CN108223135A - 一种采用动压空气轴承的小型涡喷发动机及转子支承结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用动压空气轴承的小型涡喷发动机，通过采用动压空气轴承作为发动机转子支承，依靠发动机自身的气体作为润滑剂并承担动压载荷，无需外部气源供气。依据发动机自身特点保障径向轴承装配同轴度，并控制转静子间隙在合理范围以避免碰磨。通过调整二次空气流路布局降低转子轴向载荷以满足止推轴承要求，且有效降低轴承工作温度，提高轴承寿命。本发明不增加涡喷发动机的结构复杂性和加工成本，相比传统滚动轴承发动机具有自适应性好、抗冲击性能好、稳定性高、无需专门润滑和冷却系统、维护成本低的优点，可使得发动机总耗油率降低，重量减轻，发动机寿命大幅增加，对于航空动力领域有着重要而积极的意义。

Description

一种采用动压空气轴承的小型涡喷发动机及转子支承结构

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，更具体地涉及一种采用动压空气轴承的小型涡喷发动机及其转子支承结构，特别适用于小型高空长航时无人机及其动力装置。

背景技术

小型涡喷发动机(200公斤推力以下)由于其尺寸小、重量轻，适合高空高速飞行，被广泛地用作中小型无人机、靶机及侦察无人机动力，同时也可用作战术巡航导弹动力。自涡喷发动机诞生上百年来，油润滑滚动轴承系统一直起着至关重要的作用，然而它却在一定程度上限制了发动机的发展：(1)润滑油温度不能超过180℃，且需要增加滑油泵、油气分离器、油冷却器和油过滤器等一系列附件；(2)滚动轴承受到离心力的影响而不能使发动机工作在更高的转速下，DN值能超过2×10⁶的很少；(3)油润滑轴承系统占发动机成本和重量的10％～30％、维修量的25％～50％，需要大量费时、费力、费钱的维护才能保证飞行安全；(4)对于目前国际上主流的0-2-0转子结构的小型涡喷发动机，所使用的滚动轴承的寿命一般不超过30小时，成为了制约发动机使用寿命的最关键因素。

针对油润滑轴承系统的种种不足，人们逐渐开发出空气轴承技术。空气轴承是以空气为润滑剂的一种浮动轴承，其又分为静压空气轴承和动压空气轴承：静压空气轴承依靠外部固定气源供气，需要专门的配套装置，多用在地面设备而无法用于航空飞行器；而动压空气轴承则是以周围环境中的空气作为润滑剂并采用弹性支承表面的一种轴承，相比静压空气轴承具有自适应、抗冲击、成本低、无污染、寿命长的优点，且结构简单无需外部气源。

基于动压空气轴承的种种特点，本发明专利申请所提出的，是一种对于小型涡喷发动机转子支承和润滑形式的全新设计和应用思路，利用动压空气轴承的优点将该项技术应用于涡喷发动机的设计，从而完全替代传统的油润滑滚动轴承。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种设计合理、适用于高空长航时无人机的采用动压空气轴承的小型涡喷发动机及其转子支承结构，在不增加结构复杂性和加工成本的前提下，摒弃发动机原有的滑油系统，完成小型涡喷发动机的重新布局和设计，以降低发动机的重量及总耗油率，提升发动机的寿命，并在生产成本不变的前提下大幅降低维护成本，相比传统滚动轴承发动机具有自适应性好、抗冲击性能好、稳定性高、无需专门润滑和冷却系统、维护成本低的优点。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种小型涡喷发动机转子的支承结构，包括一离心叶轮、一轴向延伸的轴承支座、一涡轮转子以及一中心轴，所述离心叶轮设置在所述中心轴的前端，所述涡轮转子设置在所述中心轴的后端，所述离心叶轮的背部设置轴向推力轴承，所述中心轴通过间隔布置的前、后径向轴承进行径向支撑，所述前后径向轴承设置在所述轴承支座内，且所述前后径向轴承之间设置有定距环，所述前径向轴承及轴向推力轴承位于前轴承腔，所述后径向轴承位于后轴承腔，其特征在于，

