CN102562306A - 鼻锥体组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种鼻锥体组件。提供了一种鼻锥体组件，包括鼻锥体(104)，鼻锥体(104)安装在其上的支撑环(106)，以及布置在鼻锥体与支撑环(106)之间的绝缘层(110)，绝缘层(110)至少部分地包括玻璃纤维。还提供了一种复合鼻锥体，包括复合纤维基本上垂直于鼻锥体的转动轴线定向的连接区域A，复合纤维基本上平行于鼻锥体的转动轴线定向的碰撞区域I。还提供了一种用于鼻锥体组件的支撑环(106)，支撑环包括环形的主体(140)和环形的突出的连接凸缘(142)，连接凸缘终止于多个圆周间隔的连接突起(144)，其中连接凸缘与主体(140)一起形成了至少具有两个C形曲线(160，162)的横截面。

Description

鼻锥体组件
技术领域
本发明涉及一种燃气轮机的鼻锥体组件。
背景技术
鼻锥体组件通常在燃气轮机的进气口出现。该组件传统地包括安装在支撑环上的一件式或两件式鼻锥体，该支撑环依次固定到风扇盘上。该鼻锥体组件的作用是提供空气向风扇叶片的平滑入流并且以保护发动机的其余部分不受可能由诸如鸟撞击的异物碰撞引起的损坏。
在图1中示出了典型的两件式鼻锥体组件2。鼻锥体4包括预浸有环氧基树脂的织造的玻璃纤维织物并且是使用手工敷层技术制造的。鼻锥体4的厚度和锥角由所要求的碰撞特性确定。鼻锥体4的厚度基于碰撞测试经历凭经验地确定并且随半径而增加。鼻锥体4的角度根据碰撞特性和必须避免冰在鼻锥体4的表面上堆积而确定。鼻锥体4的外表面6在环氧基漆料的顶面涂覆有抗腐蚀性的聚氨酯。白色螺旋被漆涂到鼻锥体4上。通常，鼻锥体4使用承插配合8径向地定位到铝支撑环10上并且使用与支撑环10上的对应的凸缘14配合的螺栓接凸缘12沿轴向定位。鼻锥体4是旋转的平衡部件并且使用暗榫沿圆周调节(timed)。任何辅助部件平衡是使用钢油灰获得的。鼻锥体组件的第二件是维持鼻锥体4与邻接的环形填充物(未示出)之间的环形线的整流罩16。整流罩16通常由与鼻锥体4相同的复合材料制成。埋头螺钉将整流罩定位到分散的支架18上，这些支架18附接到主鼻锥体支撑环凸缘14。整流罩16的后部提供用于环形填充物(未示出)的前缘的支撑定位。该整流罩16以与鼻锥体4相同的方式进行漆涂和涂敷从而防腐。前缘密封件被固定到鼻锥体4以防止整流罩振动。
在异物碰撞的情况下，例如飞鸟碰撞，所有的撞击力由鼻椎体4载持。向支撑环10的挠曲能够引起支撑环中不需要的应变并且因此尽可能地最小化。在图1中以20示出的鼻锥体4与支撑环10之间的连接是高度刚性的，确保了在鼻锥体10中引起的任何挠曲被限于保持锥角中的变化的向前并且不会通过支撑环10。
为了将制造过程简单化，已经试图设计出一件式鼻锥体组件，例如在US2008/0022524和US6416280中公开和示出的例子。这些一件式鼻锥体可以通过接合支撑环凸缘的具有弯角的或被限定在凹穴中的螺钉连接到支撑环上。然而，为了确保鼻锥体与支撑环之间的连接中的必需的刚性，这样的一件式设计需要较厚的环形部分以施加必需的刚度。尤其在大型的鼻锥体组件中，这样增加的厚度产生了重量非常大的不利后果。此外，制造问题会随着在复合材料中的这样的厚部分而产生，包括在不充足的浸湿，所引起的热与固化收缩应力，内部龟裂与脱层方面的问题。然而，如果连接部分的厚度减小，在鼻锥体内部将会经受高的挠曲并且这些挠曲会传递至支撑环。在大型鸟的碰撞之后，这样的挠曲将会足够高以产生对在支撑环中的将可能导致故障的过度应变的担忧。因此需要提供一种仍然具有抗高碰撞性的轻质的鼻锥体组件。
发明内容
