CN114165339B - 涡轮发动机的转速限制装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供涡轮发动机的转速限制装置和方法，限制低压轴失效导致的涡轮转子超转问题，该转速限制装置包括位于低压轴内的通风管，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁连接，且前端与低压轴的前端连接，以使低压轴失效时所述通风管替代所述低压轴进行传动。

Description

涡轮发动机的转速限制装置和方法

技术领域

本发明涉及涡轮发动机低压轴失效时的低压轴转速限制装置和方法。

背景技术

涡轮驱动的发动机在实际运行中，可能由于超扭、共振、疲劳、腐蚀、材料缺陷和制造误差或者其他间接事件导致轴失效的发生。虽然轴失效的发生概率很小，但是轴失效一旦发生，就有可能导致危害性的后果。对于双转子发动机而言，常见的是低压轴失效，低压轴失效后，涡轮转子与前端负荷(压气机)解耦，同时在燃烧室排出的高能气体的驱动下，转速瞬间上升，或进入超转状态，当转速上升到一定程度，轮盘应力达到临界发生破裂，破裂的高能碎片具备穿透发动机的风险，因此限制轴失效后的涡轮超转是涡轮发动机设计中必须遵循的一个约束条件。

已知的双转子发动机中一般通过安装转速传感器来直接监测转子转速或者换算得到转子转速，转速传感器一般安装在发动机前端，监测不到轴失效导致的后端涡轮转速的上升。即使在涡轮端增加传感器，对于大型民用涡扇发动机来说，控制系统从监测判别出轴失效事件发生到切油响应，整个过程持续时间长，较涡轮转速上升至临界转速的所需的时间约慢一个数量级，所以单独通过控制系统进行低压轴失效后的转速限制对控制系统的响应时间具有苛刻的要求。

已知的在后承力机匣或者涡轮静子上增加蜂窝或者耐摩擦装置，在轴失效事件发生后，通过转子后移与静子碰撞摩擦来限制转子转速，但是转子的回弹和晃动、碰撞接触材料、温度等均影响降转效果，因此该种方式依赖轴失效事件的发展过程，限制最高超转转速的效果很难预测。

已知的针对齿轮箱驱动的发动机在风扇增加级处设计双传扭通道，低压轴的一端连接涡轮转子，另一端分别连接驱动风扇的轴和驱动增压级的轴，风扇增加级处形成双传扭通道，如果驱动风扇的短轴和驱动增压级的短轴任意一根轴断裂，还有一根轴可以继续传递扭矩，避免低压涡轮与整个风扇增压级转子完全解耦，为控制系统响应争取时间。但是该种方式只针对于驱动风扇的短轴和增压级的短轴中的任意一根的轴失效事件，如果断裂位置位于低压轴(止推轴承之后)，仍然会出现低压涡轮与整个风扇增压级转子完全解耦的情况，此外，该种设计只适用于前端带有齿轮箱的齿轮驱动风扇发动机。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种涡轮发动机的转速限制装置，能够限制低压轴失效导致的涡轮转子超转问题。

本发明的另一个目的是提供一种涡轮发动机的转速限制方法，可以在涡轮发动机低压轴失效时限制涡轮转子超速旋转。

为实现所述目的的涡轮发动机的转速限制装置，包括位于低压轴内的通风管，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁连接，且前端与低压轴的前端连接，以使低压轴失效时所述通风管替代所述低压轴进行传动。

在一实施方式中，所述通风管包括外层覆盖层、中间金属层和内层覆盖层，所述外层覆盖层和所述内层覆盖层用来提高通风管的抗扭特性。

在一实施方式中，所述外层覆盖层或所述内层覆盖层为结合在所述中间金属层上的编制复合材料。

在一实施方式中，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁通过螺栓连接或焊接或套齿和锁紧大螺母组合连接。

在一实施方式中，所述低压轴的截面面积大于所述通风管的截面面积，以使风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动。

在一实施方式中，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁之间的连接或/和所述通风管的前端与低压轴的前端之间的连接在所述低压轴失效前为力解耦状态，而在在所述低压轴失效后为力耦合状态。

在一实施方式中，所述连接对应的被连接的双方中的一方具有齿，另一方具有槽，在所述力解耦状态，所述齿和所述槽具有间隙而无法传力，而在所述力耦合状态，由于所述双方的相对运动导致所述齿和所述槽的间隙消除进而可进行传力。

为实现所述涡轮发动机的转速限制方法，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动，而在所述低压轴失效时，风扇增压级转子主要由低压涡轮通过所述通风管驱动，通过通风管延缓或避免低压涡轮转子瞬间进入飞转状态。

在一实施方式中，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，通过控制低压涡轮轴和所述通风管传递的截面面积，来分配所述低压涡轮轴和所述通风管传递的扭力。