所述轴向推力轴承以及前后径向轴承均为动压空气轴承，所述轴承支座上设有前引气孔和后引气孔，压气机后的高压气穿过所述前引气孔及定距环进入所述前轴承腔并通向前径向轴承及轴向推力轴承，压气机后的高压气穿过所述后引气孔及定距环进入后轴承腔并依次通向后径向轴承，所述前引气孔和后引气孔的大小不同，使得所述后轴承腔内的高压气量增长大于所述前轴承腔内的高压气量，从而降低并平衡发动机转子的轴向力。

优选地，所述动压空气轴承包括轴承套和设置在所述轴承套内的若干弹性箔片组件。

优选地，所述离心叶轮的下游设置扩压器，所述扩压器后的高压气穿过所述前引气孔和后引气孔进入实审轴承支座的内腔。引入的扩压器后高压气一方面增加轴向推力轴承以及前后径向轴承等动压空气轴承的动压承载能力，另一方面调节前后轴承腔内的压力，减小发动机转子轴向载荷，从而保证动压空气轴承的安全可靠工作，另外引入的气流可有效降低热端轴承工作温度，提高轴承工作寿命。

优选地，针对发动机启停过程中径向轴承与中心轴必将发生碰磨，在所述中心轴与前后径向轴承的配合环面上喷涂耐高温固体润滑剂涂层。

优选地，发动机转子在启停过程中，由于前后径向轴承的空气浮力未建立，必然会导致转子出现较大程度的偏摆，为避免离心叶轮和涡轮转子分别与与压气机匣和导向器发生碰磨，需要精确计算转静子间隙大小，并在安装后通过塞尺测量检验间隙，保障其在安全范围内。

进一步地，为精确计算转静子间隙大小，需要从三个方面着重考虑：首先，精确测量各径向轴承的浮动游隙，由发动机转子几何尺寸推算出转子叶尖偏摆距离；其次，对发动机转子进行强度计算，得出转子由于离心载荷产生的绝对径向变形；再次，对发动机转静子同时赋予温度场进行热变形计算，模拟真实工况下热载荷引起的转静子相对变形；最后，综合三个方面的影响，得到发动机转静子所需的真实间隙。

优选地，转动工作时，所述前后径向轴承与中心轴之间的气体间隙为0.005mm左右。

优选地，所述前后径向轴承的同轴度在0.005mm以内。

优选地，所述前后径向轴承通过所述定距环进行轴向限位，在所述轴承支座内设置定位销对所述前后径向轴承进行周向限位。

优选地，所述轴向推力轴承安装在所述离心叶轮的后端，靠所述中心轴前端的台阶端面进行轴向定位。

根据本发明的另一方面，还提供了一种小型涡喷发动机，包括上述本发明发动机转子支承结构。

本发明的核心技术在于使用动压空气轴承作为小型涡喷发动机的转子支承，利用环境空气实现轴承自身润滑，从而完全替代传统的油润滑滚动轴承。装配在发动机上的动压空气轴承分为一对径向轴承和一个推力轴承。前后装配的一对径向轴承作为两个支点用来支承转子并承受径向载荷，前支点布置的一个推力轴承用来承受转子轴向载荷。动压空气轴承采用了具有弹性的箔片作为支承元件，箔片表面和轴表面形成的楔形间隙使轴承在工作时能吸入空气，自动产生动压承载力。利用箔片变形和相互之间摩擦力的作用，使轴承具有较高的稳定性。

由于动压空气轴承依靠空气浮力承载，所以在发动机启停阶段不可避免地存在转子和轴承表面的摩擦、磨损和发热问题；另外涡喷发动机涡轮前温度达到850℃以上，由于热传导作用，空气轴承工作环境温度有可能会超过轴承材料的长期允许使用温度，因此需要在轴承和轴表面采用减磨耐热保护措施，在轴承的表面喷涂高温耐磨涂层。性能优异的涂层不仅有利于减小转子的启动力矩，同时能够提高轴承性能和延长使用寿命。相比滚动轴承，动压空气轴承存在着较大的径向游隙，在启停过程中转子会出现较大程度的偏摆，可能会造成压气机叶轮和涡轮叶片与静子机匣的碰磨，因此需要精确选择转静子间隙大小，并通过设计工装保证前后支点装配的同心度要求，从而确保发动机运转的可靠性。

