CN106460519B - 涡轮机轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮机的管状轴(8)，在其内周缘处包括基本垂直于所述花键(9)的凹部(11)，其特征在于，所述凹部(11)包括分布在以轴(8)的旋转轴线(LL)为中心的圆周上的腔(17)。本发明还涉及一种包括所述涡轮机轴的组件、涡轮机以及一种用于检测油失衡的方法。

Description

涡轮机轴

技术领域

本发明涉及涡轮发动机的领域，更具体地，涉及在涡轮发动机的不同转子之间传递动力的轴。

背景技术

当涡轮发动机为如图1中图解示出的双路式发动机时，在气体的流动的方向上从上游至下游，涡轮发动机通常包括：风扇1；一个或多个压缩机级，即，低压2和随后的高压3；燃烧室4；一个或多个涡轮级，即，高压5和随后的低压6；以及排气管。转子绕涡轮发动机的主轴线LL旋转并且能够通过与这些不同元件相对应的不同的传输和传动系统相互连接。

具体地，低压涡轮6对低压压缩机2的驱动受到轴7与8之间的连接影响，这两根轴分别连接至低压压缩机和低压涡轮。因此，这两个轴7、8之间的连接是不可缺少的，以便从低压涡轮6传递扭矩到低压压缩机2。

参照图2，在已知的方式中，花键9能够传递该扭矩，该花键分布在靠近低压涡轮6的轴8的端部10的周缘处，插入至低压压缩机2的轴7中。

此外，低压涡轮的轴8通常在靠近该端部10处呈中空管状。同样在已知方式中，在轴8的内周缘中制成与花键9相配的槽11，槽的形状被优化以便当传递扭矩时在确保其机械强度的同时使轴8的质量最小化。

在该技术中，低压涡轮的轴8还包括端部10处的径向内部管状部分12。具体地，该内部管状部分12的作用是封闭槽11，并且在槽11处与轴8形成环形腔13。

该环形腔13通常通过在轴8与管部分12之间定位在其端部处的环形密封件14密封。这是因为轴8的端部10沉浸在来自涡轮发动机的其他部分的空气流15中。该空气经过脱油，但仍然含有少量的油。该技术防止油通过离心作用积蓄在槽11中并且不会因失衡作用导致轴8的结构的疲劳。

尽管这不是通常的情况，在密封件14中的一个的密封性变得不足的情况下，涡轮发动机的设计仍需要考虑保留在槽11中的油的风险。最终，由此产生的油袋在离心力的作用下散布在槽11的外壁上并在旋转的轴8中滑动。因此，油袋不以与轴相同的速度旋转。图3示出例如180°下的最大失衡作用，其中，油袋16聚积在环形腔13的一侧上，即，图中的下侧上，使环形腔13的在直径方向上相反的部分为空的。

经验表明，由这种油袋16在结构上产生的振动频率出现在轴8的旋转速度的大约90％处。这些振动是异步的，不能被传感器检测。为此，低压涡轮6的轴8是交变应力的场所，该交变应力使轴遭受与高频周期相符的疲劳载荷。

在文献FR-A1-2993311中，描述了一种装置，其通过在内壁的最远离轴线的区域中设置孔口来使得存在于形成在两个轴之间的连接处的腔中的油能够被排出。然而，由于其形状，槽11能够困住不能通过离心力而被朝向排出孔驱动的油。此外，不能够考虑将排出孔放置在槽11中，因为槽与连接花键9相配。

因此，存在下述需求：在与在两个轴之间的这种动力传递轴上制成的槽相对应的空腔的密封性不足的情况下检测油的存在。本发明的目的是满足此需求。

发明内容

为此，本发明涉及一种管状的涡轮发动机轴，其在其内周缘处具有槽，其特征在于，所述槽具有在以轴的旋转轴线为中心的表面中制成的至少一个凹部。

槽在这里理解为：在管状轴的内周缘的基本圆柱形部分中，形成在旋转轴的整个圆周上的中空部。

以此方式，当使所述轴在涡轮发动机中旋转时，在一些油在槽处进入的情况下，油通过离心作用开始聚积在凹部或多个凹部中，该凹部或多个凹部形成在径向上距槽的壁最远的部分。随后，困在这些凹部中的油以与轴相同的速度旋转，并且其产生的失衡变得可被检测到。

