CN1740523B - 具有转子轴向保持方法的涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明的涡轮机沿一轴线(4)纵向延伸，并且包括一连接到驱动轴(5)上的转子(2)，设置使得该转子绕一轴线旋转，并且被至少一第一轴承(6)所支撑，且通过一轴承支撑元件(11)安装在涡轮机的固定结构上，该涡轮机的特征在于包括一止推环(30)，安装在涡轮机的固定结构上并与第一轴承(11)的支撑元件相配合，并且在转子(2)相对于固定结构发生位移的情况下，以一均匀的方式实施转子(2)的轴向保持的功能，在涡轮机的轴线(4)和驱动轴(5)的轴线之间没有角度影响。

Description

具有转子轴向保持方法的涡轮机

技术领域

本发明涉及涡轮机领域，特别涉及涡轮喷气发动机，其风扇连接到一驱动轴上，该驱动轴被至少一第一轴承所支撑。

背景技术

从气体流动方向的上游至下游，上述涡轮喷气发动机包括，一风扇，一个或者多个压气机级，一加压室，一个或者多个涡轮机级以及一个排气喷嘴。该风扇包括一个在其周围安装有叶片的转子，当叶片旋转时，驱动空气进入涡轮喷气发动机。该风扇转子被发动机的低压转子轴所支撑。该低压转子轴通过第一轴承与涡轮喷气发动机的轴同轴，该第一轴承在第二轴承的上游，该第二轴承连接到固定结构特别是中间外壳上。

在下面的描述中，在此范围内的风扇连接到压缩机轴上，该轴为两轴发动机的低压转子轴，该轴公知为唯一的术语“压缩机轴”。

第一轴承被一支撑元件所支撑，该支撑元件围绕着压缩机轴形成了一包络，导向第一轴承的下游并且固定到涡轮喷气发动机的一固定结构上。第二轴承被支撑元件所支撑，该支撑元件也被固定到涡轮喷气发动机的一固定结构上。

可能会意外发生叶片从风扇中脱离。这样在压缩机轴上导致了严重的不平衡，该不平衡会导致轴承上的负荷和振动，并通过它们的支撑元件传输到涡轮喷气发动机的固定结构上，其结果对该固定结构产生损坏。

为了防止涡轮喷气发动机过度损坏的风险，可能过度选定结构的尺寸或者，如专利FR2,752,024一样，提供用来使第一轴承脱离的系统。该第一轴承的支撑元件通过可熔解或者可破裂的螺钉固定到涡轮喷气发动机的固定结构上，该螺钉包括一疲软部分，在过度力发生的情况下会导致它们破裂。因此，在压缩机轴的不平衡发生的情况下，施加在第一轴承上的力传输到破裂螺钉上，该螺钉破裂，从而使得第一轴承支撑元件从涡轮喷气发动机的结构中分离。根据实施的其它方式，第二轴承的支撑部与第一轴承的支撑部相关联，以在脱离情况下可伴随第一轴承一起发生，或者包括其自身的脱离系统，独立于第一轴承。在脱离后，由不平衡产生的力不再通过轴承或者轴承们的支撑元件传输到涡轮喷气发动机的固定结构上。

但是，在一个或者两个轴承脱离后，风扇持续旋转，并且压缩机轴不再绕其轴线旋转且进行较大的位移，该位移能损坏涡轮喷气发动机的固定结构。在这种情况下，专利FR2,752,024在涡轮喷气发动机的固定结构上提供了一加固卡箍装置，该加固卡箍围绕着第一轴承的支撑元件，在这里，第一轴承支撑元件连接到第二轴承的支撑元件，并且该卡箍装置执行移动限制器或者备用轴承的功能。

风扇的持续旋转仍然会导致在压缩机轴和涡轮轴上的应力，此两轴相互连接，并且会产生两轴之一或者全部破裂的风险。无论如何，我们会讨论压缩机轴的破裂。在这种情况下，风扇的旋转会传递给后者，与其相连的朝向前方的压缩机轴一样。风扇然后从涡轮喷气发动机中弹出，并且这就是必须要防止的。

但是专利FR2,752,024中提出的，在压缩机轴破裂的情况下，实施风扇转子轴向保持的功能，然后第一轴承的支承元件与涡轮喷气发动机的固定结构之间的固定支架碰到该卡箍的径向壁。但是，由于在这种情况下压缩机轴将受到挠曲作用，一个角度将存在支架的壁和其相邻的卡箍的壁之间，从而或者导致比较失效的轴的停止，并且通过摩擦对元件造成损坏，或者甚至于，如果角度太大的话，相对于涡轮喷气发动机轴线径向倾斜的支架的通道在卡箍之外产生损坏，从而可停止压缩机轴和风扇转子的前进，该轴和转子然后被弹出或者横过其保持减阻装置被截留，因此对涡轮喷气发动机的整个结构产生损坏。

