CN109416076B - 用于涡轮的气体轴承支撑的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种系统包括联接到第二轴(152)的气体递送盘(210)，其中，第二轴和气体递送盘围绕轴线设置。该气体递送盘包括：内部轴向开口(232)，其被构造成有利于第一轴向流通过所述第二轴内的第一通道(184)；管道(218)，其被构造成将轴承流(212)在径向方向(190)上朝所述轴线供应；和轴承面(208)，其设置在所述第一通道内且在所述内部轴向开口的径向内部。所述轴承面被构造成接纳所述轴承流，并且所述轴承面被构造成在所述轴承面和围绕所述轴线设置的第一轴(142)之间形成气体轴承(176)。

Description

用于涡轮的气体轴承支撑的系统和方法
背景技术
本文所公开的主题涉及气体轴承，更具体地涉及用于涡轮发动机的气体轴承。
涡轮发动机的旋转部件(例如，轴)可以在操作期间以不同的速度旋转。例如，风扇可以在显著低于涡轮级或压缩机级的速度下旋转。齿轮箱可以允许涡轮发动机的轴以不同的速度旋转。来自以所需速度旋转的第一轴的旋转动力可以造成另一个轴以接近或高于超临界的速度旋转，由此增加弯曲应力和轴承负载。增加的弯曲应力和轴承负载可以导致涡轮发动机的部件的磨损或失效。旋转轴可以由在沿着其轴线的一个或多个点处的轴承支撑，以影响轴的刚度，由此减小轴上的弯曲应力。然而，涡轮发动机系统的有限空间可能限制此类轴承的数量和放置方式。另外，使用较大的轴来增加刚度可能过大地增加轴的直径和/或重量。
发明内容
在范围方面与初始要求保护的发明相一致的某些实施例总结如下。这些实施例不意图限制要求保护的发明的范围，相反，这些实施例意图仅提供本发明的可能形式的简短总结。实际上，本发明可包括可类似于或不同于下文所述实施例的各种形式。
在一个实施例中，一种系统包括联接到第二轴的气体递送盘，其中，第二轴和气体递送盘围绕轴线设置。气体递送盘包括：内部轴向开口，其被构造成有利于第一轴向流通过所述第二轴内的第一通道；管道，其被构造成将轴承流在径向方向上朝所述轴线供应；和轴承面，其设置在第一通道内且在内部轴向开口的径向内部。轴承面被构造成接纳轴承流，并且轴承面被构造成在轴承面和围绕所述轴线设置的第一轴之间形成气体轴承。
在另一个实施例中，一种系统包括：第一轴，其围绕轴线设置；第二轴，其围绕所述轴线设置且围绕第一轴同心地设置；以及气体递送盘，其联接到第二轴。第一轴和第二轴形成在两者间的第一通道。气体递送盘包括：内部轴向开口，其被构造成有利于第一轴向流通过第一通道；多个管道，其被构造成将轴承流在径向方向上朝所述轴线供应；和轴承面，其设置在第一通道内且在内部轴向开口的径向内部。所述多个管道被构造成从第二轴向流抽取轴承流。轴承面被构造成接纳轴承流，并且轴承面被构造成在轴承面和围绕所述轴线设置的第一轴之间形成气体轴承。
在另一个实施例中，一种方法包括：将第一气体流轴向地导向通过第一通道和气体递送盘的内部轴向开口；将第二气体流轴向地导向通过第二通道和气体递送盘的中间轴向开口；以及将轴承流朝第一轴径向地导向通过气体递送盘。第一通道设置在第一轴和第二轴之间，第一轴围绕轴线设置，并且第二轴围绕所述轴线设置。第二通道设置在第二轴的径向外部。气体递送盘被构造成利用轴承流在气体递送盘和第一轴之间形成气体轴承。
附图说明
当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有图中类似的标记表示类似的部件，在附图中：
图1是带有气体轴承的涡轮发动机的实施例的剖视图；
图2是涡轮发动机的气体轴承组件的实施例的剖视图；
图3是图2的气体轴承组件的气体递送盘的实施例沿着线3-3截取的轴向视图；
图4是图2的气体轴承组件的气体递送盘的实施例的透视图；
图5是涡轮发动机的气体轴承组件的实施例；
图6是导向用于气体轴承组件的空气流的方法的实施例；以及
图7是将气体轴承上的负载传递至涡轮发动机的方法的实施例。
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要说明，可能无法在本说明书中描述实际实施方案的所有特征。应当理解，任意工程或设计项目中的任何这种实际实施方案的改进、大量的针对实施方案的决定都实现改进者的具体目标，例如遵守在各个实施方案中均不同的与系统相关和与商业有关的限制。此外，应当理解，这样的改进可能是复杂且耗时的，但对于受益于本公开的有益效果的本领域普通技术人员来说，这些都是设计、制造和生产中的常规任务。
在介绍本发明的各种实施例的元素时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”意图表示这些元素中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”旨在包括端值并且意味着可能有除了所列元素之外的额外的元素。
