CN115443240A

CN115443240A - 涡轮机风扇轮毂的方向可调且完整性受保护的叶片枢轴

Info

Publication number: CN115443240A
Application number: CN202180030564.8A
Authority: CN
Inventors: 保罗·吉斯兰·阿尔伯特·利维斯; 奥利维尔·贝尔蒙特; 文森特·弗朗索瓦·乔治·米勒
Original assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2022-12-06
Also published as: FR3109569B1; EP4139207A1; WO2021214399A1; US11708148B2; FR3109569A1; US20230131839A1

Abstract

本发明涉及一种涡轮机风扇轮毂的方向可调的叶片枢轴(2)，包括：接触垫(4)，其具有被构造成保持风扇叶片根部(12)的附接件(10)和用于传递扭矩的连接装置(16)；吸收离心力并具有内圈(28)和外圈(30)的球型滚动轴承(26)；第一夹持螺母(50)，其用于旋拧到风扇轮毂的内螺纹(8A)以夹持球型滚动轴承的外圈；吸收横向力并且具有内圈(36)和光滑外圈(38)的滚动轴承(34)；‑楔形环(44)，其安装在所述内圈(28、36)之间以对这些内圈提供相应横向支撑；抗断裂套筒(42)，其承载吸收横向力的滚动轴承的内圈(36)，并且其终端横向地延伸超出所述轴承的外圈(38)之外，以便在接触垫径向地位移时构成止动块；以及第二夹持螺母(52)，其旋拧到接触垫的外螺纹(4A)以夹持吸收离心力的滚动轴承的内圈和吸收横向力的滚动轴承的内圈。

Description

涡轮机风扇轮毂的方向可调且完整性受保护的叶片枢轴

技术领域

本发明涉及配备有至少一个带罩或无罩风扇的涡轮机的通用领域，并且其风扇叶片(对于带罩风扇)或螺旋桨叶片(对于无罩风扇)配备有变桨距设置***，并且本发明更具体地涉及这些涡轮机的风扇叶片的定向控制。

本发明的一种优选应用领域是涡轮喷气发动机，其包括一种具有高旁通比(大风扇直径)和极低压力比的带罩风扇。

现有技术

通过在涡轮喷气发动机的低压模块中引入可变性，确保了具有高旁通比的涡轮喷气发动机的可操作性，根据飞行阶段启动该可变性，以恢复足够的泵送余量。

使用集成到风扇轮毂内的风扇叶片的变桨距***以提供可变性是已知的。此类叶片变桨距***还可以提供推力反转的功能，在此类涡轮喷气发动机中的发动机短舱不再具备所述功能。

此外，在具有高旁通比的涡轮喷气发动机的风扇模块中，通常由叶片根部以及接收叶片的插口的形状，由枢轴及其滚动轴承以吸收叶片所受到的力集合，由风扇叶片提供风扇叶片的径向保持力，枢轴组集成在风扇叶片中。

例如，可以参考公开物FR 3046403，其描述了此类风扇叶片保持结构的示例。更准确地，在本公开物中，每个叶片的径向保持包括枢轴和两个滚珠轴承，所述枢轴包括球形物形式的紧固件，所述滚珠轴承可以吸收叶片及其枢轴、由花键连接到枢轴的偏心轮以及由集成枢轴组的轮毂所承受的气动力、惯性力和离心力。

对于此类结构，风扇轮毂的尺寸直接地取决于叶片的变桨距机构的集成，也取决于每个枢轴的滚动轴承的尺寸。

事实上，在公开物FR 3046403中描述的结构中，内滚动轴承吸收由叶片及其枢轴所经历的所有离心力。为了使由该轴承所承受的横向力最小化，内滚动轴承和外滚动轴承彼此径向地间隔很大。因此，内滚动轴承不仅最大，而且还被放置在轮毂的非常小半径上，使得两个相邻叶片的内滚动轴承之间的切向空间非常受限。因此影响了风扇轮毂的直径。

但是，为了优化具有高旁通比的涡轮喷气发动机风扇的效率，需要使风扇轮毂的直径最小化和/或使更多数量的叶片与相同尺寸的轮毂集成在一起。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种枢轴及其滚动轴承的体积更小的结构。

