CN104011336B - 用于燃气涡轮发动机的轴承支承装置 - Google Patents

Abstract

一种轴承支承罩包括：环形前环(234)；环形后环(238)；环形安装凸缘(236)，其设置在前环与后环之间；沿轴向延伸的第一弹簧指(240)的环形阵列，其将前环与后环互连；和沿轴向延伸的第二弹簧指(242)的环形阵列，其将安装凸缘与后环互连，其中，第一弹簧指与第二弹簧指互相交叉。前环和后环、安装凸缘和弹簧指全部为单个一体构件的部分。

Description

用于燃气涡轮发动机的轴承支承装置

相关申请的交叉引用

本申请为目前未决的2011年11月1日提交的申请序列号No.13/286,792号的部分继续。

技术领域

本发明大体上涉及滚动元件轴承，并且更具体地涉及此类轴承在燃气涡轮发动机中的安装。

背景技术

燃气涡轮发动机包括一个或更多个轴，轴安装以用于在通常为滚动元件类型的若干轴承中旋转。轴承包围在称为“储槽(sump)”的封壳中，封壳被加压且具有用于润滑和冷却的油流。燃气涡轮发动机中的轴承通常为滚柱轴承和滚珠轴承的组合。滚柱轴承对轴的径向负载起作用，且滚珠轴承对径向和推力负载起作用。通常，轴承成对地安装，其中滚珠和滚柱轴承在单个轴承储槽中的沿轴向相邻的位置处。

滚珠轴承通常为发动机中最不可靠的轴承。滚珠轴承在经历轴向负载和径向负载的组合时更易于故障，而在径向方向上负载不足的滚柱轴承通常由于滚柱滑移(skidding)破坏而故障。增大滚柱轴承上的径向负载增大了罩速度，这降低了此类破坏的风险。因此，此类轴承构造需要隔离负载，其中推力负载引导至滚珠轴承，且径向负载尽可能多地引导至滚柱轴承。现有技术的轴承支承设计仅隔离了径向负载中的大部分。

一些现有的发动机已通过结合“并联”弹簧指(springfinger)壳体来支承相邻的滚珠轴承和阻尼滚柱轴承解决了负载隔离问题。该设计在使径向负载与滚珠轴承隔离方面不完全有效，其中施加的径向负载中的通常10-30%通过滚珠轴承传递。

其它已知的现有发动机通过包括与预载非中心阻尼滚柱轴承“并联”的滚珠轴承弹簧指来解决负载隔离。该设计在负载隔离方面有效，但制造和操作起来复杂。

因此，需要一种用于滚珠和滚柱轴承组合的轴承支承件，其将径向和推力负载隔离至适合的轴承，且其在机械上简单。

发明内容

该需要通过本发明来解决，本发明提供了一种轴承支承装置，其中滚珠和滚柱轴承通过弹簧元件串联安装，以便使径向负载与滚珠轴承隔离。

根据本发明的一个方面，一种轴承支承罩包括：环形前环；环形后环；环形安装凸缘，其设在前环与后环之间；沿轴向延伸的第一弹簧指的环形阵列，其将前环与后环互连；和沿轴向延伸的第二弹簧指的环形阵列，其将安装凸缘与后环互连，其中，第一弹簧指与第二弹簧指互相交叉(interdigitate)。前环和后环、安装凸缘和弹簧指全部为单个一体构件的部分。

根据本发明的另一个方面，一种用于燃气涡轮发动机的轴承支承装置包括：静止的环形框架；一体轴承罩，其包括：环形前环、环形安装凸缘、环形后环、沿轴向延伸的第一弹簧指的环形阵列，和沿轴向延伸的第二弹簧指的环形阵列。安装凸缘安装于框架；前环和后环由第一弹簧指互连，安装凸缘和后环由第二弹簧指互连；并且第一弹簧指与第二弹簧指互相交叉。滚柱轴承由轴承罩的后环承载，滚珠轴承由轴承罩的前环承载，且轴安装在滚柱轴承和滚珠轴承中。

