风扇转子支撑系统及其风扇转子后轴承组件的制作方法

本实用新型涉及一种航空发动机，尤其涉及一种航空发动机的风扇转子支撑系统。

背景技术：

根据适航条例(far33.74、far33.94)的要求，商用航空发动机必须保证fbo事件的发生不会导致灾难性后果。为保证航空发动机在fbo事件发生后的安全，传统的方法是增大发动机传力路径上各部件的结构强度，如转子支撑结构、承力机匣、安装系统等，增大其应力储备裕度，以保证关键部件不会在fbo载荷下破坏。然而，这会导致发动机重量增大，不利于减重设计。

近年来，随着发动机推力的提升，风扇叶片直径越来越大，fbo事件导致的不平衡载荷也越来越大。为了在不显著增大发动机重量的情况下，保证fbo事件不引起灾难性后果，一般采用减载设计来减小发动机关键部件所承受的fbo极限载荷，保证发动机的安全。常用的减载设计也称为熔断设计，是指通过设计可失效部件，使其在fbo载荷下发生熔断，一方面降低转子的临界转速，使转子处于超临界转速状态，降低不平衡载荷；另一方面改变fbo载荷向静子机匣的传递路径，使fbo载荷重新分布，以减小传递到关键部件的fbo载荷。

常见的熔断设计例如参见美国专利us6447248，在前轴承锥壁上设置减薄段作为机械性能薄弱的部件，使其在预定载荷(门槛值)作用下失效，改变发动机的动力学特性和传力路径，减少通过轴承及其支座等传递到中介机匣的不平衡载荷，避免发动机其它关键部件被破坏。然而，首要熔断部件失效后，低压转轴在后轴承处弯矩过大，容易产生应力集中，造成转轴损伤甚至断裂。

因此，需要在后轴承附近，进行相关熔断设计，以避免风扇轴产生过大的应力集中，保证发动机的安全。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种在fbo事件下的减载设计。

本实用新型提供一种风扇转子后轴承组件，包括后轴承以及将所述后轴承连接到风扇轴的支撑件，所述后轴承用于设置在所述支撑件和中介机匣之间，该风扇转子后轴承组件包括吸能垫，所述吸能垫设置于所述后轴承和所述支撑件之间，并且与所述后轴承的内圈以及与所述支撑件的外圈均采用径向向外突出的鼓形面配合。

在一个实施方式中，所述吸能垫由弹性阻尼结构构成。

在一个实施方式中，所述吸能垫由弹性阻尼结构内设置弹性支架构成。

在一个实施方式中，所述弹性支架设置成在预定载荷下失效。

在一个实施方式中，所述弹性支架包括多个叉形支架。

在一个实施方式中，所述吸能垫与所述后轴承的内圈以及与所述支撑件的外圈所配合的鼓形面在经过轴向中心线的纵向截面上的投影皆为圆弧段。

在一个实施方式中，所述吸能垫与所述后轴承的内圈以及与所述支撑件的外圈所配合的鼓形面在经过轴向中心线的纵向截面上的投影为两个同心的圆弧段。

在一个实施方式中，所述支撑件与所述风扇轴一体形成。

本实用新型还提供一种风扇转子支撑系统，包括上述的风扇转子后轴承组件。

在一个实施方式中，该风扇转子支撑系统还包括前轴承组件，风扇转子通过所述前轴承组件和所述后轴承组件支撑于中介机匣，所述前轴承组件包括前轴承以及将所述前轴承连接到所述中介机匣的支撑锥壁，所述支撑锥壁具有熔断部位，所述熔断部位在预定载荷下失效。

fbo事件发动后，前轴承附近的首要熔断部件在不平衡载荷作用下失效，将释放风扇转子在前轴承处的约束，风扇转子前端摆动半径增大，产生俯仰变形，对临近的后轴承产生巨大的不平衡力矩。这会导致风扇轴在后轴承处产生较大的局部弯曲变形和应力集中，造成转轴损伤甚至断裂，引发灾难性后果。而根据上述设计的风扇转子支撑系统或者轴承支撑结构能够避免风扇轴过大应力集中。

