CN110805496A - 航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置 - Google Patents

航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置 Download PDF

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Abstract

一种航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置以及降载方法，其在低压转子的熔断部件在FBO载荷作用下失效后，仍能双向调节低压转子的临界转速。其中，该降载装置包括熔断部件、风扇轴、至少两传感器、控制器，熔断部件设置在所述第一轴承的轴承座或所述支承锥壁；风扇轴包括智能可伸缩结构；至少两传感器用以监测所述第一轴承和所述第二轴承的动力学响应；控制器与所述传感器与所述智能可伸缩结构分别关联设置；其中，所述传感器检测所述第一轴承和所述第二轴承的异常动力学响应,并将检测到的动力学响应传递给控制器，该控制器发送信号给所述智能可伸缩结构，使其在预定范围内沿伸缩，从而改变风扇轴的长度。

Description

航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置
技术领域
本发明涉及航空发动机，尤其涉及航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置。
背景技术
根据适航条例(FAR33.74、FAR33.94)的要求，商用航空发动机必须保证FBO事件(风扇叶片脱落事件)的发生不会导致灾难性后果。FBO事件会产生极大的不平衡载荷，可能导致发动机安装节、轴承等关键部件破坏，造成发动机脱落、断叶击穿机舱等灾难性事故。发生FBO事件后，应立即对受损的发动机进行停车操作，使发动机从较高的工作转速缓慢下降至风车转速，并在风车转动阶段持续一段时间(有时多达180分钟)，直到具备降落条件时减速安全着陆。
为保证发动机在FBO事件发生后能安全着陆，一般采用减载设计来减小发动机各部件(主要为安装系统、低压转轴等部件)所承受的FBO极限载荷，保证发动机的安全。常用的减载设计也称为熔断设计，是指在轴承支承结构上设置一个机械性能薄弱的部件，如减薄段(见专利US6447248)、径缩螺栓(见专利US7318685)等，使其在预定载荷(门槛值)作用下失效，一方面改变FBO载荷的传递路径，另一方面降低转子的临界转速，使其远低于发动机当前工作转速而高于风车转速，使转子在停车减速阶段处于超临界状态、在风车转动阶段处于亚临界状态，以降低不平衡载荷；保护发动机的安全。
因此，通过熔断部件失效来调节低压转子的临界转速需要满足两个方面的要求。一方面需要将临界转速降低到FBO事件发生时发动机的工作转速以下，使转子在熔断部件失效时刻处于超临界状态，发挥自定心作用，减小FBO载荷。另一方面，需要保证临界转速高于风车转速，避免转子在风车转动阶段发生持续共振，导致关键部件损伤。综上所述，在采用传统熔断装置降低临界转速的基础上，若使发动机在停车减速阶段的临界转速更低、在风车转动阶段的临界转速适当提高，有助于进一步降低发动机的动力学响应。因此需要一种具有自适应功能的FBO降载装置，能够在停车阶段降低临界转速，在风车转动阶段提高临界转速，实现不同运行状态下临界转速的双向调节功能，从而更好地降低发动机在FBO事件发生后的动力学响应。
发明内容
本发明的目的在于提供一种航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置以及降载方法，其在低压转子的熔断部件在FBO载荷作用下失效后，仍能双向调节低压转子的临界转速。
一种航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，用于低压转子，该低压转子至少由第一轴承、第二轴承支撑，所述第一轴承的轴承座由支承锥壁连接到中介机匣上，其中，该降载装置包括熔断部件、风扇轴、至少两传感器、控制器，熔断部件设置在所述第一轴承的轴承座或所述支承锥壁；风扇轴包括智能可伸缩结构；至少两传感器用以监测所述第一轴承和所述第二轴承的动力学响应；控制器与所述传感器与所述智能可伸缩结构分别关联设置；其中，所述传感器检测所述第一轴承和所述第二轴承的异常动力学响应,并将检测到的动力学响应传递给控制器，该控制器发送信号给所述智能可伸缩结构，使其在预定范围内沿伸缩，从而改变风扇轴的长度。
在所述的降载装置的一个实施方式中，所述降载装置还包括在所述第二轴承的轴承座或者将所述第二轴承座连接到中介机匣的壁体上设置的次要熔断部件。
在所述的降载装置的一个实施方式中，所述智能可伸缩结构为稀土超磁致伸缩结构。
在所述的降载装置的一个实施方式中，所述传感器为应变片、振动传感器或加速度传感器。
