预封严结构的制作方法

本发明涉及一种用于燃气轮机、航空发动机等领域中高速旋转轴承腔的封严的结构。

背景技术：

在燃气轮机、航空发动机等领域，通过高速旋转的高压轴或低压轴在发动机内部传递功率或向外输出功率。为保证发动机的正常运行，需要通过布置轴承对高速旋转轴提供支撑。轴承随着旋转轴进行高速旋转，通过滑油系统向其提供具有一定压力的滑油确保润滑及冷却，是保证轴承可靠运行的必不可少的环节。轴承腔是滑油系统中不可缺少的组成部分，其重要作用一方面是收集轴承溅射的滑油以及挥发的油雾，另一方面是保证轴承处于油雾环境中以确保轴承的正常工作。在这种情况下，通过不同的结构设计，实现轴承腔的动态密封，确保轴承的正常工作，并防止润滑轴承的滑油通过包围轴承腔的缝隙泄露进入发动机的其他部位，对于发动机的安全运行至关重要。

在以往的燃气轮机、航空发动机的结构设计中，轴承腔的封严往往是通过各类封严流阻元件，譬如蓖齿、迷宫齿或者分瓣接触式/整体浮动式石墨封严环结构实现。近些年来，分瓣接触式/整体浮动式石墨封严环结构由于其更高的封严特性得到了广泛的应用，这种封严结构借助石墨环与石墨环跑道之间的小间隙配合，并依靠封严结构的前后压差实现对轴承腔的动态密封。但是，当轴承腔内滑油出现大量堆积，譬如应用航空发动机的飞机在姿态调整、地面燃气轮机由于变载荷需要变工况工作情况下，轴承腔内堆积的滑油可能会淹没石墨环跑道与石墨环的配合工作面。受石墨环跑道高速旋转产生的较强离心力的影响，配合工作面附近堆积的滑油压力会显著升高，从而大量泄漏出轴承腔，不仅造成轴承腔内滑油的大量消耗，而且泄露的滑油进入发动机其他部位也会危害发动机的安全运行。这会严重影响高性能燃气轮机、航空发动机等性能进一步提升的要求。迫切需要提出一种更优的高速旋转轴承腔封严方案。

技术实现要素：

本发明涉及用于燃气轮机、航空发动机等存在需要液体封严的旋转盘腔的技术领域，是一种针对轴承腔封严设计的新型的石墨环跑道封严结构。利用新型断油槽结构和甩油器结构可以实现轴承腔内滑油的有效封严，特别地是实现轴承腔内滑油的预封严。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：在石墨环跑道结构高半径位置的外壁面处设置平直的石墨环跑道，所述石墨环跑道与石墨环之间通过小间隙配合。发动机空气系统的冷却气流经石墨环跑道结构件与石墨环的配合工作面的半径间隙泄漏入轴承腔内，依靠气体和轴承腔内油雾的正向压差对轴承腔内的油雾进行封严。

较优地，在石墨环跑道结构件的靠近轴承腔侧的端部处依次设计有采用机械加工的整环断油槽和离散甩油器。整环断油槽用于轴承腔内堆积滑油的“切断”处理，避免在石墨环跑道外壁面上形成连续油膜，因而形成轴承腔的预封严；离散甩油器用于轴承腔内液体滑油的“抛甩”，进一步避免油膜的旋转增压以及液体滑油向石墨环跑道结构件与石墨环的配合工作面的流动。

优选地，整环断油槽可以通过调整断油槽的宽度和/或深度来实现轴承腔内滑油的一次“过滤”，达到理想的过滤效果。

优选地，整环断油槽可以通过调整断油槽的数量来实现轴承腔内向外泄漏滑油的初步清除，并进一步降低滑油泄漏的风险。

较优地，离散甩油器可以通过调整甩油器两侧斜面的倾角实现轴承腔内堆积滑油的驱离。被甩回的滑油通过最优的倾角组合被甩向轴承腔侧，远离石墨环跑道结构件与石墨环的配合工作表面。最终通过回油泵或在重力作用下流回轴承腔并回收。

