专利名称：可倾瓦块轴承组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如用以支撑燃气涡轮内发动机转子的轴承。具体而言，本发明涉及用于固定可倾瓦块径向轴承中的可倾瓦块的机械构件。
背景技术：
燃气涡轮发动机转子轴承组件可为滑动轴承类型，其经分段(径向自对准)固定于外部轴承座中、经油压润滑而被称为可倾瓦块轴承。当发动机运行时所述轴承经受较高的速度和负载，且轴承中的很小越限磨损(out of limitwear)可能对发动机具有灾难性影响。其可导致发动机停止运行，对于这类发动机来说，其通常为代价极大的事情。因此对于可接受的发动机寿命来说，轴承的可靠运行至关重要。
在所述分段滑动轴承布置中，通过使用止动销来限制每一个片段的圆周移动较为典型，其中这些止动销固定于轴承组件外部轴承座中，并且在片段端面处或者在片段主体中的内部孔或通道的侧面处与片段抵靠。止动销可以在其整个长度上为平行圆形销，但是一个已知的变化为止动销在圆形销柱上具有扁球体尖端，其中球直径大于圆形销柱。
已经发现，在轴承片段和轴承外部轴承座之间的接触面处可能发生接触磨损，其会允许片段移动得超出设计限制且因此导致与轴承有关的发动机问题。据信该磨损是由片段和轴承座之间在压力下的少量圆周滑动作用而导致的，且所述作用在现有技术的止动销设计中是可能发生的。
本发明的目的在于减少所述滑动作用且因此也减少接触磨损。
图1显示已知可倾瓦块径向轴承组件10的一个实例，诸如由美国的Waukesha Bearings of Wisconsin制造的TJ系列轴承。该可倾瓦块轴承组件如标号10所示完全组装于图式的右手侧，以及如标号10’所示部分地拆卸于图式的左手侧。每一个轴承组件包括一个外部轴承座12，所述外部轴承座12含有若干个可倾瓦块14。正如可以从朝向图式底部右侧的单独的可倾瓦块更清楚地看出的，每一个可倾瓦块14被设计为一个中空圆柱体的一部分的形状。可倾瓦块的外半径稍微有些小于轴承座12的内半径R′。这允许可倾瓦块在轴承座12内摇摆，从而仅沿平行于可倾瓦块和轴承座的轴A、A′的单一直线接触区域来维持与轴承座的接触。正如可以从部分拆卸的组件10′看出的，轴承座12可包含用于将可倾瓦块固定于一轴向中的唇缘16。固定板18可以附加到组件的其它轴向末端，以将可倾瓦块固定于其它轴向中。提供止动销20以将可倾瓦块固定于给定圆周位置中。方向A、A′分别显示可倾瓦块14和轴承10′的轴向方向。
图2显示图1系统在运行中的详细内容。通过可倾瓦块径向轴承组件支撑的涡轮马达转子(未图示)以箭头22所示的逆时针方向旋转。在转子和可倾瓦块14之间进行作用的摩擦导致瓦块挤压止动销20。可倾瓦块14在运行中易于倾斜，这取决于诸如转子旋转速度和不平衡力的因素。可倾瓦块可从以实线所示的位置朝向显示为虚线的位置而倾斜。可倾瓦块的前缘24被止动销20限制且因此不能采用位置24′，但必须获得以与转子旋转方向22相反的方向从初始位置24径向向外移位但关于位置24′而围绕轴承座12进行圆周移位的一个等效的位置24″。尽管可倾瓦块14向其中不会将前缘置于位置24′中的位置的移位将会是不导致瓦块14和轴承座12之间的摩擦移动的简单摇摆移动，但通过止动销20固定瓦块和迫使瓦块14采用其中前缘采用位置24″的位置的事实导致了瓦块14围绕轴承座12的圆周所进行的摩擦相对移位，其显示为一个距离Df。
随后，在转子运行期间，可能要求瓦块14倾斜回到24处所示的位置。不平衡的转轴将导致瓦块在每一旋转中来回摇摆，对于燃气涡轮，在每分钟17,000转的范围内可能会发生这样的情况。这将再次导致瓦块14在轴承座12上但以相反方向进行的距离为Df的摩擦移位。所述距离Df通常较小，且在一个实例中已将其计算为8.7μm。然而，考虑到摩擦移位重复的频率和通常施加于瓦块14和轴承座12之间的高机械负载，由这个摩擦移动所导致的磨损可能变得较显著。止动销20可以为类似于图1中所示的圆柱销，或者可在轴向A′为伸长的。
图4显示另一类型已知可倾瓦块径向轴承组件的详细内容，其与图1所示的已知可倾瓦块径向轴承组件的不同之处在于，通过位于可倾瓦块14外表面中所形成的空穴28中的止动销30来限制可倾瓦块14的圆周运动。在这个实例中，在止动销上提供一个放大的头。所述头可以为球形或者扁球形的，位于圆柱销的顶部。或者，所述头可以是位于轴向伸长销30顶部的圆柱形。
