CN1707070A - 风扇安装在由第一和第二轴承支撑的驱动轴上的涡轮风扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明的涡轮喷气发动机包括一固定结构，风扇转子固定在由第一轴承(6)和第二轴承(7)支撑的驱动轴(5)上，第一轴承(6)和第二轴承(7)通过轴承支撑部件(11，19)安装在所说的固定结构上，第一轴承(6)通过能使它与固定结构脱开的装置(13)安装到涡轮喷气发动机的固定结构上，其特征是第二轴承(7)通过一个用作球窝接头(23，24)的铰接安装到轴承支撑部件(19)上，其中，该涡轮喷气发动机还包括当第一轴承(6)脱开时，能使第二轴承(7)相对于固定结构实现轴向移动的装置。当第一轴承(6)脱开后，在第二轴承(7)上不产生过大压力的情况下，可实现第二轴承(7)的对中功能。

Description

风扇安装在由第一和第二轴承支撑的驱动轴上的涡轮风扇发动机

本发明涉及涡轮喷气发动机领域，尤其是涉及带有安装在由第一轴承和第二轴承支撑的驱动轴上的风扇的涡扇发动机。

这种类型的涡轮喷气发动机，包括沿着气流方向从上游侧到下游侧的风扇、一级或多级压缩机、一级或多级涡轮，以及排气喷嘴。该风扇包括一个转子，该转子的周边设置有叶片，当其转动时，能够向涡轮喷气发动机内引入空气。风扇转子由发动机的低压压缩机轴支撑。它靠第一轴承使其对中于涡轮喷气发动机的中心线上，该第一轴承位于第二轴承的上游侧，该第二轴承与固定结构尤其是中间箱体相连接。

在以下的描述中，这个轴仅是指压缩机轴，因为风扇安装在压缩机轴上，在双轴发动机中，这个轴是指低压转子轴。

第一轴承由支撑部件支撑，该支撑部件在压缩机轴周围形成一个类似外壳的包围，并朝着第一轴承下游侧，且固定在涡轮喷气发动机的固定结构上。该第二轴承也是由固定在涡轮喷气发动机的固定结构上的支撑部件支撑。

风扇的一个叶片会意外损失。这将在压缩机轴上形成一个大的不平衡质量，会导致在轴承上产生载荷和震动，并且通过轴承的支撑部件传到涡轮喷气发动机的固定结构上，进而导致固定结构的破坏。

涡轮喷气发动机的过度破坏是能够避免的，可以通过选择大的结构参数来实现，也可以通过为第一轴承提供一个如专利FR2752024所述的脱开系统来实现。第一轴承的支撑部件通过所说的剪切螺杆安装到涡轮喷气发动机的固定结构上，该剪切螺杆有一个削弱部位，当有过大的力作用在螺杆上时，螺杆将在削弱部位处断裂。这样，当压缩机轴上出现不平衡质量时，第一轴承上产生的作用力将传递到剪切螺杆，使剪切螺杆断裂，使支撑部件与第一轴承之间脱开，因此使第一轴承与涡轮喷气发动机的固定结构脱开。由不平衡质量产生的作用力不再通过该支撑部件传递到涡轮喷气发动机的固定结构。

然而，风扇继续转动。这个不平衡质量使压缩机轴弯曲，将引起第二轴承中内轴承圈和外轴承圈的相对移动。并且，轴的弯曲会产生一个杠杆作用，从而将压力作用在轴承滚柱或滚珠上。其结果很可能导致第二轴承的破坏。

在同一申请人的专利号为FR2831624的专利中，披露了一种装置，在该装置中，第二轴承以一定的径向间隙安装在支撑套筒的铰孔里。第二轴承的支撑部件靠平行于该轴的螺纹连接来进行夹紧，在剪切力作用下熔断。其结果是第二轴承可以依靠支撑套筒来支撑，这将减少发生摩擦的可能性。

本发明的目的是，当第一轴承脱开后，保证第二轴承的对中作用，同时在第二轴承滚柱上不产生过大压力的情况下，随之在第二轴承上产生脱开动力。

为实现这个目的，本发明涉及一涡轮喷气发动机，其包括一个固定结构，一风扇转子固定在由第一轴承和第二轴承支撑的一驱动轴上，轴承通过轴承支撑部件安装在所说的固定结构上，该第一轴承通过一个能使其与固定结构脱开的装置安装在该固定结构上，其特证是：第二轴承通过一个用作球窝接头的铰接安装在轴承支撑部件上，并且涡轮喷气发动机还包括当第一轴承脱开时，能使第二轴承相对于涡轮喷气发动机的固定结构实现轴向移动的装置。

