CN209724782U - 燃气轮机及其风扇轴承支撑结构 - Google Patents

Abstract

提供燃气轮机及其风扇轴承支撑结构，其中的支撑结构并能在风扇叶片断裂或脱落时，能减少不平衡载荷，该风扇轴承支撑结构包括前锥壁和连接件，前锥壁具有大端和小端，小端提供用于前风扇轴承安装的安装部，连接件用于连接到中介机匣，大端提供有内螺纹，连接件提供有滑动面，滑动面上构造有外螺纹；内螺纹和外螺纹连接，且内螺纹和外螺纹二者之一设置成熔断结构，以容许在风扇叶片脱落时作为牺牲部件而断裂；滑动面容许大端在熔断结构断裂后于滑动面上进行滑动；大端与连接件二者之一还提供限位结构，用以限制大端脱落于连接件的滑动面。

Description

燃气轮机及其风扇轴承支撑结构

技术领域

本实用新型涉及燃气轮机，尤其涉及燃气轮机的风扇轴承支撑结构。

背景技术

典型涡扇发动机的低压转子一般包括风扇、增压级、低压涡轮和转轴等，其中转轴由多个轴承支承，将涡轮产生的力和力矩传递到增压级和风扇。正常情况下，风扇、增压级和低压涡轮等各部件重心所在的直线与转轴重合。为保证临界转速的裕度，低压转子***一般由三个轴承支承，其中1#轴承和2#轴承位于风扇转子附近，称为风扇轴承。风扇轴承通过支承结构将风扇转子连接到静子件中介机匣上，因此正常工作时，风扇轴承及其支承结构是风扇与中介机匣等静子结构间的传力部件。

航空发动机运行过程中，由于外物吸入或疲劳等因素导致风扇叶片断裂或脱落，即FBO(Fan Blade Off)。FBO事件发生后，风扇的重心会偏离低压转子的中心线。然而，由于轴承的限制，风扇仍绕低压转子的中心线转动。风扇绕偏离其重心的轴转动会激励低压转子***产生一个或多个振荡模态，从而产生不平衡载荷。对于当前商用飞机上常用的大涵道比涡扇发动机，其风扇叶片半径长、质量大，FBO事件会导致风扇的重心线与发动机的中心线不对中，引起巨大的不平衡载荷。由于轴承沿径向约束风扇轴，故FBO不平衡载荷主要通过轴承及其支承结构传递到中介机匣上，并进一步传递到安装节甚至飞机上。

由于FBO事件本身很难避免，传统的设计方法是通过提高传力路径上相关零部件(如中介机匣、安装节、推力拉杆等)的结构强度，使其能够承受FBO不平衡载荷，以满足安全性要求。然而，这种方法会导致发动机的质量和成本增加，燃油消耗率升高，当发动机未发生相当大的转子不平衡的情况时整体效率低。另一种应对FBO事件的有效方法是进行结构失效/熔断设计。结构失效/熔断设计的概念为:通过有目的地将发动机中某些部件设计为牺牲单元，使其在FBO载荷下失效，一方面减少、消耗FBO事件产生的不平衡能量，另一方面改变传递路径，使FBO载荷重新分布，减少传递到关键部件的不平衡载荷，保护发动机的安全。FBO事件产生的不平衡载荷主要由风扇轴承(1#轴承或前风扇轴承和2#轴承或后风扇轴承)、轴承支承结构和中介机匣等承载。通过对传力路径上的风扇轴承及其支承结构等部件进行失效设计，使其具有较小的强度安全系数，在FBO不平衡载荷下失效，能够减小中介机匣、安装节和低压转轴等关键零部件所承受的FBO不平衡载荷，保证发动机的安全。

现有技术中一种常见的熔断形式是紧缩螺栓，如专利FR2752024B1，在1#轴承支承锥壁的安装边处采用颈缩螺栓与中介机匣连接，FBO后颈缩螺栓受拉力在紧缩处拉伸失效，由于螺栓在周向是不连续的，螺栓失效的响应不太连续。锥壁前段脱落后容易与风扇轴碰撞，造成风扇轴损伤甚至破坏。此外每个螺栓紧缩段的加工尺寸、螺栓安装状态和预紧力会有一定的差异，这会影响熔断触发阈值的稳定性。

