CN106661959A - 包括使风扇脱联接的装置的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括风扇轴(12)的涡轮机，该风扇轴由涡轮轴(16)通过用于减小旋转速度的设备(20)驱动，该涡轮机的特征在于，该涡轮机包括被置于减速设备(20)与涡轮轴(16)之间的脱联接装置(28)，该脱联接装置能够响应于超过由减速设备(20)施加到涡轮轴(16)上的确定的阻力矩而使减速设备(20)和涡轮轴(16)脱联接。

Description

包括使风扇脱联接的装置的涡轮机
技术领域
本发明的领域是航空涡轮机的领域，更具体地，是包括用于驱动风扇的减速设备的双流式涡轮机的领域。
背景技术
传统地，涡轮机从上游开始包括一个或数个串联定位的压缩机模块，该压缩机模块对被吸取到空气进气道中的空气进行压缩。空气之后被引入到燃烧室中，在该燃烧室中该空气与燃料混合并且燃烧。燃烧气体穿过一个或数个通过关联的涡轮轴对压缩机进行驱动的涡轮模块。气体最后被喷射到喷嘴中用以产生推进力，或者被喷射在自由涡轮上以产生在传动轴上获取的动力。
当前的具有强稀释率的双流式涡轮机包括数个被主流穿过的压缩机级，尤其包括低压(BP)压缩机和高压(HP)压缩机。这些低压(BP)压缩机和高压(HP)压缩机各自被相应的关联的低压(BP)涡轮轴或高压(HP)涡轮轴驱动。轮被定位在低压(BP)压缩机的上游，该轮包括具有大尺寸的可移动的叶片或轮叶，或者包括风扇，该轮对所谓的次级喷嘴供给穿过BP压缩机和HP压缩机的主流以及冷流或次级流，该冷流或次级流被直接地朝向冷流喷嘴引导。风扇被BP体的BP涡轮的旋转轴驱动，并且通常以同一速度旋转。
尤其当BP轴具有极大的尺寸时，出于使其更好地适合空气动力学的目的，可关注使得风扇以低于该轴的旋转速度的旋转速度旋转。为此，减速设备被定位在涡轮轴BP与支承风扇的风扇轴之间。尤其在于2012年2月23日提交的专利申请FR 1251655和1251656中对这种构造进行了描述。
在该构造中，例如在吸入了诸如鸟的外来体的情况下，可能发生风扇损失叶片。这种也被称为“风扇叶片脱出”(FBO，Fan Blade Out)的现象导致风扇偏离中心，使得结果是导致了该风扇的叶片的端部与风扇的壳体接触。这种接触甚至可在减速设备和涡轮轴仍被BP涡轮驱动时使风扇突然地减速，这可能在BP涡轮轴中和减速设备中产生高扭转力矩。
如文件EP-2.048.330-A2所教导的，轴的扭转可能导致轴在涡轮机的不同的点处断裂。
文件EP-2.048.330-A2公开了一种涡轮机，该涡轮机包括风扇轴和压缩机的轴，风扇轴和压缩机的轴各自被涡轮轴通过两个不同的联接路径驱动而在布置在轴承处的交会处随着涡轮轴扭转。联接路径通过减速设备驱动风扇。设置两个联接路径以使得在联接路径中的一个意外断裂的情况下，涡轮保持被另一联接路径承控，以避免涡轮过速，同时涡轮的控制单元可减小涡轮的速度。在该文件中描述的涡轮机着手于下述事实：诸如例如联接路径中的将涡轮轴连接到风扇的一个联接路径可能会发生机械故障。然而，该文件未明确地说明该故障的性质，该故障可能在于失效或者不是在于失效，但在任何情况下该故障都是意外的以及不可预测的。在涡轮轴与风扇的联接路径失效的情况下，这种意外失效则仅在减速设备已经承受相当大的力矩并且已经很可能被损坏时发生。
事实上，在叶片损失的情况下，这种扭转力矩也有严重损坏减速设备的风险，该减速设备则可能被堵塞并且使得风扇不能够旋转。这将会具有突然增大发动机的空气动力阻力的结果，使得飞机不能够驾驶。
为了找出该缺陷的补救措施，解决方案在于：限制可能通过减速设备和BP涡轮轴的扭转力矩，以避免堵塞风扇。
此外，对该力矩的限制给出了下述的可能性：避免减速设备的构件和低压涡轮轴的任何的过尺寸，并且因此减轻了减速设备的和BP涡轮轴的设计。
发明内容
为此，本发明提出了一种属于先前提及的类型的涡轮机，该涡轮机的特征在于，该涡轮机包括被置于减速设备与涡轮轴之间的脱联接装置，该脱联接装置能够响应于超过由减速设备施加在涡轮轴上的确定的阻力矩而使减速设备从涡轮轴脱联接。