fbo事件发生后，后轴承处的球面阻尼熔断机构释放了风扇轴在后轴承处的俯仰约束，避免作为首要熔断部件的支撑锥壁的熔断部位失效后，由于风扇转子摆动半径增大，导致风扇轴在后轴承处由于应力集中而破坏。后轴承处的球面阻尼熔断机构中，阻尼吸能结构发挥作用，能够进一步消耗fbo能量，减小传递到中介机匣等关键部件的载荷。在首要熔断设计的基础上，在后轴承处设计球面阻尼熔断机构作为次要熔断部件，既保证了fbo载荷下发动机结构的安全，又有助于减少fbo载荷，降低设计难度，提高设计可靠性。

附图说明

包括附图是为提供对本实用新型进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本实用新型的实施方式，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：

图1是涡扇发动机内部的示例构造，其中应用有根据本实用新型的风扇转子支撑系统。

图2是风扇转子支撑系统的示例构造。

图3是图2中a所指示的区域附近的局部放大图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本实用新型作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本实用新型的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一和第二特征之间可以不直接联系。另外，这些公开内容中可能会在不同的示例中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一和第二元件间接地相连或彼此结合。

如本实用新型所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。例如，如果翻转附图中的器件，则被描述为在其他元件或特征“下方”或“之下”或“下面”的元件的方向将改为在所述其他元件或特征的“上方”。因而，示例性的词语“下方”和“下面”能够包含上和下两个方向。器件也可能具有其他朝向(旋转90度或处于其他方向)，因此应相应地解释此处使用的空间关系描述词。此外，还将理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本实用新型实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

航空发动机可以构型为高、低压双转子系统。例如，典型地，低压转子可以通过1#轴承、2#轴承和5#轴承支撑，其中1#轴承和5#轴承可以是滚棒轴承，而2#轴承可以是滚珠轴承。下面以低压转子为例进行描述，并且仅示出了1#轴承和2#轴承的支撑结构。

图1示出了作为航空发动机示例的涡扇发动机100的前端部分。图1中示出，涡扇发动机100包括风扇转子20和中介机匣30等。涡扇发动机100还包括下文将会详细描述的风扇转子支撑系统10，风扇转子20通过风扇转子支撑系统10可旋转地连接中介机匣30，而中介机匣30连接风扇机匣，从而风扇转子20可以由中介机匣30或者风扇机匣可旋转地支撑。图1中，从左侧进气，从右侧排气。图中示出了涡扇发动机100或者风扇转子20的轴向中心线l0，图中整体结构可以绕着轴向中心线l0而旋转对称，也即，整体结构可以是由图1所示的构造绕着轴向中心线l0旋转而成的立体构造。图1以及后面的图2和图3所示出的截面皆可以称作沿着风扇转子20的轴向中心线l0截取的纵向截面。

下文，为了便于描述，将平行于风扇转子20的轴向中心线l0的方向称之为轴向，沿着风扇转子20的径向的方向称之为径向，沿着风扇转子20的周向的方向称之为周向。

所谓“沿着预定方向”、“在预定方向上”包括在预定方向上具有分量的方向，也即，该方向可以相对于预定方向倾斜但不可以彼此垂直。“平行”可以指代两个方向之间交角为零的精确平行，也可以指代两个方向之间交角在一定范围以内例如10度以内的近似平行，“垂直”可以指代两个方向之间交角为90度的精确垂直，也可以指代两个方向之间交角与90度相差一定范围以内例如10度以内的近似垂直。

而且，下文的“上游”、“前”、“下游”或“后”是相对于发动机的进气方向而言的，其中，“上游”或“前”更靠近发动机的进气端，而“下游”或“后”更靠近发动机的排气端。

