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Abstract

用于在涡轮机中限制涡轮超速的装置，该涡轮包括一个由安装在涡轮轴上的并承载转动叶片的轮盘形成的转子、位于转子的轮盘之间的固定叶片级、以及用于剪切转子的上游轮盘的转动叶片的装置，这些装置由涡轮的固定叶片级的圆周凸缘承载。

Description

用于在涡轮机中限制涡轮超速的装置
技术领域
本发明涉及一种用于在涡轮机中在涡轮轴断裂的情况下限制涡轮超速的装置，例如在涡轮喷气发动机中，
背景技术
涡轮机的涡轮轴的断裂在实际中幸运地很少发生，这种事故可以由于拙劣的装配或缺少对轴的防氧化保护而导致。
在将涡轮的转子连接到涡轮机的风扇上的轴断裂的时候，涡轮的转动叶片仍然被从涡轮机的燃烧室排出的气体驱动旋转，但是已经与限制它们旋转速度的风扇脱离。涡轮机然后空转并进入“超速”状态，这种状态使得转动叶片承受过大的应力，过大的应力可导致转子爆炸，同时具有穿透涡轮外壳和穿透装配有该涡轮机的航空器的机身的风险。因此限制超速是在涡轮机中必须遵循的一个主要约束条件。
已知的用来限制超速的装置通常利用涡轮的转子的下游位移，该位移由涡轮轴的断裂和气体施加到转子的叶片上的压力引起。
已经提出一种用于涡轮转子的机械制动的装置，其包括由转子承载的装置，目的是支撑在定子的相对应的装置上以制动转子，涡轮转子断裂后，该机械制动跟随着其下游位移发生。
这些装置的缺点在于相对较慢，这不利于它们的效率。
也曾提出以可拆或枢转的方式安装定子的导向叶片，于是在涡轮轴断裂之后，在其下游位移过程中，转子支撑在这些叶片上并导致它们在转动叶片的路径上枢转以将它们破坏并由此降低涡轮的转速。然而这种已知的解决方案过于复杂和昂贵。它同时需要提供一种装置来防止这些导向叶片由于涡轮轴断裂之外的原因枢转。
另外，已知的装置通常的缺点还在于增加了涡轮的整体质量并改变了其组件的空气动力学轮廓。
发明内容
本发明的一个特定目的是为这些问题提供一种简单、经济、有效的解决方案，并避免现有技术的缺陷。
本发明的另一个目的是以更令人满意的方式满足对用于限制涡轮机中涡轮的超速的装置的可靠性和快速性的需要。
为了这个目的，提出一种用于在涡轮机中限制涡轮超速的装置，该涡轮包括由安装在涡轮轴上并承载转动叶片的轮盘构成的转子、安装在转子的轮盘之间的固定叶片级、以及在涡轮轴断裂的情况下转子的轮盘的叶片的破坏装置，其中这些破坏装置被由固定叶片级固定和承载，固定叶片位于转子的上游轮盘和该转子的下一个轮盘之间，其目的是在由涡轮轴断裂导致的转子的下游位移的初期，剪切转子的上游轮盘的叶片。
被破坏的叶片被抛到转子的其它叶片以及涡轮的定子的叶片上，并导致这些部分被破坏，这防止了转子进入超速状态，被破坏的叶片不再为它提供机械能量。
根据本发明的由涡轮的固定叶片级形成的装置没有改变涡轮中的气体流动，也没有降低涡轮机的性能。
根据本发明的装置的剪切装置被固定，因此与现有技术相比较，可以更为容易的生产与实现。
在本发明的一个优选实施例中，剪切装置由固定叶片级的上游圆周凸缘承载或构成，其目的是作用在转动叶片的靠近叶片根部的较薄的部分或“横拉筋(strut)”上。
转动叶片的横拉筋通常是叶片最易碎的部分。根据本发明的装置因此利用了叶片的这部分的相对易碎性，目的是在涡轮转子断裂的情况下，尽可能迅速地将其破坏。
剪切装置优选地具有一个沿上游方向突出的轴向尺寸，该尺寸至少与待剪切的转动叶片的较薄的部分的轴向尺寸部分相等。
该剪切装置的轴向尺寸必须足够大以使得转动叶片的未剪切或未破坏的部分所承受的应力至少与其临界断裂强度相等。
在本发明的一个优选实施例中，该剪切装置包括多个锯齿元件，围绕固定叶片级的所述凸缘的圆周分布。
该剪切装置方便地与固定叶片级的一个或多个环形部分形成为一体。它们可以与固定叶片同时生产，与现有技术相比，这可以显著地降低根据本发明的装置的成本。
该剪切装置有利地由硬度大于待破坏的转动叶片的材料硬度的材料制成。它们也可以至少部分覆盖一层磨料，这可以更快更有效地磨损待破坏的转动叶片的那部分。
根据本发明的装置用于在涡轮喷气发动机中限制低压涡轮超速，这是特别的，但不是唯一的。
附图说明
通过阅读下面的通过参考附图作为非限制实例给出的描述，本发明的其他优点和特征是显而易见的，附图中：
图1是涡轮喷气发动机的低压涡轮的轴向横截面部分简图，该发动机装配有根据本发明的装置；
