一种涡轮轴隔热结构的制作方法

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1.本发明属于机械结构技术领域，涉及一种涡轮轴,特别涉及一种涡轮轴隔热结构。

背景技术：

2.航空发动机涡轮轴起到传递涡轮轴功率和提供轴承支点轴径的作用，属于涡轮转子的重要组成部分。涡轮轴大端与涡连接，小端与压气机转子连接。承受涡传递过来的热量，为避免轴承温度过高产生损坏，目前主要采用主动冷却技术和隔热冷却技术。
3.主动冷却技术：
4.涡轮轴承的主动冷却技术主要为使用压气机引气进行轴承腔通风冷却和滑油润滑冷却。
5.主动冷却技术的缺点主要为发动机停车后无法起到冷却效果，会导致停车后轴承温度的上升。
6.隔热冷却技术：
7.现有隔热冷却结构主要是增加隔热屏和使用燃烧室二股气流进行隔热，减少向轴承腔的热传导和热辐射。
8.现有隔热冷却结构的缺点主要为受结构尺寸影响较大，无法切断涡向涡轮轴的热传导。

技术实现要素：

9.发明目的：针对背景技术中提到的问题,提出一种涡轮轴隔热结构，在发动机工作过程中和停车后减少向涡轮轴承的热传导，控制轴承温度。
10.本发明的技术方案是：
11.一种涡轮轴隔热结构，所述涡轮轴包括圆柱段、锥形段和环状转接盘，所述环状转接盘通过多个螺栓与涡连接；所述圆柱段与轴承内环过盈配合；所述圆柱段中空；
12.所述环状转接盘与涡配合面设有多条与涡轮轴同心的环形沟槽。
13.进一步，所述环状转接盘与涡配合面还设有多个花瓣状凹陷，多个花瓣状凹陷沿环状转接盘周向等间隔对称分布。
14.进一步，所述花瓣状凹陷位于环形沟槽区域，且每两根螺栓之间设置一处花瓣状凹陷。环状转接盘与涡通过多处拉紧螺栓固定，由于拉紧螺栓孔的存在，会导致周向沟槽的断续不连贯，因此在每两处拉紧螺栓孔之间增开一处花瓣状凹陷，确保周向沟槽的连通。
15.进一步，所述锥形段设有多个贯穿锥形段内外表面的冷气孔，所述冷气孔沿锥形段周向等间隔分布。在工作时，由压气机引来的冷却气，通过冷气孔，带走涡轮轴热量，同时减少涡对涡轮轴的热传导热量。
16.进一步，所述冷气孔数量与花瓣状凹陷数量相同，且冷气孔角向与花瓣状凹陷角向一一对应。为了强化花瓣状凹陷的旋转泵吸效应，锥形段开设的冷气孔与花瓣状凹陷数
量一致且角向一一对应，强化各处的冷却效果。
17.进一步，所述环形沟槽总面积不超过环状转接盘与涡配合面面积的60％；所述环形沟槽深度不超过环状转接盘轴向宽度的10％。
18.进一步，所述圆柱段与轴承内环配合区域外表面沿圆柱段周向等间隔设有多个轴向凹槽。滑油可通过该处轴向凹槽进一步冷却轴承内环的内表面，完成冷却后依靠重力回油。通过该措施，可强化主动冷却效果，降低轴承内环温度。
19.进一步，所述圆柱段轴向凹槽长度大于轴承内环轴向长度。便于轴承内环分解工装的设计和使用。
20.进一步，所述轴向凹槽深度不超过涡轮轴圆柱段壁厚的10％；所述多个轴向凹槽的宽度总和不超过圆柱段周长的50％。
21.进一步，所述圆柱段非轴承内环配合区域沿圆柱段周向等间隔设有多个径向冷气孔。可保证冷气均匀进入涡轮轴内腔，避免局部冷却效果不良的情况，在涡轮轴强度允许和冷却系统满足要求的前提下，数量越多越好，且最好沿轴向多截面进行布置。
22.本发明具有以下有益效果：发动机工作时涡轮轴的沟槽和花瓣状凹陷可被动减少涡向涡轮轴传递的热量，冷气孔可实现涡轮轴的冷却，轴径凹槽可实现降低涡轮轴向轴承内环的传热量，还可实现内环底部的滑油冷却。发动机停车时，冷却气消失，沟槽、凹陷和凹槽等结构仍可实现减小传递热量的作用。因此发动机工作和停车时，新的涡轮轴隔热结构均能很好的实现隔热，控制轴承温度在合理范围内。
附图说明
23.图1为背景技术中隔热结构示意图；
24.图2为本发明涡轮轴整体结构示意图；
25.图3为本发明涡轮轴与涡配合剖面示意图；
26.图4为本发明a局部放大图；
27.图5为本发明b局部放大图；
28.1-沟槽，2-花瓣状凹陷，3-轴向凹槽，4-冷气孔,5-轴承内环配合区域,6涡轮轴,7-涡,8-轴承内环。
具体实施方式
29.本部分是本发明的实施例，用于解释和说明本发明的技术方案。
30.现有的涡轮轴主动冷却结构见图1，主要由滑油对轴承进行喷射冷却，和压气机后引气进行轴承腔的通风冷却。在发动机工作过程中和实现良好的冷却效果，同时采取隔热屏来降低传导到轴承腔的热量。