根据本发明，提供了一种鼻锥体组件，包括鼻锥体和支撑环，鼻锥体安装在支撑环上，支撑环包括环形的主体和环形的突出的连接凸缘，连接凸缘终止于多个圆周间隔的连接突起，其中连接凸缘与主体一起形成具有至少两个C形曲线的横截面，并且鼻锥体安装在支撑环的多个连接突起上。
两个C形曲线可以形成S形曲线。
连接凸缘可以包括定位台肩。
C形曲线中的至少一个可以在连接突起的基础区域处形成。
C形曲线中的至少一个可以在连接凸缘的突出基础处形成。
鼻锥体可以是复合鼻锥体。
复合鼻锥体可以包括连接区域和碰撞区域，复合纤维基本上垂直于连接区域中的鼻锥体的转动轴线定向，并且复合纤维基本上平行于碰撞区域中的鼻锥体的转动轴线定向，并且鼻锥体的连接区域安装在支撑环的多个连接突起上。
鼻锥体可以是长丝缠绕的。
绝缘层可以布置在鼻锥体和支撑环之间，绝缘层至少部分地包括玻璃纤维。
绝缘层可以构成鼻锥体的一体部分。
绝缘层可以包括在鼻锥体区域中的连续环，在区域处鼻锥体被安装到支撑环上。
绝缘层可以包括位于多个单独的安装位置处的多个离散的绝缘垫。
绝缘层可以包括用于将鼻锥体在支撑环上定向的至少一个位置特征。
绝缘层可以包括压缩模制的部件。
绝缘层可以螺栓连接到鼻锥体上或绝缘层可以使用粘合剂粘附到鼻锥体上。
本发明还提供了一种鼻锥体组件，包括鼻锥体，鼻锥体安装在其上的支撑环，以及布置在鼻锥体与支撑环之间的绝缘层，绝缘层至少部分地包括玻璃纤维。
绝缘层可以形成在鼻锥体的内表面上并且可以构成鼻锥体的一体部分。例如，在长丝卷绕工艺中，鼻锥体可以形成到绝缘层上。
绝缘层可以包括在鼻锥体区域中的连续环，在区域处鼻锥体被安装到支撑环上。
绝缘层可以包括位于多个单独的安装位置处的多个离散的绝缘垫。
绝缘层可以包括用于将鼻锥体在支撑环上定向的至少一个位置特征。该位置特征例如可以包括容纳在支撑环的环形台肩上的环形脊部。该位置特征还可以包括圆周的调节暗榫。
通过在绝缘层中包括用于鼻锥体的位置特征，可以简化鼻锥体本身的结构。例如，定位脊部和调节暗榫可以简单地包含在压缩模制的绝缘垫中，使得鼻锥体保持为相对简单的壳体状结构。该结构越简单所面临的由固化收缩率以及其他相关问题引起的制造缺陷的风险越小。简化鼻锥体的结构还使得能使用自动化技术制造鼻锥体，替代了传统上使用的更费钱的手工敷层技术。
绝缘层可以包括压缩模制的部件。
绝缘层可以螺栓连接到鼻锥体上。可替换地，绝缘层可以包括薄的表面层并且可以使用诸如环氧基粘合剂的粘合剂粘附到鼻锥体上。
根据本发明的另一方面，提供一种复合的鼻锥体，包括其中复合纤维基本上垂直于鼻锥体的转动轴线定向的连接区域和其中复合纤维基本上平行于鼻锥体的转动轴线定向的碰撞区域。
用于本发明的目的，“基本上”可以包括高达35度的容差。鼻锥体可以是长丝缠绕的并且可以例如由50/50重量比的玻璃纤维和碳纤维形成。
通过优化材料性能以实现在鼻锥体的离散位置中的具体功能，本发明的鼻锥体允许使用一定范围的材料。通过处理纤维敷层，在用于鼻锥体的具体位置中可以产生所需的材料性能，允许鼻锥体使用较大范围的纤维材料。可以考虑的示例性材料包括聚醚酮醚(PEEK)(RTM)以及诸如GLARE(RTM)的纤维金属层压件系统。
鼻锥体的连接区域可以包括环形区域，在该环形区域中该连接区域安装在支撑环上。碰撞区域可以包括当鼻锥体在工作方向时在连接区域前方的鼻锥体的所有部分。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于鼻锥体组件的支撑环，支撑环包括环形主体和环形突出的连接凸缘，连接凸缘终止于多个圆周间隔的连接突起，其中连接凸缘与主体一起形成具有至少两个C形曲线的横截面。
这两个C形曲线可以形成S形曲线，例如其可以基本上从后向前地定向。
连接凸缘可以包括环形的定位台肩。
定位台肩例如可以适合于与环形定位脊部相互作用，用于支撑环上的鼻锥体的径向和轴向定位。
