CN110748419A - 一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法 - Google Patents

一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法，轴向收油环包括圆筒形的收油环本体，在收油环本体内壁开设有多个沿周向排布的收油槽，且收油槽的一端均贯通至收油环本体进油端开口处以形成收油进口，收油槽的另一端不贯通以形成收油挡壁；在靠近收油挡壁的收油槽槽底开设有贯通收油环本体壁面的输油孔；环下润滑装置包括轴向收油环、主轴、轴承、套在轴承外的轴承座以及设在轴承座上并与供油路相连的贯穿进轴承座内的供油喷嘴；轴向收油环套在主轴上，轴承套在轴向收油环上，轴向收油环和轴承均能与主轴同步旋转。本发明可在高收油效率下实现滑油的定量分配，满足高速滚动轴承的润滑和冷却需求，提高轴承的安全性和可靠性。

Description

一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法
技术领域
本发明属于航空发动机轴承供油润滑领域，涉及一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法。
背景技术
航空发动机主轴转速随发动机性能和输出功率的提高而不断增加，进而轴承的DN值随之增大，导致轴承内环接触角增大而外环接触角减小，同时滚动体自旋速度增加，由此轴承生热量增加可能加速轴承的损坏和实效。航空发动机润滑系统可以为支撑转子的轴承提供适量润滑油，以减少各部件间的摩擦和磨损并及时带走产生的热量。传统的喷射润滑结构简单，仅适用于转速较低、主轴传入热量较少的轴承；高性能航空发动机采用润滑效率较高的环下供油润滑方式，可以为转速较高、主轴转入热量较多的轴承提供足量的润滑油。环下供油润滑系统中收油环有径向收油环和轴向收油环之分，前者径向尺寸小，可以应用于不增加轴承内径且轴承腔空间有限的结构中，后者需要增加轴承内径但收油效率远高于前者，因此可以同时向多个轴承提供润滑油，但需要进一步提出可以定量按比例分配滑油且收油效率较高的轴向收油环下润滑装置。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，本发明提供了一种轴向收油环和航空发动机主轴承环下润滑装置及方法，可在实现高收油效率的同时将滑油按比例分配至不同润滑点，以满足各轴承的滑油需求量，极大地改善了轴承的润滑和冷却效果，延长轴承的使用寿命。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种轴向收油环，包括圆筒形的收油环本体，收油环本体的一端为进油端；在收油环本体内壁开设有多个沿周向排布的收油槽，且收油槽的一端均贯通至收油环本体进油端开口处以形成收油进口，收油槽的另一端不贯通以形成收油挡壁；在靠近收油挡壁的收油槽槽底开设有贯通收油环本体壁面的输油孔；
所述收油槽都向同一侧倾斜；
所述收油槽包括依次间隔的长收油槽和短收油槽，长收油槽的收油挡壁至收油进口的距离大于短收油槽的收油挡壁至收油进口的距离；
长收油槽和短收油槽之间的壁面为收油叶片。
本发明还包括如下技术特征：
具体的，所述长收油槽的宽度和短收油槽的宽度不同。长收油槽和短收油槽分别将滑油输送至后轴承和前轴承，改变长收油槽的宽度和短收油槽的宽度可以控制分配到后轴承和前轴承的滑油比例。
具体的，从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大。沿收油环内壁面流动的滑油受离心力分量的影响将加速流动，有利于滑油流入输油孔。
具体的，所述输油孔出口相对于进口在与收油环旋转的相反方向相差7°～15°；连接输油孔出口和进口的中心线为曲线，且输油孔出口处沿收油环本体的径向布设以使滑油沿径向喷出。
