CN109281944B - 一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构，所述发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，所述深沟球轴承的内环固定套设在发动机转子轴上并在轴向上临近一转子叶轮盘而设置，所述深沟球轴承的外环固定支撑在轴承座内，通过在深沟球轴承外环增设封闭的集油环结构，并利用高压滑油在集油环环形端面形成合适的轴向力载荷，利用滑油的供油压力和集油环的环形作用面积，可为轴承外环提供合适的轴向预紧载荷，简化了传统的轴承预紧力结构。在地面燃气轮机或者航空发动机领域具有重要的工程应用意义。

Description

一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构

技术领域

本发明属于燃气轮机、航空发动机结构设计领域，涉及一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构。

背景技术

适用于小型燃气轮机和航空发动机多球轴承的轴向力加载结构设计问题是在燃气轮机、航空发动机领域有重要实际意义的工程性问题。

在燃气轮机、航空发动机结构设计中，为了提高其性能稳定性，转子叶片叶尖间隙的保持能力极为重要，迫切需要结构设计人员采用稳妥的转子支点布局方法，并与机匣的热变形互相协调。如何提高过渡态下转子、静子的轴向/径向间隙保持能力是影响燃气轮机、航空发动机可靠性进一步提升的现实要求。

此外，位于涡扇发动机进口截面位置的风扇，在极端状态下可能会发生叶片断裂的故障，此时低压轴会出现飞转的现象。从结构安全性设计的角度考虑，需要避免低压轴飞转过程中由于叶片缺失造成的不平衡力及其所引起的低压轴断裂风险。而由于风扇叶片向前的气动力较大，因此采用双深沟球轴承的支点布局方案可以最大程度地保证极端状况下的发动机安全性。寻求这种支点布局方式下的可靠轴承预紧力加载结构设计方法也面临着迫切的设计需求。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构，通过在深沟球轴承外环增设封闭的集油环结构，利用高压滑油的供油压力和集油环的环形作用面积，为轴承外环提供合适的轴向预紧载荷，最终的轴向力载荷通过集油环与轴承外环的配合端面传递给轴承滚动体，实现轴承轴向力的预加载，该结构简化了传统的轴承预紧力结构，在地面燃气轮机或者航空发动机领域具有重要的工程应用意义。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构，所述发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，所述深沟球轴承的内环固定套设在发动机转子轴上并在轴向上临近一转子叶轮盘而设置，所述深沟球轴承的外环固定支撑在轴承座内，其特征在于，

在所述轴承座内还设置一封闭的集油环，所述集油环的环形端面顶抵在所述深沟球轴承的外环的内侧轴向端面上，所述集油环内设置一轴向布置的高压滑油供油管，从所述供油管喷出的高压滑油在所述集油环的环形端面形成轴向力载荷，通过所述集油环的环形端面为所述深沟球轴承的外环提供轴向预紧力。

本发明的发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构，其工作原理为：通过在深沟球轴承外环增设封闭的集油环结构，并利用高压滑油在集油环环形端面形成合适的轴向力载荷，最终的轴向力载荷通过集油环与轴承外环的配合端面传递给轴承滚动体，实现轴承的预加载。集油环的环形面积和滑油供油压力决定了轴承外环端面位置处的轴向力加载情况。由于滑油压力在集油环内近似周向均匀，因此传递给轴承外环位置的轴向力也是均匀的。

较优地，在不同状态下，可以利用不同的滑油供给压力提供不同的轴承用轴向力，避免轴承轴向力反向、轴向力轻载以及轴向力过大的状况出现。

优选地，所述集油环与轴承外环之间设有防转结构，实现轴承外环、集油环以及轴承座组件之间的防转设计要求。

优选地，集油环可通过直径较大的O型橡胶圈实现其内滑油的密封，维持腔内足够的滑油压力。

优选地，在双深沟球轴承的应用环境中，该结构可对其中一个不承受轴向力的轴承外环施加合适的轴向力载荷，防止两个球轴承同时承受轴向力的情况出现，避免某个轴承出现轻载打滑。

与传统燃气轮机和航空发动机深沟球轴承用轴向力预紧结构的复杂应用方法相比，本发明的发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构并未增加轴承外环位置的零件数量，亦未带来结构的复杂性，而且，该结构可应用于单支点深沟球轴承环境，亦可用于双支点深沟球轴承的支点布局方案中，具有极大的技术拓展性，因此具有巨大的应用潜力。