C形曲线中的至少一个可以在连接突起的基础区域处形成。
C形曲线中的至少一个可以在连接凸缘的突出基础处形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种鼻锥体组件，包括鼻锥体和支撑环，鼻锥体安装在支撑环上，支撑环包括环形的主体和环形的突出的连接凸缘，连接凸缘终止于多个圆周间隔的连接突起，其中连接凸缘与主体一起形成具有至少两个C形曲线的横截面，并且鼻锥体安装在支撑环的多个连接突起上。
两个C形曲线可以形成S形曲线。连接凸缘可以包括定位台肩。C形曲线中的至少一个可以在连接突起的基础区域处形成。C形曲线中的至少一个可以在连接凸缘的突出基础处形成。
根据本发明的另一方面，提供了一种鼻锥体和支撑环，鼻锥体安装在支撑环上，支撑环包括环形的主体和环形的突出的连接凸缘，连接凸缘终止于多个圆周间隔的连接突起，其中连接凸缘与主体一起形成具有至少两个C形曲线的横截面，鼻锥体是复合的鼻锥体，复合鼻锥体包括连接区域和碰撞区域，复合纤维基本上垂直于连接区域中的鼻锥体的转动轴线定向，并且复合纤维基本上平行于碰撞区域中的鼻锥体的转动轴线定向，并且鼻锥体的连接区域安装在支撑环的多个连接突起上。
附图说明
为了更好地理解本发明，以及更清楚地示出如何使其产生效果，现在将通过举例对以下的附图进行参照，其中：
图1是根据现有技术的鼻锥体组件的剖视图。
图2是根据本本发明的鼻锥体组件的局部放大剖视图。
图3是绝缘垫的透视图。
图4是鼻锥体组件的另一局部剖面图。
图5是支撑环的透视图。
图6是支撑环的局部放大透视图。
具体实施方式
用于复合鼻锥体的制造的现有技术方法是通过长丝缠绕。用于长丝缠绕鼻锥体的优选材料是重量比为50/50的S-2玻璃纤维，例如449-AA-1250，406 Tex(g/1000m)和碳纤维，例如具有诸如Hexcel(RTM)RTM6树脂的环氧树脂系统的HTA51316k。然而，根据本发明，也可以考虑其它的可能的鼻锥体材料。为了在鼻锥体上的相关位置获得所需的材料性能，本发明要求巧妙处理复合鼻锥体的纤维敷层。
参照图2，本发明的鼻锥体104可以大致地分为作为将鼻锥体104安装在支撑环106上的环形区域的连接区域A，以及碰撞区域I。碰撞区域I包括在鼻锥体在其工作方向时在连接区域A前方的鼻锥体104的所有部分。在连接区域A上，需要鼻锥体具有高的环刚度，以及相关联的良好的疲劳性能，尤其在连接区域上的鼻锥体实际上螺栓连接至支撑环106处的位置中。在碰撞区域I上，重要的材料特性是鼻锥体的碰撞性能，并且因此需要锥体有效地分配撞击力。根据本发明，通过在鼻锥体制造期间巧妙处理长丝敷层将相关区域上的每个性能最优化。在连接区域A上，纤维基本上垂直于鼻锥体的转动轴线定向，例如70度至90度，优选80度，以在该区域中提供高的环刚度。高的环刚度具有降低传到支撑环106的挠曲的效果。在碰撞区域I上，纤维更基本上平行于鼻锥体的转动轴线定向，尽管实际上″平行″可能将包括最多35度的容差，该纤维敷层主要地与转动轴线在5至35度之间定向，优选地5至30度之间。纤维的定向角度在连接区域A与碰撞区域I之间逐渐地变化。
鼻锥体可以被分为比仅仅连接区域与碰撞区域更多数量的区域，并且精确的长丝敷层可以根据每个区域中的所需材料性能在每个区域中巧妙处理。通过优化材料性能以实现整个鼻锥体的功能，一定范围的复合材料可以考虑用于鼻锥体。
可以使用具有连续加强纤维的PEEK(RTM)鼻椎体，从而提供改进的锥体韧性和脱层阻力，因此改进锥体的碰撞性能。
诸如GLARE(RTM)的纤维金属层压件系统还可以用来提供对大型飞鸟撞击的碰撞的改进的阻力。