具体的，所述收油槽沿周向均布。
本发明还提供一种航空发动机主轴承环下润滑装置，包括所述的轴向收油环，还包括：主轴、轴承、套在轴承外的轴承座以及设在轴承座上并与供油路相连的供油喷嘴；所述供油喷嘴贯穿进轴承座内；
所述轴向收油环套在主轴上，轴承套在轴向收油环上，轴向收油环和轴承均能与主轴同步旋转。
具体的，所述轴承包括前轴承和后轴承，前轴承包括前轴承内环、前轴承外环以及由前轴承保持架保持的设在前轴承内环和前轴承外环之间的前轴承滚动体；后轴承包括后轴承内环、后轴承外环以及由后轴承保持架保持的设在后轴承内环和后轴承外环之间的后轴承滚动体；在所述前轴承内环的内壁设有周向的前轴承周向油槽，在后轴承内环的内壁设有周向的后轴承周向油槽，长收油槽的输油孔对准后轴承周向油槽，短收油槽的输油孔对准前轴承周向油槽；前轴承内环上设有与前轴承周向油槽连通的贯通至前轴承内环滚道表面径向油孔，后轴承内环上设有与后轴承周向油槽连通的贯通至后轴承内环滚道表面径向油孔；
所述长收油槽和短收油槽的倾斜方向与主轴转动方向一致。
所述供油喷嘴的射流方向根据滑油流速和收油环转速由速度三角形确定，确保滑油绝对运动方向与相对运动运动方向垂直，此时滑油射流相对速度方向与主轴轴线间的夹角最小。
本发明还提供一种航空发动机主轴承环下润滑方法，该方法采用所述的装置来实现，具体包括以下步骤：
滑油由供油喷嘴喷出到达轴向收油环进油端，供油喷嘴喷射方向由速度三角形确定，滑油与收油叶片叶尖相切进入长收油槽和短收油槽，进入长收油槽和短收油槽的滑油受轴向收油环高速旋转离心力的影响被甩到轴向收油环内壁面上，具有动能的滑油有沿轴向收油环内壁面轴向流动的趋势，同时由于从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大，贴壁流动的滑油受离心力分量作用加速流动至长收油槽和短收油槽收油挡壁处；
进入短收油槽的滑油在短收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入前轴承周向油槽中，前轴承周向油槽中的滑油进一步沿前轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对前轴承内环、前轴承滚动体、前轴承保持架和前轴承外环进行润滑和冷却；
进入长收油槽的滑油在长收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入后轴承周向油槽中，后轴承周向油槽中的滑油进一步沿后轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对后轴承内环、后轴承滚动体、后轴承保持架和后轴承外环进行润滑和冷却。
供油喷嘴按照绝对速度和相对速度垂直的条件确定的喷嘴方向与轴向收油环轴线夹角最小，滑油可以顺利进入长收油槽和短收油槽；长收油槽和短收油槽螺旋角与滑油射流相对速度方向和轴向收油环轴线夹角一致，能够有效减少滑油的飞溅量；改变长收油槽和短收油槽的宽度可以按比例将滑油分配至不同的润滑点；从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大和中心线为曲线的输油孔均可提高输油结构的流通能力，实现在高收油效率下按比例将滑油分配至不同润滑点的要求，满足高速滚动轴承润滑和冷却的需求。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
本发明可以明显减少滑油进入收油环时的飞溅量，进入收油环的滑油可以通过输油通道和后续输油结构顺利进入轴承内部，保证收油环达到较高的收油效率，同时可以将进入收油环中的滑油按比例定量分配至不同的润滑点，满足高转速、高载荷和高温条件下轴承的润滑和冷却需求，延长航空发动机中高速滚动轴承的使用寿命。
