CN101087928A - 静态燃气涡轮机部件及维修这种部件的方法 - Google Patents

静态燃气涡轮机部件及维修这种部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种静态燃气涡轮机组件，其包括内部和外部环形支撑件以及多个分布在所述支撑件之间、圆周方向上隔开的径向支架(21)，以传递结构载荷。所述多个支架(21)的每个包括：承载核心(24)，其刚性地固定于内部和外部支撑件，与该支撑件一起构成整体的骨架；抗撞击壳体(25)，其包围着承载核心(24)；和吸能材料(26)，其布置在承载核心(24)与壳体(25)之间。

Description

静态燃气涡轮机部件及维修这种部件的方法
技术领域
本发明涉及一种静态燃气涡轮机组件，其包括内部和外部环形支撑件以及多个分布在所述支撑件之间、圆周方向上隔开的径向支架，以传递结构载荷。本发明还涉及一种维修这种静态燃气涡轮机部件的方法。
背景技术
燃气涡轮机部件可用于静态燃气涡轮机发动机中，但特别优选用于飞行器喷气发动机中。喷气发动机包括多种类型的发动机，这些发动机以相对较低的速度吸入空气，通过燃烧使空气变热并以高得多的速度将其喷出。属于术语喷气发动机的有，如涡轮喷气发动机和涡轮风扇发动机。本发明将在下面针对涡轮风扇发动机进行描述，但是当然也可用于其他的发动机类型。
涡轮风扇型飞行器燃气涡轮机发动机通常包括前置风扇和增压压缩机、中间核心发动机和尾部低压动力涡轮机。核心发动机包括串联布置的高压压缩机、燃烧室和高压涡轮机。核心发动机的高压压缩机和高压涡轮机通过高压轴相连。高压压缩机、高压涡轮机和高压轴主要构成高压转子。高压压缩机被可旋转地驱动，将进入核心发动机内的空气压缩至相对高压。该高压空气随后在燃烧室中与燃料混合并点燃，产生高能量的燃气流。该燃气流向尾部流动，穿过高压涡轮机，使高压涡轮机和高压轴被可旋转地驱动，高压轴继而可旋转地驱动高压压缩机。
离开高压涡轮机的燃气流在经过第二或低压涡轮机时发生膨胀。低压涡轮机通过低压轴可旋转地驱动风扇和增压压缩机，所有这些共同构成低压转子。低压轴延伸穿过高压转子。大部分推力由风扇产生。发动机机架用于支撑和承载轴承，而这些轴承又可旋转地支撑着转子。传统的涡轮风扇发动机具有风扇架、中间架和尾部涡轮机机架。
在风扇架上前置的风扇架前端支座和涡轮机机架上后置的涡轮机机架尾部支座处，发动机被安装到飞行器。
燃气涡轮机发动机的结构强度因这些有限数量的发动机结构件而不同，这些结构件又称为箱体或壳体。这些结构件因而代表了发动机的骨架。这些结构件在发动机运行中承受高载荷。这些结构件通常包括发动机轴的轴承座、环形管形式的燃气流通道和径向支架，这些支架形成了发动机内、外部分之间的连接。这样，空气被迫向后穿过相邻支架间的孔口。本发明的燃气涡轮机部件构成这样一种结构件。
飞行器发动机应尽可能轻。为了造出尽可能轻的发动机，发动机的非旋转、传递载荷的结构件应尽可能的高硬度和高刚度。为此，一种方式就是使用复合材料，因为复合材料具有特定的高硬度和高强度。
飞行器发动机应能够在不同的负载情况和某些事件发生下进行工作，从而安全地操作。一个具体的问题就是所谓的外来物体损害(FOD)。一种FOD就是当微粒、飞鸟或冰雹通过发动机进气口被吸入进来并撞上支架(位于风扇前或后)的情况。如果支架的布置不是为了在工作中传递载荷，其受损害的机械性能是可以接受的，但如果支架的布置是用来在工作中传递载荷，那么支架必须要么足够坚固，能以受损害的机械性能承受工作载荷，要么能够被维修或更换。
由于几何复杂性及几何上的延伸损害的风险，进行现场维修是困难的。
发明内容
本发明的一个目的在于实现一种包括内部和外部环形支撑件以及多个分布在所述支撑件之间、圆周方向上隔开的径向支架的静态燃气涡轮机部件，它的设计为在由于使用时被损坏而需进行方便的维修创造了条件。
此目的是这样实现的，多个所述支架的每个包括：刚性固定于内部和外部支撑件的承载核心，与支撑件一起构成整体的骨架；包围着该核心的抗撞击壳体；分布在核心和壳体之间的吸能材料。
这样，该骨架构成整体的传递载荷结构件。当发生外来物体撞击支架时，抗撞击壳体的设计可以抵挡较小的撞击能量而不会损坏。当发生较大的撞击能量时，壳体被严重损坏，而吸能材料将吸收较大部分的撞击能量。这样，载荷传递核心即使在大撞击能量下仍能被保护。因此，骨架在使用中可保持完整。
