CN105308332B - 用于喷气发动机的风扇盘以及喷气发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮喷气发动机(1)的风扇盘(10)，气体在所述涡轮喷气发动机中沿流通方向流通，其特征在于，所述风扇盘具有发夹形径向截面，所述发夹形径向截面包括：第一分支(12)，所述第一分支设计成固定至所述涡轮喷气发动机(1)的驱动轴(20)；第二分支(16)，所述第二分支在所述第一分支(12)对面延伸并且设计成支撑多个风扇桨叶(3a)；以及弧线形的连接壁(14)，所述弧线形的连接壁在所述第一分支(12)和所述第二分支(16)之间延伸。

Description

用于喷气发动机的风扇盘以及喷气发动机

技术领域

本发明涉及涡轮机械领域，并且尤其涉及包括与驱动轴成一体的风扇的涡轮喷气发动机领域。

背景技术

涡轮喷气发动机1通常包括形成开口的短舱(nacelle)，所述开口用于允许预定流量的空气朝着发动机自身进入。涡轮喷气发动机包括一个或多个用于对被允许进入到发动机中的空气进行压缩的部段(通常为一个低压部段2和一个高压部段)。借此而被压缩的空气被允许进入到燃烧室中，并且在燃烧室处燃烧之前与燃料混合。通过燃烧得到的热的燃烧气体随后在不同的涡轮级(通常为低压部段和高压部段)中膨胀。

根据现有技术的风扇3'和低压压缩机2的一个示例被示出在图3中。

风扇3'包括风扇盘10'，风扇盘10'在其外周上设置有桨叶3a'，桨叶3a'在其旋转时将空气驱动到涡轮喷气发动机中。风扇盘10'由低压压缩机2'的驱动轴支撑，该驱动轴通过一系列轴承而定心在涡轮喷气发动机的轴线上，所述轴承被连接至涡轮喷气发动机的固定结构的支撑部件支撑。

低压压缩机2'自身包括与分隔壳体成一体的固定叶片以及与传动滚筒4(本领域技术人员称为“增压器”)成一体的可动桨叶，以对涡轮喷气发动机中从上游流通至下游的主气流进行压缩。传动滚筒4例如通过螺栓连接固定在风扇盘10'的上游，并且被风扇盘10'驱动并围绕涡轮喷气发动机的轴线旋转。

因此，风扇盘必须确保传动滚筒的可操作性，其具有足够的柔性以确保将传动滚筒维持在合适位置并且控制传动滚筒的径向性能，以确保桨叶的叶尖间隙，同时具有足够的刚性以满足风扇桨叶损失准则(或“风扇桨叶失稳”(fan blade out))。

实际上，风扇桨叶3a的破碎可在工作期间导致事故。随之而来的是风扇3的驱动轴2上的严重失衡，这将在轴承上产生载荷和振动，并经由轴承的支撑部件传递至涡轮喷气发动机的固定结构。

为了能够以更轻和更经济的方式确定涡轮喷气发动机的尺寸，现有技术(例如专利FR 2,831,624和FR 2,752,024中)教导提供可分离的涡轮喷气发动机1，涡轮喷气发动机1包括用于分离一个或多个轴承的系统。由于驱动轴上出现失衡，失衡力通过轴承的支撑部件转化成纵向力。然而，风扇盘通过螺栓连接的法兰5'固定至驱动轴，在发生分离时，传递到风扇盘和驱动轴的载荷在连接部处变得非常大。于是，这种通过螺栓连接的附连的刚性不足以抵抗风扇桨叶失稳所产生的载荷。

现有的提议是修改风扇盘的形状。然而，这些风扇盘形状通常体积庞大并且笨重，并且/或者不允许确保传动滚筒的可操作性和抵抗载荷所需的柔性和刚性制约条件。

文件US 2012/0275921提出一种用于涡轮喷气发动机的风扇盘，气体在所述涡轮喷气发动机中沿流通方向流通。然而，这种盘的构造过于庞大和笨重。

对于文件EP 1970537，其以申请人的名义描述了一种风扇盘，该风扇盘具有相对于涡轮喷气发动机的轴线径向延伸的连接壁。然而，连接壁的这种定向致使载荷被集中在风扇盘的局部区域，而这将尤其在风扇桨叶失稳期间对所述盘的抵抗载荷的能力造成限制。