动压空气轴承需要使用止推轴承以用来承担发动机转子的轴向载荷，止推轴承单位面积承载能力较弱，再加上受小型涡喷发动机自身的空间限制，其几何尺寸必须尽可能地做小，所以能承受的最大轴向力相比滚动轴承要小得多。同时发动机在挂飞使用过程中，飞机不同的空中姿态也会施加给发动机额外的载荷，特别是在大机动和过渡态时，轴承工作条件更加恶劣，因此需要依靠发动机自身空气系统的调配能力，来适应不同状态的工作环境，控制发动机转子轴向力，这是空气轴承和转子可靠运转的关键因素。针对上述情况，需要根据动压空气轴承所处工况设计发动机空气系统，通过从发动机压气机后引气，调整二次空气流路布局、节流元件控制以及主流路气动参数分配，保证发动机转子在各个工况轴向力均满足止推轴承要求，并有效降低热端轴承工作温度。

同现有技术相比，本发明的小型涡喷发动机转子的支承结构具有显著的技术效果：采用本发明所述方案，在不增加结构复杂性和加工成本的前提下，摒弃发动机原有的滑油系统，采用动压空气轴承替代油润滑滚动轴承，完成小型涡喷发动机的重新布局和设计，依靠发动机自身的气体作为润滑剂并承担动压载荷，无需外部气源供气；依据发动机自身特点保障径向轴承装配同轴度，并控制转静子间隙在合理范围以避免碰磨；通过调整二次空气流路布局降低转子轴向载荷以满足止推轴承要求，且有效降低轴承工作温度，提高轴承寿命；相比传统滚动轴承发动机具有自适应性好、抗冲击性能好、稳定性高、无需专门润滑和冷却系统、维护成本低的优点，可使得目前的发动机总耗油率降低15％以上，重量减轻10％以上，发动机寿命从30小时跃升为300小时以上，生产成本不变而维护成本大幅降低，对于航空动力领域有着重要而积极的意义。

附图说明

图1为本发明的采用动压空气轴承的小型涡喷发动机子午面示意图；

图2为轴承支座的引气示意图，图中箭头代表气流流向；

图3为推力轴承示意图；

图4为径向轴承示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图1、2所示，本实施例的发动机转子支承结构，适用于小型涡喷发动机，采用动压空气轴承支承发动机转子系统，包括压气机匣1、离心叶轮2、扩压器3、燃烧室4、轴承支座5、定距环6、尾喷管7、轴向推力轴承8、径向轴承9、导向器10、涡轮转子11、中心轴12。其中，离心叶轮2设置在中心轴12的前端，涡轮转子11设置在中心轴12的后端，前后两个径向轴承9安装在轴承支座5与中心轴12之间，用来承受转子径向载荷，前后两个径向轴承9设置在轴承支座5内，前后径向轴承9分别位于轴承支座5的前、后轴承腔，且前后径向轴承9之间设置定距环6，推力轴承8安装在离心叶轮2后，用来承受转子轴向载荷。轴向推力轴承8以及前后两径向轴承9均为动压空气轴承。轴承支座5上设有前引气孔和后引气孔，压气机后设置扩压器3，扩压器3后的高压气穿过轴承支座5上的前引气孔及定距环6进入前轴承腔并通向，扩压器3后的高压气穿过后引气孔及定距环6进入后轴承腔并依次通向后径向轴承9及轴向推力轴承8，前引气孔和后引气孔的大小不同，使得后轴承腔内的高压气量增长大于前轴承腔内的高压气量，从而降低并平衡发动机转子的轴向力。

动压空气轴承包括轴承套以及设置在轴承套内的若干弹性箔片组件，如图3、4所示，轴向推力轴承8包括顶箔801和止推盘802，前后径向轴承9包括波箔901和轴承壳902。动压空气轴承依靠气体浮力工作，转动工作时径向轴承9与中心轴12的气体间隙只有0.005mm左右。为了保障发动机转子的长期可靠工作，径向轴承9装配的同轴度要求非常高，要求轴承支座5的同轴度在0.005mm以内，这就需要在保证加工精度的基础上，还得设计装配工装确保径向轴承9装配到位。前后两个径向轴承通过定距环6来轴向限位，同时可在轴承支座5安装定位销来对径向轴承周向限位。推力轴承8安装在离心叶轮2后端，靠中心轴12台阶端面轴向定位。由于小型涡喷发动机内部空间有限，因此要尽量提高扩压器3安装边半径来腾出空间安装推力轴承8，同时为了适应飞机极端工况，需增加轴承厚度以提高强度，确保其能承受较大载荷。

