CN102834316B - 用于涡轮发动机的无导管涡扇及涡轮发动机 - Google Patents

用于涡轮发动机的无导管涡扇及涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

一种可变节距叶片的无导管涡扇，所述叶片各自具有从外部啮合在环形转子部件的径向壳体中的根部(38)，并被一堆滚动轴承(76，94)导引以绕叶片各自的轴线转动，一个轴承由安装在环形主体(40)的槽(50)中的圆筒形裙部(56)的环形段(54)和螺纹固定在圆筒形裙部(56)上的锁定螺母(64)承载。所述轴承(94)被环(100)从外部覆盖，所述环包括与径向壳体的内部爪式离合器齿(112)配合的外部爪式离合器齿(108)，以在轴向上将所述环(100)保持在径向壳体中。啮合在径向壳体的爪式离合器齿与所述环的爪式离合器齿之间的闭锁装置防止所述环(100)转动，并防止所述环(100)在轴向上从径向壳体中脱出。

Description

用于涡轮发动机的无导管涡扇及涡轮发动机
技术领域
本发明涉及一种具有变节距叶片的涡轮发动机涡扇，该涡扇是无导管类型或者是开放转子类型的。
背景技术
这种类型的涡轮发动机具有两个在共轴上反转的外部涡扇，这两个涡扇分别位于上游和下游，分别由发动机的涡轮机驱动旋转，而且基本上在涡轮发动机的发动机舱的外部沿径向延伸。
每个涡扇包括转子部件，转子部件具有基本上为圆筒形的绕发动机的纵轴分布的径向壳体，涡扇叶片支撑板安装在径向壳体内。例如，每个叶片包括楔形榫截面的根部，根部在径向上与支撑板上的互补形状的槽啮合并保持在其中。
每个支撑板包括基本上为圆筒形并螺纹紧固在圆筒形环中的主体，通过滚柱轴承或滚珠轴承类型的滚动轴承，圆筒形环的中心位于转子部件的壳体中，并在其中被引导旋转。
支撑板和环能够在转子部件的壳体中转动，通过合适的装置使它们绕叶片的轴转动，以调整叶片的角节距。
不过，由于叶片通过支撑板和环之间的螺纹在径向上保持在径向壳体中，这些螺纹面临快速恶化的危险，从而限制了涡扇的生命周期，这种安装类型并不能让人满意。
在本发明的申请人所提出的专利申请FR09/01343中，申请人已经提出形成从叶片支撑板的外表面突出的齿，支撑板从外部啮合在径向壳体中，支撑板的齿与从外部啮合在壳体中的环的内表面上的互补型齿配合。
不过，在这种类型的配置中，拆卸叶片需要先进入从壳体的内部安装的环，以径向地闭锁支撑板，从而需要拆掉转子毂的部件。在这种情况下，在中途停留时，也就是飞机停靠在机场时，不能简单快速地拆卸叶片。
在这种情况下，例如，当叶片由编织的碳纤维复合材料制成时，不能制成楔形榫形的叶片根部，叶片根部通常是圆筒形的。
从而，在申请人所提出的专利申请FR10/50234中，圆筒形叶片根部在其内端具有环形轴环。内部支撑环绕根部牢固地安装，并在底端包括环形轴环，该轴环与根部的环形轴环配合，以将在径向上保持根部。内部环通过轴承滚珠连接到两个在轴向上隔开并螺纹固定到径向壳体中的外部环。
在该实施例中，从壳体的内部一个接一个地将轴承滚珠插入到位于内部环和外部环之间的空间中，从而需要相当长的时间来将每个叶片安装到位。另外，安装每个轴承滚珠会导致在内部环和外部环之间插入污染物，例如，会破坏滚珠和轴承座圈的研磨粉末。
发明内容
本发明的具体目的是为这些问题提供一种简单、有效而且成本低廉的解决方案。
