风扇盘、风扇、燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，特别涉及一种风扇盘、风扇、燃气涡轮发动机。

背景技术

燃气涡轮发动机，例如涡扇发动机，包括风扇，风扇增压级、高压压气机，燃烧室以及涡轮，空气从风扇进入发动机，风扇吸入的气流的一部分进入内涵道，经过增压级、高压压气机增压后经过压气机增压后进入燃烧室，在燃烧室内，与燃油喷嘴喷出的燃油混合燃烧形成高温、高压燃气，驱动涡轮输出动力；风扇吸入的气流的另一部分则直接从外涵道向外排出。

因此，风扇在运行中需要保证风扇的叶尖间隙稳定，以具有稳定良好的气动性能。同时，由于燃气涡轮发动机存在鸟撞等风险，因此风扇盘需要抵抗风扇叶片飞脱(FanBlade Out,FBO)事件产生的载荷。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种风扇盘。

本发明的一个目的是提供一种风扇。

本发明的一个目的是提供一种燃气涡轮发动机。

根据本发明第一方面的一种风扇盘，所述风扇盘具有台阶状的径向截面，该台阶状径向截面包括：第一台部，所述第一台部用于安装至燃气涡轮发动机的驱动轴；第二台部；所述第二台部用于供风扇叶片安装；阶部，所述阶部为连接壁结构，所述阶部的一端连接所述第一台部，另一端连接所述第二台部，在所述第一台部、第二台部之间延伸；其中，所述第一台部与所述第二台部的在轴向错位，所述第一台部、阶部以及第二台部构成在轴向位置错开的该台阶状径向截面。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述阶部的轴向上游端与所述第一台部的轴向下游端连接，所述阶部的轴向下游端与所述第二台部的轴向上游端连接。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述连接壁结构的阶部的上游侧壁面以及下游侧壁面为直线形壁面，所述阶部的下游侧壁面在轴向下游端与所述第二台部的径向内侧面通过凹陷结构连接，所述凹陷结构的凹陷方向由所述第二台部的径向内侧朝向所述第二台部的径向外侧。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述连接壁结构的阶部的上游侧壁面以及下游侧壁面为弧形壁面。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述阶部包括第一阶部以及第二阶部；所述第一阶部的轴向上游端与所述第一台部的轴向下游端连接，所述第一阶部的轴向下游端与所述第二台部的轴向上游端连接；所述第二阶部的轴向上游端与所述第一台部的轴向下游端连接，所述第二阶部的轴向下游端与所述第二台部的轴向下游端连接；其中，所述第一台部的轴向下游端，所述第二台部的径向内侧面，所述第一阶部的轴向下游侧壁面，以及所述第二阶部的轴向上游侧壁面包围构成空腔，形成中空结构的所述阶部。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述第一台部包括第一上游台部以及第一下游台部，所述第一上游台部位于所述第二台部的轴向上游侧与所述第二台部错位，所述第一下游台部位于所述第二台部的轴向下游侧与所述第二台部错位；所述阶部包括第三阶部以及第四阶部，所述第三阶部的轴向上游端与第一上游台部的下游端连接，所述第三阶部的轴向下游端与所述第二台部的一轴向位置连接，所述第四阶部的轴向下游端与所述第一下游台部的上游端连接，所述第四阶部的轴向上游端与所述第二台部的该轴向位置连接；所述第三阶部，第四阶部能够与所述驱动轴包围形成空腔，形成倒“V”形的截面。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述第一台部、第二台部以及阶部一体地连接。

在所述风扇盘的一个或多个实施例中，所述阶部的轴向尺寸在径向沿所述第二台部朝所述第一台部的方向增大。

根据本发明第二方面的一种风扇，包括如第一方面所述的风扇盘，以及安装于所述第二台部的风扇叶片。

根据本发明第三方面的一种燃气涡轮发动机，包括驱动轴，以及如第二方面所述的风扇，所述风扇盘通过所述第一台部安装至所述驱动轴。

在所述燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述第一台部与所述驱动轴通过键连接或者螺栓连接。

在所述燃气涡轮发动机的一个或多个实施例中，所述驱动轴具有第一轴段以及第二轴段，所述第一轴段与所述第二轴段形成轴肩结构，所述第一台部的轴向一端与所述轴肩结构抵接，轴向另一端被压紧螺母压紧，以对所述第一台部轴向限位。

