CN109415950B - 具有整体成型部件的流体阻尼空气轴承 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种用于涡轮机的流体阻尼空气轴承(200、234)；涡轮机包括从轴承的壳体(330)径向向外布置的外圈以及布置在轴承的壳体与外圈之间的多个翼型件。轴承被供给穿过气体进口(312)的压缩空气；所述轴承包括具有流体填充的空腔(336)的壳体(330)以及布置在空腔内的柱塞(306)，所述柱塞与轴承垫(304)整体形成。

Description

具有整体成型部件的流体阻尼空气轴承
背景技术
本公开的领域总体上涉及气体轴承组件，更具体地，涉及具有整体成型部件的气体轴承。
传统的涡轮机具有转子组件，转子组件包括轴、压缩机叶轮、涡轮、联轴器、密封组件和在给定操作条件下最佳操作所需的其他元件。这些转子组件具有由于重力产生恒定静态力的质量，并且还由于转子组件在操作期间的不平衡而产生动态力。其他静态力可以由齿轮传动涡轮机械产生。这种涡轮机包括轴承，以在允许转子组件旋转的同时维持和支撑这些力。
至少一些已知的旋转机器使用气体轴承，其中需要非油润滑轴承。然而，发明人已经观察到一些气体轴承，特别是已经适用于全尺寸涡轮机械的气体轴承，通常需要大量的组装部件以提供满足动态负载要求的必要功能。如此大量的部件给气体轴承带来了高复杂性、高成本和大重量，从而限制了潜在的应用，特别是在重量减轻至关重要的航空航天涡轮机械中。此外，大量部件增加了气体轴承的尺寸而没有提供额外的功能，从而防止气体轴承形式在整个涡轮机械(例如飞机发动机)中的空间受限位置内使用。
因此，发明人提供一种改进的具有整体成型部件的气体轴承。
发明内容
本文提供了用于涡轮机的级的实施例。在一些实施例中，用于涡轮机的级可包括具有壳体的轴承，该轴承限定内腔；从壳体径向向外设置的外圈；以及设置在轴承的壳体与外圈之间的多个翼型件。
在一些实施例中，涡轮机可包括联接压缩机区段和涡轮区段的转子组件；围绕转子设置并旋转地支撑转子的级。定子包括：具有壳体的轴承，该轴承限定内腔；从壳体径向向外设置的外圈；以及设置在轴承的壳体与外圈之间的多个翼型件。
在一些实施例中，多个翼型件可以是用于例如导叶组件的多个进口导叶。在一些实施例中，多个翼型件可以是例如用于喷嘴环的多个喷嘴。
参考附图和详细描述将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，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标记表示相同的零件，在附图中：
图1是旋转机器的示意图；
图2A是根据本发明的一些实施例的示例性气体轴承的轴向和部分横截面图；
图2B是根据本发明的一些实施例的沿着图2A的线2B-2B的示例性气体轴承的横截面图；
图3是根据本发明的一些实施例的适于与气体轴承一起使用的阻尼器组件的示意图；
图4是根据本发明的一些实施例的示例性气体轴承的部分横截面图；
图5是根据本发明的一些实施例的示例性气体轴承的部分横截面图；
图6是根据本发明的一些实施例的示例性定子的部分横截面图；
图7是根据本发明的一些实施例的示例性定子的一部分的部分横截面图；
图8是适用于根据本发明的一些实施例的级的示例性气体轴承的部分横截面图；
图9是根据本发明的一些实施例的涡轮机和级的一部分的局部视图；
图10是根据本发明的一些实施例的旋转机器的示意图；
图11是根据本发明的一些实施例的旋转机器的示意图；
除非另外指明，否则本文中所提供的附图用来说明本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
