CN104343717A - 冲压空气风扇的推力轴 - Google Patents

Abstract

一种推力轴含有具有盘的主体，所述盘具有第一侧和相对的第二侧，以及位于所述盘的中心处的圆形孔。所述推力轴还含有所述推力轴的第一区段，其中所述第一区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一末端附接到所述盘的所述第一侧。所述推力轴还含有所述推力轴的第二区段，其中所述第二区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第二区段的所述第一末端附接到所述第一区段的所述第二末端。所述推力轴还含有多个孔，其中所述孔均匀地间隔开且沿圆周位于所述第一区段周围。

Description

冲压空气风扇的推力轴

发明背景

本发明大体上涉及环境控制系统。更明确地说，本发明涉及用于飞机的环境控制系统的冲压空气风扇组合件的推力轴。

飞机上的环境控制系统（“ECS”）向飞机座舱提供经调节的空气。经调节的空气是处于为飞机乘客舒适性和安全性所需的温度、压力和湿度下的空气。在地面处或地面附近，环境空气温度和/或湿度经常足够高，以使得空气在被递送到飞机座舱之前需要冷却以作为调节过程的部分。在飞行高度处，环境空气经常远冷于所要的，但处于低压下以使得必须将空气压缩到可接受压力以作为调节过程的部分。在飞行高度处压缩环境空气会充分地加热所得加压空气以使得空气必须被冷却，即使环境空气温度非常低也是这样。因此，在大多数状况下，必须在将空气递送到飞机座舱之前通过ECS将热量从空气移除。当热量从空气移除时，热量通过ECS散逸到跨越ECS中的一个或一个以上热交换器而流动到ECS中并流出飞机的单独的气流中，所述单独气流携载过量热量。在飞机移动得足够快的情况下，冲撞到飞机中的空气的压力足以使足够的空气移动通过ECS且在热交换器上方移动以移除过量热。

当冲压空气在正常飞行条件下在较低飞行速度时工作良好时，或当飞机在地面上时，冲压空气压力过低而不足以跨越热交换器提供用于从ECS移除充足的热量的足够气流。在这些情况下，ECS内的冲压空气风扇用以跨越ESC热交换器提供必要气流。

如同飞机上的任何系统，包含经设计以改进冲压空气风扇的操作效率或减少重量的创新组件的改进的冲压空气风扇有很大价值。

发明概要

一种推力轴含有具有盘的主体，所述盘具有第一侧和相对的第二侧，以及位于所述盘的中心处的圆形孔。所述推力轴还含有所述推力轴的第一区段，其中所述第一区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一末端附接到所述盘的所述第一侧。所述推力轴还含有所述推力轴的第二区段，其中所述第二区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第二区段的所述第一末端附接到所述第一区段的所述第二末端。所述推力轴还含有多个孔，其中所述孔均匀地间隔开且沿圆周位于所述第一区段周围。

一种冲压空气风扇组合件含有：风扇外壳；风扇电动机，其附接到所述风扇外壳；风扇转子；主轴，其将所述风扇电动机连接到所述风扇转子；以及推力轴，其以所述主轴为中心。所述推力轴含有：在一个轴端处的盘，其中所述盘具有第一侧和第二侧；第一区段，其在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，其中所述第一区段的所述第一末端与所述盘的所述第一侧邻接；以及第二区段，其在形状上为圆柱形且从所述第一圆柱形区段的所述第二末端延伸到所述推力轴的远离所述盘的一端，其中所述第二区段具有小于所述第一区段的外径的外径。所述推力轴含有在约1.36与约1.37之间的第一区段的长度与所述第一区段的所述外径的比率。所述推力轴的所述第一区段含有绕着所述第一区段沿圆周均匀间隔且大体上在轴向上与所述盘等距的多个孔。

附图简述

图1a是冲压空气风扇组合件的横截面图。

图1b是图1a中的冲压空气风扇组合件的一部分的放大的横截面图，其示意性说明冷却气流路径。

图2是冲压空气风扇组合件的推力轴的透视图。

图3是沿着图2的线3-3截取的穿过推力轴的横截面图。

尽管上述图式阐述了本公开的实施方案，但也涵盖其它实施方案，如论述中所指出。在所有状况下，本公开通过代表而非限制的方式呈现本发明。应理解，本领域技术人员可设计落在本发明的原理的范围和精神内的众多其它修改和实施方案。所述图式可能未按比例绘制，且本发明的应用和实施方案可包含图中未特定展示的特征和组件。

