CN117425765A - 包含后部集成式电机的涡轮机 - Google Patents

Abstract

一种涡轮机，包括沿所述涡轮机的轴线(X‑X)延伸的低压轴(1)，所述轴线限定了前部和后部；涡轮机定子(2)，其通过包括后轴承(73)的诸多轴承支撑低压轴；电机(10)，其定位在涡轮机的后部并包括由低压轴(1)可分离地驱动的转子(12)，以及环绕转子并连接到涡轮机定子(2)的定子(11)；涡轮机包括用于支撑电机转子(12)的轴颈(15)，所述轴颈包括通过使低压轴延伸而可释放地连接到低压轴后端(5)的轴分段(18)，其上连接有电机转子并且围绕轴分段(18)的框架，和安装在框架和轴分段之间的至少一个轴承(26、27)；以及套筒(34)，其绕低压轴(1)和/或轴分段(18)轴向地移动，所述套筒旋转地连接到低压轴和轴分段，并且设置有向后延伸的连接设备(36)，所述连接设备能够接合框架(22)的向前延伸的互补连接设备(37)。

Description

包含后部集成式电机的涡轮机

技术领域

本发明涉及一种涡轮机，其中电机集成在后部。

背景技术

该电机可以是简单的发电机，或者是也可作为电机运行的可逆电机；其添加到被常规地放置在涡轮机外围的齿轮箱上的电机，以向其和其他飞行器设备提供其所需的电力。文献FR 3 027 625 A1中描述了包括后部集成电机的此类示例性涡轮机。

将此类电机集成在涡轮机的后部造成了许多困难。首先，温度非常高，因此必须对电机进行热保护。

EP 3613977 A1描述了一种可以以模块形式从涡轮机移除的在涡轮机后部的电机，这似乎使该文献成为与本发明最接近的文献。

EP 3763929 A1描述了在涡轮机高压轴的端部安装电机，其中，电机的转子安装在使高压轴延伸的滑动轴端部上。

FR 3073569 A1描述了一种具有可分离转子的安装在涡轮螺旋桨发动机的螺旋轴上的电机。

EP 3246528 A1和EP 3708787 A1描述了装配有电机的其它涡轮机。

随着空间减少，布局约束相当大。

由于以下原因，旋转主体的动平衡非常复杂。首先，电机的转子由涡轮机的轴驱动是有利的，所述轴向后延伸最远并停在电机的前面，即低压轴；然后可以设想简单的连接。但转子使低压轴变得甚至更重，特别是当它悬在支撑其的轴承后面时。鉴于飞行器发动机的当前发展正在朝小型化的方向行进，即减小高压轴和低压轴的直径，这些后果更加显著。应该补充的是，电机的转子实际上不能直接地安装在低压轴上，因为在某些故障情况下，例如短路，特别是当电机是永磁电机时，转子必须能够与低压轴脱离。因此有必要在低压轴和电机的转子之间添加解耦装置，并使转子由独立轴承支撑。这使得系统更重，并且布局和承受动应力的问题可能变得更尖锐。额外轴承和解耦装置本身必须承受它们所经历的高温。

最后，期望电机及其相关联部件能够很容易从涡轮机的其余部分移除，以便能够进行直接的更换。

发明内容

本发明涵盖了几种措施，这些措施单独地或在组合时可以减少或消除上述困难。在涡轮机后部获得的布置相对简单、紧凑、易于拆卸，并且导致对低压轴的动态平衡的破坏相对较小，因此存在很小的过热风险。

在已经提供了这些优点的通用形式中，本发明因此涉及一种涡轮机，其包括沿涡轮机的轴线延伸的低压轴，所述轴线限定了前部和后部；涡轮机定子，其通过包括后轴承的诸多轴承支撑低压轴；电机，其定位在涡轮机的后部并包括由低压轴可分离地驱动的转子，以及连接到涡轮机定子的定子；包括用于支撑电机转子的轴颈，所述轴颈包括通过使低压轴延伸而可释放地连接到低压轴后端的轴分段，其上连接有电机转子并且围绕轴分段的框架；其特征在于，电机的定子环绕电机的转子；并且其中，涡轮机还包括安装在框架和轴分段之间的至少一个轴承；以及套筒，其绕低压轴和/或轴分段轴向地移动(即，其仅绕它们之一或绕两者轴向地移动)，所述套筒旋转地连接到低压轴和轴分段，并且设置有向后延伸的连接设备，所述连接设备能够接合框架的向前延伸的互补连接设备。

