CN1427140A - 挠性连接的双壳式轴承座 - Google Patents
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Abstract
一种支承座(34)包括内和外壳层(36、38)，转子轴(30)可延伸穿过该内和外壳层。引入管(50)固定连接在内壳层(36)上并延伸通过外壳层(38)的引入孔(62)。挠性连接件(64)在引入孔(62)处将引入管(50)固定连接在外壳层(38)上以便允许在引入管(50)处内和外壳(36、38)之间的不同热运动。
Description
技术领域
本发明总的涉及气体涡轮发动机，更具体地说是涉及其中的转子轴承。
背景技术
在一种气体涡轮发动机中，空气在压缩机中加压并在燃烧室中与燃料混合以便产生热燃气。该热燃气向下游流动通过多个从中引出能量的涡轮级。高压涡轮由转子轴连接在压缩机上。在示例的涡轮风扇气体涡轮飞机发动机应用中，另一转子轴将低压涡轮连接到布置在压缩机上游的风扇上。
这两个转子轴安装在适当轴承内，而轴承支承在该发动机的相应定子框架中。每个轴承具有相应的轴承座，在工作期间通过轴承座适当地引导润滑油。
支承高压涡轮转子轴的轴承可位于该围绕环形燃烧室内部的发动机中心孔内。工作期间由燃烧室产生的热也加热邻接的轴承座并使该轴承座在工作期间受到热诱导应力。这种热应力随着冷和热壳体构件之间的温差增大而增大，尤其是在邻接构件会阻止两者之间的这种热膨胀的地方应力增加。
轴承座可按照传统方式借助于在它和热燃烧室之间使用围绕隔热罩，以及采用从压缩机引导泄放空气以便在燃烧室和轴承座之间提供热空气屏障的方法进行保护。这会增加处于该位置的轴承座的复杂性，而且在相对较小的气体涡轮发动机中，在轴承座中引入管这种特征的能力由于可得到空间小所限制。
在一种传统结构中，轴承座包括在其中安装轴承的内结构壳层，而且该内壳层的相对轴向端部与转子轴密封。各种引入管线或者管路将润滑油送到和送离该内壳层，并由此提供空气流通。
该内壳层可由外壳层包围，后者用从压缩机泄放的空气加压以便防止润滑油从内壳层漏出。而且，在外壳层内部的空气为内壳层提供热屏障。
引入管路必须延伸通过外壳层，因此其中需要适当的密封。在传统结构中，引入管路可与内和外壳层刚性互连，以便两者之间在相应的引入管路局部附近提供适当的固体金属密封。然而，由于围绕着外壳层的热燃烧环境，外壳层会在比内壳层温度高的温度下工作。因此，壳层间的增压室用温度较低的泄放空气加压从而在相对较低的温度下工作。于是，在内壳层内部的油仍然明显地较冷。
因此，外壳层会相对于内壳层沿着径向和轴向热膨胀，而且由于在相应引入管路处的局部刚性接合点而在两者之间形成物理束缚。那些接合点因此在工作中遭受热应力，这对于某些发动机结构来说可能十分显著，于是可能导致缩短轴承座使用寿命。
因此，希望提供一种受到燃烧室加热并在其中具有小热应力的改进轴承座。
发明内容
支承座包括内和外壳层，转子轴可延伸穿过该内和外壳层。引入管固定连接在内壳层上并延伸通过外壳层的引入孔。挠性连接件将引入管固定连接在外壳层的引入孔处以便允许在引入管处内和外壳之间的不同热运动。
附图说明
下面结合附图，根据几个优选和示例实施例更加具体地描述本发明及其进一步的目标和优点，其中：
图1是示例涡轮风扇气体涡轮发动机一部分的示意轴向剖视图，该发动机包括根据本发明示例实施例的轴承座。
图2是图1所示轴承座一部分的放大轴向剖视图，该轴承座包括在此延伸通过其中并带有本发明示例实施例挠性连接件的引入管。