本发明的另一目的同样是提出一种结构，其可以在所有条件下确保叶片的保持，特别地其滚动元件的保持，即使在滚动元件断裂的情况下。事实上，在所有释放的碎片上进行碎片保持***(飞机防护层或发动机上的保持机壳)的尺寸标注，并且确保滚动元件的保持可以将飞机防护层的尺寸标注限制到仅叶片的质量。

根据本发明，由于涡轮机风扇轮毂的方向可调的叶片枢轴，实现了该目的，所述叶片枢轴包括：

-螺柱，其在第一端具有被构造成保持风扇叶片根部的紧固件，在第二端具有用于传递扭转扭矩的连接装置；

-吸收离心力的滚珠轴承，其具有横向地安装支撑在螺柱外肩上的内圈，以及用于横向地安装支撑在风扇轮毂内侧的外圈；

-第一夹持螺母，其用于旋拧到风扇轮毂的内螺纹以确保夹持吸收离心力的滚珠轴承的外圈；

-吸收横向力的滚动轴承，其具有内圈和用于横向地安装支撑在风扇轮毂内侧的光滑外圈；

-锁紧环，其安装在吸收离心力的滚珠轴承的内圈和吸收横向力的滚动轴承的内圈之间，以确保对这些内圈的相应横向支撑；

-承载吸收横向力的滚动轴承内圈的抗断裂套筒，其终端横向地延伸超出吸收侧向力的滚动轴承的外圈之外，以便在螺柱径向移动时构成止动块；以及

-旋拧到螺柱外螺纹的第二夹持螺母，以确保夹持吸收离心力的滚珠轴承的内圈和吸收横向力的滚动轴承的内圈。

本发明值得注意的是，它提出了一种具有四个接触点的滚珠轴承，所述滚珠轴承径向地距离发动机轴尽可能远，以受益于最大空间，并且因此其尺寸可吸收由叶片及其枢轴所经历的离心力。

同样，由于其防止滚珠轴承失效的结构，即使在滚动元件断裂(故障保护功能)时，它也能保持吸收离心力的这些滚动元件。因此，叶片、枢轴和滚动元件的整体在发生断裂时失去自制力，这对于现有技术的枢轴是可能的，并且该弹出的组件的性能不产生对发动机，并且因此更通常地对飞行任务，造成严重损害的高能碎片。

滚动轴承的外圈与抗断裂部件之间形成的接触防护叶片枢轴发生滚珠轴承的任何断裂。

对于小于离心力的横向力，它们由滚针或滚柱轴承吸收，这可以实现精确导向并提高紧致度。

优选地，抗断裂套筒依次延伸到圆柱形部，然后是包括终端的向外扩口的锥形部，这两个部分之间的接合处形成吸收横向力的滚动轴承的内圈的横向支撑。

枢轴可进一步包括位置传感器，该传感器面对抗断裂套筒的终端布置并用于检测螺柱的任何径向移动，例如由于吸收离心力的滚珠轴承断裂。

有利地，在吸收离心力的滚珠轴承的内圈和吸收横向力的滚动轴承的内圈之间安装的锁紧环可以是离心易熔环。

优选地，将抗断裂套筒收缩到枢轴上。

有利地，经由抗断裂套筒和锁紧环，由第二夹持螺母夹持吸收离心力的滚珠轴承的内圈和吸收横向力的滚动轴承的内圈。

优选地，吸收离心力的滚珠轴承的内圈和外圈在两个不同的部分中生产，以便于枢轴的安装。

本发明的目的还包括一种涡轮机风扇，其包括至少一个方向可调的叶片，所述叶片的轮毂装配在如先限定的枢轴上，以及一种包括此类风扇的涡轮机。

本发明的目的还包括一种如前所限定的枢轴的安装方法，其依次包括：将枢轴降低到风扇轮毂内；将吸收离心力的滚珠轴承安装到螺柱的第一端；通过将第一夹持螺母旋拧在轮毂的内螺纹上，夹持吸收离心力的滚珠轴承；安装承载横向地支撑在轮毂内侧的吸收横向力的滚动轴承的光滑外圈的挡圈；将抗断裂套筒安装到螺柱的第二端，所述抗断裂套筒承载吸收横向力的滚动轴承的剩余部分以及易熔锁紧环；以及通过旋拧第二夹持螺母来夹持吸收横向力的滚动轴承。

