CN104763481B - 一种大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，采用两个焊接的薄壁结构件，通过内六角螺栓连接组成整体，此薄壁焊接结构具有阻尼大，刚度低的特点，能够有效吸收陶瓷球轴承所受的振动冲击；轴承体薄壁焊接结构设计有油气润滑供给系统，为增压器陶瓷球轴承可靠工作有效提供所需润滑油气；轴承体薄壁焊接结构同时设计有水冷却进回路系统，冷却散热作用良好，避免轴承体过热，保证航空用增压器转子支承系统工作稳定可靠。本发明的优点在于：提高航空用两级增压器转子系统工作稳定性和可靠性；集成度高，降低了涡轮端高温废气的热传导和热辐射，有效保障两级增压器陶瓷球轴承转子支承系统处于正常合理的工作温度环境中。

Description

一种大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体

技术领域

本发明涉及航空活塞发动机涡轮增压技术领域，具体涉及一种两级涡轮增压器的大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体。

背景技术

通常，活塞发动机的涡轮增压器轴承多采用浮动轴承，结构简单，制造成本较低，其内外油膜阻尼较大，具有较强的抗冲击能力，能够保证增压器转子的稳定工作。但是，浮动轴承动压油膜的摩擦损失较大，导致增压器动态响应速度慢，使其应用到航空发动机增压器领域具有一定的局限性。而陶瓷球轴承采用油气润滑，因所需的润滑油量少，有利于降低轴承摩擦损失，使得增压器响应性得到明显改善，较适合应用于航空增压器领域。

与此同时，陶瓷球轴承刚度较大，阻尼较小甚至可以忽略，因此抵抗转子的不平衡冲击能力较弱，车用活塞发动机的球轴承支承增压器转子，一般在球轴承外径与轴承体内孔之间设计有挤压油膜阻尼器，以实现减振抗冲击的目的，而此类轴承体一般均为铸铁结构，重量较大，同样不适用与航空领域。所以需要为陶瓷球轴承支承的增压器转子系统设计一种大阻尼轴承体的结构，降低支承系统的刚度，缓冲转子对球轴承的振动冲击，保证增压器转子系统工作稳定。较低的支承刚度同时也降低转子系统的一、二阶临界转速，使其远离增压器的主要工作转速区域。为了解决这个问题，发明了一种新型大阻尼薄壁焊接结构的增压器轴承体。

除此之外，良好的润滑和冷却是轴承系统可靠工作的必要条件，尤其对于增压器的陶瓷球轴承，一方面润滑油量的减少使得润滑油的冷却效果变差，另一方面增压器涡轮端发动机高温废气的热传导和热辐射较强，使得球轴承长期处于高温的工作环境，严重影响其使用寿命。因此，在轴承体上合理设计润滑油供给系统，布置水冷却系统，对提升增压器球轴承转子系统工作稳定性和可靠性至关重要。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，采用薄壁结构件焊接而成，具有重量轻、刚度小、阻尼大的优点，能够有效保证一定的抗击振动冲击能力，且带有油气润滑供给系统和水冷却系统，保证陶瓷球轴承支承两级增压器转子系统工作的稳定性和可靠性。

大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：包括焊合结构A、薄壁焊合结构B。焊合结构A包括轴承座、轴承座套A、轴承座套B、连接法兰；薄壁焊合结构B包括水套、支承座、隔热板、隔板、前端盖、进水管、回水管、分进水管、分回水管、进油管、回油管；薄壁焊合结构A和薄壁焊合结构B通过螺栓连接。

所述薄壁焊合结构A中，轴承座内孔安装滚动轴承；轴承座顶部周向上设计有连接法兰，用来实现与薄壁焊合结构B间的连接。轴承座上从内到外依次安装有轴承座套A和轴承座套b，形成两层空腔，分别形成进油腔与第一回油腔；上述进油腔通过周向上设计的第一进油通道与轴承座内孔导通；第一回油腔通过轴承座上开设的油孔与轴承座内孔导通；连接法兰平面上周向均布有两层通孔；内层通孔作为第一回油孔，均与第一回油腔导通；外层通孔作为第一进油孔，均与进油腔导通。

所述薄壁焊合结构B中，其中，支承座具有中心轴孔，支撑座上由上至下依次套接有隔热板、隔板与前端盖；且使前端盖与隔板间形成第二回油腔；隔板与隔热板间形成水腔；在支撑座上设计有第二进油通道与回油通道；且使回油通道与第二回油腔导通。

上述结构薄壁焊合结构A中连接法兰与薄壁焊合结构B中支承间固定；保证连接法兰上的第一进油孔分别与在轴承座上的第二进油通道导通。连接法兰上的第一回油孔与轴承座上的回油通道导通；回油通道还与轴承座的内孔连通。所述进油管与第二进油通道导通，回油管与第二回油腔导通。