较优地，石墨环跑道结构件的预封严结构还设计有冷却滑油腔，所述冷却滑油腔位于石墨环跑道结构件下方，以避免石墨环跑道结构件与石墨环的配合工作面因与石墨环摩擦接触而造成过高的有害温升。

较优地，甩油器和断油槽结构的设计应留有大于1mm以上的轴向间距。避免两个封严措施的互相干扰。

较优地，根据轴承腔的实际供油量设计，甩油器和断油槽结构可以“串联”使用或仅采用其中一种措施。即便仅采用其中一种封严措施，高速旋转轴承腔内的滑油泄漏量也可以得到极大的抑制。

较优地，对于航空发动机这类工作姿态可能变化的飞行器动力，建议甩油器和断油槽结构“串联”使用。在靠近轴承腔侧依次布置断油槽、甩油器。

石墨环跑道结构件与旋转轴采用合理的过盈量进行配合，保证热态工作环境中的同步转动。

较优地，该石墨环跑道结构件与旋转轴之间的配合面采用两端断续面接触的方式，以提高加工精度和配合效果，避免过大的配合面增加加工难度。

较优地，在石墨环跑道结构件靠近轴承的端面设计有台阶结构，所述台阶结构与轴承配合形成兜油槽，以确保轴承的滑油供应。

较优地，在石墨环跑道结构件与旋转轴配合的工作面两端设计有轴向定位面，确保轴承的相对轴向位置固定。

较优地，该轴承腔封严用石墨环跑道封严结构可应用于低温的压气机端或者高温的涡轮端。不同支点轴承腔的石墨环跑道预封严结构并无大异。主要的区别是断油槽以及甩油器的设计。

通过使用本发明，与传统的封严结构相比，具有以下优势：

1)封严效果更佳。在传统的浮动石墨封严的基础上，增加了两道预封严结构，大大提高了轴承腔的封严效果；

2)两道预封严结构的设计和使用具有极大的自由度，不仅可以单独使用，还可以根据需要增加结构，因此适用范围非常广；

3)通过对石墨环跑道进行冷却，减少了浮动石墨封严结构的摩擦，有利于延长封严结构的使用寿命，提高发动机运行安全系数；

4)通过设计使用兜油槽，提高轴承的润滑效果，进一步保障了轴承的安全运行。

附图说明

图1为本发明所声明的应用于轴承腔封严的石墨环跑道封严结构示意图；

图2为本发明所声明的具有甩油器及断油槽结构的石墨环跑道封严结构的示意图；

图3为图2的石墨环跑道封严结构的主视图；和

图4为图2的A-A剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

本发明公开一种用于轴承腔封严的石墨环跑道封严结构，可应用在地面燃气轮机、航空发动机等领域。在轴承腔封严用石墨环跑道上，在跑道工作面前侧(靠近轴承腔侧)设计有断油槽、甩油器。这种石墨环跑道预封严结构利用断油槽避免轴承腔内滑油的堆积，同时利用断油槽旁的甩油器通过离心力作用进一步将可能流入石墨环封严面的滑油液滴甩回轴承腔。

与传统的轴承腔封严结构相比，本发明的石墨环跑道能够保证石墨环、石墨环跑道的接触工作面在任何状态下无液体滑油堆积，并利用石墨环两侧的压差进一步降低轴承腔内滑油泄漏的风险，提高轴承腔的封严效果。而且，该发明也可以避免滑油堆积后，由于石墨环跑道结构件旋转对堆积滑油所施加的增压效果，进一步有效提高封严的可靠性以及轴承腔结构设计的合理性。