发明内容

本发明的目的就是为了克服这些缺点。

为此，本发明涉及一涡轮机，沿一轴线纵向延伸，其包括一连接到驱动轴上的转子，设置使得该转子绕一轴线旋转，并且被至少一第一轴承所支撑，且通过一轴承支撑元件安装在涡轮机的固定结构上，其特征在于，该涡轮机包括一止推环，安装在涡轮机的固定结构上并与第一轴承的支撑元件相配合，并且在转子相对于固定结构发生位移的情况下，以一均匀的方式实施转子的轴向保持的功能，在涡轮机的轴线和驱动轴的轴线之间没有角度影响。

根据本发明，例如在压缩机轴的破裂的情况下，伴随着叶片从风扇中损失，如果转子是风扇转子，转子的轴向保持以一均匀的方式发生，不考虑在保持过程时期压缩机轴线和涡轮机的轴线的角度，该角度由于轴受到的不平衡进行变化，从而对转子的轴向保持上没有影响。

优选第一轴承的支撑元件具有一轴颈，其设计使得与止推环的边缘的表面相配合。

在这种情况下是有利的，该轴颈为锥形形状。

又有利的，在轴向剖面上，其中止推环的边缘的表面具有曲线形状，围绕着涡轮机的轴线旋转对称。

优选在这种情况下，曲线形状为一圆弧。

优选止推环纵向环绕第一轴承的支撑元件的下游部分，在涡轮机运行的正常模式下没有接触。

根据本发明的实施的一种形式，驱动轴被第二轴承所支撑，并且第二轴承通过一轴承支撑元件安装在涡轮机的固定结构上，第一轴承的支撑元件通过破裂螺钉固定到第二轴承的支撑元件上，该螺钉允许第一轴承支撑元件脱离第二轴承的支撑元件。

根据本发明的实施的另一种形式，驱动轴被第二轴承所支撑，并且第二轴承通过一被螺钉固定的轴承支撑元件安装在涡轮机的固定结构上，该止推环包括纵向孔隙，以允许用于固定止推环到涡轮机固定结构上的所述螺钉的通道。

根据运行的一种方式，第一轴承支撑元件通过一装置安装到涡轮机的固定结构上，该装置用于使第一轴承支撑元件相关于涡轮机的固定结构脱离，止推环设置使得不干扰脱离动作。

根据运行的另一种方式，第一轴承支撑元件通过一装置安装到涡轮机的固定结构上，该装置用于使第一轴承支撑元件相关于涡轮机的固定结构脱离，止推环设置用来在脱离作用期间限制压缩机轴的移动。

根据实施的一个特殊的方式，第二轴承通过一装置安装在涡轮机的固定结构上，该装置用来使第二轴承相对涡轮机的固定结构脱离。

最后，优选其中第一轴承支撑元件通过一装置安装到涡轮机的固定结构上，该装置用于使第一轴承支撑元件相关于涡轮机的固定结构脱离，止推环特别实施转子的轴向保持功能，在第一轴承脱离后驱动轴破裂的情况下。

本发明特别应用于一两轴喷气发动机，其第二轴用来支撑低压转子，但是申请人的意图是其权利保护的内容并不局限于该应用。

参见附图，本发明通过涡轮喷气发动机的优选实施方式的下面描述将得到更好的理解。其中：

附图说明

图1表示轴向剖面视图，并且表示本发明优选实施方式的侧面图；

图2表示在图1中框C中区域的放大视图；

图3表示轴向剖面视图，以及在脱离作用期间，在本发明优选实施方式的涡轮喷气发动机的第二轴承区域的侧面图。

图4表示轴向剖面视图，以及在压缩机轴破裂后，在本发明优选实施方式的涡轮喷气发动机的第二轴承区域的侧面图。

具体实施方式

参见图1，本发明的涡轮喷气发动机1包括一风扇2，该风扇2的转子包括围绕着涡轮喷气发动机的轴线4径向延伸的叶片3。风扇2的轴在叶片3的下游处被固定到压缩机轴5上。在这里该压缩机轴是低压压缩机轴。在下文中，我们将风扇2的整个轴和压缩机轴5的整个轴称为压缩机轴5或者驱动轴5。压缩机轴5被第一轴承6和位于第一轴承6下游的第二轴承7所支撑。

