CN107435590A - 油气分离装置及燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气分离装置及燃气涡轮发动机，其中油气分离装置包括设有分离腔的腔体结构，所述分离腔的壁面上设有进口、第一出口和第二出口，所述进口包括多个切向通道，多个所述切向通道能够使油气混合物以切向方向进入所述分离腔，第一出口沿分离腔的径向设置，第二出口沿分离腔的轴向设置，所述分离腔通过旋转使所述油气混合物实现油气分离，并使分离后的油通过所述第一出口流出，分离后的气体通过所述第二出口流出。本发明油气分离装置及燃气涡轮发动机实施例中，进入分离腔中的油气混合物具有较大的切向速度，较小或者几乎为零的径向速度和轴向速度，可以使油气混合物在分离腔中的旋涡运动停留时间更长，更加有利于提高油气分离的效率。

Description

油气分离装置及燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及油气分离技术领域，尤其涉及一种油气分离装置及燃气涡轮发动机。

背景技术

燃气涡轮发动机一般主要包括压气机、燃烧室和高压涡轮，其中，压气机主要用于将空气压缩并使其进入核心机；燃烧室主要用于将压缩空气和燃油混合，并发生充分燃烧以产生高能量燃气流；而高压涡轮则主要用于从燃烧室喷出的高能量燃气流中提取能量来驱动压气机。在航空涡扇发动机中，位于核心机下游的低压涡轮从燃烧室喷出的高能量燃气流中提取能量并驱动风扇转动，而风扇则提供发动机产生的最主要推力。

发动机中通常由多个支点轴承来固定转子。一般地，对于双转子发动机来说，一些支点轴承用于支撑低压转子，另外一些支点轴承用于支撑高压转子，高、低压转子均绕着发动机中心轴高速旋转。

发动机轴承封闭在轴承腔中，轴承腔提供润滑油对轴承进行冷却和润滑。为避免轴承在高速旋转工作状态下发生过热现象，必须采取封严措施以阻止发动机中的热空气从空气流道中进入轴承腔，而发动机的耗油量会因为轴承腔封严措施而上升；同时，为了使得用于冷却和润滑轴承的润滑油能够高效地带走由于轴承高速旋转而产生的热量，轴承腔的封严措施需要存在一个让空气流进和流出轴承腔的空气通道，而该通道中的空气流中将含有滑油，除非采取适当的措施将其中的滑油分离并送回轴承腔，否则空气中的滑油将不可回收，并随着空气排出发动机外，这将大大增加发动机的滑油消耗量。

现有技术中有一种采用旋转风扇轴上的柱塞孔(weep plug)，油气混合物经过柱塞孔径向进入分离腔内，并通过柱塞与风扇轴安装孔之间的滑油专用通道引导分离出的油。但是，发明人发现，由于经过柱塞通风孔从轴承腔进入分离腔中的油气混合物具有很高的径向动量，进入分离腔体中的油气混合物不能在分离腔最大半径处产生最高的切向速度，这样，油气混合物在螺旋前进的过程中所受到的粘性阻力将很小，因此，油气混合物在分离腔中旋涡运动的停留时间会很短，油气分离效果比较差。

现有技术中还有一种旋涡式气-油分离器系统，通过轴向贯穿转盘轮缘的多个通道构成轴承腔与分离腔之间的气流通道，油气混合物气流从轴承腔进入分离腔中后，撞击到腔壁上。但是发明人发现，由于经过轴向贯穿轮盘轮缘的气流通道从轴承腔进入分离腔中的混合物气流具有较大的轴向分量，因此会导致油气混合物在分离腔中旋涡运动的停留时间很短，所以油气分离效果不理想。

综上，现有的通风结构通常会使通过通风孔进入分离腔中的油气混合物具有较大的径向速度分量或者较大的轴向速度分量，较大的径向速度分量会使得油气混合物触碰到分离腔壁面的几率降低，而较大的轴向速度会使得油气混合物在分离腔中的旋涡运动时间过短，这两点均不利于油气分离效率的提高，从而导致润滑油消耗过大。

发明内容

本发明的目的是提出一种油气分离装置及燃气涡轮发动机，以解决现有技术中油气分离装置的油气分离效率不高的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种油气分离装置，包括设有分离腔的腔体结构，所述分离腔的壁面上设有进口、第一出口和第二出口，所述进口包括多个切向通道，多个所述切向通道能够使油气混合物以切向方向进入所述分离腔，所述第一出口沿所述分离腔的径向设置，所述第二出口沿所述分离腔的轴向设置，所述分离腔通过旋转使所述油气混合物实现油气分离，并使分离后的油通过所述第一出口流出，分离后的气体通过所述第二出口流出。