对于低成本鼻椎体，还可以考虑长的切短纤维团块模塑件。这样的模塑件会具有在环氧基体系统中的长度通常为2.5cm(1″)或更长的纤维。可能的材料包括来自Hexcel(RTM)的HexMC(RTM)，以及来自YLA复合材料的MS-4A。这样的材料允许压模制造方法。在本发明的进一步发展中，可以使用混合的碳/玻璃环氧预浸渍部件，其将以预浸渍形式提供混合系统改进的碰撞性能。
本发明的鼻锥体安装在支撑环106上以形成鼻锥体组件。支撑环106可以包括铝合金，钛合金或不锈钢，并且为了防腐蚀铝合金可以受过阳极化处理。参照图2和4至6，支撑环的更多细节将在下文中讨论。
取决于被选择用于鼻锥体104和支撑环106的材料系统，可能产生电化腐蚀问题。现有的系统没有考虑使用碳纤维或者具有诸如铝合金的材料的具有大比例碳纤维的复合锥体。本发明通过提供具有鼻锥体104、支撑环106和绝缘层108的鼻锥体组件而解决该问题。在第一实施例中，绝缘层108包括纯玻璃纤维层，在鼻锥体104的长丝缠绕制造工艺的第一阶段中被缠绕。用于鼻锥体的主体的后续的纤维被缠绕在玻璃纤维上并且整个长丝缠绕预形成件然后使用树脂浸润或者浸渍，例如树脂转移模制(RTM)或真空辅助树脂转移模制(VARTM)被模制。
在可替换的实施例中，织物带可以缠绕在心轴上并且用于鼻锥体的主体的长丝缠绕在织物带上。产生的预形成件被再次RTM或VARTM模制。
在图2中示出的另一可替换的实施例中，绝缘层108可以包括分开的离散部件。绝缘层可以由任何复合工艺诸如预浸渍制造，长丝缠绕或压模法制造。作为单独部件形成绝缘层的优点是这样的结构允许使用热塑塑料类型材料。例如，PEEK(RTM)，聚醚酰亚胶(PEI)或聚酰胺类型材料可以用来形成绝缘层108。根据本发明，每个材料选择都包括玻璃加强，例如玻璃细珠类型加强或较长的切短纤维类型材料。压模法模制绝缘层108的可能性允许使用团块和薄板模塑料。其他的材料选择包括Lytex(RTM)或Cytec(RTM)材料。
根据本发明的一个实施例，绝缘层包括位于鼻锥体104安装在支撑环106处的连接区域的完整环。然而，在图2和图3所示的可替换的实施例中，绝缘层可以包括位于用于鼻锥体104的多个单独的安装位置处的多个离散的绝缘垫110。绝缘垫110可以使用环氧类型粘合剂结合到鼻锥体104的表面上，或垫110可以螺栓或铆接至鼻锥体104上。在位置130处，在鼻锥体后方的额外的电化腐蚀防护可以以结合到唇缘中的Vespel(RTM)或类似的带子形式被应用到环形的填充物上(未示出)。
尤其在图3中示出，绝缘垫110包括多个定位特征，包括既具有径向114又具有轴向116定位面的环形脊112，以及圆周的调节暗榫118。环形的脊和调节暗榫与支撑环106上对应的特征相结合以提供在支撑环106上鼻锥体104的径向的、轴向的和圆周的定位。本发明的优点是，代替了被制造在鼻锥体104本身上，这些特征可以包含在绝缘垫110上。这种特征的转移将鼻锥体104的结构简单化，从而允许了在鼻锥体后部的近乎恒定的截面轮廓，并且因此用于自动化制造，避免了需要昂贵的手工敷层。绝缘垫110的使用还允许定位特征的修改以将它们的功能最优化，而无需在鼻锥体制造方面强加不期望的约束。例如，环形的定位脊可以比安装在标准鼻锥体上的传统的承插配合更大。此外，可以增加间隙肩部以帮助组装并且可以使用较长的调节暗榫。
在图4和图6中示出了根据本发明的支撑环106。支撑环106的设计目的是允许在鼻锥体104和支撑环106两者中挠曲。然而，系统设计为从挠曲中产生的应变比支撑环106的塑性应变极限低并且在全部工作条件下的应力都低于第一层片破坏强度和鼻锥体104中的最终极限。