术语“低压轴”在此是指在涡轮机的最后部与涡轮的旋转相关联的轴，因此它与例如高压轴等其他可能轴相比向后延伸得更远。

电机的组件可放置在涡轮机后部的空腔中，低压轴的端部通向所述空腔，并且所述空腔在后部由锥形盖部封闭。涡轮机转子的轴承轴颈形成整体组件，所述整体组件可很容易地连接到低压轴的端部，并且电机定子可以连接到涡轮机定子，在没有电机的情况下对现有涡轮机的设计几乎没有改变。由于增加了轴分段，低压轴的延伸以及转子悬伸是适度的。集成到轴颈中的轴承可以很容易地通过独立的装置进行润滑，所述装置与用于低压轴和高压轴的支撑轴承的润滑装置分离，因此无需进一步改变现有的润滑回路。可移除地和可旋转地连接低压轴和电机转子的连接套筒很紧凑，在没有设计困难的情况下，空闲容积仍然存在于低压轴的端部周围和涡轮机定子的后面。它也易于控制，并且不会导致重大的动态干扰。并且多种部件(轴颈、连接套筒和电机定子)可以很容易地拆卸。

可以对这一总体概念进行许多改进。首先，当包含在封闭的润滑腔室中的轴承用润滑脂润滑时，这是有利的。这些特定轴承不需要像涡轮机通常那样通过强制油循环进行动态润滑，所述特定轴承在驱动电机转子的通常状态下是不运转的，其中连接套筒将框架旋转地固定到低压轴和轴分段。当命令解耦套筒时，框架和轴分段之间的旋转仅在电机故障的情况下发生。因此，设置在轴分段和转子之间的轴承会产生摩擦和热量，但该状态通常很短，因此所产生的热量不足以造成重大损害。此类损害可能仅影响很容易更换的轴承。并且在涡轮机运行过程中产生的周围热量很大程度上被服务于轴颈附近部件的现有流体冷却装置所吸收：即使没有特定的冷却装置，所产生的热量也保持适度。

有利地，无论在何种情况下，都可以对腔室供给润滑脂：因此可以建议轴分段为中空，并包含一经由至少一个孔与腔室连通的润滑脂贮存器。

该设计本身可以改进。贮存器的润滑脂也有助于在一方面润滑套筒与另一方面框架、低压轴或轴分段之间的连接装置。因此，润滑腔室部分地由这些部件限定。

由于润滑脂贮存器与待润滑的装置相比处于更接近轴线的径向位置，通过离心力将润滑脂携带到这些装置。

连接装置可以是径向或轴向地定向的凹槽的网络，这取决于它们连接的部件之间的连接在它们从一种状态到另一种状态的轴向运动过程中是否必须中断或保持。

根据在布局容易性方面的另一有利布置，涡轮机还包括套筒的致动器，所述致动器被轴向地容纳在涡轮机定子和框架之间，并且径向地容纳在框架和套筒之间。

致动器的一种简单且有利的设计包括至少一个辊子，所述辊子轴向地移动并绕径向轴线自由地旋转，能够抵靠套筒的平坦轴环并向后推轴环。

为了保持套筒和框架之间的连接，除非命令将其移除，该布置有利地包括接合在低压轴周围并且被压缩在低压轴和套筒之间的弹簧。

所有这些特征都与装置尺寸的显著增加不相关。

其他的潜在改进提高了与电机相关联的装置的模块化可拆卸性，特别地其转子的轴承轴颈。首先有利的是，轴分段通过螺母连接到低压轴的后端。

因此，如果轴分段包含凹部，拆卸很容易，螺母包括用于通过突出到凹部中的工具接合的突起，并且螺母包括放置在凹部内的防旋转制动器。

通过将该特征与前述特征之一相结合，根据前述特征轴分段包含润滑脂贮存器，有利地可以使凹部与贮存器匹配，为其在轴分段的后端提供开口以及可以在开口处随意封闭的帽部。通过将工具插入凹部或先前清空其内容物的容器，所有这些措施都可以在维护操作过程中很轻松地接近将轴颈固定到低压轴端部的螺母。

替代地，贮存器可以占据轴分段的内部容积的仅一个外围部分，以便经由因此保持空闲的内部容积的中心部件更容易地接近固定螺母。

并且如果轴颈能够通过向后滑动与低压轴和套筒分离，则拆卸完全很容易，套筒通过从后部接近的第一螺栓连接凸缘连接到涡轮机定子，并且电机的定子通过从后部接近的第二螺栓连接凸缘连接到涡轮机的定子。