第一轴承6包括一内环8和一外环9，在两环之间安装了一滚珠轴承10或者任何轴承装置。内环8连接到压缩机轴5上并且外环9连接到一轴承支撑元件11上，此后该元件称为第一轴承支撑部11。滚珠轴承10可允许内环8的旋转，从而相关于外环9的压缩机轴5的旋转，并且进而相对于第一轴承支撑部11旋转。

第一轴承的支撑部11从第一轴承6向下游方向延伸。该支撑部具有轻微的锥形形状，其直径沿着下游方向逐渐增加。

第二轴承7包括一内环14和一外环15，在两环之间安装了一滚柱轴承16或者任何轴承装置。内环14连接到压缩机轴5上，并且外环15连接到一涡轮喷气发动机1的固定结构上。滚柱轴承16平行于涡轮喷气发动机1的轴4设置在一延伸至内环14的圆周上的凹槽内，并且被一罩相互隔开的固定，这对于本领域技术人员来说是很熟悉的。这些滚柱轴承允许内环14相对于外环15旋转，因此通过它们的方式，使压缩轴5相对于涡轮喷气发动机1的固定结构旋转。

第二轴承7由一轴承支撑元件19所支撑，在下文中称为第二轴承的支撑部19，通常以圆盘的形式向涡轮喷气发动机1的轴线4横向的延伸。第二轴承7的外环15在其外部表面上包括，一径向支架20，该支架通过螺钉21固定到第二轴承的支撑部19上。

参见图2，第二轴承的支撑部19通过径向支架22固定到涡轮喷气发动机1的固定结构上，在这里通过螺钉24固定到外壳23上，该外壳23已知为中间外壳23。

在第一轴承的支撑部11的下游末端，该支撑部具有一止推部分26，在这里的厚度大于其上游部分的厚度。在轴向部分，该止推部分26具有直角三角形的截面。该止推部分26的内壁27为圆柱形，并且其下游壁28横向延伸至涡轮喷气发动机的轴线4，内壁27和下游壁28通过一通常为锥形表面的壁29相连，壁29的直径沿着下游方向逐渐增加，并且壁29对应于在轴向截面上由止推部分26呈现的直角三角形之斜边。因而在第一轴承11的下游部分，第一轴承的支撑部11具有一由锥形壁29构成的锥形轴颈29。

止推部分26包括纵向孔隙26’，用于将第一轴承支撑部11固定到第二轴承支撑部19的支架22的断裂螺钉25的通道。这些断裂螺钉25径向位于涡轮喷气发动机1的轴线4和螺钉24之间，该螺钉24用来固定第二轴承支撑部19到中间外壳23上。这些断裂螺钉25包括脆弱部分25’，该部分25’对牵引力产生一阻力，在过度力产生时该牵引力会使螺钉破裂，特别在压缩机轴5中的不平衡的表面上，例如伴随着叶片3的损失。

中间外壳23支撑一止推环30，该止推环围绕着第一轴承支撑部11的止推部分26延伸，纵向环绕止推部分26，但是在涡轮喷气发动机1的正常运行下它们之间不接触。该止推环30是锥形形状，其直径朝尾端增加，并且在这种情况下，其内壁30’和外壁30”实际在其大部分长度上平行。在止推环30下游末端，其包括一径向支架31，通过径向支架，止推环30被固定到中间外壳23上，在这里通过螺钉24用于固定第二轴承支撑部19到中间外壳23上。

在其上游末端，止推环30包括一边缘32，该边缘相对内部径向突出。边缘32的内表面33在轴向截面上为弯曲凸面，跟随着在图2中用曲线部分33’所表示的曲线。

如果第一轴承支撑部11被轴向向前驱动时，止推环30设置使得第一轴承支撑部11的锥形轴颈29能够紧靠其边缘32的内表面33。止推环30的作用是在破裂发生时凭借第一轴承支撑部11轴向阻挡压缩机轴5，使得在这种情况下连接在其上的风扇2不能向前驱动，这将在下面进行解释。

在叶片3从风扇2中脱落期间本发明的涡轮喷气发动机1的运行将更加详细的解释。

在涡轮喷气发动机1运行时的叶片3的脱落，因此在风扇2的旋转时，在压缩机轴5上产生了不平衡。参加图3，生成的力导致用来固定第一轴承支撑部11到第二轴承支撑部19的破裂螺钉25的破损，在它们的疲软截面25’。破裂螺钉25不会同时所有都破裂，但是通常是逐渐破裂。在图3中，破裂螺钉25在轮廓下部表现为破损，但是破裂螺钉25在上部仍然是完整的。在这种情况下，这种不平衡带来压缩机轴5的挠曲，其轴线5’相关于涡轮喷气发动机1的轴线4倾斜。压缩机轴5的这种挠曲被第二轴承的外环15上的第二轴承7的滚柱的滑动所允许，但是其结果可能会对该轴承7产生损坏。

