申请/专利权人：中国航发湖南动力机械研究所

申请日：2019-04-22

公开（公告）日：2020-07-28

公开（公告）号：CN110005631B

主分类号：F04D29/056(20060101)

分类号：F04D29/056(20060101);F04D29/08(20060101);F04D29/58(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.28#授权;2019.08.06#实质审查的生效;2019.07.12#公开

摘要：本发明公开了一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，包括：轴承筒座，轴承筒座内设有轴承腔、环设于轴承腔外的内环形流道及环设于内环形流道外的外环形流道，轴承腔的两端分别设有内封严结构，内环形流道的两端分别设有中间封严结构，外环形流道的两端分别设有外封严结构。内环形流道连通有第一引流管，用于将离心叶轮进口叶顶处的低温气流引入内环形流道。外环形流道连通有第二引流管，用于将外环形流道中掺混形成的混合气流引至发动机高温零件处。本发明的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，可降低轴承筒座的热负荷，抑制轴承腔内滑油结焦，减小轴承座热应力，降低轴承腔内滑油温升，有效解决高增压比中小航空发动机离心叶轮后轴承的冷却与封严问题。

主权项：1.一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，包括：轴承筒座10，所述轴承筒座10内设有用于安装后轴承20的轴承腔101、环设于所述轴承腔101外的内环形流道102及环设于所述内环形流道102外的外环形流道103，所述轴承腔101的两端分别设有用于封严所述轴承腔101的内封严结构30，所述内环形流道102的两端分别设有用于封严所述内环形流道102的中间封严结构40，所述外环形流道103的两端分别设有用于封严所述外环形流道103的外封严结构50；所述内环形流道102连通有第一引流管60，所述第一引流管60用于将离心叶轮进口叶顶71处的低温气流引入所述内环形流道102，以冷却所述轴承筒座10并通过所述内封严结构30封严所述轴承腔101；通过所述中间封严结构40进入所述外环形流道103的低温气流及通过所述外封严结构50进入所述外环形流道103的离心叶轮出口根部72处的高温气流掺混形成混合气流；所述外环形流道103连通有第二引流管80，所述第二引流管80用于将所述外环形流道103中掺混形成的混合气流引至发动机后部高温零部件处以对所述外环形流道103进行卸压的同时对高温零部件进行冷却。

