CN111601973B - 用于飞行器冷却单元的风扇 - Google Patents

Abstract

风扇(16)，尤其用于飞行器冷却单元，具有：轮部(128)，轮部包括毂部(138)和叶片(140)的环形阵列；轴组件(136)，用于绕轴线(A)驱动轮部；以及用于将轮部的毂部连接至轴组件的可熔装置，所述可熔连接装置包括：第一安装套筒，第一安装套筒被轴组件延伸穿过并被毂部围绕；以及平行于轴线(A)延伸的可熔安全元件(174)，可熔安全元件构造成：当所述轮部旋转并且轴组件传递的对轮部的驱动扭矩超过特定阈值时，可熔安全元件断裂并使轮部与轴组件脱离，其特征在于，连接装置包括第二耐磨套筒(143)，第二耐磨套筒插入在第一套筒和毂部之间，并且可熔元件延伸穿过第二耐磨套筒，第二套筒由与第一套筒的材料不同的材料制成，并且在轴组件在前述的脱离之后继续旋转的情况下，第二套筒由于摩擦和/或受热而经受磨损。

Description

用于飞行器冷却单元的风扇

技术领域

本发明具体涉及风扇，该风扇尤其是用于飞行器冷却单元。

背景技术

背景技术包括文献WO-A1-2017/046490。

飞行器发动机配备有用于流体(例如，油)的冷却单元。现有技术的油冷却单元包括空气-油交换器和被设计成抽吸空气使其穿过交换器的风扇。

交换器通常是“块”式的，并且风扇包括轮部，该轮部毗邻交换器布置，并且空气通过该轮部吸入，使得空气从交换器中循环的油中带走热能。

该风扇是机械风扇，其轮部由轴组件驱动而旋转，该轴组件连接至齿轮箱的输出轴或飞行器发动机上的机械采样装置。

发动机制造商和/或直升机制造商可能存在下述要求：在风扇的轮部出现问题(例如，轮部被卡阻或有异物吸入风扇中)的情况下，轮部的驱动扭矩增大超过特定的阈值将导致风扇的一部分受控地断裂，从而使风扇轮部脱开或脱离与齿轮箱的输出轴或发动机上的机械移除装置的旋转接合。

在现有技术中，该安全功能设置在风扇的轮部的驱动轴组件上。轴组件包括具有可熔部件的部段，该可熔部件旨在在传递到轮部的扭矩超过特定阈值的情况下断裂。该部段因此被称为“可断裂轴”，因为它是旨在在上述情况下会断裂的部件。

除了该可断裂轴外，轴组件还包含多个元件(主轴，护套，轴承，法兰，预加载垫圈等)，因此相对较复杂。该可断裂轴形成居间部件，该居间部件导致轮部相对于输出轴被偏置，并需要借助轴承和辅助部件来引导轴组件。尽管这种复杂性对客户而言是不需要的，但其是集成安全功能所需的。因此，轴组件昂贵并且具有很大的质量。另外，轴承的存在降低了风扇的可靠性和使用寿命。

申请人已经在文献WO-A1-2017/046490中提出了针对该问题的解决方案。该文献描述了一种具有权利要求1前序部分的特征的风扇。具体地，提出了在风扇轮部上而不是在轮部的驱动轴组件上设置安全功能。因此，与现有技术相比，轴组件可以被简化并且成本更低，重量也更轻。这降低了风扇的成本，同时还增加了风扇的可靠性。因此，风扇轮部包含可熔元件，该可熔元件使得轮部在轴或轴组件传递的扭矩超过预定阈值时与轴组件脱开。

在运行过程中，轮部的旋转速度可能非常高，例如大约10,000到20,000转/分钟(rpm)。在可熔元件断裂后，会产生非常高的温度升高，这将导致部件的相对运动，从而可能导致部件被卡住或者甚至熔接，并因此使得预期的部件脱离的现象无法实现。

