CN110651103A - 用于对涡轮机轴对中和旋转地引导的设备，其包括用于轴向保持轴承外圈的装置 - Google Patents

用于对涡轮机轴对中和旋转地引导的设备，其包括用于轴向保持轴承外圈的装置 Download PDF

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Abstract

本发明的主要目的在于提供用于对中和旋转地引导涡轮机轴(12)的设备，包括：包括外圈(18)的滚动轴承，轴承支架(20)，置于外圈(18)和轴承支架(20)之间的环(28)以及用于将外圈(18)连接到轴承支架(20)的装置(29)，特征在于，其包括用于轴向保持外圈(18)的装置，该装置包括位于下游且与连接装置的紧固法兰(30)接触的轴向止推法兰(100)，并且包括用于将紧固法兰(30)、轴承支架(20)和轴向止推法兰(100)紧固在一起的紧固孔(101)，轴向止推法兰(100)进一步包括在弹性变形装置(32)的两个相邻键(34)之间延伸的螺柱(103)。

Description

用于对涡轮机轴对中和旋转地引导的设备，其包括用于轴向 保持轴承外圈的装置
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，更具体地，涉及用于对中和旋转地引导涡轮机轴的设备，其包括通常被称为“柔性环轴承”的轴承。在该类轴承中，用于将轴承外圈连接至轴承支架的装置包括安装到轴承支架的紧固夹和将轴承外圈结合到紧固夹的弹性变形装置。本发明尤其适用于通过油膜(也称为“挤压膜”)阻尼的轴承。
本发明适用于任何类型的地面的或航空的涡轮机，特别地，适用于飞行器涡轮机，如喷气式涡轮发动机和螺旋桨涡轮发动机。更优选地，本发明适用于双流双阀芯涡扇发动机。
背景技术
在涡轮机中，诸如风扇叶片丢失或缺油带来的轴承摩擦阻力事件的发生使涡轮机的轴承承受非常高的载荷。
这种载荷可以使连接“柔性”轴承外圈至紧固夹的弹性变形装置产生破裂，该紧固夹确保轴承紧固至轴承支架。这些弹性变形装置通常包含一般被称为“柔性笼”或“松鼠笼”的部件。
一旦发生破裂，弹性变形装置止动，轴承圈轴向和切向地均保持在原地。如果不提供合适的装置，将无法确保滚动功能，这将导致轴承及其环围部件的快速退化。从而，轴承不再能够确保发动机运转，特别是当其处在“自转”阶段时。
为了确保即使当将轴承外圈连接至轴承支架的弹性变形装置发生破裂时，允许轴承外圈相对轴承支架的轴向保持，已经提出了不同的解决方案。
其中一个已知的解决方案参照图1、图2、图3进行说明，其示出了设备10上用于对涡轮机的轴12相对旋转轴线13进行对中和旋转地引导的部件。
该设备10包括轴承，该轴承由与轴12集成一体的内圈14，滚动轴承16以及与大体呈环状的轴承支架20集成一体的外圈18形成。该轴承支架20包括：截头圆锥壁22，其连接至涡轮机的罩体或连接到同轴地延伸到轴12的另一个轴承支架；环形夹24，其从截头圆锥壁22的上游端部径向向内延伸；回转缸上游部件26，其从环形夹24的径向内端部向上游延伸。另外，设备10包括紧密适配在轴承支架20的上游部件26内的缩紧环28。
设备10进一步包括用于将外圈18连接到轴承支架20的装置29。这些装置包括环形紧固夹30，其通过例如螺栓31紧固至轴承支架的环形夹24；弹性变形装置32包括一组环形排列的，或是可替代地，如图3所示的两组环形排列的上游开口的U形键或“柱”34，其形成一般被称为“柔性笼”或“松鼠笼”类型的装配体。这些键34具有连接至紧固夹30的较高的上游端36和连接至轴承外圈18的较低的下游端38。
该示例中，外圈18由两个同轴部件组成，即连接到键34的较低的下游端38的环形支架40，和紧密适配在环形支架40上的滚道42。可替代地，外圈18可以一体成型。
