一种动力涡轮轴及涡轮发动机的制作方法

1.本发明涉及航空发动机技术领域，具体涉及一种动力涡轮轴及涡轮发动机。


背景技术：

2.航空发动机动力涡轮轴细长，极端条件下容易发生断轴，从而导致涡轮飞转，产生非包容涡轮盘破裂事故，现有技术中，通过采用断裂涡轮叶片方式解决动力涡轮轴断轴事故，以防止涡轮飞转。
3.在进行涡轮叶片断裂过程中，产生的高能碎片的运动存在较大的随机性，无法精准确定打击点，严重威胁发动机和飞行器的飞行安全。此外，破裂的叶片会打坏沿途中的机匣、导叶等零件，同时产生不可预测的非平衡振动将破坏支承零组件，提高维修成本。


技术实现要素：

4.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中在解决动力涡轮轴断裂时，采取断裂叶片来防止涡轮飞转的安全性差的缺陷，从而提供一种能够在动力涡轮轴断轴时更安全地降低涡轮转速的动力涡轮轴及涡轮发动机。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种动力涡轮轴，包括：主轴、套筒轴、限位组件和减速装置；所述套筒轴滑动套设于所述主轴上，所述套筒轴的后端设有第一端齿；限位组件，设于所述主轴上，所述限位组件适于限定所述套筒轴在第一限位点和第二限位点之间滑移；减速装置，其固定安装于静子机匣上，所述减速装置上设有可与所述第一端齿相互啮合的第二端齿，所述第一端齿和所述第二端齿具有在所述第一限位点时的分离状态，以及在所述第二限位点时的啮合状态，在所述啮合状态下，所述减速装置为所述套筒轴提供与所述主轴旋转方向相反的角加速度，以降低所述主轴转速。
7.根据本发明的一些实施例，所述限位组件包括固定限位件，所述套筒轴上设有限位槽，所述限位槽的长度方向与所述套筒轴的轴线方向倾斜设置，所述固定限位件穿设于所述限位槽内并与所述主轴固定连接，所述固定限位件在所述第一限位点和所述第二限位点之间相对运动。
8.根据本发明的一些实施例，所述固定限位件为销钉，所述固定限位件和所述限位槽均设有多个，且所述固定限位件的数量等于所述限位槽的数量。
9.根据本发明的一些实施例，所述限位组件还包括弹性限位件，所述主轴靠近所述套筒轴的前端设有限位凸台，当所述套筒轴位于所述第一限位点时，所述弹性限位件的一端与所述限位凸台抵接，所述弹性限位件的另一端可与所述套筒轴的前端抵接。
10.根据本发明的一些实施例，所述弹性限位件为防转弹簧。
11.根据本发明的一些实施例，所述减速装置包括传动轴和负载组件，所述传动轴活动套设于所述主轴上，所述负载组件安装在所述传动轴上，所述第二端齿设于所述传动轴的前端，在所述啮合状态下，所述主轴将扭矩通过所述套筒轴和所述传动轴传递至负载组
件上，以降低所述主轴转速。
12.根据本发明的一些实施例，所述负载组件包括：匣体、多块动摩擦片、多块静摩擦片和压紧结构；匣体套设于所述传动轴上，所述匣体与所述静子机匣连接；多块动摩擦片，所述动摩擦片固定套设于所述传动轴上，并随所述传动轴转动；多块静摩擦片与多块所述动摩擦片在所述传动轴的轴线方向上交替设置，多块所述静摩擦片的外周固定安装在所述匣体上；压紧结构，所述压紧结构套设于所述传动轴上，适于将多块所述动摩擦片和多块所述静摩擦片压紧贴合。
13.根据本发明的一些实施例，所述压紧机构包括依次套设于所述传动轴上的压盘和锁紧螺母，所述压盘适于将多块所述动摩擦片和多块所述静摩擦片压紧贴合，所述锁紧螺帽适于将所述压盘固定在所述传动轴上。
14.根据本发明的一些实施例，所述动摩擦片、所述静摩擦片和所述压盘均采用碳陶材料制成。
15.本发明还提出了一种涡轮发动机，包括上述的动力涡轮轴，以及装设于所述动力涡轮轴上的涡轮盘。