本文提供具有集成轴承的发动机部件(例如，定子)的实施例。在至少一些实施例中，这种集成可以有利地允许发动机的零件和重量的整体减小。此外，将一个或多个轴承集成到其他部件中允许轴承在整个发动机的各个位置使用，而在这些位置利用传统的轴承设计本来是不可行的。此外，轴承和其他部件的集成允许在整个发动机的各个位置上的这种应用，而不会显著破坏发动机的现有横截面、长度或结构。另外，在至少一些实施例中，本发明的定子还可以允许在整个发动机中使用多于常规数量的轴承。这种另外的轴承的使用可以允许在转子系统的轴向长度上增加的力分布，这可以导致更少的轴偏转，从而减少转子应力(例如，弯曲)，减少压缩机和涡轮级处的间隙闭合并且减少或消除转子之间接触的情况，从而减少或消除由此类情况引起的磨损或损坏。
图1是旋转机器、即涡轮机100并且更具体为无油润滑涡轮发动机的示意图。在示例性实施例中，涡轮发动机为燃气涡轮发动机。可替代地，涡轮机100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。在示例性实施例中，涡轮机100包括进气区段102和压缩机区段104，压缩机区段104联接在进气区段102的下游并与进气区段102流动连通。压缩机区段104封闭在限定压缩机腔室108的压缩机外壳106内。燃烧器区段110联接在压缩机区段104的下游并与压缩机区段104流动连通，涡轮区段112联接在燃烧器区段110的下游并与燃烧器区段110流动连通。涡轮区段112封闭在限定涡轮腔室116的涡轮外壳114内。排气区段118设置在涡轮区段112的下游。此外，在示例性实施例中，涡轮区段112经由包括驱动轴122的转子组件120联接到压缩机区段104。驱动轴122由一个或多个轴承组件旋转地支撑，例如，位于压缩机外壳106和涡轮外壳114内的气体轴承或轴颈轴承组件(以200示出在根据一个或多个实施例的多个位置处)。
在示例性实施例中，燃烧器区段110包括多个燃烧器组件，即燃烧器124，每个燃烧器组件与压缩机区段104流动连通地联接。此外，在示例性实施例中，涡轮区段112和压缩机区段104经由驱动轴122可旋转地联接至负载126。例如，负载126可以包括但不限于发电机和/或机械驱动应用，例如泵、螺旋桨、风扇、转子等。在一些实施例中，涡轮机100可以是飞机发动机。
此外，在示例性实施例中，压缩机区段104包括至少一个压缩机叶片组件128和至少一个可选择的相邻固定轮叶组件(未示出)。压缩机叶片组件128和相邻固定轮叶组件的每个组合限定了压缩机级。此外，每个压缩机叶片组件128包括多个压缩机叶片132，每个固定轮叶组件包括多个压缩机轮叶。此外，每个压缩机叶片组件128可移除地联接到驱动轴122，并且每个固定轮叶组件可移除地联接到压缩机外壳106并由压缩机外壳106支撑。
此外，在示例性实施例中，涡轮区段112包括至少一个涡轮叶片组件134和至少一个相邻固定喷嘴组件(未示出)。涡轮叶片组件134和相邻固定喷嘴组件的每个组合限定涡轮级。此外，每个涡轮叶片组件134可移除地联接到驱动轴122，每个固定喷嘴组件可移除地联接到涡轮外壳114并由涡轮外壳114支撑。
在操作中，进气区段102将空气150引向压缩机区段104。在将压缩空气152排放到燃烧器区段110之前，压缩机区段104将进口空气150压缩到更高的压力和温度。压缩空气152被引导至燃料喷嘴组件(未示出)，与燃料(未示出)混合，并在每个燃烧器124内燃烧，以产生朝向下游被导向涡轮区段112的燃烧气体154。产生在燃烧器124内的燃烧气体154朝向涡轮区段112被导向下游。在冲击涡轮叶片组件134之后，热能被转化为用于驱动转子组件120的机械旋转能。涡轮区段112经由驱动轴122驱动压缩机区段104和/或负载126，排气156通过排气区段118被排放至外界大气。轴承组件200便于转子组件120的旋转并且阻尼在涡轮机100的操作期间施加至转子组件120的振动能。尽管描述和示出为轴承组件200定位于压缩机外壳106和涡轮外壳114内，但是轴承组件200可以定位于沿着轴122的任何所需位置处，包括但不限于轴122的中心或中间跨距区域或者沿着轴122的其他位置，在此使用传统的轴承组件将提出严峻的设计挑战。此外，轴承组件200可以与传统油润滑轴承组件组合使用。例如，在一个实施例中，传统油润滑轴承组件可以位于轴122的端部，一个或多个轴承组件200可以沿着轴122的中心或中间跨距区域定位。