全文数据：离心叶轮后轴承冷却与封严结构技术领域本发明涉及航空发动机领域，特别地，涉及一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构。背景技术在双转子中小型航空燃气涡轮发动机中，至少需要设置三个轴承支点，故而不可避免的需要在燃烧室、涡轮等高温部位布置轴承腔，周边的高温环境给轴承座的冷却、封严带来了难度。常见到采用单级离心压气机的设计形式，中间的高压转子轴承处于离心压气机和燃气涡轮之间，且正上方为发动机燃烧室，存在很大的热负荷，给此处轴承的冷却与封严设计带来了很大的挑战。离心叶轮后轴承的冷却与封严如图1所示，从离心叶轮出口根部引气，通过转静子径向间隙到达离心叶轮背腔，然后气流分为两路，一路通过石墨密封用于轴承腔左侧封严，另一路通过轴承座上孔H1和H2，对轴承座进行通风冷却后分为两股，其中一股通过右侧的石墨密封用于轴承腔右侧封严，另一股通过高压涡轮盘颈孔H3，用于高压转子盘后冷却与封严。随着航空发动机热力循环参数的提高，特别是压气机增压比达到24以后，离心叶轮出口温度可达到550℃，且离心叶轮背腔径向内流存在较大的风阻温升，背腔出口温度高达630℃，如果采用如图1所示的常规设计手段，用该股高温空气去冷却轴承座和封严轴承腔，不仅达不到冷却效果，反而会加热轴承座和轴承腔内滑油，导致滑油结焦，使轴承座热应力过大，恶化轴承工作环境，对发动机正常工作产生严重影响。发明内容本发明提供了一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，以解决现有的离心叶轮后轴承冷却与封严结构不适应高增压比中小航空发动机离心叶轮后轴承的冷却与封严的技术问题。本发明采用的技术方案如下：一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，包括：轴承筒座，轴承筒座内设有用于安装后轴承的轴承腔、环设于轴承腔外的内环形流道及环设于内环形流道外的外环形流道，轴承腔的两端分别设有用于封严轴承腔的内封严结构，内环形流道的两端分别设有用于封严内环形流道的中间封严结构，外环形流道的两端分别设有用于封严外环形流道的外封严结构；内环形流道连通有第一引流管，第一引流管用于将离心叶轮进口叶顶处的低温气流引入内环形流道，以冷却轴承筒座并通过内封严结构封严轴承腔；通过中间封严结构进入外环形流道的低温气流及通过外封严结构进入外环形流道的离心叶轮出口根部处的高温气流掺混形成混合气流；外环形流道连通有第二引流管，第二引流管用于将外环形流道中掺混形成的混合气流引至发动机后部高温零部件处以对外环形流道进行卸压的同时对高温零部件进行冷却。进一步地，第一引流管的进流端与离心叶轮进口叶顶连通，第一引流管的出流端与内环形流道内靠近离心叶轮的一端连通；第二引流管的进流端与外环形流道内靠近离心叶轮的一端连通，第二引流管的出流端与离心叶轮后级零部件连通。进一步地，第一引流管的数量为多根，多根第一引流管沿内环形流道的周向依次间隔设置；第二引流管的数量为多根，多根第二引流管沿外环形流道的周向依次间隔设置。进一步地，轴承筒座两端的端面上各设有对应的一圈内流道通孔，及对应的一圈外流道通孔，外流道通孔环设于内流道通孔外；内环形流道中的部分低温气流穿出内流道通孔后再通过内封严结构进入轴承腔，其余部分低温气流穿出内流道通孔后再通过中间封严结构和外流道通孔进入外环形流道；离心叶轮出口根部处的高温气流通过外封严结构后再穿过外流道通孔进入外环形流道。进一步地，轴承筒座在轴承腔、内环形流道及外环形流道的作用下分成由内至外依次设置的内轴筒、中间轴筒及外轴筒；轴承腔中转动设有与离心叶轮的转轴固定的封严轴筒；内封严结构设置于封严轴筒与内轴筒之间；中间封严结构设置于封严轴筒与中间轴筒之间；外封严结构设置于封严轴筒与外轴筒之间。进一步地，内封严结构为石墨封严结构；中间封严结构为直通式蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm；外封严结构为台阶型蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm。进一步地，内封严结构为石墨封严结构；中间封严结构和外封严结构为刷式封严结构或指尖封严结构。进一步地，封严轴筒为整体式结构，后轴承装设于封严轴筒的外圆上；或后轴承装设于转轴的外圆上；封严轴筒包括前封严环筒和后封严环筒，前封严环筒和后封严环筒沿轴向间隔设置，且前封严环筒和后封严环筒的端部分别顶抵后轴承的两端。进一步地，轴承筒座连接于轴承机匣的安装通道中；轴承机匣上开设有第一节流孔及与第一节流孔连通的第二节流孔；离心叶轮出口根部处的高温气流依次通过第一节流孔和第二节流孔节流后，其中部分高温气流通过外封严结构进入外环形流道，其余部分进入位于离心叶轮后的高压涡轮盘用于高压涡轮盘后级间封严。进一步地，第一节流孔和第二节流孔的数量均为多个，多个第一节流孔和多个第二节流孔分别沿轴承机匣的周向依次间隔设置；第一节流孔和第二节流孔的节流面积均为2mm～4mm。