CN116163811A - 轴承腔封严系统和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴承腔封严系统和涡轮发动机，能够保证该涡轮发动机在不同运行状态下均具有良好的封严效果，并可以提高该涡轮发动机的效率。该涡轮发动机包括该轴承腔封严系统、低压压气机、可调放气阀和多个轴承腔，所述轴承腔封严系统用于对所述多个轴承腔进行气封，所述轴承腔封严系统包括第一引气流路和第二引气流路，所述第一引气流路用于引入所述可调放气阀的放气以作为第一封严气体；所述第二引气流路用于从所述低压压气机的其中一级引入第二封严气体，所述其中一级位于所述可调放气阀的上游。

Description

轴承腔封严系统和涡轮发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种轴承腔封严系统和涡轮发动机。

背景技术

涡轮发动机的转子和静子之间设置有多个轴承，分别位于多个轴承腔内，并通过润滑油进行润滑和冷却。为了保护轴承不被发动机内的高温燃气侵袭，以及防止轴承腔内的气体和润滑油外泄，除了在轴承腔设置密封件外，通常还采用封严系统对轴承腔进行气封。

封严系统从压气机引气，使轴承腔外的压力高于轴承腔内的压力，以产生封严压差。封严气体的压力是随发动机的转速而变化的，在发动机低速转动时，由压气机引入的气体压力较低，在发动机高速运行时，由压气机引入的气体压力较高，而轴承腔内的压力与外界大气相通，在发动机运行过程中变化不大。

对于大升限、高马赫数的发动机飞行包线，要保证发动机安全的内部运行环境，轴承腔封严存在以下设计难点：在低转速状态，例如慢车及以下状态，高空左边界点轴承封严压差不足，难以保证有效的封严；在高转速状态，封严压差过大，封严气体泄漏至轴承腔的流量过大，导致润滑油消耗量增加，且使封严件承受较大的压差，增加了封严件损坏的风险；此外，在高转速状态下，封严引气温度较高，若封严引气流路较长，封严气体途径流路过程中被加热或作功，导致进入轴承腔中的封严气体温度过高，有可能超出润滑油所允许的极限温度，造成润滑油结焦，甚至发生燃烧。

对于以上难点，通常采用的解决方式有以下两种：

1)采用换热器降低高级数气体温度，思路是采用压气机高级数引气来保证低转速状态下封严压差不足的问题，并通过增加换热器及相关的设计，使得封严引气的温度下降，以解决高转速状态下封严引气温度超限的问题；该方法需要增加换热器的设计，因此带来设计成本、重量、外部结构复杂程度的增加，同时由于引出压气机高级数的压缩气，带来了总体性能的损失；

2)采用引射系统降低轴承腔通风系统的排气压力，思路是增加引射系统至轴承腔通风系统当中，使得低转速状态下的轴承腔内压力进一步降低，该方法与方法1)相比，可以采用压气机较低级数引气，即可保证低转速状态的轴承腔封严压力，但如果沿程热源过多，还是会带来高转速状态下封严气体温度超限的问题，此外，该方法需要增加引射系统的设计，因此也会带来设计成本、重量、结构复杂程度的增加。

另外，涡轮发动机在使用过程中经常会遇到压缩部件(风扇、增压级和压气机)气动不稳定的问题，其中，喘振因其流动的复杂性和危害性，成为制约高性能发动机研发的主要问题之一。当风扇增压级的转速下降到设计点以下时，气流的轴向速度也随着降低，这会导致高压压气机进口流动情况恶化。为了调整进入高压压气机的流量从而改善风扇/增压级和高压压气机的匹配，需要设置可调放气阀(Variable Bleed Valves，VBV)。VBV在发动机起动和低转速范围内打开，在接近发动机设计状态时关闭，VBV随着风扇增压级转速的降低而增大出口面积，从风扇增压级出口的气体流道放出一定量的气体，这势必造成了风扇增压级一部分压缩功的浪费。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种轴承腔封严系统，能够保证该涡轮发动机在不同运行状态下均具有良好的封严效果，并可以提高该涡轮发动机的效率。

