CN108204281A - 油气分离器、油气分离系统及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种油气分离器、油气分离系统及航空发动机，其中种油气分离器包括用于油气分离的分离腔和与具有油气混合物的第一腔(a)流体连通的旋转件，旋转件设置在分离腔内，以通过旋转件将分离腔分隔为第二腔(c1)和第三腔(c2)，旋转件上设有流体连通第二腔(c1)和第三腔(c2)的转向喷嘴(24)，以使得油气混合物在第二腔(c1)内完成一次分离后，能够进入第三腔(c2)内进行二次分离。本发明通过设置旋转件，使得分离腔可以被分隔为第二腔和第三腔，这样油气混合物在第二腔内完成一次油气分离后，可以进入第三腔内进行二次油气分离，分离效率更高。

Description

油气分离器、油气分离系统及航空发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，尤其涉及一种油气分离器、油气分离系统及航空发动机。

背景技术

航空发动机，以燃气涡轮发动机为例，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，采用1、2、5号支点轴承来支撑低压转子，3、4号支点轴承来支撑高压转子，高、低压转子均绕着发动机的中心轴高速旋转。发动机轴承封闭在轴承腔中，需提供滑油对轴承进行冷却和润滑。为了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；此外，用于冷却和润滑轴承的滑油必须能够高效地带走由于轴承高速旋转而产生的热量。

发动机的耗油量会因为采用轴承腔封严措施而上升，但这种封严措施必须存在一个让空气流进和流出轴承腔的空气通道。而该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。

因此，在通风系统中需要设置油气分离器，利用油气分离器将从空气流出通道中流出的油气混合物中的油滴分离，并将其回收到轴承腔中，以降低滑油的消耗。

尽管现有技术中已有多种方案来对油气混合物进行油气分离，但是分离效率仍待改善；另外，有些油气分离系统设有多个用于油气分离的小零件，无论是加工还是装配起来都比较繁琐。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的是提出一种油气分离器、油气分离系统及航空发动机，以尽可能地提高油气分离的效率。

为实现上述目的，本发明提供了一种油气分离器，包括用于油气分离的分离腔和与具有油气混合物的第一腔流体连通的旋转件，所述旋转件设置在所述分离腔内，以通过所述旋转件将所述分离腔分隔为第二腔和第三腔，所述旋转件上设有流体连通所述第二腔和所述第三腔的转向喷嘴，以使得所述油气混合物在所述第二腔内完成一次分离后，能够进入所述第三腔内进行二次分离。

进一步地，所述旋转件上设有开口槽，以通过所述开口槽与所述分离腔的部分壁面形成所述第二腔。

进一步地，所述旋转件包括多个，多个所述旋转件相互连接，以形成转向环。

进一步地，各个所述旋转件上的所述开口槽相互独立；或者，各个所述旋转件上的所述开口槽相互连通，以在所述转向环的外周形成环形槽。

进一步地，所述转向喷嘴被构造为能够改变流经所述转向喷嘴的流体的流动方向，以使得进入所述第三腔的至少一部分所述流体具有与所述旋转件的旋转方向相切的速度分量。

进一步地，还包括防转结构，所述防转结构用于防止所述旋转件相对于所述第二腔和所述第三腔旋转。

进一步地，所述分离腔的内壁上设有防转台，所述防转结构包括设置于所述旋转件和所述防转台中的一个上的凸台以及设置于所述旋转件和所述防转台中的另一个上的凹槽。

为实现上述目的，本发明还提供了一种用于航空发动机的油气分离系统，包括上述的油气分离器。

进一步地，还包括与低压轴转子连接风扇轴、与所述风扇轴通过轴承连接的外环形结构和固定在所述风扇轴上的端盖，所述风扇轴和所述外环形结构之间形成所述第一腔，所述端盖、所述风扇轴、所述低压轴转子以及所述低压轴转子的端面围成所述分离腔。

进一步地，所述旋转件安装在所述风扇轴的内壁上，并且所述旋转件上的开口槽与所述风扇轴的内壁之间形成所述第二腔，所述端盖、所述旋转件、所述风扇轴、所述低压轴转子以及所述低压轴转子的端面围成所述第三腔。

