CN105822366B - 一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，属于航空发动机领域，其特征在于，风扇转子和低压涡轮转子之间的低压轴上设置有第一轴承和第二轴承，第二轴承外环与轴承座为一体化刚性设计，用来承受轴向力，第一、三轴承外环与轴承座之间设置油膜间隙。第一轴承内环与定居环为一体化设计，利用滑油压力提供第一轴承轴向预紧力。该发明通过将第一轴承座设计成薄壁柔性结构，在发动机风扇叶片受外物撞击断裂产生很大不平衡量时按照预设方式熔断，减小传递到主承力件第二轴承的不平衡载荷，同时在第二轴承座设计能够有效吸收变形的铰接结构，避免熔断发生后在第二轴承位置产生局部弯曲应力集中，保护发动机安全工作。

Description

一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，涉及一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，尤其适用于航空发动机低压转子支承结构设计。

背景技术

目前，国内外无论军用还是民用的涡扇发动机都采用多转子结构，风扇转子与涡轮转子和联接这些转子的零、组件组成了发动机的低压转子。低压转子轴要从高压转子中心穿过，通过支承结构支承在发动机机匣上，转子上所受的各种负荷(如气体轴向力、重力、惯性力及惯性力矩等)都由支承结构承受并传到发动机机匣上，最后由机匣通过发动机安装节传到飞机构件上。

传统的低压转子三支点结构一般采用柔性联轴器和中介轴承，柔性联轴器使压气机转子和涡轮转子不同心度加大，尤其过临界转速时挠度和振动大，从而引起叶片的径向间隙变化，影响了发动机的经济性和安全运行，对发动机的装配和平衡也带来不便；采用中介轴承，低压转子的振动及变形会影响高压转子的工作，而且中介轴承容易打滑，滑油循环通路的设计是比较困难的，冷却效果也较差。另外，由于发动机风扇叶片大而薄，且高速旋转，当发动机风扇叶片受外物撞击损坏或断裂引起巨大不平衡载荷时，为保证飞机不出现灾难性事故，如发动机脱落、断叶击穿机舱等，同时保证发动机安装节不出现故障，必须对支承结构某些部件进行主动熔断设计，使发动机遇到重大危机时，按照预设的模式失效，以保护主体的安全。因此，亟需设计一种具有熔断设计的低压转子支承结构，不仅要保证可靠地承受转子的负荷，还应使发动机的结构简单、装拆和动平衡方便。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明提出一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，通过对轴承类型、支点位置、轴承座、油膜间隙的合理设计，使发动机结构简单，装拆和动平衡方便，同时在发动机风扇叶片受外物撞击损坏或断裂产生很大的不平衡载荷时，能够使发动机按照预设方式熔断，保证发动机主体仍然安全有效工作。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，包括低压轴以及设置在所述低压轴上的风扇转子和低压涡轮转子，其特征在于，

所述风扇转子设置在靠近所述低压轴前端的位置，所述低压涡轮转子设置在靠近所述低压轴后端的位置，

所述风扇转子和低压涡轮转子之间的低压轴上设置有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承之间设定距环，所述第一轴承和第二轴承的内环以及所述定距环均紧度配合在所述低压轴上，且所述第一轴承的内环与定距环一体成型，所述第二轴承的外环与第二轴承座一体成型，第一轴承座和第二轴承座均通过紧固件固定连接在发动机主承力机匣的同一轴向位置上，其中，

所述第一轴承座内设置有轴承后挡板，所述轴承后挡板位于所述第一轴承的外环的面对所述低压涡轮转子的一侧，所述第一轴承座内壁与轴承后挡板之间的空间形成一润滑用滑油腔，所述滑油腔的前后两端分设一密封圈且所述滑油腔与发动机滑油供油系统连通，所述轴承后挡板上形成有台阶部，在发动机工作状态下，所述台阶部在所述滑油腔中滑油压力作用下对所述第一轴承的外环产生轴向预紧力。优选地，所述风扇转子、低压涡轮转子均通过花键固定在所述低压轴上。

