CN111902611B - 通过增材制造法生产的涡轮喷气发动机轴承支座 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及轴承支座(26)，该轴承支座被设计成固定到用于支撑轴颈的涡轮喷气发动机固定元件，该轴承支座包括：锥体(27)，该锥体从用于支撑轴颈的中心部分(28)到用于固定到固定元件的部分变宽；圆筒形主体(29)，该圆筒形主体在围绕锥体(27)的同时使用于固定到固定元件的部分延伸；上游裙部(32)，该上游裙部由锥体承载，用于为中心部分(28)限定上游壳体(33)；以及至少一个下游旋转元件(38，42)，该至少一个下游旋转元件由锥体(27)承载，用于为中心部分(28)限定下游壳体(39，43)。根据本发明，所述轴承支座(26)通过增材制造法被制成单个部件。

Description

通过增材制造法生产的涡轮喷气发动机轴承支座
技术领域
本发明涉及通过增材制造法来形成飞行器发动机的轴承支座。
背景技术
涵道式涡轮喷气发动机包括输入套筒，该输入套筒在上游容纳被低压压缩机吸入的空气，该空气然后被分成中心主流和围绕主流的次级流。次级流在经过低压压缩机后被推向下游，以通过围绕主流吹动而产生推力，上游和下游是相对于流体在涡轮喷气发动机中流动的方向而定义的。
主流在经过低压压缩机后穿过高压压缩机，然后到达燃烧室。接着，该主流在与高压压缩机旋转连接的高压涡轮中膨胀，然后在与低压压缩机旋转连接的低压涡轮中膨胀，最后向下游排出。
在双轴涡轮喷气发动机的情况下，高压压缩机和高压涡轮是高压主体的、通过以与低压轴颈不同的速度运行而围绕低压轴颈的部分，该低压轴颈承载低压压缩机和低压涡轮。
低压轴颈和高压主体由容置在壳体中的轴承在上游和下游承载，该壳体将轴承与发动机的其余部分隔离。每个轴承由在壳体中循环的油润滑，该壳体围绕每个轴承并且由固定元件和穿过固定元件的旋转元件限定。这样的轴承在被壳体围绕的同时由支座承载。
图1示出了根据本发明提出改进的设计可能性的涡轮喷气发动机1的一部分的截面，该部分示出了低压轴颈2，在该低压轴颈的下游端部处固定有套圈3，该套圈径向延伸以被固定到低压涡轮5的围绕轴颈2的下游部分延伸的盘4。
轴颈2在其下游区域中被轴承支座6围绕，该轴承支座承载套筒7，该套筒旨在容纳滚子轴承8以支撑轴颈2的下游部分，并且该轴承支座经由锥体10固定到发动机的位于发动机上游的固定元件9。该锥体10从其下游部分到其上游部分变宽，该锥体在其下游部分固定到支座6，该锥体在其上游部分固定到固定元件9。
锥体10被圆筒形元件11围绕，该圆筒形元件被固定到锥体的上游部分，该上游部分向下游延伸以与该锥体10和套圈3一起限定壳体12的围绕轴承的一部分。
如在图2中可见地，裙部13和两个旋转主体14和15使锥体10的中心区域分别向上游和下游延伸，该裙部和这些主体的外直径大约等于锥体10的内直径。上游支撑部16承载分段式径向密封件17，该上游支撑部包括环，上游支撑部通过环紧固到裙部13的上游，该分段式径向密封件在轴承8的上游限定了壳体18。旋转元件14与轴颈2共同限定了位于轴承8的下游的两个同心的壳体19和20。
鉴于与常规技术有关的制造和安装限制，这些部件(即支座6、锥体10、圆筒形元件11、裙部13、元件14以及上游支撑部16)根据不同的方法(尤其是包括TIG焊接的方法)彼此紧固。
如可在图3中更详细看到地，套筒7包括接合在锥体10的中心区域中的主圆筒形部分，并且该主部分通过鼠笼部分延伸，该套筒7经由鼠笼部分牢固地固定到裙部13的上游端部。
此外，在锥体10的中心部分与套筒7之间延伸的环形空间通过液压加压，以径向地约束套筒7，从而确保当发动机在使用中时，套筒夹紧套筒所容纳的外轴承环。这种布置(也被称为压缩阻尼器或“挤压膜”)在专利文献EP1650449中进行了描述。
分段式径向密封件17的上游面被具有锥形内边缘的旋转凸缘21覆盖，该旋转凸缘使得能够在该密封件17的上游引入载荷损失。