附图简要说明

图1图1示出了根据本发明一个实施例的方向可调的叶片枢轴的剖面图。

图2A-2F图2A至2F示出了一种安装根据图1实施例的枢轴的示例。

图3图3图示了根据本发明的枢轴在正常操作中的构造。

图4图4图示了根据本发明的枢轴在发生故障时的构造。

具体实施方式

图1示出了一种包括几个不同元件的叶片枢轴，所述元件组装在一起以便于这些元件在旋转风扇叶片轮毂中的安装/拆卸，并且其功能是确保将风扇叶片保持在此旋转轮毂上，并引导其设置其节距。

众所周知，每个风扇叶片的枢轴径向地安装在从一侧到另一侧穿过风扇的风扇轮毂的开口中，轮毂的中心在涡轮喷气发动机的纵轴上，本领域技术人员也熟知的其结构在此不再详细地描述。

根据本发明，枢轴2包括螺柱4，所述螺柱沿枢轴的径向轴Z-Z延伸通过风扇的轮毂8的开口6。该螺柱4在外径向端(即在距涡轮喷气发动机的纵轴最远的其端部)具有球状物形式的紧固件10，其用于接收风扇叶片的根部12。当然，可以考虑其他保持叶片根部的方法。

在其内部径向端(即在最靠近涡轮喷气发动机纵轴的其端部)，螺柱4包括用于传递扭转扭矩到偏心轮18(也称为“设置传输环”)的外花键16，还配备有承载在内表面上并且用于与螺柱4的外花键16配合的花键20。当然，可以考虑用于传输扭转扭矩的其他连接装置。

此设置传输环18用于传输扭转扭矩到叶片的枢轴，以改变其间距设置。通过中心在径向轴Z-Z上的螺钉22以及被夹持在所述螺钉上的螺母24将该设置传输环18锁紧到螺柱。

枢轴还包括用于吸收叶片及其枢轴所经历的离心力(即沿径向轴Z-Z)和横向力(即沿垂直于径向轴Z-Z的平面)的滚动轴承。

更准确地说，枢轴包括用于吸收离心力的滚珠轴承26。该滚珠轴承26配备有内圈28，所述内圈横向地安装支撑在螺柱4的外肩上。

优选地，内圈28由两个不同的部分28a、28b形成。此特征便于枢轴的安装，如稍后将详述的。

该滚珠轴承26还包括外圈30，所述外圈用于横向地安装支撑在风扇轮毂8的开口6内侧，并且也可以在两个不同的部分30a、30b中形成以同样便于枢轴的安装，内圈28和外圈30限定了保持在中心保持架32A中的多个滚珠32的滚动路径。

为了吸收横向力，枢轴还包括相对于滚珠轴承26径向向内地偏移的滚针或滚柱轴承34。

该滚针或滚柱轴承34包括内圈36和光滑外圈38、内圈36和光滑外圈38限定了可能被保持在中心保持架中的多个滚针或滚轮40的滚动路径。

更准确地说，内圈36安装在抗断裂套筒42上，所述抗断裂套筒42例如收缩到螺柱4上并且沿Z-Z轴在圆柱形部42A、然后向外扩口的锥形部42B中依次延伸，这两个部分之间的接合处形成内圈36的横向支撑部42C，所述横向支撑部由锁紧环44进一步加压，有利地离心熔合，其尺寸可以校准，使得该环在一定离心力下开始燃烧。通过检测能够损坏这些滚动路径的径向力，熔合止动环可用作滚动路径状况的指示器。事实上，如果存在较大的径向力，易熔环会损坏，这由至少一个上述的传感器检测到。

光滑外圈38本身经由挠性凸缘或穿孔支撑环46横向地安装支撑在风扇轮毂8的开口6内侧，所述穿孔支撑环通过螺钉附接到轮毂8的圆周，如由螺钉孔47所示。

该穿孔支撑环46(也可以考虑锯齿形)的优点是使光滑外圈38具备柔性，这可以使其在飞行过程中防止振动在桨距设置***的其余部分中的传播，诸如外部元件对风扇叶片的撞击。例如，通过保持轴承的外圈，“弹性挡圈”类型的防旋转环或弹性夹持环48可以将此环锁紧到适当位置。

