[发明专利]可失效转子支承结构及航空发动机

说明书

本发明涉及一种可失效转子支承结构及航空发动机，其中，可失效转子支承结构包括沿发动机转子(4)轴向设置的共同为转子(4)提供支承的支承壁(1)和部分熔断结构(2)，部分熔断结构(2)包括连接壁和弹性元件(23)，连接壁能够在发动机正常工作时对转子(4)提供支承，并在受到超过预设阈值的作用力时失效，转换为通过弹性元件(23)对转子(4)提供支承。本发明的可失效转子支承结构，在发动机受到超过预设阈值的作用力使连接壁失效后，弹性元件仍能对转子提供一定程度的支承，以减少低压转子的不平衡载荷和振动幅值，而且还能通过产生弹性和塑性变形进一步吸收能量，以尽量减小不平衡载荷和冲击载荷向后续轴承和中介机匣传递。

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种可失效转子支承结构及航空发动机。

背景技术

典型涡扇发动机的低压转子一般包括风扇、增压级、低压涡轮和转轴等，其中低压转子由多个轴承支承，将涡轮产生的力和力矩传递到增压级和风扇。正常情况下，风扇、增压级和低压涡轮等各部件的重心所在直线与转轴重合。为保证临界转速的裕度，低压转子系统一般由三个轴承支承，参考图1，第一轴承组件3和第二轴承组件5位于风扇转子附近，称为风扇轴承。风扇轴承通过支承结构将风扇转子连接到静子件中介机匣6上，因此正常工作时，风扇轴承及其支撑结构是风扇与中介机匣6等固定结构间的传力部件。

在飞机飞行过程中，航空发动机可能会受到飞鸟等外物撞击，导致一片或更多的风扇叶片断裂或脱落，即FBO(Fan Blade Out)，该叶片失效必须出现在盘上最外层的固定榫槽处，机匣能完全予以包容。FBO事件发生后，风扇的重心会偏离低压转子的中心线。然而，由于轴承的限制，风扇仍绕低压转子的中心线转动。风扇绕偏离其重心的轴转动会激励低压转子系统产生一个或多个振荡模态，从而产生不平衡载荷。对于目前飞机上常用的大涵道比涡扇发动机，其风扇叶片9半径长、质量大，FBO事件会导致风扇的重心线与发动机的中心线不对中，引起巨大的不平衡载荷。由于轴承沿径向约束风扇轴，故FBO不平衡载荷主要通过轴承及其支承结构传递到中介机匣6上，并进一步传递到安装节甚至飞机其它结构上。

由于FBO事件本身很难避免，因而要求航空发动机各关键零部件设计能够承受叶片脱落引起的转子不平衡载荷以及极限冲击载荷。传统的设计方法是通过提高传力路径上相关零部件的结构强度，使其能够承受FBO不平衡载荷，以满足安全性要求。然而，这种方法会导致航空发动机的质量和成本增加，燃油消耗率升高，工作效率降低。

另一种应对FBO事件的有效方法是进行结构失效/熔断设计(Fuse Design)。结构失效/熔断设计的概念为：通过有目的地将发动机中某些部件设计为牺牲单元，一方面减少FBO事件产生的不平衡能量，另一方面改变传力路径，使FBO载荷重新分布，减少传递到关键部件的不平衡载荷，保护航空发动机的安全。

由于FBO事件产生的不平衡载荷主要由风扇轴承、轴承支承结构和中介机匣6等承载。现有技术中常用的失效/熔断设计方法是对传力路径上的支承结构进行失效设计，例如在支承锥壁上设置厚度减薄结构，或在支承锥壁连接的位置设置可失效螺栓等，使其具有较小的强度安全系数，在FBO不平衡载荷下失效，能够减小中介机匣6、安装节和低压轴42等关键零部件所承受的FBO不平衡载荷，保证发动机的安全。但是在转子支承结构失效后，由于轴承的外环失去可靠的支承，可能导致转子4瞬时产生较大的振动幅值，从而造成转子4发生严重变形或与静子发生碰磨，对发动机的工作带来一定的危险性。

发明内容

本发明的目的是提出一种可失效转子支承结构及航空发动机，能够在航空发动机受到超过预设阈值的作用力发生失效后仍能对转子起到支承作用。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种可失效转子支承结构，包括沿发动机转子轴向设置的共同为所述转子提供支承的支承壁和部分熔断结构，所述部分熔断结构包括连接壁和弹性元件，所述连接壁能够在所述发动机正常工作时对所述转子提供支承，并在受到超过预设阈值的作用力时失效，转换为通过所述弹性元件对所述转子提供支承。