参照图2A，在一些实施例中，轴承200通常包括外缘202、壳体216、多个轴承垫208以及多个阻尼器组件(大致在图2A的234处表示)。
轴承垫208关于轴承组件200的中心轴线236对称地布置，并且限定构造成可旋支撑转轴(例如图1的轴122)的环形内表面238。在一些实施例中，每个轴承垫208适于接收来自气体进口220的工作气体(例如，空气、压缩空气等)，并且使气体分散和/或扩散以在涡轮机的操作期间支撑和/或润滑轴，由此提供静水加压柔性轴承垫208。例如，在一些实施例中，每个轴承垫208具有足够高的透气性以允许经由气体进口220接收的气体在内腔242内产生足够的压力，以提供轴122的支撑和/或润滑。可替代地，或组合地，在一些实施例中，轴承垫208可以包括布置在轴承垫208上的多个气体分布孔224，以提供内腔242内的均匀分布压力场，用于支撑和/或润滑轴。在这些实施例中，多个气体分布孔224可以流体地联接至一个或多个增压室222，以便于气体的均匀分布。在存在一个或多个增压室222的实施例中，轴承垫密封盘210可以联接至轴承垫208以密封一个或多个增压室222。
多个气体分布孔224可以构造为具有适于如本文所述地作用的任意尺寸或布置(例如，阵列、样式或构造)。例如，在一些实施例中，多个气体分布孔224可以大致在约2密耳(约50微米)与约100密耳(约2,540微米)之间，更具体地，在约5密耳(约127微米)与约20密耳(约508微米)之间的范围内的直径。
轴承垫208可以由适于承受轴承200的工作条件的任何材料制造。另外，在一些实施例中，轴承垫208由具有足够低孔隙率的材料制造，以防止在涡轮机的操作期间在轴承垫208与轴之间产生的薄气体膜的不稳定性。例如，在一些实施例中，轴承垫208可以由多孔碳材，例如碳石墨、烧结多孔陶瓷和烧结多孔金属制造，例如
Figure BDA0001831770980000061
和不锈钢。
发明人已经观察到传统气体轴承一般包括轴承垫组件以便于将轴承垫联接至气体轴承壳体。然而，这些组件一般由需要组装的多个单独的部件构造，由此增加气体轴承的重量并且使得气体轴承复杂和成本高。这样，在一些实施例中，轴承垫208可以经由多个轴承垫弹簧(多个弹簧)214联接至壳体216。当存在时，弹簧214便于将轴承垫208联接至壳体216，同时提供轴承垫208沿径向向内或向外方向(相对于中心轴线236)的运动和/或在轴承垫208与阻尼器组件234的阻尼器柱塞206之间的能量转移。在一些实施例中，一个或多个机械止动器232可以邻近轴承垫208的后表面240布置，以限制轴承垫208的运动范围。
在一些实施例中，轴承垫弹簧214中的每一个可以与轴承垫208和壳体216中的至少一个整体形成。例如，在一些实施例中，轴承垫208、轴承垫弹簧214和壳体216可被制造为形成单个整体零件，如图2A所示。另外，在一些实施例中，壳体216和外缘202可以类似地制造为形成单个整体零件(例如，比如附图所示)。发明人已经观察到提供作为单个整体零件的单独的部件(例如，轴承垫208、轴承垫弹簧214、壳体216、外缘202)减少了传统气体轴承结构中使用的零件的总数，由此与传统气体轴承相比减轻轴承的重量、复杂性、成本和总尺寸。
轴承垫208、轴承垫弹簧214和壳体216可以经由适于便于形成整体零件的任何技术制造。例如，在一些实施例中，轴承垫208、轴承垫弹簧214和壳体216可以利用电火花加工(EDM)工艺或增材制造工艺(还被称为快速成型、快速制造和3D打印)，比如选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、扩散结合或选择性加热烧结(SHS)制造。
阻尼器组件234大致包括阻尼器柱塞206、阻尼器弹簧204和联接组件218。阻尼器柱塞206布置在形成于壳体216内的腔246内并且经由阻尼器弹簧204联接至壳体216。阻尼器弹簧204支撑阻尼器柱塞206并且将腔246分成第一控制容积248和第二控制容积250，在第一控制容积248和第二控制容积250之间形成电阻路径252(图2A和2B中示出)。腔246的空闲部分填充不可压缩粘性流体并且通过密封片212气密密封。流体可以是适用于特殊操作环境的任何不可压缩粘性流体。例如，在一些实施例中，流体可以是油基流体、液态金属(广义上，金属流体)等。
