专利名称：旋涡式气-油分离器系统的制作方法
技术领域：
本发明大致涉及燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用来回 收油的旋涡式气油分离器系统，该油用于润滑和冷却燃气涡轮发动机 的轴承和其他构件。
背景技术：
燃气轮机典型地包括芯部、燃烧器和高压涡轮，其中，芯 部具有用于压缩进入该芯部的空气的压缩机；在燃烧器内，燃料与压 缩空气混合然后燃烧以产生高能量燃气流；高压涡轮从燃气流中提取 能量以驱动压缩机。在航空涡扇发动机中，位于芯部下游的低压涡轮 从燃气流中提取更多能量以驱动风扇。风扇通常提供由发动机产生的 主要推力。在发动机中使用轴承来相对于压缩机中的静子以及发动机 的高压、低压涡轮而精确地定位和可旋转地安装转子。轴承封在称为 油底壳(sump)的发动机的油湿(oil-wetted)部分内。为了防止轴承过热，必须提供润滑油和密封件，以防止发 动机流径内的热空气到达轴承油底壳，并且，由于轴承旋转的高相对 速度和来自环境的热负荷，润滑油流必须足以带走由轴承内部地产生 的热量。
耗油量会因用来密封发动机油底壳的方法而上升。密封方 法使流入和流出油底壳的空气流回路需要存在。该流中最终含有油， 除非适当地将该油分离出来并送回油底壳，否则该油l更不可回收。在 一个具体构造中，前向发动机油底壳通过前风扇轴排出，并通过中心 通气管排出发动机。 一旦气/油混合物离开油底壳，该混合物形成旋涡， 使油沉淀在风扇轴的内部。由于快速逸出的通风空气，当不能通过通 气孔将油离心分离回油底壳时，气/油混合物中所含的油被流失。—些常规设计考虑通过使用结合在前向风扇轴设计中的泄 水孔(weephole)对油进行回收，这些泄水孔为通道，其作用是为油再 次进入油底壳提供专用路径。在另一些常规设计中，风扇轴上没有专 用泄水孔，只有通风孔。 一些常规设计中采用旋转轴上的渗水塞(weep plug),渗水塞将气/油混合物径向地喷入用于分离油和气的室内，并通 过渗水塞内的通道引导分离出的油。渗水塞允许气/油混合物通过渗水 塞内的中心通道径向地进入分离器腔。随着气/油混合物向更小的半径 形成旋涡，离心力驱动更大的油微粒回到到轴的内径，而空气通过通 风出口逸出。然而，在径向入口位置和空气排出入口的轴向距离短的 情况下，这些常规设计中的气/油分离非常差。由于经通风孔或渗水塞 进入室的气-油混合物的高径向动量，以及到通风出口的短轴向距 离，气-油混合物的旋涡运动的停留时间很短。已经发现，若旋涡运 动没有足够的停留时间，从气-油混合物的油分离会4艮差。轴承通常 以高负荷和高速运行，并因此通常以高温运行。供给的润滑油为轴承 提供冷却。然而，在油底壳中形成的气-油混合物达到高温。在更高 的温度下更难将油从气-油混合物中分离出来。所希望的是有一种气-油分离器，其既可减少气-油混合 物的径向动量，又可增加气-油混合物的切向动量。所希望的是有一 种气-油分离器，其可有效去除具有径向较短的油底壳的发动机系统 内的油。所希望的是有一种方法，其可不用^f务改现有i殳备，而在现有 油底壳结构中较高效地对油进行回收。所希望的是有一种旋涡式气-油分离器系统，其可以在将油从气-油混合物分离出来之前冷却气-油混合物。
发明内容
—种旋涡发生器可满足上述需求，该旋涡发生器能够用在 将油从气油混合物分离出来的系统中。该旋涡发生器包括转盘和腔， 转盘具有轮缘，该轮缘具有贯穿其的多个通道，腔由转盘和腔壁形成, 其中当流通过多个通道进入腔时产生旋涡。
在本说明书的结论部分具体指出被认为是本发明的主题并 明确要求其权益。在以下详细描述部分，根据优选的和示范性的实施 例，并结合附图介绍了本发明及其更多目的和优点，在附图中图1为燃气涡轮发动机的纵轴向剖面图。图2为图1的燃气涡轮发动机的轴承油底壳区域的放大轴 向剖面图，其中结合了本发明的旋涡式气-油分离器系统的示范性实 施例。图3为显示本发明的旋涡发生器的示范性实施例的透视图。
图4为显示图3中示出的旋涡发生器的横截面的透视图。