而图3与图2类似，是延伸通过轴承座并带有本发明另一实施例挠性接头的引入管放大轴向剖视图。
具体实施方式
在图1中示意地描述典型涡轮风扇气体涡轮发动机10的一部分，该发动机是相对于纵向或轴向中心线12轴对称的。该发动机包括一构造成用来加压排入环形燃烧室18的空气16的多级轴向压缩机14，。燃料20由该燃烧室的上游或圆盖端部通过相应的燃料喷射器22喷入以便与已压缩空气混合，然后点火以便产生热燃气24，该燃气24再通过高压涡轮喷嘴26从燃烧室排出。
高压涡轮28布置在涡轮喷嘴26下游，并包括一排从呈传统结构的支承转子盘沿径向朝外伸出的涡轮转子叶片。涡轮转子用相应的转子轴30连接在压缩机转子上。
低压涡轮(未显示)布置在该高压涡轮的下游并连接在风扇(未显示)上，该风扇由安装在高压涡轮转子轴30的孔内部的另一轴(未显示)安置在压缩机14的上游。这种涡轮风扇发动机结构只是该发动机的实例，它可根据需要具有其他任何形式，其中高压涡轮转子轴30延伸通过燃烧室中心孔以便将压缩机和高压涡轮可操作地连接在一起。
环形燃烧室内壳32从燃烧室18沿径向向内布置，环形轴承座34以任何适当的方式支承在内壳32上。
该轴承座包括共轴或者说同心的内和外壳层36、38，而且该内壳层具有中心孔或者说增压室40，它用来容纳沿轴向穿过其中的转子轴30。内壳层36是结构上承载构件并且还包括径向安装凸缘42，它借助于多个传统紧固件适当地固定连接到支承该轴承座的内壳32的互补径向凸缘上。
内壳层36总体呈圆筒形并包括圆锥形尾部外侧部分，它终止在安装凸缘42处以便将轴承座安装在内支承壳32上。该圆锥部分从内壳层36的中间区域伸出，在该中间区域内部布置容纳轴承46的环形支座44，该轴承46轴30再支承在该内壳层内侧。
轴承46可具有任何传统结构，例如为所描述的滚柱轴承，并且可用任何传统方式安装在轴承支座44内。在图1所示示例实施例中，轴承外环安装在传统的悬臂鼠笼支架内，后者再连接在环形阻尼环48上。
用任何传统方式将引入管或者管道50固定连接在内壳层36上以便把润滑油52引导到轴承上。例如可将内壳层做成具有多个通过其中的适当通道以便将一些油递送到阻尼环48，从而在阻尼环内周边和轴承内环外周边之间提供挤压油膜。在工作期间，油使阻尼环与轴承内环分离并在两者之间提供缓冲。内壳层还包括多个另外的油通道以便以任何传统方式从转子轴承前后两侧将润滑油分配到转子轴承本身。
为了将润滑油容纳在内壳层内部，提供适当装置54以便工作期间将内壳层相对轴向端部与在其中旋转的转子轴30密封。密封装置54可具有任何传统结构，例如为碳密封装置和相关的迷宫密封装置，它允许转子轴在静止的内壳层内部旋转并且在此同时在两者的旋转界面处提供有效密封。按照这种方式，内壳层的中心孔或增压室40由围绕转子轴的内壳层完全密闭，以便在其中保持可使润滑油循环的密闭环境。
由于图1所示轴承座34直接布置在环绕燃烧室18下方，它由在工作期间产生的热燃气24加热。提供到轴承46的润滑油52处于显著降低的温度下，该温度必须被限制以便保证润滑油的功效，从而在工作期间提高轴承寿命。
外壳层38环绕着内壳层以便进一步密封该轴和内壳层并且在内壳周围提供隔热屏障。外壳层38可具有任何适当的结构，它总体呈圆筒形并同心地围绕内壳层的前部，其中在两者之间的径向间隔限定环形增压室56。
外壳层包括前部，该前部具有尾端部，它用例如焊接或钎焊沿着安装凸缘42的圆锥部分固定连接在内壳层上，以便将该外壳层前部围绕转子轴相应部分悬置。外壳层最好还包括例如用适当紧固件固定连接在内壳层尾端部的尾部，并从圆锥形凸缘支承提供屏障，该凸缘悬置在内壳层的转子轴尾部另一部分上方。外壳层38按照这种方法适当构造成把内壳层完全密闭在其环绕着延伸通过其中的转子轴的相对轴向端部之间。
