动态润滑轴承和使轴承动态润滑的方法
背景技术
[0001] 本
发明总体涉及轴承，更确切地说，涉及动态润滑类型的轴承，其
中轴承配置用于抑制
润滑剂的粘性发热，从而在相对较低的
温度下运行。
[0002] 图1示意性地表示此项技术中已知类型的高涵道比
涡轮风扇
发动机10。发动机10示意性地表示为包括
机舱12和核心发动机模
块14。风扇组件16位于核心模块14的前面，包括
风扇叶片阵列18。核心模块14表示为包括高压
压缩机22、
燃烧器24、高压
涡轮机26和低压涡轮机28。空气被吸入到发动机10的入口
导管20中，然后由压缩机22压缩，随后再输送至燃烧器24，在燃烧器24处，压缩空气与
燃料混合并点燃以产生热燃烧气体，热燃烧气体穿过涡轮机26和28，然后再通过主排气
喷嘴30排出。为了产生额外的发动机推
力，使进入风扇组件
16的空气中的一大部分绕过环形旁路管道32，然后再通过风扇出口喷嘴34离开。
[0003] 图1示意地表示
高压压缩机22和高压涡轮机26，两者安装在同一轴36上以使得穿过高压涡轮机26的热废气流使涡轮机26以及压缩机22通过轴36转动。轴36由多个滚动元件轴承
支撑，其中
滚珠轴承38在图1中表示为
定位在压缩机22的进口附近。轴36安装在轴承38的内座圈（race）内，而轴承38的外座圈由核心发动机模块14的静态结构支撑。从图1来看，很明显，轴承38的轴线与发动机10的中心线35重合。
[0004] 图2表示图1的轴承38的一部分的截面图。作为滚珠轴承，轴承38示出为包括内座圈40、外座圈42、滚动元件（滚珠）44（在图2中只示出其中的一个）和
保持架（cage）46。滚动元件44置留在分别限定于座圈40和42的相对表面中的凹槽50和52内，以使得在组合时，凹槽50和52限定轴承38的承载
接触表面。保持架46用于保持滚动元件44之间的分离。在图2中，每个凹槽50和52均表示为具有与滚动元件44的
曲率密切匹配的半球形截面形状，但具有比滚动元件44略大的半径。这样的形状通常称作圆拱，并且在每个滚动元件与每个单独座圈40和42之间提供单一接触点。接触点或斑（patch）54和56径向相对，如图2中所示意性地表示。术语“斑”是指以下事实，即当轴承被装载时，真正的点接触并不存在，并且接触面（或称接触斑，contact patch）54和56具有由在滚动元件44与座圈40和42之间的装载而造成的椭圆形状。
[0005] 由于轴36所需的高旋转速度，轴承38必须以高旋转速度运行。具体地说，虽然外座圈42不旋转，但内座圈40以与轴36相同的速度旋转，并且外座圈42与内座圈40之间的滚动元件44以低于内座圈42的速度绕内座圈42旋转。图1所示类型的高速滚珠轴承经常用流过轴承38的润滑剂动态地冷却。在图2中，轴承38的内座圈40设有多个入口48形式的下座圈润滑特征，润滑剂（通常为油）通过入口48引入到由轴承38的内座圈40和外座圈42限定并且位于它们之间的环形腔体58中。润滑剂同时提供滚动元件44和保持架46在腔体58内的润滑和冷却。在由旋转的内座圈40引起的
离心力的影响下，通过入口48供给的润滑剂径向向外流动以接触保持架46、滚动元件44和外座圈42。如图2中所表示，由于轴承38设有下座圈润滑系统，因此保持架46通常配置成使得其支承在内座圈40上的保持架
台面60上。
[0006] 由于外座圈42不旋转并且内座圈40、滚动元件44和保持架46以不同的速度移动，因此腔体58内的润滑剂倾向于发生搅动（churn），在本
说明书中搅动用来指腔体58内的非均质流动模式。分析表明，搅动主要发生在外座圈42处，并且更确切地说发生在外座圈42的凹槽52内，润滑剂倾向于在所述凹槽52内积累，然后再离开轴承38。在常规的动态润滑轴承设计中，润滑剂在轴承38的两个轴向端62和64上的保持架46的内径和外径处离开轴承38，其中鉴于保持架46抵接内座圈保持架台面60的
位置，大部分润滑剂在保持架46的外径处离开。此外，当轴承38在轴向
载荷下运行时（如图2中所表示），大部分润滑剂将在保持架46的外径处和在轴承38的无载荷侧上离开。
