一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构

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一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构
申请号	CN201710706924.7	申请日	2017-08-17	公开(公告)号	CN107269396A	公开(公告)日	2017-10-20
申请人	中国科学院工程热物理研究所; 青岛轻型动力研究所(中科院工程热物理研究所青岛分所);			发明人	刘军; 杜强; 柳光; 胡嘉麟; 王沛; 徐庆宗; 高金海; 刘红蕊; 杨晓洁; 阮昌龙;
摘要	本发明涉及一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构，前后两个轴承支点，一个采用简支支撑结构设计，另一个采用悬臂支撑结构设计，从而实现两个相邻轴承空间距离上的相近，前后轴承座连接在一起，实现相邻轴承之间的共腔设计，方便调节轴承腔内的压力。在前后轴承座上分别沿周向设有若干通气孔结构，两个轴承座上的通气孔结构的角向位置、形状以及尺寸相适配，并一一对应，形成连通两个轴承外腔的通道，从而实现前后两个轴承外腔的压力均衡，简化了空气系统流路，降低了空气系统封严轴承腔的设计难度，而且运行可靠性高；轴承外腔的压力通过调节其进出口蓖齿间隙进行调整，有利于轴承外腔压力的建立，提高封严效果。
权利要求	1.一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构，包括后轴承座和前轴承座，所述后轴承座中设置后轴承，所述前轴承座中设置前轴承，所述后轴承通过悬臂支撑方式固定在低压涡轮旋转轴上，所述前轴承通过简支支撑方式固定在高压涡轮旋转轴上，所述低压涡轮旋转轴同轴地套设在中空的高压涡轮旋转轴内，其特征在于，所述后轴承座整体呈筒状结构，所述前轴承座整体呈盘状结构，所述后轴承座的环状前配合端面与所述前轴承座的盘状后配合端面通过螺栓连接或者焊接的方式连接在一起，由所述后轴承座、前轴承座、前轴承、后轴承、部分低压涡轮旋转轴共同围成两个轴承的轴承腔；由设置在高压涡轮盘后侧的前封严环、前封严蓖齿环以及前轴承座的前端面共同组成前轴承外腔，由设置在低压涡轮盘前侧的后封严环、后轴承座的后端面、部分低压涡轮旋转轴共同组成后轴承外腔；在所述前轴承座上沿周向设有若干通气孔结构，在所述后轴承座上沿周向设有若干通气孔结构，两个轴承座上的通气孔结构的角向位置、形状以及尺寸相适配，并一一对应，形成连通所述前轴承外腔和后轴承外腔的通道，从而实现前后两个轴承外腔的压力均衡。 2.根据权利要求1中所述的封严结构，其特征在于，相邻的前后两个轴承，其中一个为简支支撑结构，另一个为悬臂支撑结构，从而两个轴承空间相近。两个轴承的轴承座采用螺栓或者焊接的方式连接到一起，使得两个轴承实现共腔。当采用螺栓进行连接时，在相邻的零件配合端面之间设计有密封槽，采用O型橡胶圈进行封严。 3.根据权利要求2中所述的封严结构，其特征在于，所述前后两个轴承共用一套滑油供回油系统，在所述筒状后轴承座的外壁上设计有双喷油嘴结构，实现向前后两个轴承的共同喷油。优选地，所述双喷油嘴结构的两个喷油嘴的喷射角度以及喷油孔大小均可单独进行调整设计。优选地，在喷油嘴的出口可以设计过滤结构，提高滑油的清洁度。 4.根据权利要求3中所述的封严结构，其特征在于，滑油系统的供回油滑油管通过螺纹固定在所述筒状后轴承座的滑油管安装座上，在滑油管与滑油管安装座之间设计有石墨封严环结构。 5.根据权利要求1中所述的封严结构，其特征在于，轴承腔采用非接触式蓖齿封严结构，轴承外腔的压力高于轴承腔内的压力。 