涡轮机的涡轮轴以及用于保护所述轴免于超速的方法技术

本发明专利技术涉及一种涡轮机的沿着纵向轴线(A)延伸的涡轮轴(26)，该涡轮轴包括长度为L1并具有给定的最大外部主直径的主管状部分(68)，其特征在于，该涡轮轴包括长度为L2并具有大于最大外部主直径的最大外部次级直径的次级管状部段(70)，次级管状部段(70)以从轴(26)突出的方式径向地延伸，使得主管状部分(68)沿着纵向轴线(A)在次级管状部段(70)的任一侧上延伸，次级管状部段(70)包括薄弱点(72)，该薄弱点被构造成当向轴施加的切向应力的值超过预定的阈值时使轴断裂成两个不同的部分，从而导致涡轮回退。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】涡轮机的涡轮轴以及用于保护所述轴免于超速的方法
本专利技术涉及一种涡轮机的涡轮轴，以及一种用于保护所述涡轮轴免于超速的方法。
技术介绍
现有技术特别地包括文献EP-A1-3296525、FR-A1-2752024和FR-A1-3022890。通常，例如为涡轮喷气发动机的飞行器涡轮机沿气体流动方向从上游到下游包括风扇、串联布置的一个或多个压缩机(例如低压压缩机和高压压缩机)、燃烧室、一个或多个涡轮(例如低压涡轮和高压涡轮)以及喷嘴。风扇产生空气流，该空气流的一部分供给涡轮机的上述部件并且在主管道中形成主流，另一部分在围绕主管道延伸的次级管道中流动并且形成次级空气流，该次级空气流产生涡轮机的推力的主要部分。压缩机被构造成增加空气的压力，然后将该空气供应到燃烧室。在燃烧室中，空气与燃料混合并燃烧。然后，燃烧气体通过涡轮，该涡轮从离开燃烧室的气体中吸收一些压力能并将该压力能转化为机械能来使压缩机旋转。喷嘴允许排出废气，以便也为涡轮机产生推进力。在一些涡轮机结构中，减速齿轮被整合在低压涡轮与风扇之间，以允许涡轮和风扇以不同的速度运作，涡轮具有比风扇更高的转速。具体地，低压涡轮的转子经由减速齿轮联接到风扇，一个轴将低压涡轮的转子连接到减速齿轮，并且一个轴将减速齿轮连接到风扇。轴的轴向位置特别地由推力轴承决定，该推力轴承将轴保持在轴向方向上并且防止该轴沿其轴线移动，并且轴的轴向位置由其与减速齿轮的联接确定。涡轮机的功能危险分析(FHA，FunctionalHazardAnalysis)已经确定可能导致飞行器的灾难性状况的事件原因，诸如无约束的高能碎屑(UHED，UncontainedHighEnergyDebris)。可能导致涡轮盘爆裂并因此导致高能碎屑释放的第一事件是涡轮机内部的加热，这可能会使涡轮机的部件的机械特性劣化。可能导致涡轮盘爆裂的第二事件是涡轮机的运作速度的增大，这可能导致涡轮盘中的应力增大。涡轮机的运作速度的增大可能导致涡轮转子的超速，这通常是非常罕见的现象并且应当避免。该第二事件的主要原因可能是涡轮与压缩机或风扇之间的驱动轴在该驱动轴的轴向抵靠部的上游或下游处发生的断裂。例如，当将低压涡轮的转子连接到减速齿轮的轴或者将减速齿轮连接到风扇的轴断裂时，或者当减速齿轮的内部部件断裂时，可能发生超速。当这些轴之一或减速齿轮的内部部件断裂时，涡轮的转子因此与风扇机械地断开联接，于是该风扇不再在该轴上施加阻力矩，并因此不再限制该轴的转速。然而，被布置在涡轮的转子上的运动叶轮继续被离开涡轮机的燃烧室的气体驱动进行旋转。于是，涡轮进入超速状态，使涡轮转子承受可能导致其爆裂的过大的离心力，从而导致涡轮的外壳体以及飞行器机身被穿透的风险。因此，超速对于涡轮机和飞行器的乘客而言是危险的现象，因此建议应预见到这种现象的后果。在这种类型的结构中，在涡轮机转子超速的情况下，不能保证处于驱动轴推力轴承的下游的转子部分的完整性。该第二事件的第二个原因可能是涡轮机的燃料计量阀(FMV，FuelMeteringValve)的完全打开，即机械抵接。该第二事件的第三个原因可能是可变定子轮叶(VSV，VariableStatorVane)的过度关闭，该可变定子轮叶控制通过压缩机进行循环的空气流。根据第二事件的原因，将取决于涡轮机的转子而或多或少地造成显著的影响。例如，与低压压缩机的VSV的关闭相比，低压涡轮的转子对导致风扇的阻力矩损失的驱动轴断裂更敏感。因此，超速限制是在涡轮机中必须遵守的强制约束。该第二事件的第一个原因(即驱动轴的断裂)造成了涡轮的转子超速的最关键情况。已经实施了保护涡轮机免于超速的解决方案。因此，在推力轴承下游的轴断裂的情况下，已经提出了一种技术解决方案，该技术解决方案包括在涡轮的同一级内为定子叶片的叶轮提供呈所述叶轮的被称为“弧形”的形状的轴向偏差形式的区域。处于推力轴承下游的轴的断裂导致涡轮的转子在转子的叶轮上的气压的作用下沿涡轮的定子的方向移位，因为涡轮不再连接到推力轴承。当涡轮转子在涡轮轴断裂的情况下向后移动时，涡轮转子的叶片历经其叶片的运动叶轮与定子的叶轮的弧形区域发生接触。这破坏了运动叶轮的叶片，并因此减慢了涡轮的转子的旋转。出于这个原因，这种破坏操作被称为涡轮的“撕扯(plumage)”。