因此，在图2中可见的喷管22径向地延伸，以将油引入到壳体18中，从而对密封件17进行冷却并对轴承8进行润滑。该油由图3中可见的返回路径23收集，该返回路径使壳体18、19和20的下部部分与未示出的一个或多个元件连通以确保对该一个或多个元件进行润滑和冷却。
诸如图1至图3的设计是本发明提出改进的设计和制造解决方案的结果。通常，轴承支座的设计和制造是复杂且昂贵的操作，该操作涉及大量的过程。
本发明的目的是提供克服这个缺点的解决方案。
发明内容
为此，本发明的目的是一种轴承支座，该轴承支座旨在被固定到涡轮喷气发动机的、用于支撑轴颈的固定元件上，其特征在于，该轴承支座包括：
-锥形元件，该锥形元件从用于支撑轴颈的中心部分到用于固定到固定元件的部分变宽；
-圆筒形主体，该圆筒形主体在围绕锥形元件的同时使用于固定到固定元件的部分延伸；
-上游裙部，该上游裙部由锥形元件承载，用于为中心部分限定上游壳体；
-至少一个下游旋转元件，该至少一个下游旋转元件由锥形元件承载，用于为中心部分限定下游壳体；
并且该轴承支座通过增材制造法制成单个部件。
这种设计和制造方案使得能够通过特别地抑制螺栓连接元件来减小轴承支座的尺寸和质量。由于由激光核聚变产生的材料的耐疲劳性大于由铸造产生的材料的耐疲劳性的事实，因此还能够减小该质量，这使得能够通过特别地减小轴承支座在不同点处的厚度来减少构成轴承支座的材料的数量。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，该轴承支座包括用于分段式径向密封件的上游支撑部，该分段式径向密封件使上游裙部延伸。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，该轴承支座包括喷管，喷管在上游壳体中从上游裙部的内部面突出，以对上游壳体进行冷却和润滑。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，该轴承支座包括套筒，该套筒旨在容纳围绕轴颈的外滚子轴承环，该套筒被中心部分围绕，并且在中心部分中，套筒通过鼠笼延伸，套筒通过该鼠笼牢固地固定到上游裙部的上游端部。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，其中，套筒与中心部分径向地间隔开，中心部分围绕套筒以限定旨在容纳液压流的环形空间。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，该轴承支座包括围绕套筒的环形空间的进给通道，该通道穿过锥形元件。
本发明还涉及由此限定的轴承支座，该轴承支座包括回油路径，该回油路径通过歧管连接到上游壳体和/或下游壳体，该回油路径穿过锥形元件。
本发明的另一目的是涡轮喷气发动机，该涡轮喷气发动机包括由此限定的轴承支座。
附图说明
-已经描述的图1是涡轮喷气发动机的下游部分的一部段的示意性横截面图；
-已经描述的图2是涡轮喷气发动机的下游部分的一部段的一部分的横截面图；
-已经描述的图3是轴承支座的半横截面图；
-图4是根据本发明的轴承支座的半横截面图；
-图5是根据本发明的包括喷管的轴承支座的上游壳体的内部的局部透视图；
-图6是根据本发明的包括回油路径的轴承支座的下半部的横截面图；
-图7以透视的方式示出了用于根据本发明的轴承支座的材料的分布。
具体实施方式
本发明的基本思想是通过增材制造法形成整个轴承支座，该轴承支座包括锥体以及圆筒形元件、上游裙部和下游旋转元件，锥体的中心部分用于支撑轴颈，圆筒形元件使该锥体延伸并围绕锥体，上游裙部和下游旋转元件限定围绕中心部分的壳体。
实际上，本发明能够将三个功能直接集成到构成轴承支座的毛坯部件中，即鼠笼和由鼠笼保持的套筒、用于分段式径向密封件的支撑部以及用于套筒以及下文详细介绍的其他附加功能的压缩阻尼器。