进一步地，所述端盖的位于所述分离腔内的侧面上设有凸起，所述凸起用于支撑所述旋转件。

进一步地，所述风扇轴上设有连通所述第一腔和所述第二腔的导向通孔，所述转向喷嘴包括与所述第二腔连通的进口，所述导向通孔与所述进口交错设置。

进一步地，所述旋转件上设有导油孔，所述导油孔用于使在所述第三腔内分离出的油流回所述第二腔。

为实现上述目的，本发明还提供了一种航空发动机，包括上述的用于航空发动机的油气分离系统。

基于上述技术方案，本发明通过设置旋转件，使得分离腔可以被分隔为第二腔和第三腔，这样油气混合物在第二腔内完成一次油气分离后，可以进入第三腔内进行二次油气分离，分离效率更高。

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为本发明航空发动机一个实施例的结构示意图。

图2为图1中发动机的前轴承腔的截面半图。

图3为本发明油气分离器一个实施例中转向环的结构示意图。

图4为图2中的M-M截面图。

图5为图2中的N-N截面图。

图中：1、压气机；2、燃烧室；3、高压涡轮；4、高压轴转子；5、低压涡轮；6、低压轴转子；7、风扇轴；8、外环形结构；9、供油导管；10、第一喷嘴；11、第二喷嘴；12、引气增压管；13、中介机匣；14、1号支点轴承；141、内环形圈；142、外环形圈；15、2号支点轴承；151、内环形圈；152、外环形圈；16、密封件；17、1号支点轴承座；18、2号支点轴承座；19、内壁；20、锁紧螺母；21、转向环；22、端盖；23、导向通孔；24、转向喷嘴；25、进口；26、空气排出口；27、导油孔；28、转向环壁面；29、防转台；30、凹槽；31、凸台；32、凸起；33、挡圈；a、第一腔；b、增压腔；c1、第二腔；c2、第三腔。

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。

参考图2～图5，本发明首先提供了一种油气分离器，该油气分离器包括用于油气分离的分离腔和与具有油气混合物的第一腔a流体连通的旋转件，旋转件为可旋转的部件，以通过旋转时产生的离心作用对油气混合物进行分离。

旋转件设置在分离腔内，以通过旋转件将分离腔分隔为第二腔c1和第三腔c2，具体来说，旋转件还可以与其他零部件相互配合，以实现分隔分离腔的目的。

旋转件上设有流体连通第二腔c1和第三腔c2的转向喷嘴24，该转向喷嘴24使得第二腔c1与第三腔c2连通，使得油气混合物从第一腔a进入第二腔c1，然后再进入第三腔c2，以使得油气混合物在第二腔c1内完成一次分离后，能够进入第三腔c2内进行二次分离，分离效率更高。

其中，旋转件的具体结构形式可以有多种选择，只要能够实现其作用即可。

作为旋转件的一种优选实施方式，旋转件上设有开口槽，开口槽的横截面呈“凵”型，即开口槽的上端开口，这样可以通过开口槽与分离腔的部分壁面形成第二腔c1，如图2所示。这种具有开口槽的旋转件可以方便地与分离腔的部分壁面相互配合，以形成第二腔c1，并同时使得分离腔的其他部分构成第三腔c2。

旋转件的个数可以根据需要灵活设置。在本发明油气分离器的一个优选实施例中，旋转件包括多个，多个旋转件可以彼此独立地均布在分离腔内，每个旋转件上的开口槽与分离腔的壁面形成一个第二腔c1，也就是说，开口槽可以为只有一侧开口的结构，开口槽与分离腔贴合即形成了基本封闭的第二腔c1，第二腔c1的个数与旋转件的个数相同，而分离腔内除了被第二腔c1分隔的部分之外，其他部分均可以称为第三腔c2。

当然，为了节省零部件的个数，简化加工和装配，旋转件可以设置为弧形形状，同时，多个旋转件相互连接，以形成转向环21。如图3所示，转向环21为整体式的环形结构，这样多个转向喷嘴24可以预先安装在转向环21上，即通过转向环21集成了多个转向喷嘴24，在安装时，只需将转向环21安装在分离腔内即可，不需要逐个安装，既减少了零部件个数，又大大简化了安装和拆卸的步骤。