发明内容

本发明针对该问题提供了一种简单、有效和经济的解决方案。

本发明提供了一种风扇，尤其用于飞行器冷却单元，其包括：

-轮部，该轮部包括毂部和叶片的环形排，

轴组件，用于绕轴线驱动轮部；以及

-用于将轮部的毂部连接至轴组件的可熔装置，这些可熔连接装置包括：第一固定套筒，第一固定套筒被轴组件穿过并被所述毂部围绕；以及平行于所述轴线延伸的可熔安全元件，可熔安全元件构造成：当所述轴组件传递的对轮部的驱动扭矩超过特定阈值时，可熔安全元件断裂并使轮部脱离与轴组件的旋转接合，

其特征在于，所述连接装置包括第二耐磨套筒，第二耐磨套筒插入在所述第一套筒和所述毂部之间，并且所述可熔元件穿过第二耐磨套筒，所述第二套筒由与第一套筒的材料不同的材料制成，在轴组件在前述的脱离之后继续旋转的情况下，所述第二套筒由于摩擦和/或受热而经受磨损。

因此，本发明提出在可熔连接装置上增加耐磨部件，该耐磨部件构造成：在轴组件于轮部从该轴组件脱离之后继续旋转的情况下优先被磨损。该耐磨部件是居间部件或插入部件，因此优选地避免了毂部与固定套筒之间的直接接触，因为固定套筒(通常是金属部件)与毂部的这种直接接触会产生现有技术的受热问题。有利地，耐磨套筒构造成有助于轮部的毂部相对于固定套筒的滑动。

优选地，由轮部的可熔元件传递的标称扭矩介于1到15N.m之间。断裂点可以是标称扭矩的十倍，并且约为10至150N.m。

根据本发明的风扇可包括一个或多个如下所述的特征，这些特征可以彼此独立或彼此组合地实现：

-所述第二套筒包括圆柱形部分和径向部分，第二套筒的圆柱形部分被插入在第一套筒和毂部的圆柱形部分之间，并且第二套筒的径向部分被插入在第一套筒和毂部的径向部分之间，

-所述可熔元件是螺钉，并且所述可熔元件确保了轮部的固定，

-螺钉轴向地穿过第一套筒、第二套筒和毂部的径向部分，

-螺钉以基本不存在间隙的方式穿过第一套筒、第二套筒和毂部的径向部分的轴向孔口，

-所述第一套筒通过螺纹连接到轴组件的一个端部处的螺母而被保持为轴向地夹紧抵靠在轴组件的肩部上，

-所述螺母轴向地压靠在垫圈上，垫圈自身轴向地压靠在第一套筒的圆柱形部分上，该垫圈以轴向间隙与第二套筒和毂部的圆柱形部分间隔开，

-所述第一套筒由金属制成，所述第二套筒由塑料制成。

本发明还涉及一种飞行器冷却单元，其包括例如为空气-油热交换器的热交换器以及如上所述的风扇。

本发明还涉及一种用于飞行器(例如，直升机)的发动机或齿轮箱，其包括输出轴和如上所述的冷却单元，冷却单元的轮部由所述输出轴驱动。

最后，本发明涉及一种飞行器，其包括至少一个如上所述的冷却单元或发动机或齿轮箱。

附图说明

在阅读以下参照附图作为非限制性示例给出的描述时，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点和特征会更清楚地显现，在附图中：

-图1为配备有冷却单元的飞行器发动机的示意性透视图；

-图2是图1的冷却单元的风扇的示意性透视图；

-图3为图2的风扇的示意性部分轴向横截面视图，并且示出了本发明的现有技术；

-图4为根据本发明的风扇的示意性轴向横截面视图；以及

-图5为图4的一部分的放大视图。

具体实施方式

图1示出了飞行器发动机10，在此处为直升机发动机，其配备有用于冷却发动机的油的冷却单元12。单元12包括空气-油热交换器14和风扇16，该风扇在图2中最佳地示出。

热交换器14是“块”式的并且呈平行六面体形。该热交换器包括与供油口和排油口18连接的油回路，在图1中只有供油口和排油口中的一个口可见。该热交换器还包括翅片20，该翅片限定了与穿过交换器的空气流(箭头22)的热交换表面。交换器的前部或入口部段24呈平行四边形。交换器的出口部段(图中不可见)也为平行四边形。连接管道组装在交换器出口部段与风扇的抽吸或入口部段26之间，并提供这些部段之间的流体连通。

