本發(fā)明涉及航空發(fā)動機，尤其涉及航空發(fā)動機的軸承支承結(jié)構(gòu)的熔斷結(jié)構(gòu)和熔斷方法。

背景技術(shù)：

航空發(fā)動機可能會受到飛鳥等外物撞擊，導致一片或更多的風扇葉片斷裂或脫落，即fbo(fanbladeoff)。fbo事件發(fā)生后，風扇的重心會偏離低壓轉(zhuǎn)子的中心線。然而，由于軸承的限制，風扇仍繞低壓轉(zhuǎn)子的中心線轉(zhuǎn)動。風扇繞偏離其重心的軸轉(zhuǎn)動會激勵低壓轉(zhuǎn)子系統(tǒng)產(chǎn)生一個或多個振蕩模態(tài)，從而產(chǎn)生不平衡載荷。對于當前商用飛機上常用的大涵道比渦扇發(fā)動機，其風扇葉片半徑長、質(zhì)量大，fbo事件會導致風扇的重心線與發(fā)動機的中心線不對中，引起巨大的不平衡載荷。由于軸承沿徑向約束風扇轉(zhuǎn)子，故fbo不平衡載荷主要通過軸承及其支撐結(jié)構(gòu)傳遞到中介機匣上，并進一步傳遞到安裝節(jié)甚至飛機上。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種航空發(fā)動機及其風扇葉片飛脫載荷下熔斷方法，以保證在fbo載荷下發(fā)動機結(jié)構(gòu)的安全性。

一種航空發(fā)動機，包括風扇轉(zhuǎn)子、靜子件中介機匣、支撐所述風扇轉(zhuǎn)子的第一軸承和第二軸承、將所述第一軸承支撐在所述靜子件中介機匣上的第一支撐錐臂以及將所述第二軸承支撐在所述靜子件中介機匣上的第二支撐壁，所述第一支撐錐臂為薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括上錐臂和下錐臂，所述上錐臂具有上結(jié)合面，所述下錐臂具有下結(jié)合面，所述上結(jié)合面和所述下結(jié)合面中的一方為凹球面，另一方為凸球面，所述上結(jié)合面和所述下結(jié)合面彼此互補并焊接成強度小于母體材料強度的熔斷結(jié)構(gòu)，所述熔斷結(jié)構(gòu)的球面中心位于所述風扇轉(zhuǎn)子的軸心。

在一實施例中，所述上錐臂在上結(jié)合面的徑向外側(cè)設置有限位凸臺，所述限位 凸臺用于所述熔斷結(jié)構(gòu)失效時限制所述下錐臂的位移。

在一實施例中，所述凹球面和所述凸球面通過擴散連接工藝焊接。

一種航空發(fā)動機的風扇葉片飛脫載荷下熔斷方法，所述航空發(fā)動機包括風扇轉(zhuǎn)子、靜子件中介機匣、支撐所述風扇轉(zhuǎn)子的第一軸承和第二軸承、將所述第一軸承支撐在所述靜子件中介機匣上的第一支撐錐臂以及將所述第二軸承支撐在所述靜子件中介機匣上的第二支撐壁，所述方法將呈薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)的所述第一支撐錐臂在預定的熔斷處將所述第一支撐錐臂分離為上錐臂和下錐臂，并且將所述上錐臂和所述下錐臂設置在同一個圓錐面上，然后將所述上錐臂的上結(jié)合面和所述下錐臂的下結(jié)合面焊接，所述上結(jié)合面和所述下結(jié)合面中的一方為凹球面，另一方為凸球面，所述上結(jié)合面和所述下結(jié)合面彼此互補并焊接成強度小于母體材料強度的熔斷結(jié)構(gòu)，所述熔斷結(jié)構(gòu)的球面中心位于所述風扇轉(zhuǎn)子的軸心。

在一實施例中，所述方法還在所述上結(jié)合面的徑向外側(cè)設置限位凸臺，利用所述限位凸臺在所述熔斷結(jié)構(gòu)失效時限制所述下錐臂的位移。

在一實施例中，利用擴散連接工藝焊接所述凹球面和所述凸球面。

在一實施例中，根據(jù)風扇葉片飛脫載荷在所述第一支撐錐臂處產(chǎn)生的載荷，通過調(diào)整所述熔斷結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)來控制風扇葉片飛脫載荷發(fā)生后所述熔斷配合面之間的滑移量。