[0007] 已经提出各种方法来促进对滚动元件轴承的润滑，包括努力减少高旋转速度下的热量生成。公开于Dusserre-Telmon等人的美国
专利号5,749,660中的一种这样的方法是在外座圈内包括排出特征。所述排出特征是具有位于外座圈的凹槽中的进口和位于外座圈的外圆周上的出口的孔口，以使得润滑剂通过在径向向外的方向上完全流过外座圈而从轴承中排出。内座圈和外座圈的凹槽不具有与滚动元件的曲率匹配的圆形截面形状，而是被描述为具有相当圆锥形的形状，所述圆锥形形状限定形成每个凹槽的中心圆周的一部分的
顶点。结果，滚动元件从不
覆盖位于外座圈凹槽中的排出孔口，而是在所述孔口的每一侧上的两个横向接触面处接触外座圈。这种配置类似于常规的轴承座圈，所述轴承座圈具有通常称作哥特式拱的拱，在这种情况下，与前面提及的由单一半径限定的圆拱相反，座圈由具有不同曲率轴线的两个半径限定。类似地，滚动元件在形成于内座圈中用来将润滑剂引入轴承中的入口孔的每一侧上的两个横向接触点处接触内座圈凹槽，因此，每个滚动元件均可与内座圈和外座圈具有少至两个多至四个接触点。
[0008] 虽然无意于促进对美国专利号5,749,660的任何特定解释，但所述四点接触似乎不能够在将在
转子推力载荷在从低速到高速条件的过渡期间改变方向时发生的低轴向载
荷条件下运行，而这正是图1所示类型的大多数燃气涡轮机应用中所需要的。此外，排出孔口可能加剧外座圈中的显著
应力集中并且降低轴承承受超高载荷事件（如风扇叶片掉出状况）的能力。
发明内容
[0009] 本发明提供动态润滑轴承和使轴承（包括适用于
燃气涡轮发动机中的类型的轴承）动态润滑的方法。
[0010] 根据本发明的第一方面，一种动态润滑轴承包括内座圈，所述内座圈具有位于一对内座圈保持架台面之间的内座圈凹槽；外座圈，所述外座圈包围所述内座圈并且具有位于一对外座圈保持架台面之间并与所述内座圈凹槽相对的外座圈凹槽；滚动元件，所述滚动元件设置在所述内座圈与所述外座圈之间并且与所述内座圈凹槽和外座圈凹槽滚动接触；以及保持架，所述保持架设置在所述内座圈与所述外座圈之间以保持所述滚动元件之间的分离。内座圈和外座圈在它们之间限定环形腔体，并且所述一对内座圈保持架台面和外座圈保持架台面中的至少一个配备有凹陷表面特征，所述凹陷表面特征限定凹入内座圈保持架台面和/或外座圈保持架台面的环绕表面下方的连续通道。所述表面特征将轴承内的腔体与环绕轴承的一对轴向端中的至少一个的外部环境
流体互连。
[0011] 本发明的另一方面是一种使包括上述元件的轴承动态润滑的方法。所述方法包括将轴承安装在燃气涡轮发动机中，以支撑将所述燃气涡轮发动机的压缩机与涡轮机互连的轴。润滑剂被引入内座圈与外座圈之间的腔体中，并且内座圈相对于外座圈旋转以使得润滑剂通过表面特征离开腔体并进入环绕轴承的所述一对轴向端的外部环境。
[0012] 本发明的另一方面是一种使轴承动态润滑的方法，所述轴承包括内座圈，所述内座圈具有位于一对内座圈保持架台面之间的内座圈凹槽；外座圈，所述外座圈具有位于一对外座圈保持架台面之间并且与所述内座圈凹槽相对的外座圈凹槽；滚动元件，所述滚动元件设置在所述内座圈与所述外座圈之间并且与所述内座圈凹槽和所述外座圈凹槽滚动接触；以及保持架，所述保持架设置在所述内座圈与所述外座圈之间以保持所述滚动元件之间的分离。所述方法包括将润滑剂引入内座圈与外座圈之间的腔体中，然后相对于外座圈旋转内座圈，以使得润滑剂通过内座圈保持架台面和外座圈保持架台面的至少一个中的凹陷表面特征离开腔体。润滑剂通过表面特征离开腔体并且流过所述表面特征，然后再离开表面特征进入环绕轴承的至少一个轴向端的外部环境。
[0013] 本发明的技术效果在于减少动态润滑并且在高旋转速度下运行的轴承内的热量生成的能力。热量生成的减少是通过以下因素得以实现的，即将润滑剂导送远离轴承内易于发生润滑剂搅动的区域，如外座圈凹槽，同时提供能够承受超高载荷事件和推力载荷交叉的稳健构造，这正是在许多燃气涡轮机应用中所需要的。
[0014] 本发明的其他方面和优势可以从以下具体实施方式中更好地了解。