燃气涡轮发动机利用轴来联接旋转部件。例如，一个或多个涡轮级可以驱动一个或多个压缩机级。一些轴是同心的，并且可以与其它轴反向地旋转。每个轴的旋转速度和支撑影响相应的轴上的负载。轴由一个或多个轴承支撑，这些轴承可以减轻或减小本来可以由在各种旋转速度下操作轴产生的振动振幅。气体流可以在燃气涡轮发动机内被利用，以用于包括但不限于燃烧、稀释、冷却、气体轴承的各种目的。本文所述气体轴承可以设置在燃气涡轮发动机中以支撑一个或多个轴，而不阻挡气体流通过燃气涡轮发动机。气体轴承可以减轻或减小本来会由在较高旋转速度下操作所述一个或多个轴产生的振动振幅。本文所述气体轴承可以允许轴在较高速度下操作，同时减小轴应力并减小或消除由这样的应力导致的磨损或失效情况。在一些实施例中，用于气体轴承的气体流可以由涡轮发动机的压缩机供应。另外，气体轴承可以减少或消除与油轴承相关联的维护成本或污染问题。
图1是发动机100的局部剖视图。在示例性实施例中，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。发动机100可以是任何其它涡轮发动机和/或涡轮机械，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的环形形式的。在一些实施例中，发动机100可以大体上包括进气段104、压缩机段106、燃烧段108和涡轮段110。
进气段104大体上包括风扇124，该风扇具有联接到轮毂114的多个风扇叶片112和可旋转的风扇轴126。一个或多个轴承130可以设置在静止的支撑件132和风扇轴126之间，以有利于风扇轴126的旋转和/或阻尼在发动机100操作期间施加在风扇轴126上的振动能量。所述一个或多个轴承130可以是适合在例如发动机100内使用的任何类型的轴承，例如，滚动元件轴承(例如，滚珠轴承、滚柱轴承)、气体轴承、轴颈轴承等。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，由此形成用于由风扇124驱动的空气(例如，旁路空气)的流动的通道116，例如由箭头118所指示的。在这样的实施例中，壳体122可以至少部分地由多个撑条128支撑。在操作中，风扇124将空气吸入发动机100中，将空气的流118导向通过通道116并将空气的压缩机部分120导入压缩机段106中。
压缩机段106机械地且流体地联接到进气段104(例如，风扇段)，并且大体上包括一个或多个压缩机级。例如，压缩机段可包括第一压缩机级134(例如，低压压缩机级)和第二压缩机级136(高压压缩机级)，如图1所示。每个压缩机级134、136可具有一个或多个叶片(blade)138和一个或多个静叶(vane)140。
第一压缩机级134接收来自进气段104的空气的压缩机部分120并经由多个压缩机叶片138和压缩机静叶140压缩空气。在一些实施例中，压缩机叶片138可以联接到第一轴(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(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撑件148、150和LPT轴142之间，以有利于LPT轴142的旋转和/或阻尼在发动机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144、146可以是适合在例如发动机100内使用的任何类型的轴承，例如，滚动元件轴承(例如，滚珠轴承、滚柱轴承)、气体轴承、轴颈轴承等。
第二压缩机级136接收来自第一压缩机级134的空气的压缩机部分120并经由多个压缩机叶片138和压缩机静叶140进一步压缩空气。在一些实施例中，压缩机叶片138可以联接到高压涡轮(HPT)轴(芯轴)152，以驱动第二压缩机级136的压缩机叶片138的旋转。一个或多个轴承(第三或前端高压涡轮轴承154和第三或后端高压涡轮轴承156)可以设置在一个或多个静止支撑件158、160和HPT轴152之间，以有利于HPT轴152的旋转和/或阻尼在发动机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154、156可以是适合在例如发动机100内使用的任何类型的轴承，例如，滚动元件轴承(例如，滚珠轴承、滚柱轴承)、气体轴承、轴颈轴承等。虽然在图1中仅示出有限数量的压缩机级，但可以理解，可以为所需应用提供任何数量的压缩机级以有利于发动机100的合适操作。
燃烧段108接收来自第二压缩机级136的空气的压缩机部分120的主要部分161，将主要部分161与燃料混合，并且有利于燃料空气混合物的点燃。燃烧段108大体上包括具有燃烧室164的燃烧器162，燃烧室164机械地且流体地联接到压缩机段106和涡轮段110。燃烧器162可以是本领域已知的任何类型的合适的燃烧器，并且可包括为了如上所述有利于燃料/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)。
涡轮段110机械地且流体地联接到燃烧段108，并且大体上包括例如一个或多个涡轮级，例如，第一涡轮级166(高压涡轮级)和第二涡轮级168(低压涡轮级)，如图1所示。虽然仅示出有限数量的涡轮级，但可以理解，可以为所需应用提供任何数量的涡轮级以有利于发动机100的合适操作。