31.本发明提出的涡轮轴隔热结构见图2。涡轮轴从左到右依次包括：圆柱段、锥形段和环状转接盘；涡轮轴6作为涡轮轴承的支点，其圆柱段与轴承内环8为过盈配合；环状转接盘与涡7的连接通过拉紧螺栓提高轴向拉紧力，同时端面贴合保证连接可靠性。基于传热学在其他条件不变的情况下，减少接触面积可减少热量传递的原理，在环状转接盘与涡配合面增加多条与涡轮轴同心的环形沟槽1；在环状转接盘与涡配合面增加花瓣状凹陷2结构，多个花瓣状凹陷沿环状转接盘周向等间隔对称分布；在圆柱段与轴承内环配
合面5区域沿周向等间隔设有多个轴向凹槽3，均是从减小接触面积，降低传导热量的原理出发，来控制向轴承的散热。同时在圆柱段和锥形段增加冷气孔4，主动降低传热量。
32.具体而言，如图3所示，在工作时，由压气机引来的冷却气，通过圆柱段和锥形段的冷气孔4，带走涡轮轴热量，同时减少涡对涡轮轴的热传导热量。冷气孔的开孔位置、数量和孔径均需进行冷却系统计算和涡轮轴的强度计算后给定。
33.如图5所示，轴承在工作过程中，存在专用滑油喷嘴，对轴承喷射滑油进行润滑和冷却，冷却后的滑油在重力作用下进入回油油路，于此同时，由于圆柱段轴承内环配合面区域增开了多处轴向凹槽3，滑油可通过该处轴向凹槽进一步冷却轴承内环的内表面，完成冷却后依靠重力回油。通过该措施，可强化主动冷却效果，降低轴承内环温度。
34.如图4所示，在环状转接盘与涡配合的端面，增开多道周向沟槽1，减少了接触面积，同时在沟槽内部会存在传热效率差的空气，进一步降低传导的热量，之所以不设计成径向沟槽，是为了保证此处径向不发生冷却气的泄漏。
35.为避免沟槽形成死腔，限制沟槽内气体的膨胀，在环状转接盘与涡配合端面进一步增开花瓣状凹陷2，利于气体排出的同时进一步降低了接触面积。同时随着涡轮轴的旋转，会对盘腔冷却气产生泵吸效应，增加冷却气向花瓣状凹陷位置的流动，同时进入轴向沟槽内，进一步强化冷却。
36.在发动机停车后，无冷却气进行主动冷却和无滑油进行润滑和冷却。涡的热量会持续向涡轮轴进行传导，虽然主动冷却措施已经失效，但沟槽等被动隔热措施仍然有效，仍可显著的降低涡向涡轮轴的传热和涡轮轴向轴承内环的传热，保证轴承温度在可接受范围内。
37.因此该新型涡轮轴隔热结构在发动机工作和停车时，均能很好的实现隔热，降低主动冷却的负担，始终控制轴承温度在合理范围内，提高轴承的使用寿命。
38.环状转接盘与涡配合面的周向沟槽，沟槽数量受限于配合面的径向宽度，为保证配合定位的有效性，一般沟槽面积不大于配合端面的60％；沟槽深度受限于涡轮轴环状转接盘的轴向宽度，均需进行相关的结构和强度考量后给定，一般不大于轴向宽度的10％。
39.环状转接盘与涡通过多处拉紧螺栓固定，由于拉紧螺栓孔的存在，会导致周向沟槽的断续不连贯，因此在每两处拉紧螺栓孔之间增开1处花瓣状凹陷，确保周向沟槽的连通。
40.为了强化花瓣状凹陷的旋转泵吸效应，锥形段开设的冷气孔与花瓣状凹陷数量一致且角向一一对应，强化各处的冷却效果。
41.圆柱段所开设的冷气孔，沿圆周均布，可保证冷气均匀进入涡轮轴内腔，避免局部冷却效果不良的情况，在涡轮轴强度允许和冷却系统满足要求的前提下，数量越多越好，且最好沿轴向多截面进行布置。
42.轴承内环配合面区域所开的轴向凹槽，深度是出于涡轮轴的强度限制，在满足强度要求的前提下，轴向凹槽深度一般不大于涡轮轴圆柱段壁厚的10％；多处均布是为了减少对轴承内环圆度的影响，在结构尺寸允许的情况下，轴向凹槽宽度总和不大于圆柱段周长的50％。
43.本发明设置在轴承内环配合面区域的轴向凹槽，其长度要长于轴承内环的轴向长
度，便于轴承内环分解工装的设计和使用。轴承内环与涡轮轴的配合方式一般为过盈配合，其装配时可采用加温轴承内环或者液氮冷却涡轮轴的方式完成，但分解时无论加温和冷却均会导致涡轮轴和轴承内环同步变化，因此需要专用的分解工装在常温状态下进行分解。常用分解工装为拉马结构，因此经常需要轴承内环加工拉马槽类结构作为分解使用，本发明设计的凹槽结构可便于拉马结构使用，无需内环增加拉马槽，降低轴承加工成本的同时也避免了轴承内环槽内应力集中，提高了可靠性。
44.该新型涡轮轴隔热结构隔热原理简单易行，无需增加额外零件即可达到较好的隔热效果，同时受结构空间限制较小，可在各机型上广泛运用。