具体实施方式

图1a说明并入本发明的冲压空气风扇组合件10，而图1b展示集中在冷却气流路径上的冲压空气风扇组合件10的视图。冲压空气风扇组合件10包含风扇外壳组合件12、入口外壳16、外部外壳18和内部外壳20。风扇外壳12包含风扇撑杆22、电动机24（包含电动机转子25和电动机定子26）、护铁27、推力轴28、推力板30、推力轴承32、拉杆38和径向轴承40。其它组件包含轴承外壳14、径向轴承轴34和轴盖36。除了拉杆38的一部分之外，入口外壳16还含有装有叶片的风扇转子42和罩44。外部外壳18包含接线盒46和压力通风系统48。扩散器50、电动机轴承冷却管52和线传递管54在外部外壳18内。风扇入口可为在缺乏充足的冲压空气压力的情况下通过冲压空气风扇组合件10移动的空气源。旁路入口可为存在充足的冲压空气压力时移动通过冲压空气风扇组合件10的空气源。冷却入口可在必要时向冲压空气风扇组合件10提供冷却空气。

如图1a所说明，入口外壳16和外部外壳18在风扇撑杆22处附接到风扇外壳12。轴承外壳14附接到风扇外壳12且内部外壳20将电动机轴承冷却管52和线传递管54连接到轴承外壳14。冷却空气借以进入冲压空气风扇10的电动机轴承冷却管52将内部外壳20连接到外部外壳18处的冷却空气源。线传递管54在接线盒46处将内部外壳20连接到外部外壳18。电动机定子26和推力板30附接到风扇外壳12。电动机24内含有电动机转子25和电动机定子26。电动机24绕着径向轴承轴34径向地定位，径向轴承轴34将轴盖36连接到推力轴28。径向轴承轴34绕着冲压空气风扇组合件10的中心线C界定旋转轴线，且推力轴28可绕着中心线C同轴地定位。有叶片的风扇转子42借助拉杆38附接到推力轴28，拉杆38沿着旋转轴线（中心线C）从径向轴承轴34的末端处的轴盖36通过径向轴承轴34和推力轴28延伸到有叶片的风扇转子42和罩44。例如螺帽（未示出）等合适的紧固件可在拉杆38的一端将轴盖36紧固到径向轴承轴34且在拉杆38的另一端将罩44紧固到有叶片的风扇转子42。推力板30和风扇外壳12含有推力轴28的盘56（图2所展示），其中推力轴承32定位于推力轴28的盘56与推力板30之间和推力轴28的盘56与风扇外壳12之间。径向轴承40定位于径向轴承轴34与轴承外壳14之间和推力轴28与风扇外壳12之间。虽然本实施方案使用这些类型的轴承，但其它实施方案中可利用其它类型的轴承。入口外壳16内含有有叶片的风扇转子42、罩44和风扇外壳12的一部分。扩散器50可附接到外部外壳18的内表面。压力通风系统48可配置为外部外壳18的一部分，其以流体方式将冲压空气风扇组合件10连接到旁路入口。入口外壳16以流体方式连接到风扇入口且外部外壳18以流体方式连接到风扇出口。

在操作时，冲压空气风扇组合件10可安装到飞机（或其它载具）上的环境控制系统（“ECS”）中且连接到风扇入口、旁路入口、冷却入口和风扇出口。当飞机移动得不够快而无法产生满足ECS的冷却需要的足够的冲压空气压力时，动力通过从接线盒46架设通过线传递管54、内部外壳20和轴承外壳14的线而供应到电动机定子26。激励的电动机定子26导致电动机转子25绕着冲压空气风扇组合件10、旋转连接的径向轴承轴34和推力轴28的旋转轴线（中心线C）旋转。有叶片的风扇转子42和罩44也通过其与推力轴28的连接而旋转。径向轴承40和推力轴承32帮助提供对旋转组件的低摩擦支持（如将关于图2论述）。有叶片的风扇转子42的旋转可使空气从风扇入口移动通过入口外壳20，经过风扇撑杆22且进入风扇外壳12与外部外壳18之间的空间中，从而增加外部外壳18中的空气压力。当空气移动通过外部外壳18时，空气流动经过扩散器50和内部外壳20，其中空气压力归因于扩散器50的形状和内部外壳20的形状而减小。一旦经过内部外壳20，空气可在风扇出口处移动离开外部外壳18。