如图1所示，本实施例是在航空发动机高压后支点轴承腔中使用该结构设计方案，并采用浮动式石墨封严结构对航空发动机高压后支点轴承腔进行封严。

旋转轴8通过轴承组件10支撑在轴承座1中。轴承组件10通过定距环9轴向固定在旋转轴8上。

石墨环跑道结构件4在轴向上抵靠着轴承组件10。

石墨环组件3支撑在石墨环跑道结构件4的外壁面408上。围绕石墨环组件3的石墨环壳体2设置在石墨环跑道结构件4与轴承座1之间。

如图1所示，在石墨环跑道结构件4与轴承组件10的轴向接触的端面403上设计有台阶结构402，台阶结构402与轴承组件10共同形成兜油槽，该兜油槽可以确保轴承组件10附近具有一定的滑油堆积以保证轴承组件10的滑油供应。

在石墨环跑道结构件4与旋转轴8相配合的内径表面被设计成断续的配合面401。由于配合精度非常高，断续的配合面401能够减少精加工表面尺寸可以降低加工难度，提高配合精度。

在石墨环跑道结构件4的低半径处还设计有蓄油槽407，油槽407可以积蓄一定的滑油。在蓄油槽407的远离轴承组件10的一侧设计有倾斜面406，在离心作用影响，蓄油槽407中的滑油可以经过倾斜面406喷射在石墨环跑道结构件4的石墨环跑道内壁面409，对石墨环跑道结构件4进行有效的降温冷却，防止石墨环组件3与石墨环跑道的外壁面408摩擦过热，导致石墨环失效。倾斜面406的倾斜角度在20-70度之间。

在石墨环跑道结构件4的靠近轴承组件10的一侧设计有石墨环跑道甩油器6以及石墨环跑道断油槽7。石墨环跑道甩油器6的两侧斜面的倾斜角度不同。

浮动石墨环组件3的远离轴承组件10的一侧为用于轴承腔封严的封严引气腔。封严引气腔的压力略高于轴承腔压力5KPa左右。

石墨环跑道结构件4的下方设置有冷却滑油腔5，所述冷却滑油腔5在工作状态下保证石墨环跑道结构件4的冷却。

当发动机处于工作状态时，在轴承10的离心作用下，轴承腔内的滑油会四处飞溅。此时，轴承腔内的滑油液面一直会处于非稳态波动状态。特别地在遇到发动机姿态调整时，这种非稳态波动的幅度可能更大。因此，会在石墨环跑道断油槽7的靠近轴承组件10的一侧的圆柱形表面上形成连续油膜。当遇到周向连续的石墨环跑道断油槽7以后，这种连续油膜会被打断。当被打断的油膜继续通过石墨环跑道结构件4向远离轴承组件10的一侧的石墨环跑道工作面发展时，离散的石墨环跑道甩油器6会进一步破碎油膜。当油膜被完全破坏后，石墨环跑道结构件4的旋转不足以使被打断的油膜形成有效的增压。此时，利用轴承封严引气腔与轴承腔的压差，足以实现旋转轴承腔的高效封严。

图2为本发明所声明的具有甩油器及断油槽结构的石墨环跑道封严结构的示意图。周向离散布置的甩油器结构可以实现石墨环跑道工作面的有效预封严。将滑油以一定的速度赶离石墨环跑道结构件4的工作面。

图3为图2的石墨环跑道封严结构的主视图，示出了石墨环跑道结构件4的石墨环跑道甩油器6。如图所示，石墨环跑道甩油器6的两侧斜面的倾斜角度不同。在石墨环跑道结构件4的下方设置有在工作状态下保证石墨环跑道结构件4的冷却的冷却滑油腔5。

图4为图3的A-A剖视图，示出本专利声明的石墨环跑道甩油器6的结构设计参数的示意图。如图所示，石墨环跑道甩油器6设计成具有复合倾角的型式。可以与发动机轴线Z方向以及发动机旋转方向Y方向形成复合倾角。复合倾角的设计理念是为了保证运动到石墨环跑道甩油器6的复合倾角斜面的油膜向轴承腔内部驱离，如图3所示的倾角Ψ和如图4所示的倾角φ可以提供合适的油膜液滴向轴承腔内运动的分速度。这两个参数的优化可通过滑油供油量、滑油回油速率以及发动机工作环境进行进一步地优化设计。