采用以上介绍的风扇盘、风扇、燃气涡轮发动机的有益效果包括但不限于，通过第一台部、第二台部、以及阶部构成台阶状截面，使得既可以满足结构刚性好，可抵抗风扇叶片飞脱事件所传递的载荷，同时便于控制风扇盘的变形、有利于控制叶尖间隙，使得风扇在燃气涡轮发动机中运行稳定可靠。

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，需要注意的是，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，其中：

图1是第一实施例的燃气涡轮发动机的风扇的结构示意图。

图2是第二实施例的燃气涡轮发动机的风扇的结构示意图。

图3是第三实施例的燃气涡轮发动机的风扇的结构示意图。

图4是第四实施例的燃气涡轮发动机的风扇的结构示意图。

附图标记

100-燃气涡轮发动机，10-风扇，20-驱动轴，A-轴线；

1-风扇盘，2-风扇叶片，3-花键，4-压紧螺母，5-机匣，G-叶尖间隙；

11-第一台部，111-第一台部的轴向下游端；

1101-第一上游台部，11011-第一上游台部的下游端；

1102-第一下游台部，11022-第一下游台部的上游端；

12-第二台部，120-凹陷结构，121-第二台部的径向内侧面，1201-第二台部的轴向上游端，1202-第二台部的轴向下游端，1203-轴向位置；

13-阶部，131-阶部的轴向上游端，132-阶部的轴向下游端，133-阶部的上游侧壁面，134-阶部的下游侧壁面，

1301-第一阶部，13011-第一阶部的轴向上游端，13012-第一阶部的轴向下游端，13013-第一阶部的轴向下游侧壁面；

1302-第二阶部，13021-第二阶部的轴向上游端，13022-第二阶部的轴向下游端，13024-第二阶部的轴向上游侧壁面；

1303-第三阶部，13031-第三阶部的轴向上游端，13032-第三阶部的轴向下游端，13033-光滑过渡结构；

1304-第四阶部，13041-第四阶部的轴向上游端，13042-第四阶部的轴向下游端，13043-光滑过渡结构；

C-空腔；

201-第一轴段，202-第二轴段，203-轴肩结构。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本发明的保护范围进行限制。

另外，需要理解的是，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”、“一个或多个实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一些实施例”或“一个或多个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

燃气涡轮发动机的风扇在运行中需要保证风扇的叶尖间隙稳定，以具有稳定良好的气动性能。同时，由于燃气涡轮发动机存在鸟撞等风险，因此风扇盘需要抵抗风扇叶片飞脱(Fan Blade Out,FBO)事件产生的载荷。

在一个对比方案中，风扇盘的径向截面为C型，发明人经过深入研究发现，该对比方案的风扇盘容易发生局部破裂，其原因在于，风扇叶片飞脱事件传递的径向载荷被集中于该方案的风扇盘的局部区域，导致局部破裂发生事故。

在另一个对比方案中，风扇盘的径向截面为发夹形截面。发明人经过深入研究发现，该对比方案的风扇盘的刚性较差，仍不足以抵抗风扇叶片失稳所传递的载荷，并且加工发夹形截面的工艺较为复杂，即该对比方案的风扇盘的工艺性不佳。

基于以上，发明人经过深入研究，发明了一种风扇盘、风扇、燃气涡轮发动机，其通过第一台部、第二台部、以及阶部构成台阶状截面，使得既可以满足结构刚性好，可抵抗风扇叶片飞脱事件所传递的载荷的，同时便于控制风扇盘的变形、有利于控制叶尖间隙，使得风扇在燃气涡轮发动机中运行稳定可靠。

本申请实施例公开的风扇盘、风扇、燃气涡轮发动机，以航空发动机为例，但不以此为限，例如还可以用于船用燃气轮机、地面燃气轮机等。

需要说明的是，图1至图4所示的内容为燃气涡轮发动机的风扇在轴线的径向的一侧的图示，可以理解到，实际结构为在轴线两侧的对称结构。而在轴向的上游与下游是相对于发动机的气流方向而言的。

参考图1至图4所示的，在一些实施例中，燃气涡轮发动机100包括风扇10以及驱动轴20，风扇10的风扇盘1通过安装至驱动轴20，风扇10受到驱动轴20的驱动而转动。以双转子的涡扇发动机为例，图中的驱动轴20为低压轴，低压涡轮通过驱动轴20驱动风扇10以及低压压气机。