具体实施例方式参照附图，在各视图中相同的标记表示相同的元件，图l 示出了一般地标为IO的燃气涡轮发动机，其中结合了本发明的旋涡 式气-油分离器系统的示范性实施例。发动机10具有纵向中心线或 轴线511,以及同心地围绕该轴线511且共轴地沿该轴线511布置的 外部固定环形壳体14。发动机10包括气体发生器芯部16,该芯部16 包括多级压缩机18,燃烧室20和高压涡轮22，不管是单级的或多级 的发动机，所有的部件都共轴地围绕发动机10的纵向轴线即中心线 511以连续、轴向流的关系排列。环形外驱动轴24固定地与压缩机
718和高压涡轮22相互连接。芯部16对于产生燃烧气体是有效的。将来自压缩机18的 加压空气在燃烧器20中与燃料混合并点燃，由此产生燃烧气体。来 自这些气体的功的一部分被高压涡轮22提取，该高压涡轮22驱动压 缩机18。其余的燃烧气体从芯部16排入低压涡轮26。内驱动轴38通过后轴承32，轴承40进行安装，以相对于 外驱动轴24旋转，并通过合适的前轴承542与外固定壳体14相互连 接。内驱动轴38又旋转地驱动前风扇轴562,该前风扇轴562又驱动 前风扇转子44，并且在一些情况下，还驱动增压器转子45。风扇叶 片48和增压器叶片54安装在风扇转子44和增压器转子45上，以随 其旋转。参照图2，示出了燃气涡轮发动机10的区域，在此处关于 前轴承542限定了轴承油底壳558。轴承油底壳558大致由外环形结 构560限定，该外环形结构560与固定框架559、油底壳盖561、前 风扇轴562、内驱动轴538以及旋涡发生器700相互连接。前风扇轴 562相对于固定的外环形结构560随内驱动轴538 —起旋转，前风扇 轴562与前轴浑义542的内环形座圈542A连4妄，固定的外环形结构560 与连接到前轴承542的外环形座圈542B上。尽管图2中仅示出了一 种轴承(见项目542),但也可将另外的轴承(未示出)安装在低压(LP)轴、 前风扇轴562或内驱动轴538上，以支承发动机中的风扇和增压器转 子或压缩机转子。与图2中示出的568类似的另外的供油导管(未示出) 可以给这些另外的轴承供油。轴承润滑油610通过供油导管568泵入油底壳558。轴承润 滑油流611由喷嘴613导向前轴承542。另外的油流，例如图2中示 为项目612的油流，在油底壳中的其他位置处被引导。常规圓周迷宫 式或石墨的空气和油密封件，例如图2中示为项目546的密封件，被 提供成靠近旋转和固定的部件，以密封轴承油底壳558,从而在轴承 油底壳内维持适当的压力并防止气-油混合物从油底壳逸出。加压空200810179640.8
气600 ^v加压空气腔557注入以防止油通过油密封件:参漏，该加压空 气腔557容纳来自空气供给系统(未示出)的空气。位于内驱动轴538 和固定结构547之间的迷宫式密封件，例如图2中示为项目546的密 封件，防止油从轴承油底壳558的后端渗漏。进入轴承油底壳558的注入加压空气600的一部分必须以 可控的方式从油底壳558排出，以使油底壳压力保持适度的平衡。然 而，加压空气变得与油底壳558中的油微粒混在一起。轴承油底壳558 内的气-油混合物在图2中被示为项目620。若不分离和去除油微粒 便排出气-油混合物620，将会发生大量的油的损失。图2示出了通过使用用来将油从气-油混合物中分离的旋 涡式气-油分离器以减少航空发动机的耗油量的系统的示范性实施 例。该系统包括供油导管568，供油610通过该供油导管568流入油 底壳。为防止油^^人该系统渗漏，加压空气600乂人加压空气腔557通过 密封件进入油底壳558。在示出的该示范性实施例中，旋涡发生器700 通过紧固件532刚性地连接在前风扇轴562上，紧固件532固定在前 风扇轴562中的对应孔534上。旋涡发生器700还通过紧固件512刚 性地连接到内驱动轴538的前端上。尽管图2中所示的这些连接采用 紧固件，但也可采用任何其他适当的常规连接方式。如将在下文进一步解释，旋涡式气-油分离器系统的示范 性实施例还包括分离器腔578,在该分离器腔578中发生油^f鼓粒从气 -油混合物的分离。该分离器腔578由旋涡发生器700和适当地成形 的腔壁537限定。如图2所示，腔壁537可与前内驱动轴一体地形成。 备选地，可单独制造腔壁537,然后使用常规连接方式将其附接在内 驱动轴538的前端上。分离出的油微粒539沿分离器腔壁537的内侧 径向地向外运动，并通过孔572流出分离器腔，孔572形成在分离器 腔壁537的径向外部区域中。通过内驱动轴538的内部将空气排出。 常规通气管(未示出)也可用于此目的。