静子封严、静子叶片、发动机和飞行器

技术领域

本发明涉及航空运输工具领域，特别涉及一种静子封严、静子叶片、发动机和飞行器。

背景技术

涡轮驱动的发动机在实际运行中，可能由于超扭、共振、疲劳、腐蚀、材料缺陷和制造误差或者其他间接事件导致轴失效的发生。虽然轴失效的发生概率很小，但是轴失效一旦发生，就有可能导致危害性的后果，对于双转子发动机而言，常见的是低压轴失效，低压轴失效后，涡轮转子与前端负荷(压气机)解耦，同时在燃烧室排出的高能气体的驱动下，转速瞬间上升，或进入超转状态，当转速上升到一定程度，轮盘应力达到临界发生破裂，破裂的高能碎片具备穿透发动机的风险。

由于轴失效事件持续时间非常短暂，因此民用航空发动机一般采用机械式和控制系统相组合的方式进行轴失效后低压涡轮转速限制，在控制系统响应之前，机械式刹车效果一定要能够得到保证，否则控制系统未完全响应低压涡轮轮盘就已发生破裂。

现有的机械碰摩降转包括在低压涡轮静子结构上增加的耐摩擦装置，或者弯掠的静子叶片。这类降转结构都可以在轴失效事件发生后，与转子碰摩，从而限制转子转速，但是该类降转结构往往在碰摩开始时响应较慢，无法快速进入高效的碰摩状态，并且在首次碰摩后容易发生反弹，碰摩降转效率低下。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中轴失效后转子叶片与叶片碰摩降转效率低的缺陷，提供一种能够提高碰摩降转效率的静子封严、静子叶片、发动机和飞行器。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种静子封严，包括内封严前端，所述内封严前端与转子叶片的转子榫头相对应，其特征在于，所述内封严前端包括轴向连接部以及薄弱失效部，其中，所述薄弱失效部连接于所述轴向连接部，所述薄弱失效部具有小于所述轴向连接部的抗压强度，并在所述转子榫头的压力下变形或破裂。

在本方案中，通过对内封严前端设计薄弱失效部，在低压轴失效后，由于薄弱失效部具有小于轴向连接部的抗压强度，静子封严的薄弱失效部能够迅速失效，加快转子榫头与静子内封严的慢速碰摩状态，能够促进转子叶身和静子叶身进入高效的碰摩状态，缩短进入高效碰摩发生的时间。采用低于轴向连接部的抗压强度的薄弱失效部，不仅能够缓解转子榫头和静子封严首次碰撞后反弹趋势，而且还能够在轴向连接部迅速断裂，进一步提高碰摩降转效率，保证碰摩耗能的持续性，并且因薄弱失效部设计在内封严前端，不影响正常工况下封严、导流或承载等功能作用。

较佳地，所述薄弱失效部包括一减弱边框，所述减弱边框与所述轴向连接部连接在一起，其中，所述减弱边框具有小于所述轴向连接部的抗压强度。

在本方案中，在转子榫头与静子封严发生碰撞时，减弱边框能够迅速变形或者破裂，加快转子榫头与静子内封严的慢速碰摩时间。

较佳地，所述减弱边框包括上侧壁和下侧壁，所述上侧壁和所述下侧壁分别连接于所述轴向连接部，所述上侧壁和所述下侧壁与所述轴向连接部之间形成有挖空区域。

在本方案中，挖空区域能够减小薄弱失效部的抗压强度，在转子榫头与静子内封严发生碰撞时迅速失效。

较佳地，所述挖空区域填充蜂窝结构。

在本方案中，蜂窝结构在碰摩发生时能够吸能，缓解转子榫头与静子封严首次碰撞后的反弹趋势，保证碰摩耗能的持续性。

较佳地，所述挖空区域填充晶格结构。

在本方案中，蜂窝结构在碰摩发生时能够吸能，缓解转子榫头与静子封严首次碰撞后的反弹趋势，保证碰摩耗能的持续性。

较佳地，所述薄弱失效部包括一减弱前凸端，所述减弱前凸端连接于所述轴向连接部，其中，所述减弱前凸端具有小于所述轴向连接部的抗压强度。

在本方案中，当碰摩发生时，减弱前凸端能够迅速失效，有利于提高碰摩降转效率。

较佳地，所述减弱前凸端由所述内封严前端的下端面向内部去除材料而成。

在本方案中，改造要求低，成本低，可操作性强。

较佳地，一种静子叶片，其包括如上所述的静子封严，其中，所述内封严前端的位置超出所述静子叶片的静子叶身前缘。

在本方案中，静子叶片中的静子封严处具有薄弱失效部，在发生碰摩时，薄弱失效部能够迅速失效，并且残余结构不再阻碍叶身进入碰摩，进入高效的碰摩状态。

较佳地，所述薄弱失效部包括一缺陷开口，所述缺陷开口设置在所述内封严前端的外周面且靠近轴向连接部的位置处。

在本方案中，低压轴发生失效后，在碰撞时，缺陷开口处能够迅速断裂失效，加快转子叶片与静子叶片发生碰摩，提升碰摩效率。

较佳地，一种发动机，其包括如上所述的静子叶片，其中，所述转子叶片的转子榫头与所述内封严前端相对应设置。

在本方案中，当发动机的低压轴失效时，转子叶片与静子叶片发生碰摩，其中转子榫头与静子封严碰摩时，静子封严的薄弱失效部会迅速变形或者破裂，能够促进转子叶片和静子叶片进入高速的碰摩状态，提升碰摩降转速率。