另一种常见的熔断形式为减薄段，如专利US6447248B1，在1#轴承的支承锥壁上设置减薄段,当发生FBO时，减薄段屈曲失效，切断1#轴承到中介机匣的传力路径，此专利对于锥壁的加工要求很高，因为1#轴承的支承锥壁是一个大尺寸的薄壁环形件，在锥壁上加工减薄段容易造成锥壁变形，减薄段的尺寸精度也很难满足要求，而屈曲载荷对减薄段厚度和形状的精度很敏感，减薄段方案会造成加工成本的显著上升以及屈曲载荷值稳定性的降低,锥壁脱落后会与风扇轴碰撞，造成风扇轴损伤甚至破坏。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种风扇轴承支撑结构，其用于将风扇安装到中介机匣上，并能在风扇叶片断裂或脱落时，能减少不平衡载荷。

本实用新型的另一个目的是提供一种燃气轮机，其包括前述风扇轴承支撑结构。

一种风扇轴承支撑结构，包括前锥壁和连接件，所述前锥壁具有大端和小端，所述小端提供用于前风扇轴承安装的安装部，所述连接件用于连接到中介机匣，其中：

所述大端提供有内螺纹，所述连接件提供有滑动面，所述滑动面上构造有外螺纹；

所述内螺纹和所述外螺纹连接，且所述内螺纹和所述外螺纹二者之一设置成熔断结构，以容许在风扇叶片脱落时作为牺牲部件而断裂；所述滑动面容许所述大端在所述熔断结构断裂后于所述滑动面上进行滑动；

所述大端与所述连接件二者之一还提供限位结构，用以限制所述大端脱落于所述连接件的所述滑动面。

在至少一个实施方式中，所述前锥壁的所述大端的所述内螺纹的螺纹牙型宽度要大于所述连接件的所述滑动面上的所述外螺纹的螺纹牙型宽度，所述外螺纹设置成所述熔断结构。

在至少一个实施方式中，所述限位结构包括所述连接件的所述滑动面在所述外螺纹的前侧间隔一端距离设置的挡环，所述挡环的外径大于所述内螺纹的小径。

在至少一个实施方式中，设置成所述熔断结构的所述外螺纹或内螺纹在牙型根部构造出颈缩段。

在至少一个实施方式中，所述前锥壁的所述大端的壁厚要大于所述前锥壁中部的壁厚。

在至少一个实施方式中，所述滑动面在所述外螺纹的前侧和/或后侧保留有一段球面。

在至少一个实施方式中，所述连接件通过螺栓连接到中介机匣。

在至少一个实施方式中，所述滑动面为锥面或球面，所述滑动面的中心线或中心对应前风扇轴承支撑的低压轴的轴线设置。

在至少一个实施方式中，所述外螺纹和所述内螺纹的牙型为等腰梯形。

一种燃气轮机，例如航空发动机，包括低压转子，所述低压转子包括风扇和风扇轴，其中，所述风扇轴通过任一所述的风扇轴承支撑结构连接到中介机匣上。

在前述方案中，螺纹为环形结构，任意角度下的风扇叶片发生FBO，螺纹结构都能很快失效，起到熔断作用，在前锥壁大端的安装边处、及对应的连接件安装边处加工螺纹结构，这两处安装边的刚度大，机加工不易变形，降低加工难度及加工成本。

附图说明

本实用新型的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是根据一个或多个实施方式的燃气轮机的前端示意图。

图2是根据一个或多个实施方式的前锥壁和连接件的螺纹连接处的放大图。

图3是根据一个或多个实施方式的螺纹连接处熔断失效的示意图。

图4是根据一个或多个实施方式的熔断结构失效前后的燃气轮机的前端示意图。

图5是根据一个或多个实施方式的滑动球面的示意图。

图6是根据一个或多个实施方式的熔断结构的示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本实用新型的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。在后述实施例中，前、后气流的流动方向为参考。