图2是图1中所示的涡轮的轴向横截面部分简图，其中涡轮的轴断裂；
图3是图1中一部分的放大简图，其中示出了根据本发明用于限制涡轮超速的装置；
图4是图3中沿线IV-IV的横截面视图；
图5是图3中沿线V-V的横截面视图；
图6是根据本发明的装置的轴向横截面简图，其中示出了剪切上游轮盘的转动叶片的起始阶段；
图7是与图6相对应的视图，其中示出了上游轮盘的转动叶片的破坏。
具体实施方式
首先参考图1，图1是沿穿过涡轮的转子的旋转轴线10的平面的涡轮喷气发动机的低压涡轮的简要半视图。
低压涡轮的转子包括四个轮盘：12、14、16、18，四者通过环形凸缘20相对彼此装配到一起，并承载独立的叶片22，例如通过楔形接合或类似方式，该叶片通过叶片根部在它们的径向内端安装在轮盘12、14、16、18的外边界上。转子通过中间的塔形传动轮26(drive cone)连接到涡轮轴24，该塔形传动轮通过位于低压涡轮的转子的轮盘14和16的环形凸缘20之间的环形凸缘28固定。
在转动叶片22的各级之间具有各级固定叶片30，固定叶片30通过合适的装置在它们的径向外端安装到低压涡轮的外壳31上。固定叶片30通过环形区域32在它们的径向内端彼此连接，环形区域32在圆周上端对端设置。
上游和下游圆周凸起或凸缘34形成为从环形区域32轴向突出。这些凸缘34与转子轮盘12、14、16、18的上游和下游叶片22的其它圆周凸起或凸缘36构成流道(chicane)，目的是限制来自涡轮的上游燃烧室的径向从外向内的燃烧气体的通路，并且相反地限制径向从内向外的冷空气的通路。
根据本发明的用于限制低压涡轮超速的装置由固定叶片30的第一级或上游级的上游凸缘34承载或构成，并且在转子的下游位移初期，由于涡轮轴24在38处的断裂以及燃烧气体施加到转子的轮盘12、14、16、18的叶片22上的压力共同作用(图2)，上游轮盘12的叶片22根部的一部分用于支撑在凸缘34上。
位于固定叶片30的第一级的上游凸缘34与第一轮盘12的叶片22根部的所述部分之间的轴向间隙40(图1)小于转子的其他轮盘14、16、18与固定叶片30的其他级之间的轴向间隙，于是当轴24断裂，在涡轮的转子的下游位移过程中，转子和定子之间的接触或干涉首先发生在该凸缘34和叶片根部22的所述部分之间。
如图3和4中更为清楚地所示，包括在叶片板和叶片根部之间的叶片的部分在其下游一侧包括径向肋或横拉筋42，该径向肋或横拉筋厚度通常为数毫米，并且在径向位于固定叶片的第一级的上游圆周凸缘34的高度上。该凸缘34形成了在轴24断裂的情况下剪切第一级的转动叶片22的横拉筋42的装置，并且如果需要的话，可以为此目的对其进行加固。其沿上游方向突出的轴向长度必须使其可以将横拉筋42剪切足够的部分以在横拉筋42的剩余部分中产生足够的应力，该应力至少等于或大于叶片22的材料的临界断裂强度，以保证这些叶片的断裂。
该凸缘34通过铸造获得，为了具有足够的强度，可以加大该凸缘厚度的尺寸，该凸缘并且可以被加工以提高其切割横拉筋42的能力。特别的是，可以在该凸缘34上沉积一层硬质和/或磨料(其硬度等于或大于转动叶片22的材料的硬度)，并且它可通过铸造或加工成形为锯齿状，如图5所示。
在该图中，固定叶片30的那一级包括几个沿圆周并置的环形区域32，其上游凸缘34形成为具有多个锯齿44，锯齿的形状和方向由转动叶片22相对于固定叶片30的转动46的方向决定。在图示实例中，每一个锯齿44都包括大致平行于涡轮的轴10的边缘48，该边缘48连接到切割刃50，切割刃50沿圆周方向延伸并通过斜边52连接到下一个的锯齿的底部。
根据本发明的装置起如下作用：
涡轮轴24断裂之后，紧接着涡轮的转子向下游方向移动，从该移动起始阶段起，上游轮盘12的叶片22的横拉筋42紧靠在固定叶片30的第一级的上游凸缘34上。当转子继续围绕转轴10旋转时，设置在凸缘34上或由凸缘34形成的剪切装置切掉横拉筋42的一部分，如图6所示。叶片22然后变得足够易碎使得在燃烧气体和离心力的作用下断裂(图7)。上游轮盘12的叶片22的碎片被抛到定子的固定叶片30上并破坏固定叶片30以及涡轮的其他级的固定叶片和转动叶片。
涡轮的转子的破坏进行的非常迅速，通常在轴断裂后数量级为十分之一秒这样一段时间期间。这种破坏消除了涡轮任何超速的风险，并由此避免了涡轮的爆炸以及涡轮的外壳和飞行器的机身穿孔的风险。