优选地，第二轴承包括外轴承圈，外轴承圈的外表面是球面的，能够与轴承支撑部件的同是球面的内壳体相配合。

本发明的另一个特征是，涡轮喷气发动机还包括当第一轴承脱开时，能使第二轴承相对于涡轮喷气发动机的固定结构实现径向移动的装置。

在这种方式中，能产生径向移动的该装置优选地包括用于将轴承支撑部件连接到涡轮喷气发动机的固定结构上的剪切螺杆。

优选地，第二轴承包括内轴承圈、外轴承圈和安装在轴承圈之间的滚柱，内轴承圈和外轴承圈之间能够发生相对的轴向移动。

优选地，本发明的涡轮喷气发动机还包括使风扇转子和/或备用轴承形成轴向限位的装置，它与固定结构里安装在驱动轴上的装置联合作用。

优选地，涡轮喷气发动机包括一个结构法兰，第二轴承固定在该结构法兰上，使风扇和/或备用轴承形成轴向限位的部件包括安装在驱动轴上的限位盘，限位盘与限位环的止动盘共同作用以便风扇轴向限位；限位盘与限位环的纵向套管联合作用，从而形成备用轴承。

优选地，为风扇和/或备用轴承提供轴向限位的装置，布置得能将轴向力直接传递到驱动轴。

在这种方式中，第二轴承优选地包括内轴承圈、外轴承圈和安装在轴承圈之间的滚柱，限位盘包括沿轴向支撑在驱动轴的齿上、并在转动时由第二齿轮的内圈的纵向齿锁紧的径向齿。

本发明主要应用于双轴涡轮喷气发动机中，在这种发动机中，第二轴承是用于支撑低压转子的。但申请人并不希望将自己的权利限定在这里所说应用的范围。

参照附图，通过阅读本发明的涡轮喷气发动机的优选实施例，能够更好的理解本发明。其中：

图1是本发明优选实施例的轴向侧剖视图；

图2是图1中方框C中部分的放大视图；

图3是本发明优选实施例的压缩机轴和结构法兰的后透视图；

图4是本发明优选实施例的压缩机轴、结构法兰和限位环的分解后透视图；

图5是本发明优选实施例的压缩机轴、结构法兰、限位环以及第二轴承的内圈的分解后透视图；

图6是本发明优选实施例的压缩机轴、结构法兰、限位环、第二轴承的内圈以及第二轴承的支撑部件的分解后透视图；

图7是本发明优选实施例的轴承外圈组件支撑在第二轴承支撑部件中的示意性透视图；

图8是本发明优选实施例的结构法兰的透视图；以及

图9是本发明优选实施例中压缩机轴断裂后，通过第二轴承的示意性侧剖视图。

参见图1，本发明的涡轮喷气发动机包括风扇2，其中转子包括围绕涡轮喷气发动机的中心线径向伸展的叶片3。风扇轴2在叶片3的下游侧，固定在压缩机轴5上，该压缩机轴5整体上为柱状。它是低压压缩机轴。在本说明书以下部分，风扇轴2和压缩机轴5的组件被称为压缩机轴5或驱动轴5。该压缩机轴5由第一轴承6和位于第一轴承6的下游侧的第二轴承7支撑。

参见图2，第一轴承6包括内轴承圈8和外轴承圈9，滚珠10安装在各轴承圈之间。内轴承圈8安装在压缩机轴5上，外轴承圈9安装在轴承支撑部件11上，以下称为第一轴承支撑部件11。滚珠10能使内轴承圈8，也即压缩机轴5相对于外轴承圈9转动，从而相对于第一轴承支撑部件11转动。

第一轴承支撑部件11从第一轴承6向下游延伸，其整体为柱状，有小的锥度，其直径沿下游方向有所增大。它安装在涡轮喷气发动机1固定结构的结构法兰18上，具体地说是固定在涡轮喷气发动机的中间箱体，即在下面称之为结构法兰18上，通过一下游法兰12使剪切螺杆13与之实现螺纹连接。这些剪切螺杆13有一个削弱部位13′，削弱部位13′处抗拉强度低较，当有过大的力作用在螺杆上，尤其是随着叶片3的损失而引起压缩机轴5上出现不平衡质量时，螺杆将在削弱部位处断裂。

