CN112384684B

CN112384684B - 整体式离心脱气器

Info

Publication number: CN112384684B
Application number: CN201980046334.3A
Authority: CN
Inventors: 阿诺德·尼芬克尔; 弗雷德里克·博内特; 皮埃尔·盖姆; 雷米·兰奎廷; 本杰明·弗勒瑞格
Original assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Current assignee: Safran Helicopter Engines SAS
Priority date: 2018-07-05
Filing date: 2019-07-05
Publication date: 2023-01-24
Anticipated expiration: 2039-07-05
Also published as: FR3083570B1; CA3105211A1; CN112384684A; US11952925B2; EP3818257A1; US20210131322A1; FR3083570A1; PL3818257T3; WO2020008153A1; EP3818257B1

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机的空气‑油混合物的离心脱气器，该离心脱气器包括沿着X轴线延伸的空心轴(12)、用于使空心轴(12)旋转的小齿轮(28)以及用于所述混合物的离心分离的环形腔室(10)。腔室(10)围绕空心轴(12)布置并且形成流体通过区域，腔室的入口(18)被轴向地定向以向腔室(10)供应所述混合物，并且腔室的第一出口(20)被径向向内地定向以排出从所述混合物中分离出来的除油空气。腔室(10)还包括至少一个第二油出口(22)，该第二油出口被径向向外地定向并且旨在将从所述混合物中分离出来的油排出到脱气器的外部。脱气器的特征在于，腔室(10)和小齿轮(28)形成单一件。

Description

整体式离心脱气器

技术领域

本发明涉及一种涡轮机的离心脱气器。

背景技术

现有技术包括以下文献：US-A1-2004/098956、US-A1-2005/211093、EP-A1-0 626503、US-A1-2017/218848、EP-A1-3 011 156A1和US-A-6 033 450。

涡轮机是复杂的系统，具有多个必须配备有密封装置的旋转组件(涡轮、压缩机等)。这些密封装置通常由位于旋转组件附近的加压空气迷宫装置制成。为此，直接从涡轮机的空气流道中获取空气。然后，该空气经由为此目的而设置的各种迷宫装置穿过涡轮机，然后被排出到涡轮机的外部，以限制涡轮机的其他区域、特别是减速齿轮箱、附件齿轮箱等的压力增加。

当该空气穿过涡轮机的不同区域时，该空气带有用于对旋转组件的轴承和小齿轮进行冷却和润滑的油。为了避免带油空气的排放、减轻涡轮机的生态影响、降低油耗以及限制油储备的填充，重要的是提供脱气器，该脱气器允许在将空气排出到涡轮机的外部之前将油从空气中分离出来。

这种脱气器通常由涡轮机的附件齿轮箱或减速齿轮箱处的机械动力输出装置来装配和驱动。

以已知的方式，这种离心脱气器包括一个或多个离心空气/油混合物分离腔室，该一个或多个离心空气/油混合物分离腔室被布置成形成一个或多个空气循环流道，围绕空心轴布置并且由外环形壁和内环形壁界定。脱气器进一步包括用于向腔室供应空气/油混合物的轴向入口、被布置在外壁中的至少一个周边径向外部油出口、以及被布置在内环形壁中或内环形壁与外环形壁之间的内部径向除油空气出口。因此，当将脱气器设定为旋转(通常由附件齿轮箱或减速齿轮箱中的小齿轮实现)时，油自然地通过离心力驱动朝向脱气器的一个或多个周边油出口，并且除油空气经由空心轴被排出到脱气器的外部。

然而，由于以下原因造成的内部压力损失通常会限制已知脱气器的性能：

-尤其是在除油期间通过空气流采用的离心腔室的流道的形状，以及

-腔室的流道中的金属泡沫的存在。

金属泡沫具有过滤功能，并且用于保留不会因离心作用而排出的油，从而使得能够优化空气清洁，但是如上所述会产生压降。

此外，由于脱气器被附接到对其进行驱动的小齿轮，因此脱气器与小齿轮的必要连接意味着要使用螺母，这会增加组件的质量，此外，考虑到两个单独的部件会妨碍对整体质量的任何优化。