附图说明

本发明可通过结合附图参照以下说明来更好地理解，在附图中：

图1为结合根据本发明的方面构造的轴承支承装置的燃气涡轮发动机的半剖视图；

图2为图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图，示出了轴承支承装置；

图3为燃气涡轮发动机的一部分的半剖视图，示出了备选轴承支承装置；

图4为燃气涡轮发动机的一部分的半剖视图，示出了备选轴承支承装置；并且

图5为图4所示的轴承罩的截面透视图。

具体实施方式

参看附图，其中相同参考标号遍及各种视图表示相同元件，图1绘出了燃气涡轮发动机10。发动机10具有纵轴线11且包括共同地称为“低压系统”的风扇12、低压压缩机或“增压器”14和低压涡轮(“LPT”)16。LPT16通过也称为“LP轴”的内轴18来驱动风扇12和增压器14。发动机10还包括共同地称为“气体发生器”或“芯”的高压压缩机(“HPC”)20、燃烧器22和高压涡轮(“HPT”)24。HPT24通过也称为“HP轴”的外轴26驱动HPC20。高压系统和低压系统能够在一起以已知方式操作，以生成主流或芯流以及风扇流或旁通流。尽管所示的发动机10为高旁通涡扇发动机，但本文所述的原理同样能够适用于涡轮螺桨发动机、涡轮喷气发动机和涡轮轴发动机，以及用于其它车辆或在静止应用中使用的涡轮发动机。

内轴18和外轴26安装以用于在若干滚动元件轴承中旋转。轴承位于发动机10的称为“储槽”的包围部分中。图2示出了图1所示的发动机的一个储槽的一部分。内轴18由具有环形凸缘30的静止结构框架28包绕，凸缘30沿径向向内延伸。

第一轴承罩32安装于凸缘30。第一轴承罩32可看作是弹簧支承件或回弹性支承件。第一轴承罩32包括由弹簧臂38的环形阵列互连的环形前环34和环形后环36。弹簧臂38构造成相对于后环36的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许后环36相对于前环34的受控的径向偏离。弹簧臂38的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定的应用，特别是实现第一轴承罩32的期望的径向刚度。如本文使用的用语“刚度”是指每单位偏离所需的力或单位负载。后环36大体上为柱形，且与弹簧臂38沿轴向共线延伸。前环34沿径向方向延伸以便限定安装凸缘。前环34包括多个安装孔40，安装孔40接收紧固件42，紧固件42将前环34固连于框架28的凸缘30。

第二轴承罩44安装于第一轴承罩32的后环36。第二轴承罩44包括由弹簧臂50的环形阵列互连的收纳在第一轴承罩32的后环36中的环形后环46，和定位在凸缘30前方的环形前环48。第二轴承罩44固连于第一轴承罩32，以便其不会相对于该处移动。例如，这可通过过盈配合、通过使用焊接、径向销、机械接头或其它类似技术来完成。弹簧臂50构造成相对于前环48的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许前环48相对于后环46的受控的径向偏离。弹簧臂50的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定应用，特别是实现第二轴承罩44的期望的径向刚度。在一些应用中，第二轴承罩44的径向刚度可选择成显著小于第一轴承罩32。

滚柱轴承52设置在框架28与内轴18之间。滚柱轴承52包括环形内圈54、一排大体柱形的滚柱56、环形外圈58和固持件60。滚柱轴承52的内圈54固连于内轴18，以便内圈54不会相对于该处旋转，且滚柱轴承52的外圈58固连于第二轴承罩44的后环46，以便外圈58不会相对于该处旋转。滚柱轴承52的固有构造使得除由滚柱56与圈54和58之间的摩擦传递的较小力之外，轴向负载不可通过滚柱轴承52传递。

滚珠轴承62设置在框架28与内轴18之间，在滚柱轴承52的轴向前方。滚珠轴承62包括环形内圈64、一排球形滚珠66、环形外圈68和固持件70。滚珠轴承52的内圈64固连于内轴18，以便内圈64不会相对于该处旋转，且滚珠轴承62的外圈68固连于第二轴承罩44的前环48，以便外圈68不会相对于该处旋转。内圈64限定凹面内座72，且外圈68限定凹面外座74，两者沿径向方向与滚珠66重叠。内圈64抵接内轴18(或安装于其的构件)的承载表面76，且外圈抵接第二轴承罩44(或安装在其上的构件)的承载表面78。该构造允许轴向负载(也称为推力负载)从内轴18通过滚珠轴承62和第一和第二轴承罩32和44传递至框架28。

