一种分段式发动机细长柔性轴结构
阅读说明：本技术 一种分段式发动机细长柔性轴结构 (Long and thin flexible shaft structure of sectional type engine ) 是由 何康 陈竞炜 赵勇铭 贺宜红 聂建豪 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种分段式发动机细长柔性轴结构,涉及燃气涡轮发动机技术领域,包括前段轴和后段轴,前段轴和后段轴通过前段轴安装边和后段轴安装边的固定连接来形成一个整体,使得前段轴传递转子扭矩、承受轴向力；后段轴不传递扭矩和承受轴向力,安装有两个滚棒轴承,两个滚棒轴承均通过轴承座承载,轴承座分别与两个发动机机匣固定连接。本发明通过一种分段式的细长柔性轴结构,将弹性支承和两个轴承内环集成到一段柔性轴上,并在轴承外环上施加油膜阻尼,继而组成完整的转子弹性支承和挤压油膜系统；后段轴上的轴承内环结构,可以简化生产、装配,提升轴功能集成度；鼠笼式柔性轴结构可以代替弹性支承调整转子的临界转速,控制转子径向变形。(The invention discloses a slender flexible shaft structure of a sectional engine, which relates to the technical field of gas turbine engines and comprises a front section shaft and a rear section shaft, wherein the front section shaft and the rear section shaft are fixedly connected through a front section shaft mounting edge and a rear section shaft mounting edge to form a whole, so that the front section shaft transmits rotor torque and bears axial force; the rear section shaft does not transmit torque and bear axial force, and is provided with two roller bearings which are borne by bearing seats respectively fixedly connected with two engine casings. According to the invention, through a sectional type slender flexible shaft structure, an elastic support and two bearing inner rings are integrated on a section of flexible shaft, and oil film damping is applied on a bearing outer ring, so that a complete rotor elastic support and an oil film squeezing system are formed; the bearing inner ring structure on the rear section shaft can simplify production and assembly and improve the functional integration of the shaft; the squirrel-cage flexible shaft structure can replace an elastic support to adjust the critical rotating speed of the rotor and control the radial deformation of the rotor.)
技术领域
本发明属于燃气涡轮发动机技术领域，具体是一种分段式发动机细长柔性轴结构。
背景技术
现有的燃气涡轮发动机，一般通过一根细长柔性轴输出轴功率，继而驱动旋翼，螺旋桨，风扇或压气机运转。因转轴及轴上旋转件存在偏心质量，高速旋转时必然产生离心惯性力而发生弓形回转，在相应的临界转速下，动挠度达到最大继而发生破坏。因此，发动机转子系统一般采用弹性支承和挤压油膜结构，一方面，通过弹性支承调整控制转子的临界转速，使发动机工作转速区间避开临界转速；另一方面，通过油膜阻尼作用吸收转子振动的能量，减小振动带来的影响。
在现有的燃气涡轮发动机转子支承系统中，合理配置其临界转速，是保证发动机正常运转的重要前提，因此，通常需要设立单独的弹性支承和油膜阻尼结构。经典的转子支承系统，一般包括一根完整的轴，轴上嵌套完整的轴承(包括内环和外环，相应的轴向限位件及锁紧件如螺母等)，在轴承外环上，继续嵌套弹性支承，最后在弹性支承的外环上，施加油膜阻尼系统。
