CN100559021C - 带有与由第一和第二轴承支承的驱动轴为一体的风扇的涡轮喷气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮喷气发动机，它包括固定结构、与由第一轴承(6)和第二轴承(7)支撑的驱动轴(5)为一体的风扇转子(2)。其特征在于：它包括形成用于风扇转子(2)的轴向保持结构和形成紧急支承的、并与固定结构的装置(32，33)相协作的和被安装成与驱动轴(5)为一体的装置(28)。尤其该发动机包括在其上固定第二轴承(7)的一结构凸缘(18)，形成用于风扇(2)的轴向保持结构和形成紧急支承的装置包括一保持盘(28)，该盘安装在驱动轴(5)上和用于轴向保持风扇(2)的凸缘(18)的止动盘(33)和形成紧急支承的凸缘(18)的纵向套筒(32)相协作。

Description

带有与由第一和第二轴承支承的驱动轴为一体的风扇的涡轮喷气发动机

技术领域

本发明涉及喷气发动机领域，更具体地涉及它的风扇与由一第一和第二轴承支承的驱动轴为一体的发动机。

背景技术

沿排出气流的方向从上游至下游，所述涡轮喷气发动机包括一个风扇、一个或多个压缩机段、一个或多个涡轮段和排气管。风扇包括在它的周向设置有许多叶片的一转子，当被驱动时驱动空气进入涡轮喷气发动机。由发动机的低压转子轴支撑风扇转子。由第一轴承使它的中心处在喷气发动机的轴线上，尤其相对于中间壳体第一轴承处于连接至固定结构的第二轴承的上游。

在本说明书的余下部分中，既然风扇被安装成与压缩机轴为一体，该压缩机轴是在双体发动机中的低压转子的轴，因此该轴将被称为单一术语的“压缩机轴”。

由形成围绕压缩机轴的一外壳的一支撑件支撑第一轴承，该支撑件的方位处于第一轴承的下游和连接于喷气发动机的固定结构。第二轴承由也连接于喷气发动机的一固定结构的一支撑件支撑。

可能偶然地发生丢失一风扇叶片，这样，造成压缩机轴基本不平衡，导致在轴承上的负荷和振动，又通过它们的支撑件传送到喷气发动机的固定结构，因此可能损坏固定结构。

为了防止对喷气发动机的太大范围的损坏，该结构可能有过大的尺寸，或者如专利FR275024所提议的可以为第一轴承设置一分离系统。第一轴承的支撑件通过多个所谓剪切螺钉连接于喷气发动机的该结构，该螺钉有薄弱部分，如果施加的负荷太高该薄弱部分引起它们的断裂。因此，当在压缩机轴上发生不平衡时，在第一轴承上引起的应力被传送到剪切螺钉上，使该螺钉断裂，从发动机的该结构分离于第一轴承的支撑件。按照一实施例，将第二轴承的支撑件与第一轴承的支撑件相结合，在分离的情况下附带它。那么由不平衡所引起的应力不再通过这些支撑件传送至喷气发动机的固定结构。

但是，在轴承被分离之后风扇继续转动，可能压缩机不再能够围绕经历显著位移的它的轴线转动，这可能损坏喷气发动机的固定结构。在这情况下，专利FR2752024在喷气发动机的固定结构上提供了围绕两轴承的支撑件的和用作为轴向止动部分和用作为紧急支承(emergency bearing)的一隆起部分。

但是，在这情况下，该紧急支承在径向远离原来的轴承，这完全改变了许多发动机零件上的应力。

最后，由于第二轴承在某些情况下在第一轴承分离之后能够确保保持压缩机轴，因此不需要两轴承同时有规则地被分离，这是因为总是较佳的是将喷气发动机保持在最接近正常状态的结构之中。

发明内容

提出本发明以克服这些缺点。

为此，本发明涉及一种涡轮喷气发动机，它包括一固定结构、与由第一轴承和第二轴承支撑的一驱动轴为一体的一风扇转子，其特点在于：该涡轮喷气发动机包括形成用于风扇转子的轴向保持结构和形成一紧急支承的、与固定结构的装置协作和被安装成与驱动轴为一体的装置。