进一步地，多个所述切向通道被构造成能够使得进入所述分离腔的所述油气混合物沿所述分离腔轴向方向的分速度为零。

进一步地，多个所述切向通道的中轴线均与所述分离腔的轴线相互垂直。

进一步地，多个所述切向通道的进气方向所形成的旋向与所述分离腔的旋转方向相反。

进一步地，所述第一出口设置在距离所述分离腔的旋转中心最远的位置。

进一步地，所述分离腔内设置有倾斜壁面，所述倾斜壁面的末端与所述距离所述分离腔的旋转中心最远的位置相连，以使分离后的油能够沿着所述倾斜壁面流向所述第一出口。

进一步地，所述切向通道包括八个，八个所述切向通道沿所述分离腔的周向均匀布置。

进一步地，所述第一出口包括多个径向通道，所述径向通道的中轴线沿着所述分离腔的径向设置。

进一步地，多个所述径向通道沿所述分离腔的周向均匀布置。

为实现上述目的，本发明还提供了一种燃气涡轮发动机，包括风扇轴、转子轴、端盖和上述的油气分离装置，其中所述端盖设置在所述转子轴的前方，所述分离腔由所述风扇轴、所述端盖、所述转子轴以及所述转子轴的端面所围成，所述油气分离装置作为所述燃气涡轮发动机的轴心通风器，所述进口和所述第一出口均开设在所述风扇轴上，所述第二出口沿所述分离腔的轴向设置在靠近所述转子轴的一侧，位于所述风扇轴的外周的轴承腔通过所述进口和所述第一出口与所述分离腔连通。

基于上述技术方案，本发明通过在油气分离装置的进口设置多个切向通道，该切向通道能够使油气混合物以切向方向进入分离腔，避免油气混合物在轴向和径向有太多的分量，径向速度分量和轴向速度分量较小或者几乎为零，可以延长油气混合物在分离腔中的停留时间，有助于油气混合物在离开分离腔之前实现充分地油气分离；油气混合物的切向速度增大，可以使得其在分离腔中产生更强的旋涡和更大的离心加速度，油滴被甩向壁面的几率加大，从而更容易实现油气分离，提高油气分离的效率；将该油气分离装置作为轴心通风器应用于燃气涡轮发动机上时，可以有效降低润滑油的消耗量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为燃气涡轮发动机的结构示意图。

图2为本发明油气分离装置一个实施例的结构示意图。

图3为图2实施例中M-M方向的截面图。

图4为图2实施例中N-N方向的截面图。

图中：1-压气机，2-燃烧室，3-高压涡轮，4-高压转子轴，5-低压涡轮，6-低压转子轴，7-风扇轴，8-外环形结构，9-供油导管，10、11-喷嘴，12-引气增压管，13-中介机匣，14-第一轴承，14A-第一内环形圈，14B-第一外环形圈，15-第二轴承，15A-第二内环形圈，15B-第二外环形圈，16-密封件，17-第一轴承座，18-第二轴承座，20-端盖，21-锁紧螺母，22-进口，23、25-倾斜壁面，24-第一出口，26-第二出口，221-切向通道，241-径向通道，A-轴线，B-虚拟端面，a-轴承腔，b-增压腔，c-分离腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为燃气涡轮发动机的结构示意图。在发动机工作过程中，支撑高、低压转子的支点轴承在高速旋转状态下需要采取润滑冷却措施，以通过润滑油带走由于轴承高速旋转而产生的热量，因此采取封严措施的轴承腔需要一个空气流出的通道，从空气流出的通道中流出的气体中混合了较多的润滑油，因此需要将其中的油滴从中分离，并将其回收到轴承腔中，以降低润滑油的消耗。

基于以上需求，发明人对目前已有的用于航空发动机的油气分离器进行了系统的分析，发明人认为，停留时间和切向速度是决定油气分离装置的油气分离效果的两个重要因素。当进入到分离腔中的油气混合物气流具有较大的切向分量时，油气混合物切向速度的增大使得其在分离腔中产生更强的旋涡和更大的离心加速度，从而更容易实现油气分离；更大的切向速度分量、较小的径向速度分量和几乎为零的轴向速度分量，使得油气混合物在到达分离腔出口前沿更长的路径流动，所以油气混合物在分离腔中的停留时间将会更长。因此，要想提高油气分离的效率，需要设计一种油气分离装置，尽量减小油气混合物的径向动量和轴向动量，增大油气混合物的切向动量。