轴承支承装置包括可选的环形阻尼器臂80。阻尼器臂80具有固连(例如，使用所示的螺栓84或其它适合的紧固件)于凸缘30的前部分82。阻尼器臂80从凸缘30沿径向向内且沿轴向向后延伸。阻尼器臂80的后部85大体上为柱形，且与第一轴承罩32的后环36轴向对准且径向紧邻地安装。

后环36的外表面和阻尼器臂80的后部85的内表面一起限定其间的薄环形压膜空间86。阻尼流体(诸如油)在压力下通过适合的导管或入口(未示出)引入压膜空间86中。根据已知的原理，任何转子不平衡可导致内轴18和滚柱轴承52经历径向运动，且使压膜空间86中的油受到很高的压力，从而迫使油的粘性流和对滚柱轴承52和内轴18的阻尼作用。该作用限制了后环36和滚柱轴承52的偏离。为了密封压膜空间86中的阻尼油，后环36包括其外表面中的一对间隔开的凹槽88。一对密封环(未示出)可配合在凹槽88中，且适于接合阻尼器臂80的表面，从而密封压膜空间86的前边界和后边界。

在操作中，内轴18经历相对于框架28沿径向方向的移动，从而引起将内轴18与框架28互连的构件中的径向偏离和负载。滚珠轴承62和滚柱轴承52可描述为由“串联”的框架28相对于径向负载支承。即，滚柱轴承52通过第一轴承罩32安装于框架28，且滚珠轴承62安装于第二轴承罩44，第二轴承罩44安装于第一轴承罩32。

由于第二轴承罩44为弹簧元件，故施加到滚珠轴承62的径向压缩负载具有与第二轴承罩44的前环48和后环46的相对径向偏离的已知关系(即，滚珠轴承62上的径向负载与弹簧臂50的弯曲偏离成比例)。考虑内轴18朝框架28的偏离，只有在滚珠轴承62与滚柱轴承52之间存在相对偏离时，滚珠轴承62才将经历径向负载。

假设内轴18为充分刚性的元件，内轴18的任何径向偏离将通常在很少以至于没有弹簧臂50的弯曲的情况下导致滚珠和滚柱轴承62和52的相等偏离。

滚珠和滚柱轴承62和52的不等偏离或滚珠轴承62的独立径向偏离可基于不同径向空隙或预载，或滚柱轴承52与滚珠轴承62之间的不同径向基准位置的存在而产生。

然而，一旦达到任何独立径向滚珠轴承移动的极限，则滚珠和滚柱轴承62和52的进一步径向偏离将在第一轴承罩32的弹簧臂38弯曲的情况下一致。第二轴承罩44的径向偏离，且因此滚珠轴承62上的径向负载不可进一步增大。基本上，滚珠轴承62与轴承对在操作中经历的总径向偏离和径向负载中的全部但较小选择量隔离开。为了实现径向负载与滚珠轴承62的最大隔离，优选的是，弹簧臂50应使最低径向刚度为可能的，同时仍可靠地传递轴向负载。滚珠轴承62上的总径向负载可通过操纵弹簧臂50的径向刚度和环48和46的相对偏心来设置为任意选择的极限。作为示例，总径向负载可容易地良好限制为低于0.4kN(100lbs)。

如上所述，滚珠轴承62和滚柱轴承52在静止状态下彼此同轴，或换言之，各个轴承的旋转轴线与另一个轴承的旋转轴线一致。然而，在一些应用中，可能期望对滚柱轴承52提供径向预载，以便防止滚柱滑移。因此，滚珠轴承62可横向地(laterally)偏离滚柱轴承52。例如，这可通过使第二轴承罩44的前环48的开孔与第二轴承罩44的后环46的开孔略微偏心，或通过偏移弹簧臂50以使它们不刚好平行于纵轴线11延伸来实现。在发动机操作期间的推力负载的影响下，滚珠轴承62将试图将内轴18定心在其自身的旋转轴线上，这将把有限的径向力施加到滚珠和滚柱轴承62和52上。