为实现所述目的的轴承腔封严系统，用于涡轮发动机，所述涡轮发动机包括低压压气机、可调放气阀和多个轴承腔，所述轴承腔封严系统用于对所述多个轴承腔进行气封，所述轴承腔封严系统包括第一引气流路和第二引气流路，所述第一引气流路用于引入所述可调放气阀的放气以作为第一封严气体；所述第二引气流路用于从所述低压压气机的其中一级引入第二封严气体，所述其中一级位于所述可调放气阀的上游。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述轴承腔封严系统还包括调节装置，用于调节所述第一封严气体与所述第二封严气体之间的比例。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述调节装置包括第一调节阀和第二调节阀，分别设置于所述第一引气流路和所述第二引气流路。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述轴承腔封严系统包括第一入口管路、第二入口管路和出口管路，所述出口管路与所述第一入口管路和所述第二入口管路流体连接，所述第一入口管路和所述第二入口管路分别用于引入所述第一封严气体和所述第二封严气体，所述出口管路用于将所述第一封严气体或/和所述第二封严气体引至所述轴承腔。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述调节装置为三通阀，包括第一入口、第二入口和出口，所述第一入口与所述第一入口管路流体连接，所述第二入口与所述第二入口管路流体连接，所述出口与所述出口管路流体连接。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述轴承腔封严系统还包括控制器，用于根据所述涡轮发动机的运行状态控制所述调节装置。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述多个轴承腔包括前轴承腔和后轴承腔，所述第一引气流路和第二引气流路用于对所述后轴承腔进行封严。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述多个轴承腔还包括位于所述前轴承腔和所述后轴承腔之间的中轴承腔，所述第一引气流路和所述第二引气流路还用于对所述中轴承腔进行封严。

在所述的轴承腔封严系统的一个或多个实施方式中，所述涡轮发动机的中介机匣的出口叶根转静子间存在漏气，所述轴承腔封严系统还包括第三引气流路，所述第三引气流路用于引入所述漏气，以对所述前轴承腔进行封严。

该轴承腔封严系统在低转速状态下采用来自可调放气阀的放气对轴承腔进行封严，既能满足封严压差的需要，又能减少性能损失，可以同时解决低转速状态下低压压气机与高压压气机的匹配问题、以及轴承腔封严压差不足的问题，提高涡轮发动机的效率；在高转速状态下从低压压气机的较低级数处引出封严气体，可以降低高转速状态下的封严压差，减小封严气体泄漏量和滑油消耗量，降低封严件损坏的风险，同时进一步降低封严引气的温度，有效解决沿程热源过多带来的封严引气温度超限的问题。该轴承腔封严系统的结构简单，易于实现，可以减少为增强封严效果而设置的换热系统、引射系统等结构，降低涡轮发动机的复杂性以及重量，减小性能损失，提高涡轮发动机的效率。

本发明的另一个目的是提供一种涡轮发动机，能够保证该涡轮发动机在不同运行状态下均具有良好的封严效果，并可以提高该涡轮发动机的效率。

为实现所述目的的涡轮发动机，包括前述的轴承腔封严系统。

该涡轮发动机通过采用该轴承腔封严系统，可以同时解决轴承腔封严流路的设计难点和低压压气机与高压压气机的匹配问题，减少性能损失，降低结构复杂性以及重量，有利于发动机总体设计与能量的综合管理，具有较高的成本效益与经济效益。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据一个实施方式的涡轮发动机和轴承腔封严系统的局部示意图。

图2是根据一个实施方式的轴承腔封严系统在低压压气机和前轴承腔处的局部示意图。

图3是根据一个实施方式的轴承腔封严系统在中轴承腔和后轴承腔处的局部示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，本申请的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参照图1至图3，根据本发明的一个实施方式的涡轮发动机100包括低压压气机1、高压压气机(未图示)、可调放气阀2、多个轴承腔、轴承腔通风系统8，以及用于对该多个轴承腔进行封严的轴承腔封严系统3。在图1至图3所示的实施方式中，涡轮发动机100包括三个轴承腔，从上游到下游依次为：前轴承腔4、中轴承腔5和后轴承腔6。在另一些实施方式中，涡轮发动机100包括两个轴承腔或包括多于三个轴承腔。

