燃氣渦輪發動機的軸承隔間中的水力密封件的制作方法

本發明是在空軍授予的合同號FA8650-07-C-2802的政府資助下制作出的。政府可能對本發明具有一定權利。

技術領域

本主題大體上涉及燃氣渦輪發動機，并且更具體地涉及燃氣渦輪發動機中的軸承隔間密封系統。

背景技術：

燃氣渦輪發動機通常包括轉子組件、壓縮機和渦輪。轉子組件包括具有從轉子軸沿徑向向外延伸的風扇葉片陣列的風扇。將功率和旋轉運動從渦輪傳遞至壓縮機和風扇兩者的轉子軸使用多個軸承組件沿縱向支承。已知的軸承組件包括支承在成對的圈內的一個或更多個滾動元件。為了保持轉子臨界速度裕度，轉子組件通常支承在三個軸承組件上：一個止推軸承組件和兩個滾子軸承組件。止推軸承組件支承轉子軸，且極小化其軸向和徑向移動，同時滾子軸承組件支承轉子軸的徑向移動。

通常，這些軸承組件包圍在圍繞軸承組件沿徑向設置的殼體內。殼體形成隔間或槽，其保持用于潤滑軸承的潤滑劑(例如，油)。該潤滑劑還可為潤滑傳動裝置和其它密封件。需要殼體與轉子軸之間的間隙來允許轉子軸關于殼體的旋轉。軸承密封系統通常包括兩個此間隙：一個在上游端而另一個在下游端。在此方面，設置在各個間隙中的密封件防止潤滑劑從隔間散逸。已知的密封件包括迷宮式或刀刃密封件和碳密封件。

然而，碳密封件可直接地接觸移動的轉子軸，這可縮短密封件的磨損壽命，且需要其專門的冷卻。在此方面中，許多燃氣輪機現在使用水力密封件，其不接觸高速下的旋轉轉子。具體而言，水力碳密封件經由密封件吸收空氣且吸入隔間，由此保持移動構件與靜止構件之間的間隙。吸入隔間中的空氣的壓力防止潤滑劑散逸。然而，替代接觸密封件的兩個水力密封件的使用提高軸承隔間密封系統的尺寸、重量、成本和安裝復雜性。

因此，可提供改善的磨損壽命、減小操作期間吸入隔間中的空氣體積、以及消除對專門的密封件冷卻的需要的用于燃氣渦輪發動機的軸承隔間密封系統將是本技術中受歡迎的。

技術實現要素：

本發明的方面和優點將在以下描述中闡明，或可從描述中清楚，或可通過實施本發明理解到。

在一方面，本公開內容針對一種包括用于支承軸的軸承的軸承隔間密封系統。殼體包圍軸承且限定用于保持其中的潤滑劑的隔間。至少兩個密封件位于軸與殼體之間。至少兩個密封件、殼體和軸共同地包圍隔間。至少兩個密封件中的僅一個為水力密封件。

本公開內容的另一個方面針對一種燃氣渦輪發動機。燃器渦輪發動機包括壓縮機、燃燒器、渦輪和可旋轉地聯接壓縮機和渦輪的軸。軸承定位在軸與壓縮機或渦輪中的一者之間。殼體包圍軸承且限定用于保持其中的潤滑劑的隔間。至少一個泵用于使潤滑劑在隔間與遠程潤滑劑儲存器之間再循環。至少兩個密封件位于軸與殼體之間。至少兩個密封件、殼體和軸共同地包圍隔間。至少兩個密封件中的僅一個為水力密封件。

本公開內容的另一個方面包括用于密封燃氣渦輪發動機中的軸承隔間的方法。該方法包括利用至少一個軸承至少部分地支承具有縱軸線的軸。軸圍繞旋轉軸線旋轉。至少一個軸承中的各個以殼體至少部分地包圍，殼體限定用于保持用于潤滑至少一個軸承的潤滑劑的隔間。第一壓力在水力密封件的外側和迷宮式密封件的外側上產生。第二壓力在水力密封件的內側和迷宮式密封件的內側上產生。第一壓力相對大于第二壓力，從而經由水力密封件將空氣吸入隔間中。