在图4中出现的根据本发明的轴承支座(在图4中标记为26)包括锥体27，该锥体从中心旋转部分28朝上游到一不可见部分变宽，该不可见部分用于固定到位于该锥形元件27的直径最大的边缘处的固定元件。
该支座26具有围绕轴线AX的整体旋转形状，该轴线AX对应于发动机的纵向轴线，该支座旨在安装在发动机中并且该支座在发动机中以如下方式定向：使锥体相对于使用中的发动机的正转方向向发动机的上游AM打开或变宽，并且使锥体相对于使用中的发动机的正转方向从发动机向下游AV变窄。
该锥体被圆筒形主体或筒体29围绕，该圆筒形主体或筒体在锥体的最大直径边缘的下游延伸，以与该锥体27一起限定外周壳体31的上游部分。该轴承支座26包括由锥体27承载的上游裙部32，该上游裙部用于限定中心部分28的上游壳体33，该裙部具有从承载该裙部的锥体27到该裙部的上游端部34减小的渐缩形状。
裙部的上游端部34通过上游支撑部36延伸，该上游支撑部36旨在容纳图4中未示出的分段式径向密封件，在壳体33的上游，该分段式径向密封件在轴承支座与未示出的旋转轴颈之间提供密封。此外，在分段式径向密封件的容纳部分的下游，该上游支撑部36在其内部面处包括刮片37，该刮片用于补充由分段式径向密封件承载的密封，这些刮片与未示出的轴颈的外旋转面接触。
该轴承支座26在其下游部分中包括由锥体27承载的第一旋转元件38，该第一旋转元件呈壁的形式，该壁围绕中心部分28，同时通过限定第一下游壳体39而向下游变窄。该第一旋转元件在其内表面上承载刮片41，该刮片与未示出的轴颈的外部面发生接触，以在壳体39的下游提供密封。
第二旋转元件42通过构成另一旋转壁而由第一旋转元件38承载，该另一旋转壁向下游变宽，以限定第二下游壳体43。该第二旋转元件在其内部面处承载刮片44，该刮片与未示出的轴径的外部面发生接触，以在壳体39的下游提供密封。
该支座26在其中心部分28内包括套筒46，该套筒旨在容纳滚子轴承的未示出的外环，该外环围绕轴颈，该轴颈未在该支座26上示出。
更特别地，中心部分28包括使锥体27延伸的环形元件47，并且套筒46在环形元件47内延伸，同时通过标记为48的环形空间与环形元件径向间隔开。套筒46不直接连接到环形元件47以能够相对于该环形元件47径向移动，因此该套筒具有柔性安装。
此外，可以提供环形插入件(未示出)，该环形插入件接合在环形空间48中，从而改善环形空间的密封性和液压循环。
如图4所示，该套筒46的上游端部通过鼠笼结构49延伸，套筒46通过该鼠笼结构连接到裙部32的上游端部34。仅通过鼠笼结构49来提供对套筒46的保持。如图4和图5所示，鼠笼结构49主要由平行于轴线AX定向的一系列柱状物51通过关于该轴线彼此间隔开而形成。
套筒通过该鼠笼连接到轴承支座的其余部分，该鼠笼能够相对于支座的其余部分灵活地保持轴承，将该鼠笼的柱状物分开的穿孔使鼠笼的刚度明显低于支座的其他实心部分的刚度。
从图4中可以看出，制成单个部件的轴承支座26还将进给通道52与油的环形空间48整合在一起，从而形成例如在专利文献EP1650449中详细描述的“挤压膜”。
该通道52包括：位于锥体27下游的下游部分53，该下游部分径向地定向并且直接连接到环形空间48；以及平行于轴线AX定向的上游部分54，该上游部分穿过锥体27以连接到未示出的液压进给主体。
如在图4中可以看到的，上游壳体33被柱状物51穿过，但柱状物51并未将上游壳体分成多个部分。
此外，裙部32在其内部面处承载朝向旋转轴线AX定向的喷管56，该喷管包括主体57，该主体相对于轴线AX在柱状物51之间径向地延伸，并且末端具有喷嘴58。因此，该喷嘴58径向地位于壳体33的中心区域中，并且径向地位于分段式径向密封件与滚子轴承之间。因此，该喷嘴58可使油在壳体33中扩散以对分段式径向密封件进行冷却并对滚子轴承进行润滑。
喷管的主体57在两个柱状物之间延伸，以在柱状物断裂的情况下使笼的旋转停止并阻止该笼的旋转。