在一实施方式中，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，保持所述低压涡轮轴和所述通风管处于力解耦状态，而在涡轮发动机低压轴失效时，将所述低压涡轮轴和所述通风管切换到力耦合状态。

在低压轴作为主传递扭矩结构的基础上，通过改进通风管设计，增加备用传扭结构。当低压轴失效发生后，不再将低压涡轮上的功传递给风扇增压级，通风管承担起传递扭矩的作用，避免低压轴失效后低压涡轮转子与风扇增压级瞬间解耦后转速飞快上升的情况。通风管的传扭功能可以延缓甚至避免低压涡轮转子飞转导致转速飞快上升情况发生，也为控制系统监测判断轴失效事件发生并实施超转保护争取时间，从而达到有效限制低压轴失效后低压涡轮转子最高转速的目的。

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是涡轮发动机示意图。

图2是在第一实施方式中通风管与低压轴后端的连接处放大示意图。

图3是在第一实施方式中通风管与低压轴前端的连接处放大示意图。

图4是通风管的纵向剖视图。

图5是通风管的横向剖视图。

图6是在第二实施方式中低压轴前端的纵向剖视图。

图7是在第二实施方式中低压轴前端的横向剖视图。

图8是在第二实施方式中通风管前端的纵向剖视图。

图9是在第二实施方式中通风管前端的横向剖视图。

图10是在第二实施方式中在正常工况下通风管和低压轴前端连接关系的示意图。

图11是图10中I处的局部放大图。

图12是在第二实施方式中在轴失效情况下通风管和低压轴前端连接关系的示意图。

图13是图12中II处的局部放大图。

图14是涡轮发动机低压轴失效时的转速限制的工作流程图。

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。

图1示出了一台双子转子涡轮发动机100的示意图。发动机100主要由风扇21、增压级22、高压压气机23、燃烧室26、高压涡轮24、低压涡轮25组成。增压级22主要有静子22A和转子22B组成。高压压气机23主要有静子23A和转子23B组成。高压涡轮24主要有静子24A和转子24B组成。低压涡轮25主要有静子25A和转子25B组成。风扇21和增压级转子22B由低压涡轮25驱动，并通过低压轴12和低压涡轮支撑锥壁14连接，低压轴12和低压涡轮支撑锥壁14在A处一般通过螺栓连接。高压压气机23由高压涡轮24驱动，并通过高压轴11连接。高温高能燃气从燃烧室26中排出后先后经过高压涡轮24和低压涡轮25，驱动高压涡轮转子24B和低压涡轮转子25B转动。高压涡轮转子24B驱动前端的高压压气机转子23B转动，低压涡轮转子25B驱动增压级转子22B和风扇21转动。低压轴12的压气机连接端即前端由滚棒轴承1和滚珠轴承2支撑，涡轮连接端即后端由滚棒轴承5支撑，高压轴11的压气机连接端由滚珠轴承3轴承，涡轮连接端由滚棒轴承4支撑。滚棒轴承主要用来传递径向力，滚珠轴承可以同时传递轴向力和径向力。滚棒轴承1、滚珠轴承2和滚珠轴承3上的轴向力或径向力主要通过前承力机匣31向外传递，滚棒轴承4和滚棒轴承5的受力分别由涡轮级间承力机匣32和后机匣33向外传递。风扇21外侧是风扇机匣41，后端是导流支板51。通风管13位于低压轴12内部。发动机100还包括控制系统80，控制系统80在捕获轴失效信息并启动超转保护，例如降低燃油供应，降低发动机转速。

图2是通风管13的后端的安装示意图，通风管13的后端在图1和图2中的B处与低压涡轮支撑锥壁14连接。

图3是通风管13的前端的安装示意图。通风管13的前端在图1、图3中的C处与低压轴12前端连接。

通风管13的设计相对于已有的通风管有改进。通风管13与低压轴12、低压涡轮支撑锥壁14分别采用能够传递扭矩的连接结构，能够传递扭矩的连接结构包括刚性连接或者浮动连接，刚性连接不局限于螺栓连接、焊接、套齿和锁紧大螺母组合等的连接方式，浮动连接包括容许移动或转动的连接。刚性连接时，低压轴12和通风管13在正常工作状态下传递扭矩的分配是通过二者的横截面积大小来实现的，通风管13位于低压轴12内，并且通风管13的横截面积远小于低压轴12的横截面积，因此通风管13承受的扭力远远小于低压轴12承受的扭力，低压轴12传送大部分的扭矩。在低压轴失效时，通风管13立即替代低压轴12进行传动，基本上不存在切换时间，限制了低压轴失效时，涡轮转子转速的上升，起到了超转保护的作用。浮动连接容许通风管13在正常工作状态下不传递扭矩，即通风管13和低压轴12之间为力解耦的状态，而在轴失效后，通风管13与低压轴12的相对运动使得通风管13和低压轴12为耦合的状态，从力解耦切换到力耦合所需时间也非常短暂，同样可以切到超转保护的作用。