进一步地，形成转向环21的各个旋转件上的开口槽可以相互独立，这样还是形成多个第二腔c1，相应地，第一腔a与分离腔之间设置多个连通第一腔a与各个第二腔c1的导向通孔23即可；当然，各个旋转件上的开口槽也可以相互连通，以在转向环21的外周形成一个贯通的环形槽，在如图2所示的实施例中即为多个旋转件的开口槽相互连通的结构形式，这样可以形成一个相对较大的第二腔c1，导向通孔23的设置也相对比较灵活，导向通孔23的个数不受旋转件个数的限制。

在上述各个实施例中，转向喷嘴24优选地被构造为能够改变流经转向喷嘴24的流体的流动方向，以使得进入第三腔c2的至少一部分流体具有与旋转件的旋转方向相切的速度分量。切向速度的增加可以导致更强的漩涡和更大的离心加速度，油滴更容易被分离出来。

另外，由于油气分离器是旋转部件，并且其中的转向喷嘴24还具有改变流体流动方向的作用，因此为了防止转向喷嘴24在旋转过程中相对于油气分离器自身转动，油气分离器上还可以设置防转结构，以防止转向环21相对于第二腔c1和第三腔c2旋转，避免对流体流动方向的影响。

作为防转结构的一个优选实施方式，分离腔的内壁19上设有防转台29，防转结构包括设置于旋转件和防转台29中的一个上的凸台31以及设置于旋转件和防转台29中的另一个上的凹槽30，通过凸台31与凹槽30的配合，可以起到防止旋转件相对于第二腔c1和第三腔c2旋转的作用。

上述各个实施例中的油气分离器可以应用于任何需要进行油气分离并进行滑油回收的设备中，比如汽车发动机、柴油机、燃气涡轮航空发动机等。

基于上述油气分离器，本发明还提供了一种包括上述的油气分离器的用于航空发动机的油气分离系统。

如图2所示，该用于航空发动机的油气分离器系统还包括与低压轴转子6连接风扇轴7、与风扇轴7通过轴承连接的外环形结构8和固定在风扇轴7上的端盖22，风扇轴7和外环形结构8之间形成第一腔a，端盖22、风扇轴7、低压轴转子6以及低压轴转子6的端面围成分离腔。

进一步地，旋转件安装在风扇轴7的内壁19上，并且开口槽与风扇轴7的内壁19之间形成第二腔c1，端盖22、旋转件、风扇轴7、低压轴转子6以及低压轴转子6的端面围成第三腔c2。

另外，端盖22的位于分离腔内的侧面上设有凸起32，该凸起32可以用于支撑旋转件。

进一步优选地，风扇轴7上设有连通第一腔a和第二腔c1的导向通孔23，转向喷嘴24包括与第二腔c1连通的进口25，导向通孔23与进口25交错设置，这样可以避免油气混合物直接从转向喷嘴24的进口离开第二腔c1，延长油气混合物在第二腔c1的停留时间。

旋转件上设有导油孔27，优选地，导油孔27可以周向设置在转向环27的外边缘上，在第三腔c2中分离出来的油可以通过该导油孔27流回第二腔c1，进而通过第二腔c1与第一腔a之间的导向通孔23流回第一腔a，实现润滑油的回收。

需要说明的是，在本发明油气分离器的各个实施例中，旋转件可以独立地设置，每个旋转件上均可以相应地设置转向喷嘴24，并将分离腔分隔为两个腔室，转向环21由多个旋转件连接而成，因此在本领域技术人员的通常理解下，其中一些涉及旋转件的地方可以用转向环21代替。

下面以航空发动机为例，并结合图1～图5对本发明油气分离器、油气分离系统及航空发动机一个实施例的具体结构和工作过程进行详细说明。

如图1所示，为航空发动机的结构示意图，该航空发动机应用了本发明提供的油气分离器和油气分离系统。

该航空发动机有一个轴线A，其含有一个核心机I，核心机I包括压气机1、燃烧室2和高压涡轮3，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固定在高压轴转子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，以驱动压气机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。