联接组件218大致包括多个密封件(示出三个密封件226、228、230)、柱塞244和气体进口220。柱塞244构造成将施加在轴承垫208上的负载传递至阻尼器组件234。例如，在操作中，当加载和卸载(经由施加于轴承垫208的力)柱塞244时，迫使流体通过阻力流动路径252，由此将施加在阻尼器组件234上的振动能转化成热，热随后通过传导和/或对流消散。
在一些实施例中，阻尼柱塞206和阻尼器弹簧204可以是单个整体成型零件。另外，在这些实施例中，阻尼柱塞206和阻尼器弹簧204可以进一步与壳体216整体形成，比如图2A所示。任何适合的制造技术可被用于生产这些整体形成的零件，例如，比如如上所述的EDM或增材制造工艺。如上所述，发明人已经观察到提供作为单个整体零件的单独的部件(例如，阻尼柱塞206、阻尼器弹簧204、壳体216)减少了传统气体轴承结构中使用的零件的总数，由此与传统气体轴承相比减轻轴承的重量、复杂性、成本和总尺寸。
尽管在图2A中示出为多部件零件，在一些实施例中，联接组件218可以由与轴承垫208整体形成的单个零件替代。例如，图3描绘了作为单个整体成型部件的阻尼器柱塞306和阻尼器垫304(统称为“整体阻尼垫302”)。提供作为单个整体成型部件的阻尼器柱塞306和阻尼器垫304便于进一步减少轴承200的零件，由此进一步降低轴承200的成本、复杂性、尺寸和重量。任何适合的制造技术可被用于生产这些整体形成的零件，例如，比如如上所述的EDM或增材制造工艺。
参照图3，在一些实施例中，柱塞306和阻尼器垫304可以经由轴334彼此联接，轴334也是一体阻尼垫302的整体零件。在一些实施例中，一个或多个弹簧332可以支撑轴承垫304，并且更进一步地，可以将轴承垫联接至壳体330(例如，如上所述的轴承200的壳体216)并且控制轴承的径向劲度。
在一些实施例中，轴334延伸超过阻尼器柱塞306并且包括形成于其中的通孔314，以便于将气体进口312联接至轴承垫304的气体分布孔308和增压室310。当存在时，气体进口312、增压室310和气体分布孔308提供相同或类似的功能，并且可被构造成与如上所述的气体进口220、增压室222和气体分布孔224相同或类似。
阻尼器柱塞306布置在形成于壳体330中的腔336内并且将腔336分成第一控制容积324和第二控制容积326。阻尼器柱塞306和腔336相对于彼此具有能够在阻尼器柱塞306的端部338与腔壁340之间提供预定间隙318的尺寸，以在第一控制容积324与第二控制容积326之间形成阻力流动路径320。腔336的空闲部分填充不可压缩粘性流体328并且通过柔性密封件322气密密封。注意到，在一些实施例中，柔性密封件322和弹簧332的刚度可以各自相对于彼此调整以控制轴承200的整体刚度。例如，在一些实施例中，柔性密封件322可以比弹簧332具有显著更小的刚度，以允许设计者通过弹簧332支配地控制轴承支撑刚度。
在操作中，当力(例如，由轴的旋转所引起的振动力)施加至轴承垫304时，阻尼器柱塞306与壳体330之间产生相对运动。这种运动使得流体328被迫通过腔336的第一控制容积324与第二控制容积326之间的阻力流动路径320。由于流体328的缓冲效应(通过粘性摩擦阻止运动)，力的能量被耗散，从而阻尼力。
尽管在上文被描述为单独的部件，柔性密封件322、壳体330、弹簧332和整体式阻尼垫302可以全部整体形成以提供单个部件，由此进一步降低轴承200的成本、复杂性、尺寸和重量。任何适合的制造技术可被用于生产这些整体形成的零件，例如，比如如上所述的EDM或增材制造工艺。例如，图4中示出轴承200中的整体式阻尼器垫302的示例性实施方式。在这些实施例中，如附图所示，整个轴承200可以制造为单个零件。发明人已经观察到，将轴承200制造为单个零件显著地减小了传统组装的多部件轴承的重量和尺寸。这种重量和尺寸的减小允许轴承用于本来无法使用常规组装的多部件轴承的重量和空间受限的应用(例如，飞机发动机)。