此外，通常，这种类型的槽通常位于轴的端部部分附近，这放大了失衡的程度并且利于其检测。另外地，在这种情况下，根据本发明的涡轮发动机轴的制造意味着修改其靠近端部部分的内壁。这可以在与内部管状部分(该内部管状部分堵住槽)组装之前进行，而不修改该部分或与该部分的交界面。因此，对于涡轮发动机轴的设计，这是相对简单且容易执行的修改。

优选地，所述槽具有如下所述的部分：在所述部分中，至少一个凹部制成在由曲线围绕旋转轴线的旋转产生的表面上，所述曲线被限定在子午面中。

由于在无凹部的情况下几何形状的旋转的对称性，因此这是一种油可以不具有任何预定性地分布的槽。

有利地，涡轮发动机轴包括分布在围绕旋转轴线的圆周上的至少两个凹部。

优选地，凹部围绕所述旋转轴线规律地分布。

甚至更优选地，凹部关于所述旋转轴线或关于经过所述旋转轴线的平面对称。

凹部的数量使得能够修改由腔中存在的一定量的油建立的失衡的频率和强度。通常，凹部的几何形状和数量限定将被保持的油的体积。这些参数根据要检测的期望的失衡值来调节。

有利地，一个或多个凹部通过在轴的内壁中进行铣削或电火花加工获得。

根据另一实施例，一个或多个凹部由形成隔板并从所述轴的内壁基本上径向延伸的部分形成。形成隔板的部分可以通过钎焊或焊接固定至轴的内壁。

有利地，所述涡轮发动机的管状轴具有连接装置，所述连接装置布置在涡轮发动机轴的外周缘处并且构造成将扭矩传递至另一轴。

优选地，所述槽基本上与所述连接装置相配。

当所述轴在涡轮发动机中被用于将扭矩(例如动力涡轮的扭矩)传递至另一轴时，本发明使得能够检测穿过轴之间的连接点处的轴开口的油在由于机械原因而制成的槽中的任何聚积。

所述连接装置可以是花键。

本发明还涉及一种组件，具有这种涡轮发动机轴和以密封得方式封闭所述槽以形成旋转腔的装置。所述封闭装置可以包括在槽处呈圆柱形的中空管状部分。

本发明还涉及一种涡轮发动机，包括轴或上文描述的组件。特别地，这可以对应于下述情况：轴由低压涡轮驱动并且驱动低压压缩机的轴。

本发明还涉及一种用于检测管状涡轮发动机轴内部的油在内周缘中的槽处存在的方法，其特征在于，所述方法使用如上描述的轴，并且所述方法包括与所述轴的转速同步地测量所述轴的失衡值的步骤；以及，当所述失衡值与所述轴的单独的失衡值之间的差值高于预定阈值时发出警报的步骤，所述预定阈值对应于可能存在：至少困在一个凹部中的油并且产生与轴的速度同步的失衡。

附图说明

参照附图，阅读以下非限制性示例的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其它细节、特征和优点将变得更加清楚，其中：

-图1是根据现有技术的涡轮发动机的结构的示意图；

-图2示出了沿着根据现有技术的轴的端部的子午面的半截面；

-图3示出了沿着根据现有技术的轴的端部的子午面的具有油腔的横截面；

-图4示出了沿着根据本发明的轴的端部的子午面的半剖面；

-图5示出了根据本发明的沿着子午面剖切成两部分的轴，内部管状部分已取出；

-图6a和6b示出沿着图5中限定的平面BB的截面，该截面为利用第一加工方法获得的根据本发明的第一实施例的轴的不同变型的截面；

-图7a至7d示出沿着图5中限定的平面BB的截面，该截面为利用第二加工方法获得的根据本发明的第一实施例的轴的不同变型的截面；

-图8a和8b示出沿着作图5中限定的平面BB的截面，该截面为根据本发明的第三实施例的轴的不同变型的截面。

具体实施方式

参照图4，根据本发明制造的涡轮发动机轴与图2的不同之处在于管状轴8的内表面的形状在槽11处被修改。

槽11的表面具有更靠近回转轴线LL的部分，该部分由子午面中的曲线11a的旋转产生并且在花键9处产生第一槽形状。然而，该表面具有至少一个凹部17，所述至少一个凹部在由该第一表面与线11b之间的接合产生的角扇区中获得，该线在子午面中沿着凹部17的表面上的最大半径点。