由于这些叶轮上存在弧形区域，因此该解决方案的缺点是不允许定子叶轮的最大空气动力学定义。此外，该解决方案仅能够在涡轮轴发生断裂而使该轴发生轴向移位的情况下使涡轮停止，而在风扇轴断裂或减速齿轮的内部部件断裂的情况下不能使涡轮停止，因为这些类型的断裂不会引起涡轮轴的轴向移位。然而，这种类型的断裂是危险的，因为其很可能会导致涡轮转子超速。在处于推力轴承上游的轴断裂的情况下，涡轮的转子不会向后移动，而会强烈地加速。因此建议，切断向燃烧室的燃料供应，以消除转子加速所用的能源。具体地，将传感器整合在发动机的后部，以检测涡轮机的超速值是否超过阈值，并因此触发切断向燃烧室的燃料供应。然而，对于该技术解决方案，需要考虑检测时间，该检测时间使得能够检查超速值超过阈值，随后需要考虑燃料切断时间。另外，仅燃料切断装置不能使涡轮的转子快速地减速，这会损害其效率。另外，使转子停止或减速仅取决于燃料切断系统。这对于小型发动机而言是特别有害的，在小型发动机中，涡轮转子的较低惯性会产生更快开始超速的风险，并且在燃料切断已经能够使转子充分减速之前，涡轮盘可能发生爆裂。还提出了一种技术解决方案，该技术解决方案将定子的叶轮的弧形区域与传感器的使用相结合，以检测涡轮机的超速值是否超过阈值。当轴在推力轴承(诸如被安装在减速齿轮下游的滚珠轴承)与低压涡轮之间断裂时，定子的叶轮的弧形由于低压涡轮的转子向后移动而提供了低的超速水平。当轴在推力轴承与另一个轴承(诸如风扇与减速齿轮之间的滚子轴承)之间断裂时，涡轮的转子不会向后移动。实际上，推力轴承能够将轴保持在轴向方向上并且防止轴沿其轴线移动，该推力轴承防止了涡轮的转子向后移动。结果，定子的叶轮的弧形不生效，因此传感器可以检测涡轮机的超速值是否超过阈值，并因此触发切断向燃烧室的燃料供应。所达到的超速水平较低，因为轴和低压压缩机的惯性加到了低压涡轮的惯性上，并且低压压缩机使得不能认为释放了所有的扭矩。在专利申请FR-A1-2907840中提出了涡轮的轴的超速限制设备，该超速限制设备包括用于剪切涡轮级的运动叶轮的装置，该装置包括用于使销突出到运动叶轮的路径中的装置，以便在检测到轴断裂时使涡轮级的叶轮爆裂。在申请FR-A1-3049646中提出了涡轮的轴的超速限制设备，该超速限制设备包括用于破坏涡轮级的运动叶轮的装置，该装置包括用于将弹丸投射到运动叶轮的路径中的装置，以便在检测到超速时使涡轮级损坏。在申请FR-A1-2916483中提出了一种制动设备，该制动设备在轴断裂的情况下能够使转子快速停止。根据该技术解决方案，制动系统包括例如附接到转子本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种涡轮机的沿着纵向轴线(A)延伸的涡轮轴(26)，所述涡轮轴包括长度为L1并具有给定的最大外部主直径的主管状部分(68)，其特征在于，所述涡轮轴包括长度为L2并具有大于所述最大外部主直径的最大外部次级直径的次级管状部段(70)，所述次级管状部段(70)以从所述轴(26)突出的方式径向地延伸，使得所述主管状部分(68)沿着所述纵向轴线(A)在所述次级管状部段(70)的任一侧上延伸，所述次级管状部段(70)包括薄弱部(72)，所述薄弱部被构造成当向所述轴施加的切向应力的值超过预定的阈值时使所述轴断裂成两个不同的部分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180327 FR 18526161.一种涡轮机的沿着纵向轴线(A)延伸的涡轮轴(26)，所述涡轮轴包括长度为L1并具有给定的最大外部主直径的主管状部分(68)，其特征在于，所述涡轮轴包括长度为L2并具有大于所述最大外部主直径的最大外部次级直径的次级管状部段(70)，所述次级管状部段(70)以从所述轴(26)突出的方式径向地延伸，使得所述主管状部分(68)沿着所述纵向轴线(A)在所述次级管状部段(70)的任一侧上延伸，所述次级管状部段(70)包括薄弱部(72)，所述薄弱部被构造成当向所述轴施加的切向应力的值超过预定的阈值时使所述轴断裂成两个不同的部分。


2.根据权利要求1所述的涡轮轴(26)，其中，所述最大外部次级直径至少是所述最大外部主直径的1.8倍。


3.根据前述权利要求中任一项所述的涡轮轴(26)，其中，所述薄弱部(72)包括变薄部分(74)，所述变薄部分的最大内径大于所述次级管状部段(70)的最小内部次级直径，并且所述变薄部分的最大外径等于所述最大外部次级直径。


4.根据权利要求3所述的涡轮轴(26)，其中，所述长度L2大于所述变薄部分(74)的最大外径的0.3倍。


5.根据权利要求3或4所述的涡轮轴(26)，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尼古拉斯·泽维尔·特里皮尔，皮埃罗特·吉尤，卡洛琳·玛丽·弗朗兹，
申请(专利权)人：赛峰飞机发动机公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR