CN101457771A - 涡轮机内的可磨损材料支撑板 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮喷气发动机内的可磨损材料支撑板，该支撑板包括固定到风扇机匣(20)内壁的刚性支架(52)，其一面被覆盖在承载可磨损材料层(42)的层状结构(50)内，该层状结构(50)由嵌入在聚合物内的纤维板组成，并包括被可磨损材料(42)覆盖的上游部分(54)，和延伸越过可磨损材料(42)的下游部分(56)，下游部分(56)的厚度要大于上游部分(54)的厚度，且能够承受冰撞击。

Description

涡轮机内的可磨损材料支撑板
技术领域
本发明涉及一种可磨损材料层的支撑板，同时，还涉及包括了这种支撑板的涡轮机。
背景技术
旁路涡轮机在其上游端带有风扇轮，风扇轮上装有多个在风扇机匣内旋转的叶片。设在风扇轮上游端的锥体用来引导进入的空气流穿过风扇叶片。为了防止空气流过叶片叶尖(否则会降低涡轮机的效能)，设有与风扇叶片对齐的可磨损材料涂层，且其设在风扇机匣的径向内表面上。
在飞行中，涡轮机工作时，在锥体表面和叶片叶型的径向内端处会结冰。在离心力的作用下，冰块会被弹开，而后与位于下游的风扇机匣部分的可磨损材料相碰撞。
为了避免损坏下游处的风扇机匣内壁的可磨损材料，在风扇机匣上固定了由阻尼销支撑的玻璃纤维板。这些防护板每个都是由好几层玻璃纤维材料堆叠而成，防护板的下游与隔音板相连。
遗憾的是，防护板的使用会减小隔音板的轴向范围，结果，尽管人们希望能降低噪声，但还是增加了涡轮机辐射噪声级。此外，由于防护板需要和隔音板做成一个整体，这使得这种板的制作复杂化，而且增加了制作成本。最后，在维护保养期间，在更换防护板时，要求也要更换隔音板，因为后者固定到防护板上，结果大大增加了费用，因为隔音板是难以制作且成本昂贵的构件。
目前，宽叶弦的叶片，即具弯曲截面叶片，较之直叶片更受青睐，因为其高度扩展的气动力形状可改善风扇的效率，而且，最重要的是，可以在飞行中承受异物(例如鸟)的撞击。
然而，这些叶片的特殊形状使得上游的冰撞击区域延长到了与风扇叶片对齐设置的可磨损材料区域中。对于这种类型的叶片来讲，撞击区域从可磨损材料轴向范围大约三分之二处开始，到叶片下游结束。因此，如果想对位于承受冰撞击的机匣的所有部分进行保护，通常用于直叶片的防护板则不适合宽叶弦叶片的风扇。
发明内容
本发明的一个具体目的是，提供一种可解决上述各种问题的方案，这种解决方案结构简单、制作费用低，且行之有效。
为此，本发明提供了一种涡轮喷气发动机内的可磨损材料支撑板，该支撑板包括固定到风扇机匣内壁的刚性支架，其一面被覆盖在承载可磨损材料层的层状结构内，该层状结构由嵌入在聚合物内的纤维板组成，所述支撑板的特征在于，该层状结构包括被可磨损材料覆盖的第一或上游部分，和延伸越过可磨损材料的第二或下游部分，下游部分的厚度要大于上游部分的厚度，且能够承受冰撞击。
这样，下游防护部分现由承载可磨损材料的支撑板来，而不是由位于下游的隔音板来支撑。防护板与隔音板的分离简化了防护板的制作，降低了维护保养的费用，因为在更换层状下游部分时，不再需要更换隔音板。
根据本发明的另一个特性，层状结构上游部分的大部分长度为恒定厚度，并通过沿下游厚度逐渐增加的区域连接到下游部分。这种厚度上的增加可以对承受冰撞击的机匣的大部分提供保护。
恒定厚度的上游部分延伸越过可磨损材料轴向范围的大约三分之二。
刚性支架优选为蜂窝状结构，并且可以由两层蜂窝结构叠置而成，中间由平板隔开。
蜂窝状结构的特点特别突出，因为重量轻，在维护保养时易于更换。此外，该结构的另一个优点是，可将冰撞击时在层状结构上所释放的能量扩散到较大区域，从而增加了可磨损材料支撑板的整体使用寿命。
有利的是，承载层状结构下游部分的小室的截面要小于承载层状结构上游部分的小室的截面。
大多数冰撞击都是发生在层状结构下游部分，所以，较佳的是减小承载层状结构下游部分的各个小室的截面，这样，冰撞击所释放的能量就会传递到尽可能多的小室上。
按照传统方式，支架上游端和下游端的小室都是由聚合泡沫材料层来封闭。
较佳地，层状结构的上游部分和下游部分分别由4至7个纤维板和11到18个纤维板堆砌组成，纤维板可以是嵌入在环氧树脂内的玻璃纤维板。
刚性支架可以是蜂窝结构，支撑板可以为圆柱形或锥形扇形体形状。
本发明还提供了一种涡轮喷气发动机短舱，其特征在于，其包括了上述类型的可磨损材料支撑板。
短舱可以包括端对端安装的4至6个可磨损材料支撑板。
