一種雙轉子結構及渦輪發動機的製作方法

2023-08-07 03:05:26 3

本發明涉及機械技術領域，特別涉及一種雙轉子結構及渦輪發動機。

背景技術：

渦輪發動機是航空發動機的重要組成部分，用於驅動航空發動機的壓氣機工作。按照不同的轉軸數量，渦輪發動機分為單轉子、雙轉子和多轉子渦輪發動機。

其中，雙轉子渦輪發動機配置雙轉子結構。一般地，雙轉子結構包括兩根轉軸，高壓轉軸和低壓轉軸。高壓轉軸的一端連接渦輪發動機的高壓渦輪，高壓轉軸的另一端連接高壓壓氣機。高壓轉軸為空心軸，低壓轉軸的一端連接渦輪發動機的低壓渦輪，低壓轉軸的另一端從高壓轉軸的空心穿過後連接低壓壓氣機。在工作時，渦輪發動機通過高壓轉軸帶動高壓壓氣機高速旋轉，通過低壓轉軸帶動低壓壓氣機低速轉動。為了保證高壓轉軸和低壓轉軸獨立轉動，高壓轉軸和低壓轉軸之間設置滾動軸承B，低壓轉軸由滾動軸承支承B；而高壓轉軸則通過滾動軸承C固定在航空發動機的機匣上。

隨著航空技術的發展，對航空發動機轉子系統的動態性能提出了新的要求。但是，在航空發動機運行時，由於無法主動控制滾動軸承的運動特性，特別是滾動軸承C的運動特性，因此無法實現高壓轉軸的運轉情況的動態調整，也就無法實現航空發動機轉子系統動態響應的在線調整。

技術實現要素：

為了解決在航空發動機運行時，由於無法主動控制滾動軸承的運動特性，特別是滾動軸承C的運動特性，因此無法實現高壓轉軸的運轉情況的動態調整，也就無法實現航空發動機轉子系統動態響應的在線調整，本發明提供了一種雙轉子結構及渦輪發動機。所述技術方案如下：

一方面，本發明提供了一種雙轉子結構，適用於渦輪發動機，所述雙轉子結構包括內轉軸、外轉軸、第一支承組件和第二支承組件，所述外轉軸為空心軸，所述外轉軸套設在所述內轉軸上，所述內轉軸的兩端分別伸出所述外轉軸的兩端外，所述外轉軸通過所述第一支承組件可轉動地固定在所述渦輪發動機的機匣上，所述內轉軸通過所述第二支承組件可轉動地固定在所述外轉軸上；

所述第一支承組件包括兩套第一支承，所述兩套第一支承分別分布於所述外轉軸的兩端，每套所述第一支承包括電磁軸承、中端蓋和後端蓋；

所述中端蓋和所述後端蓋均為透蓋、且所述中端蓋和所述後端蓋均套設在所述外轉軸上，所述中端蓋的外壁和所述後端蓋的外壁均與所述機匣固定連接，同一套所述第一支承中所述電磁軸承的定子安裝在所述中端蓋和所述後端蓋之間，所述電磁軸承的轉子套設在所述外轉軸上，同一所述電磁軸承的轉子與定子相對，兩套所述第一支承的後端蓋相對；

所述電磁軸承配置至少兩個位移傳感器，同一套所述第一支承中所述電磁軸承的位移傳感器安裝在所述後端蓋上，同一所述後端蓋上的位移傳感器是正交分布的、且均沿所述電磁軸承的徑向分布，所述位移傳感器的探頭指向所述外轉軸的圓周面；所述電磁軸承還配置有控制器和功率放大器，所述控制器與所述位移傳感器電連接，所述功率放大器分別與所述控制器和所述電磁軸承的定子連接。

可選的，所述外轉軸的兩端的外壁上分別沿徑向方向設有定位凸緣，所述電磁軸承的轉子是採用熱套工藝安裝在所述外轉軸上的；在採用熱套工藝安裝所述電磁軸承的轉子時，是採用所述定位凸緣進行定位的。