旋转的涡轮发生器700容纳来自油底壳558的气-油混合物620，并使其流入分离器腔578,从而在分离器腔中形成旋涡621。 图3中示出了旋涡发生器700的一个示范性实施例。旋涡发生器700 具有绕中心线511旋转的盘510。该盘510具有位于径向外部区域517 中的轮缘525。涡轮发生器700的轮缘525具有一排或多排绕圓周设 置的通风孔520。通道521从通风孔520贯穿轮缘525的厚度。这些 通道521的定向为这样的定向，使得从油底壳558进入这些通风孔并 穿过通道521的气-油混合物被相对于中心线511沿轴向、切向和径 向重新定向。典型地有多排这些孔520，各排孔位于不同的径向位置。 图4示出了旋涡发生器700的径向外部区域的橫截面透视图。旋涡发 生器700在到通风孔520的入口处接受沿大致轴向的气-油混合物流 620，并在旋涡发生器700中将其流动的方向重新定向为朝切向，并 将该气-油混合物620注入分离器腔578。在图2和图3示出的示范 性实施例中，分离器腔578形成在旋涡发生器700和与内驱动轴538 一体形成的腔壁537之间。使用具有一排对应孔513和紧固件514的 凸缘512和539连接旋涡发生器700和内驱动轴538。在分离器腔578中，当旋转的气-油混合物旋涡621轴向 地流向气孔时，该旋涡向更小半径形成旋涡。气-油混合物的该旋涡 621旋转产生高切向速度和作用在空气和油微粒上的离心力。这些离 心力径向地向外(在图2中示为项目692)驱动更大的油凝:粒流向腔壁 537的内部区域。在本发明的一方面，在气-油混合物620流入分离器腔578 之前通过可选地对其进行冷却进一步改善油孩i粒的分离。通过冷却气 -油混合物使油微粒的密度增加，且结果是，通过分离器腔578中的 旋涡中作用在油微粒上的离心力，更大的油微粒可更轻易地去除。冷 却油底壳558中的热的气-油混合物的一种方法是，通过将其与供应 到油底壳的相对较冷的油混合。这在图2示出的旋涡式气-油分离器 系统的示范性实施例中示出。在所示的示范性实施例中，相对较冷的 油612通过喷嘴614供应，该喷嘴614将油流导向旋转的偏转器800。当相对较冷的油流612撞击在旋转的偏转器800上时，便产生了与相 对较热的气-油混合物620混合的油滴。这导致相对较冷的气-油混 合物，其被吸入旋涡发生器通风孔520内。如图3所示，在该示范性 实施例中，偏转器800附接在旋涡发生器700上并随之旋转。可采用 任何常规方式，如紧固件，将偏转器800固定在旋涡发生器和/或前风 扇轴562上。偏转器800能够可选地包括穿过其壁的选定数量的槽/窗 口，例如图3中示为项目810的槽/窗口，以将油流610的一部分传递 至偏转器的内侧，从而给发动机内的其他轴承位置提供润滑油。槽810 的相对大小和空间可定制，以控制穿过壁的油量，和;故溅回油底壳558 以冷却气-油混合物620的油量。借助于旋转的轴腔壁537上的槽和/或孔，例如图2中示为 项目572的槽和/或孔，将从气-油混合物中分离出来的油微粒从分离 器室578去除。图2和3中示为项目692的去除的油流入油底壳558 中。通过通气出口，例如通过常规的通气导管(未示出)，将空气粒子 从分离器腔578中取除(图2中示为项目694)。备选地，可通过在旋涡 发生器700上设置通道以给油提供返回油底壳558的路径，使其不会 :帔流过; 走涡发生器700的内部通道520的相对高质量流率的气-油混 合物所淹没，从而将油从分离器腔578中去除。常规提取系统(未示出) 将油从油底壳腔558中去除，以在油被泵送回轴承润滑系统中之前进 一步处理。如上所述，停留时间，切向速度和温度是决定将油微粒从 气 - 油混合物分离出来的旋涡分离效果的三个重要因素。当气-油混 合物620通过通风孔520时，旋转的旋涡发生器700使其切向速度增 加。进入分离器腔578的气-油混合物621主要具有切向，轴向以及 少量的径向动量。气-油混合物621在^:转轴线511的径向外部位置 处进入分离器腔。与使用通风孔和径向塞的常规/i殳计相比，由于处于 更大半径处的切向流，该特征使得涡流621能够具有较长停留时间。
ii这通过在旋涡发生器700的通风孔520中转动该流来赋予其沿旋转方 向的切向速度分量而实现。因此，当气-油混合物620在通气孔520 内流动时，除了由旋涡发生器700的旋转所赋予的切向速度，还获得 了附加的切向速度。
