燃气涡轮发动机及其轴承腔压力调节装置的制作方法

1.本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种燃气涡轮发动机及其轴承腔压力调节装置。


背景技术：

2.在航空燃气涡轮发动机中，含有轴承部件，用于发动机主轴进行高速旋转。为了保护轴承不被发动机内的高温燃气侵袭，需要将轴承设置在轴承腔内。轴承腔设置密封装置，防止用于润滑轴承的滑油从轴承腔中漏出去。为了保证密封效果，所述轴承腔密封装置需要有封严压差。封严压差通过轴承腔外的高压气体压力与轴承腔内压力之差建立。
3.轴承腔外的高压空气通常由发动机压气机引入，其压力是随发动机转速的不同而变化的。在发动机低速转动时，由压气机引入的空气压力较小，在发动机高速运行时引入空气压力较高，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。因此轴承腔密封件会承受较大的压力差变化，这导致其磨损加快，并且在带来在大压差下高温气体侵入轴承腔引发着火风险，小压差下轴承腔滑油泄漏风险。
4.同时，封严气经过轴承腔混合滑油后将形成油气从转轴轴心通往外界大气，若不采用适当的措施将滑油从空气中分离出来并送回至轴承腔内，这必将从轴承腔内带走大量的滑油导致滑油被消耗，尤其使发动机高转速状态下，过多消耗滑油将导致轴承冷却不足造成轴承失效危险。


技术实现要素：

5.本发明的一个目的在于提供一种轴承腔压力调节装置，能够解决现有技术中存在的一个或多个方面的问题。
6.本发明的另一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机，其包括前述轴承腔压力调节装置。
7.为实现前述一个目的的轴承腔压力调节装置，安装于发动机转轴内腔，包括：
8.压力调节单元，包括相铰接的第一挡部以及第二挡部，所述第一挡部与所述发动机转轴固定连接，所述第二挡部以铰接处为中心可自第一位置转动至第二位置，所述压力调节单元在所述第二位置遮蔽、在所述第一位置开放所述发动机转轴内腔；
9.气流引导单元，具有呈烟斗状的气流引导腔，具有第一引导部、第二引导部以及连接所述第一引导部与所述第二引导部的伸缩部，所述第一引导部具有烟斗的进气口，并与所述发动机转轴固定连接，所述第二引导部具有烟斗的出气口，并与所述第二挡部固定连接；以及
10.复位单元，连接于所述第二挡部与所述发动机转轴之间，以使所述第二挡部在所述第二位置具有朝向所述第一位置运动的趋势；
11.其中，当气流沿所述烟斗状的气流引导腔自所述进气口至所述出气口流动时，所述第二引导部由所述气流推动并带动所述第二挡部自所述第一位置朝向所述第二位置运
动，所述伸缩部在运动过程中被拉伸或收缩。
12.在一个或多个实施方式中，所述第一挡部由多个顶端相连接的第一扇形挡片组成，所述第二挡部由多个顶端相连接的第二扇形挡片组成，在每个所述第二扇形挡片上均设置有所述气流引导单元，所述第一扇形挡片中具有沿所述发动机转轴周向开设的第一槽部，所述第二扇形挡片中具有第二滑块；
13.其中，多个所述第一扇形挡片的顶端与多个所述第二扇形挡片的顶端铰接连接，在连接状态下，所述第二滑块与所述第一槽部滑动配合连接。
14.在一个或多个实施方式中，所述压力调节单元还包括至少一个第三挡部，所述第三挡部由多个顶端相连接的第三扇形挡片组成，所述第三扇形挡片中具有沿所述周向开设的第三槽部以及第三滑块；
15.其中，多个所述第三扇形挡片的顶端铰接连接于多个所述第一扇形挡片的顶端与多个所述第二扇形挡片的顶端之间，在连接状态下，所述第三滑块可滑动连接于所述第一槽部中，所述第二滑块可滑动连接于所述第三槽部中。
16.在一个或多个实施方式中，所述第二挡部具有凸部，所述转轴内周开设有与所述凸部外形相匹配的环槽，所述凸部可滑动连接于所述环槽后，与所述转轴通过所述复位单元连接。
17.在一个或多个实施方式中，所述复位单元为螺旋弹簧。
18.在一个或多个实施方式中，所述第一引导部沿所述发动机转轴的径向延伸，所述伸缩部以及所述第二引导部沿所述发动机转轴周向延伸，以形成呈烟斗状的的所述气流引导单元。
19.在一个或多个实施方式中，所述出气口包括排气口以及排油口，所述排气口朝向所述发动机转轴内侧开设，所述排油口沿所述发动机转轴的切线方向开设，所述排油口相对所述排气口更靠近所述发动机转轴的壁面。
20.在一个或多个实施方式中，所述排气口与所述排油口之间具有连接部，所述连接部具有朝向所述气流引导腔中延伸的一段。
21.在一个或多个实施方式中，所述排油口由自所述第二引导部向外延伸出的一段支管限定出，所述一段支管与所述第二引导部的连接处具有缩径结构。
22.在一个或多个实施方式中，所述气流引导腔自所述进气口至所述出气口的腔内径向面积整体渐缩。