抗断裂套筒的锥形部分包括终端42D，所述终端横向地延伸超出吸收横向力的滚动轴承的光滑外圈38之外，从而在螺柱径向地移动时构成止动块，该终端部随后与本身横向地支撑在风扇的轮毂8上的光滑外圈接触。

用于旋拧到轮毂8的内螺纹8A的第一夹持螺母50可以确保将吸收离心力的滚珠轴承26的外圈30夹持在其上。

将第二夹持螺母52旋拧到螺柱4的外螺纹4A上，从而通过由抗断裂套筒42、滚针或滚柱轴承34的内圈36以及锁紧环44形成的连续支撑部链条，确保将吸收离心力的滚珠轴承26的内圈28夹持到螺柱。

进一步面对抗断裂套筒42的终端42D放置一位置传感器54，以检测滚珠轴承26的断裂。事实上，该位置传感器将检测到由于抗断裂套筒的径向移动而引起的信号变化或丢失。

然而，将会注意的是，发动机的失衡检测仪也可以检测到此故障，因为轴承故障使叶片根部偏移，导致转子上的失衡(然而，如果故障仅涉及一个枢轴)。

同样，在易熔锁紧环弯曲的情况下，抗断裂套筒也将不再面对位置传感器。例如，这可以检测超速。事实上，具有桨距设置的风扇可以穿过风扇不再消耗功率并强烈加速超速推进的设置。

结合图2A至2F，现在将描述根据本发明安装该枢轴的一种示例。

在图2A所示的第一步骤中，滚珠轴承26的外半圈30a横向地安装支撑在风扇轮毂8的开口6内侧(例如，使其收缩)。

然后，如图2B所示，将螺柱4径向地降低到轮毂8的开口6内，螺柱先前配备(例如通过收缩)有滚珠轴承26的内半圈28A。

在图2C所示的第三步骤中，然后安装滚珠轴承26的另一内半圈28b以形成内圈28，然后将该滚动轴承的滚珠32与其保持架32A安装在一起。

在图2D的步骤中，随后通过夹持第一夹持螺母50安装和保持滚珠轴承26的外半圈30B。

在以下步骤(图2E)中，滚针或滚柱轴承34的外圈38和支撑环46依次安装在风扇轮毂8的开口6内。支撑环46通过螺钉(开口47)紧固到轮毂8，并且该组件通过防旋转环48锁紧到适当位置。

然后在步骤2F中，滚动轴承34的光滑内圈38和诸多滚动元件在螺柱4周围与在通过夹持第二夹持螺母52被锁紧之前先前地安装在抗断裂套筒42上的熔合部44接合。

最后，在最后步骤(对应于图1)中，叶片的根部12可安装在螺柱4的外径向端处设置的球状物形式的紧固件10中，可以理解的是，通过使其各自的花键16、20配合，先前已经将设置传输环18安装在螺柱4的端部，并且通过安装螺钉22和夹持螺母24将其锁紧了。

图3和4分别图示了根据本发明的枢轴分别在正常操作和发生故障时的构造。

在正常操作位置中，面对抗断裂套筒的锥形部的终端42D放置位置传感器54。标签60是指施加在枢轴上的径向载荷，标签62是指朝向轮毂的载荷传递。应该注意的是，位于枢轴上的第二螺母52会阻塞整个组件。

在故障位置中，对于易熔环44(但该情况将等同于滚珠轴承26断裂的情况)，注意到了与枢轴相连的元件组的径向向外移动，特别是滚柱40在光滑外圈38上的滑动。需要注意的是，滚珠32邻接其余半圈，然而径向载荷仍可以朝轮毂8传递。

抗断裂套筒相对于位置传感器的偏移可以识别出枢轴不再处于其正常操作位置，抗断裂套筒阻止了将邻接滚动支撑并且因此避免任何元件损失的枢轴的后续移动。

需要注意的是，可以考虑仅在某些叶片上放置倾斜地不均匀分布的熔合元件。因此，仅某一部分的叶片会经历其熔合部件的燃烧，从而导致可能由发动机的标准失衡传感器检测到的失衡。

