CN111894737B

CN111894737B - 转子支承结构以及燃气轮机

Info

Publication number: CN111894737B
Application number: CN201910368114.4A
Authority: CN
Inventors: 王少辉; 郑李鹏; 柴象海; 赵芝海; 翁依柳; 侯亮
Original assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AECC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2019-05-05
Filing date: 2019-05-05
Publication date: 2021-07-30
Anticipated expiration: 2039-05-05
Also published as: CN111894737A

Abstract

本发明涉及支承结构以及包括其的燃气轮机，其中，上述支承结构包括第一支承部件，包括用于连接风扇转子轴承组件的第一段以及用于连接支承框架的第二段；以及连接装置，包括熔断部和弹性组件；其中，所述第一段和所述第二段的相邻端由所述熔断部和所述弹性组件并联连接，所述弹性组件容许当所述熔断部因不平衡载荷断开时，承受所述第一段传递来的载荷，在所述风扇转子轴承组件与所述支承框架之间形成弹性约束。上述支承结构具有发生FBO事件时部分卸载，防止应力集中，易于进行设计等优点，上述燃气轮机具有安全可靠等优点。

Description

转子支承结构以及燃气轮机

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种转子支承结构以及包括其的燃气轮机。

背景技术

目前,大部民用涡扇发动机的转子由高压转子和低压转子组成,低压转子穿过高压转子,并通过支承结构支承到静子机匣。低压转子一般由风扇、增压级和转轴组成，通常由三个轴承支承。连接第一轴承组件和第二轴承组件的转子支承结构将低压转子风扇部位产生的载荷传递到支承框架。

涡扇发动机的运行过程中，大尺寸风扇叶片由于鸟撞或疲劳等因素导致风扇叶片断裂或脱落(FBO)。FBO事件后，低压转子仍保持较高转速，并且脱落风扇叶片尺寸和质量都很大，导致风扇的重心线与发动机的中心线不对中，会引起巨大的不平衡载荷。由于轴承的限制，风扇仍绕低压转子的中心线转动，载荷会沿轴承及支承结构传递到中介机匣，然后通过静子机匣传到安装节上，并进一步传递到飞机上。为了保障发动机发生FBO事件时飞机不出现灾难性事故，保证安装节不发生破坏，需要增加载荷传递路径上部件和安装节的强度或者渐小传递路径上关键部件的载荷。增加传递路径上零件的强度，虽满足了安全性要求，但是会增加发动机的重量和运行成本，降低其经济性。

为了减小传递到安装节的载荷，就需要通过设计熔断结构主动发生失效破坏，改变载荷分配，减少关键部件和安装节上的载荷，起到保护关键部件合安装节的作用，提高发动机的安全性。

传统熔断设计方案之一是第一轴承组件的支承结构完全失效，释放第一轴承组件的径向刚度能够使低压转轴绕着接近于其新的重心所在线的轴转动，在不增加发动机重量和体积的情况下，减小FBO不平衡载荷。然而，释放第一轴承的径向约束会使转子发生径向振荡变形，容易损坏轴承部件的密封圈，使部件的润滑和冷却油泄漏，这容易导致轴承在转动过程中发生过热和卡死现象，导致发动机不能正常转动。

传统熔断设计方案之二是包含第一轴承的支承结构的首要熔断和第二轴承的支承结构的支撑次要熔断，其将导致第一轴承和第二轴承的支撑结构复杂。而且，要求第二轴承的支承结构不能完全熔断，否则会使高低压转子产生碰磨，并使风车转动阶段振动增大，但由于加工和装配误差等原因，首要熔断结构破损后，存在载荷重新分配的不确定性，导致次要熔断门槛值计算困难。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种支承结构。

本发明的另一个目的是提供一种燃气轮机。

根据本发明一个方面的一种支承结构，包括第一支承部件，包括用于连接风扇转子轴承组件的第一段以及用于连接支承框架的第二段；以及连接装置，包括熔断部和弹性组件；其中，所述第一段和所述第二段的相邻端由所述熔断部和所述弹性组件并联连接，所述弹性组件容许当所述熔断部因不平衡载荷断开时，承受所述第一段传递来的载荷，在所述风扇转子轴承组件与所述支承框架之间形成弹性约束。

在所述支承结构的实施例中，所述第一支承部件还包括从所述第一段凸伸的第一法兰以及从所述第二段凸伸的第二法兰，所述连接装置位于所述第一法兰与所述第二法兰之间，所述熔断部的两端分别连接所述第一段与所述第二段，所述弹性组件连接所述第一法兰与第二法兰。

在所述支承结构的实施例中，所述弹性组件包括连接体以及与所述连接体相连的弹性件，所述连接体的两端分别与所述第一法兰、第二法兰的孔存在配合间隙。

在所述支承结构的实施例中，所述连接体包括螺栓件以及对应的螺母件，所述弹性件包括两端分别连接于所述第一法兰以及所述螺栓件的螺帽部或螺母件之间的第一弹性件以及两端分别连接于所述第二法兰与所述螺栓件的螺帽部或螺母件之间的第二弹性件。

