一种发动机轴承腔降温结构及发动机的制作方法

1.本发明涉及燃气轮机及航空发动机热管理技术领域，尤其是指一种发动机轴承腔降温结构及发动机。


背景技术：

2.燃气轮机及航空发动机设计时，常需要在涡轮后端设计轴承支点，以保证发动机正常运行。由于涡轮出口的高温燃气温度非常高，热量可以通过热传导或热辐射等方式传递给轴承腔，使得轴承腔温度过高。过高的轴承腔温度会造成滑油消耗量过大，滑油结焦等发动机故障，甚至使轴承过早失效而造成灾难性后果。
3.以往的设计方案中，通常将轴承腔尽可能远离涡轮流道，但对于中小型发动机来说，受结构空间限制，常常无法采用该方案；或者直接往轴承腔供冷气来降温，但是这会增大轴承腔腔压，一方面对轴承腔封严提出了更高的要求，另一方面会增大滑油供应压力，也会提高滑油消耗量。


技术实现要素：

4.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中的缺陷，设计了一种可有效降低涡轮后轴承腔位置的航空发动机轴承腔，采用该设计，可有效降低轴承腔温度，改善滑油润滑效果，降低滑油消耗量，提高发动机可靠性和安全性。
5.轴承座布置在涡轮后端时，涡轮进口的高温燃气温度可达1000℃以上，而涡轮出口处的温度可达800℃以上。在高温热辐射作用下，整个轴承腔温度也会升高。为避免滑油结焦，保证轴承的有效润滑，不得不加大滑油供油量。为了解决这个问题，必须得降低轴承腔温度，导致轴承腔温度升高的热量主要来源于两方面，一方面为承力机匣与轴承座连接的热传导，另一方面为整个涡轮部件的热辐射。为此，本发明提供的解决方案将使得热传导和热辐射均得到改善。
6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种发动机轴承腔降温结构，设于轴承座与承力机匣之间，包括：
7.冷却箱，内部中空，且环绕所述轴承座的外周设置，所述冷却箱内持续有冷气；
8.第一冷却孔，设于所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁，所述第一冷却孔连通所述冷却箱与所述承力机匣的内腔；
9.第二冷却孔，设于所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁，所述第二冷却孔连通所述冷却箱与所述轮缘封缘腔；
10.其中，冷气自所述第一冷却孔向所述承力机匣的内腔输出，还自所述第二冷却孔向所述轮缘封缘腔输出。
11.在本发明的一个实施例中，所述第一冷却孔设有若干，且为交叉型气膜冷却孔。
12.在本发明的一个实施例中，所述第一冷却孔均布于所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁。
13.在本发明的一个实施例中，相邻的所述第一冷却孔的延长线相交。
14.在本发明的一个实施例中，所述第二冷却孔设有若干，均布于所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁。
15.在本发明的一个实施例中，所述轮缘封缘腔的一侧设有涡轮出口，冷气自所述轮缘封缘腔向所述涡轮出口输出。
16.在本发明的一个实施例中，所述冷却箱的侧壁有至少两层，在所述冷却箱侧壁内部形成中空的冷气流动腔。
17.在本发明的一个实施例中，所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁均设有第一冷却孔，所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁均设有第二冷却孔。
18.在本发明的一个实施例中，所述冷却箱的外壁面喷涂有热障涂层。
19.一种发动机，包括上述任一项所述的一种发动机轴承腔降温结构。
20.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
21.本发明所述的一种发动机轴承腔降温结构及发动机，通过在轴承座和承力机匣之间设置冷却箱，将轴承座和承力机匣隔离，通过冷却箱的第一冷却孔为承力机匣的内腔降温，通过冷却箱的第二冷却孔为轮缘封严腔降温，从而改善滑油润滑效果，降低滑油消耗量，提高发动机可靠性和安全性。
附图说明
22.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
23.图1是本发明一种发动机轴承腔降温结构的装配剖视示意图。
24.图2是本发明一种发动机轴承腔降温结构的冷气流动示意图。
25.图3是本发明一种发动机轴承腔降温结构的冷却箱的第一冷却孔侧整体示意图。
26.图4是本发明一种发动机轴承腔降温结构的冷却箱的第二冷却孔侧整体示意图。
27.图5是本发明一种发动机轴承腔降温结构的冷却箱的剖面示意图。
28.图6是本发明一种发动机轴承腔降温结构的多层侧壁的冷却箱的剖面示意图。