在使用中，通过可倾瓦块径向轴承组件支撑的涡轮马达转子(未图示)以逆时针方向22旋转。在转子和可倾瓦块14之间进行作用的摩擦导致空穴28的内表面于接触点34处挤压止动销30。可倾瓦块在运行中易于倾斜，这取决于诸如转子旋转速度和不平衡力的因素。可倾瓦块可从以实线所示的位置朝向显示为虚线的位置而倾斜。可倾瓦块的空穴28的后缘38被止动销30限制且因此不能采用位置34′，但必须获得以与转子旋转方向22相反的方向围绕轴承座12进行圆周移位的一个等效的位置34″。尽管可倾瓦块14向其中不会将前缘置于位置34′中的位置的移位将会是不导致瓦块14和轴承座12之间的摩擦移动的简单摇摆移动，但通过止动销30固定瓦块和迫使瓦块14采用其中后缘采用位置34″的位置的事实导致了瓦块14围绕轴承座12的圆周所进行的摩擦相对移位，其显示为一个距离D′f。
随后，在转子运行期间，可能要求瓦块14倾斜回到34处所示的位置。这将再次导致瓦块14在轴承座12上但以相反方向进行的距离为D′f的摩擦移位。距离D′f通常较小，且在一个实例中已将其计算为3.6μm。然而，考虑到摩擦移位重复频率和通常施加于瓦块14和轴承座12之间的高机械负载，由这个摩擦移动所导致的磨损可能变得较显著。
发生于瓦块14和轴承座12上的磨损的程度随着许多因素而变化，目前据信所述因素包含运行小时数和瓦块进行的开始数、发动机、轴承和瓦块类型和设计、轴承座和瓦块材料的硬度、轴承间隙、轴承表面抛光和使用中总系统中的不平衡度和振动。
瓦块和/或轴承座磨损的后果包含轴承间隙的增加，其导致轴承刚性和阻尼的降低、以及对不平衡和其他激励力的容限的降低。增加的轴承间隙可导致轴承座的转轴振动。瓦块和/或轴承座的磨损也将导致增加的维护费用和增加的停止运行时间。
据信，对接触磨损的单一最有影响的因素在于摩擦移位Df、D′f(“表面滑动”)的振幅。进一步因素包含机械硬度、表面抛光、接触压力和任何所施加的润滑油。图3A至图3B显示了从图3A右手侧处所说明的切削表面到类似于图3B中所说明的经接触磨损的表面的转变以供比较。图3A和图3B并非为相同比例。
发明内容
本发明的目的在于减轻可倾瓦块径向轴承上所发生的接触磨损，且因此提供一个可倾瓦块径向轴承组件，其包括一个外部轴承座、固定于所述外部轴承座内的若干个可倾瓦块，和相应若干个止动销以将可倾瓦块固定于给定圆周位置中，每一止动销固定于轴承组件外部轴承座中以便与相应可倾瓦块中的空穴的侧面抵靠。至少一个止动销和相应空穴分别被设计形状，以使得在使用中，位于止动销和空穴侧面之间横穿轴承组件的轴的平面中的间隙在大体位于轴承内表面处的第一位置处小于所述侧面的径向内部位置处的所有相应位置处的间隙(相对于所述第一位置来说)。止动销和可倾瓦块之间的接触点在使用中大体上位于外部轴承座的内表面处。可倾瓦块因此能够在没有相对于外部轴承座进行大体圆周移位的情况下而倾斜。
止动销可在横穿轴承组件和可倾瓦块的轴的平面中具有锥形横截面。止动销横截面的两个侧面上的圆锥角α可以相等。
可设计空穴的形状以使其在横穿轴承组件和可倾瓦块的轴的平面中于第一位置处具有的尺寸小于位于侧面的径向内部位置处的所有相应位置处的尺寸(相对于所述第一位置来说)。
空穴可在横穿轴承组件和可倾瓦块的平面中具有锥形横截面。空穴横截面两侧上的圆锥角可以相等。
止动销和空穴可各自在可倾瓦块和轴承组件的轴向中为伸长的。
空穴可仅占据可倾瓦块轴向范围的一部分，止动销具有兼容的轴向尺寸。
止动销的形状可为金字塔形。所述金字塔可具有正方形或矩形基座。所述金字塔可为平顶的。
止动销的形状可为圆锥形或平顶圆锥形。
可在每一可倾瓦块上提供一个以上空穴和销组合，它们在瓦块和轴承组件的轴向上对准。
结合附图参看本发明某些实施例的以下描述将更清楚地理解本发明的以上和另外的目标、优点和特性，其中
图1显示已知可倾瓦块轴承组件；图2显示现有技术的可倾瓦块轴承组件的部分的实例；图3A至图3B显示对可倾瓦块的磨损的实例；图4显示现有技术的可倾瓦块轴承组件的部分的实例；图5至图8显示本发明的可倾瓦块轴承组件的各个部分的实例。
具体实施例方式
如图5中所说明的，本发明提供经改进的可倾瓦块径向轴承组件，其中提供经改进的可倾瓦块止动销50和空穴28。