附图说明
[0015] 图1示意地表示高涵道比
涡轮风扇发动机的截面图。
[0016] 图2是此项技术中已知类型的滚动元件轴承的部分截面图。
[0017] 图3是根据本发明的
实施例的滚动元件轴承的部分截面图。
[0018] 图4表示沿图3中的线4-4截取的图3所示轴承的视图，并且示出根据本发明的实施例的限定在轴承的外座圈保持架台面中的狭槽图案。
[0019] 图5和图6表示类似于图4的图，但示出根据本发明的替代实施例的狭槽图案。
具体实施方式
[0020] 图3示意地表示用于说明本发明各方面的目的的滚动元件轴承100。应注意，附图是在结合以下描述查看时为了清楚的目的而绘制，因此不一定按比例绘制。为了便于对下文提供的轴承100进行描述，术语“垂直”、“
水平”、“横向”、“前”、“后”、“侧”、“向前”、“向后”、“上”、“下”、“上方”、“下方”、“右”、“左”等可在图3中提及轴承10的定向
角度时使用，因此是相对术语并且不应该以其他方式解释为对轴承100的构造、安装和使用的限制。
[0021] 如图3中所表示，轴承100具有与图2所示轴承的构造类似的构造。因此，轴承100表示为滚珠轴承，所述滚珠轴承包括内座圈102、包围内座圈102的外座圈104、内座圈102与外座圈104之间的滚动元件（滚珠）106（在图3中仅示出其中的一个）和用于保持滚动元件106之间的分离的保持架108。与典型的滚动元件轴承一样，内座圈102、外座圈104和保持架106中的每一个都具有环形形状。滚动元件106置留于分别限定在座圈102和104的相对表面中的凹槽110和112内。每个凹槽110和112分别轴向设置在一对保持架台面124和126之间，所述保持架台面124和126限定在它们对应的内座圈102或外座圈104上。在组合时，凹槽110和112限定轴承38的承载接触表面。与常规滚珠轴承一样，凹槽110和112可具有与滚动元件
106的曲率密切匹配的半球形截面形状，以便在每个滚动元件106与座圈102和104之间提供两个或更多个接触面，如参照图2所描述。具体来说，内座圈102和外座圈104中的其中一个或两者均可具有传统的哥特式拱形状或传统的圆拱形状（根据这些术语的先前提及的定
义）。在本发明的优选实施例中，内座圈102具有哥特式拱形状并且外座圈104具有圆拱形状。
[0022] 轴承100可适用于高速旋转应用中，包括安装图1的轴36。如前所述，在这类应用中通常外座圈104不旋转，内座圈102以与轴36相同的速度旋转，并且滚动元件106以低于内座圈102的速度绕内座圈102旋转。同样类似于图2所示的轴承38，轴承100配置成用润滑剂动态地冷却，所述润滑剂通过位于内座圈102中的入口孔118进入轴承100，从而提供可称为下座圈润滑系统的润滑系统。利用这些孔口118，可为轴承100提供润滑能力，其中润滑剂（通常为油）被引入由轴承100的内座圈102和外座圈104限定并且位于它们之间的环形腔体120中，以同时提供对滚动元件106和保持架108的润滑和冷却。在由旋转的内座圈102引起的离心力的影响下，通过孔口118供给的润滑剂径向向外流动以接触保持架108、滚动元件106和外座圈104。图3表示其中存在三个孔口118的优选配置。通过这种方法，可使得相对高比例的总润滑剂流流过中心孔口118以供给滚动元件106，而较小比例的总润滑剂流输送至剩余两个孔口118中的每一个以润滑保持架台面124。由于润滑剂倾向于离心径向向外，因此这种配置的益处是润滑剂直接提供给保持架台面124，尤其是在可能发生保持架摩擦时的关键运行阶段（如起动和关闭）过程中。