第二轴承7包括内轴承圈14和外轴承圈15，滚柱16安装在各轴承圈之间。在正常运行的情况下，内轴承圈14固定安装在压缩机轴5上，外轴承圈15安装在涡轮喷气发动机1的固定结构上，这将在后面进行说明。滚柱16平行于涡轮喷气发的发动机1的中心线4，安装在沿内轴承圈14圆周所开的沟槽14a里，并且被支撑架17彼此隔开一定的间距，这一点对本技术领域的普通技术人员来说是公知的。滚柱能使内轴承圈14相对于外轴承圈15转动，从而通过这些轴承圈能使压缩机轴5相对于涡轮喷气发动机1的固定结构转动。

第二轴承7由轴承支撑部件19支撑，以下称为第二轴承支撑部件19，它包括壳体20或者称为环圈20，能夹紧第二轴承7的外轴承圈15，环圈20上有沿径向延伸的连接法兰21，通过剪切螺杆22由螺纹连接到结构法兰18上。

第二轴承7的外轴承圈15包括外表面23，其上有凸的球面，这在轴向剖视图中可以看到。第二轴承支撑部件19的环圈20的内表面24是凹的球面，凸的球面23与之相配合。这两个球面，即凸的球面23与凹的球面24，它们相配合形成一个用作球窝接头(23，24)的铰接。存在这样的布置，即，当涡轮喷气发动机正常运行时，该球窝接头(23，24)并不转动。第二轴承7的外轴承圈15相对于第二轴承支撑部件19，即，相对于涡轮喷气发动机1的固定部件是固定的。叶片3出现损失后，球窝接头的特性将在后面进行说明。

涡轮喷气发动机1的在第二轴承7区域内的部件结构，通过参看图3-6来描述这些部件的装配来说明，将有助于对它们的位置关系的理解。

参见图3，压缩机轴5包括两个接近结构法兰的环形凸起25和26，上游侧是25，在下游侧是26，形成一个环形沟槽27。凸起26包括径向槽口26′，在它们之间形成齿26″。齿26″与槽口26′优选地具有相同的圆周尺寸，这样各自分别绕压缩机轴5圆周的一半延伸。

参见图4，限位盘28安装在压缩机轴5的环形沟槽27里。该限位盘28包括沿其径向内边的径向槽口28′和齿28″，它们的圆周尺寸与压缩机轴5上的径向槽口26′和齿26″相符合。装配时，限位盘朝着上游侧紧配合安装到压缩机轴5上；它的齿28″插入压缩机轴5的槽口26′，直到它们接触下游侧的环形部分的表面才停止，该环形部分朝着压缩机轴5的上游侧25凸起；然后围绕涡轮喷气发动机1的中心线4转动限位盘28，直到它的齿28″与压缩机轴5的齿26″轴向对齐。在这个位置，它们被沿上游方向25凸起的环形部分的下游表面和压缩机轴5的齿26″的上游表面夹紧，同时压缩机轴5的槽口26′与限位盘28的槽口28′轴向对齐。

参见图5，第二轴承7的内轴承圈14包括在其上游部分的纵向槽口14′和齿14″，它们的圆周尺寸与上面提到的槽口26′、28′和齿26″、28″的圆周尺寸相对应。内轴承圈14紧配合地安装到压缩机轴5上，它的齿14″插入压缩机轴5的槽口26与限位盘28的槽口28′，直到它们接触压缩机轴5朝上游方向凸起的环形部分的下游表面才停止，槽口14′的横向表面与压缩机轴5上的齿26″相接触而停止。这样，转动时，轴承内圈14的齿14″能将限位盘28锁紧，该盘的齿28″与压缩机轴5的齿26″轴向接触而停止。

参见图6，滚柱16安装在内轴承圈上专为安装它所开的沟槽14a里；支撑架17使滚柱相对其它零部件保持就位，这一点图中未示出。第二轴承7的外轴承圈15安装在第二轴承支撑部件19里，紧配合地绕滚柱16的周围安装；在轴向剖视图中可以看到，外轴承圈15的内表面15a呈一直线，其纵向尺寸比滚柱16的纵向尺寸大。第二轴承支撑部件19的法兰21通过剪切螺杆22固定到结构法兰18上。