6.根据权利要求1中所述的封严结构，其特征在于，在前后两个轴承座以及涉及其他与轴承外腔相邻的零件上设计有贯穿的通气孔，以连通前后两个轴承外腔，实现前后两个轴承外腔的压力均衡。 7.根据权利要求6中所述的封严结构，其特征在于，各零件上的通气孔其角向位置、形状、尺寸以及数量保持一致，同时可进行优化设计，采用不同的形状，尺寸，以及数量，但是通气孔需要避让滑油流路结构，同时保证零件满足一定的强度要求。 8.根据权利要求7中所述的封严结构，其特征在于，当各零件采用螺栓进行连接时，为防止通气孔周边泄漏，在各零件的配合端面上设计有密封槽，采用O型密封圈结构进行封严。 9.根据权利要求1中所述的封严结构，其特征在于，空气系统中的气流通过蓖齿封严环上的蓖齿结构进入前轴承外腔，对轴承腔的前蓖齿出口进行封严，同时大部分气流通过轴承座等零件上的通气孔进入下游的后轴承外腔，对轴承腔的后蓖齿出口进行封严。通过调整个蓖齿间隙的大小以及空气的流量，可以对轴承外腔的压力进行调整，确保封严效果。 10.根据权利要求所述的封严结构，其特征在于，前后两个轴承座可采用机械加工或者铸造+机械加工的方式进行生产。
说明书全文	一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构技术领域 [0001] 本发明涉及地面燃气轮机以及航空发动机领域，具体涉及一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构，采用新型结构以及布局理念，实现发动机轴承共腔，以及轴承外腔压力均衡，从而改善轴承腔封严效果，提高发动机安全性。背景技术 [0002] 在地面燃气轮机，以及航空发动机中，轴承是发动机必不可少的关键部件之一，主要对发动机其他部件起支撑作用，并承受一定的轴向力。在此过程中，对轴承进行润滑是保证轴承安全、可靠运行的最基本，也是最重要的环节。滑油可以减少轴承的摩擦以及磨损，带走由摩擦面所产生的热量和磨损杂质并保证轴承内圈能得到充分冷却，有效减小经常出现在高速轴承内圈跑道上发生蹭伤故障的概率。 [0003] 为了收集滑油，并确保润滑效果，轴承通常被轴承腔包裹。发动机运行过程中，轴承腔中始终充满着滑油油雾以及液态滑油，为了防止滑油的泄露，降低滑油消耗，对轴承腔进行有效地封严是发动机中的一项重要难题。虽然接触式封严是效果最好的一种封严方式，但是发动机中转动部件高速旋转的状态决定了这种封严不可能满足长寿的需求。非接触式封严成为主流结构。其主要原理是通过控制轴承腔内外压力，保证轴承腔外的压力高于轴承腔内的压力，即可确保不会发生滑油的泄露。而且行业内的设计人员普遍认可的是，如果可以尽可能的保证轴承腔内部以及外部各处压力的均衡，对于发动机的设计也较为方便，也可以尽可能地保证轴承腔的封严效果。在以往的发动机结构中，虽然设计人员通过不同的结构或者设计方法，努力地实现对轴承腔外压力的有效均衡和控制，但一方面受限于轴承布局，另一方面由于结构过于复杂，空气系统流路太长，导致实际的运行情况并不理想。为了解决这一难题，更进一步地提高发动机的性能，有必要寻求新的结构，简化空气系统流路，实现轴承腔的封严压力的均衡，改善封严效果，提高发动机性能。发明内容 [0004] 针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构，用于改进现代地面燃气轮机以及航空发动机内轴承腔封严效果。通过采用该新型封严结构以及布局理念，可实现发动机轴承共腔，以及轴承腔外压力均衡，从而改善轴承腔封严效果，提高发动机安全性，进而提高发动机竞争力。 [0005] 为实现该目标，本发明采用的技术方案为： [0006] 一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构，包括后轴承座和前轴承座，所述后轴承座中设置后轴承，所述前轴承座中设置前轴承，所述后轴承通过悬臂支撑方式固定在低压涡轮旋转轴上，所述前轴承通过简支支撑方式固定在高压涡轮旋转轴上，所述低压涡轮旋转轴同轴地套设在中空的高压涡轮旋转轴内，其特征在于， [0007] 所述后轴承座整体呈筒状结构，所述前轴承座整体呈盘状结构，所述后轴承座的环状前配合端面与所述前轴承座的盘状后配合端面通过螺栓连接或者焊接的方式连接在一起，由所述后轴承座、前轴承座、前轴承、后轴承、部分低压涡轮旋转轴共同围成两个轴承的轴承腔； [0008] 由设置在高压涡轮盘后侧的前封严环、前封严蓖齿环以及前轴承座的前端面共同组成前轴承外腔，由设置在低压涡轮盘前侧的后封严环、后轴承座的后端面、部分低压涡轮旋转轴共同组成后轴承外腔； [0009] 在所述前轴承座上沿周向设有若干通气孔结构，在所述后轴承座上沿周向设有若干通气孔结构，两个轴承座上的通气孔结构的角向位置、形状以及尺寸相适配，并一一对应，形成连通所述前轴承外腔和后轴承外腔的通道，从而实现前后两个轴承外腔的压力均衡。 [0010] 本发明的上述封严结构中，前后两个轴承为相邻的两个轴承支点，其中一个采用简支支撑结构设计，另一个采用悬臂支撑结构设计，从而实现两个相邻轴承空间距离上的相近。 [0011] 较优地，所述前、后轴承座通过螺栓或者焊接方式，直接或着间接(中间通过其他发动机零件进行相连)连接在一起，从而实现相邻轴承之间的共腔设计，方便调节轴承腔内的压力。采用螺栓连接方式，可以使发动机的装配以及后期维修分解、零件更换更加方便。采用焊接连接方式，可以减少零件数量，而且连接可靠，无泄漏。采用何种连接方式，应当根据发动机的实际情况择优选取。 [0012] 较优地，所述前轴承通过前轴承压紧螺母轴向压紧在所述高压涡轮旋转轴上，所述后轴承通过后轴承压紧螺母轴向压紧在所述低压涡轮旋转轴上。 [0013] 较优地，在相邻的轴承座之间或者二者之间的其他零件之间的配合端面上设有封严槽，通过布置O型密封圈进行密封，可以防止轴承腔内油雾通过各零件之间的配合端面泄漏。 [0014] 较优地，布局相邻且空间相近的两个共腔轴承共用一套滑油供回油系统。 [0015] 较优地，所述筒状后轴承座的外壁上设有双供油喷嘴结构，可以同时向前后两个轴承提供滑油。 [0016] 较优地，所述双供油喷嘴结构的两个喷嘴的角度以及喷油孔尺寸根据轴承布局以及需要而定。 [0017] 较优地，为了提高滑油的清洁程度，防止杂质进入轴承，在喷嘴出口部位设有可拆卸过滤喷嘴。 [0018] 较优地，滑油系统的供回油滑油管路通过螺纹与所述筒状后轴承座外壁上的滑油管安装座相连。 [0019] 较优地，为了防止滑油的泄漏，在滑油管与所述后轴承座上的滑油管安装座之间设计有石墨环封严结构，进行端面密封。 [0020] 较优地，在静止的前后两个轴承座与相对应的转动部件之间，设有封严蓖齿结构，对轴承腔进行封严。 [0021] 较优地，蓖齿内外(定义蓖齿靠近轴承腔的一侧为内侧)的压力不等，轴承外腔的压力高于轴承腔的压力，通过调节轴承腔内外的压差以及蓖齿间隙的大小，实现对轴承腔封严效果的调整。 [0022] 较优地，前后两个轴承外腔与空气系统其他区域以及轴承腔之间，均通过蓖齿结构进行连通。 [0023] 较优地，上游空气系统的来流，通过蓖齿封严环的蓖齿间隙进入轴承外腔。 [0024] 较优地，在两个蓖齿封严结构外侧的轴承外腔中，为了实现两个腔室的均压，在两个轴承座(包括轴承座之间的其他零部件)上设计有连通两个轴承外腔的通气孔结构。通过这种设计，可以同时调节两个轴承外腔中的压力，大大降低了发动机空气系统的设计难度，同时提高了封严效果和发动机的运行可靠性。 [0025] 较优地，所述前后两个轴承座上的通气孔的截面形状可以设计为圆形，椭圆形，方形或者其他形状。 [0026] 较优地，所述前后两个轴承座上的通气孔的尺寸以及数量，根据轴承外腔的压力大小，以及封严流量大小而定。 [0027] 较优地，为了防止空气泄漏，导致前后两个轴承外腔腔室内的压力不均，在沿程的零件配合端面上设有封严槽，通过布置O型密封圈进行密封。 [0028] 较优地，所述下游轴承外腔中的气流，通过其他的蓖齿间隙继续向下游流动，并完成相应的空气系统的功能。 [0029] 较优地，相连通的两个等压轴承外腔中的压力，通过调节蓖齿封严环的蓖齿间隙大小，以及下游轴承腔的出流蓖齿间隙大小进行调整。 [0030] 可选择地，根据两个轴承座的结构，可以采取不同的加工方式。当两个轴承座设计为两个单独的零件时，可以通过机械加工的方式进行生产；当两个轴承座设计为一个零件时，可以采用铸造+机械加工的方式进行生产。 [0031] 通过采用以上新型的可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构与布局方案，相比传统的方案，具有以下优势：(1)通过对轴承支点的布局设计，实现两个相邻轴承的共腔，方便调整轴承腔的压力；(2)采用自带喷嘴的新型轴承座结构，减少了零件数量，结构简单，提高了可靠性，且方便调节滑油流量；(3)通过采用新型轴承座结构，实现相邻两个轴承的轴承外腔的压力均衡，简化了空气系统流路，极大地降低了空气系统封严轴承腔的设计难度，而且运行可靠性高；(4)轴承外腔的压力通过调节轴承外腔的进出口蓖齿间隙进行调整，有利于轴承外腔压力的建立，提高封严效果。附图说明 [0032] 图1为本发明的可实现轴承共腔及轴承外腔均压的封严结构布局结构示意图； [0033] 图2为本发明的后轴承座结构的三维示意图。具体实施方式 [0034] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。 [0035] 在发动机运行过程中，需要对高速旋转的两个轴承进行润滑和冷却，在此过程中，滑油带走轴承的热量，以及摩擦产生的杂质，并且部分滑油成为油雾状态，因此轴承腔中充满着液态滑油以及滑油油雾，通过后轴承座上的回油孔流入滑油回油管路，实现滑油的收集和回油。为了防止轴承腔中的滑油泄漏，需要对其进行封严。虽然接触式封严的效果是最佳的，但是受限于当前的技术水平，无法在发动机中大面积推广。因此普遍的做法仍然是非接触式密封。通过调整控制轴承内腔与外腔之间的压力差，达到封严的效果。在以往的发动机中，一方面发动机受限于发动机结构设计，无法实现轴承的共腔，另一方面发动机虽然经过结构设计，相邻的两个轴承为共腔结构，但是在对轴承腔进行封严的过程中，由于空气系统流路复杂，导致两个轴承外腔的压力不均衡，而且控制难度大，为了确保密封效果，往往留有非常大的裕度，使得封严空气大量泄漏进入轴承腔内，增加了空气系统的流量，同时也增加了滑油的回收难度，对于发动机性能非常不利。 [0036] 为了解决该问题，改善轴承腔封严效果，本发明提供了一种可实现轴承共腔及轴承外腔均压的新型封严结构,如图1所示。 [0037] 本发明的可实现轴承共腔及轴承外腔均压的新型封严结构，包括后轴承座1，前轴承座2，后轴承座1整体呈筒状结构，前轴承座2整体呈盘状结构，二者的配合端面通过螺栓方式进行连接，方便发动机的装配以及后期的拆卸维修，为了防止泄漏，在后轴承座1和前轴承座2的配合端面上设计有密封结构1003，在轴承座上加工密封槽，通过O型橡胶圈进行封严；也可以采用焊接方式进行连接，此时两个轴承座为一体结构，密封效果好，不需要设计额外的密封结构。设计者应当根据实际需要进行选择。 [0038] 3为封严蓖齿；4为前轴承，采用简支支撑结构；5为前轴承压紧螺母，其主要作用是将前轴承4、高压旋转部件等进行轴向压紧；7为后轴承，采用悬臂支撑结构；6为后轴承压紧螺母，其主要作用是将后轴承7轴向压紧；8为低压涡轮旋转轴；后轴承7通过后轴承压紧螺母6并采用悬臂支撑的方式固定在低压涡轮旋转轴8上，前轴承4通过前轴承压紧螺母5并采用简支支撑的方式固定在高压涡轮旋转轴上，低压涡轮旋转轴8同轴地套设在中空的高压涡轮旋转轴内。 [0039] 由后轴承座1、前轴承座2、前轴承4、前轴承压紧螺母5、后轴承压紧螺母6、后轴承7、旋转轴8共同围成两个轴承的轴承腔9。由于两个轴承座1、2相连，且中间无其他零件设计，因此实现了两个轴承4、7的共腔设计，同时两个轴承共用一套滑油系统。在轴承座内壁上设计有双喷油嘴结构1002，可以同时向两个轴承4、7进行喷油。滑油的喷射角度可以通过调整双喷油嘴结构1002的喷油嘴角度进行调整，滑油流量的大小可以通过调整双喷油嘴结构1002的喷油孔尺寸进行调整，采用这种轴承座-双喷油嘴一体的结构设计，可以减少零件数，同时提高供油可靠性。此外，为了防止杂质进入轴承，可以在喷油嘴出口增加过滤结构。 [0040] 10为前封严环，由前封严环10、封严蓖齿环3、以及前轴承座2，共同组成前轴承外腔18；11为高压涡轮盘；12为螺栓，通过该螺栓12将两个轴承座1、2相连；13为支板机匣，14为螺栓，通过该螺栓14，将后轴承座1与支板机匣13相连；15为后封严环，由后封严环15、后轴承座1、旋转轴8共同组成后轴承外腔19；16为滑油管，通过螺纹固定到后轴承座1上的滑油管安装座1001上。为了防止高压滑油从滑油管安装座1001上泄漏，在滑油管16与滑油管安装座1001之间设计有石墨封严环17，可以有效地防止滑油泄漏。 [0041] 前轴承外腔18与后轴承外腔19中的压力高于轴承腔9中的压力，为了降低轴承封严组件的设计难度，提高封严效果，在前轴承座2上设计有通气孔结构2001，在后轴承座1上设计有通气孔结构1004，两个轴承座1、2上的通气孔结构的角向位置、形状以及尺寸完全相同，一一对应，形成连通两个轴承外腔18、19的通道。同时在设计通气孔结构时，应当注意避让滑油管路。这种设计可以大大缩短两个轴承外腔之间空气系统的流路，简化空气系统结构，实现两个轴承外腔18、19的压力均衡。由此空气系统的流路如图1中的箭头所示，来自空气系统上游的气流经过高压涡轮盘11上的气流通道进入涡轮腔20。该涡轮腔20有两个出口，分别为高压涡轮盘11上的蓖齿与前封严环10组成的蓖齿结构1101，以及封严蓖齿环3上的蓖齿与前封严环10组成的蓖齿结构3002，通过调节两个蓖齿结构的蓖齿间隙，可以分别控制进入两个出口的流量分配。通过蓖齿结构3002的气流进入前轴承外腔18，通过蓖齿封严结构3001，完成对轴承腔9前出口的封严；该前轴承外腔18中的大部分气流通过轴承座上的通孔2001以及1004，进入后轴承外腔19。为了防止通气孔中的气流从零件之间的配合端面泄漏，影响轴承外腔中的压力建立，在两个轴承座1、2的配合端面上设计有O型密封圈密封结构1003。 [0042] 在后轴承外腔19中的气流，一部分通过旋转轴8上的蓖齿与后轴承座1形成的蓖齿封严结构8001，对轴承腔9的后出口进行封严，另外一部分通过蓖齿结构8002继续向下游流动。由于两个轴承外腔18、19连通，均通过蓖齿结构作为进出口，而且对同一个轴承腔进行封严，因此非常容易建立稳定的压差，确保封严效果。 [0043] 为了更加清楚的表达后轴承座1的结构，图2为后轴承座的三维结构示意图。图中1001为滑油管安装座，1002为双供油喷嘴结构，1003为O型橡胶圈密封槽，1004为通气孔。 [0044] 此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。