外圈18具有径向环形外表面44，其大体上为旋转圆柱形，并设有两个凹槽46，两个凹槽46中分别有两个环形密封件48轴向限定用于容纳油膜的环形空间49。在所示示例中，两个凹槽46都形成在外圈18的环形支架40上并垂直安排在外圈的两个环形支座50之间，环形支座50通常被称为“轴承座”，与凹槽46垂直的外圈18和缩紧环28之间的游隙限定了柔性轴承的径向行程。该游隙低于油膜厚度但足以保持其阻尼功能直至柔性轴承承重小于径向载荷。
在该方案中，相对轴承支架20轴向保持轴承外圈18，设备10包括用于在弹性变形装置32破裂的情况下，特别地，在一个或更多个键34甚至全部的键34破裂的情况下，轴向保持外圈18的保持装置，该保持装置在图2中看得更清晰。
由此，这些保持装置包括第一装置52，该第一装置52与缩紧环28不同，其具有径向内部件54和径向外部件58，径向内部件54接合在外圈18的径向外表面44中形成的至少一个凹腔56中，径向外部件58相对外圈18的径向外表面44径向向外延伸并突出径向外表面44。
在该示例中，第一装置52形式为一组环形排列的保持销60，每一个保持销60具有紧密适配在外圈18上的径向内部件62和从外圈18的径向外表面44突出的径向外部件64。更确切地，每一个保持销60的径向内部件62延伸穿过环形支架40的相应端口66，并且该径向内部件62具有嵌入到滚道42的相应端口68的径向内端部。这使得滚道42即使在这两个部件松动的情况下，也能保持在环形支架40的适当位置。滚道42的每个端口68的横截面直径略小于环形支架40的相应端口66的横截面直径，每个保持销60的径向内部件62具有变窄的截面以便阻挡保持销60径向向内运动，从而在保持销60和端口66之间松动时，可以防止保持销60从其壳体中脱出，以免损坏滚动轴承。
保持销60的各个径向外部件64在肩部70限定的环形空间中延伸，肩部70形成在轴承支架的环形夹24的底部。
在该示例中，形成轴向止动的保持装置还包括保持环(或垫圈)72，该保持环72区别于缩紧环28，其具有径向内部件74和径向外部件76，径向内部件74在远离外圈18的位置延伸，并形成阻挡第一装置52的径向外部件58向上游方向轴向移动的支座；径向外部件76轴向插入到轴承支架20和紧固夹30之间。保持销60由此面向保持环72的径向内部件74轴向延伸。
由此，明显地，当弹性变形装置32发生破裂时，紧固夹30阻挡第一装置52的径向外部件58向第一方向D1轴向移动，此处，向下游方向；而轴承支架20的环形夹24阻挡第一装置52的径向外部件58向与第一方向D1相反的第二方向D2移动，此处，向上游方向。当然，前述方向可以随设备10构造的颠倒而颠倒。
另外，在所示示例中，保持环72具有紧密适配到紧固夹30的环形壳体80的径向外端部78，环形壳体80被紧固夹的环形肩部82轴向限定，环形肩部82阻挡保持环72向第一方向D1轴向移动，此处为向下游方向。
进一步，在该示例中，可以布置与轴承支架20一体的一组环形排列的螺柱84，以使得每个保持销60的径向外部件64位于两个螺柱84之间。在所示示例中，螺柱84在缩紧环28下游形成延伸部86的端部。螺柱84与保持销60的配合由此使得在弹性变形装置32破裂的情况下能限制外圈18的旋转。
另外，缩紧环28的延伸部86包括至少一个与分度销90配合的凹腔88，分度销90紧密适配形成在轴承支架20的肩部70上的端口92。分度销90使得缩紧环28，以及由此螺柱84可以相对轴承支架20的角定位被分度。优选地，每个分度销90大体上与一个保持销60对齐，由此防止其在与端口92松开时从壳体中脱出，从而防止其损坏滚动轴承。另外，销60相对轴承支架20的角分度由属于连接装置29的紧固夹30的配准端口94(参见图1)和属于轴承支架20的环形夹24的端口96(参见图1)来确保。一些端口94和96用于让螺栓31通过而另外一些端口则用于让供给通道或风道的润滑剂通过，以及用于在拆卸设备10时与工具配合促进连接装置29与轴承支架20的分离。