为此，本发明首先提出一种油气分离装置，如图2和图3所示，包括设有分离腔c的腔体结构，所述分离腔c的壁面上设有进口22、第一出口24和第二出口26，所述进口22包括多个切向通道221，多个所述切向通道221能够使油气混合物以切向方向进入所述分离腔c，所述第一出口24沿所述分离腔c的径向设置，以方便分离后的油在离心力的作用下甩出，所述第二出口26沿所述分离腔c的轴向设置，以减小分离腔c内的压差，方便分离后气体的流出。所述分离腔c通过旋转使所述油气混合物实现油气分离，并使分离后的油通过所述第一出口24流出，分离后的气体通过所述第二出口26流出。其中，“油气混合物以切向方向进入所述分离腔c”中的“切向”并不限制为非常精准的切向方向，本领域技术人员能够理解的大致为切向的方向也应该在本发明的保护范围之内。

该油气分离装置的工作原理主要是，油气混合物通过进口22流进分离腔，在高速旋转作用的带动下形成旋涡，大颗粒的油滴由于离心力作用而甩向分离腔c的壁面，随着油气混合物向分离腔的更小内径处形成更强的旋涡，在离心力的带动下更多更小粒径的油滴被甩向分离腔c的壁面，并通过第一出口24和与轴承腔a连接的润滑油专用通道流回轴承腔a，而分离出的空气则通过第二出口26排出。

通过在油气分离装置的进口设置多个切向通道，该切向通道能够使油气混合物以切向方向进入分离腔，避免油气混合物在轴向和径向有太多的分量，径向速度分量和轴向速度分量较小或者几乎为零，可以延长油气混合物在分离腔中的停留时间，有助于油气混合物在离开分离腔之前实现充分地油气分离；油气混合物的切向速度增大，可以使得其在分离腔中产生更强的旋涡和更大的离心加速度，油滴被甩向壁面的几率加大，从而更容易实现油气分离，提高油气分离的效率；将该油气分离装置作为轴心通风器应用于燃气涡轮发动机上时，可以有效降低润滑油的消耗量。

另外，切向通道221沿分离腔c的切向布置，相比于现有技术中的径向进气通道，切向通道221沿轴向的长度较长，而切向的长度较短，这样在保证通风面积基本不变的情况下，使得油气混合物从切向通道221进入分离腔的时候更接近分离腔的壁面，使油气混合物的油滴更易靠近壁面，这样使得油气混合物能够沿着更长的路径流动，提高分离效率，并且便于分离后的油滴被壁面吸收，然后快速回到轴承腔中。

油气混合物以切向方向进入分离腔c，则其径向速度分离会很小或者几乎为零。进一步地，多个所述切向通道221被构造成能够使得进入所述分离腔c的所述油气混合物沿所述分离腔c轴向方向的分速度为零，以尽可能地降低油气混合物沿轴向的速度，延长在分离腔内的停留时间，进一步改善油气分离的效果。

在如图3所示的实施例中，切向通道221为直通道，在其他实施例中，切向通道221也可以为具有折弯段的弯曲通道，比如可以为由两段或者更多段的直通道组成的弯折通道，也可以是由曲线段形成的弯曲通道，只要能够保证进入分离腔c的油气混合物沿轴向的分速度为零即可。

如图3所示，为实现油气混合物沿分离腔c轴向方向的分速度为零，多个所述切向通道221的中轴线均与所述分离腔c的轴线相互垂直，这样在油气混合物通过直通道形式的切向通道221进入分离腔时，可以保证油气混合物沿分离腔c轴向方向的分速度为零。

如图3所示，多个所述切向通道221的进气方向所形成的旋向与所述分离腔c的旋转方向相反，这样可以方便油气混合物顺利进入分离腔内进行油气分离。

作为如图2所示的实施例的优选方案，所述第一出口24优选地设置在距离所述分离腔c的旋转中心最远的位置，以便于分离后的油的甩出。

作为上述优选方案的进一步改进，所述分离腔c内设置有倾斜壁面23、25，所述倾斜壁面23、25具有一定的坡度，并且其末端与所述距离所述分离腔c的旋转中心最远的位置相连，以使分离后的油能够沿着所述倾斜壁面23、25顺利地流向所述第一出口24。倾斜壁面23、25可以分别设置在第一出口24的两侧，这样被甩在这两个壁面附近的油滴可以沿着这两个壁面快速流向第一出口24，再通过专用通道回收至轴承腔a中。

