CN108131322A - 用于涡轮发动机的轴承 - Google Patents

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Abstract

本文中提供用于涡轮发动机的轴承的实施例。在一些实施例中，一种用于涡轮发动机的风扇轴组件可包括：风扇轴；静止支承件；以及至少一个轴承，其设置在所述静止支承件与风扇轴之间，所述至少一个轴承包括：内滚道；外滚道；一排多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与外滚道之间；以及笼，其设置在所述内滚道与外滚道之间。

Description

用于涡轮发动机的轴承
技术领域
本发明的领域大体上涉及涡轮发动机，确切地说涉及用于涡轮发动机的轴承，且更确切地说涉及用于齿轮涡轮发动机的风扇轴的轴承。
背景技术
常规齿轮发动机通常利用锥形滚柱轴承来支撑风扇轴并促进风扇轴的旋转。在常规齿轮发动机中利用的锥形滚柱轴承提供足以在发动机操作期间支撑风扇轴的组合载荷(例如，轴向和径向载荷)能力。然而，锥形滚柱轴承由于锥形滚柱与杯形件和锥形件的表面之间的各种接触点而遭受高发热。此类高发热导致轴承的过度损耗和过早故障，且另外，需要在发动机内使用更强(robust)的冷却系统以耗散和/或去除来自轴承的热，从而会降低发动机的效率。一种用以减少轴承滚柱与滚道(raceway)之间的接触和因此减少发热的方式为利用一个或多个滚珠轴承作为推力轴承结合利用圆柱形滚柱轴承以用于径向支撑。然而，本发明人已经观察到，使用滚珠轴承需要过大且过重的滚珠轴承。此外，滚珠轴承与圆柱形滚柱轴承的组合增加了所需的总轴承数量，因此增加了发动机的复杂性和重量且可能具有可靠度损失。
因此，本发明人已经提供一种用于涡轮发动机的改进型轴承。
发明内容
本文中提供用于涡轮发动机的轴承的实施例。在一些实施例中，一种用于涡轮发动机的风扇轴组件可包括：风扇轴；静止支承件；以及至少一个轴承，其设置在所述静止支承件之间，所述至少一个轴承包括：内滚道；外滚道；一排多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与外滚道之间；以及笼，其设置在所述内滚道与外滚道之间。
在一些实施例中，一种涡轮发动机可包括：低压涡轮轴；风扇轴；齿轮箱，其将所述低压涡轮轴可旋转地连接到所述风扇轴；风扇轴组件，其包括：所述风扇轴；静止支承件；以及至少一个轴承，其具有内滚道、外滚道、设置在所述内滚道与外滚道之间的一排多个球形滚柱轴承，以及设置在所述内滚道与外滚道之间的笼，所述至少一个轴承设置在所述静止支承件与所述风扇轴之间。
技术方案1.一种用于涡轮发动机的风扇轴组件，其包括：
风扇轴；
静止支承件；以及
至少一个轴承，其设置在所述静止支承件与所述风扇轴之间，所述至少一个轴承包括：
内滚道；
外滚道；
多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与外滚道之间；以及
笼，其设置在所述内滚道与外滚道之间。
技术方案2.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：所述至少一个轴承包括被设置成接近于所述风扇轴的相对端的两个轴承。
技术方案3.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：所述至少一个轴承包括：
多排所述多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与所述外滚道之间。
技术方案4.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：所述笼由聚合物或金属制成。
技术方案5.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：所述多个球形滚柱轴承由金属或陶瓷制成。
技术方案6.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：所述内滚道和外滚道由金属或陶瓷制成。
技术方案7.根据技术方案1所述的风扇轴组件，其中：由连接所述多个球形滚柱轴承与所述内滚道和所述外滚道之间的接触点的线与垂直于所述轴承的轴线的线所形成的角度是约10到约65度。
技术方案8.一种涡轮发动机，其包括：
低压涡轮轴；
风扇轴；
齿轮箱，其将所述低压涡轮轴可旋转地连接到所述风扇轴；
风扇轴组件，其包括：
所述风扇轴；
静止支承件；以及
至少一个轴承，其具有内滚道、外滚道、设置在所述内滚道与外滚道之间的多个球形滚柱轴承，以及设置在所述内滚道与外滚道之间的笼，所述至少一个轴承设置在所述静止支承件与所述风扇轴之间。