另外，图3通过局部立体图示出了用于对中和旋转引导涡轮机轴12的另一个设备10的示例，其包括两组环形排列的上游开口的U形键34。在两个水平面上制作这些键34施加了创造轴向止动的力，特别是通过保持环72，以维持滚动轴承即使在这些键34承受极限载荷而破裂的情况下也能工作。
然而，现有技术中的该方案也有缺点。事实上，为了能够形成这种轴向止动，必须紧密适配地插入保持垫圈72，该保持垫圈将集成到轴承的夹具30下方。另外，还需要若干穿孔和镗孔以使销60收缩，在键34破裂的情况下销60将与保持垫圈72接触。
由此，这种轴向止动的装配体需要对轴承进行特殊且复杂的加工，包括：制造精确的镗孔来确保保持垫圈72的收缩；制造精确的穿孔或镗孔来置入销60，加之该加工在成品部件上进行，其有报废的风险，并且根据圈18的残余应力和销60的压紧力，可能会引入不易控制的四裂风险。
另外，保持垫圈72的紧密适配会对夹具30的外径产生影响。在一些情况下，它使夹具的直径膨胀。由此，保持垫圈72的挠度也需要纳入整体挠度中，由此分散性中要考虑的分量。
进一步，将销60嵌入成品部件上要求操作人员小心谨慎，以免损坏滚动轴承而污染它，特别是因为在嵌入销60时有物料拾取风险。
发明内容
由此，本发明的一个目的是至少部分地克服上述现有技术的实施方式涉及的相关需求缺点。
特别地，本发明旨在通过移位轴向止动功能而为解决这些问题的至少一部分提供一个简单、经济和高效的技术方案。
根据本发明的一个方面，本发明的一个目的是提供一种用于对中并旋转引导涡轮机轴的设备，其包括：
-包括外圈的滚动轴承；
-环绕外圈的轴承支架；
-置于外圈和轴承支架间的缩紧环；
-将外圈连接至轴承支架的连接装置，连接装置包括安装到轴承支架的环形紧固夹和将外圈结合到紧固夹的弹性变形装置，其包括至少一组环形排列的上游开口的U形键；
-保持装置，在所述弹性变形装置破裂的情况下轴向保持外圈；
特征在于，保持装置包括至少一个轴向止动夹，该轴向止动夹在围绕外圈的旋转轴线的角扇区延伸，并定位在下游与紧固夹接触，所述至少一个轴向止动夹包括至少一个与紧固夹的端口相配合的紧固孔，用于通过至少一个紧固元件将紧固夹、轴承支架和所述至少一个轴向止动夹紧固在一起，所述至少一个轴向止动夹进一步包括至少一个轴向固定螺柱，该至少一个轴向固定螺柱向弹性变形装置的两个相邻键之间的外圈旋转轴线径向延伸。
由于本发明，将轴向止动功能移位到紧固夹的下游方向使得轴承的几何完整性不再改变，提高了轴承的轴对称性。取消前述现有技术中形成销壳的孔，避免了对滚道下游的进一步加工，并且类似地，在采用仪表轴承的情况下消除了对热电偶的加工。此外，还消除了滚道的第一四裂风险，并且也消除了滚道环部由于销的收缩力适配而产生的第二四裂风险。进一步，还简化了轴承的加工，消除了报废风险，降低了轴承成本。
另外，本发明的轴向止动夹可以独立于轴承进行加工，并且成本较低，不受轴承磨损的影响。整个设备的质量不会受到影响。同样的，轴向止动夹的放置不会干扰滚动轴承的均衡性。该(这些)轴向止动夹可以通过用于紧固轴承的螺钉来维持。
进一步，消除现有技术方案中的保持垫圈消除了系统径向挠度的分散性，从而提高了根据技术规范所要实现的目标值的精确度。轴承支架的加工也得到了简化。紧固夹的螺柱或棘爪可用作防旋转装置。最后，通过增加一个或更多个轴向止动夹，特别是其中三个，通过轴承紧固螺钉紧固，它们将滚动轴承完全从轴向止动相关的要求中释放，因为轴向止动并非是轴承的主要作用。
本发明的设备，可以进一步包括一个或根据任何技术上可能的组合所采用的多个下列特征。
特别地，设备可以包括多个轴向止动夹，其均匀或不均匀地绕外圈的转动轴线分布在紧固夹上，特别地，至少有3个轴向止动夹。