在使用中，通过可倾瓦块径向轴承组件支撑的涡轮马达转子(未图示)以逆时针方向22旋转。在转子和可倾瓦块14之间进行作用的摩擦导致空穴28的内表面于接触点54处挤压止动销50。设计止动销50的形状，以使得接触点54大体位于轴承座12的表面处。如图5中所说明的，止动销50在横穿轴承12和瓦块14的轴A、A′的平面中具有锥形横截面。止动销50和空穴后缘38之间的间隙c在从接触点54沿径向向内的所有位置处较大。
可倾瓦块在运行中易于倾斜，其取决于诸如转子旋转速度和不平衡力的因素。可倾瓦块14可能从以实线所示的位置朝向显示为虚线的位置而倾斜。由于本发明中止动销50的外形，接触点54随着瓦块14的倾斜而试图向新位置54′移动。与图2和图4的现有技术系统相反，且由于本发明中止动销50的外形，允许接触点大体占据所希望的位置54′。瓦块因此能够在大体上无需围绕轴承座12进行圆周移位的情况下进行倾斜。因此，可倾瓦块14向其中接触点位于位置54′中的位置的移位是简单的摇摆移动，其大体上不引起瓦块14和轴承座12之间的摩擦移动。
随后，在转子运行期间，可能要求瓦块14倾斜回到54处所示的位置。由于本发明中止动销50的外形，使得无需瓦块围绕轴承座12进行圆周移位，且因此也没有瓦块14在轴承座12上的摩擦移位的情况再次成为可能。
在本发明的一个实施例中，止动销50和空穴28可能各自在轴承系统的轴向上为伸长的。空穴28可能占据可倾瓦块14的轴向范围的一部分，其中止动销50具有兼容的轴向尺寸。止动销50的形状可能为金字塔形。所述金字塔可能具有正方形或矩形基座。金字塔可能为平顶的。止动销的形状可能为圆锥形或平顶的圆锥形。
可在每一个可倾瓦块上提供一个以上所述空穴和止动销的组合。所述若干个空穴和止动销组合优选于瓦块14和轴承10的轴向上对准。
参考轴承座12的法线N所测量的止动销50的外形的圆锥角α较为重要。若圆锥角α太接近轴承座12的法线N，则可倾瓦块可能不能够在不再次引入显著摩擦移位的情况下进行倾斜，从而损害了对本发明目标的实现。若圆锥角α变得太小，则空穴28的后缘38可能于一个径向内部点而非图5中所示的点54、54′处接触止动销50。因此通过要求空穴28的后缘38应大体在可倾瓦块14的外圆周处接触止动销50而提供圆锥角α的下限。若后缘38于止动销50的任何径向内部点处(也就是说在空穴28内的任何较深处)接触止动销50，则存在着一风险可能再次引入不可接受的摩擦圆周移动量；将不会大体上减轻接触磨损的问题；和将不会实现本发明的目标。
相反地，若圆锥角α增加得太远离轴承座12的法线N，则可倾瓦块在倾斜时可能以与转子移动22相同的方向行进一个摩擦距离，如图5所示。这将再次引入显著的摩擦移位，从而损害对本发明目标的实现。
对止动销50的外形的圆锥角的有用范围的限制可通过简单的例行试验，或通过计算而推出。
止动销50的外形两侧上的圆锥角α优选为相等的，尤其在其中转子的旋转方向22可能变化的应用中。在其中转子仅能够以单个一致方向22进行旋转的应用中，并不接触可倾瓦块14的止动销侧面56的外形无关紧要。
图6以与图5中详细内容类似的方式说明了本发明的另一实施例。可倾瓦块14的第一位置以实线显示，同时可倾瓦块的第二位置以虚线显示。侧面平行或以任一方向逐渐变细的止动销60位于空穴62中，空穴62具有分散侧壁68、69，这些侧壁在止动销尖端提供间隙c，同时维持止动销60和可倾瓦块14之间的接触点64大体上位于轴承座12的内表面于止动销60的基座处，由此实现本发明的目标。
可倾瓦块在运行中易于倾斜，这取决于诸如转子旋转速度和不平衡力的因素。可倾瓦块可能从以实线所示的位置朝向显示为虚线的位置而倾斜。由于本发明中空穴62的外形，接触点64随着瓦块14的倾斜而试图向新位置64′移动。与图2和图4的现有技术系统相反，且由于本发明中空穴62的外形，允许接触点大体上占据所希望的位置64′。因此瓦块能够在无需围绕轴承座12进行圆周移位的情况下进行倾斜。因此，可倾瓦块14向其中接触点位于位置64′中的位置的移位是简单的摇摆移动，其大体上不会导致瓦块14和轴承座12之间的摩擦移动。
稍后，在转子运行期间，可能要求瓦块14倾斜回到64处所示的位置。由于本发明中空穴62的外形，此将再次为可能的，而无需瓦块围绕轴承座12进行圆周移位，且因此也没有瓦块14和轴承座12之间的摩擦移位。