可選的，位移傳感器為電渦流位移傳感器。

可選的，所述外轉軸的兩端分別設有軸肩，所述電磁軸承的轉子安裝在所述軸肩上，

每套所述第一支承還包括第一滾動軸承和前端蓋，所述前端蓋為透蓋、且所述前端蓋套設在所述外轉軸上，同一套所述第一支承中所述前端蓋固定在所述中端蓋上，同一套所述第一支承中所述中端蓋位於所述前端蓋與所述後端蓋之間，同一套所述第一支承中所述第一滾動軸承的定子安裝在所述前端蓋與所述中端蓋之間；

所述第一滾動軸承的轉子套設在所述外轉軸上、且所述第一滾動軸承的轉子與所述外轉軸之間存在間隙，所述第一滾動軸承的轉子與所述外轉軸之間的間隙小於所述電磁軸承的轉子與所述電磁軸承的定子之間的間隙；所述第一滾動軸承的定子與所述第一滾動軸承的轉子相對，所述第一滾動軸承的轉子與相鄰的軸肩之間存在間隙。

可選的，所述第一滾動軸承為深溝球軸承或角接觸球軸承。

可選的，所述第二支承組件包括兩套第二支承，所述兩套第二支承分別分布於所述外轉軸的兩端，每套所述第二支承包括永磁軸承、內端蓋和鎖緊螺母；

所述內端蓋為透蓋，所述內端蓋套設在所述內轉軸上、並與所述外轉軸固定連接；

所述外轉軸的兩端的內壁分別沿徑向設有一圈內凸緣，同一套所述第二支承中所述永磁軸承的定子安裝在相鄰的內凸緣與所述內端蓋之間；

所述鎖緊螺母緊套在所述內轉軸上，所述內轉軸的兩端的外壁分別沿徑向設有一圈外凸緣，同一套所述第二支承中所述永磁軸承的轉子安裝在相鄰的外凸緣和所述鎖緊螺母之間，同一所述永磁軸承的定子與轉子相對，兩套所述第二支承的永磁軸承相對。

可選的，所述永磁軸承的轉子包括動磁環、動保持架和轉子隔磁環，所述動保持架為空心軸且所述動保持架套設在所述內轉軸上，所述動保持架的一端的外壁沿徑向設有一圈凸緣，所述動保持架的凸緣與所述外凸緣接觸，所述動磁環和所述轉子隔磁環均套設在所述動保持架上，所述動磁環安裝在所述轉子隔磁環與所述動保持架的凸緣之間，所述轉子隔磁環安裝在所述動磁環與所述鎖緊螺母之間；

所述永磁軸承的定子包括定磁環、定保持架和定子隔磁環，所述定磁環套設在所述動磁環上，所述定子隔磁環套設在所述動保持架的凸緣上、且所述定子隔磁環與所述內凸緣接觸，所述定保持架為空心軸且所述定保持架套設在所述定磁環上，所述定保持架的一端的內壁沿徑向設有一圈凸緣，所述定保持架的凸緣與所述轉子隔磁環相對，所述定磁環安裝在所述定保持架的凸緣與所述定子隔磁環之間，所述定保持架的凸緣位於所述內端蓋與所述定磁環之間。

可選的，所述內轉軸的兩端分別設有軸肩，所述鎖緊螺母安裝在所述內轉軸的軸肩上；

每套所述第二支承還包括第二滾動軸承和外端蓋；

所述外端蓋為透蓋、且所述外端蓋套設在所述內轉軸上，同一套所述第二支承中所述外端蓋固定在所述內端蓋上，同一套所述第二支承中所述內端蓋位於所述外端蓋與所述永磁軸承之間，同一套所述第二支承中所述第二滾動軸承的定子安裝在所述外端蓋與所述內端蓋之間，同一套所述第二支承中所述鎖緊螺母位於所述第二滾動軸承與所述永磁軸承之間；