该技术大体上称为“偏移”，且是确保存在最小滚柱轴承负载以防止滑移的有效手段。本发明允许轴承62和52彼此偏移，同时保持滚柱轴承52与发动机11的纵轴线同轴。这对于现有技术的“并联”轴承支承构造设计而言是不可能的，因为其将导致滚柱轴承52变得在油膜阻尼器装置内不在中心，从而降低了阻尼的有效性。当实施偏移时，滚珠轴承62上的径向负载将大于其没有偏移时，然而滚珠轴承上的径向负载可仍限于良好地在充分的服务可靠性所需的极限内的值，例如，总径向负载可为大约2kN(500lbs.)或更小。

图3示出了具有凸缘30的框架28与内轴18之间的安装轴承的备选轴承支承装置。轴承罩132安装于凸缘30。轴承罩132可看作是弹簧支承件或回弹性支承件。轴承罩132包括环形前环134、环形中环136和环形后环138。前环134和中环136由前弹簧臂140的环形阵列互连。中环136和后环138由后弹簧臂142的环形阵列互连。

前弹簧臂140构造成相对于中环136的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许中环136相对于前环134的受控的径向偏离。前弹簧臂140的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定应用，特别是实现期望的径向刚度。

后弹簧臂142构造成相对于后环138的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许后环138相对于中环136的受控的径向偏离。后弹簧臂142的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定应用，特别是实现期望的径向刚度。在一些应用中，后弹簧臂142的径向刚度可选择成显著小于前弹簧臂140的径向刚度。

中环136和后环138各自大体上为柱形，且与弹簧臂140和142沿轴向共线延伸。前环134沿径向方向延伸以便限定安装凸缘。前环134还包括多个安装孔144，安装孔144接收紧固件146，紧固件146将前环134固连于框架28的凸缘30。

滚柱轴承152设置在框架28与内轴18之间且包括环形内圈154、一排大体柱形的滚柱156、环形外圈158和固持件160。内圈154固连于内轴18，以便内圈154不会相对于该处旋转，且外圈158固连于中环136，以便外圈158不会相对于该处旋转。

滚珠轴承162设置在框架28与内轴18之间，在滚柱轴承152的轴向后方。滚珠轴承162包括环形内圈164、一排球形滚珠166、环形外圈168和固持件170。内圈164固连于内轴18，以便内圈164不会相对于该处旋转，且外圈168固连于后环138，以便外圈168不会相对于该处旋转。滚珠轴承162如上所述地构造，使得轴向负载(也称为推力负载)可从内轴18通过滚珠轴承162和轴承罩132传递至框架28。

轴承支承装置包括可选的环形阻尼器臂180。阻尼器臂180具有固连(例如，使用所示的螺栓184或其它适合的紧固件)于凸缘30的前部182。阻尼器臂180从凸缘30沿径向向内且沿轴向向后延伸。阻尼器臂180的后部185大体上为柱形，且与第一轴承罩132的中环136轴向对准且径向紧邻地安装。

中环136的外表面和阻尼器臂180的后部185的内表面一起限定其间的薄环形压膜空间186。阻尼流体(诸如油)在压力下通过适合的导管或入口(未示出)引入压膜空间186中。根据已知的原理，任何转子不平衡可导致内轴18和滚柱轴承152经历径向运动，且使压膜空间186中的油受到很高的压力，从而迫使油的粘性流和对滚柱轴承152和内轴18的阻尼作用。为了密封压膜空间186中的阻尼油，中环36包括其外表面中的一对间隔开的凹槽188。一对密封环(未示出)可配合在凹槽188中，且适于接合阻尼器臂180的表面，从而密封压膜空间186的前边界和后边界。