所述水套为U形截面的环形结构，周向固定于薄壁焊合结构B侧壁；水套通过挡板将内部分割，形成进水腔与回水腔。在隔热板侧壁上位于进水腔位置，安装沿周向分布的分进水管，通过分进水管将进水腔与水腔导通；同时在隔热板侧壁上位于回水腔位置，安装有周向分布的分回水管，通过分回水管将回水腔与水腔导通；进水管安装在水套中回水腔处的侧壁上；回水管安装在水套中回水腔处侧壁上。

本发明的优点在于：

(1)本发明薄壁件焊接结构轴承体支承刚度和阻尼良好协调，有效地承载转子载荷对陶瓷球轴承的振动冲击，提高航空用两级增压器转子系统工作稳定性和可靠性；

(2)本发明薄壁件焊接结构轴承体支承刚度小，阻尼大，降低了两级增压器转子支承系统的一、二阶临界转速，使其远离转子的主要工作转速区域，避免不必要的共振；

(3)本发明薄壁件焊接结构轴承体带有油气润滑供给系统和水冷却系统回路，集成度高，薄壁空腔结构降低了涡轮端高温废气的热传导和热辐射，有效保障两级增压器陶瓷球轴承转子支承系统处于正常合理的工作温度环境中；

(4)本发明薄壁件焊接结构轴承体重量轻，降低了整个两级增压器支承系统的质量，满足航空用增压器的轻量化的要求。

附图说明

图1是本发明大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体整体结构示意图；

图2是本发明中薄壁焊合结构A；

图3是本发明中薄壁焊合结构B；

图4是本发明的薄壁焊合结构A与薄壁焊合结构B连接方式示意图；

图5是本发明中油气供给系统中油液走向示意图；

图6是本发明的水冷却供给系统结构示意图。

图中：

1-薄壁焊合结构A 2-薄壁焊合结构B 101-轴承座

102-轴承座套A 103-轴承座套B 104-连接法兰

105-内孔 106-进油腔 107-第一回油腔

108-第一进油通道 109-油孔 110-第一回油孔

111-第一进油孔 201-水套 202-支承座

203-隔热板 204-隔板 205-前端盖

206-进水管 207-回水管 208-分进水管

209-分回水管 210-进油管 211-回油管

212-第二回油腔 213-水腔 214-第二进油通道

215-回油通道 216-挡板 217-进水腔

218-回水腔

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，包括薄壁焊合结构A1、薄壁焊合结构B2，如图1所示。其中，薄壁焊合结构A1包括轴承座101、轴承座套A102、轴承座套B103、连接法兰104，如图2所示。薄壁焊合结构B2包括水套201、支承座202、隔热板203、隔板204、前端盖205、进油管210、回油管211，如图3所示。薄壁焊合结构A1和薄壁焊合结构B2通过内六角螺栓连接。

所述薄壁焊合结构A1中，轴承座101为轴承座为耐热不锈钢棒料机加工成型，其内孔105为轴承安装孔，安装有两个滚动轴承。轴承座101顶部周向上设计有连接法兰104，用来实现与薄壁焊合结构B2间的连接。轴承座套A102套在轴承座套B103外侧，轴承座套A102与轴承座套B103顶端周向均与连接法兰104底面焊接。轴承座套A102底端周向与轴承座套B103中部周向焊接；轴承座套B103底端周向与轴承座101底端周向焊接；且使轴承座套A102与轴承座套B103间具有一定空间，作为进油腔；同时，使轴承座套B103与轴承座101间具有一定空间作为第一回油腔107。上述进油腔106通过周向上设计的第一进油通道108与轴承座101的内孔105导通；第一回油腔107通过轴承座101底部周向上开设的油孔109与轴承座101的内孔105导通。轴承座套A102和轴承座套B103均为薄壁冲压回转体，降低本发明增压器轴承体刚度。上述连接法兰104平面上周向均布有两层通孔，两层通孔的周向位置对应；其中，内层通孔作为第一回油孔110，均与第一回油腔107导通；外层通孔作为第一进油孔111，均与进油腔106连通。