轴承外壳14和风扇外壳12内的组件，尤其是推力轴承32、径向轴承40和电动机24可产生大量热且通常必须冷却。冷却空气可由将冷却气流导向内部外壳20的电动机轴承冷却管52提供。内部外壳20将冷却气流导向组合件，其中冷却空气流动经过风扇外壳12中的组件，从而冷却推力轴承32、径向轴承40和其它冲压空气风扇组件。如图1b展示，当冷却空气从冷却管52移动到有叶片的风扇转子42时，冷却气流遵循三条路径，冷却空气在有叶片的风扇转子42处退出风扇外壳12。冷却空气能够流动（a）通过电动机定子26与护铁27之间的空间（指示为流F1）；（b）通过电动机定子26与电动机转子25之间的空间（指示为流F2）；以及（c）通过以拉杆38为中心的径向轴承轴34和推力轴28内的内核（指示为流F3）。冷却空气帮助减少过热的风险，这又帮助减少或防止因过量热而产生的磨损、变形和故障。本发明人发现增加冷却气流的渗透和对冷却气流的控制是重要的，特别是在内核（包含推力轴承32和有叶片的风扇转子42的内径）中。如图2所示，推力轴28提供对冷却气流的增加的控制且通过利用气流孔而使冷却空气更多地渗透到所需区域中。

图2是冲压空气风扇组合件10的推力轴28的透视图，而图3是沿着图2的线3-3截取的穿过推力轴28的横截面图。推力轴28包含：盘56；第一区段58，其形状可为圆柱形；第二区段60，其形状可为圆柱形；和第三区段64，其形状可为圆柱形且如图3所示。气流孔62设置在第一区段58中。

盘56以中心线C为中心，如同推力轴28的其它组件一样。在盘56的中心处是以中心线C和拉杆38为中心的圆形孔。第一区段58绕着盘56的中心处的圆形孔沿圆周附接到盘56。第一区段58可为圆柱形且包含气流孔62，气流孔62可绕着第一区段58沿圆周均匀地间隔且可在大体径向方向上完全延伸穿过第一区段58。第一区段58从盘56轴向地延伸且与第二区段60邻接。第二区段60可为圆柱形且在径向上以中心线C和拉杆38为中心。

推力轴28还包含第三区段64，其可为圆柱形且与盘56邻接而与第一区段58相对。第三区段64在径向上延伸远离盘56且以中心线C和拉杆38为中心。第三区段64可足够大以便附接到盘56而不干扰盘56的中心处的圆形孔。尽管可使用制造推力轴28的任何合适的材料和方法，但本实施方案可从一个单一和整体金属零件（例如，铝坯）机械加工。

推力轴28将有叶片的风扇转子42和罩44连接到电动机转子25。在需要时，电动机24导致推力轴28旋转，这又导致有叶片的风扇转子42和罩44旋转且增加空气进入冲压空气风扇10中的流入。当飞机移动得不够快而无法产生足以满足ECS的冷却需要的冲压空气压力时，可能需要借助电动机24对有叶片的风扇转子42施加动力以产生空气压力。轴向上位于第一区段58外部的径向轴承40保持推力轴28以中心线C为中心且提供低摩擦支持。推力轴承32位于盘56的两侧且提供对推力轴28的径向低摩擦支持。当推力轴28旋转时，第一区段58的接触径向轴承40的区域以及盘56的接触推力轴承32的区域可因为摩擦而变热。如先前所提到，这种热可导致推力轴28的不需要的磨损、变形和故障。

