CN103775212B - 一种航空发动机的风扇失效制动装置 - Google Patents

Abstract

一种航空发动机的风扇失效制动装置，其包括：风扇轴，其上设置有转子制动盘；风扇叶片，其安装在风扇盘上；轴承支承件，其一端安装在机匣上，轴承支承件设置有静子制动盘，静子制动盘周向地环绕转子制动盘并与转子制动盘径向地间隔开；轴承组件，其一端耦接到风扇轴上另一端以预定弯矩连接到轴承支承件上；其中，当风扇叶片断裂时，风扇轴向外偏转使得轴承组件和轴承支承件之间的突变弯矩超过预定弯矩时，轴承组件和轴承支承件脱离连接从而转子制动盘与静子制动盘接合。风扇叶片失效断裂时，转子制动盘与静子制动盘碰摩，限制了风扇轴的弯曲径向位移，并减少了风扇轴转速，减小了FBO载荷。

Description

一种航空发动机的风扇失效制动装置

技术领域

本发明涉及一种航空发动机的风扇失效制动装置。

背景技术

在航空发动机设计当中，必须通过适航的包容性规定，最严苛的条件是发生风扇叶片脱落时，发动机能够包容住破损叶片，且关闭发动机后仍需要以风车转速持续运作3小时以上。风扇叶片脱落(FBO，Fan Blade Out)时，发动机运转在较高的转速，产生的径向不平衡载荷(FBO载荷)很大，达到几十吨，径向不平衡载荷通过轴承传递给轴承支撑结构，之后传递到中介机匣，再通过安装节***传递给飞机，若要求发动机完全承受FBO载荷，则对发动机的结构强度提出很高的要求。

传统应对FBO载荷的方法是采用较大的设计安全系数，加强发动机的强度，如加强轴承支撑的强度、加强中介机匣的强度、加强安装节的强度等，而这样的设计使得发动机的重量大大增加，特别是现代民用航空中将影响发动机的燃油经济性，使其在激烈的市场竞争中处于不利地位。

发明内容

本发明的第一个目的在于当发动机发生风扇叶片脱落时能够降低FBO载荷。

本发明的第二个目的在于提高安全性，使发动机可以用较小的安全系数来设计较轻的结构，以获得更好的燃油经济性。

本发明的第三个目的在于降低FBO载荷的同时使得发动机结构的破坏程度降至较低的程度。

本发明所公开的装置，具有限制发动机轴弯曲产生的最大径向位移和偏转角度的作用。在FBO载荷下，轴承支承件和第一轴承组件断开，紧接着发动机轴线弯曲后，作为制动装置的转子制动盘与静子制动盘发生碰磨，在径向方向上约束了风扇轴的自由偏摆，限制了风扇轴的最大偏转角度，这样可以减少在第二轴承组件和其他结构上产生的弯矩载荷。风扇叶片的最大径向位移和偏转角度与风扇轴的最大径向位移和偏转角度基本一致，限制在最大许可径向位移之内，可防止风扇叶片与机匣产生较大碰撞而严重变形和卡滞，从而防止产生极大扭矩，进而保护风扇轴结构，也可以防止多个叶片再次断裂而增大不平衡载荷。

另一方面，本发明具有降低FBO载荷的作用。转子制动盘和静子制动盘发生碰磨后，产生一定摩擦力，轴承支撑结构将制动力作用在风扇轴上，使得风扇轴的转速迅速降低。风扇轴上的径向不平衡载荷与其转速的平方成正比，转速的降低减小了风扇轴的不平衡载荷。

风扇叶片脱落瞬间，对发动机结构产生的破坏最大，当通过了危险点，风扇轴的转速已大大降低，风扇轴的弯曲程度也相应减小，使得制动装置的转子制动盘和静子制动盘脱开，不再产生摩擦阻力，此时发动机进入风车状态而平稳运行。