本发明具有以下有益效果：本发明的离心叶轮后轴承冷却与封严结构中，离心叶轮进口叶顶处的低温气流通过第一引流管进入内环形流道，以在轴承筒座中形成环形隔热层以降低轴承筒座的热负荷，进入内环形流道中的部分低温气流通过内封严结构后封严轴承腔，避免离心叶轮出口根部处的高温气流进入轴承腔，进而造成轴承腔滑油过大温升结焦甚至燃烧起火等危害，其余部分低温气流通过中间封严结构进入外环形流道，并与由外封严结构处进入外环形流道中的离心叶轮出口根部处的高温气流掺混以形成混合气流，该混合气流在轴承筒座中形成第二层环形隔热层以进一步降低轴承筒座的热负荷，同时外环形流道中的混合气流通过与其连通的第二引流管引至离心叶轮后级零部件处以对后级零部件进行冷却，同时对外环形流道进行卸压以使内环形流道中的低温气流在压力差的作用下通过中间封严结构进入外环形流道，也进一步防止高温气流通过中间封严结构进入内环形流道和轴承腔。除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。附图说明构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：图1是现有的离心叶轮后轴承冷却与封严结构示意图；图2是本发明优选实施例的离心叶轮后轴承冷却与封严结构示意图。图例说明10、轴承筒座；101、轴承腔；102、内环形流道；103、外环形流道；104、内流道通孔；105、外流道通孔；11、内轴筒；12、中间轴筒；13、外轴筒；20、后轴承；30、内封严结构；40、中间封严结构；50、外封严结构；60、第一引流管；70、离心叶轮；71、离心叶轮进口叶顶；72、离心叶轮出口根部；73、转轴；80、第二引流管；90、封严轴筒；110、轴承机匣；111、第一节流孔；112、第二节流孔。具体实施方式以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。参照图2，本发明的优选实施例提供了一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，包括：轴承筒座10，轴承筒座10内设有用于安装后轴承20的轴承腔101、环设于轴承腔101外的内环形流道102及环设于内环形流道102外的外环形流道103，轴承腔101的两端分别设有用于封严轴承腔101的内封严结构30，内环形流道102的两端分别设有用于封严内环形流道102的中间封严结构40，外环形流道103的两端分别设有用于封严外环形流道103的外封严结构50。内环形流道102连通有第一引流管60，第一引流管60用于将离心叶轮进口叶顶71处的低温气流引入内环形流道102，以冷却轴承筒座10并通过内封严结构30后封严轴承腔101。通过中间封严结构40进入外环形流道103的低温气流及通过外封严结构50进入外环形流道103的离心叶轮出口根部72处的高温气流掺混形成混合气流；外环形流道103连通有第二引流管80，第二引流管80用于将外环形流道103中掺混形成的混合气流引至发动机后部高温零部件处以对外环形流道103进行卸压的同时对后级零部件进行冷却。本发明的离心叶轮后轴承冷却与封严结构中，离心叶轮进口叶顶71处的低温气流通过第一引流管60进入内环形流道102，以对轴承筒座10进行通风冷却并形成环形隔热层以降低轴承筒座10的热负荷，进入内环形流道102中的部分低温气流通过内封严结构30后封严轴承腔101，其余部分低温气流通过中间封严结构40进入外环形流道103，并与由外封严结构50处进入外环形流道103中的离心叶轮出口根部72处的高温气流掺混以形成混合气流，该混合气流在轴承筒座10中形成第二层环形隔热层以进一步降低轴承筒座10的热负荷，同时外环形流道103中的混合气流通过与其连通的第二引流管80引至发动机后部高温零部件处以对后部高温零部件进行冷却，同时对外环形流道103进行卸压以使内环形流道102中的低温气流在压力差的作用下通过中间封严结构40进入外环形流道103，也进一步抑制离心叶轮出口根部72处的高温气流直接进入轴承腔101，避免了滑油过大温升导致结焦风险。本发明的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，通过引一股低温气流对轴承筒座10进行通风冷却及对轴承腔101进行封严，同时起到抑制离心叶轮出口根部72处的高温气流进入轴承腔101的作用，达到降低轴承筒座10的热负荷，起到减小轴承腔101内滑油温升的目的，避免轴承腔内滑油结焦和轴承座局部热应力过大风险，有效解决高增压比中小航空发动机离心叶轮后轴承的冷却与封严问题。可选地，如图2所示，第一引流管60的进流端与离心叶轮进口叶顶71连通，第一引流管60的出流端与内环形流道102内靠近离心叶轮70的一端连通。由于内环形流道102靠近离心叶轮70一端的温度高于其远离离心叶轮70一端的温度，当第一引流管60的出流端与内环形流道102内靠近离心叶轮70的一端连通时，能有效降低轴承筒座10靠近离心叶轮70一端的热负荷，同时也使轴承筒座10热负荷均匀。第二引流管80的进流端与外环形流道103内靠近离心叶轮70的一端连通，第二引流管80的出流端与离心叶轮70后级零部件连通。