在一些实施例中，第一涡轮级166和第二涡轮级168均可包括多个涡轮叶片170和涡轮喷嘴172。就第一涡轮级166而言，涡轮叶片170可以联接到HPT轴152，HPT轴152联接到第二压缩机级136，如上所述。在这样的实施例的操作中，第一涡轮级166接收来自燃烧段108的加热的燃料/空气混合物(例如，燃烧产物173)，并且将热能(例如，由燃烧室164中的燃料/空气混合物的点燃提供)的至少一部分经由所述多个涡轮叶片170转化成机械旋转能。涡轮叶片170的旋转造成HPT轴152旋转，从而造成第二压缩机级136的压缩机叶片138旋转。
就第二涡轮级168而言，涡轮叶片170可以联接到LPT轴142，LPT轴142联接到第一压缩机级134，如上所述。在一些实施例中，LPT轴142也可以联接到例如风扇轴126，例如图1中所示。在操作中，第二涡轮级168接收来自第一涡轮级166的加热的燃料空气混合物(例如，燃烧产物)，并且将热能的至少另一部分经由所述多个涡轮叶片170转化为机械旋转能。第二涡轮级168的涡轮叶片170的旋转造成第二轴152和风扇轴126旋转，从而造成第二压缩机级136的压缩机叶片138和风扇124的风扇叶片112旋转。
虽然上文在具有双转轴构型(例如，具有一个或多个HP涡轮级166和一个或多个HP压缩机级136的高压(HP)转轴、以及具有一个或多个LP涡轮级168和一个或多个LP压缩机级134的低压(LP)转轴)的发动机100的语境中进行描述，但应当理解，发动机100可具有带有中间转轴(例如，具有一个或多个中间涡轮级和一个或多个中间压缩机级的中间转轴)的三转轴构型。另外，在一些实施例中，发动机100可具有带有多个中间转轴的多于三个转轴。
在一些实施例中，可能希望发动机100的单独的部件以不同速度旋转以执行所需功能。例如，第二涡轮级168可以在操作期间以第一旋转速度旋转，该第一旋转速度显著高于风扇124的第二旋转速度。例如，在一些实施例中，第二涡轮级168可具有约11,000转/分钟(rpm)的操作第一旋转速度，并且风扇124可具有约2,400至约3000rpm的操作第二旋转速度。此外，第一涡轮级166可在操作期间以第三旋转速度旋转，该速度高于第二涡轮级168的第一旋转速度。为了适应这些速度差，在一些实施例中，齿轮箱174可以用来允许部件中的每一个(例如，低压涡轮级168、高压涡轮级166和风扇124)以不同速度操作。在这样的实施例中，齿轮箱174可以将LPT轴142联接到风扇轴126，例如，如图1所示。齿轮箱174可以是任何合适类型的齿轮箱，其适于有利于将LPT轴142联接到风扇轴126，同时允许第二涡轮级168和风扇124中的每一个以所需速度操作。例如，在一些实施例中，齿轮箱174可以是减速齿轮箱。使用减速齿轮箱可以实现第二涡轮级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路比的风扇速度，从而实现发动机100的高效操作。此外，使用减速齿轮箱可以允许减少本来将存在的涡轮级(例如，在直接驱动发动机构型中)，从而提供发动机的重量和复杂性的降低。
在一些实施例中，齿轮箱174可以联接到HPT轴152，从而使得HPT轴152能够独立于LPT轴142驱动风扇轴126。在一些实施例中，齿轮箱174可以将HPT轴152联接到LPT轴142，从而能够相对于LPT轴142的旋转速度来控制HPT轴152的旋转速度。此外，在一些实施例中，HPT轴152和LPT轴142不经由齿轮箱174联接。也就是说，在一些实施例中，LPT轴142直接联接到风扇轴126而不使用齿轮箱，以使得风扇124、第一压缩机级134和第二涡轮级168共享相同的旋转速度。在发动机100操作期间，LPT轴142可以在与HPT轴152相同或不同的方向上旋转。也就是说，在一些实施例中，LPT轴142和HPT轴152可以彼此反向地旋转。在一些实施例中，LPT轴142可以在大约8,000至12,000rpm的速度下旋转。在一些实施例中，HPT轴152可以在大约15,000至45,000rpm、大约20,000至35,000rpm、或大约25,000至30,000rpm的速度下旋转。如本文所讨论的，可以参考一组轴线。这些轴线基于圆柱形坐标系并且指向相对于轴线102的轴向方向188、径向方向190和周向方向192。此外，可以理解，相对于空气的压缩机部分120通过发动机100的流动，压缩机段106设置在燃烧器段108和涡轮段110的上游。
在没有足够的支撑的情况下由齿轮箱174实现的LPT轴142的旋转速度可以等于或高于可能导致LPT轴142的不可取的挠曲或振动的速度(例如，第三临界速度)。无意于受理论的束缚，可以相信，当在这样的速度或更高的速度(例如，“超临界”)操作时，可能存在靠近端部轴承位置(例如，上述前端低压涡轮轴承144和/或后端低压涡轮轴承146)的振动节点，从而产生LPT轴142的振动模态，该振动模态可以导致LPT轴142的显著弯曲和靠近LPT轴142的中心的位移。因此，在没有足够的支撑的情况下将LPT轴142的旋转速度增加至这样的速度(例如，超临界速度)可能增加轴应力和瞬时较高的动态轴承负载，这可能导致发动机100的部件的过度磨损或过早失效。