本发明中滑油由供油喷嘴以一定角度喷出后与收油叶片叶尖相切进入长度不同的收油槽，进入收油槽的滑油受收油环高速旋转离心力的影响被甩到收油槽壁面，即收油环内壁面上，与收油环轴线成一定角度且具有动能的滑油喷出后沿收油环内壁面流动，收油叶片叶尖至叶根处收油环内壁面半径逐渐增大，贴壁流动的滑油受离心力分量作用加速流动至收油叶片叶根处，进入收油槽的滑油在收油叶片叶根处受离心力作用沿输油孔被分别甩入前后轴承的周向油槽中，周向油槽中的滑油进一步沿轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对轴承内外环、保持架和滚动体进行润滑和冷却。滑油射流沿收油叶片叶尖相切进入收油槽时可以明显减少滑油飞溅量；改变收油槽宽度大小能够按比例将滑油输送至不同润滑点；由速度三角形确定供油喷嘴滑油喷射方向可以使滑油相对速度方向与收油环轴线间夹角最大，有利于滑油进入收油槽后的轴向流动；中心线为曲线的输油槽可以使沿收油环内壁面分相流动的滑油进入输油槽后仍以分相状态流动，能够有效避免由于混入大量空气而导致后续流路流通能力下降的问题。
附图说明
图1是本发明的轴向收油环的整体结构示意图；
图2是本发明的轴向收油环的剖视图；
图3是本发明的航空发动机主轴承环下润滑装置整体结构局部剖面图；
图4为本发明的图3的A-A剖面图；
图5为本发明的图3的B-B剖面图；
图6为本发明的轴承剖视图；
图7为本发明中滑油流射速度三角形示意图。
图中各标号表示为：10-轴向收油环，20-主轴，30-轴承座，40-供油喷嘴，50-前轴承，60-后轴承；
11-收油环本体，12-输油孔，13-长收油槽，14-短收油槽；
51-前轴承内环，52-前轴承外环，53-前轴承保持架，54-前轴承滚动体；
61-后轴承内环，62-后轴承外环，63-后轴承保持架，64-后轴承滚动体。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
如图1至图3所示，本实施例提供一种轴向收油环，包括圆筒形的收油环本体11，收油环本体11的一端为进油端；在收油环本体11内壁开设有多个沿周向排布的收油槽，且收油槽的一端均贯通至收油环本体进油端开口处以形成收油进口，收油槽的另一端不贯通以形成收油挡壁；在靠近收油挡壁的收油槽槽底开设有贯通收油环本体11壁面的输油孔12；收油槽都向同一侧倾斜；收油槽包括依次间隔的长收油槽13和短收油槽14，长收油槽13的收油挡壁至收油进口的距离大于短收油槽14的收油挡壁至收油进口的距离；长收油槽13和短收油槽14之间的壁面为收油叶片。
从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大，即收油环本体内壁面母线与轴线间夹角为α，沿收油环本体内壁面流动的滑油受离心力分量的影响将加速流动，有利于滑油流入收油挡壁处的输油孔。长收油槽和短收油槽分别将滑油输送至后轴承和前轴承，改变长收油槽的宽度和短收油槽的宽度可以控制分配到后轴承和前轴承的滑油比例。
输油孔12出口相对于进口在与收油环旋转的相反方向相差7°～15°；连接输油孔12出口和进口的中心线为曲线，且输油孔12出口处沿收油环本体11的径向布设以使滑油沿径向喷出。各输油孔中心线均为曲线，可以使沿收油环本体内壁面分相流动的滑油进入输油孔后仍以分相状态流动，可以避免滑油在输油孔处堆积后混入大量空气而导致后续流路流通能力下降的问题；输油孔出口中心线沿径向方向，在输油孔处被甩出的滑油可以顺利进入轴承内环的径向油孔。
在本实施例中，各个收油槽沿周向均布，能保持进油均匀。
实施例2：
如图1至7所示，本实施例提供一种航空发动机主轴承环下润滑装置，包括实施例1中的轴向收油环10，还包括：主轴20、轴承、套在轴承外的轴承座30以及设在轴承座30上并与供油路相连的供油喷嘴40；供油喷嘴40贯穿进轴承座30内；轴向收油环10套在主轴20上，轴承套在轴向收油环10上，轴向收油环10和轴承均能与主轴20同步旋转。