发明内容

本发明的目标是提出一种风扇盘，所述风扇盘足够柔性以确保传动滚筒的可操作性，并且所述风扇盘同时足够刚性以抵抗一个或多个风扇桨叶损失所产生的载荷，并且所述风扇盘具有减小的体积和质量(甚至在包括分离系统的涡轮喷气发动机的情况下)。

为此，本发明提出了一种用于涡轮喷气发动机的风扇盘，气体在所述涡轮喷气发动机中沿一流通方向流通，其特征在于，所述风扇盘具有发夹形径向截面，所述发夹形径向截面包括：

-第一分支，所述第一分支设计成固定至所述涡轮喷气发动机的驱动轴，

-第二分支，所述第二分支面朝第一分支延伸并且设计成支撑多个风扇桨叶，以及

-弧线形的连接壁，所述弧线形的连接壁在第一分支和第二分支之间延伸。

这种发夹形能够使风扇盘和驱动系的上游部分之间的连接更加柔性，并且改善组件在事故(例如风扇桨叶失稳)期间的动态运行。在这种情况下，这将使涡轮喷气发动机的下游结构中的载荷显著减小，并使风扇盘的径向位移显著减小。

风扇盘的某些优选但非限制性的特征如下：

-所述第一分支包括内套筒，所述内套筒的一个内表面设置有一系列风扇花键，所述风扇花键被设计成与来自所述驱动轴的相关的传动花键配合，

-所述内套筒进一步包括定心组件，所述定心组件布置成与所述驱动轴的相关的定心组件配合，以便改善所述第一分支对径向载荷的抵抗能力，

-所述内套筒在气体流通方向上的上游边缘相对于所述第二分支的上游边缘轴向地偏移，并且所述连接壁在所述内套筒的上游边缘和所述第二分支的上游边缘之间延伸。

-所述连接壁具有变化的径向截面，所述变化的径向截面在所述第一分支和所述第二分支之间向上游倾斜，

-所述连接壁的径向截面在邻接所述第二分支的区域中呈弧线形，弧线部分的凹面朝向气体流通方向上的下游，

-所述第二分支包括凹部，所述凹部在内表面中的该内表面与所述连接壁的连接部处延伸，

-风扇盘在所述第二分支和所述连接壁之间的连接部处进一步包括气体流通方向上的上游表面中的凹入部，使得所述风扇盘的上游表面具有位于所述凹入部和所述连接壁之间的周向回曲线(inflection line)，以及

-风扇盘进一步包括拆卸和保持凸耳，所述拆卸和保持凸耳从所述连接壁径向向内延伸出，所述拆卸和保持凸耳构造成与固定至所述驱动轴的螺母配合，以便轴向阻挡所述风扇盘。

本发明还提出了一种涡轮喷气发动机，所述涡轮喷气发动机包括驱动轴，以及如上所述的风扇盘，所述风扇盘通过风扇盘的第一分支固定至所述驱动轴，并且所述风扇盘设计成接纳多个风扇桨叶，所述风扇盘的第二分支包括大致平滑的孔。

附图说明

本发明的其它特征、目的和优点将通过下文中参照以非限制性示例的方式给出的附图进行的详细描述披露，在附图中：

图1为根据本发明的涡轮喷气发动机的示例的局部剖视示意图；

图2为图1的风扇盘的局部剖视示意图；以及

图3为根据现有技术的涡轮喷气发动机的局部剖视示意图。

具体实施方式

涡轮喷气发动机1沿气体流动方向从上游到下游包括：风扇3、一个或多个压缩机级2、一个或多个涡轮级和排气喷嘴。

风扇3包括风扇盘10，风扇盘10在其外周上设置有桨叶3a，桨叶3a在其旋转时将空气驱动到涡轮喷气发动机1中。风扇盘10由低压压缩机2的驱动轴20支撑，该驱动轴通过一系列轴承P1、P2而定心于涡轮喷气发动机1的轴线，所述轴承被连接至涡轮喷气发动机1的固定结构的支撑部件支撑。