本发明还提供了一种航空涡轮喷气发动机，其特征在于，其包括了上述类型的可磨损材料支撑板，该支撑板按如下方式与风扇叶片对齐设置，即所述支撑板层状结构下游部分自风扇叶片处向下游一直延伸到隔音板处。
附图说明
下面参照附图，并通过示例，阅读如下说明，可以更好地理解本发明，本发明的其它细节、优点和特性就会显现出来，但本发明并不仅限于所示示例，附图如下：
图1为涡轮喷气发动机风扇的轴向剖面半面示意图；
图2为已有技术的风扇机匣防护板的轴向剖面示意图；
图3为风扇机匣的轴向剖面示意图，图中包括本发明所提出的可磨损材料支撑板；
图4为风扇机匣的轴向剖面示意图，图中包括本发明所提出的另一种可磨损材料支撑板；
图5为风扇机匣的轴向剖面示意图，图中包括本发明所提出的另一种可磨损材料支撑板。
具体实施方式
首先参照图1，该图示出了沿轴12的涡轮喷气发动机的风扇10，其包括由轮盘14组成的风扇轮，该风扇轮沿其周缘具有多个叶片16，叶片根部啮合在轮盘14的槽内，叶型18径向向外向风扇机匣20延伸，后者在外部承载着包围叶片16的短舱22。通过螺栓26固定到截头圆锥体壁28上的轴24带动风扇轮围绕涡轮机的轴12转动，而截头圆锥体壁28固定在风扇轮上。轴24由轴承30支撑并导向，而轴承30由环形支架32的上游端承载，环形支架32在下游固定到中间机匣(图中未示)上，中间机匣位于带有转子36的低压压气机34的下游，转子则通过连接壁38固定到风扇轮上。
进气锥40安装在涡轮喷气发动机的上游端，以便使进入的空气流转向风扇的叶片16。
风扇机匣20在内端面上使用了一道与风扇叶片16对齐设置的可磨损材料42，用来与叶片16的径向外端接触磨损。这层可磨损材料42使得叶片16的叶尖部分和风扇机匣20之间的间隙减小，从而优化涡轮机性能。
保护板44安装在可磨损材料层42的下游，其下游端固定到隔音板46上。保护板44通过径向销48固定到机匣20上。
当涡轮机工作时，进气锥40表面和叶片16的径向内端上堆积的结冰在离心力的作用下被抛入进气道内，与防止机匣受到冰撞击的防护板44相碰撞。径向销48用来阻尼冰撞击后释放的一部分能量。
然而，由于上述原因，将防护板44和隔音板48做成单一整体会非常复杂，且成本很高。
此外，对于叶弦宽的叶片来讲，撞击区不仅会从可磨损材料42的下游延伸，而且也会延伸到与叶片对齐设置的一部分可磨损材料42上，在可磨损材料42下游使用防护板44并不能对经受冰撞击的机匣20的整个区域提供有效保护。
为此，本发明通过在可磨损材料支撑板内采用防冰撞击措施来解决上述问题。
为此，一种由嵌入在聚合物中的纤维板组成的层状结构50覆盖了固定到风扇机匣上的刚性支架52内表面，该刚性支架包括承载可磨损材料42的上游部分54和延伸越过可磨损材料42的下游部分56。
层状结构50的上游部分54在其轴向范围上大部分的厚度是恒定不变的，其通过区域57与下游部分56相连，而该区域57的厚度向下游方向逐渐增加。层状结构50的下游部分56的厚度要大于上游部分54的厚度，从而构成一道防冰撞击层。
刚性支架52为蜂窝状结构，其上游端和下游端由一层聚合泡沫58封闭。
蜂窝状结构的各个小室60的尺寸可以在其整个长度上都是相同的(图3)。
作为可替代方案，承载层状结构50下游部分56的各小室62的截面可以小于承载层状结构50上游部分54的各小室64的截面。因为绝大多数撞击都发生在层状结构50的下游部分56处，所以，较佳的是缩小承载层状结构50下游部分56的各小室的截面，以使冰块撞击所释放的能量被传递给绝大多数小室62(图4)。
图5示出了刚性支架52，其包括两层叠置而成的蜂窝结构，即固定到风扇机匣20上的径向外层66和承载层状结构50的径向内层68。内层和外层68和66由平板70隔开。径向外层66的各小室72都具有相同的截面，而固定到层状结构下游部分56上的径向内层68的各小室74截面要小于承载层状结构上游部分54的同一层上的各小室76的截面。
其它类型的刚性支架52也可以用来支撑层状结构50，诸如泡沫材料。然而，蜂窝状支架的优点是，它与泡沫材料相比能更好地传递冰块的撞击能量，而泡沫材料则会使得冰块撞击期间释放的能量处于局部集中状态。
在正常工作时，使用蜂窝状结构可以很容易地填充在叶片的径向外端部和机匣之间的空间，而不是只用可磨损材料来填充该空间。
当机匣20和叶片16之间的径向间隙需要增大时，例如，在25mm到50mm之间，优选为将蜂窝状结构52做成两层，这样，维护保养人员就可以只更换径向内层。
其特点是，蜂窝状结构52是一种蜂窝形状，纤维板是嵌入在环氧树脂内的玻璃纤维板。