同样的，由于外环形流道103靠近离心叶轮70一端的温度高于其远离离心叶轮70一端的温度，当第二引流管80的进流端与外环形流道103内靠近离心叶轮70的一端连通时，也能有效降低轴承筒座10靠近离心叶轮70一端的热负荷，同时也使轴承筒座10热负荷均匀。优选地，第一引流管60的数量为多根，多根第一引流管60沿内环形流道102的周向依次间隔设置，保证内环形流道102和轴承腔101气流周向温度的均匀性。具体地，第一引流管60的数量为2根，各第一引流管60的管径为10mm～12mm。优选地，第二引流管80的数量为多根，多根第二引流管80沿外环形流道103的周向依次间隔设置，保证外环形流道103气流周向温度的均匀性。具体地，第二引流管80的数量为2根，各第二引流管80的管径为10mm～12mm。可选地，如图2所示，轴承筒座10两端的端面上各设有对应的一圈内流道通孔104，及对应的一圈外流道通孔105，外流道通孔105环设于内流道通孔104外。内环形流道102中的部分低温气流穿出内流道通孔104后再通过内封严结构30进入轴承腔101以封严轴承腔101，其余部分低温气流穿出内流道通孔104后再通过中间封严结构40和外流道通孔105进入外环形流道103。离心叶轮出口根部72处的高温气流通过外封严结构50后再穿过外流道通孔105进入外环形流道103。可选地，如图2所示，轴承筒座10在轴承腔101、内环形流道102及外环形流道103的作用下分成由内至外依次设置的内轴筒11、中间轴筒12及外轴筒13。轴承腔101中转动设有与离心叶轮70的转轴73固定的封严轴筒90。内封严结构30设置于封严轴筒90与内轴筒11之间。中间封严结构40设置于封严轴筒90与中间轴筒12之间。外封严结构50设置于封严轴筒90与外轴筒13之间。本可选方案的第一实施例，如图2所示，内封严结构30为石墨封严结构，石墨封严结构为现有技术中常用的通过动石墨环和静石墨环配合作用以密封间隙的结构。中间封严结构40为直通式蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm，便于内环形流道102中的低温气流顺畅通过该直通式蓖齿封严结构后进入外环形流道103。具体地，中间封严结构40包括设置于封严轴筒90上的2道直通式封严蓖齿及配合设置于中间轴筒12上的蓖齿环。外封严结构50为台阶型蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm，台阶型蓖齿封严结构可降低离心叶轮出口根部72气流的压力，从而与通过中间封严结构40位置的内环形流道102处气流掺混，并通过外部管路排出用于发动机后部高温零部件冷却。具体地，外封严结构50包括设置于封严轴筒90一端的6道台阶型封严蓖齿及配合设置于外轴筒13上的蓖齿环、设置于封严轴筒90另一端的5道台阶型封严蓖齿及配合设置于外轴筒13上的蓖齿环。本可选方案的第二实施例，图未示，内封严结构30为石墨封严结构，石墨封严结构为现有技术中常用的通过动石墨环和静石墨环配合作用以密封间隙的结构。中间封严结构40和外封严结构50为刷式封严结构或指尖封严结构，刷式封严结构和指尖封严结构均为现有技术中常用的用于密封间隙的封严结构。可选地，封严轴筒90为整体式结构，后轴承20装设于封严轴筒90的外圆上，封严轴筒90整体结构强度大，且装配、固定简单。或后轴承20装设于转轴73的外圆上。封严轴筒90包括前封严环筒和后封严环筒，前封严环筒和后封严环筒沿轴向间隔设置，且前封严环筒和后封严环筒的端部分别顶抵后轴承20的两端。可选地，如图2所示，轴承筒座10连接于轴承机匣110的安装通道中。轴承机匣110上开设有第一节流孔111及与第一节流孔111连通的第二节流孔112。离心叶轮出口根部72处的部分高温气流依次通过第一节流孔111和第二节流孔112节流后，其中部分高温气流通过外封严结构50进入外环形流道103，其余部分进入位于离心叶轮70后的高压涡轮盘用于高压涡轮盘后级间封严。通过第一节流孔111和第二节流孔112的设置对高温气流进行节流降压，保证高压涡轮盘后封严压力的同时降低外环形流道103中的压力。优选地，第一节流孔111和第二节流孔112的数量均为多个，多个第一节流孔111和多个第二节流孔112分别沿轴承机匣110的周向依次间隔设置，保证轴承机匣110周向进流及出流的均匀性。具体地，第一节流孔111和第二节流孔112流通面积的设计，既要保证气流沿程存在压降，同时又要保证高压涡轮盘处的压力能够满足高压涡轮盘后级间隙的封严要求，故而本发明优选方案中，第一节流孔111和第二节流孔112周向孔数量范围均为15～20个，且第一节流孔111和第二节流孔112的节流面积均为2mm～4mm。