现在参照图7来说明第二轴承7的外轴承圈15在第二轴承支撑部件19的环圈20里的装配，并且这种装配形成球窝接头(23，24)的铰接。第二轴承支撑部件19的环圈20包括两个在直径方向相对的装配槽口20′、20″，其圆周尺寸与第二轴承7的外轴承圈15的纵向尺寸相适应。如图所示，外轴承圈15的侧面对着第二轴承支撑部件19，滑到它的槽口20′、20″里。然后将外轴承圈15旋转90°，以使它的外表面23与第二轴承支撑部件19的环圈20的内表面24接触配合，从而形成球窝接头(23，24)那样的铰接。

其它部件可以在第二轴承7的内轴承圈14的下游侧紧配合地安装到压缩机轴5上。例如在图1和图2的情况中，提供了一个动力输出装置29，它和旋转气封一起，通过压缩机轴5的运动来驱动其它部件。一旦所有部件都紧配合地安装完成后，通过一个锁紧螺母31对整个体系沿轴向锁紧。

参见图8，结构法兰18的中心被钻孔。在其中心部位有一个纵向套管32，并且一个止动盘33在纵向套管的上游端沿径向向里连续延伸，该止动盘的内边缘形成法兰18的中心孔。止动盘33这样布置，是为了使限位盘28的上游表面34能够与止动盘33的下游表面35接触支撑。由这两个表面34与35形成的接触表面，按一种互补方式布置，使得它们能尽可能均匀地互相支撑。在本发明的涡轮喷气发动机的实施例中，相互接触的表面34，35是呈圆锥形的。这些接触面也可以是平面的，或者是性能更好的球形。止动盘33的功能是当压缩机轴5发生破坏时，轴向锁紧它，以使固定在其上的风扇2不会产生向前运动，这将在后面详细说明。

现在我们将详细说明当风扇2的一个叶片3损失时本发明的涡轮喷气发动机1的运行情况。

叶片3的损失将在压缩机轴5上形成一个不平衡质量。产生的各种力将使把第一轴承支撑部件11连接到结构法兰18上的剪切螺杆13断裂，并使支撑部件11与涡轮喷气发动机1的固定结构之间脱开。

第二轴承7不必与涡轮喷气发动机1的固定结构脱开，因为形成球窝接头(23，24)的铰接能够吸收一定量的压缩机轴5的弯曲。我们已经知道，第二轴承7的外轴承圈15与第二轴承支撑部件19的环圈20相配合，并形成球窝接头(23，24)的铰接，当涡轮喷气发动机1正常运行时，该铰接(23，24)并不转动，但是当有不平衡质量作用在压缩机轴5上时，它却能自由的转动。这样，压缩机轴5的弯曲，引起构成球窝接头(23，24)的铰接围绕由构成铰接的球面23和24所确定的球面中心转动。

然而，当压缩机轴5的弯曲幅度过大，并且这个弯曲不能通过简单的转动形成球窝接头(23，24)的铰接来吸收，例如，尤其是当弯曲相对于涡轮喷气发动机1的中心线4发生偏移时，将第二轴承支撑部件19固定到结构法兰18上的剪切螺杆22将会断裂。断裂将导致第二轴承7和其支撑部件19发生径向位移。

此外，滚柱16在第二轴承7的外轴承圈15的内表面15a上的轴向滑动也将导致发生纵向位移，内表面15a的纵向尺寸比滚柱16的纵向尺寸大。

这样，根据本发明的特征，在第二轴承的滚柱16上不产生过大压力的情况下，第一轴承6的脱开动力可作用在第二轴承7上，因为可使第二轴承7产生径向、纵向以及一定角度的位移。部分移动是不受限制的。转动也可围绕位于第一轴承支撑部件的连接点13上的旋转中心进行。

但是，如果滚柱16破裂，限位盘28的径向外表面36将与法兰18的纵向套管32的内表面37相接触而停止；因此限位盘和套管将用作备用轴承。如果限位盘28和套管32需要具有这样的功能，则要对限位盘28的外表面36与纵向套管32的内表面37之间的距离进行合适的设定。