16.本发明技术方案，具有如下优点：
17.1.本发明提供的动力涡轮轴，主轴上设置限位组件，套筒轴在限位组件的作用在，在第一限位点和第二限位点之间滑移，当主轴在规定转速下转动时，主轴和套筒轴同速转动，保持相对静止，此时套筒轴位于第一限位点的位置，套筒轴后端的第一端齿和减速装置的第二端齿处于分离状态，主轴带动涡轮正常转动；当主轴断裂时，主轴转速发生突变，此时套筒轴和主轴差速转动，套筒轴在主轴上滑移至第二限位点的位置，第一端齿和第二端齿啮合，减速装置为套筒轴提供与主轴旋转方向相反的角加速度，以降低主轴转速，避免涡轮发生飞转。该动力涡轮轴保证了在主轴断轴时可以更安全地降低涡轮转速，进而降低发动机的破损程度，保障飞行安全的同时，降低了维修成本。
18.2.本发明提供的动力涡轮轴，当主轴断轴时，套筒轴产生轴向位移，与传动轴啮合传动，从而将主轴的扭矩传递至负载组件上，传动轴带动负载组件的动摩擦片转动，与静摩擦片之间摩擦，从而为套筒轴提供与主轴的旋转方向相反的角加速度，降低主轴转速，以避免涡轮飞转。
19.3.本发明提供的涡轮发动机，通过将涡轮安装在上述的动力涡轮轴上，可安全有效的避免涡轮飞转，为飞行器的飞行安全提高保障。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明的一些实施例中提供的动力涡轮轴的结构示意图；
22.图2为本发明的一些实施例中提供的动力涡轮轴的剖视图。
23.附图标记说明：1、主轴；2、套筒轴；3、减速装置；4、固定限位件；弹性限位件；11、限位凸台；21、限位槽；22、第一端齿；31、传动轴；311、第二端齿；32、负载组件；321、匣体；322、
动摩擦片；323、静摩擦片；324、压盘；325、锁紧螺母。
具体实施方式
24.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
28.当航空发动机的动力涡轮轴发生断轴事故时，经常采用断裂涡轮叶片或者切断主路燃油的方式，降低涡轮轴转速，进而避免涡轮飞转。但是，采用断裂涡轮叶片的方式，存在较大的安全隐患，而通过切断主路燃油的方式存在延迟性，无法在短时间内有效降低涡轮飞转风险。
29.参照图1和图2所示，本发明提出了一种动力涡轮轴，包括：主轴1、套筒轴2、限位组件和减速装置3；套筒轴2滑动套设于主轴1上，套筒轴2的后端设有第一端齿22；限位组件，设于主轴1上，限位组件适于限定套筒轴2在第一限位点和第二限位点之间滑移；减速装置3，其固定安装于静子机匣上，减速装置3上设有可与第一端齿22相互啮合的第二端齿311，第一端齿22和第二端齿311具有在第一限位点时的分离状态，以及在第二限位点时的啮合状态，在啮合状态下，减速装置3为套筒轴2提供与主轴1旋转方向相反的角加速度，以降低主轴1转速。
30.具体说明，当主轴1以规定转速转动时，套设于主轴1上的套筒轴2在限位组件的作用下，以相同的转速随主轴1转动，此时套筒轴2和主轴1相对静止在第一限位点的位置，套筒轴2的后端设置的第一端齿22和减速装置3前端设置的第二端齿311处于分离状态，减速装置3固定在静子机匣上，减速装置3与主轴1分离；当主轴1发生断裂时，主轴1的转速在发生突变，套筒轴2和主轴1之间形成转速差，套筒轴2在惯性作用下，沿主轴1的轴线方向滑移，套筒轴2从第一限位点滑移至第二限位点，此时第一端齿22和第二端齿311啮合连接，在限位组件的作用下，套筒轴2与主轴1相对静止，随主轴1同速转动，当第一端齿22和第二端齿311相互啮合后，套筒轴2将主轴1的扭矩传递至减速装置3上，减速装置3与主轴1通过套筒轴2连接，减速装置3为套筒轴2提供与主轴1相反方向的加速度，进而降低主轴1的转速，从而避免装载在主轴1上的涡轮飞转。
