀刃密封部比离所述密封盘的所述面更近，所述轴颈轴承冷却孔延伸穿过所述第一轴主体部分到中空内部，并且所述轴颈轴承冷却孔具有总冷却面积；以及
多个启动孔，其轴向地定位成离所述密封盘的所述面比离所述刀刃密封部更近，所述启动孔延伸穿过所述第一轴主体部分至所述中空内部，所述启动孔具有总启动面积，并且所述总冷却面积与所述总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。
2.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述轴颈轴承冷却孔均匀分布在轴向地对准的第一位置处，所述启动孔均匀分布在轴向地对准的第二位置处，并且所述轴颈轴承冷却孔与所述启动孔的数量的比率是6:1。
3.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述轴颈轴承冷却孔中的一个的直径与所述启动孔中的一个的直径的比率是在1.21与1.66之间。
4.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述第一轴主体部分的外径与所述轴颈轴承冷却孔中的一个的直径的比率是在10.78与12.40之间。
5.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述第一轴主体部分的外径与所述启动孔中的一个的直径的比率是在14.91与18.1之间。
6.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述第一轴主体部分的内径与所述轴颈轴承冷却孔中的一个的直径的比率是在8.43与9.73之间。
7.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其中，所述第一轴主体部分的内径与所述启动孔中的一个的直径的比率是在11.66与14.2之间。
8.根据权利要求1所述的空气轴承轴，其还包括第二轴主体部分，所述第二轴主体部分贴近所述第一轴主体部分的所述刀刃密封部并且延伸至空气轴承轴端，其中，所述轴颈轴承冷却孔轴向地定位在离所述空气轴承轴端的端平面0.745英寸处，并且所述启动孔轴向地定位在离所述空气轴承轴端的所述端平面1.84英寸和2.535英寸之间。
9.一种空气循环机总成，其包括：
轴颈轴承；和
空气轴承轴，其包括密封盘和轴主体，所述轴主体包括定位在所述轴颈轴承内的第一轴主体部分，所述第一轴主体部分从所述密封盘的面延伸到刀刃密封部，所述第一轴主体部分包括：
多个轴颈轴承冷却孔，其轴向地定位成离所述刀刃密封部比离所述密封盘的所述面更近，所述轴颈轴承冷却孔延伸穿过所述第一轴主体部分到中空内部，并且所述轴颈轴承冷却孔具有总冷却面积；以及
多个启动孔，其轴向地定位成离所述密封盘的所述面比离所述刀刃密封部更近，所述启动孔延伸穿过所述第一轴主体部分至所述中空内部，所述启动孔具有总启动面积，并且所述总冷却面积与所述总启动面积的比率是在2.17与4.06之间。
10.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其中，所述轴颈轴承冷却孔均匀分布在轴向地对准的第一位置处，所述启动孔均匀分布在轴向地对准的第二位置处，并且所述轴颈轴承冷却孔与所述启动孔的数量的比率是6:1。
11.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其中，所述轴颈轴承冷却孔中的一个的直径与所述启动孔中的一个的直径的比率是在1.21与1.66之间。
12.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其中，所述第一轴主体部分的外径与所述轴颈轴承冷却孔中的一个的直径的比率是在10.78与12.40之间。
13.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其中，所述第一轴主体部分的外径与所述启动孔中的一个的直径的比率是在14.91与18.1之间。
14.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其还包括第二轴主体部分，所述第二轴主体部分贴近所述第一轴主体部分的所述刀刃密封部并且延伸至空气轴承轴端，其中，所述轴颈轴承冷却孔轴向地定位在离所述空气轴承轴端的端平面0.745英寸处，并且所述启动孔轴向地定位在离所述空气轴承轴端的所述端平面1.84英寸和2.535英寸之间。
15.根据权利要求9所述的空气循环机总成，其中，所述启动孔轴向地定位成与形成在所述轴颈轴承和所述密封盘的所述面之间的腔对准。
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