CN104053865A - 用于涡轮发动机的轴承支架 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮发动机的领域，并且更特别地涉及用于涡轮发动机的热区的至少一个轴承的支架(14)，包括至少一个中心轮毂(15)，后者包括用于直接地接收轴承(13)的外轴承座，该支架还包括绕着中心轮毂(15)的环形壳体部分(16)，以及将所述中心轮毂(15)连接到所述环形部分(16)的多个径向臂(17)。径向臂(17)在轴向方向上和在切向方向上倾斜，以及构建到中心轮毂(15)和环形壳体部分(16)中，以形成为单件。

Description

用于涡轮发动机的轴承支架

背景技术

本发明涉及涡轮轴发动机的领域，并且特别地涉及用于涡轮轴发动机的热区的至少一个轴承的支架，该支架包括中心轮毂，绕着中心轮毂的环形壳体部分和连接所述中心轮毂到所述环形壳体部分的多个径向臂，该中心轮毂包括外轴承座，用于接收轴承。

在本发明的上下文中，术语“涡轮发动机”用于意指通过涡轮机中所述工作流体的膨胀，将工作流体的热能转换为机械能的任何机器。在下面的描述中，相对于涡轮发动机中工作流体的正常流动方向而定义术语“上游”和“下游”。

通常，在这种涡轮发动机中，在壳体和绕着中心轴线的至少一个旋转轴之间的环形流道中包含工作流体。所述旋转轴被限制与至少一个涡轮发动机叶轮一起旋转，所述环形流体流道通过该涡轮发动机叶轮。为了支撑轮，通过至少一个轴承支撑旋转轴，接着通过具有多个臂的轴承支架支撑该至少一个轴承，该多个臂径向地通过流体流道，以将轴承连接到涡轮发动机的壳体。

在各种类型的涡轮发动机中，存在特别地涡轮轴发动机。在涡轮轴发动机中，位于压气机和燃烧室下游的至少一个涡轮机叶轮联结输出轴，用于输出发动机所产生的机械能。这特别地区别涡轮轴发动机与涡轮喷气发动机，在涡轮喷气发动机中，主要由反应喷嘴中膨胀的燃烧气体回收机械能。因此，在涡轮轴发动机的热区中，即，在燃烧室和其下游，因为与这种发动机的尺寸比较，大的温度梯度，热应力是严重的。特别地，位于热区中的轴承和轴承支架受到特别地严重的热机械应力。

为了容纳轴线上的动态应力以及为了掌握运行中涡轮机偏心移动的任何趋势，期望即使在高温时，获得用于轴承支架的高度径向刚性。然而，用于轴承支架的这种大的刚性对其寿命可以具有负面的影响。

在英国专利GB1010401中，描述了用于涡轮发动机的热区的轴承支架，其中轮毂通过杆从涡轮发动机的环形壳体部分悬挂中心轮毂，该杆在径向方向上和在切线方向上倾斜。然而，为了容纳轮毂和环形壳体部分之间的热机械力，铰接这些杆的端部。另外，用具有外端的管状整流罩保护杆，该管状整流可以相对于环形壳体部分纵向地移动一点，以容纳这些相同的热机械力。因此，轴承支架非常复杂，由此导致了高的生产和维护成本。

发明的目的和概述

本发明寻求提出一种用于涡轮轴发动机的至少一个热区轴承的支架，其即使在高温时也可以获得高度的径向刚性和弯曲刚性，同时获得好的寿命以及这么做具有大的简单性。

为此目的，在本发明的至少一个实施方式中，所述的径向臂在轴向方向上和在切线方向上倾斜，并且与中心轮毂和环形壳体部分一体形成单件。

在该上下文中，术语“在轴向方向上倾斜”用于意指在与轴承中心轴线对准的纵向平面中相对于径向方向的倾斜。在该上下文中，术语“在切向方向上倾斜”用于意指在垂直于轴承中心轴线的横向平面中相对于径向方向的倾斜。

