專利名稱：用于轉子組件的分離器系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及渦扇式燃氣渦輪發(fā)動機，且更具體地涉及在用于 這種發(fā)動機的風扇組件的支承系統(tǒng)中使用的載荷降低系統(tǒng)。
背景技術：
用于向飛行中的飛行器提供動力的渦扇式燃氣渦輪發(fā)動機通常
包括串行流動連通的風扇組件、低壓壓縮機或增壓器(booster)、高壓 壓縮機、燃燒器、高壓渦輪機和低壓渦輪機。燃燒器產生的燃燒氣體 被連續(xù)地引入到高壓渦輪機中，在其中燃燒氣體膨脹以驅動高壓渦輪 機，然后燃燒氣體被連續(xù)地引入到低壓渦輪機中，在其中燃燒氣體進 一步膨脹以驅動低壓渦輪機。高壓渦輪機通過第一轉子軸而傳動地連 接到高壓壓縮機上，且低壓渦輪機通過第二轉子軸而傳動地連接到風 扇組件和增壓器上。
風扇組件包括多個周向間隔的風扇葉片，這些風扇葉片/人傳動地 連接到低壓軸上的轉子盤徑向向外地延伸。各風扇葉片通常均具有翼 片部和將葉片附接到轉子盤上的整體的4f4妄根部。風扇組件通過支承 系統(tǒng)可旋轉地支承在不可旋轉的框架上，該框架通常稱為風扇框架， 該支承系統(tǒng)通常包括很多軸承和軸承座結構。
在發(fā)動機運行期間，外來物如鳥有極小的可能會撞擊風扇組件， 并造成部分或所有風扇葉片從轉子盤上脫離。這樣的葉片損失會引起 很大的不平衡，這就可能導致將潛在危害性的不平衡力傳遞到風扇框 架上。為了減輕這種不平衡力的傳遞，公知向支承系統(tǒng)提供分離器(也 通常稱為"保險器(fuse)")，該分離器為設計成響應于預定載荷而破壞 的脆弱結構。因而，如果發(fā)生葉片損失，則風扇組件的不平衡旋轉將會造成分 離器("保險器")破壞，使得基本不平衡的力不會傳遞到風扇框架。相 應地，由于不需將風扇框架和相關結構制造成具有足以經受基本不平 衡力的強度，故分離器的使用有效地降低了發(fā)動機的總重量。這種結 構上的分離也將降低風扇組件支承系統(tǒng)的剛度，并因此將降低風扇組 件的固有頻率。
盡管在發(fā)生葉片損失的小概率事件中，標準程序將快速地關閉發(fā)
動機，但風扇組件將因發(fā)動機的前向運動所引起的風轉(windmilling) 而繼續(xù)旋轉。當風扇組件減慢到較低的風轉速度時，通過增壓器轉子 葉片與增壓器定子之間和/或風扇葉片與風扇外殼之間的接觸載荷通 路，將會發(fā)生風扇組件和風扇框架的"重新聯(lián)接"。這種"重新聯(lián)接"將 為不平衡力提供通向葉片框架的新的傳遞通路，進而導致不希望出現(xiàn) 的發(fā)動機振動和/或機身振動。如果由于最終的共振或輕度非共振的運 行使得降低后的風扇組件固有頻率等于或接近風轉速度，則這種振動 就會特別棘手。
常規(guī)的載荷降低裝置(LRD)設計成在高速時提供有限的分離，以 便將風扇轉子系統(tǒng)的分離模式固有頻率設置成高于發(fā)動機的風轉速 度。常規(guī)的載荷降低裝置提供有限的風扇轉子分離，由此斷開風扇轉 子前軸承("第 一軸承")，且僅部分地斷開風扇外殼后軸承("第二軸 承，，)。在常規(guī)設計中，為了在風轉運行期間保持足夠的剩余剛度，以 便將分離模式固有頻率保持在風轉速度之上，進而獲得具有可接受的 響應水平的穩(wěn)定運行，就不可能在其它軸承位置如第二軸承位置處通 過載荷通路的附加分離而進一步地降低載荷。
因而，需要一種風扇組件支承系統(tǒng)，該系統(tǒng)在由風扇葉片損壞而 引起風扇轉子從其支承系統(tǒng)的結構上脫離后，降低處于風轉速度的、 飛行中的發(fā)動機振動。需要一種具有經調整和阻尼的載荷降低裝置和 系統(tǒng)，其容許在高速時增加分離和增加載荷下降。需要一種具有經調 整和阻尼的分離和載荷降低系統(tǒng)，其使風轉運行能夠沒有速度限制。
發(fā)明內容
上述的一種需要或多種需要可由示例性實施例來實現(xiàn)，該示例性