为了实现这个目的，本发明提供了一种用于涡轮发动机的无导管涡扇，该涡扇具有安装的风扇叶片，风扇叶片绕各自位于环形转子部件的径向壳体中的轴转动，每个叶片具有圆筒形主体的根部，该根部从外部啮合在径向壳体中，并被两个滚动轴承引导绕它位于径向壳体中的轴线转动，所述涡扇的特征在于，第一轴承由径向壳体的径向内端的环形轮缘承载，第二轴承由环的外部覆盖，该环环绕叶片根部的圆筒形主体，并包括与径向壳体的内爪式离合器齿配合的外爪式离合器齿，以将该环沿轴向保持在径向壳体内，其特征还在于，闭锁装置啮合在径向壳体的爪式离合器齿与该环的爪式离合器齿之间，以防止该环转动，防止该环在轴向上从径向壳体脱出。
与现有技术不同，第一滚动轴承在组装状态下从外部安装到径向壳体内，安装到径向壳体的径向内端的轮缘上。第二滚动轴承同样在组装状态下绕根部安装，由安装在环形槽上的环形段承载，并由螺纹固定在环形段的圆筒形裙部上的螺母保持在环形槽中。
由叶片、第二轴承、环形段以及螺母组成的组件在轴向上从外部与径向壳体啮合。通过与不从径向壳体的内部安装而是从外部安装的环在径向上将叶片闭锁在径向壳体中，而在现有技术中环是从内部安装的。该环具有一组爪式离合器齿，这组爪式离合器齿被啮合和闭锁，以在径向上支撑在径向壳体的一组互补的爪式离合器齿上，适于承受在工作中施加在叶片上的离心力。
为了从环的外部将叶片安装到径向壳体中，可以理解的是，在绕叶片根部安装第二轴承之前，需要绕根部安装该环。从而，通过爪式离合器齿将该环固定在径向外壳中之前，安装该环，并使之处于等待位置。
从而，不通过螺纹，而是通过爪式离合器齿系统在径向上保持叶片，由于该环从外部固定，有利地可以在不对转子的轮毂进行操作的情况下从外部对安装在飞机上的发动机上执行安装叶片和拆除叶片的操作。
根据本发明的另一个特征，将环绕叶片根部的环形盖板螺纹固定到径向壳体的外端，以防止闭锁装置在轴向上退出。由于固定盖板的螺纹用于在径向上只保持闭锁装置，而不用于在径向上保持叶片，因此，螺纹固定从而在工作中不会受到传递来自叶片的离心力的应力的作用，固定盖板的螺纹不存在任何难度。
根据本发明的又一个特征，环形段包括两个部分，这两个部分首尾相连地安装在叶片主体的槽中。
环形段的圆筒形裙部可以包括至少一个轴向突出的齿，该齿啮合在圆筒形主体的缩进中，并进入环形槽中，以防止环形段在圆筒形主体上转动。
有利地，锁定垫片置于螺母和环形段之间，并通过配合形状与螺母和环形段配合，以防止螺母在叶片根部上转动。
在本发明的一个具体实施例中，环具有三个爪式离合器齿，这些齿轴环的轴线均匀分布，每个齿具有大约60°的角范围。
用于防止环在径向壳体内转动的闭锁装置可以包括多个圆柱形扇形体形式的隔离器，这些隔离器通过轴向平移从外部啮合在环的爪式离合器齿和径向壳体的爪式离合器齿之间。例如，通过在平行于径向壳体的轴线的方向上平移隔离器，将每个隔离器插入在环的两个连续齿之间以及径向壳体的两个连续齿之间。这些隔离器在圆周方向上紧靠环的爪式离合器齿以及径向壳体的爪式离合器齿，相互配合，以防止环在径向壳体中转动。
有利地，另一个锁定垫片置于盖板和环之间，并通过配合形状与盖板和环配合，以确保盖板与环一起旋转。
根据本发明的另一个特征，叶片根部是中空的，并包括通过粘合剂固定到其内表面和外表面的金属增强件，例如，这种类型的增强件可以与由碳纤维复合材料制成的叶片一起使用。在这种情况下，用于容纳环形段的圆筒状裙部的环形槽形成在外部增强件的外表面上。
有利地，叶片根部的壁基本上具有不变的厚度，并包括与增强件上的波纹配合的互补波纹，这些波纹通过相互配合的形状起作用，更好地将这些增强件固定在叶片根部上。