本發明的第一技術方案提供了一種軸承隔間密封系統，包括：用于支承軸的軸承；包圍所述軸承的殼體，其中所述殼體限定用于將潤滑劑保持在其中的隔間；以及位于所述軸與所述殼體之間的至少兩個密封件，其中所述至少兩個密封件、所述殼體和所述軸共同地包圍所述隔間，以及其中所述至少兩個密封件中的僅一個為水力密封件。

本發明的第二技術方案是在第一技術方案中，在使用期間，所述至少兩個密封件中的每一個的外側上的外部壓力基本相同，以及其中在使用期間，至少兩個密封件中的每一個的內側上的內部壓力基本相同，以及進一步其中所述外部壓力大于所述內部壓力。

本發明的第三技術方案是在第一技術方案中，所述至少兩個密封件中的一個包括位于所述軸與所述殼體之間的迷宮式密封件，以及其中所述迷宮式密封件包括內側和外側。

本發明的第四技術方案是在第一技術方案中，所述水力密封件鄰近所述軸的發夾形部件且與其密封接合。

本發明的第五技術方案是在第一技術方案中，還包括：用于從所述隔間除去潤滑劑和空氣的掃氣泵。

本發明的第六技術方案是在第五技術方案中，所述掃氣泵將潤滑劑從所述隔間經由潤滑劑冷卻器泵送至潤滑劑儲存器。

本發明的第七技術方案是在第五技術方案中，還包括：用于從潤滑劑除去空氣的脫氣器。

本發明的第八技術方案是在第七技術方案中，還包括：用于將潤滑劑從新鮮潤滑劑儲存器泵送至所述隔間的新鮮潤滑劑泵。

本發明的第九技術方案提供了一種燃氣渦輪發動機，包括：壓縮機；燃燒器；渦輪；可旋轉地聯接所述壓縮機和所述渦輪的軸；定位在所述軸與所述壓縮機或所述渦輪中的一個之間的軸承；包圍所述軸承的殼體，其中所述殼體限定用于將潤滑劑保持在其中的隔間；遠程潤滑劑儲存器；用于使潤滑劑在所述隔間與所述遠程潤滑劑儲存器之間再循環的至少一個泵；位于所述軸與所述殼體之間的至少兩個密封件，其中所述至少兩個密封件、所述殼體和所述軸共同地包圍所述隔間，以及其中所述至少兩個密封件中的僅一個為水力密封件。

本發明的第十技術方案是在第九技術方案中，在使用期間，所述至少兩個密封件中的每一個的外側上的外部壓力基本相同，以及其中在使用期間，至少兩個密封件中的每一個的內側上的內部壓力基本相同，以及進一步其中所述外部壓力大于所述內部壓力。

本發明的第十一技術方案是在第九技術方案中，所述軸包括與所述水力密封件鄰近且密封接合的發夾形部件。

本發明的第十二技術方案是在第九技術方案中，所述至少一個泵還包括用于將潤滑劑從所述隔間泵送至所述潤滑劑儲存器的掃氣泵，以及用于將潤滑劑從所述潤滑劑儲存器泵送至所述隔間的新鮮潤滑劑泵。

本發明的第十三技術方案是在第九技術方案中，還包括：用于將壓縮機放出空氣供應至所述水力密封件的所述外側以及將壓力供應至所述迷宮式密封件的所述外側上的壓縮機放出空氣端口。

本發明的第十四技術方案是在第九技術方案中，還包括：用于從潤滑劑除去空氣的脫氣器。

本發明的第十五技術方案是在第九技術方案中，還包括：具有多個風扇葉片的風扇區段，其中所述軸直接地附接至所述風扇區段來用于其旋轉。

本發明的第十六技術方案是在第九技術方案中，還包括：具有多個風扇葉片的風扇區段；以及變速箱，其中所述軸附接至所述變速箱，以及其中所述變速箱旋轉所述風扇區段。

本發明的第十七技術方案提供了一種用于密封燃氣渦輪發動機中的軸承隔間的方法，包括：利用至少一個軸承來至少部分地支承具有縱軸線的軸；使所述軸圍繞所述縱軸線旋轉；以殼體至少部分地包圍所述至少一個軸承中的每一個，其中所述殼體限定用于保持用于潤滑所述至少一個軸承的潤滑劑的隔間；在水力密封件的外側和迷宮式密封件的外側上產生第一壓力；以及在所述水力密封件的內側和所述迷宮式密封件的內側上產生第二壓力，所述第一壓力相對大于所述第二壓力，使得空氣經由所述水力密封件吸入所述隔間中。