低压压缩机2自身包括与分隔壳体成一体的固定叶片2a以及与传动滚筒4(或“增压器”)成一体的可动桨叶2b，以对涡轮喷气发动机1中从上游流通至下游的主气流进行压缩。传动滚筒4还通过螺栓连接41固定在风扇盘10，并且被风扇盘10驱动并围绕涡轮喷气发动机1的轴线旋转。

风扇盘10呈大致环形形状并且具有发夹形径向截面，所述发夹形径向截面包括：

-第一分支12，所述第一分支设计成固定至涡轮喷气发动机1的驱动轴20，

-第二分支16，所述第二分支面朝第一分支12延伸并且设计成支撑多个风扇桨叶3a，以及

-弧线形的连接壁14，所述弧线形的连接壁在第一分支12和第二分支16之间延伸。

这种发夹形能够使风扇盘10和驱动系的上游部分之间的连接更加柔性，并且改善组件在事故(例如风扇桨叶失稳)期间的动态运行。在这种情况下，这将使涡轮喷气发动机的下游结构中的载荷显著减小，并使风扇盘10的径向位移显著减小。

第一分支12包括以涡轮喷气发动机1的轴线为中心的内套筒121，并且所述内套筒的内表面被设计成固定至驱动轴20的自由上游端部201。为此，内套筒121的内表面配置有一系列沿着涡轮喷气发动机1的轴线纵向地延伸的花键122，所述花键槽设计成与关联于驱动轴20的传动花键202配合。

(传动)花键202和(风扇)花键122具有将力从驱动轴20传递至风扇盘10的其他部分的功能，从而使风扇盘10旋转并驱动风扇桨叶3a和传动滚筒4(增压器)。因此能够使风扇盘10的第一分支12坚硬，以确保驱动轴20和风扇盘10之间的扭矩传送，并且构成能够承受风扇桨叶3a失稳产生的载荷的稳固连接。实际上，通过花键202、122形成的连接比螺栓连接更为牢固，从而使风扇盘10更好地抵抗与可能的风扇桨叶3a失稳有关的载荷。

为了改善第一分支12对于径向载荷(相对于轴线X)的强度，涡轮喷气发动机1可进一步包括用于将内套筒121相对于驱动轴20定心的部件，该部件构造成将内套筒121保持在驱动轴20上的径向位置。定心部件可尤其包括下游定心组件123、203和/或上游定心组件124、204。下游定心组件可包括环形凸台203，所述环形凸台在与传动花键202邻接的区域中从驱动轴20径向地延伸出，内套筒121的下游边缘123被搁置在所述环形凸台上。上游定心组件自身可包括环形凹槽204，所述环形凹槽以轴线X为中心并且在与传动花键202的上游端部邻接的区域中形成在驱动轴20中，所述环形凹槽构造成接纳相关联的肋部124，所述肋部从内套筒121的上游边缘125径向地突出。

涡轮喷气发动机1还可包括螺母22，所述螺母22构造成固定至驱动轴20，以便相对于驱动轴20将内套筒12径向地保持就位。举例而言，螺母22可被布置成抵靠从上游定心组件124、204突出的肋部124，并且向所述肋部124施加轴向力。可选地，调节楔24可被布置成倚靠肋部124和传动花键202，以便根据驱动滚筒4的叶尖间隙调节内套筒121的轴向位置。

风扇盘10还可包括环形凸耳18，所述环形凸耳沿着驱动轴20的方向从连接壁14径向向内延伸以搁置在螺母上，凸耳18被构造成避免风扇盘10和螺母22在风扇桨叶3a失稳时脱开。例如，在与内套筒121邻接的区域中，凸耳18可从连接壁14的上游表面141延伸出。此处，凸耳18邻接从上游定心组件124、204突出的肋部124。有利地，凸耳18能够附加地促进风扇盘10相对于驱动轴20的拆卸。

因此，花键122、202，定心部件123、203、124、204和螺母22形成花键连接组件，该花键连接组件能够分别在径向上和轴向上抵抗横向载荷(围绕轴线X旋转)。