风扇转子20包括进气锥201，气体沿着进气锥201进气。风扇转子20还包括风扇轴202和安装于风扇轴202的风扇叶片203。风扇转子20的风扇轴202通过风扇转子支撑系统10与中介机匣30连接。

风扇转子支撑系统10包括前轴承组件1和后轴承组件2，也即，风扇转子20的风扇轴202通过前轴承组件1和后轴承组件2而支撑于中介机匣30，或者可以表述为，前轴承组件1和后轴承组件2将风扇转子20支撑于中介机匣30，因而风扇轴202可以相对于中介机匣30旋转，从而可以带动安装在风扇轴202上的风扇叶片203旋转。图示实施方式中，前轴承组件1相比于后轴承组件2更加靠近进气前端。

参见图2，前轴承组件1包括前轴承3。前轴承3也可以称之为1#轴承，例如可以采用滚棒轴承，对风扇轴202提供径向约束。前轴承组件1还包括支撑锥壁5，支撑锥壁5将前轴承3连接到中介机匣30(图1中示出)。

支撑锥壁5沿着径向延伸，将前轴承3连接到中介机匣30，是风扇转子载荷向中介机匣30传递的重要路径。支撑锥壁5具有熔断部位51，熔断部位51可以在预定载荷下失效，从而可以在fbo载荷下失效，熔断部位51可以称之为首要熔断部件。支撑锥壁5可以是刚性部件，而熔断部位51是支撑锥壁5的薄弱部位，例如，熔断部位51可以是作为支撑锥壁5的厚度减薄部位，也即，熔断部位51通过厚度减薄来实现熔断效果。实际上，熔断部位51可以采用任意结构强度薄弱的结构形式，例如，熔断部位51也可以通过采用强度更低的材料来实现。熔断部位51可以沿着周向连续分布也可以非连续分布，只要满足使熔断部位51在fbo载荷作用下可以熔断失效的目的即可。

参见图3，图3示出了图2中标号a圈出的区域附近的局部放大图。后轴承组件2包括后轴承4。后轴承4也可以称之为2#轴承，例如可以采用滚珠轴承，对风扇轴202同时提供轴向和径向约束。

后轴承组件2还包括支撑件205。支撑件205将后轴承4连接到风扇转子20的风扇轴202，后轴承4设置在支撑件205和中介机匣30之间。图示实施方式中，支撑件205与风扇轴202一体形成，或者，支撑件205可以称之为风扇延伸轴，该风扇延伸轴通过后轴承4连接到中介机匣30。

后轴承组件2还包括吸能垫6。吸能垫6设置于后轴承4和支撑件205之间，并且与后轴承4的内圈41以及与支撑件205的外圈206均采用径向向外突出的鼓形面配合。换言之，后轴承4的内圈41相对于后轴承4的主体而言为内凹环面，也即，相对于风扇轴202或者风扇转子20径向向外突出；支撑件205的外圈206相对于支撑件205的主体而言为外凸环面，也即，相对于风扇转子20径向向外突出；吸能垫6的与后轴承4配合的径向外表面63相对于吸能垫6的主体而言为外凸环面，也即，对于风扇转子20径向向外突出，而吸能垫6的与支撑件205配合的径向内表面64相对于吸能垫6的主体而言为内凹环面，也即，对于风扇转子20径向向外突出。通过吸能垫6与后轴承4的内圈41以及与支撑件205的外圈206均采用径向向外突出的鼓形面配合，支撑件205或者风扇轴202或者风扇转子20可以沿着配合的鼓形面在一定范围内相对滑动，从而在可以在一定程度上释放风扇轴202或者风扇转子20在后轴承4处的俯仰和扭转约束。