所述第二滾動軸承的轉子套設在所述內轉軸上、且所述第二滾動軸承的轉子與所述內轉軸之間存在間隙；所述第二滾動軸承的轉子與所述內轉軸之間的間隙小於所述永磁軸承的轉子與所述永磁軸承的定子之間的間隙；所述第二滾動軸承的定子與所述第二滾動軸承的轉子相對，所述第二滾動軸承與相鄰的內轉軸的軸肩之間存在間隙。

可選的，所述內轉軸的外壁上設有鍵槽，所述鍵槽內安裝有鍵，所述鍵卡設在所述鍵槽與所述永磁軸承的轉子之間。

另一方面，本發明提供了一種渦輪發動機，所述渦輪發動機包括高壓渦輪、低壓渦輪和雙轉子結構，

所述雙轉子結構為前述雙轉子結構，所述內轉軸的一端與所述低壓渦輪連接，所述外轉軸的一端與所述高壓渦輪連接。

本發明實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

通過將雙轉子結構中的外轉軸採用電磁軸承懸浮支承，電磁軸承可利用電磁力將外轉軸穩定懸浮起來，並利用位移傳感器將監測到的外轉軸的運轉信息傳遞給控制器，通過控制器和功率放大器實現對電磁軸承的支承性能的動態調整，從而實現航空發動機轉子系統動態響應的在線調整。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明實施例提供的一種雙轉子結構的結構示意圖；

圖2是圖1的左視圖；

圖3是本發明實施例提供的電磁軸承的結構示意圖；

圖4是圖3的左視圖；

圖5為本發明實施例提供的單片無取向矽鋼片的結構示意圖；

圖6為圖5的左視圖；

圖7為本發明實施例提供的中介軸承的結構示意圖；

圖8為本發明實施例提供的永磁軸承的結構示意圖；

圖9為圖8的右視圖；

圖10為本發明實施例提供的單片永磁磁環的結構示意圖；

圖11為圖10的右視圖。

圖中：1內轉軸、12鍵、2外轉軸、3機匣、4第一支承、41電磁軸承、411電磁軸承的轉子、411a轉子鐵芯、411b轉子隔磁片、412電磁軸承的定子、412a定子鐵芯、412b定子隔磁片、412c線圈、413位移傳感器、413a傳感器安裝架、42前端蓋、43中端蓋、44後端蓋、45第一滾動軸承、451第一滾動軸承的定子、452第一滾動軸承的轉子、5第二支承、51永磁軸承、511永磁軸承的轉子、511a動磁環、511b動保持架、511c轉子隔磁環、512永磁軸承的定子、512a定磁環、512b定保持架、512c定子隔磁環、52內端蓋、53外端蓋、54鎖緊螺母、55第二滾動軸承、551第二滾動軸承的定子、552第二滾動軸承的轉子、6永磁磁環、71第一中介軸承、72螺母、73第二中介軸承、74端蓋。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例一

本發明實施例提供了一種雙轉子結構，適用於渦輪發動機。參見圖1和圖2，雙轉子結構包括內轉軸1、外轉軸2、第一支承組件和第二支承組件。外轉軸2為空心軸，外轉軸2套設在內轉軸1上，內轉軸1的兩端分別伸出外轉軸2的兩端外，外轉軸2通過第一支承組件可轉動地固定在渦輪發動機的機匣3上，內轉軸1通過第二支承組件可轉動地固定在外轉軸2上。其中，第一支承組件包括兩套第一支承4，兩套第一支承4分別分布於外轉軸2的兩端，每套第一支承4包括電磁軸承41、中端蓋43和後端蓋44。中端蓋43和後端蓋44均為透蓋、且中端蓋43和後端蓋44均套設在外轉軸2上，中端蓋43的外壁和後端蓋44的外壁均與機匣3固定連接。同一套第一支承4中電磁軸承41的定子412安裝在中端蓋43和後端蓋44之間，電磁軸承41的轉子411套設在外轉軸2上，同一電磁軸承41的轉子411與定子412相對，兩套第一支承4的後端蓋44相對。