在外壳层相对轴向端部处分别提供用来将外壳层与转子轴30密封的装置58。密封装置58可具有任何传统结构，例如为带有从转子轴30伸出的转子齿和在外壳层相对端部处形成的协作定子接合区的迷宫密封装置。齿与协作的接合区限定小间隙，并提供与静止外壳层的有效旋转密封。
附加装置60提供来以空气16为外壳层38加压，以便进一步将油密封在内壳层内部。该加压装置可具有任何传统构形，并且最好包括压缩机14本身，一部分空气16从该压缩机的适当级泄放出并引导通过用常规T型接头适当连接在外壳层38上的泄放管道或管60。
图1所示的压缩机14布置在燃烧室18上游，而且该燃烧室围绕着内部布置有轴承座34的内支承壳32。全压压缩机排出空气导入内壳32外侧的燃烧室以便在该燃烧室内经受燃烧。由于内壳和转子轴之间的传统迷宫密封装置，内壳32内侧限定的增压室在工作期间处于明显低于压缩机排出压力的较低压力下。
因此，通过泄放管道60引导的级间泄放空气对于将外壳层38内部的层间增压室56加压到比外壳层外部所受压力高的压力来说是有效的。因此，轴密封装置54从外部被加压，从而改善了它们的将润滑油保留在内壳层内部的密封性能。而且，在外壳层内部引导的泄放空气16具有明显低于燃气温度的温度，因而在燃烧室和内壳层36之间提供隔热屏障。
因此，从燃烧室18沿径向向内通过内壳32、外壳层38和内壳层36到内部装有轴承46的内壳层中心孔40产生显著的温度梯度。从而，内壳层36和外壳层38从发动机中心线12径向向外以及从安装凸缘42轴向向前以不同的比率膨胀。在这个示例实施例中油引入管50固定连接在内壳层36前端，从而经受内和外壳层之间的明显不同的热运动。
为了适应该轴承座双层之间的不同热运动，外壳层包括引入孔62，引入管50通过引入孔62延伸并且在两者之间具有适当量的围绕径向间隙。由于层间增压室56在工作期间用空气加压，根据本发明的挠性连接件64将引入管50密封连接在引入孔处在外壳层上以便保持在外壳层内部的加压空气的压力。
连接件64必须是挠性的，以便适应内壳层和外壳层之间与引入管50连接处的不同热运动，在此同时还允许外壳层加压。通过防止这两个层限制引入管处相互热运动，由这种限制诱发的热应力会消除。因此与两个层连接的引入管在工作期间只经受相对较低的应力，从而保证轴承座具有相当长的使用寿命。
在图2中更加详细地表示挠性连接件64的示例实施例。该连接件包括在引入孔62处围绕着引入管50的管状套管或套筒66。引入管50可具有任何传统形式，并且通常包括与内壳层整体成形为共同铸件的短杆件或短管50a。该短管可具有焊接在内壳层上的远侧端部，它接合引入管内的相对的匹配座50b，所述短接管和座用传统的球状螺母50c锁紧在一起。
连接件套筒66可构造成与引入管的短管端部协同工作，从而在引入管和外壳层之间提供挠性连接。如图2所示，套筒66包括密封连接在外壳层上的邻近端部66a以及密封连接在引入管的与内壳层36连接处的相对远侧端部66b。
连接件64最好还包括内座68，它呈用例如钎焊或焊接固定连接在引入管上的保持环形式。该内座部分地从引入管沿径向向外留出间隔，从而以与其滑动接触配合方式轴向容纳套筒远侧端部66b。内座围绕着引入管并且在与其密封邻接地容纳套筒远侧端部，所述密封接合在不同热运动情况下采取可伸缩的方式。