本發明的第十八技術方案是在第十七技術方案中，產生所述第一壓力的步驟還包括利用來自壓縮機的放出空氣產生所述第一壓力。

本發明的第十九技術方案是在第十七技術方案中，還包括：利用掃氣泵從所述隔間泵送潤滑劑。

本發明的第二十技術方案是在第十七技術方案中，還包括：使用脫氣器從潤滑劑除去空氣。

本發明的這些及其它特征、方面和優點將參照以下描述和所附權利要求而更好理解。并入且構成本說明書的一部分的附圖示出了本發明的實施例，且連同描述用于闡釋本發明的原理。

附圖說明

包括針對本領域的技術人員的其最佳模式的本發明的完整且開放的公開內容在參照附圖的說明書中陳述，在附圖中：

圖1為按照本主題的方面的可用在飛行器內的燃氣渦輪發動機的一個實施例的截面視圖；

圖2為按照本主題的方面的用于關于燃氣渦輪發動機的軸來密封軸承隔間殼體的軸承隔間密封系統的一個實施例的截面視圖；

圖3為圖2中所示的軸承隔間密封系統的近視截面視圖，特別示出了沿軸向設置在軸承隔間殼體的相對端的迷宮式密封件和水力碳密封件；

圖4為按照本主題的方面的在燃氣輪機且更具體在隔間中的用于使潤滑劑脫氣的潤滑劑循環系統的示意圖；以及

圖5為按照本主題的方面的使用軸承隔間密封系統的方法的流程圖。

零件列表

10 燃氣渦輪發動機

12 軸向

14 發動機

16 風扇區段

18 外殼

20 環形入口

22 增壓器壓縮機

24 軸流式壓縮機

26 燃燒器

28 渦輪

30 高壓傳動軸

32 低壓渦輪

34 低壓傳動軸

37 減速裝置

38 風扇轉子組件

40 環形風扇鑄件

42 出口導葉

44 風扇轉子葉片

46 下游區段

48 空氣流導管

50 空氣流

52 入口

54 箭頭

56 空氣流

58 箭頭

60 燃燒產物

100 軸承隔間密封組件

102 軸承隔間殼體

104 迷宮式密封件

106 水力密封件

108 潤滑劑脫氣系統

110 未使用

112 定子導葉

114 壓縮機導管

116 渦輪葉片

118 軸承組件

120 隔間

124 高壓腔

126 放出空氣端口

128 內圈

130 外圈

132 滾動元件

136 迷宮式密封件的內側

138 迷宮式密封件的外側

140 凹槽

142 水力密封件的外側

144 水力密封件的內側

146 發夾形部件

148 掃氣泵

150 潤滑劑儲存器

152 掃氣過濾器

154 潤滑劑冷卻器

156 脫氣器

158 新鮮潤滑劑泵

160 供應過濾器

162 徑向外軸部分

164 徑向內軸部分

166 徑向壁

168 腔。

具體實施方式

現在將詳細參照本發明的實施例，其一個或更多個實例在附圖中示出。各個實例通過闡釋本發明的方式提供，而不限制本發明。實際上，本領域的技術人員將清楚的是，可在本發明中制作出各種改型和變型，而不會脫離本發明的范圍或精神。例如，示為或描述為一個實施例的一部分的特征可結合另一個實施例使用以產生又一個實施例。因此，期望本發明覆蓋歸入所附權利要求和其等同物的范圍內的此類改型和變型。

大體上提供了用于燃氣渦輪發動機的改善的軸承隔間密封系統。具體而言，在若干實施例中，密封系統可包括殼體，其至少部分地包圍支承軸的軸承。殼體限定用于保持用于潤滑軸承的潤滑劑的隔間。密封系統還包括用于在殼體與軸之間密封的水力碳密封件和迷宮式密封件。水力密封件和迷宮式密封件的外表面經歷第一壓力。水力密封件和迷宮式密封件的內表面經歷第二壓力。第一壓力相對大于第二壓力，從而防止潤滑劑逸出隔間。