在所述支承结构的实施例中，所述连接体包括螺栓件以及对应的螺母件，所述弹性件两端分别连接于所述第一法兰以及第二法兰。

在所述支承结构的实施例中，所述第一支承部件为锥壁件，所述第二段具有所述锥壁件的大端、所述第一段具有所述锥壁件的小端，所述大端、小端分别用于连接所述支承框架、所述风扇转子轴承组件。

在所述支承结构的实施例中，所述熔断部为与所述第一段、第二段一体相连地，壁厚小于所述锥壁件的壁厚的壁面减薄段。

在所述支承结构的实施例中，所述壁面减薄段的减薄面为球面。

根据本发明另一个方面的一种燃气轮机，包括风扇转子轴承组件、支承框架以及以上任意一项所述的支承结构。

在所述燃气轮机的实施例中，所述风扇转子轴承组件包括第一轴承组件以及第二轴承组件，所述支承结构连接所述第一轴承组件和所述支承框架，所述第二轴承组件与所述支承框架通过非熔断的第二支承结构连接。

综上，本发明的进步效果至少包括下列之一：

1、正常工作情况下，连接装置与第一支承部件是一个完整的零件,起到机械连结和传递载荷的作用，熔断部不发生破坏；且通过弹性组件的不同的尺寸和数量，可以起到调节轴承组件的刚度的作用。

2、当FBO事件发生，引起不平衡载荷时，熔断部发生破坏直至完全失效,减小第一支承部件传递载荷，起到了保护关键部件的作用，减少了传递至支承框架的不平衡载荷，提高了支承框架的安全裕度，提高了发动机的安全性。

3、当熔断部失效后，第一段与第二段通过弹性组件连接，仍能传递部分载荷，可以减小风扇转子轴承组件的第二轴承组件的应力集中，减小第二轴承组件的设计技术难度。

4、由于熔断部断开后弹性组件连接第一段以及第二段，在风扇转子轴承组件与支承框架之间形成弹性约束，可以通过调整弹性件的不同变形提供不同的支承刚度和约束，可以调节风扇转子的临界转速，减小FBO事件后燃气轮机的振动最大峰值，使燃气轮机能够安全地穿越共振转速。

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，需要注意的是，附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制，其中：

图1是一实施例的燃气轮机的前端部分结构示意图。

图2是一实施例的支承结构的支承部件以及安装法兰的结构示意图。

图3是一实施例的支承结构的连接装置的结构示意图。

图4是另一实施例的支承结构的连接装置的结构示意图。

图5是一实施例的支承结构的熔断件失效后连接装置的结构示意图。

部分附图标记：

8-第一轴承组件

9-风扇轴

10-第二轴承组件

11-支承结构

111-第一段

112-第二段

12-第一法兰

13-第二法兰

14-安装孔

18-熔断部

20-弹性组件

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。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。

另外，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外，使用“第一”、“第二”、“第三”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

参考图1，在一实施例中，燃气轮机为双转子系统的航空发动机，空气1从燃气轮机沿发动机轴向中心线2进入燃气轮机，燃气轮机的前端部分包括有进气锥3，短舱4，风扇叶片5，增压级叶片6，中介机匣出口导叶7，风扇轴9，支承风扇轴9，即支承风扇转子的轴承组件包括第一轴承组件8以及第二轴承组件10。用于连接风扇轴承组件与支承框架100的支承结构包括的带有熔断部的连接第一轴承组件8的支承结构11以及连接第二轴承组件10的第二支承结构110，第二支承结构110一般如图1所示为非熔断的。

参考图1以及图3至图5，在一个或多个实施例中，支承结构11包括第一支承部件以及连接装置，其中第一支承部件包括用于连接风扇转子的第一轴承组件8的第一段111以及用于连接支承框架100的第二段112；连接装置包括熔断部18和弹性组件20，第一段111和第二段112的相邻端由熔断部18和弹性组件20并联连接，如图3以及图4所示，当燃气轮机正常工作时，弹性组件20提供支承刚度和实现我机械连接，传递从风扇轴承输出的载荷。如图5所示，当燃气轮机发生叶片脱落(Fan Blade Out,FBO)事件，引起不平衡载荷时，当不平衡载荷高于预定的熔断阈值，熔断部18发生大的塑性变形直至完全断开，以减小第一段传递来的载荷至支承框架100，起到了保护支承框架100的作用，提高了支承框架的安全裕度，提高了燃气轮机的安全性。但同时，熔断部18断开时，弹性件20仍将第一段111以及第二段112连接，承受第一段111传递过来的载荷，使得第一轴承组件8与支承框架100形成弹性约束，支承结构11仍旧传递部分的不平衡载荷至支承框架100，以减小第二轴承组件10的应力集中以及避免风扇轴9的摆动过大导致支承框架100的破坏。