优选地，所述低压轴前端设有前压紧螺母，所述前压紧螺母将所述风扇转子、第一轴承和第二轴承一起固定在低压轴前端。

优选地，所述低压轴为一根长径比在17～20之间的细长低压轴。

优选地，所述低压轴采用0-2-1的支承方式，所述低压涡轮转子后设置有第三轴承，所述第三轴承通过其内环紧度配合在所述低压轴的后端上。优选地，所述低压轴后端设有后压紧螺母，所述后压紧螺母用以将所述第三轴承和低压涡轮转子一起固定在低压轴后端。

优选地，所述第一轴承和第二轴承均为内环分半角接触球轴承，所述第三轴承为棒轴承。

进一步地，所述第一轴承座为一薄壁柔性结构，包括与发动机中心轴线平行的内环平直段和外平直段，所述内环平直段和外环平直段之间设锥形段，所述内环平直段套设于所述第一轴承和轴承后挡板外部，所述外环平直段的末端通过紧固件固定连接在发动机的主承力机匣上，所述锥形过渡段一端与所述内环平直段连接，另一端与所述外环平直段连接。优选地，所述薄壁柔性结构的厚度为1.3～1.5mm。优选地，所述锥形过渡段与内环平直段成18°～22°夹角。

进一步的，所述第一轴承的外环与第一轴承座之间设置0.23～0.25mm油膜间隙，所述第三轴承与第三轴承座之间设置0.13～0.15mm油膜间隙。各油膜间隙内充满润滑用的压力滑油，形成挤压油膜，使发动机过临界转速时非常平稳、振动很小。第一轴承处形成的油膜间隙可以减小风扇转子过临界转速时的振动，并防止风扇叶尖刮磨。

进一步地，所述轴承后挡板与第一轴承座通过O型橡胶圈密封形成了所述滑油腔，滑油压力在发动机工作状态下对所述轴承后挡板产生向前40～50公斤的作用力，进而作用在第一轴承的外环上，提供第一轴承轴向预紧力。

进一步地，所述第二轴承座的厚度为2.6～3mm，通过轴向均布的螺钉连接在发动机主承力机匣上，主要承受轴向力。

进一步地，所述第二轴承座包括外环平直段、径向段、锥形段和轴承外环，所述的外环平直段与轴承外环在轴向上向相反方向错开，所述的外环平直段通过紧固件固定连接在发动机的主承力机匣上，所述径向段基本垂直于所述发动机轴线，所述的外环平直段与径向段之间的连接处位于外环平直段中心线面对所述风扇转子的一侧，所述的径向段与锥形段之间的连接处位于远离轴承外环的较高半径处，并在该连接处形成一圆弧铰接结构，锥形段与发动机轴线成一锐角并与轴承外环连接。优选地，所述的外环平直段与径向段之间的连接处倒圆半径2.5～4mm，所述锥形段与轴承外环之间的连接处倒圆半径为20～25mm。优选地，所述圆弧铰接结构的倒圆半径为6～8mm。优选地，所述锥形段与发动机轴线之间的夹角为18°～25°。所述圆弧铰接结构可以在发动机风扇叶片受外物撞击损坏或断裂产生很大的不平衡量时，有效吸收变形，保证发动机仍然安全有效工作。进一步地，所述第一轴承和第二轴承支点之间的跨距可调。通过二者之间跨距的调整，可以实现对低压轴正常工作状态下临界转速的调整。

进一步地，所述第二轴承位于中介机匣位置处，用以保证第一轴承失效后，低压轴的径向、轴向载荷顺利传递到发动机安装节上。

进一步地，所述第一轴承的支承刚度和低于所述第二轴承的支承刚度。这样的刚度涉及可以保证低压轴在第一支承失效后，低压轴的前支点综合支承刚度提高，临界转速升高(高于着陆过程中的风车转速)，保证发动机能够在风车转速下安全工作。

本发明的具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，尤其适用于高性能航空发动机低压转子支承结构设计。