发动机转子在启停过程中，由于径向轴承9的空气浮力未建立，必然会导致转子出现较大程度的偏摆，为避免离心叶轮2和涡轮转子11分别与与压气机匣1和导向器10发生碰磨，需要精确计算转静子间隙大小，并在安装后通过塞尺测量检验间隙，保障其在安全范围内。

在轴承支座5上开不同的节流孔，从扩压器3后的二股气流引气进入轴承支座内腔增大气压，一来增加动压空气轴承的动压承载能力，二来调节转子各腔室压力，减小发动机转子轴向载荷，从而保证动压空气轴承的安全可靠工作。另外引入的气流可有效降低热端轴承工作温度，提高轴承工作寿命。

针对发动机启停过程中径向轴承9与中心轴12必将发生碰磨，须在中心轴与径向轴承的配合环面喷涂耐高温固体润滑剂涂层。用等离子喷涂的方法喷到中心轴表面，再经金刚砂打磨后即可使用。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种小型涡喷发动机转子的支承结构，包括一离心叶轮、一轴向延伸的轴承支座、一涡轮转子以及一中心轴，所述离心叶轮设置在所述中心轴的前端，所述涡轮转子设置在所述中心轴的后端，所述离心叶轮的背部设置轴向推力轴承，所述中心轴通过间隔布置的前、后径向轴承进行径向支撑，所述前后径向轴承设置在所述轴承支座内，且所述前后径向轴承之间设置有定距环，所述前径向轴承及轴向推力轴承位于前轴承腔，所述后径向轴承位于后轴承腔，其特征在于，

所述轴向推力轴承以及前后径向轴承均为动压空气轴承，所述轴承支座上设有前引气孔和后引气孔，压气机后的高压气穿过所述前引气孔及定距环进入所述前轴承腔并通向前径向轴承及轴向推力轴承，压气机后的高压气穿过所述后引气孔及定距环进入后轴承腔并依次通向后径向轴承，所述前引气孔和后引气孔的大小不同，使得所述后轴承腔内的高压气量增长大于所述前轴承腔内的高压气量，从而降低并平衡发动机转子的轴向力。

2.根据权利要求1所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述动压空气轴承包括轴承套和设置在所述轴承套内的若干弹性箔片组件。

3.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述离心叶轮的下游设置扩压器，所述扩压器后的高压气穿过所述前引气孔和后引气孔进入所述轴承支座的内腔。

4.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，在所述中心轴与前后径向轴承的配合环面上喷涂耐高温固体润滑剂涂层。

5.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，发动机转子在启停过程中，为避免所述离心叶轮和涡轮转子分别与压气机匣和导向器发生碰磨，需要计算转静子间隙大小，并在安装后通过塞尺测量检验间隙，保障其在安全范围内。

6.根据权利要求5所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述转静子间隙大小的计算按照如下步骤进行：

SS1.测量各径向轴承的浮动游隙，由发动机转子几何尺寸推算出转子叶尖偏摆距离；

SS2.对发动机转子进行强度计算，得出转子由于离心载荷产生的绝对径向变形；

SS3.对发动机转静子同时赋予温度场进行热变形计算，模拟真实工况下热载荷引起的转静子相对变形；

SS4.综合转子叶尖偏摆距离、转子由于离心载荷产生的绝对径向变形、真实工况下热载荷引起的转静子相对变形等三方面的影响，得到发动机转静子所需的真实间隙。

7.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，转动工作时，所述前后径向轴承与中心轴之间的气体间隙为0.005mm左右。

8.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述前后径向轴承的同轴度在0.005mm以内。

9.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述前后径向轴承通过所述定距环进行轴向限位，在所述轴承支座内设置定位销对所述前后径向轴承进行周向限位。

10.根据上述权利要求所述的小型涡喷发动机转子的支承结构，其特征在于，所述轴向推力轴承安装在所述离心叶轮的后端，靠所述中心轴前端的台阶端面进行轴向定位。