因此，在一些实施例中，发动机100可包括沿着LPT轴142设置的一个或多个气体轴承176。发明人已注意到，使用所述一个或多个气体轴承176可以减轻或减小本来由LPT轴142的上述旋转速度产生的振动振幅。所述一个或多个气体轴承176可以减小轴应力并且减小或消除由这样的应力造成的磨损或失效情况。气体轴承176可以沿着LPT轴142设置在适于提供本文所述益处中的一个或多个的任何位置处。例如，在一些实施例中，气体轴承176可以定位到在从轴承144测量的LPT轴142的轴向长度的约25％至约75％之间的任何位置。
气体流可以在发动机100内被利用，以用于包括但不限于燃烧、稀释、冷却、气体轴承的各种目的。例如，进入压缩机段106的空气的压缩机部分120的抽气流178可以在发动机100内使用，以用于稀释燃烧段108中的燃烧产物、用于冷却涡轮级166、168、用于形成气体轴承176、或它们的任何组合。抽气流178可以在沿着压缩机段106的一个或多个点180处从压缩机部分120被抽取，例如，在低压压缩机级134的压缩机叶片138之间、在低压压缩机级134和高压压缩机级136之间、在高压压缩机级136的压缩机叶片138之间、在高压压缩机级136和燃烧器162之间、或它们的任何组合。从每个点180抽取的抽气流178被导向通过导管。在一些实施例中，抽气流178可以被抽出并通过一个或多个导管导向至通道182或发动机100内的腔体。例如，在LPT轴142和HPT轴152之间的低压通道184可以接收抽气流178的低压部分。抽气流178的低压部分可以被导引通过低压通道184以将冷却流供应至发动机100的下游部件，例如，至第二涡轮级168的涡轮叶片170和/或涡轮静叶172、至涡轮壳体、或至涡轮燃烧器162。此外，HPT轴152的径向外部的高压通道186可以接收抽气流178的高压部分。抽气流178的高压部分可以被导引通过高压通道186以将冷却流供应至发动机100的下游部件，例如，至第一涡轮级166的涡轮叶片170和/或涡轮静叶172、至涡轮壳体、或至涡轮燃烧器162。
气体流(例如，抽气流178)可以在轴向方向188上在发动机100内被导引，例如，从压缩机级134、136至涡轮级166、168。以下详细描述的发动机100的气体轴承176被构造成支撑一个或多个旋转轴(例如，LPT轴142、HPT轴152)并且将负载(例如，动负载、静负载)传递至发动机100的框架，而不阻碍或阻挡轴向气体流通过发动机100。例如，气体轴承组件194可以利用抽气流178的高压部分为低压通道184中的燃烧段气体轴承196供应气体流(例如，轴承流212)，而不阻挡抽气流178的低压部分的轴向流通过低压通道184。另外，气体轴承组件194可以被构造成使得抽气流178的高压部分的剩余部分能够在轴向方向188上流过气体轴承组件194。
在一些实施例中，控制器198可以控制从压缩机部分120抽取的抽气流178。控制器198可以联接到抽取抽气流178的点180、联接到接收抽气流178的通道182、或它们的任何组合。例如，控制器198可以通过控制阀门、挡板等来控制从压缩机部分120抽取的抽气流178的量。此外，控制器198可以控制哪个通道182来接收抽气流178的所述一个或多个部分。可以理解，控制器198可具有存储器以存储指令，并且控制器198可具有联接到存储器的处理器以执行指令，以便控制抽气流178的所述一个或多个部分。虽然控制器198示出为在压缩机段106的通道之间，但可以理解，控制器198可以设置在遍布发动机100的各种位置处，同时联接到控制通过点180和/或通道182的流的部件(例如，阀门、挡板)。
图2示出了气体轴承组件194的实施例的剖视图。LPT轴142在第一方向200上围绕轴线102旋转，HPT轴152在第二方向202上围绕轴线102旋转。如上文所讨论的，根据发动机100的所需构型和操作，第一方向200和第二方向202可以是相同的或不同的。在LPT轴142和HPT轴152之间的空间(例如，低压通道184，第一通道)可以在轴向方向188上输送第一气体流204。通道(例如，高压通道186，第二通道)可以在轴向方向188上输送第二气体流206。HPT轴152可以将高压通道186与低压通道184分开。虽然图2示出了在下游轴向方向188上的第一气体流204和第二气体流206，但在一些实施例中，第一气体流204和第二气体流206中的一者或两者可以在上游轴向方向188上。第一气体流204和第二气体流206中的每一个可以是从在压缩机段106中接收的压缩机部分120抽取的抽气流178的相应部分。第一气体流204可以在来自第一压缩机级134的点180、在第一压缩机级134和第二压缩机级136之间的点180、或它们的某种组合处抽取。在一些实施例中，第一气体流204被构造成将冷却流供应至第二涡轮级168的涡轮叶片170。第二气体流206可以在来自第二压缩机级136的点180、在第二压缩机级136和燃烧器162之间的点180、或它们的某种组合处抽取。在一些实施例中，第二气体流206被构造成将冷却流供应至第一涡轮级168的涡轮叶片170。