当低压轴12由于内部缺陷、着火、制造公差等原因失效后，例如在图1中的位置61处断裂，断裂位置位于滚珠轴承2的后端，低压轴12不再传递扭矩，由于通风管13的存在，低压涡轮转子25B继续与增压级转子22B和风扇21耦合，并通过通风管13传递扭矩，为控制系统80的给出切油命令争取了时间。当燃油被停止后，流道中不再有持续的高能燃气驱动低压涡轮转子25B转速上升，低压涡轮转子25B的转速能够得到有效控制。

由于当低压轴12失效发生后，不再将低压涡轮25上的功传递给风扇21和增压级22，通风管13承担起传递扭矩的作用，避免低压轴12失效后低压涡轮转子25B与风扇21、增压级22瞬间解耦后转速飞快上升的情况。通风管13的传扭功能可以延缓甚至避免低压涡轮转子25B飞转导致转速飞快上升情况发生，也为控制系统监测判断轴失效事件发生并实施超转保护争取时间，从而达到有效限制低压轴失效后低压涡轮转子25B最高转速的目的。

通过前述实施方式可以理解到一种涡轮发动机的转速限制方法，即在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动，而在所述低压轴失效时，风扇增压级转子主要由低压涡轮通过所述通风管驱动，通过通风管延缓或避免低压涡轮转子瞬间进入飞转状态。特别地，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，通过控制低压涡轮轴和所述通风管传递的截面面积，来分配所述低压涡轮轴和所述通风管传递的扭力。

低压轴12失效后的转速限制方法充分利用了发动机常规设计中已有的控制系统和通风管13，通过通风管13和控制系统的配合使用，延缓甚至避免低压轴失效后涡轮转子25B飞转发生，解决了控制系统响应慢的问题。相比于传统的控制系统的超转保护功能，该种低压轴失效后的转速限制方式对控制系统的响应时间要求低，可靠性高。相比于通过碰摩刹车这种机械式降转过程，该种低压轴失效后的转速限制方式不依赖轴失效过程的发展，在很大程度上能够保护低压涡轮25的转静子结构，轴失效后，发动机中的结构损失小。相比于齿轮驱动风扇发动机中的双传扭通道设计，该种低压轴失效后的转速限制方式可以针对任意位于止推轴承后的低压轴失效。所以对发动机的主体构型改动小，经济性、可靠性和操作性强。

通风管13与低压轴12和低压涡轮支承锥壁14的连接位置尽量往两端布置，以尽量覆盖所有低压轴12可能的失效区域。

提高通风管13的抗扭设计方式不局限于内外层覆盖的材料，例如覆盖编织复材。但是具体的连接方式、通风管结构尺寸和提高通风管的抗扭方式结合具体应用机型进行设计。

图4和图5给出了一个提高通风管13扭转功能的示例图，从外径往内看，通风管13包括外层覆盖层71、中间金属层72和内层覆盖层73，外层覆盖层71和内层覆盖层73主要用来提高通风管13的抗扭特性，延缓或避免扭转失效，为控制系统80响应争取足够的时间。

如前所述，当通风管13和低压轴12的前后端采用刚性连接时，通风管13在正常工况下可以传递部分扭矩，其中通风管13和低压轴12上的扭矩分配调整可以通过改进两者的尺寸和通风管13的内、外覆盖层实现。

对于前述的浮动连接，图6到图10示出了一种实施方式。

如图6和图7所示，低压轴12的前端设置有连接通风管13的法兰91，法兰91上开有扭力槽92。相对应的，如图8和图9所示，通风管13的前端与低压轴12连接的法兰93上增设扭力齿94，低压轴12前端的法兰91与通风管13的法兰93在轴向设计一定的间隙。当发动机在正常工况下运行时，如图10和图11所示，由于扭力槽92、扭力齿94存在轴向间隙，通风管13不传递扭矩。当轴失效事件发生后，低压轴12后端连着通风管13往后移动吃掉低压轴12前端的法兰91与通风管13的扭力齿94的轴向间隙，同时当通风管13前端与低压轴12前端转速不匹配，当两者旋转形成一定的角度差后，如图12和图13所示，扭力齿94卡进扭力槽92中，通风管13实现继续传递扭矩。