實施例提供了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的轉子分離器系統(tǒng)50,該燃氣 渦輪發(fā)動機包括設置在軸承系統(tǒng)36與軸承座70之間的載荷降低系統(tǒng) 60。載荷降低系統(tǒng)60包括保險器75和阻尼器(damper)71,以便在保 險器75破壞時，阻尼器71將至少一部分徑向載荷從轉子12傳遞到 軸承座70。在一種示例性實施例中，阻尼器71包括設置在軸承外環(huán) 周圍的絲網51。在另一種示例性實施例中，阻尼器包括繩阻尼器組件。 在再一種示例性實施例中，載荷降低系統(tǒng)90設置在支承結構38與框 架26之間，該框架包括延伸性保險器98和設置在支承結構38與框 架26之間的阻尼器93，以便阻尼器93在延伸性保險器98破壞時將 至少一部分不平衡載荷傳遞到框架26。
本說明書的最后部分特別地指出了并清楚地要求了視作為本發(fā) 明的主題。但通過參考以下說明并結合附圖，能更好地理解本發(fā)明， 附圖中
圖1為具有風扇組件的示例性渦扇式燃氣渦輪發(fā)動機的局部截面 側視圖，該風扇組件具有本發(fā)明的轉子分離器系統(tǒng)的示例性實施例。 圖2為根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的載荷降低系統(tǒng)的示意圖。
和位移響應，該風扇組件具有本發(fā)明的載荷降^^系統(tǒng)。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的載荷降低裝置的示例性實施例的軸向視圖。 圖5為根據(jù)本發(fā)明的載荷降低裝置的示例性實施例的軸向截面
圖6為根據(jù)本發(fā)明的載荷降低裝置的另一示例性實施例的軸向視
6圖6a為用于圖5中所示載荷降低裝置的示例性阻尼器的透視圖。 圖7為根據(jù)本發(fā)明的、位于軸承內圈上的載荷降低裝置的另一示 例性實施例的軸向視圖。
具體實施例方式
參看附圖，其中相同標號在各個視圖中都表示同一元件，圖l示 出了示例性的高旁通比渦扇式發(fā)動機10的縱向截面視圖，該高旁通 比渦扇式發(fā)動機IO具有風扇轉子12，該風扇轉子12具有本發(fā)明的轉 子分離器系統(tǒng)50的示例性實施例。發(fā)動機10包括風扇轉子12、多個 周向間隔的風扇葉片或轉子葉片16(圖1中僅示出一個)以及由常規(guī)低 壓渦輪機(未示出)供以動力的風扇軸18,其中，風扇轉子12包括轉子 盤14，且轉子葉片16從盤14向外徑向地延伸。轉子盤14傳動地連 接到風扇軸18。
增壓器壓縮機20設置在風扇轉子12的下游，該增壓器壓縮機20 具有軸向間隔開的導葉和葉片列，其葉片連結到增壓器巻軸(spool)或 增壓器軸22上。增壓器軸22以常規(guī)方式適當?shù)毓潭ㄟB結到轉子盤14 的后側。錐形槳轂蓋24連結到轉子盤14的前側，以^便為空氣進入風 扇組件12提供氣動流路。此外，為了使圖示清楚，發(fā)動機10的常規(guī) 結構例如高壓壓縮機、燃燒器、高壓渦輪機和低壓渦輪機并未示出。
風扇轉子12通過支承系統(tǒng)28可旋轉地支承在固定的風扇框架26 上。風扇框架26包括環(huán)形外殼30、內轂32和在其間延伸的多個周向 間隔的支柱34。由于旁通空氣從其相鄰的兩支柱間經過，故支柱34 為翼片形狀的。支承系統(tǒng)28包括前軸承系統(tǒng)36(或稱為"第一軸承")、 后軸承系統(tǒng)40(或稱為"第二軸承")、前軸承座結構38和后軸承座結構 41。圖1中的前軸承座結構38采用錐形物的形式。其它適合形狀的 支承結構也可用于支承前軸承。前軸承系統(tǒng)36設置在風扇軸18與前 軸承座38之間。后軸承系統(tǒng)40設置在風扇軸18與后軸承座41之間。 前軸承座38和后軸承座41緊固到內轂32上。圖1示出了處于前軸
7承36位置的根據(jù)本發(fā)明示例性實施例的轉子分離器系統(tǒng)60。圖1還 示出了在位于支承結構38后端的、根據(jù)本發(fā)明另一示例性實施例的 另 一轉子分離器系統(tǒng)90。應注意，本發(fā)明的實施例還可位于其它位置， 例如在后軸承位置，這將在下面的說明中更為清楚。
圖2示意性地示出了沖艮據(jù)本發(fā)明的轉子分離器系統(tǒng)的示例性實施 例。軸18傳動地連接到轉子(為清楚起見在圖2中未示出)如圖1中示 出的風扇轉子12上。