所述薄壁焊合结构B2中，其中，支承座202为耐热不锈钢棒料机加工成型，具有中心轴孔，沿径向依次设计有大台阶、中间台阶与小台阶三个面积由小到大的台阶结构，形成安装配合面，分别用来安装隔热板203、隔板204与前端盖205。前端盖205为具有大直径段与小直径段的筒状结构；前端盖205的小直径段与大台阶外圆周向焊接。隔板204为圆环板，外圆周向具有环形侧壁，內圆与中间台阶外圆周向焊接；环形侧壁与前端盖205下部大直径段周向侧壁间焊接，使隔板204、大台阶以及前端盖205上部小直径段间形成第二回油腔212。隔热板203为圆环板，隔热板203外圆周向具有环形侧壁；隔热板203內圆向隔热板203内侧收缩，使內圆的轴向位置低于外圆轴向位置，形成收缩口结构；隔热板203內圆与小台阶外圆焊接，隔热板203外圆与隔板204顶面贴合，使隔热板203与隔板204间形成水腔213。上述大台阶周向上，沿大台阶径向均匀分布有L形的第二进油通道214；且在大台阶的轴向开设有回油通道217，并使回油通道217与第二回油腔212导通。所述隔热板203、隔板204、前端盖205均为薄壁不锈钢板冲压折弯成形。

上述结构薄壁焊合结构B2通过周向分布的内六角圆柱头螺栓固定于薄壁焊合结构A1上，具体方式为：在薄壁焊合结构A1中连接法兰104上周向均设螺栓孔；薄壁焊合结构B2中支承座202大台阶平面周向均设与螺栓孔位置对应的螺纹孔；由此，将薄壁焊合结构A1中连接法兰104平面与薄壁焊合结构B2中大台阶平面贴合，使各螺栓孔分别与各螺纹孔位置对应，通过六角圆柱头螺栓穿过螺栓孔后拧入螺纹孔，实现薄壁焊合结构B2与薄壁焊合结构A1间的连接；此时，保证连接法兰104平面上的第一进油孔111分别与在大台阶平面上的第二进油通道214导通，进而使第二进油通道214与进油腔106导通；连接法兰平面上的第一回油孔110与大台阶平面上的回油通道215导通，使第一回油腔107与第二回油腔212导通；回油通道215还直接与轴承座101的内孔105导通，如图5所示。上述薄壁焊合结构A1与薄壁焊合结构B2间，位于第一进油孔111与第二进油通道214处以及第一回油孔110与回油通道215的导通配合面处设有聚四氟乙烯密封垫，减少不必要的润滑油气泄漏。

所述进油管210与回油管211周向均布，分别焊接在隔板204侧壁上开设的通孔，且各个进油管210分别与各个第二进油通道导通，各个回油管211均与第二回油腔212导通，由此形成油气润滑回路系统；具体过程为：润滑油与空气按一定比例形成的混合油气在一定的供油压力下依次经各进油管210、第二进油通道214、第一进油孔111、进油腔106进入轴承座101的内孔105，供给滚动轴承，起到润滑作用。温度升高的油气混合气，经两路回流，一路依次经过油孔109、第一回油腔107、第一回油孔110、第一回油孔110、回油通道215进入第二回油腔212；另一路直接经回油通道215进入第二回油腔212，最终由各个回油管211引出，如图5所示。在整个油气供给系统的焊接制造过程中，必须保证进油腔106、以及第一回油腔107与第二回油腔212构成的回油通路具有良好密封与隔离，进而保证有效可靠的油气润滑系统，维持增压器正常工作。本发明中的轴承体所有零件均采用耐热不锈钢材料，可在600℃高温环境中保持良好的持久强度和抗蠕变强度，在900℃以下的热空气中具有稳定的抗氧化性，耐腐蚀性良好，无需表面处理，冷、热加工性能良好，焊接性能良好，焊后无需热处理。

所述水套201为薄壁不锈钢板冲压折弯成U形截面的环形水套。水套201的上沿与隔热板203周向焊接，下沿与隔板204周向焊接，水套201的上沿与下沿焊接位置须保证水套201中可顺利插入分进水管208和分回水管209，且保证分进水管208和分回水管209不与隔板204发生干涉。水套201在互为轴对称的两处通过挡板216分割，形成两个独立的空腔，分别作为进水腔217与回水腔218，如图6所示。在隔热板203侧壁上位于进水腔217位置，安装有4～6个沿周向等间距分布的分进水管208，通过分进水管208将进水腔217与水腔213导通；同时在隔热板203侧壁上位于回水腔218位置，安装有4～6个沿周向等间距分布的分回水管209，通过分回水管209将回水腔218与水腔导通。进水管206安装在水套201中回水腔218处的侧壁上；回水管207安装在水套201中回水腔218处侧壁上；由此构成辐射喷溅式水冷系统，低温冷却水由进水管206引入进水腔217后，经分进水管208引入水腔213，对轴承座101的后滚动轴承进行冷却充分吸收涡端传递来热量的冷却水温度升高，高温冷却水经分回水管209进入回水腔218，最终通过回水管207引出，完成对轴承座101中后滚动轴承的冷却循环工作，避免后滚动轴承因高温工作而发生失效。