23.在一个或多个实施方式中，所述第二引导部具有在所述排气口的上游位置设置的凹形承力腔，所述凹形承力腔配置于气流流动路径上，以使气流沿所述烟斗状的气流引导腔自所述进气口至所述出气口流动时，通过所述凹形承力腔对所述第二引导部施加推力。
24.在一个或多个实施方式中，所述第一引导部的外周侧开设有回油槽。
25.为实现前述另一目的的燃气涡轮发动机，包括如前所述的轴承腔压力调节装置。
26.本发明的进步效果包括以下之一或组合：
27.1)通过本轴承腔压力调节装置，能够实现在不同转速下对发动机转轴内腔的遮挡面积进行调整，可实现轴承腔密封装置的压差在发动机不同转速下基本可以维持在固定值，极大优化了密封装置的工作条件，可提升轴承腔封严结构的工作寿命，并有效降低轴承腔着火和滑油泄漏的风险。
28.2)通过本轴承腔压力调节装置，能够利用烟斗状的本体实现对油气流动通道的组织并巧妙的集成了油气分离结构，可有效实现油气中滑油的高效回收，大大降低发动机的滑油消耗率。
附图说明
29.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：
30.图1示出了燃气涡轮发动机一个实施方式的示意图；
31.图2示出了燃气涡轮发动机前轴承腔处一个实施方式下的示意图；
32.图3示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下的立体示意图；
33.图4示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下剖切得到的立体剖视示意图；
34.图5示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下剖切得到的平面剖视示意图；
35.图6示出了本压力调节单元一个实施方式下的分解示意图；
36.图7示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式运动至第二位置的示意图；
37.图8示出了压力调节装置处于第一位置状态下的示意图；
38.图9示出了压力调节装置处于第二位置状态下的示意图；
39.图10示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下与发动机转轴连接处的局部示意图；
40.图11为图10中沿a-a方向剖切所视得的剖视示意图；
41.图12示出了伸缩部一个实施方式下位于收缩位置的示意图；
42.图13示出了伸缩部一个实施方式下位于展开位置的示意图。
具体实施方式
43.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，并非是对本技术的保护范围进行限制。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。
44.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。另外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本技术保护范围的限制。
45.需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。
46.为解决现有技术中存在的一个或多个方面的问题，本发明的一个方面提供了一种
燃气涡轮发动机及轴承腔压力调节装置，如图1示出了燃气涡轮发动机一个实施方式的示意图，图2为燃气涡轮发动机前轴承腔处一个实施方式下的示意图。
47.其中，燃气涡轮发动机1包括高压转子4和低压转子5，高压转子4和低压转子5通过第一轴承17以及第二轴承18支撑以实现高速转动。而轴承通常分别封装在轴承腔中。具体地，如图2所示，第一轴承17以及第二轴承18封装在前轴承腔24中用于将发动机转轴20支撑在固定组件22上，发动机转轴20与固定组件22之间由迷宫密封组件16密封并围成轴承腔24，利用来自流道经过压缩的空气12对轴承腔24进行封严。
48.为了防止滑油泄露，通常前轴承腔24内要比轴承腔外23的压力低，故如箭头标识出的封严气12流经密封组件16进入前轴承腔24中与滑油混合形成如箭头标识出的油气13，油气13再流经油气分离装置7进入转轴腔25中，分离出滑油的气体通过压力调节装置6后进入通过通风管19内腔再被排至发动机外，其中如箭头标识出的被分离出来的滑油26则沿转轴内壁流回轴承腔24。
49.图3示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下的立体示意图，图4为本轴承腔压力调节装置一个实施方式下剖切得到的立体剖视示意图，图5为本轴承腔压力调节装置一个实施方式下剖切得到的平面剖视示意图。