Claims (9)

1.用于在涡轮机中限制涡轮超速的装置，该涡轮包括由安装在涡轮轴上的并承载转动叶片的轮盘构成的转子、位于转子的轮盘之间的固定叶片级、以及在涡轮轴断裂的情况下转子的轮盘的叶片的破坏装置，其中这些破坏装置被固定叶片级固定并承载，该固定叶片位于转子的上游轮盘和转子的下一个轮盘之间，和用于在由涡轮轴的断裂导致的转子的下游移位的起始阶段剪切转子的上游轮盘的叶片。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，剪切装置由固定叶片级的上游圆周凸缘承载或形成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，剪切装置包括多个围绕所述凸缘的圆周分布的锯齿。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，剪切装置作用在转动叶片的邻近叶片根部的较薄的部分或横拉筋上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，剪切装置具有一个沿上游方向突出的轴向尺寸，该尺寸至少与待剪切的转动叶片的较薄的部分的轴向尺寸的部分相等，并且足以使转动叶片的未剪切或未破坏部分承受至少与其临界断裂强度相等的应力。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，剪切装置由硬度大于待破坏的转动叶片的材料硬度的材料制成。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，剪切装置至少部分覆盖有磨料。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，剪切装置通过机加工或铸造制成。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述涡轮是涡轮喷气发动机的低压涡轮。
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