自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构的制作方法

本发明涉及航空发动机轴承支承结构。

背景技术：

双转子涡扇发动机是商用飞机上普遍使用的一种航空发动机，包含高压转子和低压转子。发动机运行过程中，可能会由于外物吸入、疲劳等不可避免的原因，使转子系统出现较大的不平衡载荷，导致发动机的振动响应超过限制值，需要停车返航和检修。调节转子系统的支承刚度是改变转子的动力学特性，降低转子振动响应的重要措施。

以fbo事件为例，为保证发动机在fbo事件发生后能安全着陆，一般在离低压转子最近的轴承支承锥壁上设置一个机械性能薄弱的部件(例如减薄段、熔断销钉等),使其在预定载荷(门槛值)作用下失效。发生fbo事件后，受损的发动机会立即停车，在发动机从较高的工作转速缓慢下降至风车转动的过程中，轴承支承锥壁上机械性能薄弱的部位会失效。这样可以减小轴承的支承刚度，使低压转子系统的临界转速降低，不平衡载荷减小，以避免发生灾难性事故。

然而，上述带有熔断设计的轴承支承锥壁都采用纯机械的熔断方式，在不平衡载荷作用下断裂失效，只能单向降低轴承支承刚度，不能再次恢复或增大轴承的支承刚度，无法在后续飞行过程中再次提供支承刚度。例如，在风车转动阶段，需要轴承提供支承刚度以保证转子的临界转速高于风车转速。此时，若支承刚度太小，导致转子的临界转速接近风车转速，会导致发动机在风车转动阶段持续承受较大的振动响应，非常危险。

综上所述，现有的轴承支承锥壁或不能调节刚度，或只能通过机械方式熔断后，无法在后续飞行过程中再次提供刚度，因此需要一种能够双向调节支承刚度，且可重复利用的轴承支承结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构。

一种自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构包括支承结构本体、传感器、信号处理装置以及执行装置；所述信号处理装置用于将所述传感器的监测信号处理后并将其传递给所述执行装置；所述传感器用于监测发动机的不平衡载荷，所述监测量与发动机的不平衡载荷相关联，其监测量低于预设门槛值时，所述执行装置保持所述支承结构本体的预定部位的刚度处于初始状态；所述传感器的监测量等于或高于预设门槛值时，所述执行装置立即减小所述支承结构本体的预定部位的刚度，以减小所述支承结构本体的刚度，并且在随后所述传感器的监测量低于所述预设门槛值时，所述执行装置增加所述支承结构本体的预定部位的刚度，以提高所述支承结构本体的刚度。

在一实施例中，在fbo事件发生后的停车阶段，所述执行装置减小所述支承结构本体的预定部位的刚度，以使低压转子的临界转速降低至远低于工作转速，以减小发动机在停车过程中的不平衡载荷，当发动机到达风车转动阶段，所述执行装置提高所述支承结构本体的刚度，以增大低压转子的临界转速，使其远高于风车转速，以减小低压转子的绕轨运动，降低发动机的振动。

在一实施例中，所述传感器的监测量达到所述不平衡载荷消失后的量时，所述执行装置使所述支承结构本体的预定部位的刚度恢复到所述初始状态。

在一实施例中，所述传感器是应变片、振动传感器或加速度传感器。

在一实施例中，所述执行装置是设置在所述支承结构本体的所述预定部位的、可由电流大小来改变刚度的机械结构或者是可控智能材料。

在一实施例中，所述执行装置包括磁流变弹性体及其励磁线圈。

在一实施例中，所述传感器设置在发动机上的监测位置使得其在发动机正常运行过程中监测量不敏感但发生异常事件后其监测量显著变化。

在一实施例中，该航空发动机轴承支承结构是低压转子的轴承的支承锥臂，所述支承锥臂包括内层支承锥臂和外层支承锥臂，所述执行装置设置在所述外层支承锥臂的预定部位。

本发明由于通过可控制的执行装置能够在监测载荷达到预设门槛值后立即自动改变支承结构的刚度，因此有助于避免发动机长时间承受不平衡载荷。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一实施例中自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明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发明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例的内容限制本发明的保护范围。

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发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构包括支承结构本体、传感器10、信号处理装置12以及执行装置17。支承结构本体包括内层支承锥臂7和外层支承锥臂8。信号处理装置12用于将传感器10的监测信号处理后并将其传递给执行装置17。传感器10用于监测发动机的不平衡载荷，该监测量与发动机的不平衡载荷相关联，当监测量低于预设门槛值时，执行装置17保持支承结构本体的预定部位的刚度处于初始状态，例如执行装置17可以处于不被激发的状态。传感器10的监测量等于或高于预设门槛值时，执行装置17立即改变支承结构本体的预定部位的刚度，以减小支承结构本体位的刚度，并且在随后传感器10的监测量低于预设门槛值时，执行装置17增加支承结构本体的预定部位的刚度，以提高支承结构本体的刚度。

执行装置17可以是设置在支承结构本体的预定部位的、可由电流大小来改变刚度的机械结构或者是可控智能材料，或者是其他任何可以在信号控制下改变刚度的装置。在图1中，执行装置17设置在外层支承锥臂8中，作为外层支承锥臂8的一部分，用于改变外层支承锥臂8的刚度，进而改变整个轴承支承结构本体的刚度。