在一實施例中，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括熔斷配合面的面積、球面半徑、球面圓弧角度和/或限位凸臺的位置。

本發(fā)明的有益效果包括：

1.由于熔斷結(jié)構(gòu)為上、下錐臂之間的球面連接結(jié)構(gòu)，在fbo發(fā)生時，第一支撐錐壁可以在剪切力、拉伸力、復雜載荷工況下失效，而且徑向載荷和彎曲載荷削弱大小及比例可通過球面半徑、球面圓弧角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)設計調(diào)整，具有更高的結(jié)構(gòu)設計靈活性；

2.采用第一支撐錐壁一處失效結(jié)構(gòu)設計，可達到第一軸承的支撐首要熔斷和第二軸承的支撐次要熔斷所能實現(xiàn)的功能，既保證了fbo載荷下發(fā)動機結(jié)構(gòu)安全性，又能夠使結(jié)構(gòu)設計盡可能簡化，提高設計可靠性。

附圖說明

本發(fā)明的上述的以及其他的特征、性質(zhì)和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖和實施例的描述而變得更加明顯，其中：

圖1為本發(fā)明一實施例中發(fā)動機前端結(jié)構(gòu)的示意圖；

圖2為本發(fā)明一實施例第一支撐錐臂熔斷結(jié)構(gòu)失效前的示意圖；

圖3為本發(fā)明一實施例第一支撐錐臂熔斷結(jié)構(gòu)失效后的示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，在以下的描述中闡述了更多的細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明，但是本發(fā)明顯然能夠以多種不同于此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下根據(jù)實際應用情況作類似推廣、演繹，因此不應以此具體實施例的內(nèi)容限制本發(fā)明的保護范圍。

需要注意的是，附圖均僅作為示例，其并非是按照等比例的條件繪制的，并且不應該以此作為對本發(fā)明實際要求的保護范圍構(gòu)成限制。

如圖1和圖2所示，航空發(fā)動機包括風扇轉(zhuǎn)子100、靜子件中介機匣9、支撐風扇轉(zhuǎn)子100的第一軸承3和第二軸承4、將第一軸承3支撐在靜子件中介機匣9上的第一支撐錐臂以及將第二軸承4支撐在靜子件中介機匣9上的第二支撐壁13。第一支撐錐臂為薄壁環(huán)形結(jié)構(gòu)，包括上錐臂2和下錐臂1，上錐臂2具有上結(jié)合面21，下錐臂1具有下結(jié)合面11，上結(jié)合面21和下結(jié)合面11中的一方為凹球面，另一方為凸球面，上結(jié)合面21和下結(jié)合面11彼此互補并焊接成強度小于母體材料強度的熔斷結(jié)構(gòu)，熔斷結(jié)構(gòu)的球面中心位于風扇轉(zhuǎn)子100的軸心12。第一軸承3在行業(yè)內(nèi)也稱1#軸承，第二軸承4在行業(yè)內(nèi)也稱2#軸承。

風扇轉(zhuǎn)子100包括風扇軸5和風扇葉片6，其載荷通過第一軸承3和第二軸承4傳遞到第一支撐錐臂、第二支撐錐臂13，再傳遞到靜子件中介機匣9。如圖3所示，在fbo發(fā)生之后，熔斷結(jié)構(gòu)失效上、下結(jié)合面21、11之間相對滑移。

上錐臂2在上結(jié)合面21的徑向外側(cè)設置有限位凸臺22，限位凸臺22用于熔斷結(jié)構(gòu)失效時限制下錐臂1的位移。在另一實施例中，限位凸臺可以設置在下錐臂上，用來限制熔斷結(jié)構(gòu)失效時限制上錐臂2的位移。

上結(jié)合面21和下結(jié)合面11之間的焊接可通過但不限于擴散連接工藝進行，無論何種加工工藝，保證二者間連接面強度低于母體材料強度，并可以通過工藝參 數(shù)控制，得到不同的焊縫失效門檻值，以確保在fbo發(fā)生時，第一支撐錐壁在預期的工況下失效。fbo發(fā)生后，球面連接而成的熔斷結(jié)構(gòu)失效，上結(jié)合面21、下結(jié)合面11之間，即兩個球面連接面在fbo載荷下產(chǎn)生滑移，減小徑向載荷和彎曲載荷，并使風扇軸5或者說低壓轉(zhuǎn)軸接近其新的重心所在線，同時由于球面連接界面的限位作用，可繼續(xù)保持第一軸承3沿軸向?qū)︼L扇軸5的約束作用。此外，根據(jù)fbo載荷在第一支撐錐壁處產(chǎn)生的剪切力、拉伸力等載荷，可以調(diào)整熔斷結(jié)構(gòu)的球面連接面的面積、球面半徑、球面圓弧角度、限位凸臺位置等參數(shù)，控制fbo發(fā)生后，擴散連接界面之間滑移量，使風扇軸5不會產(chǎn)生徑向瞬時大變形，導致轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向振蕩變形，損壞軸承部件的密封圈，使部件的潤滑和冷卻油泄漏，進而導致軸承在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生過熱和卡死現(xiàn)象的發(fā)生。