图5示出了以这种方式形成在轴8的内表面上的槽11中的两个凹部17a、17b。

在围绕轴线LL的特定角位移上，凹部的表面可以或可以不遵循围最大半径的线11b，并且可以以各种方式沿着母线11a连接至表面。凹部的数量也可以变化。这在一定程度上取决于用于创建这些凹部的技术。

根据第一实施例，凹部17a、17b可以通过在轴8的内壁中制出中空部而创建。

参照图6a和6b，中空部可以通过在轴8的壁中进行铣削而获得。

图6a示出了轴8的沿着图4和5所示的平面BB的横截面，其中，两个凹部17a、17b已经被铣削。可以看到在轴8的径向外部部段上的花键9。较小的圆表示轴8在端部10与槽11之间的内部部段18。用于将轴8在槽11处的内壁挖空的工具可以通过该部段。

第二圆19界定槽11中的内壁的除了凹部17a、17b之外的对应于曲线11a的部分。在图6a中示出两个凹部17a和17b。这里，凹部17a和17b在图中关于水平面对称。凹部的部段的半径在中心部分和端部之间规律地减小，所述中心部分具有最大半径并且对应于图4中的线11b在部段中的位置，并且端部与槽11中的最小部段19交汇。凹部17a和17b关于竖向子午线面对称。因此，具有凹部17a、17b的槽11在此具有2重对称性。

在图6a中示出铣削工具的部段20在通过轴8的端部10引入到槽11中期间的不同位置。可以看到，铣削工具在以如此方式移动之前以与每个凹部17a、17b的中心相对的方式引入，以便去除材料并且建立对应的中空部。该过程使得能够每次通过对工具重复相同的指令序列来针对多个不同凹部制造相同的形状。

图6b示出了一种变型，在该变型中，在槽11的壁中通过铣削建立三个凹部17a、17b、17c，该槽具有对应于曲线11a的原始圆形部段19。同样，铣削工具20在每个凹部的铣削的开始时引入到每个凹部17a、17b、17c的中心的前方。这里，三个凹部是相同的并且规律地间隔开；因此槽具有3重对称性(3-fold symmetry)。

根据另一种加工方法，参照图7a至7d，通过在轴8在槽11处的内壁19中进行电火花加工来建立对应于凹部的中空部，所述内壁对应于图4中的曲线11a。

图7a示出通过该方法获得了两个对称的凹部17a、17b的轴8的横截面。这里，当上凹部17a已经建立时，可以看到工具的电极21处于其最终位置。如前所述，电极21已经在槽11处通过最小横向部段18的端部10引入到轴8内部。这里，电极21已经通过中心被引入，然后在电火花加工过程期间沿阴影区域所示的路径朝向凹部17a的底部平移。在相对的凹部17b上，在横截面中，可以看到，具有由电极21制成的标记的形状。

图7b、7c和7d示出了变型，在这些变形中，已经在三个，八个或七个方向上使用电极21以便建立相同数量的规律间隔开的类似凹部。

具有八个凹部的图7c示出了如下所述的示例：给出了电极21的宽度和凹部17a至17h的数量，凹部的边缘交汇。因此，具有凹部17a至17h的槽11的最小部段11a的半径大于初始槽11的部段19的半径。

事实上，在本文虽未详细描述但对本领域技术人员可用的另一变型中，所提出的两种加工方法可以用于按照期望形状在轴8内部直接建立具有凹部17a至17h的槽11，轴的内壁可以是圆柱形的，没有事先制成的槽形。

根据第二实施例，凹部可以通过填充最初制成在轴8中的槽11内部的空间来获得。

参照图8a，具有对应于小于180°的环形扇区的横截面的两个相同部分22对称地安装在初始槽11的内壁23的右侧和左侧，这里，对应于线11b在横截面BB处的位置。因此，在上方和下方形成两个凹部17a、17b，这两个凹部各自对应于具有与部分22相同深度的角度扇区。组件具有两重对称性。

在一个变型中，则是一系列相对薄的隔板24，隔板径向安装在初始槽11的内壁23上。由于这些隔板24规律地间隔开，其形成一系列对称的凹部17a至17g，在图8b中是七重对称性。这些隔板24的径向内端部遵循图4所示的最小半径的曲线11a的演变。这些隔板24可以通过一个或多个内部轴环25彼此连接，以便提供机械强度。