较佳地，由于喷气发动机包括其中固定第二轴承的一结构凸缘，因此形成用于风扇的轴向保持结构和形成一紧急支承的装置包括安装在驱动轴上、与用于轴向保持风扇的凸缘的一止动盘协作的一保持盘，和形成一紧急支承用的凸缘的一纵向套筒。

进一步较佳地，形成风扇的轴向保持和一紧急支承用的装置被设置成将轴向应力直接传送到驱动轴。如果不是这情况，在轴向保持风扇之时在轴承的支撑件上产生的应力能够沿着第二轴承的支撑件传送和导致在压缩机轴上的第二轴承的锁定螺帽的断裂。这断裂会消除第二轴承在压缩机轴上的轴向保持状态。随着风扇继续旋转，它将驱动压缩机轴向前运动、可能在不被轴向保持住的第二轴承上滑动，并滑到在这位置装配的其它构件上。其结果是风扇被推出喷气发动机外，它的后果将是灾难性的。

有利地，第二轴承包括一内环、一外环和安装在这两环之间的诸滚柱，保持盘包括诸径向齿，这些径向齿在轴向支撑在驱动轴的诸齿上和在转动方向被第二轴承的内环的诸纵向齿锁定。

附图说明

从以下结合附图的对本发明的涡轮喷气发动机的较佳实施例的叙述，会更易于理解本发明，在附图中：

图1示出了本发明的较佳实施例的轴向剖视轮廓图；

图2是图1中范围“C”内的区域放大图；

图3是本发明的较佳实施例的压缩机轴和结构凸缘的后视立体图；

图4是在本发明的较佳实施例中压缩机轴、结构凸缘和保持环后视分解立体图；

图5是在本发明的较佳实施例中压缩机轴、结构凸缘、保持环和第二轴承的内环的后视分解立体图；

图6是在本发明的较佳实施例中压缩机轴、结构凸缘、保持环和第二轴承的内环和用于第二轴承的支撑件的后视分解立体图；

图7是在本发明的较佳实施例中、在第二轴承的支撑件中内环安装的示意立体图；

图8是在本发明的较佳实施例中结构凸缘的立体图；

图9是在压缩机轴断裂之后、在本发明的较佳实施例中第二轴承的示意侧剖视图；以及

图10示出了本发明的另一实施例的剖视图。

具体实施方式

参阅图1，本发明的涡轮喷气发动机包括一风扇2，它的转子具有围绕喷气发动机的轴线4沿径向延伸的许多叶片。风扇轴2从叶片3的下游固定于整体圆筒形的压缩机轴5。这是低压压缩机轴。在本发明书的余下部分中，风扇轴2和压缩机轴5的组合将称为压缩机轴5或驱动轴5。由第一轴承6和位于第一轴承6的下游的第二轴承7支撑该压缩机轴。

参阅图2，第一轴承包括一内环8和一外环9和安装在其中的诸球轴承10。内环9被安装成与压缩机轴5成一体，外环与以下称为第一轴承支撑件11的轴承支撑件11成一体。诸球轴承10使内环8转动，因此压缩机轴5相对于外环和相对于第一轴承支撑件11可转动。

第一轴承支撑件11从第一轴承6向下游方向延伸，它为整体圆筒形、略有锥形，它的直径向下游方向增加。通过在其中拧入诸剪切螺钉13的一下游夹持部分(downstream clamp)12，该第一轴承支撑件11安装在喷气发动机1的固定结构的凸缘18上，尤其与发动机的中间壳体、以下被称的结构凸缘18为一体。这些剪切螺钉13包括薄弱部分13′，在应力变得太高时该薄弱部分对拉力具有较低的抗力，以致使它们断裂，尤其是在丢失叶片3之后在压缩机轴5上产生不平衡时。