尽管具有上面提到的各种安全保护装置，压缩机轴5也还存在破坏的可能。最后一个安全保护装置是考虑到这一情况而提供的。如果压缩机轴5发生破坏，风扇2的转动将把风扇和与之一起固定的压缩机轴5限制在向前的方向。限位盘28的上游表面34与止动盘33的下游表面35接触而停止，该止动盘33是固定在涡轮喷气发动机1的固定结构上。因此，如果压缩机轴5(或者固定压缩机轴5的涡轮轴)发生破坏，止动盘33的功能是使风扇2轴向止动。在这种情况下，限位盘28的接触表面34与止动盘33的接触表面35如果是球形的，将更为有利；因为接触时，即使压缩机轴5相对于结构法兰18发生倾斜，球形表面也能使两个表面更均衡的接触。

接触过程中以及接触后，作用力通过限位盘28传到它的齿28″，接着传到压缩机轴5的齿26″，再传到压缩机轴5。这样，由于限位盘28与第二轴承7的内轴承圈14在压缩机轴5上的布置，对风扇2进行轴向限位而在止动盘33上产生的作用力不会传递到锁紧螺母31上；如果这个力被传递到锁紧螺母上，其后果将是非常严重的，因为如果锁紧螺母31发生破坏，将会导致紧配合安装在压缩机轴5上的各种部件滑落，并使风扇2和压缩机轴5向前飞出脱落；实际上这些力被传递到压缩机轴5上。

因此，本发明的装置提供了一种装置，确保压缩机轴5以及风扇轴2在第二轴承7处被轴向限位，而并不把任何限位力传递到第二轴承7的锁紧螺母31。

Claims (10)

1.涡轮喷气发动机，包括一固定结构，风扇转子(2)固定在由第一轴承(6)和第二轴承(7)支撑的驱动轴(5)上，第一轴承(6)和第二轴承(7)通过轴承支撑部件(11，19)安装在所述固定结构上，第一轴承(6)通过能使它与固定结构脱开的装置(13)安装到涡轮喷气发动机的固定结构上，其特征是：第二轴承(7)通过一个用作球窝接头(23，24)的铰接安装到轴承支撑部件(19)上，并且该涡轮喷气发动机还包括当第一轴承(6)需要脱开时使第二轴承(7)相对于固定结构轴向移动的装置。

2.如权利要求1所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，第二轴承(7)包括外轴承圈(15)，外轴承圈(15)的外表面(23)是球面的，与轴承支撑部件(19)的球形内壳体(20)相配合。

3.如权利要求1或2所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，还包括当第一轴承(6)脱开时使第二轴承(7)相对于固定结构径向移动的装置(22)。

4.如权利要求3所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，实现径向移动的装置包括将轴承支撑部件(19)连接到涡轮喷气发动机的固定结构上的剪切螺杆(22)。

5.如权利要求1-4中之一所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，第二轴承(7)包括内轴承圈(14)、外轴承圈(15)和安装在所述轴承圈(14、15)之间的滚柱(16)，内轴承圈(14)与外轴承圈(15)之间可以发生轴向移动。

6.如前面任一权利要求所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，还包括装置(28)，该装置与固定结构中并安装在驱动轴(5)上的装置(32、33)联合作用，对风扇转子(2)和/或备用轴承进行轴向限位。

7.如权利要求6所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，包括一个结构法兰(18)，第二轴承(7)安装在结构法兰(18)上，其中形成对风扇转子(2)和/或备用轴承进行轴向限位的装置包括安装在驱动轴(5)上的限位盘(28)，它与用作法兰(18)的止动盘的圆盘(33)联合作用，以便使风扇(2)进行轴向限位，并与法兰(18)的纵向套管(32)联合作用，形成备用轴承。

8.如权利要求6或7所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，对风扇(2)和/或备用轴承进行轴向限位的装置布置成将轴向力直接传递到驱动轴(5)上。

9.如权利要求7或8所述的涡轮喷气发动机，其特征在于，第二轴承(7)包括内轴承圈(14)、外轴承圈(15)和安装在所述轴承圈(14、15)之间的滚柱(16)，限位盘(28)包括径向齿(28″)，该径向齿轴向地支撑在驱动轴(5)的齿(26″)上，且在转动时被第二轴承(7)的轴承内圈(14)的纵向齿(14″)阻挡。

10.如前面任一权利要求所述的双轴涡轮喷气发动机，其特征在于，第二轴承(7)是一支撑低压转子的轴承。

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