与现有支承结构比较，本发明的具有熔断设计的发动机低压转子支承结构具有以下优点：①各支点支承在一根轴，第一轴承内环与定距环、第二球轴承外环与轴承座均为一体化结构设计，使得结构简单，重量轻，装拆和动平衡方便，传力路线短；②本发明的具有熔断设计的发动机低压转子支承结构中，主要由第二轴承承受轴向力，第一轴承巧妙利用其润滑滑油压力提供轴向预紧力防止轻载打滑；③将第一轴承座设计成薄壁柔性结构，第二轴承座设计成刚性铰接结构，将第一轴承及其支承的轴承座相对第二轴承及其支承的轴承座设计成薄弱环节，在发动机风扇叶片受外物撞击损坏或断裂产生很大的不平衡量时第一轴承座首先断裂或破坏，从而改变低压转子不平衡力的传递路径，减少从风扇传递到相邻关键部件的不平衡力，避免中介机匣及安装节等关键部件因承受过大不平衡载荷而破坏，同时第二轴承铰接结构能够有效吸收变形，降低和释放第二轴承处产生的局部弯曲变形和应力集中，保证发动机主体安全有效工作；④当第一轴承失效后，低压轴在前支点的支承刚度增加，通过对第二轴承座刚度的优化设计，可以调整低压轴的低阶临界转速，保证发动机能够安全的以风车转速运转直至发动机停车、飞机着陆；⑤为了控制发动机工作时的转子振动，在发动机第一、第三轴承外环与轴承座间留有间隙，间隙内充满润滑用的压力滑油，形成挤压油膜，使发动机过临界转速时非常平稳、振动很小。

附图说明

本发明的其他特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的具体实施方式更好地理解，附图中，相同的附图标记标识相同或相似的部件，其中：

图1为本发明的具有熔断设计的典型涡扇发动机低压转子三支点支承结构示意图。

图2为本发明的第一、第二轴承处放大示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

图1、2为一种典型涡扇发动机采用本发明的具有熔断设计的发动机低压转子支承结构并采用三支点支承(0-2-1)时的情形，包括低压轴4以及设置在低压轴上的风扇转子5和低压涡轮转子6，风扇转子5设置在靠近低压轴4前端的位置，低压涡轮转子6设置在靠近低压轴4后端的位置。低压轴4通过花键29分别与风扇转子5和低压涡轮转子6连接传递扭矩，花键两端的两个圆柱面以小紧度配合来达到定心要求。第一球轴承、第二球轴承位于风扇转子5后低压涡轮转子6前，通过内环紧度配合并用前压紧螺母7与风扇转子5一起固定在低压轴前端，第三棒轴承位于低压涡轮转子6后，通过内环紧度配合并用后压紧螺母8与低压涡轮转子6一起固定在低压轴后端。

第一轴承内环9与第一、二轴承之间的定距环10设计为一体，第二轴承外环11与第二轴承座12设计为一体，使得结构简单，累计误差小，传力路线短。第二轴承座12厚度为2.6～3mm刚性设计，通过轴向均布的螺钉13连接在发动机刚性较好的主承力机匣14上，主要承受轴向力；第一轴承后挡板15与第一轴承座16通过O型橡胶圈17密封形成了润滑用滑油腔18，滑油压力在发动机工作状态下对第一轴承后挡板15产生向前40公斤的作用力，进而作用在第一轴承外环19上，提供第一轴承轴向预紧力，防止第一轴承轻载打滑。

第一轴承座16设计为厚度1.3～1.5mm的薄壁柔性结构，由与发动机中心轴线平行的内环平直段20，外环平直段21，与平直段成18°～22°的锥形段22组成，第一轴承外环19与轴承座20之间设置0.23～0.25mm的油膜间隙，第三轴承外环27与轴承座28之间设置0.13～0.15mm的油膜间隙，可以减小风扇转子5过临界转速时的振动，防止风扇叶尖刮磨；第二轴承座12设计了由与发动机轴线成18°～25°的锥形段24和径向段25组成的大圆弧铰接结构26，该铰接结构26径向应位于远离轴承外环11的较高半径处，轴向位于第二轴承座外环平直段中线30的左边，这种结构设计可以在发动机风扇叶片受外物撞击损坏或断裂产生很大的不平衡量时，有效吸收变形，保证发动机仍然安全有效工作。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (20)

1.一种具有熔断设计的发动机低压转子支承结构，包括低压轴以及设置在所述低压轴上的风扇转子和低压涡轮转子，其特征在于，

所述风扇转子设置在靠近所述低压轴前端的位置，所述低压涡轮转子设置在靠近所述低压轴后端的位置，

所述风扇转子和低压涡轮转子之间的低压轴上设置有第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和第二轴承之间设定距环，所述第一轴承和第二轴承的内环以及所述定距环均紧度配合在所述低压轴上，且所述第一轴承的内环与定距环一体成型，所述第二轴承的外环与第二轴承座一体成型，第一轴承座和第二轴承座均通过紧固件固定连接在发动机主承力机匣的同一轴向位置上，其中，