50.其中，轴承腔压力调节装置6如图2所示地安装于发动机转轴20的内腔中，其包括压力调节单元8、气流引导单元7以及复位单元22。
51.如图6示出了本压力调节单元一个实施方式下的分解示意图，压力调节单元8包括相铰接的第一挡部81以及第二挡部82，第一挡部81与发动机转轴20固定连接，其连接方式可以是包括但不限于如铆接或焊接的连接方式。第二挡部82以铰接处80为中心可自如图5所示的第一位置转动至如图7所示的第二位置，从而使得压力调节单元8在如图7所示的第二位置遮蔽发动机转轴20的内腔，使得气流在自发动机转轴20内流动时，将会由处于第二位置呈展开状态下的第一挡部81以及第二挡部82阻挡。而压力调节单元8在图5所示的第一位置将使得发动机转轴20的内腔开放，使得气流在自发动机转轴20内流动时，将能够自处于第一位置呈收拢状态下的第一挡部81以及第二挡部82的外侧流通。
52.气流引导单元7具有如图所示呈“烟斗状”的气流引导腔70，其具有第一引导部71、第二引导部72以及连接第一引导部71与第二引导部72的伸缩部9。其中，第一引导部71具有呈“烟斗状”的气流引导腔70的烟斗的进气口701(也即烟斗状结构的烟斗口部分)，第二引导部72具有呈“烟斗状”的气流引导腔70的烟斗的出气口702(也即烟斗状结构的烟嘴部分)，第一引导部71是如图所示地与发动机转轴20固定连接，具体而言，第一引导部71与发动机转轴20之间的连接关系可以是如图中所示地穿设于发动机转轴20的方式与其连接。第二引导部72与第二挡部82之间固定连接，其连接方式可以是包括但不限于如铆接或焊接的连接方式。
53.复位单元22连接于第二挡部82与发动机转轴之间，其具体连接的方式将在后文详述，在此不再赘述。复位单元22具有弹性，以使得第二挡部82在如图7所示的第二位置具有朝向如图5所示的第一位置运动的趋势。
54.其中，如图5所示，当来自轴承腔24的气流，如油气13沿发动机转轴20的径向a自进气口701进入“烟斗形”的气流引导腔70中后，气流顺着流道改变为沿发动机转轴20的周向b流动，经过伸缩部9后从出气口702排出，在流动过程中，第二引导部72将由气流推动并带动
第二挡部82自图5所示的第一位置朝向如图7所示的第二位置运动，伸缩部9在该运动过程中被拉伸展开。当气流不再进入气流引导腔70，或进入气流引导腔70中的气流流量对气流引导单元7所示施加的推力小于复位单元22对气流引导单元7所施加的弹性力时，气流引导单元7将由复位单元22牵制以自第二位置朝向第一位置运动，伸缩部9在该运动过程中收缩。当进入气流引导腔70中的气流流量对气流引导单元7所示施加的推力与复位单元22对气流引导单元7所施加的弹性力大小大致相同时，第二挡部82处于运动平衡状态而不再相对第一挡部81运动。
55.通过前述轴承腔压力调节装置通过压力调节装置实现了轴承腔密封装置的压差在发动机不同转速下所产生的不同气流流量中，基本可以维持在固定值，极大优化了密封装置的工作条件，可提升轴承腔密封装置的工作寿命，并有效降低轴承腔着火和滑油泄漏的风险。
56.虽然本燃气涡轮发动机及其轴承腔压力调节装置的一个实施例如上所述，但是在本轴承腔压力调节装置的其他实施例中，本轴承腔压力调节装置相对于上述实施例在许多方面都可以具有更多的细节，并且这些细节的至少一部分可以具有多样的变化。下面以一些实施例对这细节和些变化中的至少一部分进行说明。
57.请参见图6，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，第一挡部81由多个顶端相连接的第一扇形挡片120组成，第二挡部82由多个顶端相连接的第二扇形挡片100组成，每个第二扇形挡片100上均设置有气流引导单元7，第一扇形挡片120中具有沿所述发动机转轴周向b开设的第一槽部121，第二扇形挡片100中具有第二滑块102。其中，在一个具体地实施方式中，多个第一扇形挡片120的顶端由第一轴套123连接，多个第二扇形挡片100的顶端由第二轴套103连接，第一轴套123与第二轴套103之间铰接，且在连接状态下，第二滑块102滑动配合地连接于第一槽部121中，从而当第二挡部82相对第一挡部81自第一位置转动至第二位置时，第二滑块102沿第一槽部121滑动，以使第一扇形挡片120相对第二扇形挡片100错开、展开，通过展开的第一扇形挡片120以及第二扇形挡片100即可完成对气流引导腔70的遮蔽。
58.进一步地，请继续参见图6，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，压力调节单元8还包括第三挡部83，该第三挡部83由多个顶端相连接的第三扇形挡片110组成，第三扇形挡片110具有沿发动机转轴周向b开设的第三槽部111以及第三滑块112，具体而言，多个第三扇形挡片110的顶端是通过第三轴套113连接。第三轴套113铰接连接于第一轴套123与第二轴套103之间，且在连接状态下，第三滑块112可滑动配合地连接于第一槽部121中，第二滑块102可滑动配合地连接于第三槽部111中。