风扇盘10的第二分支16或环适于接纳多个从环16的外表面径向延伸出的风扇桨叶3a并将它们保持就位。

通常，风扇环3a由金属材料制成，这使得它们相对较重并且经常需要一个或多个平衡系统(被称为“韭叶(leek)”)，所述平衡系统从环16的内表面径向延伸出并且被构造成对金属桨叶施加至风扇盘10的离心力进行补偿。平衡系统的一个示例被具体示出在图3中。

然而，为了减少风扇3的总质量，涡轮喷气发动机1的风扇桨叶3a比传统金属桨叶更轻质。例如，风扇桨叶3a可由复合材料制成。有利地，于是环16的孔可以大致平滑(不具有所述平衡系统)。因为桨叶3a的旋转产生的离心力很小，所以实际上平衡系统不再是必须的，这就使得能够显著减小风扇盘10的体积。因此，应用轻质的风扇桨叶3a(例如，由复合材料制成的桨叶)能够补偿与花键连接相关联的体积。

具有发夹形的径向截面的风扇盘10还包括弧线形的连接壁14，所述弧线形的连接壁设计成将内套筒121和环16连接。优选地，第一分支12、连接壁14和第二分支16整体地形成一体件。

连接壁14呈环形并且以涡轮喷气发动机1的轴线X为中心。连接壁的径向截面在第一分支12和第二分支16之间朝向上游倾斜并且与垂直于轴线X的径向成一非零角度。因而这样的连接壁14使风扇盘10在环16和内套筒121之间是柔性的，这使得能够确保传动滚筒4的可操作性。

在图中所示的示例性实施例中，连接壁14在邻接内套筒121的上游端部125的区域和邻接环16的上游端部161的区域之间延伸。更精确地说，内套筒121的上游边缘125相对于环16的上游端部161沿涡轮喷气发动机1的轴线X轴向地偏移，使得连接壁14以倾斜的方式在内套筒121的上游边缘125和环16的上游边缘161之间延伸。

连接壁14的径向截面在内套筒121和环16之间进一步变化(即，非恒定)，以便抵抗离心和弯曲载荷。例如，连接壁14的径向截面在内套筒121与连接部分14的居间区域(该居间区域邻接环16)之间可以是大致直线形的，随后在邻接环16的区域143中变为弧线形，弧线部分143的凹面朝向下游。

环16的内表面162可包括凹部163，凹部163由以与连接壁14的凹状下游表面142对齐的方式延伸的壁限定，使得在连接壁14和环16之间的连接部处，风扇盘10具有呈大致圆形的窝部。因此所述凹部使得能够减小风扇盘10的质量，并且不产生薄弱区域或减小风扇盘10的机械强度。其可通过与风扇盘10的其它部分一同铸造而获得，或通过在环16的内表面中进行机械加工而获得。

此外，风扇盘10的上游表面101可在环16和连接壁14之间的连接部处包括凹入部15。考虑到连接壁14倾斜地位于内套筒121和环16之间，风扇盘10的上游表面101因此在凹入部15与连接壁14之间具有周向回曲线，这导致凹度变化。因此，在图2的实施例中，凹入部15呈弧线形并且连续，具有朝向上游的凹面。其可通过与风扇盘10的其它部分一同铸造而获得，或通过在风扇盘10的内表面101中进行机械加工而获得。

通过使风扇盘10局部地具有柔性并改善力的分布，所述凹入部15能够在风扇桨叶3a失稳的情况下优化力。此外，凹入部15使得能够通过连接壁14中的弯曲力来分离(dissociate)环16中的切向力，并因此能够限制任何与双轴力(biaxial force)相联系的附加的屈曲。

为了更好地抵抗离心和弯曲载荷，风扇盘10的厚度优选地在内套筒12和环16之间可变化。在图2所示的实施例中，风扇盘10的径向厚度于内套筒12的下游边缘123在环形凸台203上的支撑区域处较薄。因此，风扇盘10在该区域123处相对柔性，这使得其能够被容易地压到传动花键122上。下游边缘123的柔性进一步改善了风扇盘10相对于驱动轴20的定心。