一种航空发动机风扇叶片脱落事件降载方法，用于低压转子，该低压转子的风扇轴至少由第一轴承、第二轴承支撑，所述第一轴承的轴承座由支承锥壁连接到中介机匣上，其中，在风扇轴上设置智能可伸缩结构，正常工况下，风扇轴由所述第一轴承和所述第二轴承共同支承，智能可伸缩结构保持初始长度；风扇叶片脱落事件发生后，利用传感器检测所述第一轴承和所述第二轴承的动力学响应,并通过采集到的动力学响应传递给控制器，该控制器发送信号给智能可伸缩结构，使所述智能可伸缩结构在预定范围内沿伸长，从而增加风扇轴的长度。
在所述降载方法的一个实施方式中，风扇叶片脱落事件发生后，在发动机从工作转速降低到风车转速的过程中，会经过临界转速，利用控制器从传感器监测的信号中判断出发动机已经过临界转速，然后发送信号给智能可伸缩结构，使其在预定范围内收缩，减小风扇轴的长度。
在FBO事件发生后的停车减速阶段，发动机处于超临界状态，通过智能可伸缩结构的伸长，增大风扇轴的悬臂长度进一步降低临界转速，减小停车减速阶段的动力学响应。而在风车转动阶段，发动机处于亚临界状态，通过智能可伸缩结构的收缩，减小风扇轴的悬臂长度以提高临界转速，更好地减小发动机的动力学响应。因此通过控制智能可伸缩结构的长度双向调节转子的临界转速，降低了发动机部件系统的设计载荷，有助于降低发动机的设计难度。
附图说明
本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1是大涵道比涡扇发动机前端的一个实施方式的示意图。
图2是航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置的一个实施方式的示意图。
图3是FBO事件发生前第一轴承与第二轴承的等效距离示意图。
图4是FBO事件发生后转速下降阶段第一轴承与第二轴承的等效距离示意图。
具体实施方式
下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。例如在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。
在后述实施例中航空发动机构型为高、低压双转子系统，其中，第一轴承为业界俗称的1#轴承，第二轴承为业界俗称的2#轴承。其典型的转子支承方案为低压转子通过1#、2#和5#轴承支承，其中1#和5#为滚棒轴承，2#为滚珠轴承。该涡扇发动机前端部分如图1所示，沿轴向中心线1对称。控制器包括信号采集装置18和信号处理装置19，信号处理装置19调节输入到智能可伸缩结构15的电流或电压以实现智能结构的伸缩等功能，其可以采用现有技术实现，此处不再详细说明。
通过图1至图4示出的一种具有自适应功能的航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，能够在1#轴承支座或支承锥壁上熔断部件失效后，双向调节临界转速。FBO事件发生后，1#轴承支座或支承锥壁上熔断部件失效，低压转子的临界转速减低，该降载装置能够在停车减速阶段进一步降低转子的临界转速，在风车转动阶段提高转子临界转速，从而更好地降低风扇叶片脱落事件发生后发动机在不同运行状态下的动力学响应。
风扇转子支承系统结构如图2所示。风扇轴8由1#轴承7和2#轴承9共同支承，其中1#轴承7为滚棒轴承，对风扇轴8提供径向约束，2#轴承9为滚珠轴承，对风扇轴8同时提供轴向和径向约束。支承锥壁5将1#轴承7连接到中介机匣4上，是风扇转子载荷向中介机匣4传递的重要路径。为保护FBO事件发生后发动机的安全，在支承锥壁5上设置熔断部件6。对于某些发动机，还在2#轴承附近设置次要熔断部件。
在风扇轴8上设置智能可伸缩结构15，该结构15的轴向长度可根据运行工况加以控制。正常工况下，风扇轴8由1#轴承和2#轴承共同支承，智能可伸缩结构保持初始长度。
在1#轴承和2#轴承处(包括轴承附近)，分别设置传感器12和传感器11，用以监测1#轴承和2#轴承的动力学响应，并通过信号传输线14和13传递给信号采集装置18，由信号采集装置18传递给信号处理装置19。信号处理装置19可根据输入信号判断发动机的运行状态。
在风扇轴8上设置智能可伸缩结构15，其长度可由信号处理装置19根据运行工况加以控制。智能可伸缩结构15的选择可以多样化，在一个实施方式中，稀土超磁致伸缩结构举例说明，该稀土超磁致伸缩结构的长度可随外加磁场反复伸长和缩短，去掉外磁场后，又恢复初始状态，且具有可逆性好、响应速度快、承载能力强等优点。
正常工况下，风扇轴8由1#轴承7和2#轴承9共同支承，智能可伸缩结构15保持初始长度S0，1#轴承与2#轴承间的轴向距离为L0，如图3所示。
FBO事件发生后，1#轴承7将承受巨大的FBO载荷，其轴承座或支承锥壁5熔断部件6失效，风扇轴8失去在1#轴承7处的约束，将主要受2#轴承9的约束，风扇轴8类似于悬臂梁结构。此时，由于熔断部件6的失效，发动机处于超临界状态。