31.该动力涡轮轴通过能量传递的方式，将主轴1的扭矩进行消减，以降低主轴1的转速，限制主轴1转速的快速攀升，进而达到防止涡轮飞转的目的。该动力涡轮轴无需破坏原有的机械结构，在降低转速的同时，避免零部件的损坏，以保证飞行器的安全飞行。此外，该主轴1、套筒轴2和减速装置3之间连接密切，当转速突变时，套筒轴2和减速装置3之间形成速度差后，套筒轴2便会快速移动与转速组件连接，从而降低主轴1转速，响应速度快，可有效限制主轴1转速的攀升，进而降低涡轮飞转的风险。
32.参照图1，在本发明的一些实施例中，限位组件包括固定限位件4，套筒轴2上设有限位槽21，限位槽21的长度方向与套筒轴2的轴线方向倾斜设置，固定限位件4穿设于限位槽21内并与主轴1固定连接，套筒轴2在第一限位点和第二限位点之间滑移，以使得固定限位件4在限位槽21内相对运动。
33.具体说明，当主轴1断裂时，主轴1和套筒轴2存在速度差，此时套筒轴2相对于主轴1向后端滑移，限位槽21开设在套筒轴2的侧壁上，限位槽21的长度方向与套筒轴2的轴线方向倾斜设置，固定限位件4穿设于限位槽21内并与主轴1固定连接，套筒轴2转动过程中，限位固定件在限位槽21内相对运动。可以理解的是，限位槽21在其长度方向的两个端点分别为第一限位点和第二限位点，第一限位点为限位槽21靠近减速装置3方向的一端点，第二限位点为限位槽21远离减速装置3方向的另一端点。固定限位件4的作用在于，使得套筒轴2在第一限位点和第二限位点之间滑移，从而避免套筒轴2与主轴1的转速差过大，导致套筒轴2的滑移量过大，影响扭矩的传递。
34.在本发明的一些实施例，固定限位件4为销钉，固定限位件4和限位槽21均设有多个，且固定限位件4的数量等于限位槽21的数量。
35.具体说明固定限位件4和限位槽21设置多个，以限制套筒轴2在主轴1上的滑移量的，保证可靠性，避免因单个固定限位件4失效导致结构损坏，影响扭矩传递。限位槽21沿套筒轴2的周向均匀布设，且每个限位槽21的长度方向相互平行。限位槽21的数量不作为本发明的限制。
36.在本发明的一些实施例中，限位组件还包括弹性限位件，主轴1靠近套筒轴2的前端设有限位凸台11，当套筒轴2位于第一限位点时，弹性限位件的一端与限位凸台11抵接，弹性限位件的另一端可与套筒轴2的前端抵接。
37.在本发明的一些实施例中，弹性限位件为防转弹簧。
38.具体说明，套筒轴2位于第一限位点时，此时限位弹性件为自由状态，弹性限位件的一端与限位凸台11抵接，弹性限位件的另一端可与套筒轴2的前端抵接，使得当主轴1减速的状态下，套筒轴2不会发生较大的滑移，避免固定限位件4与限位槽21之间刚性撞击。限位弹性件的弹性系数不作为本发明的限制。
39.在本发明的一些实施例中，减速装置3包括传动轴31和负载组件32，传动轴31活动套设于主轴1上，负载组件32安装在传动轴31上，第二端齿311设于传动轴31的前端，在啮合状态下，主轴1将扭矩通过套筒轴2和传动轴31传递至负载组件32上，以降低主轴1转速。
40.具体说明，传动轴31具体为花键轴，传动轴31的前端设置的第二端齿311适于与套筒轴2的第一端齿22啮合连接，当主轴1断裂后，套筒轴2沿轴线滑移，固定限位件4运动至第二限位点，此时，第一端齿22和第二端齿311啮合，套筒轴2在固定限位件4的作用下，与主轴1相对静止，套筒轴2与传动轴31连接后，将主轴1的扭矩传递至传动轴31上，而后传动轴31
将扭矩传递至负载组件32上，进而降低主轴1转速。