[0023] 由于外座圈104不旋转并且内座圈102、滚动元件106和保持架108以不同的速度旋转，因此腔体120内的润滑剂通常会倾向于发生搅动，特别是在外座圈104的凹槽112内，润滑剂会倾向于在离开轴承100之前在那里积累。为了缓解这一倾向，轴承100设有表面特征，所述表面特征动态地促进润滑剂流出腔体120，一般在保持架108的、在轴承100的两个轴向端114和116处的保持架台面124和126之间的内径和外径处离开。在图3中，所述表面特征表示为限定在外座圈104上的一对保持架台面126的每一个中而不是内座圈102的一对保持架台面124中的狭槽122，保持架108由于轴承100具有下座圈润滑系统而优选支承在所述一对保持架台面124上。如可从图3和图4明显看出，每个狭槽122均在外座圈凹槽112与其对应的外座圈104轴向面之间限定连续通道或通路，所述连续通道或通路进而设置在轴承100的轴向端114或116中的一个轴向端处。结果，每个狭槽122均限定凹入外座圈保持架台面126之一的环绕表面下方的连续通道或通路，并且使轴承100的腔体120，特别是腔体120的由外座圈104的凹槽112限定的那部分，与环绕轴承100的轴向端114和116之一的外部环境流体互连。通过将润滑剂从外座圈凹槽112引出至周围环境，本发明能够减少否则将由于润滑剂在
轴承腔体120，特别是腔体120的由外座圈凹槽112限定的那部分内的搅动而发生的粘性热量生成。
[0024] 如可从图4中明显看出，狭槽122相对于轴承100的轴线128（图3）（所述轴线128与发动机中心线35（图1）重合）成一定角度，并且因此也与内座圈102的旋转方向成一定角度。因此，狭槽122还相对于由外座圈凹槽112限定的路径和滚动元件106在凹槽112内行进的方向130（图4）成一定角度。当润滑剂在外座圈凹槽112内流动时，成角度的狭槽122在滚动元件106在凹槽112内行进的影响下捕获润滑剂。然后，狭槽122将润滑剂引导远离外座圈104，特别是将它引导出外座圈104的凹槽112。由于表面特征限定在外座圈104的保持架台面126中，因此狭槽122可很容易地通过使用各种常规
机械加工设备加工台面126来形成。
[0025] 狭槽122的数目、深度、宽度以及相对于滚动元件106的行进方向130的定向可很容易地加以调整，以促进润滑剂离开轴承100的能力并且减少在润滑剂离开轴承100之前发生的搅动的程度。狭槽122的优选数目、深度和宽度将部分取决于轴承100的大小（直径和轴向长度）、润滑剂的性质以及润滑剂通过轴承100的所需流速。对于图1所示的应用，适用于狭槽122的深度（图3中的d）被认为是约0.03英寸（约0.75mm），虽然更小或更大的深度是可预见的。每个狭槽122的宽度（图4中的w）优选大于其深度，其中合适的宽度被认为是约0.12英寸至约0.13英寸（约3mm至3.3mm），虽然更小或更大的宽度是可预见的。为了提供足够的流
动能力并减少润滑剂在外座圈凹槽112内的局部搅动，认为应为每个滚动元件106提供至少一个狭槽122，以促进更有效地从外座圈凹槽112除去润滑剂。某些其他几何形状方面的考虑被认为是存在的，包括期望狭槽122具有平坦的
侧壁，以促进从外座圈凹槽112捕获润滑剂。
[0026] 在图4中，狭槽122表示为定向成与由外座圈凹槽112限定的路径和滚动元件106在凹槽112内的行进方向130成锐角α倾斜的直的通道。此外，单独保持架台面126上的狭槽122是彼此的镜像，以使得滚动元件106在狭槽112内行进的效果就捕获润滑剂并将其以与滚动元件106在狭槽112内的行进方向130成锐角α导送远离外座圈102的方式来说大致相同。此“镜像”配置允许无论轴向载荷以哪个方向（向前或向后）施加都能实现狭槽122的功能性。图4所示的狭槽122以与滚动元件106在狭槽112内的行进方向130成约30度的角度（α）倾斜，但认为也可使用其它锐角α。作为对比，图5表示本发明的一个实施例，其中只有一组狭槽
122设置成与滚动元件106的行进方向130成锐角α（约30度），而另一组与行进方向130成钝角β（约150度）。这种配置在轴承100的仅一个轴向端114或116被认为显著造成热量生成的情况下是特别实用的，在所述情况下，轴承100可在任一方向上安装而狭槽122与行进方向