技术特征：

1.一种涡轮轴隔热结构，所述涡轮轴包括圆柱段、锥形段和环状转接盘，所述环状转接盘通过多个螺栓与涡连接；所述圆柱段与轴承内环过盈配合；所述圆柱段中空；其特征在于：所述环状转接盘与涡配合面设有多条与涡轮轴同心的环形沟槽。2.根据权利要求1所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述环状转接盘与涡配合面还设有多个花瓣状凹陷，多个花瓣状凹陷沿环状转接盘周向等间隔对称分布。3.根据权利要求2所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述花瓣状凹陷位于环形沟槽区域，且每两根螺栓之间设置一处花瓣状凹陷。4.根据权利要求3所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述锥形段设有多个贯穿锥形段内外表面的冷气孔，所述冷气孔沿锥形段周向等间隔分布。5.根据权利要求4所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述冷气孔数量与花瓣状凹陷数量相同，且冷气孔角向与花瓣状凹陷角向一一对应。6.根据权利要求1所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述环形沟槽总面积不超过环状转接盘与涡配合面面积的60％；所述环形沟槽深度不超过环状转接盘轴向宽度的10％。7.根据权利要求1所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述圆柱段与轴承内环配合区域外表面沿圆柱段周向等间隔设有多个轴向凹槽。8.根据权利要求7所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述圆柱段轴向凹槽长度大于轴承内环轴向长度。9.根据权利要求8所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述轴向凹槽深度不超过涡轮轴圆柱段壁厚的10％；所述多个轴向凹槽的宽度总和不超过圆柱段周长的50％。10.根据权利要求1所述的涡轮轴隔热结构，其特征在于：所述圆柱段非轴承内环配合区域沿圆柱段周向等间隔设有多个径向冷气孔。

技术总结

本发明属于机械结构技术领域，涉及一种涡轮轴,公开了一种涡轮轴隔热结构，所述涡轮轴包括圆柱段、锥形段和环状转接盘，所述环状转接盘通过多个螺栓与涡连接；所述圆柱段与轴承内环过盈配合；所述圆柱段中空；所述环状转接盘与涡配合面设有多条与涡轮轴同心的环形沟槽。所述环状转接盘与涡配合面还设有多个花瓣状凹陷，多个花瓣状凹陷沿环状转接盘周向等间隔对称分布。减少了接触面积，同时在沟槽内部会存在传热效率差的空气，进一步降低传导的热量，为避免沟槽形成死腔，限制沟槽内气体的膨胀，在环状转接盘与涡配合端面进一步增开花瓣状凹陷，利于气体排出的同时进一步降低了接触面积。进一步降低了接触面积。进一步降低了接触面积。