为了确保空气流道的连续性，必须在小齿轮盘中设置开口或槽，并且还必须在由小齿轮和脱气器形成的组件中增加防旋转系统，以便确保脱气器在小齿轮上的令人满意的分度。在现有技术中，脱气器与小齿轮之间的连接不允许对空气流道进行充分优化，并且仍存在不连续性，从而产生了压力损失。因此，脱气器在小齿轮上的集成不能实现空气流动部段上的最大工作自由度，并且不能使脱气器中的空气/油混合物的输送速度最小化。

于是，就流道的形状而言，在待实现的最佳几何形状的可能性方面，可以限制制造工艺。

例如，铸造厂能够生成复杂的形状，从而限制了压降，但是实现了复杂金属泡沫的集成或降低了增益。根据另一示例，传统的机加工实现了金属泡沫的集成，但是限制了空气流道形状的生成自由度并且使部件参考物的数量倍增。

就金属泡沫的存在而言，压力损失是由于以下事实而造成的：在高速度(例如，6000rpm)下，金属泡沫的前表面像壁一样起作用，并且空气颗粒渗透到泡沫中的程度较低。已知的制造工艺(例如，使用特定的泡沫)不允许对结构的几何形状进行控制。

难以找到一种将技术要求和与最小化压力损失并且优化除油能力这两个方面兼容的生产方式结合起来的解决方案。

因此，需要设计一种脱气器，该脱气器的制造工艺实现了有效的油滴捕获率，在几何形状方面选择一定的自由度以在除油期间使空气流循环、限制压降(特别是由于空气/油混合物循环流道中的不连续性所造成的压降)并且使组件的质量最小化。

发明内容

本发明的目的在于提供一种脱气器设计，其满足上述获得用于涡轮机的离心脱气器的需求，该离心脱气器与已知的脱气器相比具有改进的性能。

为此，本发明涉及一种涡轮机的空气/油混合物的离心脱气器，该离心脱气器包括：空心轴，该空心轴沿着轴线X延伸并限定内部空气循环空腔；小齿轮，该小齿轮用于使空心轴旋转；以及环形腔室，该环形腔室用于所述混合物的离心分离，腔室围绕空心轴布置并且形成流体通过流道，该腔室的入口被轴向地定向以向腔室供应所述混合物，并且该腔室的第一出口被径向向内地定向以使从所述混合物中分离出来的除油空气离开，该第一出口与空心轴的所述内部空腔流体连通，以将除油空气排出到脱气器的外部，腔室进一步包括至少一个第二油出口，该第二油出口径向向外地定向并且旨在将从所述混合物中分离出来的油排出到脱气器的外部，脱气器的特征在于，腔室和小齿轮形成单一件。