技术方案9.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：所述至少一个轴承包括被设置成接近于所述风扇轴的相对端的两个轴承。
技术方案10.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：所述至少一个轴承包括：
多排所述多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与所述外滚道之间。
技术方案11.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：所述笼由聚合物或金属制成。
技术方案12.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：所述多个球形滚柱轴承由金属或陶瓷制成。
技术方案13.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：所述内滚道和外滚道由金属或陶瓷制成。
技术方案14.根据技术方案8所述的涡轮发动机，其中：由连接所述多个球形滚柱轴承与所述内滚道和所述外滚道之间的接触点的线与垂直于所述轴承的轴线的线所形成的角度是约10到约60度。
将参考附图和详细描述进一步理解本发明的实施例的前述和其它特征。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中相同的标记表示相同的部件，在附图中：
图1是发动机的部分示意图；
图2是风扇轴组件的部分示意图；
图3是示范性锥形滚柱轴承的部分横截面图；
图4是根据本发明的一些实施例的风扇轴组件的部分示意图；
图5是根据本发明的一些方面的示范性球形滚柱轴承的部分横截面图；
图6是根据本发明的一些实施例的风扇轴组件的部分示意图；
图7是根据本发明的一些方面的示范性球形滚柱轴承的部分横截面图。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图意图说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。因此，附图并不意图包括实施本文中所公开的实施例所需的所属领域的技术人员已知的所有常规特征。
具体实施方式
本文中提供用于涡轮发动机的轴承的实施例。在至少一些实施例中，可利用球形滚柱轴承来支撑风扇轴组件的轴。对球形滚柱轴承的此利用可有利地提供足够的力矩、轴向和径向刚度以支撑风扇轴，同时相比于常规上利用的锥形滚柱轴承减少所产生的热量，从而减少损耗和损坏的情况。另外，在至少一些实施例中，相比于利用滚珠轴承与滚柱轴承的组合的其它常规配置，利用球形滚柱轴承允许减少支撑风扇轴所需的总轴承数量，从而减少发动机的总复杂性和重量。
图1是发动机100的部分横截面图。在示范性实施例中，发动机100是适合在例如航空或航海应用中使用的燃气涡轮发动机。或者，发动机100可以是任何其它涡轮发动机和/或涡轮机，包括但不限于蒸汽涡轮发动机、离心压缩机和涡轮增压器。虽然仅示出一部分，但应当理解，发动机100可以是例如围绕轴线102的环形形式。在一些实施例中，发动机100可以大体上包括进气区段104、压缩区段106、燃烧区段108和涡轮机区段110。
进气区段104大体上包括风扇124和风扇轴组件178，所述风扇124具有连接到轮毂114的多个风扇叶片112，且所述风扇轴组件178具有可旋转的风扇轴126。在一些实施例中，壳体122可以围绕风扇124和发动机100的至少一部分设置，由此形成由风扇124驱动的空气(例如，旁通空气)的流动的通道116，例如由箭头118所指示。在此类实施例中，壳体122可以至少部分地由多个支柱(示出一个支柱128)支撑。在操作中，风扇124将空气吸入发动机100中，引导空气的至少一部分通过通道116并将空气的至少一部分引导到压缩机区段106中。
压缩区段106机械地且流体地连接到风扇区段104，且大体上包括一个或多个压缩机，例如第一压缩机(低压压缩机)134和第二压缩机136(高压压缩机)，如图中所示。
第一压缩机134接收来自进气区段104的经引导空气并通过多个压缩机叶片、轮叶或级(共同示出在138处)压缩空气。在一些实施例中，压缩机叶片138可以连接到第一轴(低压涡轮(LPT)轴)142，以驱动压缩机叶片138的旋转。一个或多个轴承(所示的第一或前端低压涡轮轴承144和第二或后端低压涡轮轴承146)可以设置在一个或多个静止支承件148、150与LPT轴142之间，以促进LPT轴142的旋转和/或阻抑在发动机100操作期间施加在LPT轴142上的振动能量。所述一个或多个轴承可以是适合在发动机100内使用的任何类型的轴承，例如气体轴承、轴颈轴承等。