具体地，本发明公开了一种航空发动机的风扇失效制动装置，其包括：风扇轴，其上设置有转子制动盘；风扇叶片，其安装在所述风扇轴上，所述风扇叶片相对所述转子制动盘在流体流动方向上位于上游；轴承支承件，其一端安装在机匣上，所述轴承支承件设置有静子制动盘，所述静子制动盘周向地环绕所述转子制动盘并与所述转子制动盘径向地间隔开；轴承组件，其一端耦接到所述风扇轴上另一端以预定弯矩连接到所述轴承支承件上；其中，当所述风扇叶片断裂时，所述风扇轴向外偏转使得所述轴承组件和所述轴承支承件之间的突变弯矩超过所述预定弯矩时，所述轴承组件和所述轴承支承件脱离连接从而所述转子制动盘与所述静子制动盘接合。

优选地，所述的静子制动盘为固定件，转子制动盘径向移动时，不超过静子制动盘位置。

优选地，所述的转子制动盘的外侧面为摩擦面，静子制动盘的内侧面为摩擦面。

更优选地，所述的摩擦面上包括用于增加摩擦力的凸起、凹痕或花纹。

优选地，所述轴承组件和所述轴承支承件以过载失效件连接，如剪切销或剪切螺栓。

优选地，所述轴承支承件还相对所述轴承组件在所述流体流动方向的下游以另一轴承组件耦接到所述风扇轴上。

优选地，所述转子制动盘采用诸如销钉或榫槽或齿形突出结构固定连接到所述风扇轴上。

优选地，所述轴承组件包括轴承外环组件、轴承内环组件以及可转动地布置在所述轴承外环组件和所述轴承内环组件之间的轴承滚子，其中，所述轴承内环组件连接到所述风扇轴上，所述轴承外环组件连接到所述轴承支承件上。

优选地，所述转子制动盘的前端邻接所述轴承滚子，所述风扇轴在邻接所述转子制动盘的后端还设置有用于在所述流体流动方向相反的方向上压紧所述转子制动盘的螺母。

优选地，所述静子制动盘本身是一体的，或者所述静子制动盘和所述轴承支承件是一体的。

本发明的有益效果如下：

在FBO载荷下，转子制动盘与静子制动盘发生碰撞，限制了风扇轴的最大径向位移和偏转角度，一方面减少第二轴承及其他结构处的弯曲载荷，另一方面可防止风扇叶片与机匣产生较大碰撞而严重变形和卡滞，产生极大扭矩，破坏风扇轴结构，或多个叶片再次断裂而增大不平衡载荷。

FBO初始发生时，转子制动盘与静子制动盘摩擦面之间产生较大制动力，使风扇转子转速迅速降低，使FBO状态下不平衡载荷迅速减小(不平衡载荷大致与风扇轴转速的平方成正比)。

在风扇轴转速大大降低之后，转子制动盘与静子制动盘脱开，不再产生制动力，航空发动机顺利进入风车状态持续运转。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1为发动机在正常状态时的风扇失效制动装置的示意性结构图；