图1示出的风扇轴承支撑结构应用于涡扇发动机，其包括前锥壁6和连接件8。涡扇发动机的风扇轴3通过前风扇轴承4和后风扇轴承5支撑在该风扇轴承支撑结构上，该风扇轴承支撑结构再连接到中介机匣9上。

前锥壁6具有位于图中右端的大端和位于图中左端的小端，小端提供用于前风扇轴承4安装的安装部，连接件8用于连接到中介机匣9上。同时参照图2，图2是对应图1中螺纹连接处的放大示意图。大端提供有内螺纹23，连接件8提供有滑动面27，滑动面27上构造有外螺纹22。内螺纹23和外螺纹22连接，外螺纹22设置成熔断结构，即在载荷从前风扇轴承4传递到中介机匣9的传力路径上，外螺纹22的强度设置成相对于其它部件强度要低。因此，当FBO事件发生后，风扇不平衡转动引起的不平衡载荷将导致外螺纹22首先断裂，从而将不平衡载荷阻断，避免其传递到中介机匣。在滑动面27的左端构造出挡环21，挡环21可以是连续的或者多个离散的挡块呈环形分布，当由于外螺纹22受到不平衡载荷熔断后，前锥壁6的大端在滑动面27上滑动，前锥壁6上的内螺纹23没有断裂，其滑动受到挡环21的阻挡，因此前锥壁6不会脱落于连接件8，防止前锥壁脱落后与风扇轴发生二次冲击破坏。

滑动面27在螺纹连接处的前侧和后侧均分别保留间隙长度为L1和L2的面，以供前锥壁6在FBO事件发生且熔断结构断裂后进行滑动。没有断裂的内螺纹23在前侧受到挡环21的阻挡，在后侧受到中介机匣9的阻挡，因此不会脱落于连接件8。

前述实施方式还存在多个变型，例如将内螺纹设置成熔断结构，外螺纹22不断裂，相应地，在前锥壁6的大端设置相应的挡圈或挡环，限制外螺纹22的移动，也可以起到防止前锥壁6与连接件8脱落的情况发生。又如，前述实施方式是通过没有熔断的螺纹与挡环相作用起到约束前锥壁6的作用，但也可以通过在前锥壁6和连接件8上分别设置挡环，通过挡环与挡环相互作用，以约束前锥壁6。

如图2所示，前锥壁6的大端的内螺纹23的螺纹牙型宽度D1要大于连接件8的滑动面27上的外螺纹22的螺纹牙型宽度D2。螺纹可以通过车削形成。由于D1大于D2，因此外螺纹22的强度要小于内螺纹23的强度，此时将内螺纹23设置成熔断结构，可以通过简单的加工工艺就可以实现。

如图6所示，外螺纹22的牙型根部构造出颈缩段24，将外螺纹22设置成熔断结构，颈缩段24可以提升其熔断的灵敏度。

如图5所示，滑动面27不限于为圆锥面，还可以是球面，滑动面的中心线或中心对应前风扇轴承支撑的低压轴的轴线12设置。

在前述实施方式中，外螺纹22和内螺纹21的牙型为等腰梯形，但不限于此，也可以是三角形、或者其它形状，只要适合于连接即可。

如图1所示，发动机正常工作时，风扇轴3的前端由前风扇轴承4和后风扇轴承5支承。当风扇叶片1发生叶片脱落FBO事件时，巨大的冲击载荷及不平衡载荷通过风扇盘2传递到风扇轴3，风扇轴3将很大一部分载荷通过前风扇4将载荷传递到前锥壁6上，再通过连接件8传递到中介机匣9上；风扇轴3将另一部分载荷通过后风扇轴承5传递到中介机匣9上。中介机匣9上将承受非常大的FBO载荷，但由于在前锥壁6与中介机匣9的连接处设置可失效的螺纹结构7，这样前风扇与中介机匣9之间的传力路径解耦，由前风扇传递导致的弯矩不会传递到中介机匣上，转子也由亚临界变为超临界，有自定心作用。