其中，電磁軸承41配置至少兩個位移傳感器413，同一套第一支承4中電磁軸承41的位移傳感器413安裝在後端蓋44上，同一後端蓋44上的位移傳感器413是正交分布的、且均沿電磁軸承41的徑向分布，位移傳感器413的探頭指向外轉軸2的圓周面。電磁軸承41還配置有控制器和功率放大器，控制器與位移傳感器413電連接，功率放大器分別與控制器和電磁軸承41的定子連接。

電磁軸承41的位移傳感器413用於，採集外轉軸2的徑向位移。可選的，電磁軸承41的位移傳感器413通過傳感器安裝架413a安裝在後端蓋44上。優選的，位移傳感器413為電渦流位移傳感器。

電磁軸承41的控制器用於，接收和分析位移傳感器413採集的外轉軸2的徑向位移信號，並根據該徑向位移信號控制功率放大器輸入至電磁軸承41的定子的工作電流，以調整外轉軸2的運行狀態。

通過將雙轉子結構中的外轉軸2採用電磁軸承41懸浮支承，電磁軸承41可利用電磁力將外轉軸2穩定懸浮起來，並利用位移傳感器413將監測到的外轉軸2的運轉信息傳遞給控制器，通過控制器和功率放大器實現對電磁軸承41的支承性能的動態調整，從而實現航空發動機的自動控制。此外，相較於滾動軸承，電磁軸承41的承載較高、剛度較好、振動和噪聲也較小，能夠更好的勝任航空發動機的高溫、高壓的工作環境。並且，電磁軸承41還可提供高轉速，能夠有效增加航空發動機的推重比。

可選的，外轉軸2的兩端的外壁上分別沿徑向方向設有定位凸緣。電磁軸承41的轉子411是採用熱套工藝安裝在外轉軸2上的。在採用熱套工藝安裝電磁軸承41的轉子411時，是採用定位凸緣進行定位的。

下面結合圖3和圖4具體介紹電磁軸承41的結構。

電磁軸承41的轉子411包括轉子鐵芯411a和兩片轉子隔磁片411b，轉子鐵芯411a由若干鋼環層疊而成，轉子鐵芯411a夾設在兩片轉子隔磁片411b之間；轉子隔磁片411b的形狀與鋼環的形狀相同。

電磁軸承41的定子412的結構與電磁軸承41的轉子411的結構相似，電磁軸承41的定子412也包括定子鐵芯412a和兩片定子隔磁片412b。不同之處在於：定子鐵芯412a的內圈沿徑向設置若干磁極，磁極上繞制線圈412c。定子隔磁片412b的形狀與定子鐵芯412a的形狀相同。

電磁軸承41的傳感器413與電磁軸承41的控制器電連接，電磁軸承41的控制器與電磁軸承41的功率放大器電連接，電磁軸承41的功率放大器與電磁軸承41的線圈412c電連接。

其中，轉子鐵芯411a由多片無取向矽鋼片沿軸向疊壓製成，單片無取向矽鋼片的結構參見圖5和圖6。同樣地，定子鐵芯412a也由多片無取向矽鋼片沿軸向疊壓製成。

可選的，可以為電磁軸承41設置保護軸承。再次參見圖3和圖4，外轉軸2的兩端分別設有軸肩，電磁軸承41的轉子411安裝在軸肩上。每套第一支承4還包括第一滾動軸承45和前端蓋42，前端蓋42為透蓋、且前端蓋42套設在外轉軸2上，同一套第一支承4中前端蓋42固定在中端蓋43上，同一套第一支承4中中端蓋43位於前端蓋42與後端蓋44之間，同一套第一支承4中第一滾動軸承45的定子451安裝在前端蓋42與中端蓋43之間。