第二轴承7包括一内环14和一外环15、安装在这两环之间的诸滚柱16。将内环14安装成与压缩机轴5为一体，在正常工作时将外环15安装成与喷气发动机1的固定结构成一体，如以下所述。将许多滚柱16安装成平行于喷气发动机1的轴线4，并处于围绕内环14的周边延伸的一滚道14a内，以及被该领域的熟练人员众所周知的保持架17保持并相互被分开。它们允许内环14相对于外环15转动，因此允许压缩机轴5相对于喷气发动机1的固定结构转动。

由以下称为第二轴承支撑件的轴承支撑件19支撑第二轴承7，该支撑件包括紧密地围绕第二轴承7的外环15的一壳体20或环20，在该支撑件的周边上径向延伸一固定夹持部分21，用剪切螺钉将该固定夹持部分拧至结构凸缘18。

第二轴承7的外环15包括当在轴向剖面中观察时为一凸球形外表面23。该凸球形表面23配合在第二轴承支撑件19的环20的为一凹球形外表面24上。在两个球形表面、凸球面23和凹球面24之间形成为一球关节(23，24)的连接。它们被设置成在喷气发动机1的正常工作下形成球关节(23，24)的连接不转动。那么，第二轴承7的外环15相对于第二轴承支撑件19和因此相对于喷气发动机1的固定部分固定。以下将叙述万一失去一叶片3时它的性能。

通过参照图3至6叙述它的构件的安装将叙述在第二轴承7的区域中喷气发动机1的构件的结构，这些附图有助于理解它们的设置。

参照图3，在结构凸缘18之上，压缩机轴5包括两个突出的环形部分，上游的部分25和下游的部分26，以形成一环形凹槽27。突出部分26包括许多径向凹槽26′，从而在它们之间形成多个齿26″。多个齿26″和凹槽26’较佳地是有相等的周向尺寸，因此总体上各自延伸在压缩机轴5的圆周的一半上。

参阅图4，将保持盘28安装在压缩机轴5的环形凹槽27内。该保持盘28在它的内径向边包括其周向尺寸对应于压缩机轴5的凹槽26′和齿26″的周向尺寸的许多凹槽28′和径向齿28″。在安装时，向上游方向将保持盘28装在压缩机轴5上，它的诸齿28″嵌入压缩机轴5的诸凹槽26′内，直至它们抵靠着压缩机轴5的上游突出环部分25的下游表面；然后围绕喷气发动机1的轴线4转动保持盘28，直至它的齿28″沿轴向与压缩机轴5的齿对齐；在这位置它们被关闭在压缩机轴5的上游突出的环形部分25的下游表面与齿26″的上游表面之间，同时压缩机轴5和保持盘28的凹槽26′、28′沿轴向对齐。

参阅图5，第二轴承7的内环14在它的上游部分包括许多凹槽14′和纵向齿14″，它们的周向尺寸相应于前面叙述的凹槽26′、28′和齿26″、28″的周向尺寸。将内环装配在压缩机轴5上，将它的齿14″插入压缩机轴5的和保持盘28的凹槽26′、28′中，直至它们抵靠着压缩机轴5的上游突出的环形部分25的下游表面，那么它的凹槽14′的横向表面抵靠着压缩机轴5的齿26″。因此，在转动方向内环14的齿14″锁定保持盘28，它的齿28″抵靠着压缩机轴5的齿26″。

参阅图6，将滚柱16安装在内环14上、为此目的提供的滚道14a内；没有示出将它们保持在一起的保持架17。

将安装在第二轴承保持件19内的第二轴承7的外环15装配在诸滚柱16的周围；从轴向剖面观察，外环15的内表面15a是直线的，比滚柱具有较长的纵向尺寸。通过剪切螺钉22将第二轴承支撑件19的夹持部分21固定于结构凸缘18。现在将参照图7说明将第二轴承7的外环15装在第二轴承支撑件19的环20内，以致形成产生球关节(23，24)的连接。第二轴承支撑件19的环20包括两个安装凹槽20′、20″，它们是直径相对的，它们的周向尺寸对应于第二轴承7的外环15的纵向尺寸。在面对第二轴承19的侧面上示出了外环15，以及将它滑动进入这些凹槽20′、20″。然后，将它转动90°，以致它的外表面支撑在第二轴承支撑件19的环20的内表面24上，从而形成产生球关节(23，24)的连接。