相应地，借助于例如适当的螺纹紧固件将示例管帽形状的外座70围绕着引入孔固定连接在外壳层38上。外座70的邻近端部用例如接触配合的方式与外壳层适当地密封，而外座的远侧端部在围绕着引入管50的引入孔62上方向外悬伸。该外座的远侧端部也从引入管周边沿径向向外留出间隔，以便轴向容纳套筒邻近端部66a。
因此，外座70围绕着引入孔62和延伸通过其中引入管两者，从而以密封邻接的方式容纳套筒邻近端部66a。在引入管50处的双层之间不同热运动借助于套筒66在相对内和外座68，70内部的轴向移动以及其中套筒的倾斜得以调整。
由于图2所示的外壳层38在比受保护内壳层36温度高的温度下工作，外壳层沿着轴线方向A的轴向膨胀会大于内壳层的轴向膨胀。而且，外壳层38沿着半径方向R的径向膨胀也会大于受保护内壳层36的径向膨胀。
图2所示的引入管道50按照确定引入管50路线的前进方向以大约50°的倾斜角度延伸穿过外壳层。在两层之间与发动机相关的轴向和径向不同热运动置换成与倾斜引入管50在与内壳层36连接处的纵向轴线有关的相应的局部轴向和径向不同运动。
因此，当工作期间引入管在引入孔62内部运动时，套筒66当其在内和外座中轴向滑动和根据需要倾斜以便适应不同的运动时与协作的内和外座保持密封接触。用这种方法，挠性连接件64提供一种有效密封，以便在外壳层内部保持空气加压状态，在此同时还能适应两个壳体之间在与引入管接合处的不同热运动。因此，尽量减小引入管与内和外壳层接合处的热诱发应力，从而延长轴承座的使用寿命。
图2所示的管状套筒66最好由相对较薄的金属片制成，它在其相对端部之间基本上是直的。套筒相对端部最好是在轴向和径向具有凸起外表面的稍微球形或大体球形。因此，套筒相对端部提供与相应座密封接触的环形线，并且在通过套筒的滑动和倾斜调节时允许在两个座之间的不同轴向运动和径向运动。
在图2所示的优选实施例中，挠性连接件64最好还包括围绕该连接件并稍微与之隔开的管状隔热罩72，而且该隔热罩在其邻近端部固定连接到围绕引入孔62的外壳层38上。可利用将外座70安装在外壳层上的相同紧固件来将隔热罩安装在外壳层的外座顶上。用这种方法，隔热罩能保护挠性连接件64不受周围热环境影响，因而隔热罩能改善该挠性连接件的耐久性。
图3表示挠性连接件64B的可选择实施例，其中套筒74是波纹形的，从而限定在引入孔62处围绕引入管50的挠性波纹管。该波纹管最好由两层金属薄板制成以便有冗余和自阻尼，并且包括相对的邻近和远侧端部74a、b。
波纹管邻近端部74a最好用钎焊或焊接固定连接在外壳层38的引入孔62周围。而波纹管远侧端部74b最好用钎焊或焊接法在相应环形凸缘处固定连接在引入管50的短接管端部。
因此，波纹管74在引入管50和外壳层38之间提供密封以便在外壳层内部保持增压，而且波纹管波纹允许内和外壳层之间在引入管处基本上不受限制地进行不同热运动。于是这两个壳体在引入管连接处不再相互限制，从而在工作期间保持相对较低的热应力以便延长轴承座的使用寿命。
同图2所示的实施例一样，图3描述的实施例最好也包括围绕着波纹管连接件的管状隔热罩72，而且该隔热罩适当地固定连接在注油孔周围的外壳层上。
由于两个层36、38在引入管50处结构分离的另一显著优点是消除了内壳层在轴承支座44处的圆周扭曲。多项分析指出两个层在引入管处的结构连结会造成内壳层在轴承支座44处局部扭曲。这种圆周扭曲会反映在阻尼环48和轴承内环之间的阻尼分界面中，从而使两者间的径向间隙发生不符需要的变化。
上文披露的挠性连接件64使两个层相互结构分离，以便尽可能使轴承支座44、阻尼环48和轴承46同心，从而保证轴承内环和阻尼环间的径向间隙更加均匀，改善工作期间的缓冲性能。