mCpQl- - 、A诉,厶il"ir:希.^j4;r7^H、条/f ^7土资力口&否t承话话知承士 的离心加速度，从而将油微粒从分离器腔578中的气-油混合物中分 离出来。由于空气在更大半径的外部区域位置处切向地注入，气-油 混合物621在到达旋涡分离器出口之前沿长得多的路径流动，并因此 气-油混合物的停留时间比常规结构的停留时间长。图2示出了使用旋涡发生器700的旋涡式气-油分离器系 统的示范性实施例，图3和图4示出了旋涡发生器700的示范性实施 例。在图3中，所示的X轴线代表轴向，Y轴线代表径向，而Z轴线 代表切向，在内驱动轴538的旋转方向的正向。在图3和图4示出的 旋涡发生器700的示范性实施例中，绕圆周设有4排通风孔520,每 排有大约100个通风孔。通风孔520具有约0.100英寸的直径'D，，并 在其间具有间距'S，，对于不同的排，间距典型地在0.015英寸至0.025 英寸之间变化。对于图4中示出的示范性实施例，各排之间的间隔'H' 为约0.020英寸。涡轮发生器700的轮缘525的厚度T为约0.36英寸。 通风孔520接受沿大致轴向的气-油混合物流620并重新定向该流 向，使得该流沿内驱动轴538的旋转方向以与切线轴线Z成角度A的 大致切向流出通风孔520进入分离器腔578。 一il殳而言，流出通道521 的气-油混合物流的方向角度选择成相对于Z轴线具有切向分量，相 对于X轴线具有轴向分量，且相对于Y轴线具有径向分量。在本发明 的示范性实施例中，采用4排通风孔520,且角度A选择为大约45 度，而角度B相对于轴向(X轴线)为大约45度。在如图3所示的偏转器800的示范性实施例中，偏转器800 附接在旋涡发生器700上，并随其以约3000至5000rpm的速度旋转。 该偏转器具有大约0.2英寸的壁厚度，并具有12个槽，用于将油传递
12至其内部，从而进一步给发动机内的其他轴承位置提供润滑油。旋涡发生器700由可承受油底壳558中常有的温度和抵抗 来自发动机润滑油侵袭的材料制成，该常有的温度为约149摄氏度 (300华氏度)。如Inconel718的常规涡轮机转子材料可用于制造涡轮发 生器700和轴538, 562。满4仑,发生器700可由4壬4可已^口的方法形.成， 例如跟以机加工的锻造，或从材料毛坯开始机加工。已经发现，对于旋涡分离器通常油分离效率趋向于随油微 粒的大小而上升，对于15微米或更大的油微粒，效率可接近100%。 然而，已经发现，使用常规的计算流体动量分析，本文描述的实施例 对分离15孩i米以下的油孩i粒也非常有效。例如，在巡航状态下的力元 空发动机中，已经分析地发现对于IO微米大小的油微粒，使用本发 明的油分离效率超过95%，而使用常规技术的油分离效率小于20%。尽管根据各种具体实施例描述了本发明，但那些本领域技 术人员将会认识到，可在权利要求的精神和范围内以变型来实施本发 明。
权利要求
1.一种气-油分离器系统(500)，包括第一区域(558)，其具有空气和油的混合物；第二区域(578)，其中发生至少一些油从气-油混合物的分离；以及旋涡发生器(700)，其包括盘(510)和多个通道(521)，所述盘(510)具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的轮缘(525)，贯穿所述轮缘(525)的多个通道(521)与所述第一区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通，所述旋涡发生器(700)被联接到旋转构件(538)上，使得在所述第二区域(578)内产生气-油混合物的涡流(621)。
2. 根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于 所述通道(521)中的至少一些通道定向为使得从其排出的所述气-油混合物的至少 一部分具有与所述旋转构件的旋转方向相切的速 度分量。
3. 根据权利要求l所述的气-油分离器系统(500),其特征在于 所述第二区域(578)的至少 一部分由所述旋涡发生器(700)和腔壁(537)封闭，所述腔壁(537)为旋转构件(538)的一部分。