有利地，因此，脱联接是作为对超过由减速设备施加在涡轮轴上的确定的阻力矩的响应而提供的结果，即，是由超过该阻力矩决定的。
根据本发明的优选实施例，脱联接装置包括至少一个保险连接元件，该至少一个保险连接元件被置于减速设备与涡轮轴之间，并且该至少一个保险连接元件能够在承受由用于减速的设备施加在涡轮轴上的所谓的脱联接阻力矩时断裂。
根据本发明的第一实施例，保险元件由减速设备的输入轴的结合到涡轮轴的部段构成，所述部段能够在承受与脱联接阻力矩相对应的最大扭转力矩时断裂。
根据本发明的第二实施例，减速设备的输入轴包括管状的端部部段，该端部部段通过至少一个径向元件与涡轮轴的互补的管状的端部部段联接，该至少一个径向元件能够在承受与脱联接阻力矩相对应的剪切应力时断裂。
在该构造中，径向元件包括销，该销被接纳在输入轴的端部部段的径向孔中，以及被接纳在面对涡轮轴的端部部段的孔中。
以本发明的优选的方式，保险连接元件能够一承受确定的脱联接阻力矩就断裂，该确定的脱联接阻力矩与在由所述风扇轴驱动的风扇损失至少一个叶片的情况下的由风扇施加在减速设备上的阻力矩相对应。
此外，保险连接元件能够一承受阻力矩就断裂，该阻力矩严格地大于与在吸入了鸟而所述风扇未损失任何叶片的情况下的由风扇施加在减速设备上的阻力矩相对应的任何力矩。
保险连接元件可与包括金属叶片的风扇相关联。在这种情况下，保险元件能够一承受为涡轮机的最大速度下的常规力矩的120％到140％的脱联接力矩就断裂。
而且，保险连接元件可与包括由复合材料制成的叶片的风扇相关联。在这种情况下，保险元件能够一承受为涡轮机的最大速度条件下的常规力矩的130％到170％的脱联接力矩就断裂。
最后，为了避免涡轮在脱联接的情况下飞逸(run-off)，有利地，根据本发明的涡轮机包括用于检测减速设备从涡轮轴脱联接的装置，该用于检测减速设备从涡轮轴脱联接的装置能够控制涡轮的减速和/或涡轮机的停机。
附图说明
在下文对本发明的作为纯说明性和非限制性的示例给出的实施例进行详细的解释性说明的过程中并且参照示意性的附图，本发明将被更好地理解，并且本发明的其它目的、细节、特征和优点将变得更为清楚明显，在附图中：
图1为根据现有技术状态的涡轮机的整体视图；
图2A为根据本发明的第一实施例的配备有减速设备的涡轮机的前部部分的截面图；
图2B为图2A的详细视图；
图3A为根据本发明的第二实施例的配备有减速设备的涡轮机的前部部分的截面图；
图3B为图3A的详细视图；
图4为图示，示出了在风扇的叶片损失的期间，由减速设备施加在涡轮轴上的随时间变化的阻力矩。
具体实施方式
在以下的说明中，相同的附图标记指示相同的部件或具有类似的功能。
在图1中示出了根据现有技术状态制成的诸如涡轮发动机10的涡轮机。以已知的方式，涡轮发动机10沿着气流流量“F”从上游到下游包括，风扇12、低压压缩机14、高压压缩机、燃烧室、高压涡轮和低压涡轮(未示出)。风扇12包括叶片13。高压压缩机和高压涡轮通过高压轴连接并且与该高压轴一起形成了高压体。低压压缩机14和低压涡轮通过低压轴16连接并且与该低压轴一起形成了低压体。关于风扇12，其被风扇轴18支承，在示出的示例中，该风扇轴通过用于减小两个轴16、18之间的旋转速度的设备20被旋转地结合到BP轴16。
事实上，尤其当BP轴16具有极大的尺寸时，出于使其更好地适合空气动力学的目的，关注于使得风扇12以低于该轴的旋转速度的旋转速度旋转。
HP轴和BP轴16沿着涡轮发动机10的旋转轴线“A”延伸。
传统地，涡轮发动机10还包括风扇壳体(未示出)，该风扇壳体使被风扇12吸取的气体能够被朝向主流的喷射流22(vein)和次级流喷射流(未示出)引导，该主流的喷射流穿过BP体和HP体，该次级流喷射流包围BP体和HP体的壳体并且与主流喷射流在涡轮发动机的喷嘴(未示出)中会合。