处于高压轴转子4内部的低压轴转子6通过1、2、5号支点轴承支撑，并与高压轴转子4同轴地布置在轴线A上，相对于高压轴转子4旋转。低压轴转子6驱动风扇轴7转动。

图2为发动机前轴承腔的截面半图。轴承腔a(即上述的第一腔a)主要由外环形结构8和风扇轴7限定。低压轴转子6驱动风扇轴7相对于轴承腔a的固定外环形结构8旋转，风扇轴7的前端与1号支点轴承14的内环形圈141连接，1号支点轴承座17连接到1号支点轴承14的外环形圈142上，固定外环形结构8与1号支点轴承座17相连。2号支点轴承15的内环形圈151附装在风扇轴7的后端上，而2号支点轴承15的外环形圈152与2号支点轴承座18相连接，中介机匣13则与2号支点轴承座18通过螺栓连接。

滑油通过供油导管9输入，并分别通过第一喷嘴10和第二喷嘴11分别向1号支点轴承14和2号支点轴承15提供滑油，用于润滑和冷却1号支点轴承14和2号支点轴承15，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型密封件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中的空气通过篦齿型密封件16被注入轴承腔a，进入轴承腔a的部分空气必须可控地从轴承腔排除，从而保持轴承腔a与增压强b之间压差的适度平衡。但是，由于进入轴承腔a内部的空气与滑油颗粒互相混合形成了油气混合物，低压轴转子6端面构成空气排出口B，一旦滑油液滴随着空气通过空气排出口26将很难再被分离，所以在排出空气的同时必须采取适当的措施将滑油分离开并回收入轴承腔a，否则会造成滑油的大量损耗。

为此，在航空发动机上设置了用于将油和气分离并可以将油回收的油气分离器。

具体来说，如图2所示，端盖22通过具有弹性的挡圈33固定到风扇轴7上，风扇轴7通过锁紧螺母20固定在低压轴转子6上，并随着低压轴转子6绕轴线A旋转。

如图3所示，为转向环21的结构示意图，转向环21的外周形成环形凹槽，风扇轴7与转向环21所围成的区域为第二腔c1，风扇轴7、转向环21、端盖22、低压轴转子6及其端面所围成的区域为第三腔c2，油气混合物分别在这两个区域形成高速旋转旋涡进行油气分离。

如图4所示，为防转台29的M-M截面图。防转台29均布地固连在风扇轴7内腔最大半径且靠近倾斜的内壁19处，转向环21通过设置在其侧面的凸台31与防转台29上的凹槽30进行配合，达到防转的目的。

如图5所示，转向环21的内壁面均匀分布若干个转向喷嘴24，转向喷嘴24的进口25与设置在风扇轴7上的导向通孔23交错布置，即导向通孔23的进出口方向与转向喷嘴24的进口方向不在一个径向方向上，是交错的，这样防止进入第二腔c1的油气混合物直接通过转向喷嘴24流出第二腔c1。另外，转向喷嘴24的出口方向并不是全部沿着轴向方向，而是有一定的切向分量，而在径向向外方向上也可以有一定的径向分量，以延长油气分离的时间，提高油气分离效率。

具体地工作过程为：当发动机处于工作状态时，油气分离器(也可以称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导向通孔23进入第二腔c1。当油气混合物进入第二腔c1时，油气混合物由于较大的惯性，一部分油滴会直接打到转向环壁面28上而被分离，被分离的滑油则最后通过导向通孔23被甩到轴承腔a中而被回收。一次分离后的油气混合物通过转向喷嘴24进入第三腔c2，由于转向喷嘴24的方向有一部分切向分量，故从转向喷嘴24进入第三腔c2的油气混合物均有一定的切向速度分量，从而使得油气混合物在到达第三腔c2的出口前沿较长的路径流动，所以油气混合物在第三腔c2中的停留时间将会更长，接触到第三腔c2壁面的机会增大，被甩到壁面的滑油沿着倾斜的内壁19流下来，并通过转向环21上的导油孔27进入第二腔c1，继而通过导向通孔23被甩到轴承腔a中而被回收，被分离的这样实现了油气混合物的第二次分离。油气混合物的两次分离大大增大了油气分离效率。