壳体和吸能材料可移除地连接于载荷传递骨架。这样，当需要维修时，壳体和吸能材料从骨架中移除，剩下单一的骨架，即呈单件形式。壳体优选用机械方法移除，而吸能材料可用机械或化学方法移除。然后对使用过的整体骨架应用新的抗撞击壳体和新的吸能材料。
其后将新的抗撞击外壳和新的吸能材料应用至使用过的整体骨架的核心。
根据一个优选实施例，吸能材料形成包围核心的连续结构。于是，吸能材料在支架的横截面上完全包围着核心，沿其整个周边在壳体和核心之间形成一段距离。换句话说，核心完全嵌入在吸能材料中。
根据一个优选实施例，吸能材料包括聚合物复合材料。这为形成轻质、坚硬和牢固的结构件创造了条件。
本发明的另一个目的是实现一种省时和/或经济的维修静态燃气涡轮机部件的方法。
这是这样实现的：在部件使用过后，每根支架所使用过的抗撞击壳体和所使用过的吸能材料从每个整体骨架的核心上移除，新的抗撞击壳体和新的吸能材料被应用于使用过的整体骨架的核心。
在下面详细的描述和权利要求中可得出本发明进一步的优选实施例和优点。
附图说明
下面参照附图中所示的实施例对本发明进行说明，其中：
图1以示意性的断面侧视图示出了飞行器发动机。
图2以透视图示出了图1中飞行器发动机的静态燃气涡轮机部件。
图3以横截面视图示出了图2的燃气涡轮机部件的一个支架。
图4示出了图3中支架的一个切开部分。
具体实施方式
下面针对涡轮风扇燃气涡轮机飞行器发动机1对本发明进行描述，发动机1在图1中沿其纵向中心轴线2划定界线。发动机1包括外部壳体3(或发动机舱)，以及内部壳体4和中间壳体5，该中间壳体与前两个壳体同心，且将前两个壳体之间的间隙分为用于压缩空气的内部主燃气通道6和供发动机的旁通空气流过的次级通道7。因此，燃气通道6和7的每一个在垂直于发动机纵向中心轴线2的横截面上都为环形。
发动机1包括：吸入周围空气9的风扇8；布置在主燃气通道6中的增压器或低压压缩机(LPC)10和高压压缩机(HPC)11；燃烧室12，其将燃料和经过高压压缩机11加压的空气混合，以产生燃烧燃气，该燃气向下游流经高压涡轮机(HPT)13和低压涡轮机(LPT)14，再排出发动机。
高压轴将高压涡轮机13连接到高压压缩机11，以形成高压转子。低压轴将低压涡轮机14连接到低压压缩机10，以形成低压转子。高压压缩机11、燃烧室12和高压涡轮机13一起称为核心发动机。低压轴至少部分可旋转地沿着高压转子径向向内布置并与其同轴。
承受载荷的发动机结构件15(下文中称为静态部件)沿发动机1的轴向布置在低压压缩机10和高压压缩机11之间。该承载静态部件又称为箱体、壳体、结构件或机架。部件15在发动机正常工作循环的某些时期内承受高载。
图2示出了承载静态部件15的透视图。静态部件15包括环形的中间件16，或导流器(splitter)，其限定内部和外部环形通道17和18。内部通道17构成飞行器发动机内部主燃气通道6的一部分，外部通道18构成发动机旁通空气流进的次级通道7的一部分。
环形中间件16在内部环形支撑件19和外部环形支撑件20之间由多个在圆周方向隔开的径向内部和外部支架21、22、或静态叶片所支撑。内部和外部支撑件19、20和环形中间件16是共环的。
内部支架21相对的两端刚性地连接于内部环形件19和中间件16，以在所述两件之间传递结构载荷。外部支架22相对的两端刚性地连接至中间件16和外部环形件20，以在所述两件之间传递结构载荷。
空气被迫向后流经相邻支架21、22之间的开口。见图3，每个外部支架22沿其长度方向都有机翼形状的横截面，这样，被迫向后流经支架间开口的空气在进入发动机的中下游部件之前，其以传统方式得以轴向整流。
图3以横截面视图示出了一个所述外部承载支架22。支架22包括承载核心24、围绕该核心的抗撞击壳体25和布置在核心24和壳体25之间的吸能材料26。支架的前缘27包括金属部分28，如涂层，以获得改善的抗撞击和抗腐蚀性能。所述部分28或者也可以是非金属材料。
承载核心24由在支架22的纵向上延伸的伸长的梁单元形成。核心24具有拉长的横截面形状，该横截面形状在从支架22的前缘27到尾缘29的方向上比在穿过支架的方向上具有明显更长的延伸部分。该核心的横截面大体为矩形。
核心24刚性地固定至外部环形支撑件20和中间件16，并与其一起构成整体的骨架。换句话说，骨架是单件构造。这样，在核心24和相应支撑件之间具有机械的刚性连接。
吸能材料26形成核心24和壳体25之间的隔开结构。更具体地说，吸能材料26围绕核心24形成连续的结构，并在支架21的径向方向上与核心24和壳体25接触。所述材料26优选由聚合物泡沫构成。吸能泡沫26应具有高热学性能并且是轻质的。轻质材料可以是微孔泡沫。作为具体的例子，轻质材料可以是聚甲基丙烯酰胺-硬泡沫。