从第二轴承7的内环14的下游可以将其它零件装配在压缩机轴5上。例如，在这情况中设置了一运动保持装置(movement capturing device)29(参阅图1和2)，它与一所谓的迷宫式接头30一起用于通过压缩机轴5的运动传动其它零件。在装配了全部零件时，用锁紧螺帽31沿轴向锁紧该组件。

参阅图8，结构凸缘18在它的中心开孔。在它的中心部分内，它包括一纵向套筒32、在它的上游端的一止动盘33，该盘连续地和径向地朝内延伸，它的内边缘形成凸缘18的中心孔。将止动盘33设置成使保持环28的上游表面34能够抵靠在它的下游表面35上。将由这两表面34、35形成的支撑表面34、35设置成互补形状，以致一个在另一个上的支撑尽可能地均匀一致。在本发明的涡轮喷气发动机1的这里所述的实施例中，支承表面34、35是锥形的。这些支承表面也能够是平面的，或者有利地是球面的。止动盘33的作用是万一断裂时沿轴向阻挡压缩机轴5，以致如后面将说明的那样与其为一体的风扇2不会被向前推动。

以下将详细叙述万一丢失风扇2的一叶片3时本发明的涡轮喷气发动机1的功能。

一叶片3的丢失引起在压缩机轴5上的不平衡。产生的应力引起将第一轴承支撑件11固定于结构凸缘18的剪切螺钉13的断裂，以及这支撑件11脱离喷气发动机1的固定结构。

随后第二轴承7不一定脱离喷气发动机1的固定结构1，产生球关节(23，24)的连接使它可以吸收压缩机轴5的某些弯曲。我们观察到：进行了在第二轴承支撑件19的环20内的第二轴承7的外环15的调节，以使在喷气发动机1的正常工作下产生球关节(23，24)的连接不转动，但是万一在压缩机轴5上不平衡时它能够转动。因此，压缩机轴5的弯曲引起产生球关节(23，24)的连接围绕由形成这球的球表面23、24所形成的球中心的转动。

但是，倘若压缩机轴5的弯曲很严重，或者倘若这弯曲不可能被产生球关节(23，24)的连接的简单转动吸收，尤其如果弯曲相对于喷气发动机1的轴线是偏离中心的，那么将第二轴承支撑件19固定于结构凸缘18的剪切螺钉22将断裂。这断裂能造成第二轴承7的和它的支撑件19沿径向移动。此外，通过滚柱16在第二轴承7的外环15的内表面15a上的轴向滑动允许纵向移动，该内表面的纵向尺寸大于滚柱16的纵向尺寸。

因此，通过本发明，由于在第二轴承处允许径向的、纵向的和角度方向的运动，在第二轴承7处承受了第一轴承6的分离运动，不会在滚柱16上引起越大的应力，不会妨碍许多零件的运动。

倘若滚柱16断裂，然而，保持盘28通过它的径向外表面36能够抵靠于凸缘18的纵向套筒32的内表面37；那么这些零件以紧急支承发挥其作用。倘若对于盘28和套筒32要求这功能，可以相应地确定在保持盘28的外表面36与纵向套筒32的内表面之间径向距离的尺寸。

尽管有以上所述的多个安全装置，仍然可能发生压缩机轴5的断裂。因此提供最后的安全系统。万一压缩机轴5断裂，转动的风扇2使它和与它为一体的压缩机轴5一起向前。那么保持盘28的上游表面34变成抵靠于与喷气发动机1的固定结构为一体的止动盘33的下游表面35。因此止动盘33在万一压缩机轴5(或者压缩机轴5与其为一体的涡轮轴)断裂时起到用于风扇2的轴向止动件的作用。在此保持盘28的和止动盘33的两支承表面34、35分别为球形的优点就变得很明显：在接触时不管压缩机轴5相对于结构凸缘的倾斜如何，它都能均匀一致的接触。