第一滾動軸承45的轉子452套設在外轉軸2上、且第一滾動軸承45的轉子452與外轉軸2之間存在間隙，第一滾動軸承45的轉子452與外轉軸2之間的間隙小於電磁軸承41的轉子411與電磁軸承41的定子412之間的間隙；第一滾動軸承45的定子451與第一滾動軸承45的轉子452相對，第一滾動軸承45的轉子452與相鄰的軸肩之間存在間隙。

作為優選的實施方式，第一滾動軸承45的轉子452與外轉軸2之間的間隙不小於0.1mm，第一滾動軸承45的轉子452與相鄰的軸肩之間的間隙可以與第一滾動軸承45的轉子452與外轉軸2之間的間隙相同。

優選的，第一滾動軸承45為深溝球軸承或角接觸球軸承。

通過採用兩套第一滾動軸承45作為保護軸承，分別布置在外轉軸2的兩端與電磁軸承41的端蓋(包括前端蓋42和中端蓋43)之間，當電磁軸承41的支撐因為某種原因導致軸系中的轉動部件和非轉動部件發生較大位移的相對運動時，第一滾動軸承45可起到使電磁軸承41避免碰摩損傷的保護作用。

下面詳細介紹第二支承組件的結構。

第二支承組件包括兩套第二支承5，兩套第二支承5分別分布於外轉軸2的兩端。本實施例提供兩種第二支承的結構。第一種結構中，第二支承主要採用中介軸承，第二種結構中，第二支承主要採用永磁軸承。

圖7示出了第一種結構：

兩套第二支承5中，其中一套第二支承5包括第一中介軸承71和螺母72，另一套第二支承5包括第二中介軸承73和端蓋74。內轉軸1的一端設有軸肩，螺母72安裝在內轉軸1的軸肩上。端蓋74固定在外轉軸2上。外轉軸2的兩端的內壁分別沿徑向設有一圈內凸緣，第二中介軸承73的定子安裝在相鄰的內凸緣與端蓋74之間，第二中介軸承73的定子與轉子相對。內轉軸1的兩端的外壁分別沿徑向設有一圈外凸緣，第一中介軸承71的轉子安裝在相鄰的外凸緣和螺母72之間，第一中介軸承71的定子與轉子相對，第一中介軸承71與第二中介軸承73相對。

圖8和圖9示出了第二種結構：

每套第二支承5包括永磁軸承51、內端蓋52和鎖緊螺母54。內端蓋52為透蓋，內端蓋52套設在內轉軸1上、並與外轉軸2固定連接；外轉軸2的兩端的內壁分別沿徑向設有一圈內凸緣，同一套第二支承5中永磁軸承51的定子512安裝在相鄰的內凸緣與內端蓋52之間；鎖緊螺母54緊套在內轉軸1上，內轉軸1的兩端的外壁分別沿徑向設有一圈外凸緣，同一套第二支承5中永磁軸承51的轉子511安裝在相鄰的外凸緣和鎖緊螺母54之間，同一永磁軸承51的定子512與轉子相對，兩套第二支承5的永磁軸承51相對。

可選的，內端蓋52通過螺栓固定在外轉軸2的端部。

永磁軸承51的轉子511可以包括動磁環511a、動保持架511b和轉子隔磁環511c，動保持架511b為空心軸且動保持架511b套設在內轉軸1上，動保持架511b的一端的外壁沿徑向設有一圈凸緣，動保持架511b的凸緣與外凸緣接觸，動磁環511a和轉子隔磁環511c均套設在動保持架511b上，動磁環511a安裝在轉子隔磁環511c與動保持架511b的凸緣之間，轉子隔磁環511c安裝在動磁環511a與鎖緊螺母54之間。