如图1所示，减速设备20被定位在风扇轴18与BP轴16之间。例如为行星减速器类型的该减速设备以矩形的示意性的形式示出，该形式仅示出了该减速设备的外廓尺寸。该减速设备被由输入轴26支承的行星小齿轮24驱动，该输入轴被旋转地连接到BP轴16，轴16通过被配装到轴26中而被无任何游隙地接纳(仅作为示例)。
在该构造中，例如在吸入了诸如鸟的外来体的情况下或者继由不适当的维护造成的疲劳失效之后，可能发生风扇12损失叶片13。这种也被称为“风扇叶片脱出”(FBO，FanBlade Out)的现象导致风扇12相对于轴线“A”偏离中心，这使得结果是导致了该风扇的叶片13的端部与风扇12的壳体(未示出)接触。这种接触甚至可在减速设备20和BP涡轮轴16仍被BP涡轮驱动时使风扇12突然地减速，这可能在BP涡轮轴16中和减速设备20中产生高扭转力矩。
在叶片13损失的情况下，这种扭转力矩有严重损坏减速设备20的风险，该减速设备则可能被堵塞并且使得风扇12不能够旋转。结果，这将突然增大发动机的空气动力阻力，使得飞机不能够驾驶。
为了找出该缺陷的补救措施，解决方案在于：限制可能通过减速设备20和BP涡轮轴16的扭转力矩，以避免堵塞风扇12。
对扭转力矩的限制具有另一个优点，该优点给出了下述的可能性：避免减速设备20的构件与BP涡轮轴16的过尺寸，这能够在超过由减速设备20施加在涡轮轴16上的确定的阻力矩期间确保该构件与该涡轮轴对这种扭转力矩的耐抗性。
此外，对该力矩的限制给出了下述的可能性：避免减速设备20的构件和低压涡轮轴16的任何的过尺寸，并且因此减轻了减速设备20的和BP涡轮轴16的设计。
为此，本发明提出了一种属于先前描述的类型的涡轮机，该涡轮机的特征在于，该涡轮机包括被置于减速设备20与涡轮轴16之间的脱联接装置28，该脱联接装置能够响应于超过由减速设备20施加在涡轮轴16上的确定的阻力矩而使减速设备20从涡轮轴脱联接。
更具体地，如图2A和图3A所示，脱联接装置28包括至少一个保险连接元件30、30'，该至少一个保险连接元件被置于减速设备20与涡轮轴16之间并且该至少一个保险连接元件能够在承受由减速设备施加在涡轮轴上的阻力矩(所谓的脱联接力矩)时断裂，该脱联接力矩尤其与由风扇12施加在减速设备20上的并且之后通过所述减速设备传递的确定的阻力矩相对应。
将保险连接元件30、30'定位在减速设备20与涡轮轴16之间具有数个优点。
首先，对保险连接元件30、30'在减速设备20与涡轮轴16之间进行的这种定位在减速设备20处易于实现，因为风扇的轴18被两个轴承32、34支撑，以及因为BP涡轮的轴16自身也被两个轴承支撑，在图2A、图3A中示出了该两个轴承中的单个的轴承36。因此，保险元件30、30'的失效对维持BP涡轮的轴16或风扇的轴18进行旋转没有影响。
其次，减速设备20与涡轮轴16的脱联接涉及在涡轮发动机停机后的风扇12的自由旋转速度，该自由旋转速度大于同一风扇在传统的涡轮发动机中将具有的自由旋转速度，在传统的涡轮发动机中，涡轮发动机将被停机而风扇12未脱联接。因此，风扇承受自由旋转速度或“风车转动”，这使涡轮发动机能够仅产生减小的阻力。
再次，如稍后将在本说明书的后续部分中所见的，将保险连接元件30、30'定位在减速设备20与涡轮轴16之间使得能够在涡轮的轴16超速的情况下保护减速设备20。
根据在图2A中以及尤其在图2B中示出的第一实施例，保险元件由减速设备的输入轴26的部段30构成，该部段被结合到涡轮的轴16。当该部段30承受最大扭转力矩时，其能够断裂，该最大扭转力矩与由减速设备20施加在轴16上的确定的脱联接阻力矩相对应。
现有技术状态的任何已知的解决方案可适于正确地生产具有减小的扭转刚度的部段30。特别地，如图2A所示，部段可以为具有减小的厚度“e”的管状的部段。该部段也可以为开放式方法加工的(open-worked)部段30和/或包括用于引发(initiating)失效的区域(未示出)。
根据在图3A中以及尤其在图3B中示出的第二实施例，减速设备的输入轴26包括管状的端部部段38，该端部部段通过至少一个形成保险连接元件的径向元件31与涡轮轴16的互补的管状的端部部段40脱联接。当该径向元件31承受与脱联接阻力矩相对应的剪切应力时，该径向元件能够断裂。