可调放气阀2位于低压压气机1的下游，用于从低压压气机1出口的气体流道放出一定量的气体，以使低压压气机1的输出与高压压气机的输入需要相匹配，避免发生喘振。

在本发明的描述中，需要说明的是，用语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流至的方向。

继续图1至图3，轴承腔封严系统3包括第一引气流路31、第二引气流路32、出口管路34和调节装置35。可调放气阀2外侧设置有集气腔9，用于收集可调放气阀2放出的气体，第一引气流路31与集气腔9流体连通，用于引入可调放气阀2的放气以作为第一封严气体311，第二引气流路32用于从低压压气机1的合适的级数处引入第二封严气体321。

第一引气流路31包括第一入口管路310，第二引气流路32包括第二入口管路320，第一入口管路310和第二入口管路320分别用于引入第一封严气体311和第二封严气体321。出口管路34与第一入口管路310和第二入口管路320流体连接，用于将第一封严气体311、或第二封严气体321、或将第一封严气体311与第二封严气体321混合后形成的混合封严气体33引至中轴承腔5和后轴承腔6，以对中轴承腔5和后轴承腔6进行封严。

由此，第一引气流路31和第二引气流路32通过同一个出口管路34输出封严气体，从而可以简化涡轮发动机100和轴承腔封严系统3的管路结构，减轻重量，降低成本，提高涡轮发动机100的效率。

调节装置35用于根据涡轮发动机100的运行状态调节第一封严气体311和第二封严气体321的比例，以保证涡轮发动机100在不同运行状态下均具有良好的封严效果。

例如，在低转速状态下，将调节装置35调至第一入口管路310全开，第二入口管路320全闭，从而采用来自可调放气阀2的放气的第一封严气体311为中轴承腔5和后轴承腔6进行封严，以保证足够的封严压差，且可以充分利用可调放气阀2放出的压缩气体，不必再从其他位置引出高压气体，有利于减少涡轮发动机100的性能损失，提高效率；在高转速状态下，将调节装置35调至第一入口管路310全闭，第二入口管路320全开，从而采用第二封严气体321为中轴承腔5和后轴承腔6进行封严，由于第二封严气体321来自低压压气机1的位于可调放气阀2上游的其中一级，与可调放气阀2处相比，该其中一级的级数较低，从而可以降低高转速状态下的封严压差，减小封严气体泄漏量，进而减小滑油消耗量，降低封严件损坏的风险，同时进一步降低封严引气的温度，有效解决沿程热源过多带来的封严引气温度超限的问题。

在另一个实施方式中，在可调放气阀2放气的状态下，调节装置35根据封严压差的需要，将第一封严气体311和第二封严气体321以一定的比例混合，形成混合封严气体33，并通过出口管路34输出混合封严气体33。

可选地，在第一入口管路310和第二入口管路320分别设置止回阀(未图示)，以防止其中一个入口管路中的气体倒灌入另一个入口管路。

继续图1至图3，调节装置35为三通阀，包括第一入口351、第二入口352和出口353，第一入口351与第一入口管路310流体连接，第二入口352与第二入口管路320流体连接，出口353与出口管路34流体连接，从而通过三通阀同时对第一入口管路310和第二入口管路320进行调节，以简化涡轮发动机100和轴承腔封严系统3的结构和控制逻辑。

在另一个实施方式中，调节装置35包括第一调节阀(未图示)和第二调节阀(未图示)，分别设置于第一入口管路310和第二入口管路320，从而可以较为灵活和准确地对第一入口管路310和第二入口管路320分别进行调节。

在又一个实施方式中，由于第一入口管路310所引入的第一封严气体311来自可调放气阀2，而可调放气阀2的放气量随着涡轮发动机100的转速而变化，因此调节装置35仅在第二入口管路320设置调节阀(未图示)，而不对第一入口管路310进行调节，从而简化涡轮发动机100和轴承腔封严系统3的结构和控制逻辑。

可选地，该轴承腔封严系统3还包括与调节装置35信号连接的控制器(未图示)，用于根据涡轮发动机100的运行状态控制调节装置35，从而可以提高控制的灵活性和准确性。

该控制器可以包括一个或多个硬件处理器，诸如微控制器、微处理器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、应用特定指令集成处理器(ASIP)、中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、物理处理单元(PPU)、微控制器单元、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、高级RISC机(ARM)、可编程逻辑器件(PLD)、能够执行一个或多个功能的任何电路或处理器等中的一种或多种的组合。