上文披露的轴承座通常需要几条围绕其周边圆周隔开的引入油和通风空气的管路。而且这些延伸通过外壳层并终止于内壳层的引入管路最好是全部使用上文描述的挠性连接件，以便减小发动机工作期间在轴承座内的热诱发应力。
在此处已经描述认为是本发明优选和示例实施例的同时，显而易见，本领域技术人员通过此处的教导可对本发明作出其他多种变型，所以，所有落入本发明真实精神和范围内的这种变型需要在所附权利要求中得以保护。
Claims (20)
1.一种轴承座(34)，它包括：
一内壳层(36)，它具有一用来容纳通过其中的转子轴(30)的中心孔(40)，一用来将所述内壳层安装到支承壳(32)上的径向凸缘(42)，一用来容纳将所述轴支承在所述内壳层内侧的轴承(46)的支座(44)，以及一固定连接在所述内壳层上以便引导流体(52)的引入管(50)；
一外壳层(38)，它围绕所述内壳层(36)并固定连接其上，而且包括一容纳通过其中的所述引入管的引入孔(62)；以及
一挠性连接件(64)，它将所述引入管密封连接在所述引入孔处的所述外壳层上以便允许所述外壳层加压以及在所述内和外壳层之间所述引入管处的不同热运动。
2.如权利要求1所述的轴承座，其特征在于，所述挠性连接件(64)包括一在所述引入孔处围绕所述引入管(50)的管状套筒(66)，而且所述套筒的邻近端部(66a)密封连接在所述外壳层(38)上，而所述套筒的相对远侧端部(66b)密封连接在所述引入管上。
3.如权利要求2所述的轴承座，其特征在于，所述连接件(64)还包括一围绕所述引入管(50)以便密封邻接地容纳所述套筒远侧端部(66b)的内座(68)，和一围绕所述引入孔(62)以便密封邻靠地容纳所述套筒邻近端部(66a)的外座(70)。
4.如权利要求3所述的轴承座，其特征在于，所述套筒是基本上直的，而其所述邻近和远侧端部(66a，b)呈球形，并且所述内和外座(68，70)呈圆筒状以便允许两者之间的轴向和枢转运动。
5.如权利要求4所述的轴承座，其特征在于：
所述内座(68)包括一保持环，所述保持环固定连接在所述引入管(50)上并且部分地从中沿径向向外留出间隔以便在其间滑动配合地轴向容纳所述套筒远侧端部(66b)；以及
所述外座(70)包括一管帽，所述管帽围绕着所述引入孔(62)和所述引入管(50)固定连接在所述外壳层(38)上，并且从所述引入管沿径向向外留出间隔以便在其间滑动配合地容纳所述套筒邻近端部(66a)。
6.如权利要求5所述的轴承座，其特征在于，其还包括一管状隔热罩(72)，所述隔热罩围绕着所述连接件(64)，并且围绕着所述引入孔固定连接在所述外壳层(38)上。
7.如权利要求2所述的轴承座，其特征在于，所述套筒(74)是波纹形的并限定一挠性波纹管。
8.如权利要求7所述的轴承座，其特征在于，所述套筒邻近端部(74a)围绕着所述引入孔(62)固定连接在所述外壳层(38)上，而所述套筒远侧端部(74b)固定连接在所述引入管(50)上。
9.如权利要求8所述的轴承座，其特征在于，其还包括一管状隔热罩(72)，所述隔热罩围绕着所述连接件(64)，并且围绕着所述引入孔固定连接在所述外壳层(38)上。
10.如权利要求2所述的轴承座，还包括：
用来将所述内壳层(36)与所述轴(30)密封开的装置(54)；
用来将所述外壳层(38)与所述轴(30)密封开的装置(58)；以及
用来加压所述外壳层(38)以便在所述内壳层(36)内部密封油(52)的装置(60)。
11.如权利要求10所述的轴承座，还包括：