止动销60和空穴62可能各自在轴承系统的轴向上为伸长的。空穴28可能占据可倾瓦块14的轴向范围的一部分，其中止动销60具有兼容的轴向尺寸。止动销50的形状可能为金字塔形、立方体或圆柱形。所述金字塔可能具有正方形或矩形基座。金字塔可能为平顶的。止动销的形状可能为圆锥形或平顶圆柱形。
可能在每一可倾瓦块上提供一个以上所述空穴62和止动销60组合。所述若干个空穴和止动销组合优选于瓦块14和轴承10的轴向上对准。
参考轴承座12表面的法线N测量的空穴62的外形的圆锥角β较为重要。若圆锥角β太接近轴承座12的法线N，则空穴62的后缘68可能在一个径向内部点处而非图6所示的点64、64′处接触止动销60。可倾瓦块14可能不能够在不再次引入显著摩擦移位的情况下进行倾斜，从而损害了对本发明目标的实现。因此通过要求空穴62的后缘68应仅大体上于可倾瓦块14的外圆周处接触止动销60而提供圆锥角β的下限。若后缘68在止动销60的任何径向内部点处(也就是说空穴62内的任何较深处)接触止动销60，则存在一风险可能再次引入不可接受的摩擦圆周移动量；将不会大体上减轻接触磨损问题；和将不会实现本发明的目标。
相反地，若圆锥角β增加得太远离轴承座12的法线N，则可倾瓦块14在倾斜时可能以与转子移动相同的方向行进一个摩擦距离。这将再次引入显著摩擦移位，从而损害对本发明目标的实现。
可通过简单的例行试验或通过计算而推出对空穴62的外形的圆锥角的有用范围的限制。
空穴62的外形的两个侧面上的圆锥角β优选为相等的，尤其在其中转子的旋转方向22可能变化的应用中。在其中转子仅能够以单个一致方向22旋转的应用中，并未接触可倾瓦块14的止动销侧面66的外形无关紧要。
图7说明本发明的进一步实施例。类似于图6的实施例，空穴72的开口具有小于空穴剩余部分宽度的宽度d。然而，图7的实施例并不要求空穴72的壁78、79逐渐变细。相反，将空穴布置成关于第一位置74而在横穿轴承组件和可倾瓦块的轴的平面中具有尺寸d，其小于在侧面78的径向内部位置的所有相应位置处的尺寸。这个实施例也于止动销尖端处提供了间隙c，同时将接触点74大体上于轴承座12的内表面处维持于止动销和可倾瓦块之间，由此实现本发明的目标。
对于伸长空穴来说，可以通过从固体切削(例如通过铣切)一个向内台阶77外形来实现较小尺寸d。尤其对于非伸长空穴来说，可通过从固体切削一个向内台阶77，或通过沉头孔(counterboring)和在环中挤压来实现较小尺寸d。
图8更明确地说明了一个实施例，其中已使用沉头孔82，且已经对具有较小内径d的环84进行压配合、焊接、铜焊或者将其附着到放大沉头孔区域中以提供较小尺寸d。
所合成的结构以与图7相同的方式进行运行，且使用相应参考标记来指示相应特征。
在图7和图8的实施例中，止动销70和空穴壁78、79中的任一者或者其两者可能逐渐变细，或者接近轴承座12内表面的法线N。可以通过如图所说明的逐渐变细的特征，或者通过矩形外形的特征来提供较小尺寸d。在任一情况下，接触点74、74′必须保持大体上位于轴承座12的内表面处。
因此本发明提供了可倾瓦块径向轴承系统，其充分地减轻了如已知可倾瓦块径向轴承系统所遇到的可倾轴承上接触磨损的问题。这个优点是通过本发明提供如上述权利要求所定义的止动销和/或空穴的某一外形来实现的。
权利要求
1.一种可倾瓦块径向轴承组件，其包括一外部轴承座(12)；若干个可倾瓦块(14)，其固定于所述外部轴承座内；以及相应若干个止动销(50)，其用以将所述可倾瓦块固定于给定的圆周位置中，每一止动销都固定于所述轴承组件外部轴承座中以便与相应可倾瓦块中的一空穴(28)的一侧面(38)抵靠，其特征在于，至少一个止动销(50)和所述相应空穴(28)分别被设计成如下的形状，以使得在使用中，一在所述止动销(50)和所述侧面(38)之间、位于横穿所述轴承组件和所述可倾瓦块的轴的平面中的一间隙(c)的大小在一大体位于所述轴承座(12)的内表面处的第一位置(54)处比在所述侧面的径向内部部分处的所有相应位置处相对于所述第一位置来说更小，其中所述止动销(50)和所述可倾瓦块(14)之间的一接触点(54、54′)在使用中大体位于所述外部轴承座(12)的所述内表面处，且借此所述可倾瓦块(14)因此能够在不围绕所述外部轴承座(12)进行大体圆周移位的情况下而倾斜。