因此，本发明提供了一种分段式发动机细长柔性轴结构，以解决上述
背景技术
中提出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分段式发动机细长柔性轴结构，以解决如下技术问题：
1)现有的转子支承系统，通过设立单独的弹性支承，完整的轴承和油膜阻尼结构来保证转子正常工作运转，使得零件加工，组件装配较为复杂，也不利于减少零件数量和发动机质量；
2)现有轴整体偏刚性，使得支承系统要降低刚度以适应低临界转速的需要，继而增加了转子变形量，不利于控制转静子径向间隙，降低发动机的效率，并造成转静子径向碰磨的风险。
根据本发明的一个方面，提供一种分段式发动机细长柔性轴结构，包括前段轴和后段轴，所述前段轴和后段轴通过前段轴安装边和后段轴安装边的固定连接来形成一个整体，使得前段轴传递转子扭矩、承受轴向力；
所述后段轴不传递扭矩和承受轴向力，所述后段轴上安装有第一滚棒轴承和第二滚棒轴承，所述第一滚棒轴承和第二滚棒轴承均通过轴承座承载，所述轴承座分别与第一发动机机匣和第二发动机机匣固定连接。
根据本发明的一个实例性的实施例，所述后段轴上设有与第一滚棒轴承和第二滚棒轴适配的第一轴承内环和第二轴承内环。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述后段轴位于第一轴承内环和第二轴承内环之间的结构为鼠笼式结构，所述鼠笼式结构为弹性结构。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一滚棒轴承和第二滚棒轴承分别包括第一轴承外环和第二轴承外环，所述轴承座包括第一轴承座支架和第二轴承座支架，所述第一轴承外环和第二轴承外环分别套设在第一轴承座支架和第二轴承座支架内。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一轴承外环和第二轴承外环与轴承座之间采用间隙配合或过盈配合，所述第一轴承外环和第二轴承外环与第一轴承座支架和第二轴承座支架对应形成两组配合。
根据本发明的另一个实例性的实施例，所述第一轴承外环和第一轴承座支架之间以及第二轴承外环和第二轴承座支架之间至少有一组为间隙配合，其中为间隙配合的一组之间装配有两条封严涨圈。
根据本发明的另一个实例性的实施例，间隙配合的单侧间距为0.1-0.4mm。
根据本发明的另一个实例性的实施例，两条所述封严涨圈与对应装配的轴承外环和轴承座支架之间形成一个环形空腔，环形空腔内注入润滑油形成油膜阻尼。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过一种分段式的细长柔性轴结构，将弹性支承和两个轴承内环集成到一段柔性轴上，并在轴承外环上施加油膜阻尼，继而组成完整的转子弹性支承和挤压油膜系统；其前段轴在发动机前端输出功率，驱动旋翼，螺旋桨，风扇等，前段轴的尾端与涡轮转子连接，传递扭矩和气动轴向力；后段轴通过连接结构与前段轴连接，不承担传扭和轴向力，仅承担径向力，用于安装轴承等支承组件，后段轴本身为弹性支承形式，采用鼠笼式结构，降低轴的刚性，基本代替独立的弹性支承的功用，调整转子的临界转速和应变能。
2、本发明相较一般的转子支承系统，将两个轴承的内环集成到后段轴上，省去了繁杂的轴向限位件及锁紧件等，进一步简化结构，提升轴的功能集成度，同时，简化了独立弹性支承，轴承内环等结构，继而减轻了重量，优化了装配。
3、本发明设置的鼠笼式结构为弹性结构，可以降低轴的局部刚性，通过适当地调整鼠笼枝条的长度、横截面积等，可以改变轴的刚度数值，降低转子的临界转速，调整应变能的分布，采用本发明的鼠笼式轴、刚性轴承座静子结构，能够尽量保证支承的刚度，使得发动机转子高速转动回弯或受到机动陀螺力矩时，转子的径向变形得到一定地控制，防止径向转静子刮磨，有利于减小转静子设计间隙，满足发动机的正常运转的同时，降低间隙损失，提高热效率。
4、本发明在两个轴承的外环和轴承座之间，直接集成油膜阻尼结构，在转子工作时形成油膜消耗振动能量，并具有更宽广的转速裕度，更强的承受振动载荷能力。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为含有独立弹性支承和完整轴承结构的典型支承系统的结构示意图；
图2为一种分段式发动机细长柔性轴结构剖视图；
图3为鼠笼式结构示意图；
图4为图3的A-A剖视图。
图中：1、前段轴；11、前段轴安装边；
2、后段轴；21、后段轴安装边；22、第一轴承内环；23、第二轴承内环；24、鼠笼式结构；
3、第一滚棒轴承；31、第一封严涨圈；32、第二封严涨圈；33、第一轴承外环；
4、第二滚棒轴承；41、第三封严涨圈；42、第四封严涨圈；43、第二轴承外环；
5、轴承座；51、第一轴承座支架；52、第二轴承座支架；53、第一轴承座安装边；54、第二轴承座安装边；55、轴承座薄外壁；
6、第一发动机机匣；7、第二发动机机匣；8、弹性支承；9、锁紧件；10、轴向限位件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种分段式发动机细长柔性轴结构限制。
另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。