图3所示的轴承装置的操作和性能与上述实质上相同，其中滚珠轴承162通过由轴承罩132提供的串联安装布置与全部但较小的径向偏离和负载隔离开。如上所述，后环138可相对于中环136偏移，以提供滚柱轴承152上的期望的径向负载。

图4和5示出了另一个备选轴承支承装置，用于将轴承安装在具有凸缘230的框架228(类似于框架28)与内轴218之间。轴承罩232安装于凸缘230。轴承罩232可看作是弹簧支承件或回弹性支承件。轴承罩232从前到后包括环形前环234、环形的沿径向延伸的安装凸缘236，和环形后环238。前环234和后环238由第一弹簧臂240的环形阵列互连。安装凸缘236和后环238由第二弹簧臂242的环形阵列互连。

如图5中最佳可见，轴承罩232及其组成零件(即，环234和238、安装凸缘236，和弹簧臂240和242)全部为单个整体或一体构件的部分。第一弹簧臂240和第二弹簧臂242以允许它们独立于彼此移动的样式互相交叉。在所示的特定实例中，单个的第二弹簧臂242与单个的第一弹簧臂240围绕轴承罩232的外周交替。安装凸缘236具有形成在其径向内缘中的一定数目的切口241，以提供用于第一弹簧臂240的沿径向向外移动的空隙。臂240和242中的全部大致位于离发动机纵轴线相同的半径处。

第一弹簧臂240构造成相对于前环234的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许前环234相对于后环238的受控的径向偏离。第一弹簧臂240的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定的应用，特别是实现期望的径向刚度。

第二弹簧臂242构造成相对于后环238的轴向偏离基本上是刚性的，同时允许后环238相对于安装凸缘236的受控的径向偏离。第二弹簧臂242的数目、形状、间距和大小可改变，以适合特定的应用，特别是实现期望的径向刚度。在一些应用中，第二弹簧臂242的径向刚度可选择成显著大于第一弹簧臂240的径向刚度。

后环238大体上为柱形，且沿轴向与第二弹簧臂242共线延伸。前环234大体上为柱形，且向第一弹簧臂240的外侧略微偏移。

安装凸缘236包括多个安装孔244，安装孔244接收紧固件246，紧固件246将安装凸缘236固连于框架228的凸缘230。

滚柱轴承252设置在框架228与内轴218之间，在凸缘230的轴向后方。滚柱轴承252包括环形内圈254、一排大体柱形的滚柱256、环形外圈258和固持件260。内圈254固连于内轴218，以便内圈254不会相对于该处旋转，且外圈258固连于后环238，以便外圈258不会相对于该处旋转。

滚珠轴承262设置在框架228与内轴218之间，在凸缘230的轴向前方。滚珠轴承262包括环形内圈264、一排球形滚珠266、环形外圈268和固持件270。内圈264固连于内轴218，以便内圈264不会相对于该处旋转，且外圈268固连于前环234，以便外圈268不会相对于该处旋转。滚珠轴承262如上所述地构造，使得轴向负载(也称为推力负载)可从内轴218通过滚珠轴承262和轴承罩232传递至框架228。

轴承支承装置包括可选的环形阻尼器臂280。阻尼器臂280具有固连(例如，使用所示的螺栓284或其它适合的紧固件)于凸缘230的前部282。阻尼器臂280从凸缘230沿径向向内且沿轴向向后延伸。阻尼器臂280的后部285大体上为柱形，且与轴承罩232的后环238轴向对准且径向紧邻地安装。

后环238的外表面和阻尼器臂280的后部285的内表面一起限定其间的薄环形压膜空间286。阻尼流体(诸如油)在压力下通过适合的导管或入口(未示出)引入压膜空间286中。根据已知的原理，任何转子不平衡可导致内轴218和滚柱轴承252经历径向运动，且使压膜空间286中的油受到很高的压力，从而迫使油的粘性流和对滚柱轴承252和内轴218的阻尼作用。为了密封压膜空间286中的阻尼油，后环238包括其外表面中的一对间隔开的凹槽。一对密封环288配合在凹槽中，且适于接合阻尼器臂280的表面，从而密封压膜空间286的前边界和后边界。