较佳地，一种飞行器，其包括如上所述的发动机。

在本方案中，采用低压轴失效后，碰摩降转效率更高的发动机，安全性能更高。

本发明的积极进步效果在于：

1.在本方案中，通过对内封严前端设计薄弱失效部，在低压轴失效后，由于薄弱失效部具有小于轴向连接部的抗压强度，静子封严的薄弱失效部能够迅速失效，加快转子榫头与静子内封严的慢速碰摩状态，能够促进转子叶身和静子叶身进入高效的碰摩状态，缩短进入高效碰摩发生的时间。采用低于轴向连接部的抗压强度的薄弱失效部，不仅能够缓解转子榫头和静子封严首次碰撞后反弹趋势，而且还能够在轴向连接部迅速断裂，进一步提高碰摩降转效率，保证碰摩耗能的持续性，并且因薄弱失效部设计在内封严前端，不影响正常工况下封严、导流或承载等功能作用。

2.改造要求低，成本低，可操作性强。

附图说明

图1A为正常工况下转子叶片和静子叶片的结构示意图；

图1B为转子叶片和静子叶片首次碰摩的结构示意图；

图1C为转子封严失效结构的放大示意图；

图1D为静子挂钩失效结构的放大示意图；

图1E为转子榫头失效结构的放大示意图；

图1F为静子内封严失效结构的放大示意图；

图1G为转子叶片的叶身和静子叶片的叶身碰摩过程示意图；

图2为本发明实施例一的静子封严的结构示意图；

图3为本发明实施例二的静子封严的结构示意图；

图4为本发明实施例三的静子封严的结构示意图；

图5为本发明上述实施例的静子封严失效后的结构示意图。

转子封严1

转子叶片2

转子叶身后缘3

转子榫头4

静子挂钩5

静子叶片6

静子叶身前缘7

转子封严后端8

静子挂钩前端9

转子榫头后端10

静子封严100

内封严前端200,轴向连接部210，内封严前端的下端面220

薄弱失效部300

减弱边框310，上侧壁311，下侧壁312，

挖空区域320

减弱前凸端330

缺陷开口340

失效截面400

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

为了提升碰摩降转效率，本发明分析了转子叶片和静子叶片的碰摩过程，参考附图1A-附图1G。图1A为正常工况下转子叶片2和静子叶片6的相对位置，为防止发动机正常工作中轴向窜动后发生异常碰摩，转子叶片2和静子叶片6之间存在一定轴向间隙。

当低压轴失效后，如图1B所示，转子叶片2后移，相对轴向间隙较小的转子封严1和静子挂钩5、转子榫头44和静子封严100首先发生碰摩。

只有当碰摩发展到一定程度，如图1C和图1D所示，转子封严后端8和静子挂钩前端9材料失效，以及如图1E和图1F所示，转子榫头4后端10和静子内封严前端200材料失效后，如图1G所示，转子叶身后缘3和静子叶身前缘7才能进入高效率碰摩耗能状态。

其中，在低压轴失效后，在转子榫头44与静子封严100、转子封严1与下游静子挂钩5、以及其他转动件与封严组件等位置发生的碰摩一般属于慢速的碰摩，碰摩面积小，耗时长，降转效率低，甚至会延缓降转设计结构进入碰摩的时间,进一步影响低压轴失效后的低压涡轮转子转速限制效果。

当慢速碰摩结束后，转子叶身后缘3和静子叶身前缘7才能进入高效率碰摩耗能状态。

本发明根据上述分析，对静子封严进行了改进，能够弱化该类慢速碰摩过程，加快进入到高效碰摩的时间，提高碰摩降转效率，提供了以下技术方案。

实施例1：

如图2所示，一种静子封严100，包括内封严前端200，内封严前端200与转子叶片的转子榫头4相对应，其特征在于，内封严前端200包括轴向连接部210以及薄弱失效部300，其中，薄弱失效部300连接于轴向连接部210，薄弱失效部300具有小于轴向连接部210的抗压强度，并在转子榫头4的压力下变形或破裂。

其中，薄弱失效部300设置在轴向连接部210的左侧端。

其中，通过对内封严前端200设计薄弱失效部300，在低压轴失效后，由于薄弱失效部300具有小于轴向连接部210的抗压强度，静子封严100的薄弱失效部300能够迅速失效，加快转子榫头4与静子内封严的慢速碰摩状态，能够促进转子叶身和静子叶身进入高效的碰摩状态，缩短进入高效碰摩发生的时间。采用低于轴向连接部210的抗压强度的薄弱失效部300，不仅能够缓解转子榫头4和静子封严100首次碰撞后反弹趋势，而且还能够在轴向连接部迅速断裂，进一步提高碰摩降转效率，保证碰摩耗能的持续性，并且因薄弱失效部设计在内封严前端，不影响正常工况下封严、导流或承载等功能作用。

在本实施例中，薄弱失效部300包括一减弱边框310，减弱边框310与轴向连接部210连接在一起，减弱边框310具有小于轴向连接部210的抗压强度。在转子榫头4与静子封严100发生碰撞时，减弱边框310能够迅速变形或者破裂，加快转子榫头4与静子内封严的慢速碰摩时间。

在本实施例中，减弱边框310包括上侧壁311和下侧壁312，上侧壁311和下侧壁312分别连接于轴向连接部210，上侧壁311和下侧壁312与轴向连接部210之间形成有挖空区域320。在本方案中，挖空区域320能够弱化结构，减小薄弱失效部300的抗压强度，在转子榫头4与静子封严100发生碰撞时迅速失效。

其中，如图2所示，上侧壁311与下侧壁312通过周向连接部210连接，挖空区域320外观呈现扁长型结构，并且上侧壁311和下侧壁312被挖空区域320分隔开，上侧壁311和下侧壁312之间无直接连接处，不形成封闭区域。

在其他实施例中，上侧壁311和下侧壁312之间可形成封闭区域，挖空区域320在封闭区域内。

在本实施例中，挖空区域320填充蜂窝结构或者晶格结构。蜂窝结构或者晶格结构在碰摩发生时能够吸能，首先发生非刚性碰撞，产生相对较小的碰撞反力，缓解转子榫头4与静子封严100首次碰撞后的反弹趋势，保证碰摩耗能的持续性。

在其他实施例中，挖空区域320可以根据需要填充栅格结构或者其他具有缓冲吸能结构的材料。

本实施例还提供了一种静子叶片，其包括如上的静子封严100，其中，内封严前端200的位置超出静子叶片的静子叶身前缘7。静子叶片中的静子封严100处具有薄弱失效部300，在发生碰摩时，薄弱失效部300能够迅速失效，并且残余结构不再阻碍叶身进入碰摩，进入高效的碰摩状态。

本实施例还提供了一种发动机，其包括如上的静子叶片，其中，转子叶片的转子榫头4与内封严前端200相对应设置。当发动机的低压轴失效时，转子叶片与静子叶片发生碰摩，其中转子榫头4与静子封严100碰摩时，静子封严100的薄弱失效部300会迅速变形或者破裂，能够促进转子叶片和静子叶片进入高速的碰摩状态，提升碰摩降转速率。

本实施例还提供了一种飞行器，其包括如上的发动机。采用低压轴失效后，碰摩降转效率更高的发动机，安全性能更高。

实施例2

如图3所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：

在本实施例中，薄弱失效部300包括一减弱前凸端330，减弱前凸端330连接于轴向连接部210，其中，减弱前凸端330具有小于轴向连接部210的抗压强度。当碰摩发生时，减弱前凸端330能够迅速失效断裂，有利于提高碰摩降转效率。

在本实施例中，减弱前凸端330由内封严前端的下端面220向内部去除材料而成。改造要求低，成本低，可操作性强。

其中，如图3所示，减弱前凸端330由内封严前端的下端面220沿箭头方向向内部去除材料形成。

在其他实施例中，减弱前凸端330的设置位置不局限于此，也可根据需要设置在内封严前端的上端面。

实施例3

如图4所示，本实施例的结构与实施例1基本相同，其不同之处在于：

在本实施例中，薄弱失效部包括一缺陷开口，缺陷开口设置在内封严前端的外周面且靠近轴向连接部210的位置处。低压轴发生失效后，在碰撞时，缺陷开口处能够迅速断裂失效，加快转子叶片与静子叶片发生碰摩，提升碰摩效率。

其中，缺陷开口设置在内封严前端的下端面靠近轴向连接部210的位置。

在其他实施例中，缺陷开口的位置不局限于此，也可根据需要设置在内封严前端的上端面靠近轴向连接部210的位置。

以上实施例中，当静子封严与转子榫头4发生碰撞时，静子封严失效中的结构如图5所示。

其中，因薄弱失效部300具有小于轴向连接部210的抗压强度，薄弱失效部300与轴向链接部210的连接处发生断裂，断裂截面400的位置不超出静子叶身前缘7。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。