图2为转子制动盘的透视图；

图3为发动机在风扇叶片断裂瞬时的风扇失效制动装置的示意性结构图；

图4为发动机在风扇叶片断裂进入风车状态的风扇失效制动装置的示意性结构图；

不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

如图1所示，其示出了发动机在正常运转状态时的风扇失效制动装置的示意性结构图。具体地，该风扇失效制动装置主要包括：风扇轴8、风扇叶片10、轴承支承件3以及第一轴承组件16。其中，风扇轴8沿发动机轴线14延伸，其上设置有转子制动盘1。风扇叶片10安装在风扇轴8上，该风扇叶片10相对该转子制动盘1在流体流动方向上处于上游。风扇叶片10安装在该风扇叶片10上径向地向外延伸并被风扇机匣11所容纳和保护。轴承支承件3的后端固定到中介机匣12上，前端向内延伸有静子制动盘2，该静子制动盘2周向地环绕该转子制动盘1并与该转子制动盘1径向地间隔开，静子制动盘2的内侧面被用作摩擦面。第一轴承组件16包括第一轴承外环组件5、第一轴承内环组件7以及可转动地布置在该第一轴承外环组件5和第一轴承内环组件7之间的第一轴承滚子6，其中，该第一轴承外环组件5通过剪切销4和轴承支承件3的前端固定连接，该第一轴承内环组件7固定连接到该风扇轴8上。剪切销4能够承受在轴承支承件3和第一轴承组件16的第一轴承外环组件5之间的预定弯矩，即，在该预定弯矩范围内，该剪切销4不会断裂，一旦大于该预定弯矩该剪切销4就会断裂。可以理解，该剪切销4可以被其他过载失效件取代，例如，还可以使用剪切螺栓。该轴承支承件3的靠近后端还连接有第二轴承组件17，该第二轴承组件17包括第二轴承外环组件18、第二轴承内环组件19以及可转动地布置在该第二轴承外环组件18和第二轴承内环组件19之间的第二轴承滚子13，其中，该第二轴承外环组件18和轴承支承件3固定连接，该第二内环组件19固定连接到该风扇轴8上。轴承支承件3周向固定到中介机匣12上并藉由第一轴承组件16和第二轴承组件17径向地支撑在风扇轴8上。

如图2所示，其示出了本发明的风扇失效制动装置的转子制动盘1的一种实施方式。其中，该转子制动盘1为环形，其具有用作摩擦面的外侧面300，在外侧面300上还可以设置有用于使摩擦力增加的凸起、凹痕或花纹等。在转子制动盘1的内表面上还均匀地布置的多个齿形凸出部301，藉由这些齿形凸出部301，该转子制动盘1可以连接到风扇轴8上，可以理解，这些齿形凸出部301可以被销钉或者榫槽等结构取代。另外，沿着发动机轴线14的方向上，该转子制动盘1的前端邻接第一轴承滚子6，其后端被螺母15压紧。

这样，当发动机处于正常状态时，风扇轴8和风扇叶片10绕发动机轴线14旋转，从风扇叶片10传递到剪切销4的弯矩不超过预定弯矩值。

当发生风扇叶片断裂时，如图3所示，巨大不平衡载荷产生的远远大于预定弯矩的弯矩传递到剪切销4使剪切销4剪断失效，轴承支承件3在前端失去径向支承作用，该弯矩还得使风扇轴8的旋转轴线发生弯曲，大致从图1所示的以发动机轴线14为中心旋转弯曲到图3所示的以旋转轴线100为中心旋转。风扇叶片的旋转轴线的偏移致使转子制动盘1位置移动，转子制动盘1与静子制动盘2发生碰磨，即，转子制动盘1的外摩擦表面300和静子制动盘2的内表面碰撞，这大大减小了风扇叶片10与风扇机匣11的碰撞力，防止多于一个叶片被损坏而继续增大载荷，另一方面，转子制动盘1的外摩擦表面300与静子制动盘2的内表面产生的摩擦力为风扇轴8减速提供了制动力矩，使风扇轴8的转速不断降低。

如图4所示，在风扇轴8转速大大降低之后，不平衡力产生的弯矩相应减小，风扇轴8从以旋转轴线100为中心旋转大致回到以旋转轴线200为中心旋转，该旋转轴线200可以称为风车状态的风扇轴旋转轴线。此时，转子制动盘1与静子制动盘2脱开，不再产生制动力，发动机顺利进入风车状态持续运转。