气体递送盘210可以将轴承流212朝LPT轴142的轴承表面导向以形成气体轴承176。LPT轴142的轴承表面是与气体递送盘210的轴承面208相对的LPT轴142的外表面214的一部分。在一些实施例中，气体递送盘210联接HPT轴152的区段216(例如，上游区段216A、下游区段216B)。在一些实施例中，气体递送盘210是HPT轴152的一体部分。气体递送盘210将轴承流212在径向方向190上通过管道218朝轴线102导向以形成气体轴承176。虽然图2将气体轴承176示出为具有在气体递送盘210的轴承面208和LPT轴142的外表面214之间的云轮廓，但可以理解，气体轴承176可以是在LPT轴142和轴承面208之间周向延伸的气体的薄膜或衬垫。在一些实施例中，气体轴承176具有在0.051至0.254mm之间、大约0.102至0.191mm、或大约0.152mm(例如，大约0.002至0.01英寸、大约0.004至0.0075英寸、或大约0.006英寸)的厚度。此外，可以理解，图示气体轴承176和气体递送盘210的元件的相对放置和几何形状是为了说明目的而示出，并且可以不按比例显示。
气体递送盘210的轴承面208可具有底脚220，其具有一个或多个凹槽222以接收来自管道218的轴承流212。凹槽222中的每一个可以在周向方向192上至少部分地围绕底脚220延伸。底脚220可具有由密封脊224轴向分离的多个凹槽222。密封脊224可以减少进入具有第一气体流204的低压通道184的轴承流212的损耗。也就是说，密封脊224可以将轴承流212的一部分轴向保持在凹槽222内以形成气体轴承176。轴承流212可以基本上保持在气体递送盘210和LPT轴142之间的所述一个或多个凹槽222内，以形成外部加压的气体轴承176。离开气体轴承176的轴承流212可以通过低压通道184与第一气体流204结合。
气体递送盘210使得第二气体流206的剩余部分226(较少轴承流212)能够在轴向方向188上通过气体递送盘210的外部本体230的中间轴向开口228。气体递送盘210的管道218使得第二气体流206的一部分能够作为轴承流212在径向方向190上被抽取。管道218可以抽取外部本体230上游、外部本体230下游、或它们的某种组合的轴承流212。管道218将轴承流212导向至底脚220的凹槽222。在一些实施例中，管道218可包括一个或多个轴向通路(例如，分布管道240)，以在各凹槽222之间分布轴承流212，如图2和图4所示。所述一个或多个轴向分布管道240可以基本上平行于轴线102(例如，在大约10度内)。
轴承流212相对于第一气体流204的较大压力使得能够形成气体轴承176。在一些实施例中，第二气体流206和轴承流212比第一气体流204的压力大至少344、517、689、1034、1379kPa或以上(例如，50、75、100、150或200psi或以上)。轴承流212可以是空气的压缩机部分120的主要部分161的一小部分。例如，轴承流212可以小于空气的压缩机部分120的主要部分161的0.20、0.15或0.10个百分比或以下。在一些实施例中，供应轴承流212的管道218的宽度225(例如，直径)可以小于大约12.7、6.35、5.08、2.54或1.02mm(例如，0.5、0.25、0.2、0.1或0.04英寸)。
气体递送盘210使得第一气体流204能够在轴向方向188上通过气体递送盘210的内部本体234的内部轴向开口232。气体递送盘210的管道218和内部轴向开口232周向偏移，从而允许在径向方向190上供应轴承流212，而不妨碍在轴向方向188上的第一流204，或不与其混合。图3示出了具有HPT轴152和LPT轴142的气体递送盘210沿着图2的线3-3截取的轴向视图。如上所述，气体递送盘210在周向方向192上围绕轴线102延伸。虽然气体递送盘210描述为完整地周向围绕轴线102延伸的一体化盘，但可以理解，气体递送盘210的实施例可以是分段的。另外或在备选方案中，气体递送盘210的实施例可以是围绕轴线102延伸少于360度的不完整盘。
中间轴向开口228和内部轴向开口232在周向方向192上围绕气体递送盘210间隔开。虽然内部轴向开口232在图3中示出为围绕气体递送盘210均匀地间隔开，但一些实施例可以不同地设置内部轴向开口232，以允许足够的轴承流212通过管道218到达气体轴承组件194的周向区域。例如，如果在高压通道186的顶部区域处的第二气体流206的体积大于在高压通道186的底部区域处的第二气体流206的体积，那么在底部区域中的内部轴向开口232可以周向间隔大于在顶部区域中的内部轴向开口232，以容纳用于供应轴承流212的更多的管道218。