擴散連接指相互接觸的材料表面，在高溫和壓力的作用下，在接觸表面相互靠近，局部發(fā)生塑性變形，原子間相互擴散，在界面形成新的擴散層，從而形成可靠的聯(lián)接接頭。擴散聯(lián)接大致分三個階段。第一階段為物理接觸，發(fā)生變形并形成交界面。第二階段為局部化學反應。原子間相互作用，形成金屬鍵、離子鍵、共價鍵，并伴隨晶界的遷移和孔洞的減少。第三階段為接觸部分形成接合層。該層向體積方向發(fā)展，最終形成可靠的連接接頭。在本發(fā)明的一實施例中，首先根據(jù)第一支撐錐壁的熔斷結(jié)構(gòu)的設計結(jié)構(gòu)，通過機加工得到上錐壁2和下錐壁1，然后將上、下錐壁2、1放進帶有加熱系統(tǒng)的壓機內(nèi)，加熱升溫至設計溫度，向壓機內(nèi)充入一定壓力惰性氣體，然后保溫保壓使二者之間的球面配合面擴散連接。

傳統(tǒng)熔斷設計方案之一是采用第一軸承支撐失效，釋放第一軸承的徑向剛度能夠使低壓轉(zhuǎn)軸繞著接近于其新的重心所在線的軸轉(zhuǎn)動，在不增加發(fā)動機重量和體積的情況下，減小fbo不平衡載荷。然而，釋放第一軸承的徑向約束會使轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向振蕩變形，容易損壞軸承部件的密封圈，使部件的潤滑和冷卻油泄漏，這容易導致軸承在轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生過熱和卡死現(xiàn)象，導致發(fā)動機不能正常轉(zhuǎn)動。

傳統(tǒng)熔斷設計方案之二是包含第一軸承的支撐首要熔斷和第二軸承的支撐次要熔斷，能夠解決僅采用第一軸承支撐失效所產(chǎn)生的問題，但其將導致第一軸承和第二軸承的支撐結(jié)構(gòu)復雜。而且，要求第二軸承的支撐不能完全熔斷，否則會使高低壓轉(zhuǎn)子產(chǎn)生碰磨，并使風車轉(zhuǎn)動階段振動增大，但由于加工和裝配誤差等原因，首要熔斷結(jié)構(gòu)破損后，存在載荷重新分配的不確定性，導致次要熔斷門檻值計算困 難，可能導致結(jié)構(gòu)失效不符合預期。

前述實施例中的第一支撐錐壁的上、下結(jié)合面21、11之間的球面連接界面，可以使第一支撐錐臂具有一定的自修復功能，可以使fbo峰值沖擊載荷過后，風扇軸12的軸心向發(fā)動機的中心線回歸，減少風扇轉(zhuǎn)子的不平衡載荷和振動幅值。

前述實施例在fbo發(fā)生時，第一支撐錐壁可以在剪切力、拉伸力、復雜載荷工況下失效，而且徑向載荷和彎曲載荷削弱大小及比例可通過球面半徑、球面圓弧角度等結(jié)構(gòu)參數(shù)設計調(diào)整，具有更高的結(jié)構(gòu)設計靈活性。

并且采用第一支撐錐壁一處失效結(jié)構(gòu)設計，可達到第一軸承的支撐結(jié)構(gòu)首要熔斷和第二軸承的支撐次要熔斷所能實現(xiàn)的功能，既保證了fbo載荷下發(fā)動機結(jié)構(gòu)安全性，又能夠使結(jié)構(gòu)設計盡可能簡化，提高設計可靠性。

本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動和修改。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何修改、等同變化及修飾，均落入本發(fā)明權(quán)利要求所界定的保護范圍之內(nèi)。