此外，如下文將所述，密封系統可包括用于脫氣和再循環隔間中的潤滑劑的脫氣系統。例如，掃氣泵可將潤滑劑從隔間經由潤滑劑冷卻器泵送至潤滑劑儲存器。脫氣器可除去潤滑劑中卷吸的空氣。新鮮潤滑劑泵然后可將新鮮潤滑劑從潤滑劑儲存器泵送至隔間來進一步軸承潤滑。

現在參看附圖，圖1示出了按照本主題的方面的可用于飛行器內的燃氣渦輪發動機10的一個實施例的截面視圖，其中發動機10示為具有出于參照目的在其間延伸的縱向或軸向中心線軸線12。大體上，發動機10可包括核心燃氣渦輪發動機(大體上由參考標號14指出)和定位在其上游的風扇區段16。核心發動機14大體上可包括限定環形入口20的基本管狀的外殼18。此外，外殼18還可包圍和支承增壓壓縮機22，以用于將進入核心發動機14的空氣的壓力升高到第一壓力水平。高壓多級軸流式壓縮機24然后可從增壓壓縮機22接收加壓空氣，且進一步升高此空氣的壓力。流出高壓壓縮機24的加壓空氣然后可流至燃燒器26，燃料在燃燒器26內噴射到加壓空氣流中，其中所得的混合物在燃燒器26內燃燒。高能燃燒產物從燃燒器26沿發動機10的熱氣體通路引導至第一(高壓)渦輪28來用于經由第一(高壓)傳動軸30驅動高壓壓縮機24，且然后引導至第二(低壓)渦輪32，以用于經由大體上與第一傳動軸30同軸的第二(低壓)傳動軸34驅動增壓壓縮機22和風扇區段16。在驅動各個渦輪28和32之后，燃燒產物可從核心發動機14經由排氣噴嘴36排出來提供推進噴氣推力。

此外，如圖1中所示，發動機10的風扇區段16可大體上包括由環形風扇殼40包繞的可旋轉的軸流式風扇轉子組件38。本領域的普通技術人員將認識到，風扇殼40可關于核心發動機14由多個基本沿徑向延伸沿周向間隔開的出口導葉42支承。因此，風扇殼40可包圍風扇轉子組件38和其對應的風扇轉子葉片44。此外，風扇殼40的下游區段46可在核心發動機14的外部上延伸，以便限定提供附加推進噴氣推力的副或旁通空氣流導管48。

應當認識到的是，在若干實施例中，第二(低壓)傳動軸34可直接地聯接到風扇轉子組件38上，以提供直接傳動構造。作為備選，第二傳動軸34可經由減速裝置37(例如，減速齒輪或變速箱)聯接到風扇轉子組件38上，以提供間接傳動或齒輪傳動構造。此(多個)減速裝置還可按期望或要求設在任何其它適合的軸和/或轉軸之間。

在發動機10的操作期間，應當認識到的是，初始空氣流(由箭頭50指出)可經由風扇殼40的相關聯的入口52進入發動機10中。空氣流50然后穿過風扇葉片44，且分流成移動穿過導管48的第一壓縮空氣流(由箭頭54指出)和進入增壓壓縮機22中的第二壓縮空氣流(由箭頭56指出)。第二壓縮空氣流56的壓力然后增大，且進入高壓壓縮機24(如箭頭58指出)。在與燃料混合且在燃燒器26內燃燒之后，燃燒產物60流出燃燒器26，且流過第一渦輪28。此后，燃燒產物60流過第二渦輪32，且流出排氣噴嘴36，以提供發動機10的推力。

現在參看圖2-4，示出了按照本主題的方面的適用于燃氣渦輪發動機10內使用的軸承隔間密封系統100的一個實施例的各種視圖。具體而言，圖2為用于關于燃氣渦輪發動機10的軸來密封軸承隔間殼體102的密封系統100的截面視圖。圖3為圖2中所示的密封系統100的近視截面視圖，特別示出了設置在軸承隔間殼體102的軸向相對端處的迷宮式密封件104和水力密封件106。此外，圖4為用于使來自隔間102的潤滑劑脫氣的可選的潤滑劑脫氣系統108的示意圖。此外，圖5為使用密封系統100來密封隔間120的方法200的流程圖。