虽然在上述实施方式中，该静子制动盘2和轴承支承件3是一体制成的，然而本领域的普通技术人员应当可以理解，该静子制动盘2也可以独立于该轴承支承件3单独制造。

本领域技术人员应当可以理解，虽然上文描述了转子制动盘1通过其齿形凸出部分301连接到风扇轴8上，然而其他的固定连接方式也是可以的。

本发明的有效果如下：

在FBO载荷下，轴承支承件3和第一轴承组件16断开，紧接着发动机轴线弯曲后，作为制动装置的转子制动盘1与静子制动盘2发生碰撞，限制了风扇轴8的弯曲产生的最大径向位移和偏转角度，这样可以减少在第二轴承组件和其他结构上产生的弯矩载荷。风扇叶片10的最大径向位移和偏转角度与风扇轴8的最大径向位移和偏转角度基本一致，限制在最大许可径向位移之内，可防止风扇叶片10与机匣11产生较大碰撞而严重变形和卡滞，从而防止产生极大扭矩，进而保护风扇轴8结构，也可以防止多个叶片再次断裂而增大不平衡载荷。另一方面，本发明具有降低FBO载荷的作用。转子制动盘和1静子制动盘2发生碰磨后，产生一定摩擦力，轴承支撑结构将制动力作用在风扇轴8上，使得风扇轴8的转速迅速降低。风扇轴8上的径向不平衡载荷与其转速的平方成正比，转速的降低减小了风扇轴的不平衡载荷。

风扇叶片10脱落瞬间，对发动机结构产生的破坏最大，当通过了危险点，风扇轴8的转速已大大降低，风扇轴8的弯曲程度也相应减小，使得制动装置的转子制动盘1和静子制动盘2脱开，不再产生摩擦阻力，此时发动机进入风车状态而平稳运行。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (12)

1.一种航空发动机的风扇失效制动装置，其包括：

风扇轴，其上设置有转子制动盘；

风扇叶片，其安装在所述风扇轴上，所述风扇叶片相对所述转子制动盘在流体流动方向上位于上游；

轴承支承件，其一端安装在机匣上，所述轴承支承件设置有静子制动盘，所述静子制动盘周向地环绕所述转子制动盘并与所述转子制动盘径向地间隔开；

轴承组件，其一端耦接到所述风扇轴上另一端以预定弯矩连接到所述轴承支承件上；

其特征在于，当所述风扇叶片断裂时，所述风扇轴向外偏转使得所述轴承组件和所述轴承支承件之间的突变弯矩超过所述预定弯矩时，所述轴承组件和所述轴承支承件脱离连接从而所述转子制动盘与所述静子制动盘接合。

2.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述的静子制动盘为固定件，转子制动盘径向移动时，不超过静子制动盘位置。

3.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述的转子制动盘的外侧面为摩擦面，静子制动盘的内侧面为摩擦面。

4.根据权利要求3所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述的摩擦面上包括用于增加摩擦力的凸起、凹痕或花纹。

5.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述轴承组件和所述轴承支承件以过载失效件连接。

6.根据权利要求5所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述过载失效件为剪切销或剪切螺栓。

7.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述轴承支承件还相对所述轴承组件在所述流体流动方向的下游以另一轴承组件耦接到所述风扇轴上。

8.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述转子制动盘采用销钉或榫槽固定连接到所述风扇轴上。

9.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述转子制动盘采用齿形突出结构固定连接到所述风扇轴上。

10.根据权利要求1所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述轴承组件包括轴承外环组件、轴承内环组件以及可转动地布置在所述轴承外环组件和所述轴承内环组件之间的轴承滚子，其中，所述轴承内环组件连接到所述风扇轴上，所述轴承外环组件连接到所述轴承支承件上。

11.根据权利要求5所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述转子制动盘的前端邻接轴承滚子，所述风扇轴在邻接所述转子制动盘的后端还设置有用于在所述流体流动方向相反的方向上压紧所述转子制动盘的螺母。

12.根据权利要求1-11中任一项所述的风扇失效制动装置，其特征在于，所述静子制动盘本身是一体的，或者所述静子制动盘和所述轴承支承件是一体的。