130成锐角倾斜，这样使得轴承100的安装不依赖于旋转方向。图6表示本发明的又一实施例，其中两组狭槽122均设置成近似垂直于滚动元件106的行进方向130。虽然在本发明的范围之内，模型表明，图6所示的配置将不如图4和图5中使得至少一组狭槽122定向成与行进方向130成锐角的这些配置那样有效。狭槽122在图4、图5和图6中表示为直的，但还可预见的是，狭槽122可形成为具有弧形形状。弯曲狭槽122的潜在益处在于，用于润滑剂的捕获角可更小（小于30度），并且弯曲形状可允许更多的狭槽122容纳在可用空间内。此外，可预见的是，外座圈保持架台面126其中之一或者两者上的狭槽122可彼此不同，例如，狭槽122可在其形状、宽度、深度和定向方面彼此不同。
[0027] 狭槽122能够更有效地从外座圈凹槽112中除去润滑剂，并且因此通过减小润滑剂在外座圈狭槽112内的搅动而减少轴承100内的热量生成。通过减少轴承100内的热量生成，本发明进一步具有减小润滑系统冷却器的容量的能力，否则将需要其来冷却燃气涡轮发动机的轴承。反过来，减少冷却器的大小降低发动机的重量和性能损失，从而改进发动机和飞机的燃料消耗。
[0028] 图4、图5和图6中所描绘的表面狭槽122还被认为提供了优于为了减少图2所示类型的动态润滑轴承内的热量生成而进行的先前尝试的优点。一个优点是，狭槽122限制于外座圈保持架台面126，所述外座圈保持架台面126是轴承的、由于保持架108支承在内座圈
102的保持架台面124上而形成的配备有下座圈润滑系统的非功能性表面（如图2和图3的轴承38和100所表示）。通过避免使用完全穿过外座圈104的排出孔口（如在美国专利号5,749,
660所做的那样），本发明避免了将由于与外座圈104中的通孔相关的应力集中而发生的任何结构完整性损失。因此，认为轴承100将更能够经受超高载荷事件，如风扇叶片掉出的状况。
[0029] 由于狭槽122布置在外座圈凹槽112的外侧，因此本发明还避免了对由于与狭槽122接触而造成的滚动元件106发生损坏的任何担心。这一优点与美国专利号5,749,660形成对比，该专利中的座圈凹槽每个都必须加工成具有圆锥形形状，以使得座圈凹槽中所形成的入口和排出孔口不会与滚动元件接触。因此，本发明可使用具有哥特式拱形状的内凹槽110，而外凹槽112可具有与滚动元件106的曲率更密切匹配的圆拱形状。结果，取决于装载条件，每个滚动元件106与座圈102和104之间的接触可发生在径向相对的两个位置处（类似于图2中所示意性表示的那样），或者在元件106的一侧的两个位置处，或者在两个以上位置处。相信相较于美国专利号5,749,660的轴承，上文所描述的轴承100可能是更能够在推力载荷交叉下运行，这通常正是图1中所示类型的燃气涡轮机应用中所需要的。
[0030] 本发明还可适用于不使用下座圈润滑的轴承。例如，对于通过朝向腔体120的侧喷嘴供给润滑剂的轴承，保持架108可配置用于支承在外座圈保持架台面126上，在这种情况下，狭槽122可以与上文所描述的在外座圈保持架台面126中形成狭槽122相同的方式形成于内座圈保持架台面124中。
[0031] 根据上文，应了解，除了燃气涡轮发动机之外，轴承100还非常适用于安装在各种应用中。一般来说，轴承100安装成使得其滚动元件106的旋转引起元件106在内座圈102与外座圈104之间周向行进，同时接触它们各自的凹槽110和112。然后，所注入或以其他方式输送到腔体120中的润滑剂从腔体120，更确切地说，从其中对狭槽122进行加工的座圈102或104的座圈凹槽110或112中抽出。内座圈102的旋转和滚动元件106通过外座圈凹槽112的运动有效地促进润滑剂从轴承腔体120通过狭槽122排出。因此，润滑剂不是通过外座圈104从轴承腔体120排出，而是通过轴承100的至少一组保持架台面124或126，并且因此在保持架台面124和126与它们之间的保持架108之间从腔体120排出。
[0032] 虽然已经就特定实施例对本发明进行了描述，但显而易见的是，所属领域的技术人员可采用其他形式。例如，轴承100的物理配置可不同于所示物理配置，并且各种材料和工艺可用于构造和制造轴承100。因此，本发明的范围仅由所附
权利要求书来限定。
