CN215860352U - 涡轮转速限制装置和涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种涡轮转速限制装置和涡轮发动机，可以在涡轮轴失效时限制涡轮的转速。该涡轮发动机包括该涡轮转速限制装置，该涡轮转速限制装置用于在涡轮轴失效时限制所述涡轮的转速，所述涡轮包括沿所述涡轮轴的轴向交替设置的多级转子叶片和多级静子叶片，所述转子叶片安装到所述涡轮轴，所述涡轮转速限制装置包括凸出部，所述凸出部设置于其中一级所述转子叶片的后缘，所述凸出部用于当所述涡轮轴失效时，随所述其中一级转子叶片和所述涡轮轴向下游移动，从而与其下游侧的相邻的所述静子叶片之间发生干涉，以限制所述涡轮的转速。

Description

涡轮转速限制装置和涡轮发动机

技术领域

本实用新型涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种涡轮转速限制装置和涡轮发动机。

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。

现有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(即切断供给燃烧室的燃油，使涡轮转子由于缺少持续的高能气体的驱动，转速不能继续上升)，整个过程持续时间长，较涡轮转速上升至临界转速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。

实用新型内容

本实用新型的一个目的是提供一种涡轮转速限制装置，用于在涡轮轴失效时限制涡轮的转速。

为实现所述目的的涡轮转速限制装置，用于在涡轮轴失效时限制所述涡轮的转速，所述涡轮包括沿所述涡轮轴的轴向交替设置的多级转子叶片和多级静子叶片，所述转子叶片安装到所述涡轮轴，所述涡轮转速限制装置包括凸出部，所述凸出部设置于其中一级所述转子叶片的后缘，所述凸出部用于当所述涡轮轴失效时，随所述其中一级转子叶片和所述涡轮轴向下游移动，从而与其下游侧的相邻的所述静子叶片之间发生干涉，以限制所述涡轮的转速。

在所述的涡轮转速限制装置的一个或多个实施方式中，所述其中一级转子叶片的中部向下游侧弯曲，以提供所述凸出部。

在所述的涡轮转速限制装置的一个或多个实施方式中，所述其中一级转子叶片的叶尖向下游侧倾斜，以提供所述凸出部。

在所述的涡轮转速限制装置的一个或多个实施方式中，所述其中一级转子叶片位于所述涡轮的最后一级所述静子叶片的上游侧。

该涡轮转速限制装置通过改进涡轮的转子叶片的设计和制造，在涡轮轴失效时，利用涡轮的转子部件的后移，使其中一级转子叶片与其下游侧的相邻的静子叶片发生机械式碰摩和卡滞，以消耗涡轮的转子部件的能量，限制其转速上升，从而保证涡轮的完整性，提高涡轮发动机的安全性，响应快速，制动效率高。该涡轮转速限制装置的结构简单，对发动机现有结构的影响较小，易于加工制造，成本较低。该涡轮转速限制装置不但可以用于低压涡轮，也可以用于高压涡轮，不但可以用于双转子涡轮发动机，还可以用于其他结构的涡轮发动机。

本实用新型的另一个目的是提供一种涡轮发动机，可以在涡轮轴失效时限制涡轮的转速。

为实现所述目的的涡轮发动机，包括前述的涡轮转速限制装置。

在所述的涡轮发动机的一个或多个实施方式中，所述涡轮转速限制装置设置在所述涡轮发动机的低压涡轮。

该涡轮发动机通过采用该涡轮转速限制装置，可以在低压轴失效时，快速且高效地消耗低压涡轮转子部件的能量，限制其转速上升，以保证低压涡轮的完整性，提高涡轮发动机的安全性。

附图说明

本实用新型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是某型号双转子发动机的示意图。

图2是根据一个实施方式的涡轮发动机的局部示意图。

图3是根据一个实施方式的涡轮转速限制装置的示意图。

图4是根据另一个实施方式的涡轮转速限制装置的示意图。

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，并非是对本实用新型的保护范围进行限制，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。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，并且不应该以此对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。此外，本申请的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