41.在本发明的一些实施例中，负载组件32包括：匣体321、多块动摩擦片322、多块静摩擦片323和压紧结构；匣体321套设于传动轴31上，匣体321与静子机匣连接；多块动摩擦片322，动摩擦片322固定套设于传动轴31上，并随传动轴31转动；多块静摩擦片323与多块动摩擦片322在传动轴31的轴线方向上交替设置，多块静摩擦片323的外周固定安装在匣体321上；压紧结构，压紧结构套设于传动轴31上，适于将多块动摩擦片322和多块静摩擦片323压紧贴合。
42.在本发明的一些实施例中，压紧机构包括依次套设于传动轴31上的压盘324和锁紧螺母325，压盘324适于将多块动摩擦片322和多块静摩擦片323压紧贴合，锁紧螺帽适于将压盘324固定在传动轴31上。
43.具体说明，匣体321的外部与静子机匣固定连接，且活动套设于传动轴31上，匣体321内设有动摩擦片322和静摩擦片323，多块动摩擦片322和多块静摩擦片323交替设置，套设于传动轴31上，动摩擦片322与传动轴31键槽配合并随传动轴31转动，静摩擦片323的外周与匣体321固定连接，压紧结构套设固定在传动轴31上，压紧结构将多块动摩擦片322和多块静摩擦片323压紧贴合，使得当传动轴31与套筒轴2啮合连接传动轴31，带动动摩擦片322传动，动摩擦片322和静摩擦相对转动产生摩擦力，相互传动轴31动能，从而提供套筒轴2与主轴1相反方向的加速度，降低主轴1转速。
44.可以理解的是，压紧结构包括压盘324和锁定螺母，锁定螺母适于将压盘324固定在传动轴31上，压盘324的作用在于一方面将动摩擦片322和静摩擦片323压紧贴合，避免转动过程中，动摩擦片322和静摩擦片323飞出；另一方面压盘324与静摩擦片323之间相对转动产生摩擦力，进一步降低转速。
45.在本发明的一些实施例中，动摩擦片322、静摩擦片323和压盘324均采用碳陶材料制成。
46.具体说明，由于摩擦过程中会产生大量的热，碳陶材料具有耐高温、热膨胀系数小、比重轻、高强度和高硬度等的特点，可以避免因为摩擦生热导致动摩擦片322和静摩擦片323之间断裂的问题。
47.本发明还提出了一种涡轮发动机，包括上述的动力涡轮轴，以及装设于动力涡轮轴上的涡轮盘。
48.本发明提供的涡轮发动机，通过将涡轮盘安装在上述的动力涡轮轴上，可安全有效地避免涡轮飞转，为飞行器的飞行安全提高保障。
49.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：
1.一种动力涡轮轴，其特征在于，包括：主轴(1)；套筒轴(2)，滑动套设于所述主轴(1)上，所述套筒轴(2)的后端设有第一端齿(22)；限位组件，设于所述主轴(1)上，所述限位组件适于限定所述套筒轴(2)在第一限位点和第二限位点之间滑移；减速装置(3)，其固定安装于静子机匣上，所述减速装置(3)上设有可与所述第一端齿(22)相互啮合的第二端齿(311)，所述第一端齿(22)和所述第二端齿(311)具有在所述第一限位点时的分离状态，以及在所述第二限位点时的啮合状态，在所述啮合状态下，所述减速装置(3)为所述套筒轴(2)提供与所述主轴(1)旋转方向相反的角加速度，以降低所述主轴(1)转速。2.根据权利要求1所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述限位组件包括固定限位件(4)，所述套筒轴(2)上设有限位槽(21)，所述限位槽(21)的长度方向与所述套筒轴(2)的轴线方向倾斜设置，所述固定限位件(4)穿设于所述限位槽(21)内并与所述主轴(1)固定连接，所述固定限位件(4)在所述第一限位点和所述第二限位点之间相对运动。3.根据权利要求2所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述固定限位件(4)为销钉，所述固定限位件(4)和所述限位槽(21)均设有多个，且所述固定限位件(4)的数量等于所述限位槽(21)的数量。