在接触时和接触之后，由保持盘28将应力传送到它的齿28″，该齿又将应力传送到压缩机轴5的齿26″，因此传送到压缩机轴5。所以，通过在压缩机轴5上保持盘28的和第二轴承7的内环14的设置，由止动盘33所产生的风扇2的轴向保持所引起的应力不传送到锁定螺帽31，如果有这传送将会有灾难性的后果，这是由于锁紧螺帽31的断裂会导致围绕压缩机轴5装配的许多零件的滑动以及风扇2的和压缩机轴5的向前推进；但是，相反的话，这些应力被传动至压缩机轴5。

关于本发明的装置，因此可以保证在第二轴承7处沿轴向保持住压缩机轴，因此沿轴向保持住风扇2，同时没有任何保持应力会传送到第二轴承7的锁定螺帽31。

由于它们的功能是辅助的，所以已结合产生球关节(23，24)的连接叙述了按照本发明的喷气发动机的紧急支承装置和轴向保持。

显然，带有它的保持盘28和止动盘33的、被设置成使它们的接触应力不传送到锁紧螺帽31而是直接传送到压缩机轴5的本发明的装置可以应用于包括由两轴承6、7支撑的压缩机轴5的任何型式的喷气发动机，而与这两轴承6、7的型式无关。

例如，在图10中，可以看到实际上类似于以上述的喷气发动机1的涡轮喷气发动机41。尤其它包括由一第一轴承46和一第二轴承47支撑的传动轴45。由连接于类似以上所述的凸缘18的凸缘418的支撑件411支撑第一轴承46。凸缘418在它的中央部分也包括一纵向套筒432，在该套筒的上游端是连续地和径向朝内延伸的一止动盘433，它的内边缘形成凸缘418的中心孔。

第二轴承47包括一类似于以上所述的内环14的内环414和一外环415，在这内、外环之间安装诸滚柱416。外环415在它的外周上包括固定于凸缘418的一固定夹持部分421。将类似于以上所述的保持盘28的一保持盘428以类似方式安装在驱动轴45上。

在此将保持盘428设置成使在它的外表面436与纵向套筒432的内表面437之间的径向距离相当短，以致能够适当地保证保持盘428的和纵向套筒432的紧急支承功能。因此，倘若滚柱416断裂，保持盘428的外表面436将变成抵靠于纵向套筒432的内表面437，以履行它的作为紧急支承的功能，而不会有太大的径向位移。

如以上所述，万一压缩机轴45断裂，保持盘428的上游表面434变成抵靠于止动盘433的下游表面435，止动盘起到万一压缩机轴45断裂时用于风扇的轴向止动件的作用。如以上所述，包括434、435的两轴承表面可以是平面的、横向的、锥形的或球面的。

Claims (4)

1.一种涡轮喷气发动机，它包括一固定结构、与由第一轴承(6)和第二轴承(7)支撑的一驱动轴(5)为一体的一风扇转子(2)，其特征在于：该发动机包括一装置(28)，该装置(28)用于形成风扇转子(2)的轴向保持结构和形成紧急支承，该装置(28)与固定结构的装置(32，33)相协作以及被安装成与驱动轴(5)为一体(28)。

2.如权利要求1中的涡轮喷气发动机，其特征在于：包括其上固定第二轴承(7)的一结构凸缘(18)，在该凸缘内形成用于风扇(2)的轴向保持结构和形成紧急支承的装置包括一保持盘(28)，该保持盘(28)安装在驱动轴(5)上、与用于轴向保持风扇(2)的凸缘(18)的止动盘(33)和形成紧急支承的凸缘(18)的纵向套筒(32)相协作。

3.如权利要求1或2中的涡轮喷气发动机，其特征在于：形成用于风扇(2)的轴向保持结构和形成紧急支承的装置被设置成将轴向应力直接传送到驱动轴(5)。

4.如权利要求3中的涡轮喷气发动机，其特征在于：第二轴承包括一内环(14)、一外环(15)和安装在所述两环(14，15)之间的诸滚柱(16)，保持盘(28)包括诸径向齿(28″)，这些径向齿在轴向支撑在驱动轴(5)的齿(26″)上和在转动方向被第二轴承(7)的内环(14)的纵向齿(14″)锁定。

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