风扇10包括风扇盘1以及风扇叶片2。风扇叶片2一般是通过榫槽结构可拆卸连接。但也不排除风扇盘1与风扇叶片2一体地连接的情况。

参考图1至图4所示的，风扇盘1具有台阶状的径向截面，该台阶状径向截面包括：第一台部11、第二台部12以及阶部13。“台阶”的含义与本领域的通常含义类似，即通过阶梯将两个高度不同的台面连接的结构，例如图中所示的，阶部13将径向位置不同的第一台部11、第二台部12连接，构成台阶状的径向结构。

第一台部11用于安装至燃气涡轮发动机的驱动轴20，即风扇盘1通过第一台部11安装至驱动轴20。在一些实施例中，第一台部11与驱动轴20的连接，可以采用键连接或者螺栓连接。对于扭矩较大情况，优选地采用如图1至图4所示的花键3构成的键连接结构，从而更好传递扭矩。

在一些实施例中，如图1至图4所示的，第一台部11与驱动轴20的连接结构还可以是，驱动轴20具有第一轴段201以及第二轴段202，第一轴段201与第二轴段202形成轴肩结构203，第一台部11的轴向一端与轴肩结构203抵接，轴向另一端被压紧螺母4压紧，从而在轴向两端形成对第一台部11的轴向限位，使得风扇盘1受到较大的载荷时能保证在轴向不发生位移随着驱动轴20同步转动，风扇盘1的机械效率高。

第二台部12用于供风扇叶片2安装，例如以上介绍的通过榫槽结构可拆卸连接，也可以是通过焊接构成整体式的结构，也可以是通过三维打印与风扇叶片2一体地连接，均不以此为限。

阶部13，阶部13为连接壁结构，即阶部13是环绕轴线A构成的壁面结构。阶部13的一端连接第一台部11，另一端连接第二台部12，在第一台部11、第二台部12之间延伸。其中，第一台部11与第二台部12的在轴向错位，且径向位置也不同，第一台部11、阶部13以及第二台部12构成在轴向位置错开的台阶状径向截面。此处的轴向位置错开，可以是图1至图4所示的完全错开，即第一台部11、第二台部12在轴线A的投影几乎不存在重合。但也有可能是部分地错开，即存在部分的重合，以节省轴向空间。

采用以上实施例的有益效果在于，发明人发现，通过台阶状径向截面的风扇盘1具有很好的强度，并且与驱动轴20的连接具有很好刚性，可抵抗风扇叶片飞脱事件所传递的载荷，同时也便于控制风扇盘1的变形，从而有利于控制风扇叶片2的叶尖与机匣5的间隙G，即控制叶尖间隙，保证风扇以及燃气涡轮发动机的气动性能。

参考图1所示的，以第一实施例为例，在一个或多个实施例中，阶部13的轴向上游端131与第一台部11的轴向下游端111连接，阶部13的轴向下游端132与第二台部12的轴向上游端1201连接。如此的有益效果在于，在对风扇盘1进行加工时，可以在阶部13的轴向两侧分别进行铣削加工即可，加工工艺性好，使得风扇盘1的加工制造较为简单，降低了制造成本。

继续参考图1所示的，以第一实施例为例，在一个或多个实施例中，连接壁结构的阶部13的上游侧壁面133以及下游侧壁面134为直线形壁面。此处的直线形的含义，如图所示的，即截面形状的边界为直线。阶部13下游侧壁面134在轴向下游端与第二台部12的径向内侧面121通过凹陷结构120连接，凹陷结构120的凹陷方向由第二台部12的径向内侧朝向第二台部12的径向外侧。如此结构的有益效果在于，直线形壁面的刚性较佳，且更易于加工，同时，采用凹陷结构120可以对风扇盘1进一步地减重，并且可以优化力的分布，以进一步利于控制风扇盘1的变形。

如图1所示的，在一些实施例中，阶部13的轴向尺寸在径向沿第二台部12朝第一台部11的方向增大，如图1所示的，阶部13的轴向上游端131的轴向尺寸(厚度)更大，而轴向下游端132的厚度更小，如此可以使得风扇盘1更为稳定地被驱动轴20支承。