总之，本发明的一个重要方面是，轴颈、套筒、电机的定子以及致动器(当也存在于涡轮机的后部时)形成为分离的整体模块，所述模块能够从涡轮机接连地拆卸(并且可以以相同方式重新组装)。它们的模块化、分离和整体性意味着它们形成了装置的独立部分，每个所述部分都整体地供给或移除，意味着它们被组装到涡轮机的其余部分，而不必组装在一起，并且它们可以单独地更换。

附图说明

现在将通过以下附图的详细描述更详细地描述本发明的多种方面、特征和优点，这些附图示出了纯粹通过图示方式提供的特定实施例：

-图1示意性地示出了本发明的涡轮机的后部以及多种组件；

-图2更详细地示出了其主要组件；以及

-图3和

-图4示出了该装置的两种状态；

-图5示出了装置及其在涡轮上的布置的总体示意图；

-图6示出了替代实施例。

具体实施方式

说明书首先覆盖图1和2。涡轮机包括在向前方向(在图的左边)和向后方向(在图的右边)之间沿纵向方向延伸的中心轴线X-X。由于本发明未修改涡轮机的其余部分，因此仅显示接近X-X轴线的涡轮机后部。涡轮机包括沿轴线X-X布置并绕该轴线旋转的低压轴1。它包括定子2，其中低压轴1由包括后轴承的多种轴承支撑，所述后轴承是轴承中的最后轴承，低压轴1借助所述轴承由定子2支撑。定子2的可见部分具体是涡轮机的排气壳体。包括后轴承的多个轴承包含在由定子2界定的润滑腔室中。低压轴1具有端部5，所述端部5通过定子2的圆形开口从包含后轴承的后润滑腔室4显现到界定后润滑腔室的主密封3的后部，所述圆形开口设置有与主密封4互补的迷宫式密封6。润滑回路7(仅示意性地示出)穿过后润滑腔室4并且对后轴承3供油，以便也消散其产生的空气。后轴承如图5所示具有附图标记73。它位于主密封3的正前方。后润滑腔室4在前部由定子2的另一部件74以及由轴承64和密封77组成的另一组件所封闭，所述密封77将低压轴1连接到所述另一部件74。

涡轮机在接近轴线X-X的定子2后部、在涡轮机的后锥体中具有空闲容积，并且端部5在该点处在定子2外部敞开。相应容积可以通过锥形盖8与外部隔离，以形成后空腔9，所述后空腔9可以容纳多项设备，例如包括定子11以及由定子11环绕的转子12的电机10。定子11在此由电绕组组成，并且转子12由永磁体组成，但电机的其他布置也是可能的。定子11包括通过第一凸缘14连接到涡轮机的定子2的刚性定子框架13。转子12由本发明的主要部件之一，轴颈15支撑，所述轴颈15将详细地描述并且由低压轴1的端部5支撑。也仅概述的冷却回路16穿过涡轮机定子2并且耗散在电机的定子11周围产生的热量。并且通过锥形盖8的内衬中的绝缘层17，保护后空腔9免受由涡轮机的废气在后空腔周围产生的热量影响。

具体参考图2，说明书现在涉及轴颈15。它首先包括轴分段18，所述轴分段在低压轴1的端部5之后使低压轴1延伸很短距离，并且通过螺母19与低压轴1同轴地连接到端部5。轴分段18是中空的，其形式为绕轴线X-X挖空的套筒，但是在后部通过绕其端部旋拧的帽部20封闭。螺母19被容纳在轴分段18的凹部中(这些描述性细节也将参考图3和4)，被旋拧到端部5的螺纹区段21内，向后推动轴分段18的肩部60，致使其抵靠端部5的后面。轴分段18的向前延伸的套筒61停靠在端部5的外表面上，并且确保端部5和轴分段18的同轴度。