通过对本发明油气分离器、油气分离系统及航空发动机的多个实施例的说明，可以看到本发明油气分离器、油气分离系统及航空发动机实施例至少具有以下一种或多种优点：

1、通过旋转件将分离腔分为两个腔室，油气混合物分别在两个腔内实现油气分离，被分离的滑油通过导向通孔回收到轴承腔内，大大提高了油气分离效率；

2、多个旋转件首尾相接形成了转向环，或者说在转向环上集成了若干个转向喷嘴，大大减少了零件数目，简化了装配过程。

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 (14)

1.一种油气分离器，其特征在于，包括用于油气分离的分离腔和与具有油气混合物的第一腔(a)流体连通的旋转件，所述旋转件设置在所述分离腔内，以通过所述旋转件将所述分离腔分隔为第二腔(c1)和第三腔(c2)，所述旋转件上设有流体连通所述第二腔(c1)和所述第三腔(c2)的转向喷嘴(24)，以使得所述油气混合物在所述第二腔(c1)内完成一次分离后，能够进入所述第三腔(c2)内进行二次分离。

2.根据权利要求1所述的油气分离器，其特征在于，所述旋转件上设有开口槽，以通过所述开口槽与所述分离腔的部分壁面形成所述第二腔(c1)。

3.根据权利要求2所述的油气分离器，其特征在于，所述旋转件包括多个，多个所述旋转件相互连接，以形成转向环(21)。

4.根据权利要求3所述的油气分离器，其特征在于，各个所述旋转件上的所述开口槽相互独立；或者，各个所述旋转件上的所述开口槽相互连通，以在所述转向环(21)的外周形成环形槽。

5.根据权利要求1所述的油气分离器，其特征在于，所述转向喷嘴(24)被构造为能够改变流经所述转向喷嘴(24)的流体的流动方向，以使得进入所述第三腔(c2)的至少一部分所述流体具有与所述旋转件的旋转方向相切的速度分量。

6.根据权利要求1所述的油气分离器，其特征在于，还包括防转结构，所述防转结构用于防止所述旋转件相对于所述第二腔(c1)和所述第三腔(c2)旋转。

7.根据权利要求6所述的油气分离器，其特征在于，所述分离腔的内壁(19)上设有防转台(29)，所述防转结构包括设置于所述旋转件和所述防转台(29)中的一个上的凸台(31)以及设置于所述旋转件和所述防转台(29)中的另一个上的凹槽(30)。

8.一种用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，包括如权利要求1～7任一项所述的油气分离器。

9.根据权利要求8所述的用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，还包括与低压轴转子(6)连接风扇轴(7)、与所述风扇轴(7)通过轴承连接的外环形结构(8)和固定在所述风扇轴(7)上的端盖(22)，所述风扇轴(7)和所述外环形结构(8)之间形成所述第一腔(a)，所述端盖(22)、所述风扇轴(7)、所述低压轴转子(6)以及所述低压轴转子(6)的端面围成所述分离腔。

10.根据权利要求9所述的用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，所述旋转件安装在所述风扇轴(7)的内壁(19)上，并且所述旋转件上的开口槽与所述风扇轴(7)的内壁(19)之间形成所述第二腔(c1)，所述端盖(22)、所述旋转件、所述风扇轴(7)、所述低压轴转子(6)以及所述低压轴转子(6)的端面围成所述第三腔(c2)。

11.根据权利要求9所述的用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，所述端盖(22)的位于所述分离腔内的侧面上设有凸起(32)，所述凸起(32)用于支撑所述旋转件。

12.根据权利要求9所述的用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，所述风扇轴(7)上设有连通所述第一腔(a)和所述第二腔(c1)的导向通孔(23)，所述转向喷嘴(24)包括与所述第二腔(c1)连通的进口(25)，所述导向通孔(23)与所述进口(25)交错设置。

13.根据权利要求8所述的用于航空发动机的油气分离系统，其特征在于，所述旋转件上设有导油孔(27)，所述导油孔(27)用于使在所述第三腔(c2)内分离出的油流回所述第二腔(c1)。

14.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求8～13任一项所述的用于航空发动机的油气分离系统。