FBO事件发生后，1#轴承7和2#轴承9附近的传感器12、11会测试到显著的动力学响应,并通过信号采集装置18，将采集到的动力学响应传递给信号处理装置19。该信号处理装置19发送信号给智能可伸缩结构15，使其在预定范围内沿伸长，从而增加风扇轴8的长度。此时风扇轴8类似于悬臂梁结构，增加风扇轴8的长度有助于进一步降低临界转速。在FBO事件发生后的停车减速阶段，由于熔断部件的失效，发动机处于超临界状态，进一步降低临界转速能够增大临界转速与工作转速的间隔，从而更显著地降低发动机在停车减速过程中的动力学响应。
如图4所示，在停车减速阶段，信号处理装置19发送信号给智能可伸缩结构15，使其长度从S0伸长到S1，风扇轴8的长度也相应增加，1#轴承7与2#轴承9间的轴向等效距离从L0增加到L1，相当于增加了悬臂梁的长度，进一步降低临界转速。这有助于增大临界转速与工作转速的间隔，更显著地降低发动机在停车减速过程中的动力学响应。
FBO事件发生后，发动机会经历停车减速过程，直至到达风车转速，并在风车转速阶段持续很久。在发动机从工作转速降低到风车转速的过程中，会经过临界转速。过临界转速时，发动机的动力学响应会显著增大。当信号处理装置19从传感器12、11监测的信号中判断出发动机已经过临界转速后，将发送信号给智能可伸缩结构15，使其在预定范围内收缩，减小风扇轴8的长度，从而增大临界转速。当发动机到达风车转动阶段，增大临界转速，使其远高于风车转速，有助于降低发动机的动力学响应。
在前述实施方式中，传感器的类型不限，只要能够迅速捕捉到发动机异常事件产生的信号均可，如应变片、振动传感器或加速度传感器等。传感器的监测位置一般设在发动机正常运行过程中监测量不敏感，FBO事件发生后，该监测量显著变大的区域，如1#轴承和2#轴承附近。
在前述实施方式中，智能可伸缩结构具有多样性，例如通过控制电流的大小来控制机械结构的伸缩，或是使用可控智能材料来改变结构的长度等。
在前述实施方式中，控制器可以是微程序控制器，其信号处理装置和信号采集装置可以由同一个实体装置集成，或者其中之一由程序实现，此外，信号处理装置的位置可以多样，只要有电源供应，且不影响发动机的正常运行即可。传感器传递信号可进行信号放大、防干扰等措施。
前述实施方式的有益效果体现在：
1.在FBO事件发生后的停车减速阶段，发动机处于超临界状态，通过智能可伸缩结构的伸长，增大风扇轴的悬臂长度进一步降低临界转速，减小停车减速阶段的动力学响应。
2.在风车转动阶段，发动机处于亚临界状态，通过智能可伸缩结构的收缩，减小风扇轴的悬臂长度以提高临界转速，更好地减小发动机的动力学响应。
3.通过控制智能可伸缩结构的长度双向调节转子的临界转速，降低了发动机部件系统的设计载荷，有助于降低发动机的设计难度。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，用于低压转子，该低压转子至少由第一轴承、第二轴承支撑，所述第一轴承的轴承座由支承锥壁连接到中介机匣上，其特征在于，该降载装置包括：
熔断部件，设置在所述第一轴承的轴承座或所述支承锥壁；
风扇轴，包括智能可伸缩结构；
至少两传感器，用以监测所述第一轴承和所述第二轴承的动力学响应；
控制器，与所述传感器与所述智能可伸缩结构分别关联设置；
其中，所述传感器检测所述第一轴承和所述第二轴承的异常动力学响应,并将检测到的动力学响应传递给控制器，该控制器发送信号给所述智能可伸缩结构，使其在预定范围内沿伸缩，从而改变风扇轴的长度。
2.如权利要求1所述的航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，其特征在于，所述降载装置还包括在所述第二轴承的轴承座或者将所述第二轴承座连接到中介机匣的壁体上设置的次要熔断部件。
3.如权利要求1所述的航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，其特征在于，所述智能可伸缩结构为稀土超磁致伸缩结构。
4.如权利要求1所述的航空发动机风扇叶片脱落事件降载装置，其特征在于，所述传感器为应变片、振动传感器或加速度传感器。
5.一种航空发动机风扇叶片脱落事件降载方法，用于低压转子，该低压转子的风扇轴至少由第一轴承、第二轴承支撑，所述第一轴承的轴承座由支承锥壁连接到中介机匣上，其特征在于，
在风扇轴上设置智能可伸缩结构，正常工况下，风扇轴由所述第一轴承和所述第二轴承共同支承，智能可伸缩结构保持初始长度；
风扇叶片脱落事件发生后，利用传感器检测所述第一轴承和所述第二轴承的动力学响应,并通过采集到的动力学响应传递给控制器，该控制器发送信号给智能可伸缩结构，使所述智能可伸缩结构在预定范围内沿伸长，从而增加风扇轴的长度。
6.如权利要求5所述的航空发动机风扇叶片脱落事件降载方法，其特征在于，风扇叶片脱落事件发生后，在发动机从工作转速降低到风车转速的过程中，会经过临界转速，利用控制器从传感器监测的信号中判断出发动机已经过临界转速，然后发送信号给智能可伸缩结构，使其在预定范围内收缩，减小风扇轴的长度。
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