轴承包括前轴承50和后轴承60，前轴承50包括前轴承内环51、前轴承外环52以及由前轴承保持架53保持的设在前轴承内环51和前轴承外环52之间的前轴承滚动体54；后轴承60包括后轴承内环61、后轴承外环62以及由后轴承保持架63保持的设在后轴承内环61和后轴承外环62之间的后轴承滚动体64；在前轴承内环51的内壁设有周向的前轴承周向油槽，在后轴承内环61的内壁设有周向的后轴承周向油槽，长收油槽13的输油孔12对准后轴承周向油槽，短收油槽14的输油孔12对准前轴承周向油槽；前轴承内环51上设有与前轴承周向油槽连通的贯通至前轴承内环滚道表面径向油孔，后轴承内环61上设有与后轴承周向油槽连通的贯通至后轴承内环滚道表面径向油孔；长收油槽13和短收油槽14的倾斜方向与主轴20转动方向一致。
图4和图5所示，轴向长度不同的收油槽均为螺旋形，收油叶片叶尖螺旋角与滑油射流相对速度方向和收油环轴线夹角β一致，能够有效减少滑油的飞溅量。
供油喷嘴的射流方向根据滑油流速和收油环转速由速度三角形确定，确保滑油绝对运动方向与相对运动运动方向垂直，此时滑油射流相对速度方向与主轴轴线间的夹角最小。
如图7所示，由于航空发动机巡航转速基本不变，供油喷嘴所在半径处轴向收油环的切向速度ve也基本不变，同时滑油射流速度va一定，根据速度三角形可以得到滑油的相对运动速度vr，当滑油射流相对运动速度方向和绝对运动速度方向垂直时相对运动速度方向与轴向收油环轴线间的夹角β最小，有利于进入轴向收油环的滑油由收油叶片叶尖流向叶根。
实施例3：
本实施例提供一种航空发动机主轴承环下润滑方法，该方法采用实施例2中的装置来实现，具体包括以下步骤：
滑油由供油喷嘴喷出到达轴向收油环进油端，供油喷嘴喷射方向由图7所示的速度三角形确定，滑油与收油叶片叶尖相切进入长收油槽和短收油槽，进入长收油槽和短收油槽的滑油受轴向收油环高速旋转离心力的影响被甩到轴向收油环内壁面上，具有动能的滑油有沿轴向收油环内壁面轴向流动的趋势，同时由于从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大，贴壁流动的滑油受离心力分量作用加速流动至长收油槽和短收油槽收油挡壁处；
进入短收油槽的滑油在短收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入前轴承周向油槽中，前轴承周向油槽中的滑油进一步沿前轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对前轴承内环、前轴承滚动体、前轴承保持架和前轴承外环进行润滑和冷却；
进入长收油槽的滑油在长收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入后轴承周向油槽中，后轴承周向油槽中的滑油进一步沿后轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对后轴承内环、后轴承滚动体、后轴承保持架和后轴承外环进行润滑和冷却。
供油喷嘴按照绝对速度和相对速度垂直的条件确定的喷嘴方向与轴向收油环轴线夹角最小，滑油可以顺利进入长收油槽和短收油槽；长收油槽和短收油槽螺旋角与滑油射流相对速度方向和轴向收油环轴线夹角一致，能够有效减少滑油的飞溅量；改变长收油槽和短收油槽的宽度可以按比例将滑油分配至不同的润滑点；从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大和中心线为曲线的输油孔均可提高输油结构的流通能力，实现在高收油效率下按比例将滑油分配至不同润滑点的要求，满足高速滚动轴承润滑和冷却的需求。

Claims (8)

1.一种轴向收油环，其特征在于，包括圆筒形的收油环本体(11)，收油环本体(11)的一端为进油端；在收油环本体(11)内壁开设有多个沿周向排布的收油槽，且收油槽的一端均贯通至收油环本体进油端开口处以形成收油进口，收油槽的另一端不贯通以形成收油挡壁；在靠近收油挡壁的收油槽槽底开设有贯通收油环本体(11)壁面的输油孔(12)；