在圖2中示意性地示出的本發(fā)明示例性實施例包括前軸承系統(tǒng) 36,該前軸承系統(tǒng)36包括內環(huán)74、外環(huán)72和位于內環(huán)74與外環(huán)72 之間的軸承元件73。內環(huán)附接到風扇軸18上。使用脆弱的保險器75, 將外環(huán)附接到前軸承座38上?？剐D銷76安裝在外環(huán)與支承結構之 間，以便在保險器75破壞時防止外環(huán)的旋轉。任意常規(guī)類型的保險 器75均可使用。
在圖2中示意性示出的本發(fā)明的示例性實施例中，外環(huán)與阻尼器 71相關聯(lián)，阻尼器71與保險器75并行。阻尼器71提供了將軸承載 荷從軸18傳遞到支承結構70的并行載荷通路。在轉子12正常運行 期間，軸承載荷通過保險器75從軸18傳遞到支承結構70，并且一部 分軸承載荷還可通過阻尼器71并行地傳遞。保險器75具有比支岸義結 構38的破壞點更低的破壞點。降低的破壞點在嚴重不平衡事件中， 例如風扇葉片掉出期間，容許保險器75在剩余的支岸^幾構破壞前破 壞。保險器75的破壞降低了通過保險器75傳遞到剩余的支承結構38 上的結構載荷。當發(fā)生這種情況時，更多的不平# 栽荷傳遞到了阻尼 器71。
圖3示出了渦扇式燃氣渦輪發(fā)動機10的示例性軸承載荷響應50 和位移響應60,該渦扇式燃氣渦4侖發(fā)動機IO具有風扇轉子12，該風 扇轉子具有在圖2中示意性示出的本發(fā)明的示例性轉子分離器系統(tǒng)。 如果在高速時發(fā)生諸如風扇葉片掉出的過度不平衡事件，則軸承和支 承系統(tǒng)所經受的潛在不平衡載荷54可能會很高。然而為了保護剩余結構免受嚴重損壞，將保險器75設計成通過具有比潛在載荷水平54 更低的破壞點56而首先破壞。當過度不平衡載荷引起保險器75破壞 時，轉子和軸承或會經受由不平衡載荷所引起的徑向位移。軸承和支 承系統(tǒng)剛度的降低引起轉子系統(tǒng)的固有頻率的下降(以圖3中的項66 表示)。發(fā)動機可能會在這種非正常的不平衡狀況期間關閉，并且發(fā)動 機可能會在較低的轉子速度63時經歷風轉。為了避免轉子在共振狀 況下運行，就有必要保持風轉速度不同于轉子系統(tǒng)的固有頻率。當轉 子固有頻率66下降到低于風轉速度63時，阻尼器71阻尼轉子系統(tǒng) 的峰值響應68。換句話說，阻尼器71的存在容許發(fā)動機以高于轉子 系統(tǒng)已降低的固有頻率66的轉子速度63運行。例如圖2所示，在不 存在阻尼器71的情況下，必需將風轉速度控制在比分離的轉子已降 低的固有頻率66更低的水平上，并且響應水平68將會更高。
在本發(fā)明的另 一實施例中，除前軸承36具有保險器75和阻尼器 71之外，后軸承也設有保險器85。這在圖2中示意性地示出了。其 它保險器如85的存在，可進一步使支承系統(tǒng)的剛度降低到低于極端 不平衡載荷，并因此進一步降低已分離的轉子系統(tǒng)的共振頻率66。但 是，阻尼器71的存在有助于降低已分離的轉子系統(tǒng)的峰值響應68。 盡管出于說明的目的，在圖2中將前軸承元件73用滾柱元件表示， 并且后軸承元件83用球狀元件表示，但應理解的是，這些軸承元件 中的每一個均可為5求狀元件或滾柱元件。
在圖4中的前視圖和圖5中的軸向截面視圖中示出了本發(fā)明的一 種示例性實施例。在圖4和圖5中，阻尼器71為具有環(huán)形形狀的、 周向地設置于外環(huán)周圍的絲網。它設置在外環(huán)72與軸承座70之間。 借助護圏板78軸向地保持阻尼器71。護圈板通過緊固件79附接到軸 承座結構上。其它常規(guī)附接方式同樣可用于這個目的。使用保險器元 件75將保持板78附接到軸承的外環(huán)72上。在圖4和圖5所示的示 例性實施例中，所示保險器元件75為剪切型保險器元件，其在前文 所描述的極端不平衡載荷的情況下受到剪切而破壞。任何其它常規(guī)保
9險器元件也可用于這個目的。在正常運行條件下，大多數(shù)軸承載荷37