因为臂的切向倾斜以及因为它们与中心轮毂和环形壳体部分一体形成单件，这些臂从弯曲中轴承转移一部分它们的径向载荷，而不是如GB1010401的支架的杆中只在牵引-和-压缩中这么做，因此特别地避免了在壳体上径向臂的根部，壳体的环形部分的任何径向凹进。而且，径向倾斜加强了相对于径向载荷弯曲中的臂，因此也在支架的径向刚性方面获得了显而易见的改进。因此，可以获得非常刚性的轴承支架，同时即使在热机械环境中也具有好的寿命，该热机械环境是如涡轮轴发动机的热区所要求的。

特别地，支架在所述环形壳体部分的轴向端上还可以包括至少一个紧固件凸缘，并且每个径向臂可以从所述环形壳体部分上的根部轴向地倾斜，朝向具有紧固件凸缘的轴向端。因此，在环形壳体部分上臂的根部比在中心轮毂上臂的根部可以获得径向臂相对于所述紧固件凸缘的更大轴向距离。在环形壳体部分上该轴向距离用于更好地分配径向臂和紧固件凸缘之间的机械载荷和热梯度，因此增加了支架的寿命，而不会伤害其总的刚性。为了分配环形壳体部分上每个臂根部附近的力，所述紧固件凸缘可以被花饰对齐所述环形壳体部分上每个径向臂的根部。这避免了所述根部附近环形壳体部分的过多刚性，在此处可以导致过多的力集中。此外，所述紧固件凸缘可以具有至少一个阳性接合构件，诸如栓或用于接收互补栓的孔，为了在垂直于轴承中心轴线的平面中吸收力。

特别地，为了避免过多地增加支架的前面面积、重量和径向灵活性，并且为了避免只加载弯曲中的径向臂，所述径向臂可以具有不大于70°的切向的倾斜角度β。

特别地，为了避免过多地增加支架的轴向范围，并且由此避免过多地加载弯曲中的径向臂，所述径向臂可以具有不大于45°的轴向的倾斜角度α。

特别地，为了减小支架对流体流道中流体流动的阻力，每个所述的径向臂可以具有流线型轮廓，该流线型轮廓以相对于轴向方向的角度设定。角度设定将轮廓指向到位于流体流道中螺旋流的方向上，为了减小轮廓对流的阻力，也为了增加横向平面中轮廓的弯曲刚性。更特别地，所述流线型轮廓可以具有不大于30°的螺旋角度γ。

本发明也涉及包括至少一个这种轴承支架的涡轮发动机。特别地，所述轴承支架可以位于和位于邻近涡轮轴发动机的涡轮机叶轮的下游，并且所述径向臂可以在所述壳体部分的上游方向上轴向地倾斜，因此限制支架臂和涡轮机叶轮之间的偏移，同时获得涡轮机叶轮的叶片顶端和环形壳体部分上径向臂的根部之间一定数量的轴向间隔，因此限制了振动的气动载荷。更特别地，为了将轴承支架紧固于涡轮机壳体，所述轴承支架可以包括位于所述环形壳体部分的上游轴向端的紧固件凸缘。在这种情况下，径向臂的轴向倾斜也可以获得紧固件凸缘和环形壳体部分上径向臂的根部之间的轴向间隔，因此更好地分布凸缘和根部之间热和机械力。

然而，例如，轴承支架可以可替代地位于和位于邻近涡轮轴发动机的发动机叶轮的上游。

此外，涡轮轴发动机可以特别地包括至少一个压气机、燃烧室、通过第一旋转轴与至少一压气机联结旋转的第一燃气涡轮机，和通过第二旋转轴与动力输出联结旋转的第二燃气涡轮发动机，并且轴承支架可以是用于第二旋转轴的轴承支架，因此可以容纳在这种涡轮轴发动机中自由涡轮机的轴承支架通常所受到的特别高的机械力和热力。

然而，作为可替代的或另外的方案，第一旋转轴的至少一个轴承支架也可以通过相同的方式配置，具有轴向地和切向地倾斜的臂，并且也可以具有流线型轮廓，该流线型轮廓以相对于轴向方向的角度螺旋上升。

附图说明

通过阅读下面通过非限制性实施例所给出的实施方式的详细说明，可以更好地理解本发明，并且可以更好地显现它的优点。本说明书参考了附图，其中：

图1是涡轮轴发动机的示意性纵向截面图。

图2是本发明实施方式中轴承支架的示意性纵向截面图。

图2A是沿着线IIA-IIA的图2支架的臂的截面图。

图3是图2轴承支架的前视图。

图4是图2轴承支架的前立体图；和

图5是图2轴承支架的细节图。

具体实施方式

在图1中示出了涡轮轴发动机1。涡轮轴发动机1包括气体发生器部分2和自由涡轮机部分3。气体发生器部分2包括轴向压气机4、径向压气机5、燃烧室6、第一燃气涡轮机7和在中心轴线X上用于与第一燃气涡轮机7和压气机4、5的叶轮联结在一起旋转的第一旋转轴8，因此当发动机1工作时，轴的旋转用于致动压气机4和5。位于气体发生器部分2下游的自由涡轮机部分3包括称为“自由涡轮机”的第二燃气涡轮机9，和第二旋转轴10，后者同样对准中心轴线X和将自由涡轮机9联结到动力输出11。因此，当涡轮轴发动机1工作时，自由涡轮机9的叶轮的旋转可以用于致动外部装置，诸如，例如直升机转子。

旋转轴8、10由轴承支撑，而轴承由轴承支架支撑，该轴承支架包括穿过气流通道12的多个径向臂。特别地，在所示的实施方式的自由涡轮机部分3中，第二旋转轴10由至少一个轴承13所支撑，而该轴承13依次由位于和位于邻近自由涡轮机9的叶轮22的下游的轴承支架14所支撑，并且包括一体单件的中心轮毂15，环形壳体部分16和通过气流通道12的多个径向臂17，例如5个臂，以连接中心轮毂15和环形壳体部分16。轴承13直接地接收在中心轮毂15中所形成的外轴承座中，并且在其上游轴向端，环形壳体部分16具有用于将轴承支架14紧固到涡轮机壳体19的紧固件凸缘18。该紧固件凸缘18不仅具有用于接收用于紧固支架14的螺栓的孔30，而且也具有突出栓31，后者将要被接收在面对凸缘18的表面中互补孔中，为了获得能够使支架14被精确地定位的阳性接合，并且也为了吸收横向平面中的力，特别地避免剪切所述螺栓。

在图2、图2A和图3至图5中更详细地示出了该轴承支架14。因此，在图2中，可以看到径向臂17在轴向方向上相对于横向平面的倾斜角度α，并且在图3中，径向臂17在横向平面中相对于径向方向的倾斜角度β。在所示的实施方式中，环形倾斜α小于或等于45°，而倾斜角度β小于或等于70°。

每个径向臂17是中空的，因此使得润滑流体管道20从其穿过，还有用于感测涡轮机叶轮22破裂的传感器21。因为径向臂17的轴向角度倾斜，径向臂17的内根部和涡轮机叶轮22的内根部之间的偏移可以最小化，因此可以特别地放置传感器21特别地靠近涡轮机叶轮22。而且，在径向臂17的外根部，从紧固件凸缘18的轴向距离，是相对刚性的和当发动机1工作时保持比较凉，能够使热和机械力更好地分布在这些外根部和紧固件凸缘18之间。而且，该轴向距离也用于将径向臂17的外根部与涡轮机叶轮22的叶片顶端之间分开。为了避免靠近这些外根部的环形壳体部分16的过多刚性，紧固件凸缘18以与其对齐被花饰。

如图3中可以看到的，因为径向臂17的切向倾斜角度，由径向臂17传递轴承13的径向载荷，不仅在牵引-和-压缩方面，而且也部分地在弯曲方面，由此可以避免在径向臂17的外根部处凹进环形壳体部分16。

现在参考图2A，可以看出如何每个径向臂17具有流线型轮廓，该流线型轮廓具有相对于轴向方向呈角度地螺旋上升的主轴线。在所示的实施方式中，轮廓的螺旋角度γ小于或等于30°。举例说明，由此可以对准轮廓的主轴线和涡轮机叶轮22下游的气体流动方向，因此减小径向臂17对流动的阻力。同时地，该螺旋角度增加了轴承支架14的横向平面中弯曲中的径向臂的刚性。