如在图6中可以看到的，由通过增材制造法生产的单个部件形成的轴承支座26还包括在图6中可以看到的整体式回油路径59。该路径具有基本平行于轴线AX定向的管状通道的一般形状。该路径59从位于锥体27下游的歧管61延伸，并且上游壳体33和第一下游壳体39在歧管中开口，并且该路径穿过锥体27以呈现出与轴承支座26的紧固部分基本上成一直线的上游端部62。实际上，该回油路径在通过增材制造法产生的轴承支座内的整合使得能够避免必须通过现有技术中的振动钻孔实现的钻孔。
通常，由于通过增材制造法生产的材料的抗疲劳性大于例如通过铸造、锻造或机械加工生产的常规材料的抗疲劳性，因此借助于增材制造法使得能够极大地优化根据本发明的轴承支座的质量。
通过示例的方式，图7示出了数字模拟的结果，该结果确定了形成轴承支座的材料相对于其承受的力和应力循环的分布或拓扑，而没有考虑材料的密封类型的附加功能应力和其他应力。
所获得的标记为M的模型描述了轴承支座26的、包括其锥体27、紧固面以及其中心部分28的部分，所获得的标记为M的模型包括实心部分P和标记为V的中空部分，该中空部分对应于通风滑块(其他附图中未示出)。
更一般地，该模型M使得被设计成通过增材制造法生产的轴承支座成品比现有技术的通过锻造部件和模制部件组装而成的轴承支座包括更少的材料，即该轴承支座成品能够实现显著的重量收益。
关于刮片37、41、44，这些刮片由耐磨材料形成，该耐磨材料不同于形成轴承支座的其余部分的材料。这些刮片可以与轴承支座的其余部分一起通过增材制造法形成，方法是改变局部地沉积在这些刮片上的粉末的成分，以构成耐磨材料。

Claims (8)

1.轴承支座(26)，所述轴承支座旨在被固定到涡轮喷气发动机的、用于支撑轴颈的固定元件上，其特征在于，所述轴承支座包括：
-锥形元件(27)，所述锥形元件从用于支撑所述轴颈的中心部分(28)到用于固定到固定元件的部分变宽；
-圆筒形主体(29)，所述圆筒形主体在围绕所述锥形元件(27)的同时使所述用于固定到固定元件的部分延伸；
-上游裙部(32)，所述上游裙部由所述锥形元件承载，用于为所述中心部分(28)限定上游壳体(33)；
-至少一个下游旋转元件(38，42)，所述至少一个下游旋转元件由所述锥形元件(27)承载，用于为所述中心部分(28)限定下游壳体(39，43)；
并且，该轴承支座(26)通过增材制造法被制成单个部件。
2.根据权利要求1所述的轴承支座(26)，所述轴承支座包括用于分段式径向密封件的上游支撑部(36)，所述分段式径向密封件使所述上游裙部(32)延伸。
3.根据权利要求1或2所述的轴承支座(26)，所述轴承支座包括喷管(56)，所述喷管在所述上游壳体(33)中从所述上游裙部(32)的内部面突出，以对所述上游壳体(33)进行冷却和润滑。
4.根据权利要求1或2所述的轴承支座(26)，所述轴承支座包括套筒(46)，所述套筒旨在容纳围绕所述轴颈的外滚子轴承环，该套筒(46)被所述中心部分(28)围绕，并且在所述中心部分中，所述套筒(46)通过鼠笼(49)延伸，所述套筒通过所述鼠笼(49)牢固地固定到所述上游裙部(32)的上游端部(34)。
5.根据权利要求4所述的轴承支座(26)，其中，所述套筒(46)与所述中心部分(28)径向地间隔开，所述中心部分围绕所述套筒以限定旨在容纳液压流的环形空间(48)。
6.根据权利要求5所述的轴承支座(26)，所述轴承支座包括围绕所述套筒(46)的所述环形空间(48)的进给通道(52)，所述进给通道(52)穿过所述锥形元件(27)。
7.根据权利要求1或2所述的轴承支座(26)，所述轴承支座包括回油路径(59)，所述回油路径通过歧管(61)连接到所述上游壳体和/或所述下游壳体，该回油路径(59)穿过所述锥形元件(27)。
8.涡轮喷气发动机，所述涡轮喷气发动机包括根据权利要求1至7中任一项所述的轴承支座(26)。
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