所述第一轴承座内设置有轴承后挡板，所述轴承后挡板位于所述第一轴承的外环的面对所述低压涡轮转子的一侧，所述第一轴承座内壁与轴承后挡板之间的空间形成一润滑用滑油腔，所述滑油腔的前后两端分设一密封圈且所述滑油腔与发动机滑油供油系统连通，所述轴承后挡板上形成有台阶部，在发动机工作状态下，所述台阶部在所述滑油腔中滑油压力作用下对所述第一轴承的外环产生轴向预紧力。

2.根据权利要求1所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述风扇转子、低压涡轮转子均通过花键固定在所述低压轴上。

3.根据权利要求1所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述低压轴前端设有前压紧螺母，所述前压紧螺母将所述风扇转子、第一轴承和第二轴承一起固定在低压轴前端。

4.根据权利要求1所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述低压轴为一根长径比在17～20之间的细长低压轴。

5.根据权利要求1所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第一轴承座为一薄壁柔性结构，包括与发动机中心轴线平行的内环平直段和外环平直段，所述内环平直段和外环平直段之间设锥形过渡段，所述内环平直段套设于所述第一轴承和轴承后挡板外部，所述外环平直段的末端通过紧固件固定连接在发动机的主承力机匣上，所述锥形过渡段一端与所述内环平直段连接，另一端与所述外环平直段连接。

6.根据权利要求5所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述薄壁柔性结构的厚度为1.3～1.5mm。

7.根据权利要求5所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述锥形过渡段与内环平直段成18°～22°夹角。

8.根据权利要求1所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述轴承后挡板与第一轴承座通过O型橡胶圈密封形成了所述滑油腔，滑油压力在发动机工作状态下对所述轴承后挡板产生向前40～50公斤的作用力，进而作用在第一轴承的外环上，提供第一轴承轴向预紧力。

9.根据权利要求5所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第二轴承座包括外环平直段、径向段、锥形段和轴承外环，所述的外环平直段与轴承外环在轴向上向相反方向错开，所述的外环平直段通过紧固件固定连接在发动机的主承力机匣上，所述径向段垂直于所述发动机轴线，所述的外环平直段与径向段之间的连接处位于外环平直段中心线面对所述风扇转子的一侧，所述的径向段与锥形段之间的连接处位于远离轴承外环的较高半径处，并在该连接处形成一圆弧铰接结构，锥形段与发动机轴线成一锐角并与轴承外环连接。

10.根据权利要求9所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第二轴承座的厚度为2.6～3mm，通过轴向均布的螺钉连接在发动机主承力机匣上，主要承受轴向力。

11.根据权利要求9所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述的外环平直段与径向段之间的连接处倒圆半径2.5～4mm，所述锥形段与轴承外环之间的连接处倒圆半径为20～25mm。

12.根据权利要求9所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述圆弧铰接结构的倒圆半径为6～8mm。

13.根据权利要求9所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述锥形段与发动机轴线之间的夹角为18°～25°。

14.根据权利要求1～13任一项所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承支点之间的跨距可调。

15.根据权利要求1～13任一项所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第二轴承位于中介机匣位置处，用以保证第一轴承失效后，低压轴的径向、轴向载荷顺利传递到发动机安装节上。

16.根据权利要求1～13任一项所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第一轴承的支承刚度和低于所述第二轴承的支承刚度。

17.根据权利要求1～13任一项所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述低压轴采用0-2-1的支承方式，所述低压涡轮转子后设置有第三轴承，所述第三轴承通过其内环紧度配合在所述低压轴的后端上。

18.根据权利要求17所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述低压轴后端设有后压紧螺母，所述后压紧螺母用以将所述第三轴承和低压涡轮转子一起固定在低压轴后端。

19.根据权利要求17所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第一轴承和第二轴承均为内环分半角接触球轴承，所述第三轴承为棒轴承。

20.根据权利要求17所述的发动机低压转子支承结构，其特征在于，所述第一轴承的外环与第一轴承座之间设置0.23～0.25mm油膜间隙，所述第三轴承与第三轴承座之间设置0.13～0.15mm油膜间隙。