所述收油槽都向同一侧倾斜；
所述收油槽包括依次间隔的长收油槽(13)和短收油槽(14)，长收油槽(13)的收油挡壁至收油进口的距离大于短收油槽(14)的收油挡壁至收油进口的距离；
长收油槽(13)和短收油槽(14)之间的壁面为收油叶片。
2.如权利要求1所述的轴向收油环，其特征在于，所述长收油槽(13)的宽度和短收油槽(14)的宽度不同。
3.如权利要求2所述的轴向收油环，其特征在于，从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大。
4.如权利要求3所述的轴向收油环，其特征在于，所述输油孔(12)出口相对于进口在与收油环旋转的相反方向相差7°～15°；连接输油孔(12)出口和进口的中心线为曲线，且输油孔(12)出口处沿收油环本体(11)的径向布设以使滑油沿径向喷出。
5.如权利要求1所述的轴向收油环，其特征在于，所述收油槽沿周向均布。
6.一种航空发动机主轴承环下润滑装置，其特征在于，包括权利要求1至5任一权利要求所述的轴向收油环(10)，还包括：主轴(20)、轴承、套在轴承外的轴承座(30)以及设在轴承座(30)上并与供油路相连的供油喷嘴(40)；所述供油喷嘴(40)贯穿进轴承座(30)内；
所述轴向收油环(10)套在主轴(20)上，轴承套在轴向收油环(10)上，轴向收油环(10)和轴承均能与主轴(20)同步旋转。
7.如权利要求6所述的航空发动机主轴承环下润滑装置，其特征在于，所述轴承包括前轴承(50)和后轴承(60)，前轴承(50)包括前轴承内环(51)、前轴承外环(52)以及由前轴承保持架(53)保持的设在前轴承内环(51)和前轴承外环(52)之间的前轴承滚动体(54)；后轴承(60)包括后轴承内环(61)、后轴承外环(62)以及由后轴承保持架(63)保持的设在后轴承内环(61)和后轴承外环(62)之间的后轴承滚动体(64)；在所述前轴承内环(51)的内壁设有周向的前轴承周向油槽，在后轴承内环(61)的内壁设有周向的后轴承周向油槽，长收油槽(13)的输油孔(12)对准后轴承周向油槽，短收油槽(14)的输油孔(12)对准前轴承周向油槽；前轴承内环(51)上设有与前轴承周向油槽连通的贯通至前轴承内环滚道表面径向油孔，后轴承内环(61)上设有与后轴承周向油槽连通的贯通至后轴承内环滚道表面径向油孔；
所述长收油槽(13)和短收油槽(14)的倾斜方向与主轴(20)转动方向一致。
8.一种航空发动机主轴承环下润滑方法，其特征在于，该方法采用权利要求7所述的装置来实现，具体包括以下步骤：
滑油由供油喷嘴喷出到达轴向收油环进油端，滑油与收油叶片叶尖相切进入长收油槽和短收油槽，进入长收油槽和短收油槽的滑油受轴向收油环高速旋转离心力的影响被甩到轴向收油环内壁面上，具有动能的滑油有沿轴向收油环内壁面轴向流动的趋势，同时由于从收油进口至收油挡壁的收油槽的槽深逐渐增大，贴壁流动的滑油受离心力分量作用加速流动至长收油槽和短收油槽收油挡壁处；
进入短收油槽的滑油在短收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入前轴承周向油槽中，前轴承周向油槽中的滑油进一步沿前轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对前轴承内环、前轴承滚动体、前轴承保持架和前轴承外环进行润滑和冷却；
进入长收油槽的滑油在长收油槽收油挡壁处受离心力作用沿输油孔被甩入后轴承周向油槽中，后轴承周向油槽中的滑油进一步沿后轴承内环的径向油孔被甩入轴承内部，对后轴承内环、后轴承滚动体、后轴承保持架和后轴承外环进行润滑和冷却。
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