为了改进到推力轴承32和径向轴承40的冷却气流和对冷却气流的控制，第一区段58包含气流孔62。气流孔62经配置以便控制和计量从冲压空气风扇10的内核到径向轴承40和推力轴承32的冷却气流，而不会使过量冷却流转向远离冲压空气风扇10的其它组件且进而掠取那些其它组件的合适的冷却流。气流孔62在需要时还允许冷却空气从其它流动路径流到内核中。所说明的实施方案包含绕着第一区段58沿圆周均匀间隔的十一个孔，但其它实施方案可经配置以便使通过冲压空气风扇10的冷却空气的有效移动最大化，同时在高速旋转时保持推力轴28平衡以防止推力轴28振动。其它实施方案可改变气流孔62的数量、间隔、直径和/或其它参数以适合冲压空气风扇10的需要。气流孔62可位于径向上沿着第一区段58的任何地方，但本实施方案展示在盘56附近的气流孔62以使得气流孔62不在第一区段58的周围有径向轴承40的区域内。

图3展示推力轴28的各种尺寸，包含气流孔62的直径D1、从气流孔62的中心到盘56的邻近面的长度D2、第三区段64的内径D3、第二区段60的内径D4、第一区段58的长度D5和第一区段58的外径D6。通过实例而非限制，表1中可见这些尺寸的可能的最大比率和最小比率。表1中的所有值是近似的。本领域的技术人员将理解，缩放比例在所列范围内是可能的以为特定应用提供合适尺寸。

表1中的比率表示将电动机转子25连接到有叶片的风扇转子42和罩44且将有效冷却流提供到冲压空气风扇10的组件的推力轴28的一种可能配置。在所说明的实施方案中，如可在图3中最清晰地看见，第二区段60的直径D4小于第一区段58的直径D6，但推力轴28不限于此配置。气流孔62的直径D1与从盘56的一面到气流孔62的中心的长度D2的比率允许控制通过气流孔62的冷却空气，同时确保气流孔62（特别是孔62的边缘）不会与相对易损的径向轴承40接触。此接触可导致对径向轴承40、气流孔62或第一圆柱形区段58的损坏。如之前所提到，在本实施方案中将气流孔62包含在第一区段58中通过允许控制流F1、F2和F3之间的冷却气流的流动而增加冷却气流系统的效率。而且，气流孔62的配置允许增加流F3中的冷却空气对例如径向轴承40和推力轴承32等组件的接近。

可能的实施方案的论述

以下是本发明的可能的实施方案的非排它性描述。

一种推力轴可包含：主体，其具有盘，所述盘具有第一侧和相对的第二侧，所述盘具有位于所述盘的中心处的圆形孔；所述推力轴的第一区段，所述第一区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一末端附接到所述盘的所述第一侧；所述推力轴的第二区段，所述第二区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第二区段的所述第一末端附接到所述第一区段的所述第二末端；以及多个孔，所述孔均匀地间隔开且沿圆周位于所述第一区段周围。

另外地和/或替代地，前述段落的所述推力轴可任选地包含以下特征、配置和/或额外组件中的任何一者或多者：

所述第二区段可具有比所述第一区段的外径小的外径；

所述孔可大体上定位在轴向上与所述盘的所述第一侧等距处；

所述推力轴可通过所述孔而被供应空气；

所述第一区段可具有绕着所述第一区段沿圆周均匀间隔的十一个孔；

所述第一区段的轴长与所述第一区段的所述外径的比率可在约1.36与约1.37之间；

所述孔中的每一者的直径与从所述盘的所述第一侧测量到所述孔的所述中心的距离的比率可在约1.04与约1.14之间；

第三区段，其形状可为圆柱形且可附接到所述盘的所述第二侧；和/或

所述第三区段的内径与所述第二区段的内径的比率可在约1.12与约1.13之间。

一种冲压空气风扇组合件可包含：风扇外壳；风扇电动机，其附接到所述风扇外壳；风扇转子；主轴，其将所述风扇电动机连接到所述风扇转子；推力轴，其以所述主轴为中心，所述推力轴具有：在一个轴端处的盘，所述盘具有第一侧和第二侧；第一区段，其在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一区段的所述第一末端附接到所述盘的所述第一侧；第二区段，其从所述第一区段的所述第二末端延伸到所述推力轴的远离所述盘的一端，所述第二区段具有小于所述第一区段的外径的外径，其中所述第一区段的长度与所述第一区段的所述外径的比率在约1.36与约1.37之间，其中所述第一区段包含绕着所述第一区段沿圆周均匀间隔且大体上在轴向上与所述盘等距的多个孔。