在此处，风扇16是离心式的，并且包括由轴组件36驱动的轮部28，以迫使空气被吸入，穿过交换器14并扫过翅片20。被吸入的空气穿过轮部，并被径向向外排出。空气通过风扇的主体30的喇叭形部29引导，该喇叭形部形成蜗壳(volute)并且从上述入口26延伸到空气出口32，该空气出口具有相对于以轮部的旋转轴线为中心的圆周基本为切向的定向(箭头34)。

如图1所示，交换器14和风扇16并排设置。风扇的主体30固定在发动机的壳体上，并且交换器14通常悬臂式地固定在风扇上(或直接固定在发动机或齿轮箱上)。

在图3中最佳地示出了风扇16的轮部28以及轮部28的驱动轴组件36。

轮部28包括毂部38，毂部38在其周边上具有叶片40的环形排。轮部还具有到轴组件36的连接装置42。这些连接装置42容置在毂部38中，并且在此与毂部38成一体。连接装置包括孔43，该孔穿过轮部并沿着轮部的旋转轴线A延伸。叶片40也与毂部38成一体。因此，轮部28为一体件。

轴组件36包括多个元件：主轴44，被称为“可断裂轴”的第二轴或轴部段46，轴承48，护套50以及辅助部件(例如法兰，预加载垫圈，螺钉和螺栓等)。

主轴44所包括的一个端部穿过孔43并且主轴44包括与轮部28的连接装置42配合的旋转联接装置。

主轴44的相对端部接纳可断裂轴46的一个端部，该可断裂轴46包括小直径部分46’，该小直径部分形成上述类型的可熔部件。该部分46’在径向或横向于轮部28的旋转轴线的平面P1中延伸，该平面P1远离基本穿过风扇的轮部的叶片40的平行平面P2。

主轴44由护套50中的轴承48定心并旋转地引导，该护套围绕区段44和可断裂轴46的一部分并且组装在风扇16的主体30的孔口52中。

如上所述，这种技术很复杂并且具有缺点，因为其事实是通过可断裂轴46在轴组件36上设置安全功能。

本发明借助于风扇的可断裂轮部提供了一种解决方案，该风扇的可断裂轮部代替了可断裂轴并且简化了风扇的轮部的驱动轴组件。

图4和图5示出了本发明的实施例。这两幅附图示出了风扇的轮部128及其驱动轴组件，该驱动轴组件实质上可包括驱动轴136。

尽管下文没有描述风扇的其余部分，但如上所述并且在图1至3中示出的风扇的特性可以作为轮部128的集成的示例来参照。

轴136包括至少两个具有不同直径的圆柱形部分，这些圆柱形部分通过圆柱形肩部164彼此连接。轴136的小直径部分被轮部128环绕并且在其自由端部处包括外螺纹，螺母166将被螺纹连接到该外螺纹上。

轮部128包括毂部138，毂部在其周边上承载有叶片140的环形排。

轮部128通过可熔连接装置组装在轴136上，该可熔连接装置包括两个套筒：称为固定套筒的第一套筒142；称为耐磨套筒的第二套筒143。

第一套筒142在毂部138的内部沿轮部的旋转轴线A延伸。套筒142包括圆柱形部分142a和径向部分142b(即，在径向平面内延伸或垂直于轴线A延伸的环形部分)。套筒142被组装在轴136的小直径部分上，使得其圆柱形部分142a位于螺母166所在一侧。套筒142通过螺母166轴向地夹紧抵靠在肩部164上，其中，垫圈165(此处是径向的垫圈)被轴向地插入在螺母166和套筒142之间(更确切地说，是插入在螺母166和套筒142的圆柱形部分的自由端部之间)。

套筒142的内直径和轴136的小直径部分的外直径可被选择成：使得套筒以径向过盈配合(即，不存在径向间隙)的方式组装在轴上。套筒142在轴136上的轴向紧固足以使得在轴和套筒之间传递扭矩。然而，可以通过轴136的小直径部分上的外花键和套筒142的圆柱形部分142a中的额外的内花键来来对这种联接加以补充。