永磁軸承51的定子512可以包括定磁環512a、定保持架512b和定子隔磁環512c，定磁環512a套設在動磁環511a上，定子隔磁環512c套設在動保持架511b的凸緣上、且定子隔磁環512c與內凸緣接觸，定保持架512b為空心軸且定保持架512b套設在定磁環512a上，定保持架512b的一端的內壁沿徑向設有一圈凸緣，定保持架512b的凸緣與轉子隔磁環511c相對，定磁環512a安裝在定保持架512b的凸緣與定子隔磁環512c之間，定保持架512b的凸緣位於內端蓋52與定磁環512a之間。

動磁環511a和定磁環512a可以均由若干層疊的永磁磁環6構成。圖10和圖11示出了永磁磁環6的結構。

通過採用永磁軸承51懸浮支承航空發動機的雙轉子結構中的內轉軸1，由於永磁軸承51的結構簡單、體積小、無需控制系統，這樣，可很好地滿足內轉軸1與外轉軸2之間的空間嚴格受限的要求，且無需能量消耗，比較環保。

通過採用磁懸浮軸承(包括電磁軸承41和永磁軸承51)支承航空發動機雙轉子結構中的內轉軸1和外轉軸2，能有效克服傳統滾動軸承支承帶來的承載較低、剛度較差、振動和噪聲較大等缺陷，並且具有較高的支承精度和很小的摩擦力及振動等優點，更加勝任航空發動機高溫、高壓的環境。

可選的，可以為永磁軸承51設置保護軸承。再次參見圖8和圖9，內轉軸1的兩端分別設有軸肩，鎖緊螺母54安裝在內轉軸1的軸肩上。每套第二支承5還包括第二滾動軸承55和外端蓋53。

外端蓋53為透蓋、且外端蓋53套設在內轉軸1上，同一套第二支承5中外端蓋53固定在內端蓋52上，同一套第二支承5中內端蓋52位於外端蓋53與永磁軸承51之間，同一套第二支承5中第二滾動軸承55的定子551安裝在外端蓋53與內端蓋52之間，同一套第二支承5中鎖緊螺母54位於第二滾動軸承55與永磁軸承51之間。

第二滾動軸承55的轉子套設在內轉軸1上、且第二滾動軸承55的轉子552與內轉軸1之間存在間隙；第二滾動軸承55的轉子552與內轉軸1之間的間隙小於永磁軸承51的轉子511與永磁軸承51的定子512之間的間隙；第二滾動軸承55的定子551與第二滾動軸承55的轉子552相對，第二滾動軸承55與相鄰的內轉軸1的軸肩之間存在間隙。

第二滾動軸承55與相鄰的內轉軸1的軸肩之間的間隙，可以與第二滾動軸承55的轉子552與內轉軸1之間的間隙相同。

優選的，第二滾動軸承55可以與第一滾動軸承45相同，例如深溝球軸承或角接觸球軸承。

通過採用第二滾動軸承55作為永磁軸承51的保護軸承，分別布置在內轉軸1的兩端與永磁軸承51的端蓋(包括內端蓋52和外端蓋53)之間，當永磁軸承51的支撐因為某種原因導致軸系中的轉動部件和非轉動部件發生較大位移的相對運動時，可起到使永磁軸承51避免碰摩損傷的保護作用。

可選的，內轉軸1的外壁上設有鍵槽，鍵槽內安裝有鍵12，鍵12卡設在鍵槽與永磁軸承51的轉子511之間。

實施例二

本發明實施例提供了一種渦輪發動機，渦輪發動機包括高壓渦輪、低壓渦輪和雙轉子結構。

該雙轉子結構為實施例一中所述的雙轉子結構，內轉軸的一端與低壓渦輪連接，外轉軸的一端與高壓渦輪連接。

本發明實施例通過將雙轉子結構中的外轉軸採用電磁軸承懸浮支承，電磁軸承可利用電磁力將外轉軸穩定懸浮起來，並利用位移傳感器將監測到的外轉軸的運轉信息傳遞給控制器，通過控制器和功率放大器實現對電磁軸承的支承性能的動態調整，從而實現航空發動機轉子系統動態響應的在線調整。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。