如图2所示的，以第二实施例为例，在一个或多个实施例中，与第一实施例不同的，连接壁结构的阶部13的上游侧壁面133以及下游侧壁面134为弧形壁面。此处的弧形的含义，如图所示的，即截面形状的边界为弧线。如此的有益效果在于，相对于第一实施例的方案，优化了风扇盘1与驱动轴20连接的柔性，从而进一步优化控制叶尖间隙的效果。阶部13的轴向尺寸(厚度)，可以是各个部位等厚的分布，如此易于加工，且柔性较好。若需要微调提高第二实施例结构的刚性，则可以类似于图1的，阶部13的厚度在径向沿第二台部12朝第一台部11的方向增大。即阶部13的轴向上游端131的轴向尺寸(厚度)更大，而轴向下游端132的厚度更小，如此可以使得风扇盘1更为稳定地被驱动轴20支承，从而在第二实施例的基础上略微提高刚性。继续参考图2的，在一些实施例中，弧形壁面的上游侧壁面133以及下游侧壁面134的曲率基本相同，如此可以保证较佳的柔性以及便于加工。

参考图3所示的，以第三实施例为例，在一个或多个实施例中，与第一实施例、第二实施例不同的，阶部13包括第一阶部1301以及第二阶部1302；第一阶部1301的轴向上游端13011与第一台部11的轴向下游端111连接，第一阶部1301的轴向下游端13012与第二台部12的轴向上游端1201连接；第二阶部1302的轴向上游端13021与第一台部11的轴向下游端111连接，所述第二阶部1302的轴向下游端13022与第二台部12的轴向下游端1202连接。其中，如图3所示的，第一台部11的轴向下游端111，第二台部12的径向内侧面121，第一阶部1301的轴向下游侧壁面13013，以及第二阶部1302的轴向上游侧壁面13024包围构成空腔C，形成中空结构的阶部13。第一阶部1301、第二阶部1302可以是直线形壁面、或者弧线形壁面，可以理解到，两者对应的斜率、或者曲率不同。

采用具有中控结构的阶部13，其有益效果在于，减少风扇盘重量的情况下，保持一定的柔性，同时保证了该风扇盘结构可保证风扇盘1随着驱动轴20高速旋转的稳定性和平衡性。并且，该结构尤其适用于三维打印方式进行加工成形实现，例如风扇盘1、风扇叶片2均可以选用满足强度和刚性的复合材料，风扇盘1与风扇叶片2通过三维打印一体成形的加工。尤其是第一台部11与第二台部12的在轴向错位的结构，

参考图4所示的，以第四实施例为例，在一个或多个实施例中，与第一实施例、第二实施例、第三实施例不同的，第一台部11可以包括第一上游台部1101以及第一下游台部1102，第一上游台部1101位于第二台部12的轴向上游侧与第二台部12错位，第一下游台部1102位于第二台部12的轴向下游侧与第二台部12错位，即第一上游台部1101、第一下游台部1102位于第二台部12的两侧。阶部13包括第三阶部1303以及第四阶部1304，第三阶部1303的轴向上游端13031与第一上游台部1101的下游端11011连接，第三阶部1303的轴向下游端13032与第二台部12的一轴向位置1203连接，第四阶部1304的轴向下游端13042与第一下游台部1102的上游端11022连接，第四阶部1304的轴向上游端13041与第二台部12的该轴向位置1203连接。如图4所示的，第三阶部1303，第四阶部1304能够与驱动轴20包围形成空腔，第三阶部1303，第四阶部1304形成倒“V”形的截面。

此处的倒“V”形结构，并非严格需要V形棱角，相反地，第三阶部1303的轴向下游端13032与第四阶部1304的轴向上游端13041可以通过弧面1305或者平面过渡，从而优化力的分布，提高整体结构的刚性。另外，第三阶部1303，第四阶部1304可以是连接于第二台部12的相同的轴向位置，如图4所示的，也可以是连接于不同的轴向位置。在一些实施例中，如图4所示的，第三阶部1303的轴向下游端13032与第二台部12的轴向位置1203连接、第四阶部1304的轴向上游端13041与第二台部12的轴向位置1203连接，均采用光滑过渡结构13033、13034，以减少应力集中。在一些实施例中，如图4所示的，轴向位置1203的具体位置，可以第二台部12的轴向长度的中部位置，如此的稳定性较佳。采用第四实施例的结构，其有益效果在于，其稳定性优于第一实施例、第二实施例、第三实施例的方案，并且也能保证较好的刚性，以可抵抗风扇叶片飞脱事件所传递的载荷。

可以理解到，以上介绍虽然将风扇盘1划分为第一台部11、第二台部12以及阶部13进行介绍，但并不意味着这三者是分体的零件，进一步地，第一台部11、第二台部12以及阶部13优选地为一体地连接，即第一台部11、第二台部12以及阶部13一体成形，如此进一步保证风扇盘1的强度以及整体结构的刚性。

本发明虽然以上述实施例公开如上，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。