第二压缩机136接收来自第一压缩机134的经压缩空气并通过多个压缩机叶片或级(共同示出在140处)进一步压缩空气。在一些实施例中，压缩机叶片140可以连接到高压涡轮(HPT)轴(芯轴)152，以驱动压缩机叶片140的旋转。一个或多个轴承(第三或前端高压涡轮轴承154和第四或后端高压涡轮轴承156)可以设置在一个或多个静止支承件158、160与HPT轴152之间，以促进HPT轴152的旋转和/或阻抑在发动机100操作期间施加在HPT轴152上的振动能量。所述一个或多个轴承可以是适合在发动机100内使用的任何类型的轴承，例如气体轴承、轴颈轴承等。
虽然在图中仅示出有限数量的压缩机和每个压缩机的有限数量的级，但可以存在任何数量的压缩机和/或压缩机级以促进发动机100的合适操作以用于所要的应用。
燃烧区段108接收来自第二压缩机136的经压缩空气，将所述经压缩空气与燃料混合，并且促进燃料/空气混合物的点燃。燃烧区段108大体上包括具有燃烧室164的燃烧器162，燃烧室164机械地且流体地连接到压缩区段106和涡轮机区段110。燃烧器162可以是所属领域已知的任何类型的合适的燃烧器，并且可包括如上所述促进燃料/空气混合物的点燃而需要的任何部件(例如，整流罩、旋流器、喷嘴、点火器、燃料喷射器等)。
涡轮机区段110机械地且流体地连接到燃烧区段108，并且大体上包括一个或多个涡轮机，例如第一涡轮机(高压涡轮机)166和第二涡轮机(低压涡轮机)168，如图1中所示。虽然在图中仅示出有限数量的涡轮机和每个涡轮机的有限数量的级，但可以存在任何数量的涡轮机和/或涡轮机级以促进发动机100的合适操作以用于所要的应用。
在一些实施例中，第一涡轮机166和第二涡轮机168各自可包括多个涡轮叶片和涡轮喷嘴或级(共同示出在170和172处)。就第一涡轮机166而言，涡轮叶片170可以连接到HPT轴152，HPT轴152连接到第二压缩机136，如上所述。在此类实施例的操作中，第一涡轮机166接收来自燃烧区段108的经加热空气，并且通过多个涡轮叶片170将热能(例如，通过点燃燃烧室164中的燃料/空气混合物而提供)的至少一部分转化成机械旋转能。涡轮叶片170的旋转导致HPT轴152旋转，从而导致第二压缩机136的压缩机叶片140旋转。
就第二涡轮机168而言，涡轮叶片172可以连接到LPT轴142，LPT轴142连接到第一压缩机134，如上所述。在一些实施例中，LPT轴142也可以连接到风扇轴126，例如图1中所示。在操作中，第二涡轮机168接收来自第一涡轮机166的经加热空气，并且通过多个涡轮叶片172将热能的至少另一部分转化为机械旋转能。涡轮叶片172的旋转导致第二轴142和风扇轴126旋转，从而导致第二压缩机134的压缩机叶片138和风扇124旋转。
虽然上文在具有双线轴(spool)配置(例如，包括HP涡轮机和HP压缩机的高压(HP)线轴、以及包括LP涡轮机和LP压缩机的低压(LP)线轴)的发动机的上下文中进行描述，但应当理解，发动机可具有带有中间线轴(例如，包括中间涡轮机和中间压缩机的中间线轴)的三线轴配置。
本发明人已经观察到，在常规发动机配置(例如图1中所示)中，连接到共用轴的分开的部件可需要不同旋转速度以执行所要的功能。举例来说，第二涡轮机168可以具有显著高于风扇124的所需旋转速度的所需旋转速度。举例来说，在一些实施例中，第二涡轮机168可具有约11000转/分钟(rpm)的旋转速度要求，并且风扇124可具有约2400到约3000rpm的旋转速度要求。为了适应此速度差，在一些实施例中，可以利用齿轮箱174来允许部件中的每一个(例如，低压/第二涡轮机168和风扇124)以不同速度操作。在此类实施例中，齿轮箱(电动齿轮箱(PGB))174可以将LPT轴142连接到风扇轴126，例如图1中所示。齿轮箱174可以是任何类型的齿轮箱，其适于促进将LPT轴142连接到风扇轴126，同时允许第二涡轮机168和风扇124中的每一个以所要的速度操作。举例来说，在一些实施例中，齿轮箱174可以是减速齿轮箱。利用减速齿轮箱可以实现第二涡轮机168的相对较高速度的操作，同时维持足以提供增加的空气旁通比的风扇速度，从而实现发动机100的有效操作。此外，利用减速齿轮箱可以允许减少本来将存在的涡轮机级(例如，在直接驱动发动机配置中)，从而减少发动机的重量和复杂性。
在此类齿轮配置中，风扇轴组件178可包括设置在静止支承件132与风扇轴126之间的轴承130。当存在时，轴承130可提供对风扇轴126的支撑以使得风扇轴126具有所要的刚度，轴承130可促进风扇轴126的旋转，和/或阻抑在发动机100操作期间施加在风扇轴126上的振动能量。