按照这种方式，能够从质量的角度优化整个脱气器(现在仅存在一个待管控的参考物，这允许对质量进行整体考虑)，并且能够优化由腔室形成的空气流道的连续性，从而限制压降。

根据本发明的脱气器还可以具有彼此独立或彼此组合地采用的一个或多个以下特征：

-脱气器可以通过增材制造制成，

-腔室可以形成弯曲部并且可以包括两个环形部分，即，基本上平行于轴线X的第一环形部分，以及大致径向地朝向轴线X延伸的第二环形部分，

-以增材制造制成的格子状的蜂窝结构可以被容纳在腔室或弯曲部中，

-蜂窝结构具有变化的形状，以便在径向上和/或在轴向上改变蜂窝结构的纹理和/或孔隙率，

-结构可以与腔室和小齿轮形成单一件，

-第一出口可以被设置成借助于涡流抑制器与空心轴的内部空腔流体连通，涡流抑制器与腔室和小齿轮形成一体件，

-小齿轮可以沿着壁轴向地布置，并且包括用于使空气/油混合物通过的至少一个轴向开口，该至少一个轴向开口与所述入口流体连通，

-小齿轮可以被布置在腔室的入口处，并且包括用于使空气/油混合物通过的至少一个轴向开口，该至少一个轴向开口与所述入口流体连通，

-腔室可以包括两个环形壁，分别为内环形壁和外环形壁，该内环形壁和外环形壁在它们之间限定所述流道，并且通过一环形排的基本上径向的分隔部进行连接，该分隔部在它们之间限定脱气隔室，每个环形壁的横截面为大致U形，并且环形壁中的至少一个环形壁通过环形的材料腹板连接到分隔部，该环形的材料腹板具有呈圆弧形的一环形排的凹口，每个凹口在两个相邻的分隔部之间延伸，并且被成形为使得该凹口的端部连接到相邻的分隔部，并且该凹口的凹入部分与环形壁相对地定位并且与该环形壁一起限定流体通道。

本发明还涉及一种用于生产如上所述的脱气器的方法，该方法包括同时对小齿轮和腔室进行增材制造的阶段。

附图说明

通过仅以非穷举性的方式给出并且参考附图的以下描述，本发明的其他目的、特征和优点将会显现，在附图中：

-图1是涡轮机中的根据现有技术的脱气器的示意性轴向截面图，

-图2a是根据现有技术的脱气器的示意性轴向截面图，

-图2b是根据本发明的脱气器的示意性轴向截面图，

-图3a和图3b是在两个不同实施例中的根据本发明的脱气器腔室的示意性透视图，

-图3c是根据第三实施例的脱气器腔室的示意性径向截面图，

-图4是根据本发明的包括涡流抑制器的脱气器的变型的示意性轴向截面图，

-图5是根据本发明的包括过滤器的脱气器腔室的示意性径向截面图。

具体实施方式

在附图中，为了说明和清楚的目的，没有严格遵守标度和比例。

如图1所示，根据本发明的脱气器包括一组部件，这些部件能够围绕中心旋转轴线X(在这种情况下也是对称轴线)旋转地运动。在这些部件中，用于空气/油混合物的离心分离的环形腔室10围绕空心轴12布置。

空心轴12沿着轴线X延伸。该空心轴包括内部空腔13，该内部空腔在此基本上是圆柱形的。

环形腔室10包括外环形壁14和内环形壁16。每个环形壁14、16的横截面是大致U形的，因此腔室10包括基本上轴向地延伸的第一环形部分P1，该第一环形部分用于对混合物进行离心。在该第一部分P1中，离心力以最大的力施加在空气/油混合物上。流道具有在径向上朝向轴线X定向的第二环形部分P2，该第二环形部分连接到空心轴12的空腔13。流道的两个部分P1、P2形成弯曲部26，该弯曲部可以形成直角。

在图3c所示的实施例中，可以减小第二环形部分P2的长度，例如，减小至制造腔室10所需的严格厚度。

腔室形成流体通过流道，该流体通过流道具有用于向腔室供应空气/油混合物的轴向定向的入口18以及具有径向向内定向的出口20，该出口20允许从空气/油混合物中分离出来的除油空气离开。该第一出口20与空心轴12的内部空腔13流体连通，并因此允许通过空心轴12将除油空气排出到脱气器的外部。腔室10还包括径向向外定向的至少一个第二油出口22，该第二油出口用于将从空气/油混合物中分离出来的油排出到脱气器的外部。

腔室10被分成围绕轴线X周向地分布的多个脱气隔室。隔室通过将壁14、16彼此连接的径向分隔部24彼此隔开。

每个隔室通过以下方式界定：

-由外环形壁14的相应区域和内环形壁16的相应区域径向地界定，以及

-由在两个环形壁14、16之间延伸的两个径向分隔部24侧向地界定。

因此，腔室10的流体通过流道是分隔化的或扇区化的，并且每个隔室与轴向空气/油混合物入口端口18a、多个径向油出口22以及径向除油空气出口端口20a相关联。

外部径向出口22被设置在外壁14中，并且被构造成通过脱气器的离心力排出从混合物中分离出来的油。

除油空气出口端口20a将每个隔室连接到空心轴12的内部空腔13，并且将空气排出到涡轮机的外部。

图1还示意性地示出了穿过脱气器的空气和油滴25的运动。

如在图2a和图2b中可以看到的，脱气器还包括用于使空心轴12旋转的小齿轮28。小齿轮28被布置在腔室10中的空气/油混合物的入口18处，并且具有用于使空气/油混合物穿过的至少一个轴向开口30。该轴向开口30与入口18流体连通，以允许将空气/油混合物脱气以通过小齿轮28进入。