图1示出了某型号双转子发动机100的示意图。该双转子发动机100包括风扇21、低压压气机22、高压压气机23、燃烧室26、高压涡轮24以及低压涡轮25等。

其中，低压压气机22包括低压压气机静子部件22A和低压压气机转子部件22B，高压压气机23包括高压压气机静子部件23A和高压压气机转子部件23B，高压涡轮24包括高压涡轮静子部件24A和高压涡轮转子部件24B，低压涡轮25包括低压涡轮静子部件25A和低压涡轮转子部件25B。

低压压气机22由低压涡轮25驱动，二者之间通过低压轴11连接，高压压气机23由高压涡轮24驱动，二者之间通过高压轴12连接。

低压轴11的压气机连接端由滚棒轴承1和滚珠轴承2支撑，涡轮连接端由滚棒轴承5支撑，高压轴12的压气机连接端由滚珠轴承3支撑，涡轮连接端由滚棒轴承4支撑。滚棒轴承1、滚棒轴承4和滚棒轴承5主要用来传递径向力，滚珠轴承2和滚珠轴承3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/和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和后承力机匣33向外传递。风扇21外侧是风扇机匣41，后端为导流支板51。

在该双转子发动机100的运行过程中，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，并驱动高压涡轮转子部件24B和低压涡轮转子部件25B转动，高压涡轮转子部件24B驱动前端的高压压气机转子部件23B转动，低压涡轮转子部件25B驱动低压压气机转子部件22B以及风扇21转动。

当低压轴11失效后，例如在断裂位置61处断裂，一方面低压涡轮25由于突然甩去前端负荷(风扇21和低压压气机22)，在流道中高能燃气的持续驱动下，转速飞快上升，另一方面由于断裂位置61位于滚珠轴承2的后方，导致低压轴11失去轴向约束，低压轴11和低压涡轮转子部件25B在高能燃气所产生的轴向力的驱动下往下游移动。

在本实用新型的描述中，用语“上游”和“下游”是指相对于流体通道中的流体流动的相对方向，例如，“上游”是指流体流自的方向，而“下游”是指流体流至的方向，此外，方位词“前”和“后”分别指朝向上游方向和下游方向。

根据本实用新型的一个或多个实施方式的涡轮发动机101的主要结构与前述的双转子发动机100相似，在此沿用该双转子发动机100的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。

该涡轮发动机101与前述的双转子发动机100的主要区别在于，该涡轮发动机101还设置有涡轮转速限制装置102，如图2至图4所示。该涡轮转速限制装置102设置在该涡轮发动机101的低压涡轮25，用于在低压轴11失效时限制低压涡轮25的转速。

该低压涡轮25包括沿低压轴11的轴向交替设置的多级转子叶片80和多级静子叶片81，转子叶片80安装到低压轴11。该涡轮转速限制装置102包括设置在其中一级转子叶片80’的后缘的凸出部90。

参照图2和图3，在一个实施方式中，该其中一级转子叶片80’的中部向下游侧弯曲，以提供凸出部90。参照图4，在另一个实施方式中，该其中一级转子叶片80’的叶尖向下游侧倾斜，以提供凸出部90。

继续参照图2至图4，该凸出部90用于缩短该其中一级转子叶片80’与其下游侧的相邻的静子叶片81’之间的轴向距离D，以使该轴向距离D小于该低压涡轮25的其余部位中任意一处转静子轴向距离，且该轴向距离D能保证该涡轮发动机101在正常运行过程中不发生转静子干涉。

由此，当低压轴11失效时，该凸出部90随该其中一级转子叶片80’和低压轴11向下游移动，与其下游侧的相邻的静子叶片81’的前缘发生干涉，即当低压轴11失效时，该低压涡轮25的转静子之间的接触或干涉首先发生在该凸出部90与该相邻的静子叶片81’的前缘之间，从而通过碰摩和卡滞消耗低压涡轮转子部件25B的能量，限制其转速上升，以保证低压涡轮25的完整性，提高涡轮发动机101的安全性。