常规齿轮发动机通常利用锥形滚柱轴承202，所述锥形滚柱轴承202被设置成在背对背布置中接近于风扇轴126的相对端，例如图2中所示。参考图3，锥形滚柱轴承202中的每一个具有杯形件(外滚道)314、锥形件(内滚道)316、设置在杯形件314与锥形件316之间的多个锥形滚柱(示出一个)312，和笼304。多个锥形滚柱(示出一个)312、杯形件314和锥形件316以使得锥形表面朝向轴承202的轴线318上的共同点310会聚的方式各自变窄。另外，多个锥形滚柱(示出一个)312、杯形件314和锥形件316可被配置成关于推力和径向载荷提供所要量的负载量。举例来说，由连接多个锥形滚柱312与滚道314、316之间的接触点的线与垂直于轴承202的轴线318的线322所形成的角度320(例如，接触角度)可根据轴承202的所要的性能而变化。举例来说，随着角度320增大，轴承202的推力载荷能力增大，而径向载荷能力减小。相反，随着角度320减小，轴承202的推力载荷能力减小，而径向载荷能力增大。
在常规齿轮发动机中利用的锥形滚柱轴承提供足以在发动机操作期间支撑风扇轴的组合载荷(例如，轴向和径向载荷)能力。然而，此类锥形滚柱轴承由于锥形滚柱与杯形件和锥形件的表面之间的各种接触点而遭受高发热。举例来说，如图3中所示，热可在锥形滚柱312与杯形件314的内表面306以及锥形件316的外表面308之间的线接触点处产生，且在锥形滚柱312的肩部与锥形件316之间的轴向接触点处产生(示出在302处)。
上文所描述的高发热导致轴承的过度损耗和过早故障，且另外，需要在发动机内使用更强的冷却系统以耗散和/或去除来自轴承的热，从而会降低发动机的效率。一种用以减少轴承滚柱与滚道之间的接触和因此减少发热的方式为利用一个或多个滚珠轴承作为推力轴承结合利用圆柱形滚柱轴承以用于径向支撑。然而，本发明人已经观察到，使用滚珠轴承需要过大且过重的滚珠轴承。此外，滚珠轴承与圆柱形滚柱轴承的组合增加了所需的总轴承数量，因此增加了发动机的复杂性和重量。
由此，参考图4，在一些实施例中，风扇轴组件178可包括设置在静止支承件132与风扇轴126之间的至少一个球形滚柱轴承(示出两个球形滚柱轴承402)。本发明人已经观察到，由于球形滚柱轴承组件的推力、径向和力矩载荷处置能力，因此相比于利用滚珠轴承与圆柱形滚柱轴承的组合的常规配置，在风扇轴组件178内利用球形滚柱轴承允许减少所使用的轴承数量，从而减少发动机的重量和复杂性。尽管在图中示出为设置在风扇轴126的相对端上，但至少一个球形滚柱轴承402可设置在横越风扇轴126的跨度或长度的适合于为风扇轴126提供所要量的支撑的任何位置处。
至少一个球形滚柱轴承402可以适合于支撑风扇轴126的任何方式加以配置。举例来说，参考图5，球形滚柱轴承402中的每一个可具有外滚道502、内滚道506、设置在外滚道502与内滚道506之间的多个球形滚柱(示出一个球形滚柱)510，和笼508。
本发明人已经观察到，相比于滚柱或锥形滚柱轴承(例如，如上文所描述)，球形滚柱轴承402的滚柱510的球形形状提供球形滚柱510与滚道502、506之间的较小接触面积(在512和514处示出的接触点)。接触面积的此类减小减少了在使用期间由轴承产生的热量。由此，在风扇轴组件178中利用球形滚柱轴承402而非常规利用的锥形滚柱轴承允许适当地支撑风扇轴同时产生较少的热。产生较少的热减少了发动机冷却系统上的载荷并减少本来将存在于较高发热的情况中的损耗。
在一些实施例中，至少一个球形滚柱轴承402可被配置成关于推力和径向载荷提供所要量的负载量。举例来说，由连接多个球形滚柱510与滚道502、506之间的接触点512、514的线与垂直于轴承402的轴线518的线520所形成的角度516(例如，接触角度)可根据轴承402的所要的性能而变化。
举例来说，随着角度516增大，轴承402的推力载荷能力增大，而径向载荷能力减小。相反，随着角度516减小，轴承402的推力载荷能力减小，而径向载荷能力增大。角度516可以是适合于提供所要的推力载荷和径向载荷能力的任何角度。举例来说，在一些实施例中，角度516可以是约10到约65度。
球形滚柱轴承402的部件中的每一个可由适合于承受在操作期间施加的载荷同时使轴承部件之间的摩擦力最小化的任何兼容材料制成。举例来说，在一些实施例中，笼508可由聚合物、金属(例如，合金，例如钢合金、铬钢、不锈钢等)等制成。在一些实施例中，多个球形滚柱510可由金属(例如，(例如，合金，例如钢合金、铬钢、不锈钢等)、陶瓷(例如，氮化硅)等)制成。在一些实施例中，滚道可由金属(例如，(例如，合金，例如钢合金、铬钢、不锈钢等)、陶瓷(例如，氮化硅)等)制成。
尽管在图4中示出为各自具有单排球形滚柱的两个分开的球形滚柱轴承402，但在一些实施例中，至少一个球形滚柱轴承可包括具有两排或多于两排球形滚柱的单个滚柱轴承，例如图6中所示。当存在时，具有两排或多于两排球形滚柱的滚柱轴承可设置在横越风扇轴126的跨度或长度的适合于为风扇轴126提供所要量的支撑的任何位置处。