在异常事件发生后，例如在fbo事件发生后，传感器10监测到低压转子传 递的不平衡载荷，传感器10的监测量将高于预设门槛值，执行装置17根据传感器10的监测信号立即改变外层支承锥臂8的刚度，减小整个支承结构本体的预定部位的刚度。在随后的停车阶段，执行装置17减小支承结构本体的预定部位的刚度，以使低压转子的临界转速降低至远低于工作转速，以减小发动机在停车过程中的不平衡载荷。并且当发动机到达风车转动阶段，执行装置17提高外层支承锥臂8的刚度，以增大低压转子的临界转速，使其远高于风车转速，以减小低压转子的绕轨运动，降低发动机的振动。传感器10的监测量达到不平衡载荷消失后的量时，执行装置17使外层支承锥臂8的刚度恢复到初始状态，即在fbo事件发生之前的状态。

在图1中，发动机构型包括高、低压双转子系统，其中的转子支承方案为低压转子低压转子通过1#、2#和5#轴承支承，其中2#轴承6为滚珠轴承，1#轴承5和图中没有示出的5#轴承为滚棒轴承。在图1所示的实施例中，调节1#轴承支承锥壁刚度以降低fbo载荷或者其它异常载荷的轴承支承结构举例。其中执行装置的选择可以多样化，这里用某种磁流变弹性体装置举例说明。磁流变弹性体的刚度性能可以由外加磁场来控制，且可逆性好，撤去外加磁场后，又恢复初始状态。执行装置17包括励磁线圈14和磁流变弹性体15，其由夹板16a、16b封装，磁流变弹性体15作为外层支承锥臂8的一部分被设置。

图1所示的局部结构为沿轴向中心线1对称的低压转子支承结构的部分结构图。在该实施例中，低压转子2由1#轴承5和2#轴承6共同支承，低压转子2包括风扇、增压级和低压涡轮等。1#轴承5的支承锥壁为双层结构，包含内层支承锥壁7和外层支承锥壁8。在另一实施例中，根据本发明的自动调节刚度的航空发动机轴承支承结构也可用于1#轴承支承锥壁为单层结构的情况。1#轴承5通过内层支承锥壁7和外层支承锥壁8共同作用连接到静子机匣4上。2#轴承6通过对应的支承锥壁9连接到静子机匣4上。在1#轴承5和静子机匣4之间的外层支承锥壁8上设置有预定的执行装置17。传感器10位于1#轴承的轴承座附近，用于监测低压转子的状态，并将监测信号通过监测信号传输线11传递至信号处理装置12。信号处理装置12通过执行信号传输线13能够根据输入信号的大小调节输出到励磁线圈14中电流的大小，以改变磁流变弹性体15的刚度，从而调节外层支承锥壁8的刚度，最终改变1#轴承支承锥壁提供给低压转子2的支承刚度。

fbo事件发生后，当传感器10监测到的信号等于或高于预定的门槛值时，信号处理装置12会减小输入到励磁线圈14中的电流，降低磁流变弹性体15的刚度，使低压转子2在1#轴承5处的支承刚度降低，转子的临界转速降低至远小于工作转速，减小不平衡载荷。此后，当发动机到达风车转速时，传感器10监测到的信号减小，信号处理装置12会增大输入到励磁线圈14中的电流，使低压转子2在1#轴承5处的支承刚度增大，临界转速增大至远高于风车转速，更大程度地减小发动机所承受的不平衡载荷。综上所述，该支承锥壁具有双向调节支承结构刚度的功能，能够减小发动机在fbo事件发生后的减速停车和风车转动过程中的不平衡载荷。

信号处理装置12调节输入到执行装置17的电流，以及磁流变弹性体15根据励磁线圈14中电流的大小改变刚度等可以采用现有技术实现，在此不再详细说明。

在前述实施例中，传感器10可以是应变片、振动传感器或加速度传感器。传感器10的类型可以不限，只要能够迅速捕捉到发动机异常事件产生的信号均可。

执行装置17是刚度调节操作可具有多样性，例如通过控制电流的大小来控制机械结构的刚度，或是通过在预定支承部位使用可控智能材料以改变其刚度，以及其他任何可以在执行信号下控制支承结构刚度的装置。

传感器10在发动机上的监测位置一般设在发动机正常运行过程中监测量不敏感，发生异常事件后，该监测量显著变大的区域。

前述实施例具有如下特点：

1.通过可控制的执行装置，能够在监测载荷达到预设门槛值后立即改变支承锥壁的刚度，有助于避免发动机长时间承受不平衡载荷。

2.通过执行装置双向改变支承锥壁的刚度，在停车阶段降低低压转子的临界转速，并在风车转动阶段提高转子临界转速，可以针对发动机不同运行状态更好地减小不平衡载荷。

3.不需要破坏支承结构，当不平衡载荷消失后可以恢复支承结构的刚度，提高了其使用寿命。

4.通过精确调节轴承支承锥壁的刚度，降低了发动机部件系统的设计载荷，有助于降低发动机的设计难度。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域 技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。