特别地，所述至少一个轴向止动夹可以包括多个螺柱，特别地，至少两个螺柱沿周向间隔开并朝向外圈的转动轴线。
另外，所述至少一个轴向止动夹可以包括多个紧固孔，特别地，至少两个紧固孔周向地间隔，并且每个均位于所述至少一个轴向止动夹的周向端部。
进一步，所述至少一个轴向止动夹可以包括中央部段，特别地，中央部段内凹于两个螺柱之间的位置，以减少所述至少一个轴向止动夹的质量。
所述至少一个轴向止动夹还包括位于内凹的中央部段的至少一个通风孔，特别地，多个通风孔，例如至少四个通风孔。
另外，位于两个相邻键之间的至少一个螺柱的径向端部可以具有一个或更多个铲削部件以避免任何碰撞风险。
进一步，位于螺柱和邻接于螺柱的键之间的游隙可以大于外圈的径向位移。
弹性变形装置最好可以包括两组环形排列的键。
根据另一方面的内容，本发明的目的是提供涡轮机，其特征在于，它包括至少一个如前所述的设备。
附图说明
通过阅读下面以非限制性实施方式的示例的详细说明并参阅附图中的示意图和局部图，将会更好地理解本发明。其中：
图1是现有技术中用于对中和旋转引导涡轮机轴的设备示例的半轴截面示意图；
图2是图1中II区细节的放大图；
图3展示了现有技术中用于对中和旋转引导涡轮机轴的另一设备的部分透视图，其包括两组环形排列的键；
图4是本发明的用于对中和旋转引导涡轮机轴的设备示例的半轴截面示意图；
图5展示了本发明的设备的轴向止动夹示例的部分立体图，其紧固到紧固夹并包括在设备的键之间延伸的螺柱；
图6展示了图5中单独的轴向止动夹的立体图；
图7代表了图5中包括三个轴向止动夹的设备的主视图，三个轴向止动夹紧固到设备的紧固夹上；
图8是图5的设备的局部放大立体图，使得能够看清在设备的键之间延伸的螺柱的范围。
在这些附图中，相同的附图标记可以表示相同或相似的元件。
另外，图中不同部件不必按统一比例绘制，以使图更易读。
具体实施方式
需要说明的是，在说明书中，“上游”“下游”的方向是相对于总体气流方向限定的，该总体气流方向平行于对应涡轮机轴线的轴12的轴线13，“向内”“向外”的方向是相对于轴线13而限定的。
图1～3已经在与现有技术和本发明的技术内容有关的部分进行了描述。
现在根据图4～图8描述本申请的用于对中和旋转引导涡轮机轴12的设备10的示例。需要说明的是，前述文件中描述图1～3的现有技术和本发明技术内容有关的部分时提及的元件将不再描述。当然，除了特定用于现有技术的具有保持环72和销60的保持装置之外，先前结合图1～图3描述的所有特征都可以结合到本发明的设备10中。
由此，设备10包括滚动轴承，滚动轴承包括外圈18，环围外圈18的轴承支架20，置于外圈18和轴承支架20之间的缩紧环28以及用于将外圈18连接到轴承支架20的连接装置29。
这些连接装置29包括安装到轴承支架20上的环形紧固夹30和将外圈18结合到紧固夹30的弹性变形装置32，其包括至少一组环形排列的U形键34。
另外，设备10包括用于在弹性变形装置32破裂时轴向保持外圈18的保持装置。
在本发明中，这些保持装置包括轴向止动夹100，此处，三个轴向止动夹沿外圈18的旋转轴线13不均匀地分布。
这些轴向止动夹100各自在围绕外圈18的旋转轴线13的角扇区上延伸。
它们位于下游并与紧固夹30接触。另外，它们每个都包括与紧固夹30的端口102配合的紧固孔101，以将紧固夹30、轴承支架20和轴向止动夹100通过紧固螺钉31紧固在一起。
更精确地，每个轴向止动夹100包括两个紧固孔101，该两个紧固孔101彼此周向分离并分别位于轴向止动夹100的周向端部上，其在图6中特别可见。
进一步，每个轴向止动夹100包括螺柱103(或棘爪)，此处，每个止动夹100的两个螺柱103在弹性变形装置32的两个相邻键34之间向外圈18的旋转轴线13径向延伸，在图5和图6中特别可见。