在具有两排或多于两排球形滚柱的滚柱轴承的实施例中，球形滚柱轴承402可包括设置在共用外滚道704与共用内滚道506之间且通过共用笼708固持在适当位置的多排(在702处示出两排球形滚柱轴承)。在此类实施例中，球形滚柱轴承402的每个部件(例如，杯形件、锥形件、球形滚柱轴承等)可在配置、材料等上与上文关于对应部件所描述的实施例中的任一个类似或相同。
因此，本文中已经提供用于涡轮发动机的滚柱轴承的实施例。本文中所公开的范围是包括性且可组合的(例如，“约2密耳与约100密耳”的范围包括“约2密耳与约100密耳”的范围的端点和所有中间值等)。“组合”包括掺合物、混合物、合金、反应产物等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、数量或重要性，而是被用来将一个要素与另一个加以区分，并且本文中的术语“一(a/an)”不表示数量的限制，而是表示所提及的项目中的至少一个的存在。与数量结合使用的修饰词“约”包括状态值且具有由上下文指定的含义(例如，包括与特定数量的测量相关联的误差的程度)。如本文中所使用的后缀“(s)”意图包括其修饰的术语的单数形式和复数形式两者，从而包括术语中的一个或多个(例如，着色剂包括一种或多种着色剂)。在整个说明书中提及“一个实施例”、“一些实施例”、“另一实施例”、“实施例”等意味着结合实施例所描述的特定要素(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文中所描述的至少一个实施例中，且可或可不存在于其它实施例中。另外，应理解，所描述要素可在各种实施例中以任何合适方式加以组合。
虽然已参考示范性实施例描述了本发明，但所属领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可进行各种更改并可用等效物替代本发明的元件。另外，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可根据本发明的教示进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发明意图不限于作为实现本发明构思到的最佳方式而公开的特定实施例，本发明还将包括属于所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种用于涡轮发动机的风扇轴组件，其包括：
风扇轴；
静止支承件；以及
至少一个轴承，其设置在所述静止支承件与所述风扇轴之间，所述至少一个轴承包括：
内滚道；
外滚道；
多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与外滚道之间；以及
笼，其设置在所述内滚道与外滚道之间。
2.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：所述至少一个轴承包括被设置成接近于所述风扇轴的相对端的两个轴承。
3.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：所述至少一个轴承包括：
多排所述多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与所述外滚道之间。
4.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：所述笼由聚合物或金属制成。
5.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：所述多个球形滚柱轴承由金属或陶瓷制成。
6.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：所述内滚道和外滚道由金属或陶瓷制成。
7.根据权利要求1所述的风扇轴组件，其特征在于：由连接所述多个球形滚柱轴承与所述内滚道和所述外滚道之间的接触点的线与垂直于所述轴承的轴线的线所形成的角度是约10到约65度。
8.一种涡轮发动机，其包括：
低压涡轮轴；
风扇轴；
齿轮箱，其将所述低压涡轮轴可旋转地连接到所述风扇轴；
风扇轴组件，其包括：
所述风扇轴；
静止支承件；以及
至少一个轴承，其具有内滚道、外滚道、设置在所述内滚道与外滚道之间的多个球形滚柱轴承，以及设置在所述内滚道与外滚道之间的笼，所述至少一个轴承设置在所述静止支承件与所述风扇轴之间。
9.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于：所述至少一个轴承包括被设置成接近于所述风扇轴的相对端的两个轴承。
10.根据权利要求8所述的涡轮发动机，其特征在于：所述至少一个轴承包括：
多排所述多个球形滚柱轴承，其设置在所述内滚道与所述外滚道之间。
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