本发明还提供了一种诸如飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机之类的涡轮发动机，该涡轮发动机至少包括一个上述的涡扇。
附图说明
阅读下文通过非限定性实例并参照附图所给出的说明，可以更好地理解本发明，而且，也可以了解到本发明的其他细节、优点以及特征。其中：
图1是具有无管道涡扇的涡轮发动机的示意性轴向剖视图；
图2是包含转子部件的径向壳体的轴的平面上的示意性剖视图，其中，在转子部件上安装和固定有根据本发明的涡扇的叶片；
图3是图2中的转子部件的示意性透视图；
图4是图2中所示的除转子部件外的多个部件的示意性分解透视图；
图5是另一个示出了图2中的除了转子部件外的多个部件的示意性分解局部剖切透视图；
图6至图11是示出了图2中的转子部件、支撑滚珠轴承的叶根、闭锁环和顶盖的示意性局部剖切透视图，并示出了安装这些部件的步骤。
具体实施方式
首先参照图1，图1示出了具有无导管涡扇(还被称为开式转子)的涡轮发动机10，该涡轮发动机在气体通过涡轮发动机的上游到下游的方向上包括：压缩机12；环形燃烧室14；高压涡轮机16；以及两个低压涡轮机18和20，这两个低压涡轮机反转，即，这两个低压涡轮机绕涡轮发动机的纵轴A在两个相反的方向上旋转。
这些下游涡轮18和20中的每一个均驱动外部涡扇22、24旋转，这些涡扇在涡轮发动机的发动机舱26的外部沿径向延伸，发动机舱26基本上是圆筒形的，并围绕绕压缩机12、燃烧室14、以及涡轮机16、18和20沿着轴线A延伸。
进入涡轮发动机的气流28被压缩，然后与燃料混合并在燃烧室14中燃烧，然后，燃烧气体通过这些涡轮机，以驱动涡扇22和24旋转，这些涡扇传送涡轮发动机所产生的大部分推力。离开涡轮机的燃烧气体通过喷嘴32(箭头30)喷出以增大推力。
涡扇22和24共轴前后布置，这两个涡扇中的每一个均包括绕涡轮发动机的轴线A均匀分布的多个叶片。这些叶片基本上沿轴向延伸，而且具有可变节距，也就是说，这些叶片可以绕它们各自的轴转动，以优化它们的作为涡轮发动机的工作条件的函数的角位置。
根据本发明，如图2至图5所示，每个涡扇包括由多边形环34组成的转子部件，多边形环34绕涡轮发动机的轴线A延伸，并包括多个基本上为圆筒形的径向壳体36，涡扇叶片的根部啮合在径向壳体36中。
每个叶片的根部38是中空的，并包括基本上为圆筒形的圆筒体40，该圆筒体40啮合在多边形环34的径向壳体36中。在根部38的径向内部端部形成有环形轴环42。圆筒体40具有两个金属增强件44和46。第一金属增强件44在底端具有环形轴环48，并通过径向平移啮合在根部内部，使得其环形轴环与根部的环形轴环42接触。第二金属增强件46在根部的外侧绕根部安装，在轴向上紧靠在根部38的环形轴环42定位第二金属增强件46的底端。例如，通过粘合剂将金属增强件44和46固定到根部。
外部金属增强件46包括外部环形槽50和两个完全相对的缩进，这两个缩进52形成在环形槽50的底部轮缘上，并向环形槽50的内部敞开。
环形段54安装在环形槽50中，并包括圆筒形裙部56，该圆筒形裙部56在径向外端连接到径向环形轮缘58，径向环形轮缘58在其圆周上包括四个均匀分布的凹槽60。圆筒形裙部的内端具有两个在轴向上向壳体的内部突出并彼此完全相对的齿62。这两个齿62啮合在外部金属增强件46的缩进52中。圆筒形裙部56的外表面包括用于啮合螺母64的螺纹，螺母64用于将环形段54锁定在环形槽50中。
环形段54由两个部分66和68制成，以确保环形段安装在叶片主体的环形槽50中。