29.说明书附图标记说明：1、冷却箱；11、第一冷却孔；12、第二冷却孔；13、冷气流动腔；2、轴承座；3、轴承；4、承力机匣；41、承力机匣的内腔；42、空心支板；5、轮缘封缘腔；51、涡轮出口；52、涡轮叶盘；6、冷气管。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
31.实施例一
32.参考附图1～6所示，本发明的一种发动机轴承3腔降温结构的实施例。
33.轴承座2布置在涡轮后端时，涡轮进口的高温燃气温度可达1000℃以上，而涡轮出口51处的温度可达800℃以上。在高温热辐射作用下，整个轴承3腔温度也会升高。为避免滑油结焦，保证轴承3的有效润滑，不得不加大滑油供油量。为了解决这个问题，必须得降低轴承3腔温度，导致轴承3腔温度升高的热量主要来源于两方面，一方面为承力机匣4与轴承座
2连接的热传导，另一方面为整个涡轮部件的热辐射。为此，本发明提供的解决方案将使得热传导和热辐射均得到改善。
34.所述发动机轴承3腔降温结构设于轴承座2与承力机匣4之间，所述发动机轴承3腔降温结构包括：冷却箱1。在轴承座2和承力机匣4之间设置一个环形冷却箱1，将轴承座2和承力机匣4隔离开，所述冷却箱1的一侧朝向轮缘封严腔，另一侧朝向承力机匣的内腔41，通过向该冷却箱1内输入高压冷气，使得高压冷气向轮缘封严腔5和承力机匣内腔41输出，以实现对轴承3腔与承力机匣的内腔41的降温。
35.具体的，参考附图1～2所示，所述冷却箱1为环形的腔体，所述冷却箱1的内部中空，且所述冷却箱1环绕所述轴承座2的外周设置。从承力机匣4的空心支板42处，通过冷气管6向所述冷却箱1内持续引入冷气，该冷气管6与所述冷却箱1连接且与所述冷却箱1的内腔连通。所述冷气为高压冷气，冷气进入所述冷却箱1后，通过布置于所述冷却箱1侧壁的第一冷却孔11、第二冷却孔12向外扩散，且冷气形成的气膜可将冷却箱1的外壁包裹住，有效阻隔热辐射，降低金属壁的壁温。
36.所述第一冷却孔11实现对所述承力机匣的内腔41的降温。所述第一冷却孔11为交叉型气膜孔。所述第一冷却孔11利用气膜冷却技术，从处于高温环境的冷却箱1的壁面上的第一冷却孔11引入高压冷气，冷气在高温气体的压力和摩擦力作用下向下游弯曲，附着在冷却箱1的壁面一定区域上，形成温度较低的冷气膜将冷却箱1的壁面同高温气体隔离，并带走部分高温气体对零件壁面的辐射热，从而对冷却箱1的外壁面起到良好的冷却保护作用。
37.参考附图3～5所示，所述第一冷却孔11设于所述冷却箱1朝向所述承力机匣的内腔41的侧壁，所述第一冷却孔11连通所述冷却箱1与所述承力机匣的内腔41。所述第一冷却孔11有若干，且均布于所述冷却箱1朝向所述承力机匣的内腔41的侧壁，当所述冷却箱1内的高压冷气通过所述第一冷却孔11，所述高压冷气将在所述冷却箱1朝向所述承力机匣的内腔41的侧壁形成气膜，该气膜对所述冷却箱1朝向所述承力机匣的内腔41的侧壁降温，同时，从所述第一冷却孔11出来的所述高压冷气进入所述承力机匣的内腔41，并从所述承力机匣4的空心支板42排到腔体外，这种冷气流动可进一步降低所述承力机匣的内腔41温度，降低热辐射。
38.其中，参考附图4所示，相邻的所述第一冷却孔11的延长线相交。气膜孔有多种形态，不同的形态能够实现不同的效果。在本设计中，所述第一冷却孔11采用交叉型气膜孔，在所述冷却箱1的内壁中，所述第一冷却孔11有两个不同的朝向，能够实现更佳的气膜冷却效率，用相对少的冷气流量达到所需的冷却效果。
39.所述第二冷却孔12实现对所述轮缘封严腔的降温和封严。参考附图4所示，所述第二冷却孔12为通孔，所述第二冷却孔12设于所述冷却箱1朝向轮缘封缘腔5的侧壁，所述第二冷却孔12连通所述冷却箱1与所述轮缘封缘腔5。所述第二冷却孔12有若干，且均布于所述冷却箱1朝向轮缘封缘腔5的侧壁，所述第二冷却孔12用于轮缘封严，当所述冷却箱1内的高压冷气通过所述第二冷却孔12，所述高压冷气进入所述轮缘封严腔，对所述轮缘封严腔降温和封严。
40.另外，所述轮缘封缘腔5的一侧设有涡轮出口51，所述涡轮出口51由轮缘封严腔5的内壁与涡轮叶盘52之间的间隙形成。涡轮内有高温燃气通过，所述涡轮出口51可将所述
轮缘封严腔5内的冷气引入高温燃气内，使冷气与高温燃气掺混，以降低温度。冷气自所述轮缘封缘腔5向所述涡轮出口51输出，保证轮缘封严腔的压力大于涡轮出口51处的压力，冷气从涡轮出口51处排出进入高温燃气的流道，冷气与涡轮出口51处的燃气掺混，涡轮出口51之后的流道内的温度会降低，进一步降低整个轴承3腔的温度。同时，所述第二冷却孔12还能用于轮缘封严，当所述轮缘封严腔的内压大于涡轮出口51处的压力时，可以防止燃气倒灌，无需额外引气。所述轮缘封严腔的压力通过冷气进口压力、进口截面面积、气膜冷却孔大小、数量和冷气出口截面面积参数调整。