59.进一步地，图8示出了压力调节装置处于第一位置状态下的示意图，图9示出了压力调节装置处于第二位置状态下的示意图，具体而言，在如图8中所示的第一位置中，第三轴套113铰接连接于第一轴套123与第二轴套103之间，第一扇形挡片120、第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110处于彼此相互重合的状态，此时的气流引导单元7未展开，发动机转轴内的转轴腔25有最大的通风面积，第二挡部82由复位单元22牵制，气流引导腔70仅由呈折叠状态的压力调节装置6遮挡部分空间，而气流可自压力调节装置的外侧流动。在如图9中所示的第二位置中，第一扇形挡片120、第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110处于彼此错开的展开状，此时复位单元22以及气流引导单元7均被拉伸至展开状态，第三滑块112与
第一槽部121、第二滑块102与第三槽部111分别在极限位置相抵，此时的气流引导腔70完全由压力调节装置6遮蔽，从而气流无法经由气流引导腔70流动。由于随着发动机转速升高，轴承腔外23的空气压力上升且轴承腔24压力几乎不变而产生的较大压差，使较多外界空气进入轴承腔带走大量滑油进入发动机转轴腔25。压力调节装置6利用增大的空气流量推动第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110转动，展开并挡住了转轴腔25的通风面积，进而实现轴承腔24和转轴腔25内的“憋压”效果，增加了轴承腔24的压力而降低了轴承腔内外压差，进而可防止大量滑油泄露。同时，通过本压力调节装置6在不同发动机转速下对轴承腔24压力的调节，可将轴承腔内外压差维持稳定，可大大降低轴承腔封严磨损而提升使用寿命。当压力调节装置6在展开之后，由于受到复位单元22的弹性力作用，一旦发动机转速下降，第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110受到复位单元22的拉力而将自动收起，实现压力调节装置6与发动机运转状态的自适应调节。
60.在其他一些与图示不同的实施方式中，第一扇形挡片120、第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110的数量可以是与图中四个数量不同的如三个、五个或多个。在另一些与图示不同的实施方式中，连接于第一挡部81与第二挡部82之间的第三挡部83数量可以是与图中一个数量不同的两个或多个，具体的第三挡部83数量以及第一扇形挡片120、第二扇形挡片100以及第三扇形挡片110的数量视气流引导腔70内所欲被遮蔽的程度而定，均不以图中所示的实施方式为限。
61.请继续参见图6，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，第二挡部82具有凸部101，发动机转轴20的内周开设有与该凸部101外形相匹配的环槽21，在如图5中所示，当凸部101可滑动配合地连接于发动机转轴20内周上开设的环槽后，与发动机转轴20通过复位单元22连接。具体来说，凸部101可以是榫头结构，而开设于发动机转轴20内周的环槽21可以是榫槽。
62.在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，复位单元22为螺旋弹簧，在其他一些合适的实施方式中，复位单元22也可以是其他合适的弹性件。
63.在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，气流引导单元7整体是呈烟斗状，具体来说，气流引导单元7中的第一引导部71沿发动机转轴的径向a延伸，第二引导部72是沿发动机转轴20的周向b延伸，从而形成整体呈烟斗状的气流引导单元7。在其他一些与图示不同的实施方式中，气流引导单元7可以是其他合适的外形，但内部需要包含如图中所示、呈“烟斗状”的气流引导腔70。气流引导腔70和/或气流引导单元7整体呈“烟斗状”以使得当气流进入到气流引导腔70中后，先沿着发动机转轴的径向a流动一段后，继续沿发动机转轴20的周向b延伸，从而能够带动第二挡部82沿发动机转轴20的周向b转动。