前述实施方式存在各种变型，例如扭力齿94和扭力槽94的位置可以互换，即扭力齿94设置在法兰91上，而扭力槽94设置在法兰93上；又如前述间隙或齿槽结构也可以设置在通风管13和低压涡轮支撑锥壁14的连接处；再如轴向间隙可以省略，仅形成周向间隙，当通风管13与低压轴12两者旋转形成一定的角度差后，齿和槽咬合上，通风管13实现继续传递扭矩。

通过前述实施方式可以同样可以理解到前述涡轮发动机的转速限制方法，即在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动，而在所述低压轴失效时，风扇增压级转子主要由低压涡轮通过所述通风管驱动，通过通风管延缓或避免低压涡轮转子瞬间进入飞转状态。特别地，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，保持所述低压涡轮轴和所述通风管处于力解耦状态，而在涡轮发动机低压轴失效时，将所述低压涡轮轴和所述通风管切换到力耦合状态。

图14示出了涡轮发动机低压轴失效时的转速限制的工作流程图，在步骤1中，发动机正常运行时，风扇21、增压级22的转子主要由低压涡轮25通过低压轴12驱动。

在步骤2中，低压轴失效事件发生后，风扇21、增压级22的转子由低压涡轮25通过通风管13驱动。

在步骤3中，涡轮发动机的控制系统捕获轴失效信息并启动超转保护，例如降低燃油供应，降低发动机转速。

在步骤4中，由于控制系统提供的超转保护，涡轮发动机的燃烧室不能持续燃烧，流道中高能燃气得到限制。

在步骤5中，由于高能燃气降低，因此低压涡轮转子转速得到有效控制。

前述实施方式通过改进设计发动机中的通风管，配合涡轮发动机的控制系统提供超转保护，实现了：

1.低压轴失效后，通风管继续传扭的作用；

2.通风管的传扭功能可以延缓甚至避免低压涡轮转子瞬间进入飞转状态；

3.通风管的传扭功能可以为控制系统争取时间以进行超转保护；

4.通风管前端与低压涡轮轴前端连接，后端与支撑锥壁连接，可以覆盖低压轴上所有有可能失效的位置区域；

5.通风管和控制系统的配合使用，可以达到限制低压涡轮转子转速的目的；

6.通风管的改进设计对发动机的安装改造要求低，结构改动小，成本低，可操作性强；

7.通风管位于发动机低压轴内环区域，对通风管的再设计不影响发动机的正常运行；

8.摆脱低压轴失效后的转速限制的有效性对轴失效过程的依赖，可靠性强；

9.避免低压轴失效后，低压涡轮转子后移与静子碰摩后的大量结构破坏。

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 (9)

1.涡轮发动机的转速限制装置，其特征在于，包括位于低压轴内的通风管，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁连接，且前端与低压轴的前端连接，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁之间的连接或/和所述通风管的前端与低压轴的前端之间的连接在所述低压轴失效前为力解耦状态，而在在所述低压轴失效后为力耦合状态，以使低压轴失效时所述通风管替代所述低压轴进行传动。

2.如权利要求1所述的转速限制装置，其特征在于，所述通风管包括外层覆盖层、中间金属层和内层覆盖层，所述外层覆盖层和所述内层覆盖层用来提高通风管的抗扭特性。

3.如权利要求2所述的转速限制装置，其特征在于，所述外层覆盖层或所述内层覆盖层为结合在所述中间金属层上的编制复合材料。

4.如权利要求1所述的转速限制装置，其特征在于，所述通风管的后端与低压涡轮的支撑锥壁通过螺栓连接或焊接或套齿和锁紧大螺母组合连接。

5.如权利要求1至4中任一项所述的转速限制装置，其特征在于，所述低压轴的截面面积大于所述通风管的截面面积，以使风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动。

6.如权利要求1所述的转速限制装置，其特征在于，所述连接对应的被连接的双方中的一方具有齿，另一方具有槽，在所述力解耦状态，所述齿和所述槽具有间隙而无法传力，而在所述力耦合状态，由于所述双方的相对运动导致所述齿和所述槽的间隙消除进而可进行传力。

7.涡轮发动机的转速限制方法，其特征在于，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子主要由低压涡轮通过低压轴驱动，而在所述低压轴失效时，风扇增压级转子主要由低压涡轮通过所述通风管驱动，通过通风管延缓或避免低压涡轮转子瞬间进入飞转状态。

8.如权利要求7所述的转速限制方法，其特征在于，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，通过控制低压涡轮轴和所述通风管传递的截面面积，来分配所述低压涡轮轴和所述通风管传递的扭力。

9.如权利要求7所述的转速限制方法，其特征在于，在涡轮发动机正常运行时风扇增压级转子，保持所述低压涡轮轴和所述通风管处于力解耦状态，而在涡轮发动机低压轴失效时，将所述低压涡轮轴和所述通风管切换到力耦合状态。

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