此外，如在图6中特别示出的，每个轴向止动夹100包括形成减重袋的中央部段104，其位于两个螺柱103之间，以非贯通的方式内凹用以减少轴向止动夹100的质量。在该内凹的中央部段104上形成多个通风孔105，例如在该示例中有四个通风孔105。
另外，如在图8中特别可见的，位于两个相邻键34之间的每个螺柱103的径向端部具有铲削部件106，以避免任何碰撞风险。
需要进一步说明的是，如图8所示，出于吸收优化的原因，螺柱103和邻接于螺柱103的键34之间的游隙J最好高于外圈18的径向位移。
因此，本发明提供的通过使用轴向止动环100而使得紧固夹30下游具有轴向止动功能的设置，使得轴承的操作被优化，并且可以至少部分地解决基于现有技术而提出的问题。
当然，本发明不限于刚刚描述的实施方式。本领域技术人员可以对其进行各种修改。

Claims (10)

1.用于对中和旋转地引导涡轮机轴(12)的设备(10)，包括：
-滚动轴承，其包括外圈(18)；
-轴承支架(20)，其环围外圈(18)；
-缩紧环(28)，其置于外圈(18)和轴承支架(20)之间；
-连接装置(29)，用于将外圈(18)连接到轴承支架(20)，连接装置(29)包括安装到轴承支架(20)的环形紧固夹(30)和将外圈(18)结合到紧固夹(30)的弹性变形装置(32)，其包括至少一组环形排列的上游开口的U形键(34)，
-保持装置，用于在所述弹性变形装置(32)破裂时轴向保持外圈(18)，
其特征在于，保持装置包括至少一个在围绕外圈(18)的旋转轴线(13)的角扇区上延伸的轴向止动夹(100)，该轴向止动夹(100)位于下游并与紧固夹(30)接触，所述至少一个轴向止动夹(100)包括至少一个与紧固夹(30)的端口(102)配合的紧固孔(101)，用于通过至少一个紧固元件(31)将紧固夹(30)、轴承支架(20)和所述至少一个轴向止动环(100)紧固在一起，所述至少一个轴向止动夹(100)进一步包括至少一个轴向固定螺柱(103)，其向在弹性变形装置(32)的两个相邻的键(34)之间向外圈(18)的旋转轴线(13)径向延伸。
2.根据权利要求1的设备，特征在于，它包括围绕外圈(18)的旋转轴线(13)在紧固夹(30)上分布的多个轴向止动夹(100)，特别地，至少三个轴向止动夹(100)。
3.根据权利要求1或2的设备，特征在于，所述至少一个轴向止动夹(100)包括周向地分离，并且朝向外圈(18)的旋转轴线(13)的多个螺柱(103)，特别地，至少两个螺柱(103)。
4.根据前述权利要求中任一权利要求的设备，特征在于，所述至少一个轴向止动夹(100)包括多个紧固孔(101)，特别地，至少两个紧固孔(101)周向地分离，并且每个均定位在所述至少一个轴向止动夹(100)的周向端部。
5.根据前述权利要求中任一权利要求的设备，特征在于，所述至少一个轴向止动夹(100)包括中央部段(104)，特别地，中央部段(104)内凹于两个螺柱(103)之间以减小所述至少一个轴向止动夹(100)的质量。
6.根据权利要求5的设备，特征在于，所述至少一个轴向止动夹(100)包括设在内凹的中央部段(104)上的至少一个通风孔(105)，特别地，多个通风孔(105)，例如至少四个通风孔(105)。
7.根据前述权利要求中任一权利要求的设备，特征在于，位于两个相邻键(34)之间的所述至少一个螺柱(103)的径向端部具有一个或更多个铲削部件，以避免任何碰撞风险。
8.根据前述任一权利要求的设备，特征在于，螺柱(103)和邻接于螺柱(103)的键(34)之间的游隙(J)高于外圈(18)的径向位移。
9.根据前述权利要求的设备，特征在于，弹性变形装置(32)包括两组环形排列的键(34)。
10.涡轮机，特征在于，其包括前述权利要求的至少一个设备(10)。
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