图4是图2的气体轴承组件194的气体递送盘210的实施例的透视图。如上文所讨论的，管道218从内部本体234的内部轴向开口232周向偏移，从而使得轴承流212能够通过在轴向方向188上的内部轴向开口232在径向方向190上与低压通道184的第一气体流204隔离。在一些实施例中，径向延伸穿过气体递送盘210的管道218的数量可以小于或等于穿过外部本体230的中间轴向开口228的数量。内部本体234具有第一轴向宽度236，并且底脚220具有第二轴向宽度238。底脚220的第二轴向宽度238可以大于内部本体234的第一轴向宽度236。底脚220的第二轴向宽度238可以增加气体轴承176的稳定性和/或可以减小在操作期间通过气体轴承176的轴承流212的损耗。
返回图2，气体递送盘210与HPT轴152一起围绕轴线102旋转。发动机100的一些部件(例如，壳体250、支撑框架252、燃烧器162、燃烧器衬里254等)相对于轴线102固定。这样的固定部件可以为发动机100的各种旋转部件(例如，LPT轴142、HPT轴152)和轴承130、144、146、154、156、176提供结构支撑。联接到气体递送盘210的中间盘256可以将负载从HPT轴152和气体轴承176传递至固定部件。中间盘256上的负载可包括LPT轴142上的静负载、HPT轴152上的静负载、LPT轴142上的动负载、HPT轴152上的动负载、或它们的任何组合。气体轴承176可以保持HPT轴152和LPT轴142之间的间隔距离258。间隔距离258可以小于LPT轴142的半径260的大约50％、25％、15％、10％或5％。
在一些实施例中，中间盘256可以将负载从HPT轴152和气体轴承176传递至发动机100的燃烧段108的壳体250。例如，中间盘256可以将负载传递至联接到壳体250的阻尼构件262。阻尼构件262可包括但不限于气体轴承、磁轴承或机械轴承(例如，油轴承)。中间盘256的一部分可以延伸穿过压缩机通道264，该通道将空气的主要部分161供应至燃烧器段108。在一些实施例中，主要部分161中的一些流过阻尼构件262或支撑件266，如由箭头268所示。另外或在备选方案中，主要部分161中的一些流过中间盘256的轴向开口270(例如，外部轴向开口)，如由箭头272所示。空气的主要部分161通过压缩机通道264流至一个或多个燃料喷嘴274(例如，扩散燃料喷嘴)，所述燃料喷嘴将燃料添加至主要部分161。燃料和空气的主要部分161在燃烧室164中混合并燃烧以形成燃烧产物173的受热流，其可以被导向至发动机100的涡轮段110，如上文结合图1所述。
图5示出了阻尼构件262的实施例，该构件将负载从中间盘256传递至壳体250。在一些实施例中，阻尼构件262包括支撑件266B，其经由燃料喷嘴274中的一个或多个联接到壳体250。支撑件266B可以是悬臂支撑件，如由图5中的虚线所示。支撑件266B可以比联接到与燃料喷嘴274分离的壳体250的支撑件266A提供更多的柔韧性或更多阻尼。支撑件(例如，266A、266B)可以由第一刚度280和第一阻尼282来表征。在阻尼构件262使用第二气体轴承284的情况下，第二气体轴承284可以由第二刚度286和第二阻尼288来表征。具有第二气体轴承284的阻尼构件262的阻尼值可以理解为随着第二刚度286(即，K气体轴承)与第一刚度280(即，K支撑件)的比率增加而朝第一阻尼282的值增加。也就是说，随着(K气体轴承/K支撑件)增加，支撑件266和第二气体轴承284一起的等效阻尼值(即，Ceq＝C气体轴承+C支撑件)可以理解为逼近第一阻尼282(即，C支撑件)。因此，在一些实施例中，阻尼构件262的高阻尼值可以利用具有高的第一阻尼282和相对于第二气体轴承284的第二刚度286相对较低的第一刚度280的支撑件(例如，266A、266B)来获得。
用于形成第二气体轴承284的气体可以从一个或多个源供应，包括但不限于第二气体流206、来自涡轮段110(例如，第一涡轮级166)的燃烧产物173、或来自外部源。可以理解，为形成第二气体轴承284供应的气体可以比通过压缩机通道264的空气的主要部分161更多地加压。气体可以通过中间盘256或通过支撑件(例如，266A、266B)来供应。第二气体轴承284使得阻尼构件262能够成为无油阻尼构件，从而减少或消除与机械轴承(例如，油轴承)相关联的维护成本。
图6示出了形成图1-4中所示和上文讨论的气体轴承176的方法300。涡轮发动机100压缩(框302)由涡轮发动机100接收的空气的压缩机部分120。涡轮发动机100也压缩(框304)抽气流178。如上文所讨论的，抽气流178在一个或多个点180(例如，在压缩机级134、136内、在压缩机级之间、或它们的任何组合)处从压缩机部分120抽取。如上文所讨论的，控制器198可以控制从压缩机部分120抽取的抽气流178，并且控制器198可以控制接收抽气流178的部分的通道。涡轮发动机100的一个或多个第一导管将抽气流178的第一气体流204导向(框306)至第一通道184。第一通道184可以是在LPT轴142和HPT轴152之间的通道。第一通道184将第一气体流204导向(框308)至轴向流过气体递送盘210。涡轮发动机100的一个或多个第二导管将抽气流178的第二气体流206导向(框310)至第二通道186。第二通道186可以是在HPT轴152径向外部的通道。如上文所讨论的，通过第二通道186的第二气体流206可具有比通过第一通道184的第一气体流204更大的压力。