连接到压缩机轴5上的第一轴承支撑部11同样相对于涡轮喷气发动机1的轴线4倾斜。然后第一轴承11的锥形轴颈29的表面紧靠止推环30的边缘32的壁33的表面，在破裂螺钉25破裂的区域内。由于边缘32的表面33的适当的优化形状，该角度对这中接触没有影响，这以均匀的方式不考虑不管相关的角度。因此，在第一轴承的支撑部11从涡轮喷气发动机1的固定结构上脱离动作期间，止推环30，以执行形式在此描述的，以一种均匀的方式一定程度上限制了压缩机轴5的挠曲。这种挠曲也能被限制，这是通常的情况，因为在风扇2的叶片3的末端和它们保持外壳之间松紧工具的作用。

根据另一个实施形式，第一轴承支撑部11的锥形轴颈29和止推环30的边缘32之间的纵向距离可以测量出，以在脱离动作期间锥形壁29的表面和边缘32的表面从相未接触的方式，目的是为了不干扰后者。这种实施形式将是优选的，其中止推环30仅仅执行轴向保持的功能，没有限制径向移动的功能。

无论哪一种实施形式，一旦所有的破裂螺钉25破裂，第一轴承支撑部11会从第二轴承支撑部19中脱离，从而从中间外壳23中脱离，意味着该第一轴承支承部11将从涡轮喷气发动机1的固定结构中脱离。因而力将不再通过第一轴承支撑部11传输到涡轮喷气发动机的固定结构上，并且压缩机5能围绕其轴线5’自由旋转，由于第一轴承支撑部11的锥形轴颈29和止推环30的边缘32没有接触。

但是风扇2的持续旋转可导致在压缩机轴5和涡轮机轴上的应力，该压缩机轴5和涡轮机轴是相连的，进而导致它们中一个或者两个的破裂。如我们前面所知道的，然后我们讨论压缩机轴5的破裂。在这种情况下，风扇2的旋转驱动涡轮机轴，并且压缩机轴5连接到其上，朝向前方。

因此第一轴承支撑部11也被向前驱动，与第二轴承7的滚柱16一样，该滚柱16在轴承的外环15上滑动。参见图4，这种向前的移动将被连接到涡轮喷气发动机1的固定结构上的止推环30所中断。事实上，在第一轴承支撑部11向前运动期间，第一轴承支撑部11的锥形环29紧靠着止推环30的边缘32的壁33，这样因此确保了第一轴承支撑部11进而风扇2的轴向停止，该风扇2不会从涡轮喷气发动机中弹出。风扇2的旋转通过摩擦能在停止前持续一较短时间。

定义边缘32的内表面33的曲线33’可被优化，以第一轴承11的轴颈29与边缘32的表面33的邻接的方式，并且风扇2以一均匀的方式发生的停止，独立于压缩机轴5的轴线5’和涡轮喷气发动机1的轴线4之间的角度。边缘32的内表面33的这种曲线形状在轴平面上为一子午曲线，围绕着涡轮喷气发动机的轴线4旋转的对称。在此，以轴向剖视图，该曲线33’为圆形。该曲线33’可以为更复杂的形式，例如，为了根据脱离过程的不同阶段一取决于阶段的有或者没有相接触。

因而，在第一轴承支撑部11的脱落后，风扇2的持续旋转不必要围绕着涡轮喷气发动机1的轴线4发生，在事实上，由于压缩机轴5和第一轴承6不再同轴。在压缩机轴5的断裂时刻，和在其向前移动的时刻，其轴线5’和涡轮喷气发动机1的轴线4的角度是任意的。这种任意性不会干扰保持环30产生的风扇2的停止，因为其边缘32的壁33的优化形状。风扇2结合其向前移动的持续旋转，边缘也能使风扇2和压缩机轴5返回到涡轮喷气发动机1的轴线4，这是图4中表示的情况。

已经描述的本发明涉及到第一轴承支撑部通过第二轴承的支撑部而固定到发动机固定结构上，其中止推环通过螺钉固定到涡轮喷气发动机的固定结构上，该螺钉用于固定第二轴承支撑部到该固定结构上。当然第一轴承支撑部，第二轴承支撑部并且止推环可相互独立地固定到涡轮喷气发动机的固定结构上，并且像这里所描述的一样它们能实施同样的功能。