抗撞击壳体25围着核心24和吸能材料26形成连续的结构。壳体25包括聚合物复合材料。聚合物复合材料壳体25包括纤维结构，该纤维结构包括多个嵌入在聚合物基体材料28中的纤维27，见图4。纤维结构27在支架22的纵向方向穿过基体材料28。基体材料优选由固化聚合物(尤其是热固性材料和合适的环氧基体)构成。所述纤维27优选由碳纤维构成，或可选为玻璃纤维。
根据上述实施例的一个替换或补充，内部圆周间隔环形支架21具有图3所示和上述的设计。
本发明还涉及一种维修静态涡轮机部件15的方法。在部件15使用过后，每根支架21的使用过的抗撞击壳体25和使用过的吸能材料26被从整体骨架的每个核心24移除，接着将新的抗撞击壳体和新的吸能材料应用于使用过的整体骨架的核心。
根据该维修方法的第一个示例，新的吸能材料由至少半-硬的非连续圆周结构形成。该结构包括用以容纳核心的开口，新的吸能材料相对核心进行移动，使核心被容纳在开口中。该吸能结构可在其后端上具有槽，用以通过将限定出该槽的部分强制分开而容纳核心。当将包围核心的新的半-硬非连续吸能材料进行定位后，壳体应用在吸能材料的周围。
根据该维修方法的第二个示例，新的壳体由至少半-硬的非连续圆周结构形成。核心定位于半-硬结构里面，并固定在相对该结构的理想位置。呈泡沫形式的新的吸能材料被注入到硬结构中，填满核心和硬结构之间的空间。
根据该维修方法的第三个示例，壳体可由两部分构成。呈非连续结构的形式的第一个相对刚性但柔韧的部分定位于核心的周围。第一部分可在其后端具有槽，用以通过将限定出该槽的臂强制分开而容纳核心。第二壳体部分随后定位于第一部分的外面，形成刚性的连续结构。第二部分可以条带或薄膜的形式来应用。呈泡沫形式的新的吸能材料随后被注入壳体结构中，填满核心和壳体结构之间的空间。复合材料结构随后被固化。
根据一个可替换的示例，具有与壳体的内部形状基本对应的内部形状的铸造工具被定位在无盖的、使用过的核心周围，吸能材料在由核心和工具限定出的空间里铸造出。随后，移走铸造工具，壳体继而被布置在吸能材料的周围，并通过被施加压力和/或施加热量而与吸能材料结合。
本发明并不以任何形式受限于上面描述的实施例，而是在不背离权利要求范围的前提下，多种替代物和修改形式都是可能的。
所述吸能材料26可由不同的非注射轻质材料作为替代而构成，如轻质木材。
根据一个可替换实施例，并非所有的圆周方向上隔开的内部和/或外部支架系列中的支架都以上面描述的方式设计。一系列中的一个或若干支架的设计可以不一样，如呈中空形式，以容纳服务组件如油和/或空气的进口和出口装置，以容纳器件如用于传输关于所测压力和/或温度等信息的电缆和钢丝索。支架在横截面上可具有对称的机翼形状，以尽可能小地影响燃气流。
于是，在包括了一系列在圆周方向上隔开的、具有不同设计的支架的部件中，根据本发明设计的支架保证了承载功能，而其他不同设计的支架可能仅具有空气动力学功能。至少一部分空气动力学支架可以是实心的。
在所示实施例中，核心由横截面基本为长方形的实心梁单元构成。作为替选，梁单元可具有不同的横截面形状，如椭圆形或机翼形。作为另一个替选，梁单元可以是中空的。
根据一个可替换实施例，在内部和外部环形件之间没有布置中间件。在该实施例中，在内部和外部环形件之间只布置了一系列的圆周方向隔开的径向支架。支架的相对端然后被刚性连接于内部和外部环形件。
根据另一个可替换实施例，图2中所示的部件包括两个分开的单元。第一单元包括内部环形件、环形中间件的内部部分和圆周间隔支架的内部系列。第二单元包括环形中间件的外部部分、环形外部件和圆周间隔支架的外部系列。在该实施例中，第一单元包括第一骨架，该骨架包括内部支架的核心，第二单元包括第二骨架，该骨架包括外部支架的核心。第二单元径向向外地连接于构成部件的第一单元。
根据最后提到的实施例的又一个替选，两个分开的单元中只有一个设计具有图3所示的本发明的支架并如上所述。另一个单元包括传统设计的支架。
静态燃气涡轮机部件当然也可应用于发动机中的其它位置，如高压涡轮机和低压涡轮机之间的涡轮机部分。该部件的另一个替选位置是风扇上游的发动机进气口。
复合材料壳体的设计可与附图中所示的设计不同。例如，纤维的布置可不一样。例如，可布置多个纤维的若干个层。

Claims (19)

1.一种静态燃气涡轮机部件(15)，其包括内部和外部环形支撑件(16，19，20)以及多个分布在所述支撑件(16，19，20)之间的周向间隔径向支架(21，22)，以传递结构载荷，其特征在于，