优选地，环形段54被制成为单体部件，然后，在该环形段54的圆筒形裙部56的外表面形成螺纹。然后，将该环形段54切成两个部分，每个部分占有180°的角范围。在单件环形段54上形成螺纹，用来确保环形段54的两个部分66和68的每一个上的螺纹在环形段安装在叶片主体的环形凹槽中时是对齐的。
第一垫片70在轴向上插入在螺母64和环形段54的环形轮缘58之间，第一垫片在其外表面上包括第一襟翼72，第一襟翼72向外折，并啮合在环形段54的环形轮缘58的凹槽60中，以防止第一垫片70相对于环形段54移动。
第一垫片70在其外圆周上还包括第二襟翼74，第二襟翼74向内折，并啮合在螺母64的外圆周上的齿之间，以防止第一垫片70相对于旋紧在环形段54上的螺母64转动。
第一滚珠轴承76安装在径向壳体36中，并由径向壳体36的径向内端的环形轮缘78所承载。第一滚珠轴承76的环80制成在预应力的垫片82上，垫片82插入在径向壳体36的环形轮缘78和滚珠轴承76之间。预应力的垫片82限制了对径向壳体36的环形轮缘的冲击，并具有0.5mm至0.8mm量级的厚度。第一滚珠轴承76的另一个环84与螺母64的径向内端接触，并与叶片根部的外部金属增强件46接触。径向外壳的环形轮缘78的内圆周包括环形槽86，在该环形槽中，与叶片根部的圆筒形主体接触地安装有环形密封环(未示出)。在径向外壳的环形轮缘78的内表面上也形成由环形槽88，该环形槽88包括另一个与内部环形盖板90配合的环形密封环(未示出)，该内部环形盖板90从内部旋抵在轮缘78的外圆周上。内部环形盖板90包括作为通过装置的中心开口92，用于设置叶片的角位置。
第二轴承94通过其内环95支撑在环形段54的环形轮缘78的外表面上。第二轴承94的外环96支撑在覆盖第二轴承94的环100的径向环形轮缘98的内表面上。环100的环形轮缘98在其内圆周上包括环形槽102，在该环形槽中容纳有与叶片根部的主体的顶端配合的环形密封环(未示出)。
环100具有顶部104，顶部104在其内圆周上具有绕环100的轴线均匀分布的多个凹槽106。在环100的外圆筒形表面上形成由多个径向向外突出的爪式离合器齿108。在图中示出了该实施例中的这些齿108中的三个齿，这些齿中的每一个均在大约60°的角度上延伸。
径向外壳还包括绕径向壳体的轴线D均匀分布的三个爪式离合器齿112。这些齿112形成在该径向壳体的圆筒形内表面上，每个齿均在大约60°的角度上延伸。
当涡轮发动机停机时，环100轴向支撑在径向外壳的环形肩部110上，在环100的爪式离合器齿108和径向壳体的爪式离合器112之间存在轴向间隙。为了确保将环100安装在径向壳体中，这个轴向间隙是必要的。在操作中，离心力驱使环100的爪式离合器齿108在轴向上支撑在径向壳体的爪式离合器齿112上。
诸如圆筒形扇形体之类的闭锁隔离器114在轴向上啮合在环100的爪式离合器齿108与径向壳体的爪式离合器齿112之间，并在径向上紧靠径向壳体的肩部110。在图中所示的实施例中，隔离器114在大约60°的角度上延伸，其径向尺寸足以使隔离器在圆周上踩入在环100的爪式离合器齿108与径向壳体的爪式离合器齿112之间。
环形盖板116螺纹固定在径向壳体的径向外端上，并在其内圆周上包括均匀分布的凹槽118。
第二垫片120介于环100与盖板116之间，并包括向外折入盖板116的凹槽118中第一襟翼122和向内折入环100的的凹槽106中的第二襟翼124。这种结构防止盖板116在环100上转动，而环100自身由闭锁隔离器114防止转动。