在本发明的具体实施例中，层状结构50的上游和下游部分54和56分别由4到7张纤维板和11到18张纤维板堆砌而成，层状结构50的上游和下游部分54和56之间的过渡区厚度可变，其轴向范围在1em到2cm之间。
可磨损材料支撑板通过在蜂窝状结构52上置放多层纤维板而制成，这样，支撑板下游端的厚度大于其上游端的厚度。因为每张玻璃纤维板在较佳方向上都有其组分纤维(component fibers)，所以可以按这样一种方式来堆放玻璃纤维板，即任何一张纤维板的纤维都会与该纤维板上方或下方的纤维呈45°夹角。采用这种设置，在烘干层状结构50以聚合和固化纤维板后，层状结构50的刚度会增加。
然后，将蜂窝状结构的自由端面粘结到风扇机匣20的内表面上，并将与叶片16径向外端接触的可磨损材料42层涂覆到层状结构50上游部分24的内表面上，例如使用抹刀，以便使可磨损材料42层的下游端与层状结构50下游部分56的上游端相接触。
支撑板可以是圆柱形或锥形扇面，而短舱22可以有4到6个端对端安装的支撑板扇形体。
将下游的隔音板46与具有防冰撞击作用的层状结构50隔开，可以简化维护保养，减少维修成本。因为层状结构的上游部分和下游部分54和56之间是渐进变化的，因此，这种可磨损材料支撑板还可以在大部分经受冰撞击的机匣区域提供有效保护。

Claims (15)

1.一种涡轮喷气发动机内的可磨损材料支撑板，该支撑板包括固定到风扇机匣(20)内壁的刚性支架(52)，其一面被覆盖在承载可磨损材料层(42)的层状结构(50)内，该层状结构(50)由嵌入在聚合物内的纤维板组成，所述支撑板的特征在于，该层状结构(50)包括被可磨损材料(42)覆盖的第一或上游部分(54)，和延伸越过可磨损材料(42)的第二或下游部分(56)，下游部分(56)的厚度要大于上游部分(54)的厚度，且能够承受冰撞击。
2.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，层状结构(50)上游部分(54)的大部分长度为恒定厚度，并通过沿下游厚度逐渐增加的区域连接到下游部分(56)。
3.根据权利要求2所述的支撑板，其特征在于，恒定厚度的上游部分(54)延伸越过可磨损材料(42)轴向范围的大约三分之二。
4.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，刚性支架(52)为蜂窝状结构。
5.根据权利要求4所述的支撑板，其特征在于，刚性支架(52)包括两层(66，68)叠置而成的蜂窝状结构，二者之间由平板(70)隔开。
6.根据权利要求4所述的支撑板，其特征在于，承载层状结构(50)下游部分(56)的小室(62，74)的截面小于承载层状结构(50)上游部分(54)的小室(64，76)的截面。
7.根据权利要求4所述的支撑板，其特征在于，所述支架上游端和下游端处的小室由聚合泡沫材料层(58)封闭。
8.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，刚性支架(52)为蜂窝状结构。
9.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，层状结构(50)的上游部分(54)包括堆砌而成的4到7个纤维板。
10.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，层状结构(50)的下游部分(56)包括堆砌而成的11到18个纤维板。
11.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，纤维板为嵌入在环氧树脂内的玻璃纤维板。
12.根据权利要求1所述的支撑板，其特征在于，该支撑板为圆柱形或锥形扇面形状。
13.涡轮喷气发动机短舱，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的可磨损材料支撑板。
14.根据权利要求13所述的发动机短舱，其特征在于，其包括四到六个端对端安装的支撑板。
15.一种航空涡轮喷气发动机，其特征在于，其包括根据权利要求1所述的可磨损材料支撑板，该支撑板按如下方式与风扇(10)的叶片(16)对齐设置，即所述支撑板层状结构(50)的下游部分(56)自风扇叶片(16)向下游一直延伸到隔音板处。
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