中心轮毂15包括外环32，其中径向臂17的根部位于此，以及形成轴承13的所述外座的内环33，以及将中心轮毂15的所述外环32和内环33连接在一起的圆锥形壁34。为了限制中心轮毂15的重量，这些外环32和内环33以及上述所有圆锥形壁34都可以是相对薄的。然而，为了确保中心轮毂15是刚性的，圆锥形壁34仍然具有特别地如图5中所示的径向肋35。

工作时，轴承支架14可以受到范围在400℃到700℃之间的温度，该温度在气流通道的中心处比在其径向内和外区域中通常更高。尽管如此，例如，使用基于镍或钴的耐火合金，使用涡轮轴发动机通常的所示形状和维度，以获得每米20,000牛顿(N/m)到80,000N/m，并且更特别地范围在60,000N/m到70,000N/m之间数量级的径向刚度，同时确保好的寿命，例如至少6400小时(h)的工作。

尽管参考了特定的实施方式描述了本发明，清楚地各种修改和改变可以应用于这些实施例，而不超出权利要求所限定的本发明的通常范围。因此，应该在示例性意义上，而不是限制性意义上考虑说明书和附图。

Claims (14)

1.用于涡轮轴发动机的热区的至少一个轴承(13)的支架(14)，该支架包括至少中心轮毂(15)，后者包括用于接收所述轴承(13)的外轴承座，该支架还包括绕着中心轮毂(15)的环形壳体部分(16)，以及将所述中心轮毂(15)连接到所述环形壳体部分(16)的多个径向臂(17)，支架的特征在于：所述径向臂(17)在轴向方向上和在切向方向上倾斜以及与中心轮毂(15)和与环形壳体部分(16)一体形成为单件。

2.根据权利要求1的支架(14)，还包括在所述环形壳体部分(16)的轴向端上的至少一个紧固件凸缘(18)，每个径向臂(17)从所述环形壳体部分(16)上的根部轴向地倾斜，朝向具有紧固件凸缘(18)的轴向端。

3.根据权利要求2的支架(14)，其中所述紧固件件凸缘(18)被花饰对齐所述环形壳体部分(16)上每个径向臂(17)的根部。

4.根据权利要求2或权利要求3的支架(14)，其中所述紧固件凸缘(18)具有至少一个阳性接合构件(31)，用于吸收在垂直于轴承的中心轴线的平面中的力。

5.根据任一前述权利要求的支架(14)，其中所述中心轮毂(15)包括径向臂(17)的根部所位于的外环(32)和形成所述外座的内环(33)，以及将中心轮毂(15)的所述外环和内环连接在一起的圆锥形壁(34)。

6.根据权利要求5的支架(14)，其中所述圆锥形壁(34)具有径向肋(35)。

7.根据权利要求1至6中任一权利要求的支架(14)，其中所述径向臂(17)具有不大于70°的切向倾斜角度β。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求的支架(14)，其中所述径向臂(17)具有不大于45°的轴向倾斜角度α。

9.根据权利要求1至8中任一权利要求的支架(14)，其中每个所述径向臂(17)具有流线型轮廓，该流线型轮廓以相对于轴向方向呈角度地螺旋上升。

10.根据权利要求5的支架(14)，其中所述流线型轮廓具有不大于30°的螺旋角度γ。

11.涡轮轴发动机(1)，其包括根据任一前述权利要求的至少一个支架(14)。

12.根据权利要求11的涡轮轴发动机，其中所述支架(14)位于和位于邻近涡轮发动机(1)的涡轮机叶轮的下游，并且所述径向臂(17)在所述环形壳体部分(16)的上游方向轴向地倾斜。

13.根据权利要求12的涡轮轴发动机(1)，其中所述支架(14)包括位于所述环形壳体部分(16)的上游轴向端的紧固件凸缘(18)。

14.根据权利要求11至13中任一权利要求的涡轮轴发动机(1)，包括至少一个压气机(4、5)、燃烧室(6)、通过第一旋转轴(8)与至少一压气机(4、5)联结旋转的第一燃气涡轮机(7)，和通过第二旋转轴(10)与动力输出联结旋转的第二燃气涡轮发动机(9)，其中所述单件支架(14)支撑所述第二旋转轴(10)的至少一个轴承(13)。