另外地和/或替代地，前述段落的所述冲压空气风扇组合件可任选地包含以下特征、配置和/或额外组件中的任何一者或多者：

所述孔可允许气流冷却邻近所述盘的轴承；

所述第一区段可具有十一个孔；

所述孔的直径与从所述盘到所述孔的中心的距离的比率可在约1.04与约1.14之间；

第三区段，其形状可为圆柱形且可从所述盘的所述第二侧延伸；和/或

所述推力轴可具有所述第三区段的内径与所述第二区段的内径在约1.12与约1.13之间的比率。

例如“大体上”、“基本上”、“一般”、“大约”等本文中所使用的任何相对术语或程度术语应根据本文中明确阐述的任何适用定义或限制来解释且服从本文中明确阐述的任何适用定义或限制。在所有例子中，本文中使用的任何相对术语或程度术语应解释为广泛地涵盖任何相关公开实施方案以及这些范围或变化，如本领域的技术人员鉴于本公开的全文将理解，例如涵盖普通的制造公差变化、意外对准变化、由热引发的对准或形状变化、旋转或振动操作条件等。

尽管已参考示例性实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解本发明可进行各种改变且等效物可取代本发明的元件而不脱离本发明的范围。另外，可进行许多修改以使特定情形或材料适应本发明的教示而不脱离其基本范围。因此，本发明不希望限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包含落在所附权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1. 一种推力轴，其包括：

主体，其具有盘，所述盘具有第一侧和相对的第二侧，所述盘具有位于所述盘的中心处的圆形孔；

所述推力轴的第一区段，所述第一区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一末端附接到所述盘的所述第一侧；

所述推力轴的第二区段，所述第二区段在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第二区段的所述第一末端附接到所述第一区段的所述第二末端；以及

多个孔，所述孔均匀地间隔开且沿圆周位于所述第一区段周围。

2. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述第二区段具有比所述第一区段的外径小的外径。

3. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述孔大体上定位在轴向上与所述盘的所述第一侧等距处。

4. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述推力轴通过所述孔而被供应空气。

5. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述第一区段具有绕着所述第一区段沿圆周均匀间隔的十一个孔。

6. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述第一区段的轴长与所述第一区段的所述外径的比率在约1.36与约1.37之间。

7. 如权利要求1所述的推力轴，其中所述孔中的每一者的直径与从所述盘的所述第一侧测量到所述孔的所述中心的距离的比率在约1.04与约1.14之间。

8. 如权利要求1所述的推力轴，其进一步包括：第三区段，其形状上为圆柱形且附接到所述盘的所述第二侧。

9. 如权利要求8所述的推力轴，其中所述第三区段的内径与所述第二区段的内径的比率在约1.12与约1.13之间。

10. 一种冲压空气风扇组合件，其包括：

风扇外壳；

风扇电动机，其附接到所述风扇外壳；

风扇转子；

主轴，其将所述风扇电动机连接到所述风扇转子；

推力轴，其以所述主轴为中心，所述推力轴具有：在一个轴端处的盘，所述盘具有第一侧和第二侧；第一区段，其在形状上为圆柱形且具有第一末端和第二末端，所述第一区段的所述第一末端与所述盘的所述第一侧邻接；第二区段，其在形状上为圆柱形且从所述第一圆柱形区段的所述第二末端延伸到所述推力轴的远离所述盘的一端，所述第二区段具有小于所述第一区段的外径的外径，

其中所述第一区段的长度与所述第一区段的所述外径的比率在约1.36与约1.37之间，

其中所述第一区段包含绕着所述第一区段沿圆周均匀间隔且大体上在轴向上与所述盘等距的多个孔。

11. 如权利要求10所述的冲压空气风扇，其中所述孔允许气流冷却邻近所述盘的轴承。

12. 如权利要求10所述的冲压空气风扇，其中所述第一区段具有十一个孔。

13. 如权利要求10所述的冲压空气风扇，其中所述孔的直径与从所述盘到所述孔的中心的距离的比率在约1.04与约1.14之间。

14. 如权利要求10所述的冲压空气风扇，所述推力轴进一步包括：第三区段，其形状上为圆柱形且从所述盘的所述第二侧延伸。

15. 如权利要求14所述的冲压空气风扇，其中所述推力轴具有在约1.12与约1.13之间的所述第三区段的内径与所述第二区段的内径的比率。