图5描绘了整体制造的轴承200的另一个示例性实施方式。如图5中所描绘的，在一些实施例中，阻尼器柱塞306可以包括多个冷却翅片(热交换器502)。在该实施例中，由气体进口312提供的加压空气在前进通过轴承垫304之前穿过热交换器502，以在涡轮机的操作期间支撑和/或润滑轴。
传统发动机(例如，图1所示的涡轮机100)一般利用需油轴承，例如，比如向心推力球轴承、圆柱滚子轴承等。然而，这些油轴承需要允许油被用于发动机内的多个另外的零件和复杂系统，例如，单独的轴承槽、再循环系统、过滤系统等。此外，发动机的一些部件(例如，压缩机或涡轮叶片等)必须与用于轴承中的任何油隔离，以防止对部件的损坏。这种隔离一般通过轴承与其他发动机部件之间的轴向跨距和间距(共同地表示在158、160处)获得，以限定边界以及防止油与发动机部件相互作用。发明人已经观察到允许使用油轴承所需的上述另外的系统以及轴向跨距和间距有助于发动机的全部长度和重量，由此限制发动机的效率和通用性。
另外，这种需求限制了轴承在整个发动机中的可能的位置和/或分布。例如，返回参考图1，用于需油轴承、滚子轴承、多零件气体轴承等的传统安排可能限于沿着发动机的一个或多个轴的特定位置，以适应如上所述的支撑系统和/或跨距要求。例如，轴承中的一个或多个可以邻近高压涡轮机(HPT)或芯轴168的一端(162处示出的轴承位置)和/或在压缩机区段104与涡轮区段112之间布置，以便于轴168的旋转(在162处示出的轴承位置)。另外，轴承中的一个或多个可以邻近驱动轴122的一个或多个端部(在170、172处示出的轴承位置)布置，以便于驱动轴122的旋转。
这样，在一些实施例中，轴承中的一个或多个可以集成到将通过其它方式存在于发动机中的一个或多个发动机部件内。发明人已经观察到将一个或多个轴承集成到其它部件内允许发动机的零件和重量的整体减少。此外，将一个或多个轴承集成到其它部件内允许轴承在整个发动机的不同位置被使用，在这些位置利用传统轴承设计本来是不可行的(例如，如下关于图9-11所述)。另外，轴承和其它部件的集成允许在整个发动机上采用不同的位置，而不破坏发动机的现有横截面、长度或结构。
一个或多个轴承可以集成到发动机的适于提供上述有益效果的任何部件中。例如，在一些实施例中，轴承606可以集成到飞机发动机的级600内，比如图6中所示。级600可以是发动机的任何旋转或固定部件，例如，比如定子、进口导叶、喷嘴、涡轮机喷嘴等。级600可以通过适于便于形成整体零件的任何技术制造。例如，在一些实施例中，集成级600/轴承606部件的至少一部分可以利用电火花加工(EDM)工艺或增材制造工艺(也被称为快速成型、快速制造和3D打印)，比如选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、扩散结合或选择性热烧结(SHS)制造。
在一些实施例中，级600可以大致包括轴承606、多个翼型件602和外圈604。在一些实施例中，翼型件602可设置在轴承606的壳体608(例如，如上所述的壳体330)和外圈604之间。在一些实施例中，翼型件602可以联接到壳体608和/或外圈604。在翼型件602仅联接到壳体608或外圈604中的一个的实施例中，外圈604和轴承606可彼此独立地旋转。在一些实施例中，外圈604和壳体608可以彼此同心或同轴设置，或者可替代地，在一些实施例中可以彼此偏心或不同心地设置。
在一些实施例中，翼型件602与壳体608和外圈604中的至少一个整体形成(例如，通过如上所述的制造技术)。翼型件602可以具有适于以期望的方式引导空气流的任何形状或尺寸，并且可以特别用于级600的放置。翼型件602可以是适于期望的应用或放置在发动机/涡轮机内的任何类型的翼型件。例如，在一些实施例中，翼型件602可以是进口导叶。在这些实施例中，级600可以用作导叶组件，例如用于发动机的压缩机区段。可替代地，在一些实施例中，翼型件602可以是喷嘴。在这些实施例中，级600可以用作喷嘴或喷嘴环，例如用于发动机的涡轮区段。在一些实施例中，翼型件602可包括定子翼型件、固定或可变导叶/喷嘴，其组合等。
