[发明专利]航空发动机及其低压转子轴承支撑用熔断降载结构

说明书

本发明的目的在于提供一种提升发动机安全性能的低压转子轴承支撑用熔断降载结构及包含它的航空发动机。根据本发明一方面的低压转子轴承支撑用熔断降载结构，包括用于安装轴承的锥壁以及支撑所述锥壁的中介机匣，其中，所述锥壁的大端设置有环壁体，所述环壁体提供有内球面，所述中介机匣对应所述内球面提供有外球面，所述内球面和所述外球面面面接触配合，所述环壁体还与所述中介机匣通过熔断结构连接，所述内球面和所述外球面的球心位于在发动机中心轴线。

技术领域

本发明涉及航空发动机的低压转子支撑结构，尤其涉及其中的熔断降载结构。

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，其中转轴由多个轴承支承，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重心所在的直线与转轴重合。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，其中1#轴承和2#轴承位于风扇转子附近，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上，因此正常工作时，风扇轴承及其支承结构是风扇与中介机匣等静子结构间的传力部件。

航空发动机运行过程中，由于外物吸入或疲劳等因素导致风扇叶片断裂或脱落，即FBO(Fan Blade Off)。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。对于当前商用飞机上常用的大涵道比涡扇发动机，其风扇叶片半径长、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上，并进一步传递到安装节甚至飞机上。

由于FBO事件本身很难避免，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。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，使其在FBO载荷下失效，一方面减少、消耗FBO事件产生的不平衡能量，另一方面改变传递路径，使FBO载荷重新分布，减少传递到关键部件的不平衡载荷，保护发动机的安全。FBO事件产生的不平衡载荷主要由风扇轴承(1#轴承和2#轴承)、轴承支承结构和中介机匣等承载。通过对传力路径上的风扇轴承及其支承结构等部件进行失效设计，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、安装节和低压转轴等关键零部件所承受的FBO不平衡载荷，保证发动机的安全。

由于不平衡载荷首先通过1#轴承传递到中介机匣上，所以很多方案都在此处进行了熔断设计，也称为首要熔断。如专利文献FR2752024B1公开了在1#轴承支承锥壁的安装边处采用颈缩螺栓，专利文献US 6428269 B1公开了在1#轴承支承锥壁上设置紧缩螺栓，专利文献US6447248B1公开了在支承锥壁上设置减薄段，专利文献US7097413B2公开了采用三段锥壁并留有薄弱区域，当叶片脱落引发大不平衡时，熔断结构失效，切断1#轴承处的传力路径，释放了低压转轴在1#轴承处的约束，转子能绕新的重心旋转，减小不平衡载荷。但螺栓失效后脱落，会对结构造成冲击损伤，锥壁上设置薄弱段的方式同样会使熔断后，自由的锥壁前段与风扇轴发生碰撞摩擦，会造成风扇轴的损伤。以上方案在首要熔断结构失效后，风扇转子的摆动很大，容易损坏1#轴承的润滑系统，从而引起轴承的干磨、过热和卡死现象，导致发动机不能正常转动。风扇转子摆动过大还会造成风扇叶片与刚性包容机匣之间剧烈的干性碰磨，造成更多的叶片损失，增大着火的风险。当转速下降时，会经历转子不平衡与共振的共同作用，此时1#轴承处没有任何支承，风扇转子成悬臂状态，会增大转子的振动幅值，造成轴承及主要结构的损伤。