在径向壳体的外圆周以及环的上部中提供有环形槽126，这些槽容纳与环形外盖板116的内表面配合的环形密封环(未示出)。
按照如下步骤(图6至图11)将叶片安装在多边形环100的径向壳体中。
首先，平移外环形盖板116、第二垫片120以及闭锁环100，使之在根部38的底端绕根部啮合，使这些部件准备就绪以备后续使用。将第二轴承94作为单个部件绕叶片根部安装。在外金属增强件46的环形凹槽中首尾相连地布置环形段的两个部分66和68，使得圆筒形裙部56的齿62进入槽50的缩进52中，以防止环形段54在环形槽中转动(图6)。绕根部安装第一垫片70，将螺母64螺纹固定在环形段的圆筒形裙部56上。折叠第一垫片70的第一襟翼72和第二襟翼74，以防止螺母64在环形段54上转动(图7)。
在其他的操作中，还将预应力的垫片82安装在径向壳体中，在组装状态下将第一轴承76安装在环形轮缘78上。
此后，叶片根部在轴向上与径向壳体啮合，形成隔离器的螺母64支撑在第一轴承76上。对闭锁环100进行角定位，闭锁环100的爪式离合器齿108在轴向上在径向壳体的爪式离合器齿112之间啮合(图9)。然后，在轴向上插入闭锁环100，使其在轴向上紧靠径向壳体的环形肩部110，然后，使闭锁环100旋转60°，这个角度对应于离合器齿的角范围，以在径向壳体中在轴向上闭锁环100(图10)。三个闭锁隔离器114在轴向上从外部啮合在闭锁环100的爪式离合器齿108和径向壳体的爪式离合器齿112之间，以防止环100在径向壳体中转动(图4和图11)，这些隔离器114还在轴向上紧靠径向壳体的环形肩部110。
最后，将外盖板116螺纹固定在径向壳体的外侧，然后，折叠第二垫片的襟翼122和124，以防止盖板116在环100上转动(图2)。
根据本发明，将叶片根部固定在其径向壳体上所需的所有部件均从径向壳体的外部安装，从而使得在中途停留时可以快速地将叶片从发动机上拆卸下来，而发动机依然安装在飞机上。另外，滚珠轴承76和94在处于组装状态时安装，不像现有技术那样处于非组装状态安装，从而限制了向这些轴承引入研磨成分的风险。
在操作中作用在这些叶片上的离心力通过支撑在径向壳体的爪式离合器齿112上的环100的爪式离合器齿108传递，而不是通过螺纹，从而增强了以这种方式组装的涡扇的使用寿命。
在本发明的一个变型实施例中，叶片根部的厚度基本不变，并包括与金属增强件的互补波纹相互配合的波纹，以增强叶片根部与内部金属增强件和外部金属增强件之间的附着力。有利地，波纹的曲率半径大于4mm。
通过编织碳纤维复合材料来制成叶片。
在参照附图所描述的这些实施例中，环100具有单环形排的爪式离合器齿108。不过，本发明还覆盖了闭锁环100具有两个环形排的爪式离合器齿108，这两排爪式离合器齿在轴向上彼此间隔，每一排均与径向壳体的爪式离合器齿的环形排配合。在第一种配置中，两排爪式离合器齿一起有助于在径向上保持叶片。在第二种配置中，两排中的一排爪式离合器齿支撑在径向壳体的一排爪式离合器齿上，而另一排爪式离合器齿在安装过程中与径向壳体的另一排爪式离合器齿有一定的间隔，目的是在闭锁环的第一排爪式离合器齿破裂的情况下将叶片保持在径向上并传递离心力。在申请人之前的专利申请No.FR09/04126中详细地说明了这种类型的配置。
为了承受操作过程中30公吨量级的离心力，图中所示的闭锁环100的爪式离合器齿108具有12mm量级的轴向厚度。在闭锁环100具有一起支撑的两排爪式离合器齿的情况下，爪式离合器齿的轴向厚度可以减半，大约6mm左右。

Claims (12)