参考图2至图5，在一个或多个实施例中，第一支承部件的具体结构可以是还包括从第一段111凸伸的第一法兰12以及从第二段112凸伸的第二法兰13，连接装置位于第一法兰12与第二法兰13之间，熔断部18的两端分别连接第一段111与第二段112，弹性组件20连接第一法兰12与第二法兰13，采用弹性组件连接凸伸的法兰件，实现熔断部与弹性组件并联连接，其结构简单，易于实现。进一步地，弹性组件20可以包括弹性件以及连接体，弹性件与连接体的具体结构可以是如图3所示的，连接体包括螺栓件15以及对应的螺母件151，弹性件包括两端分别连接于第一法兰12以及螺栓件15的螺帽部152的第一弹性件16以及两端分别连接于第二法兰13与螺母件151之间的第二弹性件17，弹性件可以是如图3至图5所示的弹簧。可以理解到，图3的结构还可以设置成螺母件151位于第一段侧，螺帽部152位于第二段侧，此时第一弹性件16两端分别连接于第一法兰12以及螺母件151，第二弹性件17两端分别连接于第二法兰13以及螺帽部152。第一弹性件16、第二弹性件17可以是相同的，也可以是不同的，根据实际需求选择弹簧的尺寸与刚度。弹性件与连接体的具体结构还可以是如图4所示的弹性件19的两端分别连接第一法兰12、第二法兰13。采用以上的螺栓件以及弹性件的有益效果在于，可以通过螺栓件的预紧力调节整个支承结构的支承刚度，增加支承结构对于不同风扇转子的适应性，通过改变螺栓件的数量和弹性件的刚度以及熔断部的尺寸和位置，来改变熔断部的熔断阈值，便于进行强度设计，并且，通过弹簧的不同变形可以提供不同的支承刚度和约束，可以调节转子的临界转速，使得在发生FBO事件后，航空发动机能够安全地穿越共振转速。可以理解到，无论采用图3还是图4实施例的连接装置的结构，连接体与第一法兰12、第二法兰13的安装孔14之间均存在配合间隙，如此使得在熔断部18断开后，连接体与第一段111或第二段112发生相对位移，以释放部分不平衡载荷。

参考图1至图5，在一个或多个实施例中，第一支承部件11的具体结构可以是锥壁件，第一段111具有锥壁件的小端，而第二段112具有锥壁件的大端，大端、小端分别连接支承框架10与第一轴承组件8。采用锥壁件的强度较好，支承效果可靠。进一步地，参考图3至图5，熔断部18的具体结构可以是熔断部18为与第一段111、第二段112一体相连地，壁厚小于锥壁件的壁厚的壁面减薄段，以壁面减薄段的结构为熔断部，其结构简单，易于加工以及进行强度设计。优选地，壁面减薄段的减薄面181为图3以及图4所示的球面。

综上可知，采用以上实施例的支承结构以及燃气轮机的有益效果包括：

本发明虽然以上述实施例公开如上，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

1.一种支承结构，用于连接燃气轮机的风扇转子轴承组件和支承框架，其特征在于，所述支承结构包括：

第一支承部件，包括用于连接风扇转子轴承组件的第一段以及用于连接支承框架的第二段；以及

连接装置，包括熔断部和弹性组件；

其中，所述第一段和所述第二段的相邻端由所述熔断部和所述弹性组件并联连接，所述弹性组件容许当所述熔断部因不平衡载荷断开时，承受所述第一段传递来的载荷，在所述风扇转子轴承组件与所述支承框架之间形成弹性约束；所述第一支承部件还包括从所述第一段凸伸的第一法兰以及从所述第二段凸伸的第二法兰，所述连接装置位于所述第一法兰与所述第二法兰之间，所述熔断部的两端分别连接所述第一段与所述第二段，所述弹性组件连接所述第一法兰与第二法兰；所述弹性组件包括连接体以及与所述连接体相连的弹性件，所述连接体的两端分别与所述第一法兰、第二法兰的孔存在配合间隙，所述连接体包括螺栓件以及对应的螺母件。

2.如权利要求1所述的支承结构，其特征在于，所述弹性件包括两端分别连接于所述第一法兰以及所述螺栓件的螺帽部或螺母件之间的第一弹性件以及两端分别连接于所述第二法兰与所述螺栓件的螺帽部或螺母件之间的第二弹性件。

3.如权利要求1所述的支承结构，其特征在于，所述弹性件两端分别连接于所述第一法兰以及第二法兰。

4.如权利要求1-3任意一项所述的支承结构，其特征在于，所述第一支承部件为锥壁件，所述第二段具有所述锥壁件的大端、所述第一段具有所述锥壁件的小端，所述大端、小端分别用于连接所述支承框架、所述风扇转子轴承组件。

5.如权利要求4所述的支承结构，其特征在于，所述熔断部为与所述第一段、第二段一体相连地，壁厚小于所述锥壁件的壁厚的壁面减薄段。

6.如权利要求5所述的支承结构，其特征在于，所述壁面减薄段的减薄面为球面。

7.一种燃气轮机，其特征在于，包括风扇转子轴承组件、支承框架以及权利要求1-6任意一项所述的支承结构。

8.如权利要求7所述的燃气轮机，其特征在于，所述风扇转子轴承组件包括第一轴承组件以及第二轴承组件，所述支承结构连接所述第一轴承组件和所述支承框架，所述第二轴承组件与所述支承框架通过非熔断的第二支承结构连接。