这些部分22或隔板24可以通过钎焊或焊接至轴8的内表面23而固定在槽11中。

从刚提出的示例可以看到，能够在不必修改其他部分(特别是根据现有技术设计的内部管状部分12)的情况下制成轴8。根据现有技术，轴的完整装配可以随后通过将内部管状部分12装配在配备有在槽11中的凹部17的轴8中进行。

本发明已经提出了使用优选地至少两个凹部，以便在没有油时保持轴的对称性性，但是此处也能够设想仅制出单个凹部，其将必然以非对称的方式困住油。

此外，在这里提出在轴的连接装置的区域中制成的槽中进行凹部的制造，这是因为该槽靠近轴的连接端部部分处的油的通道，因此对应于所识别的风险。然而，明显的是，本发明可以应用于在其内周缘上的任何位置具有槽的任何轴，以及可以应用于担心油将在其旋转时聚积并产生不期望的力的情况。特别地，可以使用用于通过以上描述的铣削或电火花加工来建立凹部的方法，如以上描述的将工具通过管状轴的开口端部中的一个带到槽中。

最后，在诸如刚描述的轴已安装在涡轮发动机中的情况下，能够根据已知技术为涡轮发动机配备振动传感器。在腔13的环形密封件14劣化并且在油聚积在腔13中的情况下，通过本发明，油被困在凹部17中的至少一个中并且失衡变得与轴的速度同步。配备有具有适当软件的用于监测计算机的涡轮发动机的系统可以随后测量轴失衡的值，并且将其与预先针对没有油的轴单独测量的基准失衡值进行比较。在该值与基准值相差超过预定阈值的情况下，系统可以随后发出警报，该警报指示可能由于槽11的凹部17中存在油以及油失衡而导致的振动的出现。

Claims (13)

1.管状的涡轮发动机轴(8)，在其内周缘处具有槽(11)，其特征在于，所述槽(11)具有在以所述管状的涡轮发动机轴(8)的旋转轴线(LL)为中心的表面(19)中制成的至少一个凹部。

2.根据权利要求1所述的管状的涡轮发动机轴，其特征在于，所述槽(11)具有如下部分：在所述部分中，所述至少一个凹部制成在由曲线(11a)围绕所述旋转轴线(LL)的旋转产生的表面(19)上，所述曲线被限定在子午面中。

3.根据权利要求1或2所述的管状的涡轮发动机轴，包括至少两个凹部，所述至少两个凹部分布在围绕所述管状的涡轮发动机轴(8)的旋转轴线(LL)的圆周上。

4.根据权利要求3所述的管状的涡轮发动机轴，其中，所述凹部围绕所述旋转轴线(LL)规律地分布。

5.根据权利要求4所述的管状的涡轮发动机轴，其中，所述凹部关于所述旋转轴线(LL)对称，或者关于经过所述旋转轴线的平面对称。

6.根据权利要求中1或2所述的管状的涡轮发动机轴，其中，一个或多个所述凹部通过在所述管状的涡轮发动机轴(8)的内壁(19)中进行铣削或电火花加工获得。

7.根据权利要求1或2所述的管状的涡轮发动机轴，其中，一个或多个所述凹部由形成隔板并从所述管状的涡轮发动机轴的内壁(23)基本上径向延伸的部分(22，24)形成。

8.根据权利要求7所述的管状的涡轮发动机轴，其中，形成隔板的部分(22，24)通过钎焊或焊接固定。

9.根据权利要求1或2所述的管状的涡轮发动机轴(8)，具有连接装置(9)，所述连接装置布置在所述管状的涡轮发动机轴的外周缘处并且构造成将扭矩传递至另一轴(7)。

10.根据权利要求9所述的管状的涡轮发动机轴(8)，其中，所述槽(11)被定位成基本上与所述连接装置(9)相配。

11.根据权利要求9所述的管状的涡轮发动机轴，其中，所述连接装置(9)是花键。

12.涡轮发动机，包括根据权利要求1至11中任一项所述的管状的涡轮发动机轴(8)。

13.用于检测根据权利要求1至11中任一项所述的管状的涡轮发动机轴内部的油在内周缘中的槽(11)处的存在的方法，所述方法包括：与所述管状的涡轮发动机轴的转速同步地测量所述管状的涡轮发动机轴(8)的失衡值的步骤；以及，当所述失衡值与所述管状的涡轮发动机轴的单独的失衡值之间的差值高于预定阈值时发出警报的步骤，所述预定阈值对应于可能存在：至少困在一个凹部中的油并且产生与管状的涡轮发动机轴的速度同步的失衡。