通過外環(huán)72、保險器75和護圈板78而傳遞到軸承座70。 一些載荷 也可由阻尼器71傳遞。當保險器元件75受到剪切而破壞時，來自前 軸承36的徑向載荷傳遞到了阻尼器71,而阻尼器則將其傳遞到軸承 座70上。盡管剪切元件示出為螺釘，但應當理解的是，也可使用其 它適合的保險器和保持裝置，例如螺栓。也可使用其它的常規(guī)保險器 元件。本發(fā)明的一個優(yōu)點為能夠通過調整阻尼器的參數(shù)、保險器的 參數(shù)和支承結構的剛度來調整系統(tǒng)，使該系統(tǒng)具有分離模式固有頻 率。在圖4所示的示例性實施例中，九個剪切型保險器元件周向地圍 繞外環(huán)72的前側設置。同樣地，九個剪切型保險器元件周向地圍繞 外環(huán)72的后側設置。在一個示例性實施例中，絲網阻尼器71具有大 約8英寸的內徑和大約12英寸的外徑，并具有大約3英寸的厚度。 它由市售的鋼制成。有可能獲得約20%的阻尼，以便限制轉子位移。 風轉轉子速度與分離模式轉子頻率之比大約為2.92。
圖6中所示本發(fā)明的另一示例性實施例使用繩阻尼器組件81。多 個繩阻尼器組件81設置在外環(huán)72與軸承座70之間。在圖6中所示 的示例性實施例中，所示的四個繩阻尼器組件81圍繞外環(huán)72的圓周 設置，位于沿直徑相反的位置上。所需的繩阻尼器組件數(shù)量可使用常 規(guī)技術來選擇，以便經受住在任何應用中所預期的不平衡載荷。盡管 繩阻尼器組件81在圖6中是分段地表示的，但有可能圍繞外環(huán)72周 向地使用連續(xù)的繩阻尼器組件。圖6a中示出的示例性繩阻尼器組件 81包括六個由鋼繩制成的繩阻尼器91。使用緊固件將這些繩阻尼器 的每一個均附接到繩阻尼器板上。
在一些轉子設計中，繩阻尼器組件可定位成使得在軸承外環(huán)72 與繩阻尼器板94之間存在間隙G,其在圖6中用項82表示。在促動 由繩阻尼器組件81所提供的阻尼之前，間隙G為轉子12在極端不平 衡載荷狀況下一定的徑向偏斜作好了準備。有可能使用間隙G來"調 整"轉子組件，以便當轉子在極端不平衡負載狀況下使其具有合適的共
10振頻率值。在圖6所示的示例性實施例中，間隙G為大約0.100英寸。 也有可能具有沒有間隙G的轉子系統(tǒng)。
有可能在遠離前軸承36和后軸承40的位置處具有本發(fā)明構思出 的轉子分離器系統(tǒng)。在圖7中示出了這樣的一種位于支承結構38后 端處的分離器系統(tǒng)90的示例性實施例。使用常規(guī)的附接方式將支承 結構38附接到框架26上。在圖7中示出了常規(guī)的延伸性保險器元件 98。在例如因風扇葉片掉出事件所引起的極端不平衡載荷下，來自軸 承36的力矩(moment)載荷在延伸保險器98中產生了拉伸載荷。阻尼 器組件97例如像圖6a所示的那樣設置在支承結構與框架26之間。盡 管在圖7中將繩阻尼器組件97用來表示示例性實施例，但也可選擇 其它適合的阻尼器來使用，例如圖4和圖5中所示的絲網阻尼器71。 在極端不平衡載荷事件中，例如在風扇葉片掉出事件期間，延伸性保 險器98受到拉伸而破壞，并且徑向軸承載荷和力矩軸承載荷通過阻 尼器組件97進行傳遞，其中，阻尼器組件97提供對轉子響應的阻尼， 這正如前文描述的那樣。
構思出了有可能在發(fā)動機中的多個位置處具有文中所示的本發(fā) 明的實施例。例如，有可能在其它位置如先前所示的前軸^^和后軸7fc 處，具有圖7所示的轉子分離器系統(tǒng)90和本文所示出的其它轉子分 離器系統(tǒng)。
本書面說明使用了包括最佳模式的實例來公開本發(fā)明，且還使本 領域的技術人員能夠制作和使用本發(fā)明。本發(fā)明的專利范圍由權利要 求所限定，并且可包括本領域熟練的技術人員所構思的其它實例。如 果這些其它實例并非與權利要求中的書面語言不同，或者如果這些其 它實例包括與權利要求的書面語言無實質區(qū)別的對等結構元件，則將 意味著這樣的實例在權利要求的范圍之內。
權利要求
