一种针对叶片丢失故障转子的刚度可修复支承结构的制作方法

1.本发明属于转子的变刚度支承结构领域，具体涉及一种针对叶片丢失故障转子的刚度可修复支承结构。


背景技术：

2.对于航空发动机，叶片丢失时转子系统的安全性设计问题是国际适航认证关注的核心问题之一。叶片丢失，尤其是风扇叶片丢失，会给转子系统带来巨大的不平衡量，转子系统在减速通过临界转速时，必然由于振动变形过大引起抱轴、断轴、涡轮盘爆裂等一系列的灾难性故障。为避免此类转子故障，需要设计特殊的结构设计保证飞机的飞行安全。国际商用高涵道比涡扇发动机中，均在风扇前支点处采用类似保险丝的可熔断的强度薄弱环节设计，是一种被动式的熔断支承结构。现有熔断支承结构虽然能够降低叶片丢失瞬时的转子瞬态振幅和安全减速，但支承结构剪断会伴随横向阶跃冲击，且转子在风车转速时，仅剩的两个支点轴承的工作负荷过大，转子系统稳定性大为削弱。


技术实现要素：

3.本发明技术解决问题：克服常规熔断支承结构剪断后支承刚度不可恢复的缺点，提供一种针对叶片丢失故障转子的刚度可修复支承结构，在承受叶片丢失的巨大冲击能量后不发生破坏，并能够恢复至初始支承刚度，实现转子系统发生叶片丢失后仍能够稳定安全运转的目的。
4.本发明采取的方案如下：一种针对叶片丢失故障转子的刚度可修复支承结构，包括：支承外框架和核心作动元件；所述支承外框架包括安装壳和折返式鼠笼，对转子提供部分支承刚度，用于安装核心作动元件，且可限制转子的径向振幅；所述核心作动元件基于手性蜂窝单胞结构设计而成，对转子提供部分支承刚度，该部分支承刚度可主动调节；刚度可修复支承结构能够承受叶片丢失冲击而不发生损伤断裂破坏，通过加热使核心作动元件恢复至原结构形状，实现结构修复和刚度恢复，提高转子稳定性和安全性。
5.所述核心作动元件圆周等间距分布于的安装槽中，核心作动元件的层数为偶数层，保证转子支点处的径向支承刚度均匀分布。
6.所述核心作动组件与折返式鼠笼为并联关系，根据转子的振动特性确定核心作动组件和折返式鼠笼的支承刚度的比例。
7.所述手性蜂窝单胞的结构形式为多边形结构，由圆柱和肋板连接而成；所述多边形结构包括三角形、四边形、五边形、六边形、七边形或八变形；手性蜂窝单胞的肋板宽度、圆柱半径、单胞厚度、以及肋板和圆柱连接处的倒圆角半径的几何设计参数根据需求调整设计；且核心作动元件根据需求调整手性蜂窝单胞的周向组成层数和径向组成层数。
8.所述安装壳设有限位块，限位块沿周向分布在安装壳上，中间掏空以减轻结构重量，为核心作动元件提供安装空间，并限制核心作动元件周向位移，保证核心作动元件发生大变形后变刚度支承结构的支承刚度沿周向仍相对均匀，所述大变形指转子安全设计中，
支承位置的最大容许径向变形；根据设计需求调整限位块的径向长度，保护核心作动组件，防止转子振幅超过最大容许径向变形而发生损伤破坏。
9.刚度可修复支承结构受叶片丢失产生的冲击载荷后，所述核心作动组件在大变形过程中，径向刚度为斜坡下降的特征，避免转子支承刚度的瞬间变化；在大变形过程中不会发生断裂破坏，保证核心作动元件后续的功能使用；核心作动组件采用形状记忆合金制造，发生大变形后通过加热方式修复核心作动元件的结构特征和刚度特征。
10.本发明与现有技术相比的优点如下：本发明刚度可修复支承结构，在转子发生叶片丢失后，支承结构受冲击后变形，使得转子的支承刚度降低，从而使得转子临界转速下降，实现转子安全通过临界转速。本发明能够承受叶片丢失冲击而不发生损伤断裂破坏，在稳态风车运转状态可通过加热使核心作动元件恢复至原结构形状，实现结构修复和刚度恢复，重新分配各支点轴承载荷，提高转子稳定性和安全性，保证飞机安全降落。本发明采用的核心作动元件具有高阻尼的特点，可替代航空发动机的传统挤压油膜阻尼器，无供油需求，结构更为简单。本发明还可应用于运转正常的转子系统，通过加热冷却的方式实现形状记忆合金的马氏体和奥氏体间的相互转换，主动调整支承结构的支承刚度，适时改变转子的临界转速，实现转子“无共振峰”过临界。本发明的核心作动元件结构简单，刚度变化范围大，可设计性强，可满足不同航空发动机的需求，无供油需求，结构更为简单。
附图说明
11.附图示出了本发明公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本；
12.图1是本发明三维结构的3/4剖切视图；
13.图2是本发明在航空发动机中的安装图；
14.图3为本发明的安装壳的整体视图(左图)和局部视图(右图)；
15.图4为本发明的折返式鼠笼的整体视图；
16.图5为构成核心作动元件的手性蜂窝单胞的拓扑结构；
17.图6为基于四边形手性蜂窝单胞结构扩展的双胞分瓣结构；
18.图7为基于四边形手性蜂窝单胞结构扩展的三胞分瓣结构。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施方式对本发明公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明公开相关的部分。
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
21.如图1-图7所示，本发明公开的一种针对叶片丢失故障转子的刚度可修复支承结构包括外弹性环1、折返式鼠笼2、安装螺栓3、内弹性环4、紧定螺栓5、轴承端盖6、核心作动元件7、安装壳8。
22.本发明公开的安装示例如图2所示，采用安装螺栓10将安装壳的法兰边与支承锥
壳9连接；转子11安装于轴承12，轴承12再安装于折返式鼠笼2的轴承座20中，并采用轴承端盖6限定轴承12的轴向位移。
23.刚度可修复的变刚度支承结构，包括支承外框架和核心作动元件两部分。
24.支承外框架包括外弹性环1、折返式鼠笼2、安装螺栓3、内弹性环4、紧定螺栓5、轴承端盖6、安装壳8。其中，折返式鼠笼2的法兰边22和安装壳8的法兰边13通过安装螺栓3连接构成支承外框架的主体。
25.安装壳8整体视图和局部视图如图3所示。核心作动元件7安装于限位块16间的安装槽15中。一个安装槽15可安装两个核心作动元件7，并通过外弹性环1、内弹性环4、轴承端盖6和隔离肋板14限定核心作动元件7的轴向位移。限位块16起限定核心作动元件7的周向位移和转子11的径向振幅作用。外弹性环1安装于沟槽18中，而沟槽19则可给内弹性环4提供足够的径向位移空间。
26.折返式鼠笼2的整体视图如图4所示。内弹性环4安装于沟槽21中，限制核心作动元件7的轴向移动。
27.构成核心作动元件的三角形手性蜂窝单胞至八边形手性蜂窝单胞的拓扑结构如图5所示，图5中的(a),(b),(c),(d),(e),(f)等要进行详细说明。核心作动元件也可采用八边形以上的单胞结构。基于上述的单胞结构，通过周期扩展若干单胞结构可得到核心作动元件的分瓣结构。
28.以四边形手性蜂窝单胞结构为例，如图6所示为扩展的双胞分瓣结构，如图7所示为扩展的三胞分瓣结构，对图6，7进行说明。类似地，整圈式核心作动元件也可通过相同的扩展方式得到。
29.本发明实例的具体工作过程如下：折返式鼠笼2和安装壳8采用螺栓连为一体。将核心作动元件7采用正位方式安装于所有靠近法兰边13的安装槽15中，接着采用内弹性环4限定已安装的核心作动元件7的轴向位移。然后将核心作动元件7采用反位方式安装于远离法兰边13的安装槽15中，采用外弹性环1限定其轴向位移。而后将刚度可修复的变刚度支承结构通过法兰边17与外锥壳9连接。最后，将转子11安装于轴承12，轴承12再安装于折返式鼠笼2的轴承座20中，并采用轴承端盖6限定轴承12和核心作动元件7的轴向位移。
30.在正常工作条件下，核心作动元件和折返式鼠笼提供的刚度足够大，且受力变形均在弹性范围内，不会发生塑形变形，可有效支承转子系统。在升降速过程中，还可以通过加热或冷却的方式改变核心作动元件的弹性模量，改变支承刚度调节转子系统的临界转速，实现转子“无共振峰”过临界的目的。
31.当发生叶片丢失时，由于冲击能量的作用，核心作动元件被压缩变形，其支承刚度迅速降低，并产生相变应变，从而使得转子系统在该支点处的支承刚度降低，临界转速随之降低，转子能够在较低的临界转速下过临界，达到安全降至风车转速的目的。
32.当叶片丢失的能量过大时，折返式鼠笼的轴承座与限位块接触，限制转子振动，保护转子避免断轴，并保护核心作动元件，使其不被压坏断裂。
33.在风车转速阶段，转子的振动能量降低，变刚度支承结构的支反力降低。此时，通过采用通电或者通热风的方式加热核心作动元件7，使其恢复至原来的形状以及原来的支承刚度，从而实现修复本发明的支承刚度的目的，提高转子系统运转稳定性。
34.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何
熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。