64.请继续参见图5，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，出气口702包括排气口210以及排油口220，其中，排气口210朝向发动机转轴20的内侧开设，排油口220朝向发动机转轴20的切线方向开设，排油口220相对排气口210更加靠近发动机转轴20的壁面。从而来自轴承腔24的油气13径向进入“烟斗形”气流引导单元7后，由气流引导单元7进行油气分离，分离出来的滑油26从排油口220排出，空气14从排气口210排出。具体来说，当发动机转轴20转动时，由于油气中的油滴受到离心力的作用将沿着图中所示的气流引导单元7的壁面250流动，从而进入至排油口220排出，以实现油气分离。
65.进一步地，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，排气口210与排油口220
之间具有连接部240，该连接部240形成于排气口210入口与排油口220入口之间，其中，该连接部240具有朝向气流引导腔70中延伸的一段，从而当油气中的油滴受到离心力的作用将沿着图中所示的气流引导单元7的壁面250流动时，略微伸入流道的连接部240将会正好将油滴挡住，从而使其与主气流分离而进入到排油通道34中最后顺着排油口220排出到发动机转轴20内壁处。而从伸缩部9内侧的伸缩管流道32出来的高速空气则顺着流道进入排气腔33，最后从排气口210排至转轴腔25内，以进一步增加油气分离的效果。
66.进一步地，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，排油口220由自第二引导部72向外延伸出的一段支管73限定出，具体来说，该一段支管73的内侧为排油通道34，开放端为排油口220。其中，该一段支管73与第二引导部72的连接处具有缩径结构251。通过设置该缩径结构251，使得当气流经过缩径结构251进入一段支管73内的排油通道34时，流速将极具下降而气压升高，从而产生一个较大气体背压，从而有效的防止了主流空气进入排油通道34中，进一步提升了油气分离的效率。
67.进一步地，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，气流引导腔70自进气口701至出气口702的腔内径向面积整体渐缩，即气流引导腔70的横截面自进气口701至出气口702整体逐渐减小，以使得随着气流通道逐渐变窄，油气流速加快，能够以最大的气流速度流动。
68.进一步地，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，第二引导部72具有在排气口210上游位置设置的凹形承力腔230，凹形承力腔230配置于气流流动路径上，以使气流14沿烟斗状的气流引导腔70自进气口701至出气口702流动时，将对凹形承力腔230的壁面产生一个力f，从而通过该凹形承力腔230对第二引导部72施加推力，以使第二引导部72相对第一引导部71展开。
69.图10示出了本轴承腔压力调节装置一个实施方式下与发动机转轴连接处的局部示意图，图11为图10中沿a-a方向剖切所视得的剖视示意图，在本轴承腔压力调节装置的一个实施方式中，第一引导部71的外周侧开设有回油槽420，该回油槽420可以是如图10所示开设在第一引导部71外周侧处的半圆形槽体结构，也可以是具有其他槽体结构。其中，自排油口220排出至转轴腔25内的油滴，在离心力的作用下，将顺着发动机转轴20内壁流道“烟斗形”气流引导装置7根部，聚集的油滴443将从“烟斗形”气流引导装置7外壁面上周向开的回油槽420中回流至轴承腔24内。
70.图12示出了伸缩部一个实施方式下位于收缩位置的示意图，图13示出了伸缩部一个实施方式下位于展开位置的示意图，其中，在一个具体的实施方式中，伸缩部9是伸缩管，伸缩管是由多层薄壁管组成，当压力调节装置6处于起始位时，薄壁管310和320相互嵌套在一起；当压力调节装置6处于展开位时，薄壁管320从薄壁管310中拉出，将流道变长而补偿了第二引导部72相对第一引导部71的相对位移。
71.如前述一个或多个实施方式中的轴承腔压力调节装置可以应用于燃气涡轮发动机中，如航空燃气涡轮发动机中。
72.本发明的进步效果包括以下之一或组合：
73.1)通过本轴承腔压力调节装置，能够实现在不同转速下对发动机转轴内腔的遮挡面积进行调整，可实现轴承腔密封装置的压差在发动机不同转速下基本可以维持在固定值，极大优化了密封装置的工作条件，可提升轴承腔封严结构的工作寿命，并有效降低轴承
腔着火和滑油泄漏的风险。
74.2)通过本轴承腔压力调节装置，能够利用烟斗状的本体实现对油气流动通道的组织并巧妙的集成了油气分离结构，可有效实现油气中滑油的高效回收，大大降低发动机的滑油消耗率。
75.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。