应当理解的是，形成保险元件的径向元件31可遵照许多实施例。然而，以本发明的优选的方式，径向元件31由销构成，该销尤其是被接纳在输入轴26的端部部段的径向孔42中以及被接纳到面对涡轮的轴16的端部部段的孔44中的圆柱形的销。
在这两个实施例中的每一个中，应当理解的是，将保险连接元件30、31定位在输入轴上给出了在脱联接之后确保对减速设备的行星齿轮24进行支撑的可能性。
实际上，是通过卫星支架(satellite-bearer)与减速设备20的输出轴(未示出)对行星齿轮24进行支撑的。
在这两个实施例中的每一个中，保险元件30被调整以当部段30或销31分别承受脱联接力矩时断裂，该脱联接力矩与在由所述风扇轴18驱动的风扇损失至少一个叶片13的情况下由风扇施加在减速设备20上并且通过减速设备20传递的阻力矩相对应。
因此，一旦损失单个叶片13，失效就被设置为最低限度并且被如此设置。
相反地，规定失效仅发生在失效或损失叶片13的情况下，并且在风扇12简单减速的情况下不发生。
因此，规定确定的阻力矩严格地大于与由风扇12施加在减速设备20上并且通过设备20传递的阻力矩相对应的任何力矩，在吸入鸟而所述风扇12未损失任何叶片的情况下，这种事件可能产生使风扇12减速的切向的力，但这没有损坏减速设备20或者堵塞相关的传动链(cinematical chain)的风险。
图4比照地在纵坐标中示出了：在风扇的叶片13失效的情况下，随横坐标中的时间“t”变化的所传递的阻力矩“C”。
如在以实线形式的曲线上可见的，在传统的涡轮机中，在时刻TR处叶片13可从最佳的运行力矩C0发生失效。该失效导致阻力矩增大至极限值Cmax或者更准确地导致堵塞根据说明书的减速设备以使其不能使用的风险，该极限值与减速设备20的和风扇12的堵塞相对应。
在根据本发明的涡轮机中，最大力矩被测定为力偶CD或脱联接力矩。结果，在运行期间，叶片13仍可在时刻TR处发生失效，这导致阻力矩增大至值CD或脱联接力矩值。之后，根据以虚线形式的曲线，力矩减小至值Cmin，该值与风扇12的自由旋转状态相对应。
作为示例，并且以本发明的非限制性的方式，当风扇包括金属叶片时，确定的被传递的脱联接力矩的数量级为在涡轮机的最大速度条件下的常规力矩的120％到140％。
当风扇包括复合材料的叶片时，确定的被传递的脱联接力矩的数量级为在涡轮机的最大速度条件下的常规力矩的130％到170％。
仅作为示例，并且以本发明的非限制性的方式，因此在两种情况下的确定的被传递的脱联接力矩的值基本在50000Nm到400000Nm之间变化。
当然应当理解的是，这些值仅是象征性的，并且这些值既取决于所使用的叶片的类型，又取决于发动机的架构和尺寸设置。
应当理解的是，从风扇从涡轮轴16脱联接的时刻起，涡轮不再承受来自于所述风扇的阻力矩。因此，涡轮有失控的风险。
应当注意的是，将保险连接元件30、30'定位在减速设备20与涡轮轴16之间的另一个重要的优点是使得能够在涡轮失控的情况下保护减速设备20，该涡轮不再有承受其所不用于的高旋转速度的风险。
然而，根据本发明，涡轮机或涡轮发动机10包括用于检测减速设备20与涡轮轴16的脱联接的装置，该装置能够至少控制涡轮的减速或者甚至涡轮发动机的完全停机。
因此，已知如何以速度传感器测量涡轮轴的速度。因此，对测量的速度的飞逸的检测可被解释为脱联接并且触发发动机的调节构件的启动。结果，能够限制燃料流率，以使得涡轮的速度下降，或者，在具有在转子部分与定子部分之间包括轴向制动器的涡轮的情况下能够启动该制动器，以使涡轮减速和/或停机。
因此，本发明对涡轮机的风扇的叶片的失效风险提供了一种安全解决方案。
最后，本发明还通过限制传递的力矩给出了下述的可能性：避免减速设备20的构件和低压涡轮轴16的任何的过尺寸，以克服已知的在叶片损失的情况下的所述力矩增大的风险。因为这些构件不再需要被过尺寸设置以满足高扭力的约束条件，所以该构件可使其尺寸减小，这具有整体地减轻了减速设备20的和BP涡轮轴16的设计的结果。