4.根据权利要求2所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述限位组件还包括弹性限位件，所述主轴(1)靠近所述套筒轴(2)的前端设有限位凸台(11)，当所述套筒轴(2)位于所述第一限位点时，所述弹性限位件的一端与所述限位凸台(11)抵接，所述弹性限位件的另一端可与所述套筒轴(2)的前端抵接。5.根据权利要求4所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述弹性限位件为防转弹簧。6.根据权利要求1至5任一项所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述减速装置(3)包括传动轴(31)和负载组件(32)，所述传动轴(31)活动套设于所述主轴(1)上，所述负载组件(32)安装在所述传动轴(31)上，所述第二端齿(311)设于所述传动轴(31)的前端，在所述啮合状态下，所述主轴(1)将扭矩通过所述套筒轴(2)和所述传动轴(31)传递至负载组件(32)上，以降低所述主轴(1)转速。7.根据权利要求6所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述负载组件(32)包括：匣体(321)，套设于所述传动轴(31)上，所述匣体(321)与所述静子机匣连接；多块动摩擦片(322)，所述动摩擦片(322)固定套设于所述传动轴(31)上，并随所述传动轴(31)转动；多块静摩擦片(323)，与多块所述动摩擦片(322)在所述传动轴(31)的轴线方向上交替设置，多块所述静摩擦片(323)的外周固定安装在所述匣体(321)上；压紧结构，所述压紧结构套设于所述传动轴(31)上，适于将多块所述动摩擦片(322)和多块所述静摩擦片(323)压紧贴合。8.根据权利要求7所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述压紧机构包括依次套设于所述传动轴(31)上的压盘(324)和锁紧螺母(325)，所述压盘(324)适于将多块所述动摩擦片(322)和多块所述静摩擦片(323)压紧贴合，所述锁紧螺帽适于将所述压盘(324)固定在所述传动轴(31)上。
9.根据权利要求8所述的动力涡轮轴，其特征在于，所述动摩擦片(322)、所述静摩擦片(323)和所述压盘(324)均采用碳陶材料制成。10.一种涡轮发动机，其特征在于，包括权利要求1至9任一项所述的动力涡轮轴，以及装设于所述动力涡轮轴上的涡轮盘。

技术总结
本发明公开了一种动力涡轮轴及涡轮发动机，动力涡轮轴包括：主轴、套筒轴、限位组件和减速装置；当主轴在规定转速下转动时，主轴和套筒轴同速转动，保持相对静止，此时套筒轴位于第一限位点的位置，套筒轴后端的第一端齿和减速装置的第二端齿处于分离状态，主轴带动涡轮正常转动；当主轴断裂时，主轴转速发生突变，套筒轴在主轴上滑移至第二限位点的位置，第一端齿和第二端齿啮合，减速装置为套筒轴提供与主轴旋转方向相反的角加速度，以降低主轴转速，避免涡轮发生飞转。该动力涡轮轴保证了在主轴断轴时可以更安全地降低涡轮转速，进而降低发动机的破损程度，保障飞行安全的同时，降低了维修成本。低了维修成本。低了维修成本。


技术研发人员：蒋康河 陈振华 马莉 何康
受保护的技术使用者：中国航发湖南动力机械研究所
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/6/27