而且，在止推环以一独立方式固定到涡轮喷气发动机的固定结构的情况下，第二轴承支撑部可通过破裂螺钉固定到该结构上。因此，两个轴承的脱离是可能的，通过止推环的轴向停止仅仅发生在压缩机轴的破裂时。

在此所描述的第一轴承11的下游的轴颈29为锥形形状。当然该轴颈在轴向剖视图上也为曲线形状，该形状相关于止推环30的边缘33的表面33表示的曲线33’被优化，从而使得风扇以一均匀方式停止，没有角度的影响。

可以理解止推环30也能作为备用轴承的功能，在第一轴承6脱离后，后者在破裂的情况下作为压缩机轴5的轴承。

描述的本发明涉及涡轮喷气发动机，特别是一两轴涡轮喷气发动机，其第二轴承支撑低压转子。本发明也应用到涡轮机的其它类型，例如涡轮螺旋桨发动机，一工业涡轮增压器或者工业涡轮，这时转子不作为风扇转子而是仅仅作为一个转子。

Claims (10)

1.一涡轮机，沿涡轮机的轴线(4)纵向延伸，包括一连接到驱动轴(5)上的转子(2)，设置使得该转子绕一驱动轴的轴线(5’)旋转，并且被至少一第一轴承(6)所支撑，该轴承通过一第一轴承支撑元件(11)安装在涡轮机的固定结构上，其特征在于，该涡轮机包括一止推环(30)，安装在涡轮机的固定结构上并与第一轴承支撑元件(11)相配合，并且在转子(2)相对于固定结构发生位移的情况下，以一均匀的方式实施转子(2)的轴向保持的功能，在涡轮机的轴线(4)和驱动轴(5)的轴线(5’)之间没有角度影响；所述第一轴承支撑元件(11)具有一轴颈(29)，其设计使得与所述止推环(30)的边缘(32)的表面(33)相配合，所述轴颈(29)为锥形形状，所述止推环纵向环绕第一轴承支撑元件(11)的下游部分，在涡轮机运行的正常模式下没有接触。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述止推环(30)的边缘(32)的表面(33)在轴向剖面上具有曲线形状(33’)，围绕着涡轮机的轴线(4)旋转对称。

3.根据权利要求2所述的涡轮机，其特征在于，所述曲线形状(33’)为一圆弧。

4.根据权利要求1-3之一所述的涡轮机，其特征在于，所述驱动轴(5)被第二轴承(7)所支撑，并且第二轴承(7)通过一第二轴承支撑元件(19)安装在涡轮机的固定结构上，第一轴承支撑元件(11)通过破裂螺钉(25)固定到第二轴承支撑元件(19)上，该螺钉允许第一轴承支撑元件(11)脱离第二轴承支撑元件(19)。

5.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一轴承支撑元件(11)通过一装置(25)安装到涡轮机的固定结构上，该装置用于使第一轴承支撑元件(11)相对于涡轮机的固定结构脱离，止推环(30)设置使得不干扰脱离动作。

6.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一轴承支撑元件(11)通过一装置(25)安装到涡轮机的固定结构上，该装置用于使第一轴承支撑元件(11)相对于涡轮机的固定结构脱离，止推环(30)设置用来在脱离作用期间限制驱动轴(5)的移动。

7.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述驱动轴(5)被第二轴承(7)所支撑，第二轴承通过一装置安装在涡轮机的固定结构上，该装置用来使第二轴承相对涡轮机的固定结构脱离。

8.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述驱动轴(5)被第二轴承(7)所支撑，并且第二轴承(7)通过一被螺钉(24)所固定的第二轴承支撑元件(19)安装在涡轮机的固定结构上，止推环(30)包括纵向孔隙(26’)，该孔隙用于作为固定止推环(30)到涡轮机固定结构的所述螺钉(24)的通道。

9.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，该涡轮机为由两轴涡轮喷气发动机组成的装置的元件，该两轴涡轮喷气发动机包括一第二轴承(7)，该轴承支撑低压转子；或者，所述涡轮机为一涡轮螺旋桨发动机或一涡轮增压器或一涡轮。

10.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于，所述第一轴承支撑元件(11)通过一装置(25)安装到涡轮机的固定结构上，该装置(25)用于使第一轴承支撑元件(11)相对于涡轮机的固定结构脱离，在第一轴承(6)脱离后驱动轴破裂的情况下，止推环(30)实施转子(2)轴向保持功能。

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