风扇盘10的径向厚度沿着内套筒121的上游边缘125的方向增加，直到位于内套筒121和连接壁14之间的连接部处肋部124和凸耳18为止。连接壁14的上游表面141和下游表面142朝着风扇盘10的上游侧径向向外倾斜，并且沿环16的方向逐渐相互接近，直到连接壁14的弧线形部分143为止。最后，在弧线形部分143处，连接壁14轴向地呈喇叭形展开(flare)，以在上游形成凹入部15并在下游形成凹部163。环16自身在其上游边缘161和凹部163之间具有大致恒定的径向截面。

由于内套筒121和花键连接(花键122、202以及可选的定心部件和螺母22)，风扇盘10的刚性足以将扭矩从驱动轴20传递至风扇桨叶3a和传动滚筒4并足以抵抗可能的风扇桨叶3a失稳产生的载荷。此外，应用相对于涡轮喷气发动机1的轴线变化和倾斜的连接壁14能够在盘10上赋予足够的柔性来确保传动滚筒4的可操作性。最后，对连接壁14(尤其是凹入部15或凹部163处)的厚度的调节，使得能够减小风扇盘10的重质量并优化风扇盘10中的力。

Claims (10)

1.一种用于涡轮喷气发动机(1)的风扇盘(10)，气体在所述涡轮喷气发动机中沿流通方向流通，其特征在于，所述风扇盘具有发夹形径向截面，所述发夹形径向截面包括：

-第一分支(12)，所述第一分支设计成固定至所述涡轮喷气发动机(1)的驱动轴(20)，

-第二分支(16)，所述第二分支面朝所述第一分支(12)延伸并且设计成支撑多个风扇桨叶(3a)，以及

-弧线形的连接壁(14)，所述弧线形的连接壁在所述第一分支(12)和所述第二分支(16)之间延伸，

其中，所述第二分支(16)包括凹部(163)，所述凹部(163)在一个内表面(162)中的该内表面与所述连接壁(14)的连接部处延伸。

2.根据权利要求1所述的风扇盘(10)，其中，所述第一分支(12)包括内套筒(121)，所述内套筒的一个内表面设置有一系列风扇花键(122)，所述风扇花键(122)被设计成与来自所述驱动轴(20)的相关的传动花键(202)配合。

3.根据权利要求2所述的风扇盘(10)，其中，所述内套筒(121)进一步包括定心组件(123，124)，所述定心组件布置成与所述驱动轴(20)的相关的定心组件(203，204)配合，以便改善所述第一分支(12)对径向载荷的抵抗能力。

4.根据权利要求2或3所述的风扇盘(10)，其中，所述内套筒(121)在气体流通方向上的上游边缘(125)相对于所述第二分支(16)的上游边缘(161)轴向地偏移，并且所述连接壁(14)在所述内套筒(121)的上游边缘(125)和所述第二分支(16)的上游边缘(161)之间延伸。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的风扇盘(10)，其中，所述连接壁(14)具有变化的径向截面，所述变化的径向截面在所述第一分支(12)和所述第二分支(16)之间向上游倾斜。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的风扇盘(10)，其中，所述连接壁(14)的径向截面在邻接所述第二分支(16)的区域(143)中呈弧线形，弧线部分的凹面朝向气体流通方向上的下游。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的风扇盘(10)，在所述第二分支(16)和所述连接壁(14)之间的连接部处进一步包括气体流通方向上的上游表面(101)中的凹入部(15)，使得所述风扇盘(10)的上游表面(101)具有位于所述凹入部(15)和所述连接壁(14)之间的周向回曲线。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的风扇盘(10)，进一步包括拆卸和保持凸耳(18)，所述拆卸和保持凸耳从所述连接壁(14)径向向内延伸出，所述拆卸和保持凸耳构造成与固定至所述驱动轴(20)的螺母(22)配合，以便轴向阻挡所述风扇盘(10)。

9.一种涡轮喷气发动机(1)，包括：

-驱动轴(20)，以及

-根据权利要求1-8中任一项所述的风扇盘(10)，所述风扇盘通过风扇盘的第一分支(12)固定至所述驱动轴(20)，并且所述风扇盘设计成接纳多个风扇桨叶(3a)。

10.根据权利要求9所述的涡轮喷气发动机(1)，其中，所述风扇盘(10)的第二分支(16)包括大致平滑的孔。