图示实施方式中，吸能垫6与后轴承4的内圈41以及与支撑件205的外圈206所配合的鼓形面在图示的横截面上(或者如前所述，经过轴向中心线l0的纵向截面)上的投影皆为圆弧段，也可以称之为，组成球面阻尼熔断机构，这样支撑件205或者风扇转子20沿着鼓形面的相对滑动可以更加平顺。进一步，吸能垫6与后轴承4的内圈41以及与支撑件205的外圈206所配合的鼓形面在经过轴向中心线l0的中心截面上的投影可以为两个同心的圆弧段。该球面阻尼熔断机构能够在fbo事件发生后，部分释放后轴承处的俯仰和弯曲刚度，同时吸收一定的能量，保护转轴的安全。

吸能垫6可以由弹性阻尼结构61构成。在图示实施方式中，吸能垫6由弹性阻尼结构61内设置弹性支架62构成。也即，弹性阻尼结构61与弹性支架62共同构成吸能垫6。

弹性支架62还可以在预定载荷下失效。使弹性支架62失效的预定载荷可以等于或不等于使熔断部位51失效的预定载荷。例如，在弹性支架62上，预制易失效缺口，使之可以在fbo载荷下失效。图示实施方式中，弹性支架62包括多个叉形支架。也即，弹性阻尼结构61与弹性支架62共同构成可失效吸能垫6，可以称之为次要熔断部件。在设置预定载荷下可失效的弹性支架62的情况下，一开始可以基本是弹性支架62在后轴承4和支撑件205之间起支撑作用，此时，弹性支架62可以将后轴承4和支撑件205固连，在预定载荷下弹性支架62失效以后，后轴承4和支撑件205之间仅弹性阻尼结构61在起支撑作用。

发动机正常工作时，前轴承组件1的前轴承3附近的支撑锥壁5的刚度足够，后轴承组件2的后轴承4附近的支撑件205的外圈206与后轴承4的内圈41之间也通过弹性支架62而固连，能够为风扇轴202提供正常的支撑，保证风扇转子20正常工作。

fbo事件发生后，风扇转子20产生巨大的冲击和不平衡载荷。支撑前轴承3的支撑锥壁5上的熔断部位51失效，后轴承4的内圈41与支撑件205的外圈206之间的弹性支架62在预制缺口位置失效。此时，支撑件205的外圈206与后轴承4的内圈41之间只剩下弹性阻尼结构61，因而可以沿着鼓形面在一定范围内相对滑动，释放了风扇轴202在后轴承4处的俯仰和扭转约束，避免熔断部位51失效后，风扇转子20摆动半径增大，风扇轴202在后轴承4处产生过大应力集中。

在优选实施例中，上述风扇转子支撑系统10中，在2#轴承附近，风扇轴通过一个延伸轴连接到2#轴承内圈，并通过2#轴承进一步连接到中介机匣等静子部件。该延伸轴与2#轴承内圈对应位置为凸起的球面，相应地2#轴承内圈对应为内凹的球面，延伸轴上凸起的球面与2#轴承内圈上内凹的球面间存在一定的径向空隙。在延伸轴上凸起的球面与2#轴承内圈上内凹球面间的径向空隙中，设置弹性支架与阻尼结构共同构成的可失效吸能垫。在该弹性支架上，预制易缺口，可在fbo载荷下失效。这样，发动机正常工作时，由于弹性支架与阻尼结构共同构成的可失效吸能垫的作用，延伸轴与2#轴承内圈之间的相对运动被约束。通过上述约束，保证发动机正常工作时风扇轴与2#轴承间不能发生相对滑动。fbo事件发生后，风扇转子产生巨大的不平衡载荷，弹性支架上预制缺口在fbo载荷下按预设方式失效，使2#轴承内圈与延伸轴顶部可沿球面相对滑动，形成球铰连接，避免首要熔断部件失效后，风扇转子摆动半径增大，风扇轴在2#轴承处产生过大的应力集中。在巨大的fbo载荷作用下，弹性支架上预制缺口失效，2#轴承内圈与延伸轴顶部沿球面相对滑动，挤压内部阻尼吸能结构，从而进一步消耗fbo能量，减小传递到中介机匣等关键部件的载荷。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。