如圖2中所示，密封系統100可大體上在軸承隔間殼體102與關于其旋轉的高壓傳動軸30之間密封。然而，密封系統100可在發動機10中的任何靜止構件與任何旋轉軸(例如，低壓傳動軸34)之間密封。上述相對旋轉在一個或更多個定子導葉112將流過壓縮機導管114的燃燒產物60引導到聯接到高壓傳動軸30上的一個或更多個渦輪葉片116上時發生。軸承組件118關于發動機10中的各種固定構件支承高壓傳動軸30。軸承隔間殼體102至少部分地沿徑向包圍軸承組件118，從而形成優選具有軸承組件118設置在其中的徑向形狀的槽或隔間120。用于潤滑軸承組件118的各種構件的潤滑劑(例如，油)循環穿過隔間120。高壓腔124設置在軸承隔間殼體102外。作為優選，來自渦輪28的放出空氣流過放出空氣端口126，以將高壓腔124加壓至相對高于隔間120中的壓力的壓力。

至少兩個密封件(諸如迷宮式密封件104和水力密封件106)在高壓傳動軸30與軸承隔間殼體102之間。然而，至少兩個密封件可為任何適合類型的密封件，只要一個和僅一個密封件為水力密封件106。即，密封系統100中可存在最多一個水力密封件106。迷宮式密封件104和水力密封件106分開高壓腔124和隔間120。圖2示出了設置在水力密封件106上游的迷宮式密封件104；但水力密封件106也可定位在迷宮式密封件104下游。

在此方面，軸承隔間殼體102、至少兩個密封件(例如，迷宮式密封件104和水力密封件106)和高壓傳動軸30共同包圍隔間120。即，組合的軸承隔間殼體102、至少兩個密封件和高壓傳動軸30沿軸向、沿徑向和沿周向完全包繞隔間120。此外，至少兩個密封件(例如，迷宮式密封件104和水力密封件106)是包圍隔間120的唯一密封件。

在圖3中所示的實施例中，軸承組件118可為滾子軸承。然而，軸承組件118可為止推軸承或本領域中已知的任何其它類型的軸承。更具體而言，軸承組件118包括沿周向圍繞高壓傳動軸30的外表面延伸的內圈128。外圈130沿徑向設置在內圈128外，且與軸承隔間殼體102的內表面匹配。內圈128和外圈130可具有開口圈構造。內圈128和外圈130將至少一個滾動元件132夾在其間。作為優選，內圈128和外圈130將至少三個滾子元件132夾在其間。滾子元件132可大體上對應于任何適合的軸承元件，諸如滾珠或滾子。

圖3也更近地示出了迷宮式密封件104和水力密封件106。重要的是，迷宮式密封件104和水力密封件106為非接觸式密封件，其在高速下操作時不需要靜止構件與移動構件之間的接觸。非接觸式密封件通常具有比接觸密封件更長的使用壽命。但是，各個類型的密封件以不同方式操作。迷宮式密封件104包括內表面136和外表面138。在內表面136與外表面138之間延伸的彎曲通路(未示出)防止潤滑劑逸出隔間102。迷宮式密封件104的外側138上(即，高壓腔124中)的空氣壓力大于迷宮式密封件104的內側136上(即，隔間120中)的空氣壓力。在此方面，靜止構件和旋轉構件在其間的相對旋轉期間由空氣膜分離。

然而，水力密封件106包括分開靜止構件和旋轉構件的一個或更多個凹槽140。水力密封件106的外側142上(即，高壓腔124中)的空氣壓力大于水力密封件106的內側144上(即，隔間120中)的空氣壓力。因此，來自高壓腔124的空氣經由凹槽140流入隔間120中，從而產生靜止構件與旋轉構件之間的空氣膜。

在一個實施例中，水力密封件106鄰近高壓傳動軸30的發夾部件(hairpin member)146且與其密封接合。更具體而言，發夾部件146包括沿徑向外軸部分162，其由徑向壁166沿徑向偏離徑向內軸部分164。在此方面，徑向外軸部分162、徑向內軸部分164和徑向壁166限定其間的腔168。在一個實施例中，徑向外軸部分162與水力密封件106密封接合。在此方面，徑向外軸部分162在高壓傳動軸30靜止或以低速旋轉時接觸水力密封件106。然而，水力密封件106在高壓傳動軸30以高速旋轉時升離徑向外軸部分162。