多个所述支架(21，22)的每个都包括：
承载核心(24)，其刚性地固定于内部和外部环形支撑件(16，19，20)，与该支撑件一起构成整体的骨架，
围绕所述核心(24)的抗撞击壳体(25)，和
布置在所述核心(24)和壳体(25)之间的吸能材料(26)。
2.根据权利要求1所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，
所述吸能材料(26)形成围绕所述核心(24)的连续结构。
3.根据权利要求1或2所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，
所述吸能材料(26)在支架(21，22)的径向方向与所述核心(24)和壳体(25)都接触。
4.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，所述吸能材料(26)由泡沫构成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，所述抗撞击壳体(25)包括聚合物复合材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，所述抗撞击壳体(25)形成围绕所述核心(24)的连续结构。
7.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，所述核心(24)由在支架(21，22)的纵向上延伸的伸长梁形成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，所述支架(21，22)具有拉长的横截面形状，且所述核心(24)在支架拉长的横截面形状的长度方向上具有延伸的横截面形状。
9.根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件，其特征在于，环形中间件(16)布置在内部和外部支撑件(19，20)之间，该中间件(16)在所述件(19，20)之间由两个系列的径向外部和内部支架(21，22)支撑。
10.一种燃气涡轮机(1)，包括根据前述权利要求中任一项所述的静态燃气涡轮机部件(15)。
11.一种飞行器发动机(1)，包括根据权利要求1-9中任一项所述的静态燃气涡轮机部件(15)。
12.维修根据权利要求1-9中任一项所述的静态燃气涡轮机部件(15)的方法，其特征在于，
在部件(15)使用过后，每个支架(21，22)的使用过的抗撞击壳体(25)和使用过的吸能材料(26)被从整体骨架的每个核心(24)中移除，将新的抗撞击壳体和新的吸能材料应用于使用过的整体骨架的核心。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
所述新的壳体由至少半-硬的非连续圆周结构形成，所述核心位于该半-硬结构中并相对于该结构固定在理想位置，所述新的吸能材料位于该核心和硬的结构之间的空间内。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，
所述新的吸能材料由至少半-硬的非连续圆周结构形成，该结构包括用于容纳核心的开口，该新的吸能材料被相对于该核心进行移动，使核心容纳在开口中。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
在对围绕核心的新的半-硬非连续吸能材料进行定位后，壳体被应用在该吸能材料的周围。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
呈泡沫形式的新的吸能材料被注入到硬的结构中，填满核心和硬的结构之间的空间。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，
具有与壳体的内部形状基本对应的内部形状的铸造工具被定位在核心的周围，且吸能材料在由该核心和工具限定出的空间中被铸造出。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，
所述铸造工具被移除，壳体随后围绕吸能材料布置。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，
所述壳体通过被施加压力和/或施加热量而与吸能材料结合。
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