然而，应当注意，该小齿轮28可以被装配在脱气器上的任何位置。例如，(示例未示出)小齿轮28可以被布置在脱气器的后部。因此，例如通过不再限制小齿轮28与轴承之间的脱气器可用的空间，小齿轮28在脱气器中的集成可以消除对脱气器在涡轮机中的位置的某些限制。例如，小齿轮28可以在轴向上沿着环形壁14被布置在任何位置。

如在图2a中可以看到的，现有技术的小齿轮28包括盘32，该盘具有连接到空心轴12的内周以及带有环形齿的外周。因此，现有技术的小齿轮28连接到腔室10的两个内壁16和外壁14中的每一个，并因此在两个内壁16与外壁14之间径向地延伸。因此，每个径向空气入口18a必须与小齿轮28的盘32中的轴向开口30对准。

还应当注意，在现有技术中，需要“螺母和螺纹”组件(未示出)以将脱气器连接到小齿轮28，并且执行大量的机加工操作以使部件相对于彼此进行调节和对中。另外，必须对多个参考物进行管控。

图2b示出了小齿轮28的盘32已经消失。实际上，由于根据本发明的脱气器的小齿轮28与腔室10形成单一件，因此不需要盘32来确保小齿轮28与腔室10之间的充分接触。可以通过本身已知的增材制造工艺(作为示例，可以在文献FR3004370中找到)来获得包括腔室10和小齿轮28的单一件。

“单一件”的含义类似于在通过模制进行生产的背景中的表述“整体”所给出的含义：形成“单一件”的两个部件是例如通过相同的增材制造阶段、以相同的材料同时生产的，并因此形成单一件式单元。

通过去除脱气器/小齿轮在空心轴12上的轴向支撑以及通过去除盘32所获得的质量节省是显著的。另外，降低了制造成本，因为通过增材制造来生产部件实际上仅需要磨削小齿轮28的齿和/或磨削小齿轮28上的轴承座。

另外，增材制造使得能够优化流动流道的几何形状，特别是在空心轴12的内部空腔13的过渡处的几何形状。

然而，由于部件可能塌陷，因此可能难以使用增材制造来制造部件。当部件在内壁16的弯曲部26处具有一定尺寸的平坦区域(例如在图3a中所示)时，可能需要添加支撑结构。可以看到，内壁16具有基本上环形的部分，该基本上环形的部分形成水平板(在弯曲部26处)。在制造期间，该水平板可能在限制隔室的径向分隔部24之间塌陷。

如上所述，每个环形壁14、16具有大致U形的横截面，并且为了降低塌陷的风险，环形壁14、16中的至少一个通过环形的材料腹板33连接到径向分隔部24，该环形的材料腹板具有呈圆弧形的一环形排的凹口34，如图3b中所示。因此，每个凹口34在两个相邻的径向分隔部24之间延伸，并且被成形为使得该凹口的端部连接到相邻的分隔部24并且该凹口的凹入部分面对环形壁14、16。在图3b所示的示例中，每个凹口34的凹入部分面对外壁14。每个凹口34的凹入部分与外壁14限定流体通道，使得流过流道的空气在接触凹口34的拱腹时在弯曲部26的下游穿过流道的第二部分P2。

弯曲部26下游的该环形腹板33还使得能够不受由于传统机加工工艺所造成的机加工限制，并且能够进行优化以便改进空气/油混合物的除油能力并使压力损失最小化。

如在图4中可以看到的，根据本发明的脱气器可以包括位于内部径向出口20a处的涡流抑制器36，该涡流抑制器被容纳在空心轴12的内部空腔13中。因此，腔室10的出口20被设置成经由该涡流抑制器36与空心轴12的内部空腔13流体连通。