在一些实施例中，一个或多个气体进口孔610可以形成在级600的外表面612中。当存在时，气体进口孔610可以便于气体(例如，空气)通过多个翼型件602 602经由轴承垫616的气体分布孔614(例如，比如类似于如上所述的气体分布孔308和轴承垫304)流到由级600的轴承606限定的内腔618。例如，参照图7，在一些实施例中，气体进口孔610可以流体地联接到形成在一个或多个翼型件602中的通孔702。在这些实施例中，通孔702可以与轴承606的气体进口706对齐和/或流体地联接。气体进口706直接地或者在一些实施例中经由增压室(比如以上关于图3描述的增压室310)流体地联接到一个或多个气体分布孔614。在操作中，空气可以被引导到轴承垫616和可旋转发动机部件的表面704(例如，比如为上述芯轴168的轴的表面、比如为上述压缩机叶片组件128的压缩机级的表面等)之间的区域708，从而为发动机部件提供支撑和/或润滑。空气可以是从发动机可用的任何源接收的任何类型的空气。例如，在一些实施例中，由发动机的压缩机级压缩的至少一部分空气可以经由气体进口610引导通过通孔702。
轴承606可以是适用于所需发动机或涡轮机的任何轴承，例如，比如如上述任何实施例中的轴承200(例如，气体轴承)。例如，参照图8，在一些实施例中，轴承606大致可包括壳体816、阻尼器柱塞810、轴承垫812以及一个或多个柔性密封件(示出两个柔性密封件820)。与上述其他实施例(例如，比如图3中所示)相比，图8中描绘的实施例使柔性阻尼器流体弹簧(例如，弹簧332)与垫弹簧系统集成在一起，因此进一步降低了复杂性和尺寸。当以这种方式配置时，这种集成可以有助于将该部件紧凑且有效地应用于现有导叶或涡轮喷嘴定子。
阻尼器柱塞810设置在形成于壳体816中的通过环形孔822内，并将腔804分成第一控制容积802和第二控制容积806。阻尼器柱塞810和腔804相对于彼此具有能够在阻尼器柱塞810的表面826与腔壁828之间提供预定间隙824的尺寸，以在第一控制容积802和第二控制容积806之间形成阻力流动路径830。腔804的未占用部分填充不可压缩粘性流体808，并通过柔性密封件820、818气密密封。在操作中，当力(例如，由轴的旋转所引起的振动力)施加至轴承垫814时，阻尼器柱塞826与壳体816之间产生相对运动。这种运动使得流体808被迫通过腔804的第一控制容积802与第二控制容积806之间的阻力流动路径830。由于流体808的缓冲效应(通过粘性摩擦阻止运动)，力的能量被耗散，从而阻尼力。
虽然上文描述为单独的部件，但是部件(例如，壳体816、阻尼器柱塞810、轴承垫812和柔性密封件820)中的至少两个可以彼此整体形成，从而进一步降低轴承606的成本、复杂性、尺寸和重量。在一些实施例中，轴承606可以制造成使得整个轴承606是单个整体零件。任何适合的制造技术可被用于生产这些整体形成的零件，例如，比如如上所述的EDM或增材制造工艺。发明人已经观察到，将轴承606制造为单个零件显著地减小了传统组装的多部件轴承的重量和尺寸。这种重量和尺寸的减小允许轴承用于本来无法使用常规组装的多部件轴承的重量和空间受限的应用(例如，飞机发动机)。
如上所述，使用非需油轴承(例如，如上所述的空气轴承或轴承200、606)消除了对传统油支撑部件(例如，油槽、过滤器等)的需要，从而减少了发动机的零件、重量和复杂性。此外，由于利用涡轮机的工作流体润滑气体轴承，也可以消除通常将需油轴承与其他部件隔离所需的必要轴向跨度，从而允许减小发动机的长度并进一步减轻重量。这种支撑部件的消除和其他所需轴向跨距的消除可以提供设计具有附加级的转子轴承系统的能力，并且还允许轴承在发动机的各个位置中使用，这些位置在传统的发动机/轴承设计中本来是不可行的。另外，将轴承集成到发动机部件(例如，上述级600)中提供了关于轴承在发动机的各个位置中的放置的进一步的多功能性。例如，图9(描绘压缩机级128的示例性部分，比如在图1中的166处所示)描绘了根据本发明的一些实施例的级600的示例性放置。如附图所示，在一些实施例中，具有与其集成的轴承606的级600可设置在发动机的压缩机级128的压缩机叶片132之间。尽管在图9中示出为一个示例性构造，但是级600的放置不限于压缩机级128。例如，级600可以设置在涡轮叶片组件的叶片(例如，上述涡轮区段112的涡轮叶片组件134)之间，例如，比如下面在图11中所描述的。