支撑电机10的转子12的框架22布置在轴分段20周围。它包括内套筒23、外套筒24以及分别与套筒集成在一体的一对凸缘25，所述凸缘或多或少是平的并且是径向的，并且通过螺栓连接在一起。框架22因此形成刚性结构。在内套筒23和轴分段18之间沿径向布置有旋转轴承，所述旋转轴承在此包括前部的滚珠轴承26以及后部的滚柱轴承27，从而在使它们能够旋转的同时将它们保持在一起。由附图中示出的止动件和垫片的系统保证轴承26和27沿轴线X-X的方向相对于轴分段18和内套筒23的位置。润滑腔室28在轴分段18和内套筒23之间形成。润滑腔室28包括轴承26和27；它在后部由放置在内套筒23和帽部20的圆柱形壁之间的密封29所封闭；并且它与贮存器30连通，所述贮存器30为由轴分段18覆盖的中空容积，所述中空容积从后向前，从帽部20延伸到端部5。经由直接通向轴承26和27的孔31和32进行连通；然而，主孔33将贮存器30连接到润滑腔室28的另一部件76，所述另一部件定位在更前方，并且我们将返回到所述另一部件。

装置的另一重要元件是连接套筒34，所述连接套筒34确保在装置的两种状态之间切换。它包括平的、径向中心的主部件35，所述主部件设置有分布在其圆周周围的向后指向的径向凹槽36，并且在通常位置与位于内套筒23前部的相应的向前指向的径向凹槽37啮合。连接套筒34还包括大致圆柱形的径向内部件38，所述径向内部件在其向内面向的表面上设置有轴向凹槽39，并且与定位在套筒61上的轴向凹槽40啮合。径向内部件38具有在套筒61上滑动的前支承表面41；定位在该点处的密封42在前部限制润滑空腔28。最后，存在分别属于套筒61和端部5的其他轴向凹槽62和63，它们彼此啮合并在旋转中固定轴分段18和低压轴1。

连接套筒34最终包括大致圆柱形的径向外部件43，所述径向外部件43在前部包括接近涡轮机的定子2但与其分离的扩口44，并且在后部包括在内套筒23前部的外表面上滑动的支承表面45；定位在该点处的密封46完成了润滑空腔28与外部的隔离；润滑空腔28因此还包括润滑脂润滑的径向凹槽36和37以及轴向凹槽39和40。

致动器48布置在径向地介于连接套筒34(更具体地其径向外部件43)和框架22的外套筒24之间的容积中，并且致动器48沿轴向介于在前部的涡轮机定子2和在后部的凸缘25之间。致动器48装配有支撑部49，所述支撑部49通过与第一凸缘14同心并由其环绕的第二凸缘50保持在涡轮机定子2上。致动器48包括能够向前移动绕径向轴线53旋转的辊子52的电机51，例如电动致动器，所述辊子由电机51推动。可以经由沿涡轮机定子2延伸的电线或电缆对电机51供给电力或流体。

在后部的连接套筒34的主部件35和前部的套筒55之间压缩螺旋弹簧54，所述套筒属于低压轴1，并且迷宫式密封6的一半属于所述套筒。前支承表面41具有环形外突起72或密封(参考图3和4)，其限制前支承表面41与所述套筒55形成的气体泄漏扇区，以增加后润滑腔室4的密封。

装置的主要状态如图2和3所示：径向凹槽36和37彼此啮合，弹簧54向后推动连接套筒34，并且框架22、低压轴1、轴分段18和连接套筒34一致旋转并驱动电机10的转子12，所述转子12因此是活动的。

另一方面(如图4所示)，如果转子12和低压轴1需要通过致动器48断开连接，则启动电机51以使辊子52抵靠轴环44移动并向前推动轴环44，从而使径向凹槽36和37脱离并允许框架22和转子12以不同于低压轴1的速度旋转。轴承26和27开始移动，并致使润滑脂循环通过孔32和33。支承表面41和45保持润滑空腔28封闭，不管它们的滑动运动如何，并且轴向凹槽39和40继续彼此啮合。当电机51释放时，弹簧54使连接套筒34安全地返回到其正常位置。

一旦移除了锥形盖8，出于维护目的或为了更换系统元件的拆卸很容易。这通过一个接一个地移除装置的每个模块来实现，包括电机10的定子11，轴颈15，致动器48以及连接套筒34。操作者保持在同一位置。首先通过移除第一凸缘14来拆卸电机10的定子11。然后旋松帽部20，清空贮存器30中的润滑脂，并且工具向前插入以转动螺栓19，所述工具停靠在贮存器30内侧突出的径向内突起56上。轴颈15然后从低压轴1的端部5移除。然后通过拆卸第二凸缘50移除致动器48。然后也可以简单地通过拉动连接套筒43来拆卸连接套筒43。所有运动都朝后部沿直线进行。