41.参考附图6所示，作为本发明的其中一个实施方式，所述冷却箱1的侧壁有至少两层，多层侧壁的设计可在所述冷却箱1的侧壁内部形成中空的冷气流动腔13，该设计能够尽可能给冷气提供流通通道。该冷气流动腔13为高压冷气提供流通通道，配合所述第一冷却孔11与第二冷却孔12能够实现更佳的降温效果。
42.当所述冷却箱1有两层以上的侧壁时，所述冷却箱1的侧壁内则有两层以上的冷气流动腔13。多层的冷气流动腔13能够为冷气提供更多的流通通道，高压冷气由内至外依次穿过多层的冷气流动腔13。
43.所述冷却箱1朝向所述承力机匣的内腔41的侧壁均设有第一冷却孔11，所述冷却箱1朝向轮缘封缘腔5的侧壁均设有第二冷却孔12。所述冷却箱1的多层侧壁上的第一冷却孔11一一对应，多层的侧壁上对应的第一冷却孔11的中心轴共轴。
44.作为本发明的其中一个实施方式，所述冷却箱1的外壁面喷涂有热障涂层，以进一步降低辐射换热。
45.实施例二
46.参考附图1～6所示，本实施例为一种发动机，特别是航空发动机，本发动机包括上述实施例一所述的一种发动机轴承3腔降温结构，因此不再赘述，本实施例的发动机具备实施例一的全部优点。
47.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，设于轴承座与承力机匣之间，包括：冷却箱，内部中空，且环绕所述轴承座的外周设置，所述冷却箱内持续有冷气；第一冷却孔，设于所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁，所述第一冷却孔连通所述冷却箱与所述承力机匣的内腔；第二冷却孔，设于所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁，所述第二冷却孔连通所述冷却箱与所述轮缘封缘腔；其中，冷气自所述第一冷却孔向所述承力机匣的内腔输出，还自所述第二冷却孔向所述轮缘封缘腔输出。2.根据权利要求1所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述第一冷却孔设有若干，且为交叉型气膜冷却孔。3.根据权利要求2所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述第一冷却孔均布于所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁。4.根据权利要求2所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，相邻的所述第一冷却孔的延长线相交。5.根据权利要求1所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述第二冷却孔设有若干，均布于所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁。6.根据权利要求1所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述轮缘封缘腔的一侧设有涡轮出口，冷气自所述轮缘封缘腔向所述涡轮出口输出。7.根据权利要求1所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述冷却箱的侧壁有至少两层，在所述冷却箱侧壁内部形成中空的冷气流动腔。8.根据权利要求7所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁均设有第一冷却孔，所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁均设有第二冷却孔。9.根据权利要求1所述的一种发动机轴承腔降温结构，其特征在于，所述冷却箱的外壁面喷涂有热障涂层。10.一种发动机，其特征在于，包括权利要求1～9任一项所述的一种发动机轴承腔降温结构。

技术总结
本发明涉及燃气轮机及航空发动机热管理技术领域，尤其是指一种发动机轴承腔降温结构及发动机，包括：冷却箱，内部中空，且环绕所述轴承座的外周设置，所述冷却箱内持续有冷气；第一冷却孔，设于所述冷却箱朝向所述承力机匣的内腔的侧壁，所述第一冷却孔连通所述冷却箱与所述承力机匣的内腔；第二冷却孔，设于所述冷却箱朝向轮缘封缘腔的侧壁，所述第二冷却孔连通所述冷却箱与所述轮缘封缘腔；其中，冷气自所述第一冷却孔向所述承力机匣的内腔输出，还自所述第二冷却孔向所述轮缘封缘腔输出。本发明可有效降低轴承腔温度，改善滑油润滑效果，降低滑油消耗量，提高发动机可靠性和安全性。性。性。


技术研发人员：赵振兴 潘信予 薛园园 张万东 向英子 吴凡
受保护的技术使用者：太仓点石航空动力有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/9