发明人已经观察到，级600的这种放置和利用可以通过减小在负载操纵期间的间隙闭合、减少动态轴承和结构载荷、减少同步振动响应和改善稳定性而进一步有益于发动机操作。
例如，在施加力的情况下轴的偏转与轴承的刚度之间的关系可以通过以下公式说明：
F＝kX
其中，F是施加在轴上的力，k是轴承的刚度，X是轴的偏转。参照图10，在利用传统轴承(例如，比如上文所述的涡轮机100)的发动机设计中，轴承的放置通常受限于靠近压缩机叶片组件128的相对端部的位置。因此，在这种情况下，当力1008施加到轴上时，每个轴承的刚度(在1002和1004处示出，用于示例性地放置轴承)允许轴168的偏转Δ1(例如，比如由从第一位置1010到第二位置1006的变化所示)。然而，如本文所述的创造性的级600允许使用另外的轴承和/或替换常规使用的轴承(例如，需油轴承)而不增加发动机的尺寸或重量。因此，在相同的力1008下，由另外的轴承提供的合计增加刚度1110、1102、1112、1104和增加的力分布可以导致轴168的较小的偏转Δ2(例如，比如通过从第一位置1010到第二位置1106的变化所示)，例如如图11所示。轴偏转的这种减小可以减小转子应力(例如，弯曲)，减少压缩机和涡轮机级处的间隙闭合，并减少或消除转子之间的接触情况，从而减少或消除磨损或损坏，并且还显著改善发动机的特定燃料燃烧，这将产生更高的效率和功率密度。
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、反应产物等等。此外，本文中的术语“第一”、“第二”等等不表示任何次序、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语境指定的含义(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，且可以存在或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。
虽然已参考示例性实施例描述了本发明，但是所属领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可作出各种改变且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，可根据本发明的教导进行许多修改以适应特定的情况或材料。因此，本发明意图并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，本发明还将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施例。

Claims (22)

1.一种用于涡轮机的级，包括：
轴承，所述轴承具有壳体，所述轴承限定内腔，所述轴承包括：
设置在所述壳体内的流体填充的腔；
柔性密封件，所述柔性密封件设置在所述腔的开口内以密封所述腔；
设置在所述腔内的阻尼器柱塞，其中，所述阻尼器柱塞能够在所述腔内运动；
外缘；
多个轴承垫弹簧；以及
轴承垫，所述轴承垫设置在所述腔的外部并且联接到所述阻尼器柱塞，其中所述轴承垫通过所述多个轴承垫弹簧连接到所述壳体，并且其中，所述阻尼器柱塞，所述外缘，所述多个轴承垫弹簧和所述轴承垫彼此整体形成；
外圈，所述外圈从所述壳体径向向外设置；
多个翼型件，所述多个翼型件设置在所述轴承的壳体和所述外圈之间；以及
其中，所述翼型件与所述轴承的壳体和所述外圈中的至少一个整体成型。