1.一种用于涡轮发动机的无导管涡扇，所述涡扇具有安装绕环形转子部件(34)的径向壳体(36)中的各自的轴线转动的风扇叶片，每个叶片具有圆筒形主体(40)的根部(38)，所述根部从外部啮合在径向壳体(36)中，并被两个滚动轴承(76，94)引导，绕其位于径向壳体(36)中的轴线转动，所述涡扇的特征在于，第一轴承(76)由所述径向壳体的径向内端的环形轮缘承载，第二轴承(94)由安装在圆筒形主体(40)的槽(50)中的圆筒形裙部(56)的环形段(54)和锁定螺母(64)承载，锁定螺母(64)螺纹固定在所述环形段的圆筒形裙部(56)上，并形成了支撑在第一轴承(76)上的隔离器，第二轴承(94)在外部由环(100)覆盖，所述环环绕叶片根部的圆筒形主体(40)，并包括与所述径向壳体的内爪式离合器齿(112)配合的外爪式离合器齿(108)，以在轴向上将所述环(100)保持在环径向壳体中；闭锁装置(114)啮合在所述径向壳体的内爪式离合器齿(112)与所述环(100)的外爪式离合器齿(108)之间，以防止所述环(100)转动，并防止所述环(100)在轴向上从所述径向壳体脱出。
2.根据权利要求1所述的涡扇，其特征在于，环绕所述叶片根部的环形盖板(116)螺纹固定到所述径向壳体的外端，以防止所述闭锁装置(114)在轴向上脱出。
3.根据权利要求1或2所述的涡扇，其特征在于，所述环形段(54)包括首尾相连安装在所述叶片的圆筒形主体的槽(50)中的两个部分(66,68)。
4.根据权利要求3所述的涡扇，其特征在于，所述环形段(54)的圆筒形裙部(56)包括至少一个轴向突出的齿(62)，所述齿啮合在所述圆筒形主体(40)的缩进(52)中，并进入槽(50)中，以防止所述环形段(54)在所述圆筒形主体(40)上转动。
5.根据权利要求1或2所述的涡扇，其特征在于，第一锁定垫片(70)置于所述螺母(64)和所述环形段(54)之间，通过配合形状与所述螺母(64)和所述环形段(54)配合，以防止所述螺母(64)在所述叶片根部上转动。
6.根据权利要求1或2所述的涡扇，其特征在于，所述环(100)具有三个外爪式离合器齿(108)，这三个齿绕环的轴线均匀分布，每个齿具有大约60°的角范围。
7.根据权利要求1或2所述的涡扇，其特征在于，所述闭锁装置包括圆柱形扇形体形式的隔离器，所述隔离器通过平移从外部啮合在所述环(100)的外爪式离合器齿(108)与所述径向壳体的内爪式离合器齿(112)之间。
8.根据权利要求2所述的涡扇，其特征在于，第二锁定垫片(120)置于所述环形盖板(116)和所述环(100)之间，并通过配合形状与所述环形盖板(116)和所述环(100)配合，以保证所述环形盖板(116)与所述环(100)一起旋转。
9.根据权利要求1或2所述的涡扇，其特征在于，所述叶片根部是中空的，并包括通过粘合剂固定到其内表面和外表面的金属增强件(44，46)。
10.根据权利要求9所述的涡扇，其特征在于，所述叶片根部的壁基本上具有不变的厚度，并包括与所述增强件的互补波纹配合的波纹。
11.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机的特征在于，其包括至少一个之前任何一项权利要求所述的涡扇。
12.根据权利要求11所述的涡轮发动机，该涡轮发动机为飞机涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机。
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