贮存器30包含用于螺母19的制动器57，所述制动器57由柔性杆组成，所述柔性杆的后端58通过弹性密封65在凹槽中的接合而抵靠轴分段18的内壁止动，并且所述柔性杆的前端59包括接合在螺母19的互补凹槽中的轴向凹槽75。在转动螺母19以使其与前端59脱离之前，使柔性杆弯曲。

图6显示此装置的该部分的替代实施例。制动器57缺失，占据轴分段18中的整个空闲容积的贮存器30由在空闲容积30的周边处的环形贮存器66代替。螺母19由锁定在一起的螺母67和防松螺母68代替。螺母67和防松螺母68具有可由工具70抓握的内径向突起69，所述工具70如前所述从后部插入轴分段18中，以进行紧固和松开。然而，工具70穿过无润滑脂容积，因为贮存器66具有更大的半径，使得在这些情况下不需要排放。在该实施例中，帽部20以及螺母67和防松螺母68并不需要具有连续的径向壁以封闭空闲容积30。如果必须从空闲容积中取出环形贮存器66，环形贮存器在此可以向后移动，并且另外由容纳在轴分段18的凹槽中的密封78保持。

图5显示电子组件71的壳体可以安装在电机的定子13框架上。

Claims (13)

1.一种涡轮机，其包括沿所述涡轮机的轴线(X-X)延伸的低压轴(1)，所述轴线限定了前部和后部；涡轮机定子(2)，所述涡轮机定子通过包括后轴承(73)的轴承来支撑所述低压轴；电机(10)，所述电机位于所述涡轮机的后部，并包括由所述低压轴(1)可分离地驱动的转子(12)，以及连接到所述涡轮机定子(2)的定子(11)；包括用于支撑所述电机的转子(12)的轴颈(15)，所述轴颈包括通过延伸所述低压轴而可释放地连接到所述低压轴的后端(5)的轴分段(18)，框架(22)，所述电机的转子连接到所述框架，并且所述框架围绕所述轴分段(18)；其特征在于，所述电机的定子(11)环绕所述电机的转子(12)；所述涡轮机还包括安装在所述框架与所述轴分段之间的至少一个轴承(26、27)；以及套筒(34)，所述套筒可围绕所述低压轴(1)和/或所述轴分段(18)轴向移动，所述套筒旋转地连接到所述低压轴和所述轴分段，并且设置有向后延伸的连接设备(36)，所述连接设备能够接合所述框架(22)的向前延伸的互补连接设备(37)。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述至少一个轴承(26、27)用润滑脂润滑，并容纳在一封闭的润滑腔室(28)中。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述轴分段(18)是中空的，并包含一润滑脂贮存器(30)，所述润滑脂贮存器经由至少一个孔(31、32、33)与所述润滑腔室连通。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述连接装置(36、37)是径向凹槽的网络。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述套筒经由轴向凹槽(39、40)的网络连接到所述轴分段(18)。

6.根据权利要求2、4和5所述的涡轮机，其特征在于，所述润滑腔室(28)还包含径向和轴向凹槽。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括所述套筒(34)的致动器(48)，所述致动器被沿轴向容纳在所述涡轮机定子(2)与所述框架(22)之间，沿径向容纳在所述框架(22)与所述套筒(34)之间。

8.根据权利要求7所述的涡轮机，其特征在于，所述致动器包括至少一个辊子(52)，所述辊子可沿轴向移动，并且围绕一径向轴线(53)自由地旋转，能够抵靠所述套筒的一平轴环(44)，并且能够向后推所述轴环。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述涡轮机包括接合在所述低压轴周围，并且被压缩在所述低压轴(1)与所述套筒(34)之间的弹簧(54)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述轴分段通过螺母(19)连接到所述低压轴的后端(5)。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述轴颈(15)能够通过向后滑动与所述低压轴和所述套筒分离，所述套筒(34)通过可从后部接近的第一螺栓连接凸缘(49)连接到所述涡轮机定子(2)，所述电机的定子(11)通过可从后部接近的第二螺栓连接凸缘(14)连接到所述涡轮机的定子(2)。

12.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其特征在于，所述轴颈(15)、套筒(34)、电机的定子(11)形成为分离的整体模块，所述模块能够从所述涡轮机相继拆卸。

13.根据权利要求7和12所述的涡轮机，其特征在于，所述致动器(48)是与所述模块不同的另一整体模块，它可从所述涡轮机从它们分离地拆卸。