第二通道186将第二气体流206的剩余部分226(轴承流212较其少)轴向地导向(框312)通过第二通道186中的气体递送盘210。气体递送盘210的管道218将轴承流212径向地导向(框314)通过气体递送盘210。气体递送盘210的管道218使得轴承流212能够穿过HPT轴152从第二通道186传输至第一通道184。此外，管道218将轴承流212径向地导向通过气体递送盘210，而不阻挡或阻止第二气体流206的剩余部分226的轴向流通过气体递送盘210。另外，管道218将轴承流212径向地导向通过气体递送盘210，而不阻挡或阻止第一气体流204的轴向流通过气体递送盘210。管道218将轴承流212递送(框316)至在第一通道184中的LPT轴142上的气体轴承176。供应至气体轴承176的轴承流212中的至少一些离开并进入第一通道184，从而与第一流204汇合。
图7示出了将气体轴承176的负载传递至涡轮发动机100的方法320。如上文结合图6所指出的，气体递送盘210将轴承流212递送(框316)至在LPT轴和HPT轴之间的第一气体轴承176。气体轴承176将轴承负载从第一气体轴承176传递(框322)至传递盘。轴承负载可包括LPT轴142上的静负载、HPT轴152上的静负载、LPT轴142上的动负载、HPT轴152上的动负载、或它们的任何组合。在一些实施例中，传递盘可包括气体递送盘210和单独的中间盘256。在一些实施例中，传递盘是与中间盘256一体化的气体递送盘210。
任选地，涡轮发动机100内的一个或多个导管可以将气体流递送(框324)至与第一气体轴承176相对的第二气体轴承284。到第二气体轴承284的气体流可以被递送通过传递盘或通过涡轮发动机100的框架。到第二气体轴承284的气体流可以从一个或多个源供应，包括但不限于第二气体流206、来自涡轮段110(例如，第一涡轮级166)的燃烧产物173、或来自外部源。
传递盘将轴承负载传递(框326)至发动机壳体250。在一些实施例中，传递盘经由第二气体轴承284传递轴承负载。另外或在备选方案中，传递盘经由磁轴承或机械轴承(例如，油轴承)传递轴承负载。传递盘将轴承负载传递至发动机100的固定部件，例如，壳体250、支撑框架252、燃烧器162、燃烧器衬里254等。联接到固定部件的阻尼构件262可以减小或消除传递盘的振动。此外，所述一个或多个气体轴承176、284和支撑件266可以选择成减小或消除传递盘、LPT轴142或HPT轴152、或它们的任何组合的谐振动，从而减小在涡轮发动机100的旋转部件上的应力。
本发明的技术效应包括使用气体轴承来支撑涡轮发动机的旋转轴，而不阻挡轴向气体流通过涡轮发动机。另外，所述一个或多个气体轴承为旋转部件提供支撑，而不存在与油轴承相关联的维护时间和成本。
本书面描述用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且还使本领域技术人员能实施本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的可专利范围由权利要求所限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这种其它示例具有与所附权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与所附权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在所附权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于涡轮的气体轴承支撑的系统，包括：
气体递送盘，其联接到第二轴，其中，所述第二轴和所述气体递送盘围绕轴线设置，其中，所述气体递送盘包括：
内部轴向开口，其被构造成有利于第一轴向流通过所述第二轴内的第一通道；
管道，其被构造成在径向方向上朝所述轴线供应轴承流；以及
轴承面，其设置在所述第一通道内且在所述内部轴向开口径向内部，其中，所述轴承面被构造成接纳所述轴承流，并且所述轴承面被构造成在所述轴承面和围绕所述轴线设置的第一轴之间形成气体轴承；