套筒142的径向部分142b包括轴向贯通孔口142c的环形排，以供可同时熔断的螺钉174穿过，并且将套筒142固定到轮部128，并因此将轮部128固定到轴136。

第二套筒143沿轮部的旋转轴线A在毂部138的内部并围绕着套筒142延伸。套筒143包括圆柱形部分143a和径向部分143b。套筒143被组装在套筒142上，使得其圆柱形部分143a位于螺母166所在一侧。因此，套筒143的部分143a，143b分别径向地和轴向地施用到套筒142的部分142a，142b上。

套筒143的径向部分143b包括轴向贯通孔口143c的环形排，该轴向贯通孔口与贯通孔口142c对准以供螺钉174穿过。套筒143(更具体地，其径向部分143b)通过固定螺钉174轴向地夹紧抵靠在套筒上(更具体地，轴向地夹紧抵靠在其径向部分142b上)。

套筒143的部分143a的内直径和套筒142的部分142a的外直径可被选择成：使得套筒143以径向过盈配合(即，不存在径向间隙)的方式安装在套筒142上。

轮部的毂部138包括圆柱形部分138a和径向部分138b，圆柱形部分138a位于螺母166所在一侧。

轮部138围绕套筒143组装，使得其部分138a，138b分别径向地和轴向地施用到套筒143的部分143a，143b上。

轮部138的径向部分138b包括轴向贯通孔口138c的环形排，该轴向贯通孔口与贯通孔口142c，143c对准以供螺钉174穿过。轮部138(更具体地，其径向部分138b)通过固定螺钉174轴向地夹紧抵靠在套筒上143(更具体地，轴向地夹紧抵靠在其径向部分143b上)。

轮部的部分138a的内直径和套筒143的部分143b的外直径可被选择成：使得轮部138以径向过盈配合(即，不存在径向间隙)的方式安装在该套筒上。

如可在图5中更清晰地看到的，套筒143和毂部138的圆柱形部分143a，138a的自由端部以轴向间隙J与垫圈165间隔开，使得毂部在套筒上的轴向夹紧仅通过螺钉174实现(而不通过螺母166实现)，而轮部128仅通过这些螺钉174固定在轴136上。

在所示的示例中，螺钉174使其头部压靠在套筒142的径向壁142a上，并接纳拧紧在毂部138的径向壁138b上的螺母。螺钉例如数量为三个，并且绕轴线A均匀分布。

优选地，每个螺钉174在孔口142c，143c和138c中以不具有径向间隙的方式被组装。为此，可以使用钻头同时钻出这些孔口，钻头的直径等于螺钉的螺纹部分的直径。

这些螺钉是可熔螺钉174，即，构造成在经受超过特定阈值的剪切时断裂并分裂成两部分。该剪切阈值和螺钉的数量被确定为由轴传递的扭矩阈值的函数，超过该阈值则使得螺钉断裂。为此，螺钉可以包括薄弱和初始破坏区域，薄弱和初始破坏区域例如呈截面变薄(即直径局部减小)的形式。

当由轴136传递的扭矩高于预定阈值时，螺钉174会断裂并导致轮部128从轴136脱离。套筒142通过螺母166被保持为轴向地紧固抵靠在轴136的肩部164上，并因此与轴保持为成一体。轴136可以被旋转一定的时段，例如，三个小时，而轮部则可以保持静止。在该旋转期间，耐磨套筒143可由于摩擦和/或受热而磨损，以防止套筒142和毂部136被卡住或熔接。

如果套筒143至少部分地消失(例如，在三个小时后)，则轮部会掉落。如果轴线A是竖直的，则轮部可能掉落到风扇的主体130上。如果轴线A是水平的，则轮部可能掉落到风扇主体的喇叭形部129的大直径部分上，因为轮部和喇叭形部之间的径向间隙(例如，约0.3mm)优选地小于套筒143的径向厚度。轴136可以继续旋转三个小时。

举例而言，毂部138和叶片140由铝制成，而轴138由不锈钢制成。套筒142可以由金属(例如不锈钢)制成，并且套筒优选地由塑料制成，例如选自PEEK GL30或PEEK CA30，POM-C，PA66，