1. 一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的轉子分離器系統(tǒng)(50)，所述轉子分離器系統(tǒng)包括軸(18)，其連接到轉子(12)上；支承結構(38)，其緊固到框架(26)上，所述支承結構(38)具有至少一個軸承座(70)；至少一個軸承系統(tǒng)(36)，其包括內環(huán)(74)、外環(huán)(72)和位于所述內環(huán)與所述外環(huán)之間的支承元件(73)，以及載荷降低系統(tǒng)(60)，其設置在所述軸承系統(tǒng)(36)與所述軸承座(70)之間，所述載荷降低系統(tǒng)(60)包括至少一個附接到所述外環(huán)(72)上的保險器(75)以及設置在所述外環(huán)(72)與所述軸承座(70)之間的阻尼器(71)，以便所述阻尼器(71)在至少一個保險器(75)破壞時將至少一部分徑向載荷從所述轉子(12)傳遞到所述軸承座(70)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述阻尼器(71)圍 繞所述外環(huán)(72)周向地設置。
3. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，至少一個保持板(78) 附接到所述外環(huán)(72)和所述軸承座(70)上。
4. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述阻尼器(71)包 括絲網(51》
5. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述阻尼器(71)包 括至少一個繩阻尼器(91)。
6. 根據(jù)權利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述繩阻尼器包括 多個繩阻尼器組件(81)，且其中，各繩阻尼器組件(81)均包括緊固到至 少一個阻尼器板(94)上的至少一個繩阻尼器(91)。
7. 根據(jù)權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述繩阻尼器組件 (81)從所述軸承外環(huán)(72)徑向向外地設置，使得所述阻尼器板(94)與所 述外環(huán)(72)之間具有間隙(82)。
8. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述保險器(75)為 剪切元件。
9. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，多個保險器(75)圍 繞所述外環(huán)(72)周向地布置。
10. 根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)還包括統(tǒng)(90),所述風扇框架(26)具有至少一個保險器(98),所述保險器(98) 能夠在由所述保險器(98)所支承的延伸載荷超過已知極限時破壞。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于轉子組件的分離器系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明公開了一種用于燃氣渦輪發(fā)動機的轉子分離器系統(tǒng)(50)，其包括設置在軸承系統(tǒng)(36)與軸承座(70)之間的載荷降低系統(tǒng)(60)。載荷降低系統(tǒng)(60)包括保險器(75)和阻尼器(71)，以便阻尼器(71)在保險器(75)破壞時，將至少一部分徑向載荷從轉子(12)傳遞到軸承座(70)上。在一個示例性實施例中，阻尼器(71)包括圍繞軸承外環(huán)設置的絲網(51)。在另一個示例性實施例中，阻尼器包括繩阻尼器組件。在再一個示例性實施例中，載荷降低系統(tǒng)(90)設置在支撐結構(38)與框架(26)之間，包括延伸性保險器(98)和設置在支撐結構(38)與框架(26)之間的阻尼器(93)，以便阻尼器(93)在延伸性保險器(98)破壞時將至少一部分不平衡載荷傳遞到框架(26)。
文檔編號F02C7/06GK101446235SQ20081018483
公開日2009年6月3日 申請日期2008年11月27日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者A·F·斯托拉斯 申請人:通用電氣公司