当发生FBO事件时，如图3所示，外螺纹22发生失效，前锥壁6可以在连接件8上沿着空隙L1和L2移动，即前锥壁6的摆动自由度被释放，FBO产生的弯矩载荷不会传递到中介机匣9上，风扇转子的摆动半径变大，如图4所示，加速风扇叶片与风扇机匣之间的碰磨，转子转速降低，由于不平衡载荷与转速的平方成正比，所以不平衡载荷也急剧下降。仅非常小一部分载荷通过前锥壁6传递，螺牙21和中介机匣9起到限制前锥壁6脱落的作用，防止锥壁脱落后于风扇轴发生碰撞而引发轴的破坏。

为了更好地在螺纹结构处释放风扇轴的摆动自由度，连接件8的安装面优选为球面，如图5所示，球面27的球心在发动机低压轴旋转轴12上，当发生FBO后，螺纹结构失效，前锥壁6沿着连接件8的球面27滑动。

在前述实施方式中，为降低FBO事件给发动机带来的巨大不平衡载荷，同时为了减轻发动机的重量，提高经济效率，提出了一种可失效的螺纹连接结构，能避免减薄段方案的不易机加工、紧缩螺栓方案的分散性大等问题，其具有如下效果：

1.在前锥壁大端的安装边处、及对应的连接件安装边处加工螺纹结构，这2处安装边的刚度大，机加工不易变形，降低加工难度及加工成本；

2.当任意角度的风扇叶片发生FBO时，冲击载荷及不平衡载荷传递到前风扇轴承与中介机匣的安装边处，螺纹连接结构能及时失效，螺纹结构失效后，前风扇轴承支承锥壁能沿滑动面滑动，释放了不平衡载荷造成的弯矩；螺纹连接失效，中断载荷从1#传递至中介机匣的路径，防止中介机匣等主要承力结构失效；

3.螺纹连接失效后，前锥壁可以沿滑动面滑动，释放了前锥壁的弯曲自由度，增大风扇转子的摆动半径，加大风扇叶片与风扇机匣之间的碰磨量，加快转子的减速过程，不平衡载荷与转子转速平方成正比，所以显著降低不平衡载荷。

4.螺纹连接失效，降低风扇转子临界转速，转子由亚临界变为超临界，有自定心的效果，减缓不平衡载荷；

5.螺纹为环形结构，任意角度下的风扇叶片发生FBO，螺纹结构都能很快失效，起到熔断作用。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.风扇轴承支撑结构，包括前锥壁和连接件，所述前锥壁具有大端和小端，所述小端提供用于前风扇轴承安装的安装部，所述连接件用于连接到中介机匣，其特征在于，

所述大端提供有内螺纹，所述连接件提供有滑动面，所述滑动面上构造有外螺纹；

所述内螺纹和所述外螺纹连接，且所述内螺纹和所述外螺纹二者之一设置成熔断结构，以容许在风扇叶片脱落时作为牺牲部件而断裂；所述滑动面容许所述大端在所述熔断结构断裂后于所述滑动面上进行滑动；

所述大端与所述连接件二者之一还提供限位结构，用以限制所述大端脱落于所述连接件的所述滑动面。

2.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述前锥壁的所述大端的所述内螺纹的螺纹牙型宽度要大于所述连接件的所述滑动面上的所述外螺纹的螺纹牙型宽度，所述外螺纹设置成所述熔断结构。

3.如权利要求2所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述限位结构包括所述连接件的所述滑动面在所述外螺纹的前侧间隔一端距离设置的挡环，所述挡环的外径大于所述内螺纹的小径。

4.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，设置成所述熔断结构的所述外螺纹或内螺纹在牙型根部构造出颈缩段。

5.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述前锥壁的所述大端的壁厚要大于所述前锥壁中部的壁厚。

6.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述滑动面在所述外螺纹的前侧和/或后侧保留有一段球面。

7.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述连接件通过螺栓连接到中介机匣。

8.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述滑动面为锥面或球面，所述滑动面的中心线或中心对应前风扇轴承支撑的低压轴的轴线设置。

9.如权利要求1所述的风扇轴承支撑结构，其特征在于，所述外螺纹和所述内螺纹的牙型为等腰梯形。

10.一种燃气轮机，包括低压转子，所述低压转子包括风扇和风扇轴，其特征在于，所述风扇轴通过如权利要求1至9中任一项所述的风扇轴承支撑结构连接到中介机匣上。