现有支承系统如图1所示，典型的静子采用独立弹性支承8，轴的刚性较强结构，其转子高速转动弓形回转及飞行器机动产生陀螺力矩时，转子的径向变形较大，易使得发动机转静子叶片碰磨，或采用较大的转静子叶片间隙，但会增大发动机的性能损失，降低发动机的热效率。
根据本发明的一个总体技术构思，如图2-4所示，提供一种分段式发动机细长柔性轴结构，包括前段轴1、后段轴2、第一滚棒轴承3、第二滚棒轴承4、轴承座5、第一发动机机匣6和第二发动机机匣7等结构；区别于图1所示的转子支承系统，主要是将轴承外环嵌套的静子弹性支承8取消，在后段轴2上机加工形成了鼠笼式结构24；取消了一系列的锁紧件9、轴承内环和轴向限位件10等结构，由后段轴2集成了轴承内环的功能。前段轴1在发动机前端输出功率，驱动旋翼，螺旋桨，风扇等，前段轴1的尾端与涡轮转子连接，将涡轮转子的功率通过扭矩输出至前端，并承受气动轴向力；后段轴2通过连接结构与前段轴1连接，因鼠笼结构，抗扭性能不足，故不承担扭矩和轴向力，仅承担径向力，用于安装轴承等支承组件；后段轴2本身为弹性支承8形式，在第一轴承内环22和第二轴承内环23的轴向跨距之间采用鼠笼式结构24，降低轴的刚性，基本代替轴承外环处独立弹性支承8的功用，调整转子的临界转速，以避开发动机各个工作转速，满足发动机正常运转。
进一步地，前段轴1通过前段轴安装边11与后段轴2连接，使两段轴连为一体，本身用于传递扭矩并承担气动轴向力，其与发动机涡轮转子的连接也可以通过前段轴安装边11实现，或通过其他的结构如额外安装边、花键进行连接，继而承受涡轮转子的气动扭矩和轴向力，其前端延长至发动机前端输出机械功，图2中所示为典型示意，仅为截断图；前段轴1靠近后段轴2处无轴承安装。
相对应地，后段轴2也通过后段轴安装边21与前段轴1连接，不承担轴向力和传递扭矩；在后段轴2上，还轴向依次集成了第一轴承内环22、鼠笼式结构24和第二轴承内环23，进一步简化结构，提升轴的功能集成度；第一轴承内环22和第二轴承内环23可以分别直接与第一滚棒轴承3和第二滚棒轴承4的滚棒配合接触，承担滚动跑道作用，可以省去相应的独立轴承内环、轴向限位件10及锁紧件9等部件，第一滚棒轴承3和第二滚棒轴承4不承担轴向力；鼠笼式结构24结构如图3、4所示，可以降低轴的局部刚性，通过适当地调整鼠笼枝条的长度L、横截面积(a×b)等，可以改变轴的刚度数值，与轴承支承的刚度值协同调节，可以降低转子的临界转速，调整应变能的分布，因外部支承非鼠笼结构，刚度相对较大，可以使得转子回转或受陀螺力矩带来的径向变形得到一定地控制，防止径向转静子刮磨，有利于减小转静子设计间隙，满足发动机的正常运转同时降低间隙损失，提高热效率。
在第一个实施例中，第一滚棒轴承3和第二滚棒轴承4分别含有独立的第一轴承外环33和第二轴承外环43，与第一轴承座支架51和第二轴承座支架52之间可以为小间隙配合，一般为单侧0.1-0.4mm；第一轴承外环33和第二轴承外环43的外周上均加工有沿圆周方向的环形沟槽，可以分别结合第一封严涨圈31和第二封严涨圈32组成封闭腔，实现油膜阻尼结构；当一定压力的润滑油注入由第一轴承外环33、第一轴承座支架51、第一封严涨圈31、第二封严涨圈32组成的圆环形空腔时，可产生油膜阻尼功能，在转子工作时形成油膜消耗振动能量；同理，第二轴承外环43、第二轴承座支架52、第三封严涨圈41和第四封严涨圈42组成的圆环形空腔与前述的圆环形空腔功能相似，不再赘述。
在第二个实施例中，第一滚棒轴承3可以含有独立的第一轴承外环33，与第一轴承座支架51之间可以为过盈配合，省去第一封严涨圈31和第二封严涨圈32结构，且不具有油膜阻尼功能；但同时，第二滚棒轴承4与第二轴承座支架52要满足小间隙配合，一般为单侧0.1-0.4mm，由第二轴承外环43、第二轴承座支架52、第三封严涨圈41和第四封严涨圈42组成的圆环形空腔要具有油膜阻尼的功能。
在第三个实施例中，第一滚棒轴承3与第一轴承座支架51之间要满足小间隙配合，一般为单侧0.1-0.4mm，此时，第一轴承外环33、第一轴承座支架51、第一封严涨圈31、第二封严涨圈32组成的圆环形空腔具有油膜阻尼功能；但同时，第二滚棒轴承4与第二轴承座支架52之间为过盈配合，省去第三封严涨圈41和第四封严涨圈42结构，不再具有油膜阻尼的功能。
轴承座5两端通过第一轴承座安装边53和第二轴承座安装边54与第一发动机机匣6和第二发动机机匣7连接，用于支承转子，并传递转子载荷给机匣第一发动机机匣6和第二发动机机匣7；第一轴承座支架51和第二轴承座支架52之间通过轴承座薄外壁55互相传递载荷，第一轴承座支架51、第二轴承座支架52和轴承座薄外壁55形成封闭外表面和轴承腔，轴承座薄外壁55的典型厚度为1～1.5mm，为薄壁结构，与第一发动机机匣6和第二发动机机匣7共同组成低刚度支承系统；轴承座5一般还集成或装配有润滑油供油、回油，封严冷却，通风换气等功能，在此示例图中不再详细表示。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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