还将会注意的是，位置传感器还可用作桨距设置传感器，其避免了在已经拥挤的区域中集成额外的传感器。

Claims

1.一种涡轮机风扇轮毂(8)的方向可调的叶片枢轴(2)，包括：

-螺柱(4)，所述螺柱(4)在第一端具有被构造成保持风扇叶片根部(12)的紧固件(10)，在第二端具有用于传递扭转扭矩的连接装置(16)；

-吸收离心力的滚珠轴承(26)，所述吸收离心力的滚珠轴承具有横向地安装支撑在所述螺柱的外肩上的内圈(28)，以及用于横向地安装支撑在风扇轮毂内侧的外圈(30)；

-第一夹持螺母(50)，其用于旋拧到风扇轮毂的内螺纹(8A)以确保夹持所述吸收离心力的滚珠轴承的外圈；

-吸收横向力的滚动轴承(34)，所述吸收横向力的滚动轴承具有内圈(36)和用于横向地安装支撑在风扇轮毂内侧的光滑外圈(38)；

-锁紧环(44)，所述锁紧环安装在所述吸收离心力的滚珠轴承的内圈(28)与所述吸收横向力的滚动轴承的内圈(36)之间，以确保对这些内圈的相应的横向支撑；

-承载所述吸收横向力的滚动轴承的内圈(36)的抗断裂套筒(42)，所述抗断裂套筒的终端横向地延伸超出所述吸收横向力的滚动轴承的外圈(38)，以便在所述螺柱径向移动的情况下构成止动块；以及

-旋拧到所述螺柱的外螺纹(4A)的第二夹持螺母(52)，以确保夹持所述吸收离心力的滚珠轴承的内圈和所述吸收横向力的滚动轴承的内圈。

2.根据权利要求1所述的枢轴，其中，抗断裂套筒依次延伸到一圆柱形部(42A)中，然后是包括所述终端(42D)的向外扩口的锥形部(42B)，这两个部分之间的接合处形成所述吸收横向力的滚动轴承的内圈(36)的横向支撑(42C)。

3.根据权利要求2所述的枢轴，进一步包括位置传感器(54)，所述位置传感器面对所述抗断裂套筒的终端(42D)布置并用于检测所述螺柱的任何径向移动，例如由于吸收离心力的滚珠轴承(26)的断裂。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的枢轴，其中，在所述吸收离心力的滚珠轴承(26)的内圈(28)与所述吸收横向力的滚动轴承(34)的内圈(36)之间安装的锁紧环是离心易熔环(44)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的枢轴，其中，所述抗断裂套筒(42)被收缩到所述螺柱(4)上。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的枢轴，其中，经由所述抗断裂套筒(42)和所述锁紧环(44)，由所述第二夹持螺母(52)夹持所述吸收离心力的滚珠轴承的内圈和所述吸收横向力的滚动轴承的内圈。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的枢轴，其中，所述吸收离心力的滚珠轴承(26)的内圈(28)和外圈(30)在两个不同的部分(28A、28B；30A、30B)中生产，以便于所述螺柱(4)的安装。

8.一种涡轮机风扇，包括至少一个方向可调的叶片，所述叶片的轮毂(8)组装在根据权利要求1至7中任一项所述的枢轴(2)上。

9.一种涡轮机，包括根据权利要求8所述的风扇。

10.一种安装根据权利要求1至7中任一项所述的枢轴的方法，依次包括：将螺柱(4)降低到风扇轮毂(8)内；将吸收离心力的滚珠轴承(26)安装到螺柱的第一端；通过将第一夹持螺母(50)旋拧在轮毂的内螺纹(8A)上，夹持吸收离心力的滚珠轴承(26)；安装承载横向地支撑在轮毂内侧的吸收横向力的滚动轴承的光滑的外圈(38)的挡圈(46)；将抗断裂套筒(42)安装到螺柱的第二端，所述抗断裂套筒承载吸收横向力的滚动轴承(34)的剩余部分(36、40)以及一易熔锁紧环(44)；以及通过旋拧第二夹持螺母(52)来夹持吸收横向力的滚动轴承。