2.根据权利要求1所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述止动销(50)在一横穿所述轴承组件和所述可倾瓦块的轴的平面中具有一锥形横截面。
3.根据权利要求2所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述止动销(50)的所述横截面的两侧上的圆锥角α相等。
4.根据权利要求1所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述空穴(28)经定形以在一横穿所述轴承组件和所述可倾瓦块的所述轴的平面中在所述第一位置(64)处具有一比在所述侧面(68)的径向内部部分处的所有相应位置处相对于所述第一位置(64)来说更小的尺寸(d)。
5.根据权利要求4所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述空穴(62)在一横穿所述轴承组件(10)和所述可倾瓦块(14)的所述轴的平面中具有一锥形横截面。
6.根据权利要求5所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述空穴(62)的所述横截面的两侧上的圆锥角β相等。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述止动销(50)和所述空穴(28)各自在所述可倾瓦块(14)和所述轴承组件(10)的轴向(A、A′)中为伸长的。
8.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述空穴(28)仅占据所述可倾瓦块(14)的轴向范围的一部分，所述止动销(50)具有一兼容的轴向尺寸。
9.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述止动销(50)的形状为金字塔形。
10.根据权利要求9所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述金字塔具有一正方形或矩形基座。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述金字塔为平顶的。
12.根据权利要求1-6或8中任一权利要求所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中所述止动销的形状为圆锥形或平顶圆锥形。
13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的可倾瓦块径向轴承组件，其中可在每一个可倾瓦块上提供一个以上空穴(28)和销(50)的组合，它们于所述瓦块(14)和所述轴承组件(10)的所述轴向(A、A′)上对准。
14.一种可倾瓦块径向轴承组件，其大体上如附图中的图5至图7所描述和/或说明。
全文摘要
本发明提供一种可倾瓦块径向轴承组件，其包括一外部轴承座(12)；固定于所述外部轴承座内的若干个可倾瓦块(14)；和相应若干个止动销(50)，用以将所述可倾瓦块固定于给定圆周位置中，每一止动销都固定于所述轴承组件外部轴承座中以便与相应可倾瓦块中的一空穴(28)的一侧面(38)抵靠。至少一止动销(50)和相应空穴(28)分别被设计形状，以使得在使用中，一在所述止动销(50)和所述侧面(38)之间、位于横穿所述轴承组件和所述可倾瓦块的轴的平面中的间隙(c)的大小在一大体位于所述轴承座(12)的内表面处的第一位置(54)处比在所述侧面的径向内部部分处的所有相应位置处相对于所述第一位置来说更小。所述止动销(50)和所述可倾瓦块(14)之间的接触点(54、54′)在使用中大体位于所述外部轴承座(12)的所述内表面处。所述可倾瓦块(14)因此能够在不围绕所述外部轴承座(12)进行大体圆周移位的情况下而倾斜。
文档编号F16C17/03GK1846074SQ200480015874
公开日2006年10月11日 申请日期2004年4月8日 优先权日2003年6月7日
发明者安德鲁·谢泼德 申请人:西门子公司