4. 根据权利要求l所述的气-油分离器系统(500)，其特征在于 所述旋转构件(538)具有与所述第 一 区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通的至少一个通道(572),以将油从所述第二区域(578) 去除。
5. 根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500),其特征在于 所述旋涡发生器(700)具有与所述第 一 区域(558)和所述第二区域(578)成流动连通的至少一个开口 ，以将油乂人所述第二区域(578)去除。
6. 根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500),其特征在于， 所述气-油分离器系统(500)还包括附接在旋转构件(562)上的偏转器(800)。
7. 根据权利要求1所述的气-油分离器系统(500),其特征在于， 所述气-油分离器系统(500)还包括附接在所述旋涡发生器(700)上的偏转器(800)。
8. 根据权利要求6所述的气-油分离器系统(500),其特征在于， 所述气-油分离器系统(500)还包括喷嘴(614),其用于将油流(612)的至少一部分指向所述偏转器(800)上。
9. 根据权利要求6所述的气-油分离器系统(500),其特征在于， 所述偏转器(800)具有至少一个槽(810),使得所述油流(612)的至少一 部分通过所述槽(810)。
10. —种旋涡发生器(700)，包括转盘(510),其具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的 轮缘(525);贯穿所述轮缘(525)的多个通道(521); 腔壁(537);腔(578)，其由所述转盘(510)和所述腔壁形成，其中，当进入所述 腔(578)的流通过所述多个通道(521)进入所述腔(578)时，产生旋涡 (621)。
11. 根据权利要求10所述的旋涡发生器(700)，其特征在于 所述腔壁(537)具有用于将油从所述腔(578)去除的至少一个通道。
12. 根据权利要求10所述的旋涡发生器(700),其特征在于 所述多个通道(521)中的至少一些通道的定向成与所述; 走转轴线(511)成角度。
13. 根据权利要求10所述的旋涡发生器(700),其特征在于 所述多个通道(521)沿周向排列。
14. 根据权利要求10所述的旋涡发生器(700),其特征在于 所述多个通道(521)排列成多个周向的排，各周向的排定位于不同的径向^f立置。
15. —种轴承润滑系统(400)，包括 轴承(542);供油管路(568),其给所述轴承提供润滑油； 油底壳腔(558),其具有空气和油的混合物(620); 加压空气腔(557)，其位于所述油底壳腔(558)外； 分离器腔(578),其位于所述油底壳腔(558)内；以及 旋涡发生器(700),其包括盘(510)和多个通道(521),所述盘(510) 具有位于旋转轴线(511)的径向外部区域(517)内的轮缘(525)，贯穿所 述轮缘(525)的多个通道(521)与所述油底壳腔(558)和所述分离器腔 (578)成流动连通，所述旋涡发生器(700)被联接到旋转构件(538)上， 使得在所述分离器腔(578)内产生气-油混合物的涡流(621)。
全文摘要
本发明涉及旋涡式气-油分离器系统，具体而言，本发明提供了一种旋涡发生器(700)，该旋涡发生器(700)可用在将油从气-油混合物中分离出来的系统中。该旋涡发生器包括具有轮缘(525)的转盘(510)和腔(578)，轮缘(525)具有贯穿其的多个通道(521)，腔(578)由转盘(510)和腔壁(537)形成，其中，当流体通过多个通道(521)进入腔(578)时，产生旋涡(621)。
文档编号F02C7/06GK101619677SQ200810179640
公开日2010年1月6日 申请日期2008年11月28日 优先权日2007年11月28日
发明者B·科拉蒂伊尔, D·H·安斯蒂德, D·W·皮尤, G·P·莫斯卡里诺, M·E·津特格雷夫, N·方, P·H·桑利, P·L·凯恩, R·H·金奈尔德, R·普罗克托尔 申请人:通用电气公司