图4和5所示的轴承装置的操作和性能与上述大致相同，其中滚珠轴承262通过由轴承罩232提供的串联安装布置与全部但较小的径向偏离和负载隔离开。如上所述，后环238可相对于前环234偏移，以提供滚柱轴承252上的期望的径向负载。

应注意的是，通常本文所述的轴承圈中的任一个都可制造成整体结合到支承该轴承的轴承罩的环中的一个。

相比于现有技术的轴承支承件，本文所述的装置具有使滚珠轴承与径向负载隔离开的优点。这简化了其设计，从而允许针对纯推力负载优化内部几何形状，且将导致较长的寿命和改善的可靠性。同时，增大相邻滚柱轴承上的径向负载增大罩速度，且因此降低滚柱滑移破坏的风险。本发明还比用于使滚珠轴承与径向负载隔离开的现有技术设计简单且廉价。

前文已经描述了一种用于燃气涡轮发动机的轴承支承装置。尽管已经描述了本发明的特定实施例，但本领域技术人员将清楚的是，可制作出其各种改型，而不脱离本发明的精神和范围。因此，本发明的优选实施例和用于实施本发明的最佳实施方式的以上描述仅用于图示的目的而提供，且不用于限制目的，本发明由权利要求限定。

Claims (11)

1.一种轴承支承罩，包括：

环形前环；

环形后环；

环形安装凸缘，其设置在所述前环与后环之间；

沿轴向延伸的第一弹簧指的环形阵列，其将所述前环与所述后环互连；和

沿轴向延伸的第二弹簧指的环形阵列，其将所述安装凸缘与所述后环互连，其中，所述第一弹簧指与所述第二弹簧指互相交错，并且其中，所述前环和后环、所述安装凸缘，和所述弹簧指全部为单个一体构件的部分。

2.根据权利要求1所述的轴承支承罩，其特征在于，单个的所述第二弹簧臂与单个的所述第一弹簧臂围绕所述轴承罩的外周交替。

3.根据权利要求1所述的轴承支承罩，其特征在于，多个切口形成在所述安装凸缘中，所述切口与所述第一弹簧臂对准。

4.根据权利要求1所述的轴承支承罩，其特征在于，所述第一弹簧臂具有第一径向刚度，并且所述第二弹簧臂具有显著大于所述第一径向刚度的第二径向刚度。

5.一种用于燃气涡轮发动机的轴承支承装置，包括：

静止的环形框架；

一体轴承罩，其包括：环形前环、环形安装凸缘、环形后环、沿轴向延伸的第一弹簧指的环形阵列，和沿轴向延伸的第二弹簧指的环形阵列，其中：

所述安装凸缘安装于所述框架；

所述前环和所述后环由所述第一弹簧指互连，

所述安装凸缘和所述后环由所述第二弹簧指互连；并且

所述第一弹簧指与所述第二弹簧指互相交错；

滚柱轴承，其由所述轴承罩的后环承载；

滚珠轴承，其由所述轴承罩的前环承载；和

轴，其安装在所述滚柱轴承和滚珠轴承中。

6.根据权利要求5所述的轴承支承装置，其特征在于，所述滚珠轴承构造成在所述框架与所述轴之间传递轴向负载。

7.根据权利要求5所述的轴承支承装置，其特征在于，单个的所述第二弹簧臂与单个的所述第一弹簧臂围绕所述轴承罩的外周交替。

8.根据权利要求5所述的轴承支承装置，其特征在于，多个切口形成在所述安装凸缘中，所述切口与所述第一弹簧臂对准。

9.根据权利要求5所述的轴承支承装置，其特征在于，所述滚珠轴承相对于所述滚柱轴承横向地偏移。

10.根据权利要求5所述的轴承支承装置，其特征在于，还包括设置在所述框架与所述弹簧罩之间的压膜阻尼器。

11.根据权利要求5所述的轴承装置，其特征在于，所述第一弹簧臂具有第一径向刚度，并且所述第二弹簧臂具有显著大于所述第一径向刚度的第二径向刚度。