本发明中隔热板、水套、前端盖和隔板均为耐热不锈钢冲压成型，壁厚1～2mm；进水管206、回水管207、分进水管208、分回水管209、进油管210与回水管207均为壁厚0.5mm的不锈钢管；轴承座套A和轴承座套B均为耐热不锈钢冲压成型，壁厚0.5～1mm。且由于进水管206、回水管207、分进水管208、分回水管209、进油管210与回水管207壁厚仅0.5mm，焊接时极易穿透，因此，采用非接触式激光焊接工艺，将入热量降到最低的需要量，热影响区金相变化范围小，且因热传导所导致的变形最低。其余零部件之间则采用氩弧焊工艺，氩气保护可隔绝空气中氧气、氮气、氢气等对电弧和熔池产生的不良影响，减少合金元素的烧损，得到致密、无飞溅、质量高的焊接接头；操作、观察方便；且不受焊件位置限制，可进行全位置焊接，有利于控制成本。

与传统的涡轮增压器轴承体不同，本发明大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体采用薄壁件组合焊接而成，能够合理地降低支承系统的结构刚度，增大支承系统的结构库伦阻尼，轴承体的刚度和阻尼良好协调，从而有效地承载转子载荷对滚动轴承的振动冲击，提高转子系统工作稳定性和可靠性。与此同时，轴承体重量显著减轻，薄壁空腔结构也降低了涡轮端高温废气的热传导和热辐射，再加上可靠有效的油气润滑和水冷却系统，最大限度的保证了航空活塞发动机用两级增压器可靠工作。

Claims (5)

1.大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：包括薄壁焊合结构A、薄壁焊合结构B；薄壁焊合结构A包括轴承座、轴承座套A、轴承座套B、连接法兰；薄壁焊合结构B包括水套、支承座、隔热板、隔板、前端盖、进水管、回水管、分进水管、分回水管、进油管、回油管；薄壁焊合结构A和薄壁焊合结构B通过螺栓连接；

所述薄壁焊合结构A中，轴承座内孔安装滚动轴承；轴承座顶部周向上设计有连接法兰，用来实现与薄壁焊合结构B间的连接；轴承座上从内到外依次安装有轴承座套A和轴承座套B，形成两层空腔，分别形成进油腔与第一回油腔；上述进油腔通过周向上设计的第一进油通道与轴承座内孔导通；第一回油腔通过轴承座上开设的油孔与轴承座内孔导通；连接法兰平面上周向均布有两层通孔；内层通孔作为第一回油孔，均与第一回油腔导通；外层通孔作为第一进油孔，均与进油腔导通；

所述薄壁焊合结构B中，其中，支承座具有中心轴孔，支撑座上由上至下依次套接有隔热板、隔板与前端盖；且使前端盖与隔板间形成第二回油腔；隔板与隔热板间形成水腔；在支撑座上设计有第二进油通道与回油通道；且使回油通道与第二回油腔导通；

上述结构薄壁焊合结构A中连接法兰与薄壁焊合结构B中支承间固定；保证连接法兰上的第一进油孔分别与在轴承座上的第二进油通道导通；连接法兰上的第一回油孔与轴承座上的回油通道导通；回油通道还与轴承座的内孔连通；

所述进油管与第二进油通道导通，回油管与第二回油腔导通；

所述水套为U形截面的环形结构，周向固定于薄壁焊合结构B侧壁；水套通过挡板将内部分割，形成进水腔与回水腔；在隔热板侧壁上位于进水腔位置，安装沿周向分布的分进水管，通过分进水管将进水腔与水腔导通；同时在隔热板侧壁上位于回水腔位置，安装有周向分布的分回水管，通过分回水管将回水腔与水腔导通；进水管安装在水套中进水腔处的侧壁上；回水管安装在水套中回水腔处侧壁上。

2.如权利要求1所述大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：所述轴承座套A和轴承座套B均为薄壁冲压回转体。

3.如权利要求1所述大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：所述隔热板、隔板、前端盖均为薄壁不锈钢板冲压折弯成形。

4.如权利要求1所述大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：所述隔热板、水套、前端盖和隔板均为耐热不锈钢冲压成型，壁厚1～2mm；进水管、回水管、分进回水、分回水管、进油管与回水管均为壁厚0.5mm的不锈钢管。

5.如权利要求1所述大阻尼且带有润滑和冷却系统的增压器轴承体，其特征在于：所述轴承座套A和轴承座套B均为耐热不锈钢冲压成型，壁厚0.5～1mm。