涡流抑制器36防止空气流旋转(防止被称为涡流的旋转)，空气流旋转特别是在高转速的情况下会导致高压降。在所示的示例中，该涡流抑制器36包括大致圆锥形的主体37，该主体的尖端指向下游并且定中心在脱气器的轴线X上。翅片38从该锥体径向向外延伸，并且迫使进入空心轴12的空气流大致平行于轴线X流动。这些翅片38围绕轴线X均匀地分布，并且每个叶片大致在穿过轴线X的径向平面中延伸。

另外，根据图5中所示的实施例，脱气器可以装配有一个或多个环形的格子状的蜂窝结构40，该蜂窝结构用于过滤最细小的油滴。该蜂窝结构通过增材制造制成。根据图5中所示的实施例，腔室10在每个隔室中在流道的弯曲部26处包括至少一个蜂窝结构40。参照图3b，除了上述的腹板33的凹口34之外或者代替上述腹板33的凹口34，该蜂窝结构也使得能够保持环形壁14、16的原始形状。

蜂窝结构40没有完全延伸到流道的隔室中，以便在隔室中形成两个不同的连续空间：一个不含蜂窝材料的空间，该空间对应于弯曲部26上游的流道的第一部分P1；以及一个在弯曲部26处的衬有蜂窝材料的空间。通过轴向入口18a向不含蜂窝材料的空间供应混合物。

因此，流道的第一部分P1具有用于第一除油阶段的简单的离心功能。

在图5所示的示例中，蜂窝结构40的入口侧和出口侧大致垂直于壁14。然而，根据未示出的实施例，蜂窝结构40的入口侧和出口侧中的每一个可以以根据本领域技术人员选择的参数所确定的角度进行倾斜。该角度由可制造性需求或为优化除油性能和/或压力损失的目的而确定。

弯曲部26处的填充空间(包括蜂窝结构40)具有对在第一阶段期间未被提取的油滴进行捕获的功能，并因此确保了第二除油阶段。该第二除油阶段由蜂窝结构40执行，而没有由于油滴的轴向进攻而造成显著的压降。

在未示出的实施例中，可以在蜂窝结构40与环形壁14的内表面之间留有间隙(在弯曲部26处)，使得将在该内表面上被离心的油(由于收集了空气/油混合物的液滴而产生的)被尽可能快地引导到端口22。这防止了这些液滴被流向内部空腔13的空气流重新提取。

另外，通过增材制造工艺，能够选择蜂窝结构40的几何形状，以使其过滤功能最大化，并且如图5中所示，以便在径向上和/或在轴向上改变蜂窝结构的纹理和孔隙率。增材制造还允许制造复杂的形状，诸如围绕每个孔口22的“漏斗”。可变的孔隙率使得流道的不同区域之间的压降能够被标准化。

蜂窝结构40的纹理还可以例如呈规则的和/或不规则的纤维交织的形式。对规则结构有利的取向可以有效地将液滴引导到外部径向出口22，并且避免了油积聚在蜂窝结构40的径向外部区域中，该积聚会阻碍空气流。

在未示出的实施例中，还能够改变每个隔室内的在方位上的纹理和孔隙率。正如在径向方向上的离心力的作用一样，这使得能够考虑例如可能发生在径向分隔部24上的油积聚的作用。

这些实施例使得蜂窝结构40能够以以下方式适应于流道的形状，即使得该蜂窝结构使所捕获的液滴的数量最大化，同时使相关联的压降最小化。

腔室10、小齿轮28以及如果存在的话蜂窝结构40和/或涡流抑制器36的增材制造工艺同时进行，并且允许在几何形状方面选择一定的自由度以使空气流循环，以及允许简单地集成蜂窝结构40和/或涡流抑制器36，该蜂窝结构和/或涡流抑制器能够增加油滴捕获的速率并且改进脱气器中的空气流。可以通过金属粉末的受控的激光熔融工艺以已知的方式来实现组件的增材制造。

因此，通过从由一组至少三个部件参考物(小齿轮28、腔室10、螺母)形成的脱气器转换到形成单体(其可以集成蜂窝结构40和/或涡轮抑制器36)的单个部件完全适配于所讨论的脱气器的需求。通过增材制造进行生产能够通过优化性能水平(特别是在组件的质量和压降方面)来尽可能接近待实现的组件的功能需求。能够设计脱气器的所有类型的几何形状并集成其他功能，诸如，例如内支承环。