继续图1至图3，涡轮发动机100的中介机匣7的出口叶根转静子间存在漏气，轴承腔封严系统3还包括第三引气流路36，第三引气流路36用于引入该漏气以作为第三封严气体361，以对前轴承腔4进行封严，从而充分利用该漏气，减少性能损失，提高涡轮发动机100的效率。在另一个实施方式中，前轴承腔4、中轴承腔5和后轴承腔6均采用第一引气流路31和第二引气流路32进行封严。

该轴承腔封严系统3在低转速状态下采用来自可调放气阀2的放气对轴承腔进行封严，既能满足封严压差的需要，又能减少性能损失，可以同时解决低转速状态下低压压气机1与高压压气机的匹配问题、以及轴承腔封严压差不足的问题，提高涡轮发动机100的效率；在高转速状态下从低压压气机1的较低级数处引出封严气体，可以降低高转速状态下的封严压差，减小封严气体泄漏量和滑油消耗量，降低封严件损坏的风险，同时进一步降低封严引气的温度，有效解决沿程热源过多带来的封严引气温度超限的问题。

该轴承腔封严系统3的结构简单，易于实现，可以减少为增强封严效果而设置的换热系统、引射系统等结构，降低涡轮发动机100的复杂性以及重量，减小性能损失，提高涡轮发动机100的效率。该轴承腔封严系统3不但适用于图1至图3所示的涡轮发动机100，也适用于其他类型的涡轮发动机。

该涡轮发动机100通过采用该轴承腔封严系统3，可以同时解决轴承腔封严流路的设计难点和低压压气机1与高压压气机的匹配问题，减少性能损失，降低结构复杂性以及重量，有利于发动机总体设计与能量的综合管理，具有较高的成本效益与经济效益。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.轴承腔封严系统，用于涡轮发动机，所述涡轮发动机包括低压压气机、可调放气阀和多个轴承腔，所述轴承腔封严系统用于对所述多个轴承腔进行气封，其特征在于，所述轴承腔封严系统包括：

第一引气流路，用于引入所述可调放气阀的放气以作为第一封严气体；和

第二引气流路，用于从所述低压压气机的其中一级引入第二封严气体，所述其中一级位于所述可调放气阀的上游。

2.如权利要求1所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述轴承腔封严系统还包括调节装置，用于调节所述第一封严气体与所述第二封严气体之间的比例。

3.如权利要求2所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述调节装置包括第一调节阀和第二调节阀，分别设置于所述第一引气流路和所述第二引气流路。

4.如权利要求2所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述轴承腔封严系统包括第一入口管路、第二入口管路和出口管路，所述出口管路与所述第一入口管路和所述第二入口管路流体连接，所述第一入口管路和所述第二入口管路分别用于引入所述第一封严气体和所述第二封严气体，所述出口管路用于将所述第一封严气体或/和所述第二封严气体引至所述轴承腔。

5.如权利要求4所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述调节装置为三通阀，包括第一入口、第二入口和出口，所述第一入口与所述第一入口管路流体连接，所述第二入口与所述第二入口管路流体连接，所述出口与所述出口管路流体连接。

6.如权利要求2至5中任一项所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述轴承腔封严系统还包括控制器，用于根据所述涡轮发动机的运行状态控制所述调节装置。

7.如权利要求1至5中任一项所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述多个轴承腔包括前轴承腔和后轴承腔，所述第一引气流路和第二引气流路用于对所述后轴承腔进行封严。

8.如权利要求7所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述多个轴承腔还包括位于所述前轴承腔和所述后轴承腔之间的中轴承腔，所述第一引气流路和所述第二引气流路还用于对所述中轴承腔进行封严。

9.如权利要求7所述的轴承腔封严系统，其特征在于，所述涡轮发动机的中介机匣的出口叶根转静子间存在漏气，所述轴承腔封严系统还包括第三引气流路，所述第三引气流路用于引入所述漏气，以对所述前轴承腔进行封严。

10.涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的轴承腔封严系统。

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