2.根据权利要求1所述的级，进一步包括：
气体进口孔，所述气体进口孔形成在所述级的外表面中；
通孔，所述通孔形成在所述多个翼型件的导叶中；以及
形成在所述轴承中的气体进口，其中，所述气体进口孔、所述通孔、所述气体进口和所述内腔彼此流体联接。
3.根据权利要求2所述的级，其中，所述轴承垫中形成有至少一个气体分布孔，其中，所述至少一个气体分布孔将所述气体进口流体地联接到所述内腔。
4.根据权利要求1所述的级，其中，所述轴承是非需油空气轴承。
5.根据权利要求1所述的级，其中，所述阻尼器柱塞和腔具有相对尺寸，使得所述阻尼器柱塞的端部和所述腔的壁在所述腔的第一控制容积和第二控制容积之间提供所述流体的阻力流动路径。
6.根据权利要求1所述的级，其中，所述壳体、柔性密封件、阻尼器柱塞和轴承垫中的至少两个彼此整体形成。
7.根据权利要求1所述的级，其中，所述级是喷嘴。
8.根据权利要求1所述的级，其中，所述多个翼型件是多个喷嘴。
9.根据权利要求1所述的级，其中，所述级是进口导叶。
10.根据权利要求1所述的级，其中，所述多个翼型件是多个进口导叶。
11.一种涡轮机，包括：
转子组件，所述转子组件联接压缩机区段和涡轮区段；
围绕所述转子组件设置并旋转地支撑所述转子组件的级，所述级包括：
轴承，所述轴承具有壳体，所述轴承限定内腔，所述轴承包括：
设置在所述壳体内的流体填充的腔；
柔性密封件，所述柔性密封件设置在所述腔的开口内以密封所述腔；
设置在所述腔内的阻尼器柱塞，其中，所述阻尼器柱塞能够在所述腔内运动；以及
轴承垫，所述轴承垫设置在所述腔的外部并且联接到所述阻尼器柱塞，其中，所述阻尼器柱塞和所述轴承垫彼此整体形成；
外圈，所述外圈从所述壳体径向向外设置；
多个翼型件，所述多个翼型件设置在所述轴承的壳体和所述外圈之间；以及
其中，所述翼型件与所述轴承的壳体和所述外圈中的至少一个整体成型。
12.根据权利要求11所述的涡轮机，其还包括：
气体进口孔，所述气体进口孔形成在所述级的外表面中；以及
通孔，所述通孔形成在所述多个翼型件的导叶中；以及
形成在所述轴承中的气体进口，其中，所述气体进口孔、所述通孔、所述气体进口和所述内腔彼此流体联接。
13.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述轴承还包括轴承垫，所述轴承垫中形成有至少一个气体分布孔，其中，所述至少一个气体分布孔将所述气体进口流体地联接到所述内腔。
14.根据权利要求12所述的涡轮机，其中，所述气体进口孔构造成从所述压缩机区段接收压缩空气。
15.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述轴承是非需油空气轴承。
16.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述阻尼器柱塞和腔具有相对尺寸，使得所述阻尼器柱塞的端部和所述腔的壁在所述腔的第一控制容积和第二控制容积之间提供所述流体的阻力流动路径。
17.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述壳体、柔性密封件、阻尼器柱塞和轴承垫中的至少两个彼此整体形成。
18.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述级是喷嘴。
19.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述级设置在压缩机级的两个压缩机叶片之间。
20.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述多个翼型件是多个喷嘴。
21.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述级是进口导叶。
22.根据权利要求11所述的涡轮机，其中，所述多个翼型件是多个进口导叶。
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