Claims

1.一种涡轮机的空气/油混合物的离心脱气器，所述离心脱气器包括：空心轴(12)，所述空心轴沿着轴线X延伸并限定内部空气循环空腔(13)；小齿轮(28)，所述小齿轮用于使所述空心轴(12)旋转；以及环形腔室(10)，所述环形腔室用于所述混合物的离心分离，所述腔室(10)围绕所述空心轴(12)布置并且形成流体通过流道，所述腔室的入口(18)被轴向地定向以向所述腔室(10)供应所述混合物，并且所述腔室的第一出口(20)被径向向内地定向以使从所述混合物中分离出来的除油空气离开，所述第一出口(20)与所述空心轴(12)的所述内部空气循环空腔(13)流体连通，以将所述除油空气排出到所述脱气器的外部，所述腔室(10)进一步包括至少一个第二油出口(22)，所述至少一个第二油出口被径向向外地定向并且旨在将从所述混合物中分离出来的油排出到所述脱气器的外部，

所述脱气器的特征在于，所述腔室(10)和所述小齿轮(28)形成单一件。

2.根据权利要求1所述的脱气器，其特征在于，所述脱气器通过增材制造制成。

3.根据权利要求1或2所述的脱气器，其特征在于，所述腔室形成弯曲部(26)并且包括两个环形部分，即，基本上平行于所述轴线X的第一环形部分(P1)，以及大致径向地朝向所述轴线X延伸的第二环形部分(P2)。

4.根据权利要求3所述的脱气器，其中，以增材制造制成的格子状的蜂窝结构(40)被容纳在所述腔室或所述弯曲部(26)中。

5.根据权利要求4所述的脱气器，其特征在于，所述蜂窝结构(40)具有变化的形状，以便在径向上和/或在轴向上改变所述蜂窝结构的纹理和/或孔隙率。

6.根据权利要求4或5所述的脱气器，其特征在于，所述蜂窝结构(40)与所述腔室(10)和所述小齿轮(28)形成单一件。

7.根据权利要求1或2所述的脱气器，其特征在于，所述第一出口(20)被设置成借助于涡流抑制器(36)与所述空心轴(12)的内部空气循环空腔(13)流体连通，所述涡流抑制器与所述腔室(10)和所述小齿轮(28)形成一体件。

8.根据权利要求7所述的脱气器，其特征在于，所述小齿轮(28)沿着所述腔室(10)的外环形壁(14)轴向地布置，并且包括用于使所述空气/油混合物通过的至少一个轴向开口(30)，所述至少一个轴向开口与所述入口(18)流体连通。

9.根据权利要求7所述的脱气器，其特征在于，所述小齿轮(28)被布置在所述腔室(10)的入口(18)处，并且包括用于使所述空气/油混合物通过的至少一个轴向开口(30)，所述至少一个轴向开口与所述入口(18)流体连通。

10.根据权利要求3所述的脱气器，其特征在于，所述腔室(10)包括两个环形壁，分别为内环形壁(16)和外环形壁(14)，所述内环形壁和所述外环形壁在它们之间限定所述流道，并且通过一环形排的基本上径向的分隔部(24)进行连接，所述分隔部在它们之间限定脱气隔室，每个环形壁(14，16)的横截面为大致U形，并且所述环形壁(14，16)中的至少一个环形壁通过环形的材料腹板(33)连接到所述分隔部(24)，所述环形的材料腹板具有呈圆弧形的一环形排的凹口(34)，每个凹口(34)在两个相邻的分隔部(24)之间延伸，并且被成形为使得所述凹口的端部连接到相邻的分隔部(24)，并且所述凹口的凹入部分与环形壁(14，16)相对地定位并且与所述环形壁一起限定流体通道。

11.一种用于生产根据权利要求1至10中任一项所述的脱气器的方法，所述方法包括同时对小齿轮(28)和腔室(10)进行增材制造的阶段。