所述支承壳(32)围绕所述外壳层(38)并且在所述安装凸缘(42)处固定连接在所述内壳层(36)上；以及
所述加压装置包括一用于加压空气(16)的压缩机(14)以及一用于在所述外壳层(38)内部引导已加压空气的泄放管路(60)；以及
所述压缩机布置在围绕着所述支承壳(32)的燃烧室(18)的上游，并且对于引导压缩空气到所述燃烧室以便在其中与燃料(20)混合并产生热燃气(24)而言是有效的，所述热燃气在工作期间加热所述轴承座(34)。
12.一种轴承座(34)，它包括：
同心的内和外壳层(36，38)；
一引入管(50)，它固定连接在所述内壳层(36)上并延伸通过所述外壳层(38)的引入孔(62)；以及
一挠性连接件(64)，它将所述引入管(50)在所述引入孔处密封连接在所述外壳层上以便允许在所述引入管处所述内和外壳层之间的不同热运动。
13.如权利要求12所述的轴承座，其特征在于，所述挠性连接件(64)包括：
一管状套筒(66)，它在所述引入孔处围绕所述引入管(50)；
一内座(68)，它围绕所述引入管以便密封邻接地容纳所述套筒的端部；以及
一外座(70)，它围绕所述引入孔以便密封邻接地容纳所述套筒的相对端部。
14.如权利要求13所述的轴承座，其特征在于：
所述套筒(66)在其所述相对端部之间大致是直的；
所述内座(68)包括一固定连接在所述引入管(50)上的保持环；以及
所述外座(70)包括一围绕所述引入孔固定连接在所述外壳层上的管帽。
15.如权利要求14所述的轴承座，还包括一管状隔热罩(72)，所述隔热罩围绕所述连接件(64)，并且围绕所述引入孔固定连接在所述外壳层(38)上。
16.如权利要求12所述的轴承座，其特征在于，所述挠性连接件(64B)包括一波纹管(74)，所述波纹管在所述引入孔(62)处围绕所述引入管(50)，并具有固定连接在所述加油管和所述引入孔周围的所述外壳上的相对端部(74a，b)。
17.如权利要求16所述的轴承座，还包括一管状隔热罩(72)，所述隔热罩围绕所述连接件(64)，并且围绕所述引入孔固定连接在所述外壳层(38)上。
18.一种轴承座(34)，它包括：
同心的内和外壳层(36，38)；
所述内壳层(36)包括一用来支承延伸通过其中的转子轴(30)的轴承(46)；
装置(54)，它用来将所述内壳层(36)与所述转子轴密封开；
装置(58)，它用来将所述外壳层(38)与所述转子轴密封开；
一引入管(50)，它固定连接在所述内壳层上并且延伸通过在所述外壳层内的引入孔以便将油(52)引导到所述轴承；
装置(60)，它用空气(16)来加压所述外壳层(38)以便将所述油密封在所述内壳层内部；以及
一挠性连接件(64)，它将所述引入管在所述引入孔处密封连接在所述外壳层上以便允许在所述引入管处所述内和外壳层之间的不同热运动。
19.如权利要求18所述的轴承座，还包括：
一燃烧室内壳(32)，它围绕所述外壳层(38)，并且固定连接在所述内壳层(36)上以便支承；以及
所述加压装置(60)包括一压缩机(14)和一用来将已加压空气从中引导到所述外壳层的泄放管路。
20.如权利要求19所述的轴承座，其特征在于，所述挠性连接件(64)包括一在所述引入孔处围绕所述引入管(50)的管状套筒(66)，而且所述套筒的邻近端部(66a)密封连接在所述外壳层(38)上，而所述套筒的远侧端部(66b)密封连接在所述引入管上。
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