在上述各个实施例中，切向通道221的具体数量、排列方式和倾斜角度可以根据实际情况进行灵活设置，每个切向通道221的具体数量、排列方式和倾斜角度可以相同，也可以不同。优选地，切向通道221包括八个，八个所述切向通道221沿所述分离腔c的周向均匀布置，这样可以使得油气混合物的进气更加均匀，分离效果更好。

如图4所示，所述第一出口24包括多个径向通道241，所述径向通道241的中轴线沿着所述分离腔c的径向设置。

径向通道241的具体数量和布置形式可以根据实际情况进行灵活设置，比如可以是直通道，也可以是弯曲通道，每个径向通道241的具体数量和布置形式可以相同，也可以不同。优选地，多个所述径向通道241沿所述分离腔c的周向均匀布置。

基于上述油气分离装置，本发明还提出一种燃气涡轮发动机，包括风扇轴7、转子轴、端盖20和上述的油气分离装置，其中所述端盖20设置在所述转子轴的前方，所述分离腔c由所述风扇轴7、所述端盖20、所述转子轴以及所述转子轴的端面所围成。在如图1所示的实施例中，所述转子轴为燃气涡轮发动机中的低压转子轴6。

所述油气分离装置作为所述燃气涡轮发动机的轴心通风器，所述进口22和所述第一出口24均开设在所述风扇轴7上，所述第二出口26沿所述分离腔c的轴向设置在靠近所述转子轴的一侧，位于所述风扇轴7的外周的轴承腔a通过所述进口22和所述第一出口24与所述分离腔c连通。此处，进口22本身作为轴心通风器的进气口，油气分离装置相当于利用了该进气口作为油气混合物的进口，这样轴心通风器和油气分离装置合二为一，有利于简化轴心通风器和油气分离装置的结构，进而减轻发动机的整体重量。

如图1所示，该燃气涡轮发动机的中心有一条轴线A，该燃气涡轮发动机包括一个核心机I，核心机I部分主要由压气机1、燃烧室2和高压涡轮3组成，压气机1为多级，高压涡轮3是一级或者多级，高压涡轮3驱动压气机1绕轴线A高速旋转。压气机1和高压涡轮3固定在高压转子轴4上。压气机1产生的高压空气在燃烧室2中与燃油混合并被点燃进行充分燃烧，产生高能量气流。高压涡轮3从燃烧室2产生的高能量气流中提取部分能量并驱动压气机1高速旋转。从高压涡轮3喷出的气流流出核心机I进入低压涡轮5。处于高压转子轴4内部的低压转子6轴通过多个支点轴承进行支撑，并与高压转子轴4同轴地布置在轴线A上，相对于高压转子轴4旋转。低压转子6轴驱动风扇轴7转动。

如图2所示，轴承腔a主要由外环形结构8和风扇轴7所限定，低压转子轴6驱动风扇轴7相对于轴承腔a的外环形结构8旋转，风扇轴7的前端与第一轴承14的第一内环形圈14A连接，第一轴承座17连接到第一轴承14的第一外环形圈14B上，外环形结构8与第一轴承座17相连。第二轴承15的第二内环形圈15A附装在风扇轴7的后端上，而第二轴承15的第二外环形圈15B与第二轴承座18相连接，中介机匣13则与第二轴承座18通过螺栓连接。

润滑油通过供油导管9输入，并分别通过喷嘴10、11分别向第一轴承14和第二轴承15提供滑油，用于润滑和冷却，从而保证轴承稳定持续有效地高速运转。然而，滑油随之进入了轴承腔a中，为了防止滑油通过篦齿式的密封件16泄露出去，加压空气通过引气增压管12进入增压腔b，增压腔b中的空气通过密封件16被注入轴承腔a，进入轴承腔a的部分空气需要能够从轴承腔a中排除，以保持轴承腔a与增压腔b之间压差的适度平衡。进入轴承腔a内部的空气与滑油颗粒互相混合形成了油气混合物，通过采用上述各实施例中的油气分离装置，在排出空气的同时，可以将滑油分离开并回收入轴承腔a，以避免润滑油的大量损耗。

端盖20通过螺栓固定到风扇轴7上，并且位于低压转子轴6的前方，风扇轴7通过锁紧螺母21固定在低压转子轴6上，并随着低压转子轴6绕轴线A旋转，第二出口26位于风扇轴7与低压转子轴6的下游。分离腔c由风扇轴7、端盖20、低压转子轴6以及低压转子轴6的端面所围成，进口22和第一出口24均设置在分离腔c的周向壁面上，第二出口26设置在分离腔c的轴向端面上，并且设置在靠近转子轴的一侧，油气混合物在此区域内形成高速旋转旋涡进行油气分离。如图2所示，虚拟端面B实际上并不存在，只是为了大致对分离腔c的轮廓进行示意而虚拟出的端面。