通过对设置有凸出部90的该其中一级转子叶片80’的叶形和材料等进行设计，可以使该其中一级转子叶片80’既能满足涡轮发动机101正常运行时的强度、刚度、气动等要求，又能在与下游侧的相邻的静子叶片81’之间发生碰摩和卡滞时可以快速地通过摩擦、变形等消耗低压涡轮转子部件25B的能量，以提高该涡轮转速限制装置102在低压轴11失效时的转速限制效果。

该其中一级转子叶片80’的叶形可以结合转子叶片的现有设计流程中的罩量调整、叶冠设计等进行设计，以简化设计流程。

参见图1和图2，安装在低压涡轮25的较后侧的转子叶片80比较前侧的转子叶片80具有更大的半径，可选地，该设置有凸出部90的其中一级转子叶片80’位于低压涡轮25的多级静子叶片81中的最后一级静子叶片81的上游侧，以使该凸出部90和下游侧的相邻的静子叶片81’的干涉部位与低压涡轮25的轴线之间的距离较大，即力臂较长，从而获得较大的制动扭矩，进一步提高该涡轮转速限制装置102的转速限制效果。

该涡轮转速限制装置102通过改进低压涡轮25的转子叶片80的设计和制造，在涡轮发动机101的低压轴11失效时，利用低压涡轮转子部件25B的后移，使其中一级转子叶片80’与其下游侧的相邻的静子叶片81’发生机械式碰摩和卡滞，以消耗低压涡轮转子部件25B的能量，限制其转速上升，从而保证低压涡轮25的完整性，提高涡轮发动机101的安全性，响应快速，制动效率高。

该涡轮转速限制装置102的结构简单，对发动机现有结构的影响较小，易于加工制造，成本较低。该涡轮转速限制装置102不但可以用于低压涡轮25，也可以用于高压涡轮24，不但可以用于双转子涡轮发动机，还可以用于其他结构的涡轮发动机。

该涡轮转速限制装置102可以单独使用，也可以与现有的通过控制系统切油响应的涡轮转速限制方式结合使用，从而可以降低对控制系统的响应时间的要求，并进一步提高低压轴11失效时的涡轮转速限制效果。

该涡轮发动机101通过采用该涡轮转速限制装置102，可以在低压轴11失效时，快速且高效地消耗低压涡轮转子部件25B的能量，限制其转速上升，以保证低压涡轮25的完整性，提高涡轮发动机101的安全性。

本实用新型虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本实用新型，任何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型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，均落入本实用新型权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (6)

1.涡轮转速限制装置，用于在涡轮轴失效时限制所述涡轮的转速，所述涡轮包括沿所述涡轮轴的轴向交替设置的多级转子叶片和多级静子叶片，所述转子叶片安装到所述涡轮轴，其特征在于，所述涡轮转速限制装置包括凸出部，所述凸出部设置于其中一级所述转子叶片的后缘，所述凸出部用于当所述涡轮轴失效时，随所述其中一级转子叶片和所述涡轮轴向下游移动，从而与其下游侧的相邻的所述静子叶片之间发生干涉，以限制所述涡轮的转速。

2.如权利要求1所述的涡轮转速限制装置，其特征在于，所述其中一级转子叶片的中部向下游侧弯曲，以提供所述凸出部。

3.如权利要求1所述的涡轮转速限制装置，其特征在于，所述其中一级转子叶片的叶尖向下游侧倾斜，以提供所述凸出部。

4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮转速限制装置，其特征在于，所述其中一级转子叶片位于所述涡轮的最后一级所述静子叶片的上游侧。

5.涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求1至4中任一项所述的涡轮转速限制装置。

6.如权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮转速限制装置设置在所述涡轮发动机的低压涡轮。

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