等的塑料。

为了保证轮部128与套筒142、143之间的对准，可以在对轮部进行粗加工的第一步骤之后并在对轮部进行机械加工的步骤之前执行通过螺钉174进行的组装和固定。

在未示出的替代实施例中，螺钉174可以由同样可熔的铆钉代替。

Claims (11)

1.一种风扇(16)，包括：

-轮部(128)，所述轮部包括毂部(138)和叶片(140)的环形排，

-轴组件(136)，用于绕轴线(A)驱动所述轮部；以及

-用于将所述轮部的毂部连接至所述轴组件的可熔连接装置，这些可熔连接装置包括：第一固定套筒，所述第一固定套筒被所述轴组件穿过并被所述毂部围绕；以及平行于所述轴线(A)延伸的可熔安全元件(174)，所述可熔安全元件构造成：当所述轴组件传递的对所述轮部的驱动扭矩超过特定阈值时，所述可熔安全元件断裂并使所述轮部脱离与所述轴组件的旋转接合，

其特征在于，所述可熔连接装置包括第二耐磨套筒(143)，所述第二耐磨套筒插入在所述第一固定套筒和所述毂部之间，并且所述可熔安全元件穿过所述第二耐磨套筒，所述第二耐磨套筒由与所述第一固定套筒的材料不同的材料制成，在所述轴组件在前述的脱离之后继续旋转的情况下，所述第二耐磨套筒由于摩擦和/或受热而经受磨损。

2.根据权利要求1所述的风扇(16)，其中，所述第二耐磨套筒(143)包括圆柱形部分(143a)和径向部分(143b)，所述第二耐磨套筒的圆柱形部分被插入在所述第一固定套筒(142)的圆柱形部分(142a)和所述毂部(138)的圆柱形部分(138a)之间，并且所述第二耐磨套筒的径向部分被插入在所述第一固定套筒的径向部分(142b)和所述毂部的径向部分(138b)之间。

3.根据权利要求1或2所述的风扇(16)，其中，所述可熔安全元件是螺钉(174)，并且所述可熔安全元件确保了所述轮部(128)的固定。

4.根据权利要求2所述的风扇(16)，其中，所述可熔安全元件是螺钉(174)，并且所述可熔安全元件确保了所述轮部(128)的固定，所述螺钉(174)轴向地穿过所述第一固定套筒(142)的径向部分(142b)、所述第二耐磨套筒(143)的径向部分(143b)和所述毂部(138)的径向部分(138b)。

5.根据权利要求4所述的风扇(16)，其中，所述螺钉(174)以基本不存在间隙的方式穿过所述第一固定套筒(142)的径向部分(142b)的轴向孔口(142c)、所述第二耐磨套筒(143)的径向部分(143b)的轴向孔口(143c)和所述毂部(138)的径向部分(138b)的轴向孔口(138c)。

6.根据权利要求1或2所述的风扇(16)，其中，所述第一固定套筒(142)通过螺纹连接到所述轴组件的一个端部上的螺母(166)而被保持为轴向地夹紧抵靠在所述轴组件(136)的肩部(164)上。

7.根据权利要求5所述的风扇(16)，其中，所述第一固定套筒(142)通过螺纹连接到所述轴组件的一个端部上的螺母(166)而被保持为轴向地夹紧抵靠在所述轴组件(136)的肩部(164)上，所述螺母(166)轴向地压靠在垫圈(165)上，所述垫圈自身轴向地压靠在所述第一固定套筒(142)的所述圆柱形部分(142a)上，该垫圈以轴向间隙(J)与所述第二耐磨套筒(143)的圆柱形部分(143a)和所述毂部(138)的圆柱形部分(138a)间隔开。

8.根据权利要求1或2所述的风扇(16)，其中，所述第一固定套筒(142)由金属制成，所述第二耐磨套筒(143)由塑料制成。

9.根据权利要求1所述的风扇(16)，其中，所述风扇是用于飞行器冷却单元的风扇。

10.一种飞行器冷却单元，包括热交换器以及根据权利要求1至9中任一项所述的风扇(16)。

11.根据权利要求10所述的飞行器冷却单元，其中，所述热交换器为空气-油热交换器。

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