附图说明

图1为发动机转子支点中深沟球轴承轴向力预加载结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

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，本实施例是在某双轴航空涡扇发动机风扇端支点处的一种深沟球轴承用轴向预加载结构设计方案。图中，1：进气锥；2：螺母用螺旋挡圈；3：拧紧螺母；4：进气锥转动环；5：风扇转子；6：风扇机匣；7：螺旋挡圈；8：蓖齿环；9：挡油环；10：弹性环；11：轴承座；12：深沟球轴承；13：集油环；14：供油管；15：轴承座；16：止推深沟球轴承；17：扩口自锁螺母组件；18：轴承挡环；19：供油喷嘴；20：低压轴；21：O型橡胶圈。在该实施例中，为了提高风扇在极端状态下的安全性，低压轴在风扇转子叶片端采用了双深沟球轴承的支点布局方案，因此，为了避免轴承轻载打滑的现象出现，需要为其中的一个轴承提供预加载的轴向力。对该实用例的具体结构描述如下：

风扇转子部分包含进气锥1、低压轴20、风扇转子5及其它相关的转子压紧及锁死结构。靠近风扇采用了深沟球轴承12，而距离风扇较远的位置也采用了深沟球轴承16。在结构设计中，深沟球轴承16为真正承受轴向力的轴承，而深沟球轴承12的采用主要有两点目的：一是减少风扇转子叶片的悬臂长度，提高叶片叶尖与机匣的间隙保持能力；二是在极端状态下提高风扇叶片的自持能力，防止低压轴飞转、叶片断裂引起的低压轴断裂的故障发生。因此，需要对深沟球轴承12的外环位置提供轴向预紧力。该实用例采用的方法是在轴承外环处增加了集油环13，通过滑油供油管14供向该轴承的高压滑油在集油环13的环形端面形成足够大的滑油固壁作用力，并最终传递给轴承外环。此外，为了保持集油环13内的滑油压力，防止滑油泄漏，在集油环13与轴承座11配合的径向圆柱配合面位置采用了直径较大的O型橡胶圈21结构。不难看出，该结构轴承外环的防转是通过集油环13的防转槽、集油环13与轴承座11的防转槽相互咬合实现的。而为了提供低压轴在通过临界转速时的阻尼，轴承外环还采用了弹性环10和挤压油膜的结构。从受力角度分析，在该实用例中深沟球轴承12的预紧轴向力是向前的。此时，深沟球轴承16在正常工作状态下轴向力推荐设计为向后的，但其轴向游隙小于深沟球轴承12的轴向游隙时，深沟球轴承16可以设计为向前的轴向力方案。可以预测，当风扇叶片断裂时，风扇所连结的低压轴20会在低压涡轮剩余功率的驱动下飞转，此时叶片丢失所带来的不平衡力会导致低压轴剧烈偏摆，在低压轴断轴保护系统工作前的极短时间内，深沟球轴承12可以承担巨大的径向载荷，最大限度地避免低压轴的失效。

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 (5)

1.一种发动机转子支点中深沟球轴承的轴向力预加载结构，所述发动机为燃气轮机或涡轮喷气发动机，所述深沟球轴承的内环固定套设在发动机转子轴上并在轴向上临近一转子叶轮盘而设置，所述深沟球轴承的外环固定支撑在轴承座内，其特征在于：

在所述轴承座内还设置一封闭的集油环，所述集油环的环形端面顶抵在所述深沟球轴承的外环的内侧轴向端面上，所述集油环内设置一轴向布置的高压滑油供油管，从所述高压滑油供油管喷出的高压滑油在所述集油环的环形端面形成轴向力载荷，通过所述集油环的环形端面为所述深沟球轴承的外环提供轴向预紧力，且在不同工作状态下，所述高压滑油供油管的滑油供给压力不同，以提供不同的轴向预紧力，避免轴承轴向力反向、轴向力轻载以及轴向力过大的状况出现；

所述深沟球轴承的外环通过一弹性环固定支撑在轴承座内，且设置有挤压油膜结构，为所述发动机转子轴通过临界转速时提供阻尼。

2.根据权利要求1所述的轴向力预加载结构，其特征在于，所述深沟球轴承为发动机转子轴上唯一的止推轴承，应用在深沟球轴承轴向力过小的状态下，防止轴承轴向力反向或者轻载的情况。

3.根据权利要求1所述的轴向力预加载结构，其特征在于，所述深沟球轴承为双深沟球轴承的支点布局，应用在避免两个深沟球轴承同时承受轴向力的情况下，避免某个深沟球轴承出现轻载打滑。

4.根据权利要求1所述的轴向力预加载结构，其特征在于，所述深沟球轴承的外环具有足够的轴向空间，用以布置所述集油环和高压滑油供油管。

5.根据权利要求1所述的轴向力预加载结构，其特征在于，所述集油环与深沟球轴承的外环之间设有防转结构，实现深沟球轴承的外环、集油环以及轴承座组件之间的防转设计要求。

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