Claims (10)

1.一种涡轮机(10)，所述涡轮机包括风扇轴(12)，所述风扇轴由涡轮轴(16)通过用于减小旋转速度的设备(20)驱动，其特征在于，所述涡轮机包括被置于减速设备(20)与所述涡轮轴(16)之间的脱联接装置(28)，所述脱联接装置能够响应于超过由所述减速设备(20)施加在所述涡轮轴(16)上的确定的阻力矩而使所述减速设备(20)从所述涡轮轴(16)脱联接。
2.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述脱联接装置(28)包括至少一个保险连接元件(30)，所述至少一个保险连接元件被置于所述减速设备(20)与所述涡轮轴(16)之间，并且所述至少一个保险连接元件能够在承受由所述减速设备(20)施加在所述涡轮轴(16)上的被称为脱联接力矩的阻力矩(CD)时断裂。
3.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述保险元件由所述减速设备(20)的输入轴(26)的部段(30)构成，所述输入轴的部段被结合到涡轮的所述轴(16)，所述部段(30)能够在承受与所述脱联接阻力矩(CD)相对应的最大扭转力矩时断裂。
4.根据权利要求2所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述减速设备(20)的输入轴(26)包括管状的端部部段(38)，所述输入轴的管状的端部部段通过至少一个保险连接径向元件(30')与所述涡轮轴(16)的互补的管状的端部部段(40)联接，所述至少一个保险连接径向元件能够在承受与所述脱联接阻力矩(CD)相对应的剪切应力时断裂。
5.根据前一项权利要求所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述径向元件包括销(30')，所述销被接纳在所述输入轴(26)的端部部段(38)的径向孔(42)中，以及被接纳到面对所述涡轮轴(16)的端部部段(40)的孔(44)中。
6.根据前述权利要求中一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述保险连接元件(30)能够一承受脱联接阻力矩(CD)就断裂，所述脱联接阻力矩与在由所述风扇轴驱动的风扇损失至少一个叶片的情况下的由所述风扇施加在所述减速设备上的阻力矩相对应。
7.根据前述权利要求中一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述保险连接元件(30)能够一承受阻力矩(CD)就断裂，所述阻力矩严格地大于与在吸入了鸟而所述风扇(12)未损失任何叶片的情况下的由所述风扇(12)施加在所述减速设备(20)上的阻力矩相对应的任何力矩。
8.根据权利要求6或7所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述保险连接元件(30)与包括金属叶片的风扇相关联，以及，所述保险连接元件能够一承受介于在所述涡轮机的最大速度条件下的常规力矩的120％到140％之间的脱联接阻力矩(CD)就断裂。
9.根据权利要求6或7所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述保险连接元件(30)与包括复合材料制成的叶片的风扇相关联，以及，所述保险连接元件能够一承受介于在所述涡轮机的最大速度条件下的常规力矩的130％到170％之间的脱联接阻力矩(CD)就断裂。
10.根据前述权利要求中一项所述的涡轮机(10)，其特征在于，所述涡轮机包括用于检测所述减速设备(20)从所述涡轮轴(16)脱联接的装置，所述用于检测所述减速设备(20)从所述涡轮轴(16)脱联接的装置能够控制所述涡轮的减速和/或所述涡轮机(10)的停机。
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