本发明的实施例公开一种应用于轴承腔封严的石墨环跑道预封严结构。该结构除可满足高速旋转石墨环的旋转工作条件，同时通过在旋转工作配合面轴承腔侧增加断油槽和甩油器结构，有效降低轴承腔侧滑油向石墨环与跑道配合工作面的滑油泄漏风险。

石墨环跑道结构件4的封严腔侧气体向轴承腔侧泄漏入一定压力的气体。该气体用于轴承腔的封严保护。

在石墨环跑道结构件4与石墨环组件3的配合工作面的靠近轴承腔的一侧上依次设计有石墨环跑道断油槽7和石墨环跑道甩油器6。石墨环跑道断油槽7作为防止轴承腔滑油泄漏的第一道封严保护结构，首先将连续的滑油液面打断，避免滑油的堆积；石墨环跑道甩油器6作为防止轴承腔滑油泄漏的第二道封严保护结构，将流向石墨环跑道结构件4的工作面的残余滑油进一步消除。两道封严结构的设计思想是维持“干”石墨环跑道的结构设计。实现轴承腔石墨环封严位置的“近零滑油泄漏”。

为了保证较优的封严特性，可以设计成一道断油槽、两道断油槽或多道断油槽，两道以上的断油槽基本不会进一步提高避免滑油堆积的效果。

石墨环跑道结构件4与石墨环组件3的配合工作表面可以采用特种工艺处理，譬如镀铬等耐磨涂层。并对处理后的石墨环跑道结构件4与石墨环组件3的配合工作表面采用外圆磨的机械加工手段，达到0.4以上的光洁度要求。

石墨环跑道结构件4上设计有石墨环跑道甩油器6。石墨环跑道甩油器6的两侧为不同的斜凸表面，斜凸表面具有复合倾斜角度，保证将经由石墨环跑道断油槽7以后堆积的滑油进一步甩离石墨环跑道结构件4。复合倾斜角与发动机轴线成180度～90度的钝角角度，与石墨环跑道结构件4的切线方向成0度～90度的锐角角度。

沿着石墨环跑道结构件4的周向设置不少于两个石墨环跑道甩油器6，多个石墨环跑道甩油器6沿圆周均匀布置。

石墨环跑道断油槽7位于石墨环跑道结构件4的靠近轴承腔一侧，作为防止滑油泄漏的第一道封严结构。石墨环跑道断油槽的深度在0.5mm～3mm范围内，宽度在1mm～3mm范围内。过宽的石墨环跑道断油槽或者过深的石墨环跑道断油槽尺寸设计不利于打断滑油液面。

石墨环跑道断油槽7和石墨环跑道甩油器6可以不同时采用。设计时根据实际情况，在石墨环跑道轴承腔侧单独地设计有石墨环跑道断油槽7或者石墨环跑道甩油器6均可以实现轴承腔的封严。

在串联使用石墨环跑道断油槽7和石墨环跑道甩油器6的情况下，石墨环跑道断油槽7与石墨环跑道甩油器6的间距在1mm以上，以保证液体滑油的有效甩离。

石墨环跑道断油槽7和石墨环跑道甩油器6均为机械加工形成，满足机械加工表面的光洁度要求。避免因旋转件接触滑油的表面光洁度较差，降低滑油流动性而导致滑油温度升高。

石墨环跑道结构件4应采用过盈装配的方式安装在旋转轴8上，并随同旋转轴8一同旋转。

为了避免石墨环跑道过高的滑油温升，应当在石墨环跑道结构件4的内环上设计有专用的滑油堆积槽，保证工作状态下石墨环跑道工作面内环壁面充分的滑油冷却。

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。