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，包括：轴承筒座10，所述轴承筒座10内设有用于安装后轴承20的轴承腔101、环设于所述轴承腔101外的内环形流道102及环设于所述内环形流道102外的外环形流道103，所述轴承腔101的两端分别设有用于封严所述轴承腔101的内封严结构30，所述内环形流道102的两端分别设有用于封严所述内环形流道102的中间封严结构40，所述外环形流道103的两端分别设有用于封严所述外环形流道103的外封严结构50；所述内环形流道102连通有第一引流管60，所述第一引流管60用于将离心叶轮进口叶顶71处的低温气流引入所述内环形流道102，以冷却所述轴承筒座10并通过所述内封严结构30封严所述轴承腔101；通过所述中间封严结构40进入所述外环形流道103的低温气流及通过所述外封严结构50进入所述外环形流道103的离心叶轮出口根部72处的高温气流掺混形成混合气流；所述外环形流道103连通有第二引流管80，所述第二引流管80用于将所述外环形流道103中掺混形成的混合气流引至发动机后部高温零部件处以对所述外环形流道103进行卸压的同时对高温零部件进行冷却。2.根据权利要求1所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述第一引流管60的进流端与所述离心叶轮进口叶顶71连通，所述第一引流管60的出流端与所述内环形流道102内靠近所述离心叶轮70的一端连通；所述第二引流管80的进流端与所述外环形流道103内靠近所述离心叶轮70的一端连通，所述第二引流管80的出流端与所述离心叶轮70后级零部件连通。3.根据权利要求2所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述第一引流管60的数量为多根，多根所述第一引流管60沿所述内环形流道102的周向依次间隔设置；所述第二引流管80的数量为多根，多根所述第二引流管80沿所述外环形流道103的周向依次间隔设置。4.根据权利要求1所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述轴承筒座10两端的端面上各设有对应的一圈内流道通孔104，及对应的一圈外流道通孔105，所述外流道通孔105环设于所述内流道通孔104外；所述内环形流道102中的部分低温气流穿出所述内流道通孔104后再通过所述内封严结构30进入所述轴承腔101，其余部分低温气流穿出所述内流道通孔104后再通过所述中间封严结构40和所述外流道通孔105进入所述外环形流道103；所述离心叶轮出口根部72处的高温气流通过所述外封严结构50后再穿过所述外流道通孔105进入所述外环形流道103。5.根据权利要求1所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述轴承筒座10在所述轴承腔101、所述内环形流道102及所述外环形流道103的作用下分成由内至外依次设置的内轴筒11、中间轴筒12及外轴筒13；所述轴承腔101中转动设有与离心叶轮70的转轴73固定的封严轴筒90；所述内封严结构30设置于所述封严轴筒90与所述内轴筒11之间；所述中间封严结构40设置于所述封严轴筒90与所述中间轴筒12之间；所述外封严结构50设置于所述封严轴筒90与所述外轴筒13之间。6.根据权利要求5所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述内封严结构30为石墨封严结构；所述中间封严结构40为直通式蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm；所述外封严结构50为台阶型蓖齿封严结构，封严间隙为0.1mm～0.3mm。7.根据权利要求5所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述内封严结构30为石墨封严结构；所述中间封严结构40和所述外封严结构50为刷式封严结构或指尖封严结构。8.根据权利要求5所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述封严轴筒90为整体式结构，所述后轴承20装设于所述封严轴筒90的外圆上；或所述后轴承20装设于所述转轴73的外圆上；所述封严轴筒90包括前封严环筒和后封严环筒，所述前封严环筒和所述后封严环筒沿轴向间隔设置，且所述前封严环筒和所述后封严环筒的端部分别顶抵所述后轴承20的两端。9.根据权利要求1所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述轴承筒座10连接于轴承机匣110的安装通道中；所述轴承机匣110上开设有第一节流孔111及与所述第一节流孔111连通的第二节流孔112；所述离心叶轮出口根部72处的高温气流依次通过所述第一节流孔111和所述第二节流孔112节流后，其中部分高温气流通过所述外封严结构50进入所述外环形流道103，其余部分进入位于离心叶轮70后的高压涡轮盘用于所述高压涡轮盘后级间封严。10.根据权利要求9所述的离心叶轮后轴承冷却与封严结构，其特征在于，所述第一节流孔111和所述第二节流孔112的数量均为多个，多个所述第一节流孔111和多个所述第二节流孔112分别沿所述轴承机匣110的周向依次间隔设置；所述第一节流孔111和所述第二节流孔112的节流面积均为2mm～4mm。

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