其中，所述气体递送盘包括中间轴向开口，所述中间轴向开口被构造成有利于第二轴向流通过所述第二轴径向外部的第二通道，其中，所述管道被构造成从所述第二轴向流抽取所述轴承流。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体递送盘包括多个内部轴向开口，所述多个内部轴向开口被构造成有利于所述第一轴向流通过所述第二轴内的所述第一通道。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第二轴向流的第二压力大于所述第一轴向流的第一压力。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体递送盘包括外部本体，所述外部本体包括所述中间轴向开口，并且所述管道被构造成从所述外部本体上游的所述第二轴向流抽取所述轴承流。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体递送盘包括外部本体，所述外部本体包括所述中间轴向开口，并且所述管道被构造成从所述外部本体下游的所述第二轴向流抽取所述轴承流。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体递送盘包括：
内部本体，其中，所述内部本体包括第一轴向宽度和所述内部轴向开口；以及
底脚，其中，所述底脚包括所述轴承面和第二轴向宽度，并且所述第二轴向宽度大于所述内部本体的所述第一轴向宽度。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述轴承面包括至少一个凹槽和多个脊，其中，所述至少一个凹槽被构造成接纳所述轴承流，并且所述多个脊被构造成将所述轴承流的一部分轴向地保持在所述至少一个凹槽内以形成所述气体轴承。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述轴承面包括多个凹槽，并且所述气体递送盘包括分布管道，所述分布管道联接到所述管道和所述多个凹槽，其中，所述分布管道基本上平行于所述轴线。
9.根据权利要求1所述的系统，包括涡轮发动机，其中，所述涡轮发动机包括所述第一轴和所述第二轴，并且所述气体递送盘在所述第一轴的轴向长度的25％和75％之间的位置处围绕所述第一轴设置。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，涡轮发动机包括燃烧器区段，并且所述气体递送盘的所述位置被构造成将负载从所述气体轴承传递至所述燃烧器区段。
11.一种用于涡轮的气体轴承支撑的系统，包括：
第一轴，其围绕轴线设置；
第二轴，其围绕所述轴线设置且围绕所述第一轴同心地设置，其中，所述第一轴和所述第二轴形成在所述第一轴和所述第二轴之间的第一通道；以及
气体递送盘，其联接到所述第二轴，其中，所述气体递送盘包括：
内部轴向开口，其被构造成有利于第一轴向流通过所述第一通道；
多个管道，其被构造成将轴承流在径向方向上朝所述轴线供应，其中，所述多个管道被构造成从第二轴向流抽取所述轴承流；以及
轴承面，其设置在所述第一通道内且在所述内部轴向开口径向内部，其中，所述轴承面被构造成接纳所述轴承流，并且所述轴承面被构造成在所述轴承面和围绕所述轴线设置的所述第一轴之间形成气体轴承。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一轴联接到第一压缩机级，所述第二轴联接到第二压缩机级，并且来自所述第二压缩机级的第二空气流的第二压力大于来自所述第一压缩机级的第一空气流的第一压力。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一轴联接到低压涡轮级，并且所述第二轴联接到高压涡轮级，其中，所述第二轴被构造成以比所述第一轴大的速度围绕所述轴线旋转。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述第一轴被构造成逆向于所述第二轴旋转。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述气体递送盘包括中间轴向开口，所述中间轴向开口被构造成有利于所述第二轴向流通过所述第二轴径向外部的第二通道。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述第一轴向流和所述第二轴向流中的至少一个包括构造成冷却所述系统的涡轮级的冷却流、构造成稀释所述系统的燃烧产物的稀释流、或它们的组合。
17.一种用于涡轮的气体轴承支撑的方法，包括：
将第一气体流轴向地导向通过第一通道和气体递送盘的内部轴向开口，其中，所述第一通道设置在第一轴和第二轴之间，所述第一轴围绕轴线设置，并且所述第二轴围绕所述轴线设置；
将第二气体流轴向地导向通过第二通道和气体递送盘的中间轴向开口，其中，所述第二通道径向地设置在所述第二轴外部；以及
将轴承流朝所述第一轴径向地导向通过所述气体递送盘，其中，所述气体递送盘被构造成利用所述轴承流在所述气体递送盘和所述第一轴之间形成气体轴承。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述轴承流被从所述第二气体流抽取。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述气体递送盘包括构造成抽取所述轴承流的多个管道，并且通过所述多个管道的所述轴承流与轴向地通过所述内部轴向开口的所述第一气体流隔离。
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