發夾部件146還可改善燃氣渦輪發動機10的性能。更具體而言，來自隔間120的潤滑劑能夠接觸和冷卻發夾部件146的徑向外軸部分162的徑向內側。這繼而又冷卻徑向外軸部分162的徑向外側，其在低速下與水力密封件106接觸，且在高速下鄰近水力密封件106。即，來自徑向外側的熱經由徑向外軸部分162傳導至其徑向內側，其由潤滑劑冷卻。這保持水力密封件106較冷，這繼而又允許燃氣渦輪發動機10更熱且更快運行，從而改善其性能。

重要的是，迷宮式密封件104的外側138和水力密封件106的外側142上的壓力應當基本相同。即，高壓腔124中的空氣壓力應當一直基本相同，以防止空氣流的產生。這些空氣流可將空氣引導離開水力密封件106。

圖4為可選的潤滑劑循環系統108的一個實施例的示意圖。如上文所述，空氣流過迷宮式密封件104和水力密封件106進入隔間120中。因此，這些空氣和與其相關聯的熱應當除去來保持適合的潤滑劑性質。在此方面中，脫氣系統108可包括掃氣泵148，其將空氣卷吸的潤滑劑從隔間120泵送至潤滑劑儲存器150。在到達儲存器150之前，潤滑劑可選穿過掃氣過濾器152，以除去其中的任何雜質或污染物。潤滑劑冷卻器154可冷卻潤滑劑，其可從來自渦輪28的熱放出空氣或來自軸承組件118的摩擦加熱。在儲存于儲存器150中之前，脫氣器156除去卷吸在潤滑劑中的空氣。新鮮潤滑劑泵158可將潤滑劑從潤滑劑儲存器150按需要泵送至隔間120，以替換由掃氣泵148從隔間120泵送的潤滑劑。在進入隔間120之前，潤滑劑可任選地穿過供應過濾器160。

圖5為示出用于密封軸承隔間殼體和相關聯的軸的示例性方法的流程圖。在步驟(202)中，諸如高壓傳動軸30的軸至少部分地由一個或更多個軸承組件118支承。在步驟(204)中，一個或更多個軸承組件118中的每一個由軸承隔間殼體102至少部分地包圍。接下來，在步驟(206)中，高壓傳動軸30圍繞縱軸線12旋轉。如上文更詳細所述，高壓傳動軸30在燃燒產物60流過渦輪28時大體上旋轉。在步驟(208)中，第一壓力在迷宮式密封件104的外側138和迷宮式密封件106的外側142(即，高壓腔124中)上產生。在一個實施例中，該第一壓力可由來自渦輪28的放出空氣供應。然后，在步驟(210)中，第二壓力在迷宮式密封件104的內側136和水力密封件106的內側144上產生。第一壓力相對大于第二壓力。因此，空氣從高壓腔124流至隔間120，從而產生靜止構件與旋轉構件之間的空氣膜。步驟(208)和(210)可以以相反順序或同時地完成。

軸承隔間密封系統100特別優于已知的密封系統。不同于許多接觸密封布置，密封系統100為非接觸式密封布置。與非接觸密封相關聯的減小的摩擦導致相比于已知接觸密封布置的較長的使用壽命、較低維護和修理成本和較長在翼時間(TOW)。此外，不同于接觸密封件，密封系統100不需要專門的冷卻。具有一個水力密封件和一個迷宮式密封件的密封系統100比具有兩個迷宮式密封件的密封布置吸入較少空氣到隔間中。即，穿過迷宮式密封件的空氣流比穿過水力密封件的更多。因此，較少熱吸入隔間120中，從而減小燃氣渦輪發動機熱系統上的負載且允許隔間120中的較高溫度極限。密封系統100也比具有兩個水力密封件的密封布置更輕、廉價且更小。

本書面描述使用了實例來公開本發明，包括最佳模式，且還使本領域的任何技術人員能夠實踐本發明，包括制作和使用任何裝置或系統，以及執行任何并入的方法。本發明的專利范圍由權利要求限定，且可包括本領域的技術人員想到的其它實例。如果此類其它實施例包括并非不同于權利要求的書面語言的結構元件，或如果它們包括與權利要求的書面語言無實質差別的等同結構元件，則期望此類其它實例在權利要求的范圍內。