当发动机处于工作状态时，油气分离装置作为旋涡式轴心通风器高速旋转，轴承腔a内的油气混合物经过进口22进入分离腔c。油气混合物通过进口22时，在切向通道221的引导作用下，油气混合物具有如图3中的箭头所示的速度矢量方向，该方向与切向具有较小或者几乎为零的夹角，因此，油气混合物的速度具有较大的切向分量、很小的径向分量以及几乎为零的轴向分量。

经过进口22进入到分离腔c内的油气混合物，在高速旋转的风扇轴7的带动作用下，油气混合物形成强烈的旋涡气流沿着风扇轴7的轴向螺旋前进，在离心力的作用下，油气混合物中的滑油液滴被甩向倾斜壁面23、25，并沿着有一定坡度的倾斜壁面23、25流到第一出口24附近，第一出口24处的径向通道241的示意图如图4所示，最后经过径向通道241回流到轴承腔a中，而油气混合物中的空气则经过第二出口26流出分离腔c，最终实现油气的分离。

通过对本发明油气分离装置及燃气涡轮发动机的多个实施例的说明，可以看到在本发明油气分离装置及燃气涡轮发动机实施例中，从轴承腔进入分离腔中的油气混合物具有较大的切向速度，较小或者几乎为零的径向速度和轴向速度，可以使油气混合物在分离腔中的旋涡运动停留时间更长，更加有利于油气分离效率的提高，并且利用设置在风扇轴上的进气口作为油气混合物的进口，简化了发动机的结构，有利于减轻发动机的重量。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种油气分离装置，其特征在于，包括设有分离腔(c)的腔体结构，所述分离腔(c)的壁面上设有进口(22)、第一出口(24)和第二出口(26)，所述进口(22)包括多个切向通道(221)，多个所述切向通道(221)能够使油气混合物以切向方向进入所述分离腔(c)，所述第一出口(24)沿所述分离腔(c)的径向设置，所述第二出口(26)沿所述分离腔(c)的轴向设置，所述分离腔(c)通过旋转使所述油气混合物实现油气分离，并使分离后的油通过所述第一出口(24)流出，分离后的气体通过所述第二出口(26)流出。

2.根据权利要求1所述的油气分离装置，其特征在于，多个所述切向通道(221)被构造成能够使得进入所述分离腔(c)的所述油气混合物沿所述分离腔(c)轴向方向的分速度为零。

3.根据权利要求2所述的油气分离装置，其特征在于，多个所述切向通道(221)的中轴线均与所述分离腔(c)的轴线相互垂直。

4.根据权利要求1所述的油气分离装置，其特征在于，多个所述切向通道(221)的进气方向所形成的旋向与所述分离腔(c)的旋转方向相反。

5.根据权利要求1所述的油气分离装置，其特征在于，所述第一出口(24)设置在距离所述分离腔(c)的旋转中心最远的位置。

6.根据权利要求5所述的油气分离装置，其特征在于，所述分离腔(c)内设置有倾斜壁面(23，25)，所述倾斜壁面(23，25)的末端与所述距离所述分离腔(c)的旋转中心最远的位置相连，以使分离后的油能够沿着所述倾斜壁面(23，25)流向所述第一出口(24)。

7.根据权利要求1所述的油气分离装置，其特征在于，所述切向通道(221)包括八个，八个所述切向通道(221)沿所述分离腔(c)的周向均匀布置。

8.根据权利要求1所述的油气分离装置，其特征在于，所述第一出口(24)包括多个径向通道(241)，所述径向通道(241)的中轴线沿着所述分离腔(c)的径向设置。

9.根据权利要求8所述的油气分离装置，其特征在于，多个所述径向通道(241)沿所述分离腔(c)的周向均匀布置。

10.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括风扇轴(7)、转子轴、端盖(20)和如权利要求1～9任一项所述的油气分离装置，其中所述端盖(20)设置在所述转子轴的前方，所述分离腔(c)由所述风扇轴(7)、所述端盖(20)、所述转子轴以及所述转子轴的端面所围成，所述油气分离装置作为所述燃气涡轮发动机的轴心通风器，所述进口(22)和所述第一出口(24)均开设在所述风扇轴(7)上，所述第二出口(26)沿所述分离腔(c)的轴向设置在靠近所述转子轴的一侧，位于所述风扇轴(7)的外周的轴承腔(a)通过所述进口(22)和所述第一出口(24)与所述分离腔(c)连通。