参考图4至6，支撑环106包括环形的主体140和终止于多个突出的连接突起144的突出的连接凸缘142。每个连接突起144包括在径向方向通过连接突起144延伸的开口146。每个开口146由保持在连接突起144内的浮动的地脚螺母148限定。突出的连接凸缘142包括由轴向和径向定位壁152，154限定的环形的肩部150。使用中，环形的肩部150与绝缘垫110上的环形的脊112相接合以在支撑环106上提供鼻锥体104的径向和轴向定位。鼻锥体104经由与鼻锥体104和绝缘垫110相接合并且在连接突起144中通过开口146接收的一连串螺栓保持在支撑环106上。保持在连接突起144中的浮动的地脚螺母148与螺栓相接合以将组装的部件保持在一起。
使用中，每个连接突起144可以弯曲至有限程度，但鼻锥体104起到可操作地将每个连接突起144连接到一起的作用，从而帮助分配在其他连接突起144中的任意一个连接突起144中可见的任何负载或挠曲。
突出的连接凸缘144包括一起限定出支撑环的S形的轮廓的两个C形的曲线。第一个C形曲线160在连接凸缘的基础处限定，在凸缘142开始从主体140突出的区域中。第二C形曲线在连接突起144的基础处限定，其中连接突起144从连接凸缘142的其余部分突出。在C形曲线的区域中连接凸缘的厚度可以是恒定的，或可以是逐渐变薄的。例如，在图6中，在第二C形曲线162上的连接凸缘的厚度可以从区域C1至区域C2逐渐变薄。组合的S形轮廓为支撑环106提供自然的可弯曲性，使得支撑环106能够承受挠曲并且将支撑环106中对于任意特定的碰撞载荷的可见的应变最小化。通过允许支撑环在其S形轮廓上挠曲，由外来物碰撞引起的负载可以在鼻锥体104和支撑环106的连接区域内分配，从而允许支撑环主体140与风扇圆盘和环形填充物(未示出)的刚性连接。由于S形连接区域的作用，支撑环106的主体140与附近的发动机部件之间的刚性连接可以设计为经得起显著减小的碰撞负载。
将会理解，本发明的改进提供了一种重量轻并且使用成本有效的制造工艺制造的鼻锥体组件，但尽管如此非常经得起碰撞。鼻锥体结构被简化，减小制造缺陷并且允许了更便宜的，自动的敷层。绝缘层的提供避免了高强度部件中的电化腐蚀问题并且允许了设计中较大的材料自由。支撑环设计为与鼻锥体一起起作用以分配碰撞力，将在碰撞下支撑环中应变水平最小化，并且提供了轻量化、高整体性的设计。不依靠昂贵的较重的材料，支撑环可以由铝合金形成。支撑环也可能由诸如PEEK(RTM)或PPS的热塑性塑料或诸如epoxy/S2玻璃或环氧碳纤维的热固性复合物制成。支撑环也可以由钛或不锈钢制成。如果没有电化腐蚀问题，则消除了对绝缘层的需要并且鼻锥体可以直接或使用层或垫安装在支撑环上。
本发明的鼻锥体的总体设计也没有提供不受欢迎的空气动力学的不利后果。

Claims (15)

1.一种鼻锥体组件，包括鼻锥体(104)和支撑环(106)，鼻锥体(104)安装在支撑环(106)上，其特征在于支撑环(106)包括环形的主体(140)和环形的突出的连接凸缘(142)，连接凸缘(142)终止于多个圆周间隔的连接突起(144)，其中连接凸缘(142)与主体(140)一起形成具有至少两个C形曲线(160，162)的横截面，并且鼻锥体(104)安装在支撑环(106)的多个连接突起(144)上。
2.如权利要求1所述的鼻锥体组件，其中两个C形曲线(160，162)形成S形曲线。
3.如权利要求1或2所述的鼻锥体组件，其中连接凸缘(142)包括定位台肩(150)。
4.如权利要1或2或3所述的鼻锥体组件，其中C形曲线(162)中的至少一个在连接突起(144)的基础区域处形成。
5.如权利要求1至4中任一项所述的鼻锥体组件，其中C形曲线(160)中的至少一个形成在连接凸缘(142)的突出基础处形成。
6.如权利要求1至5中任一项所述的鼻锥体组件，其中鼻锥体(104)是复合的鼻锥体。
7.如权利要求6所述的鼻锥体组件，其中复合鼻锥体(104)包括连接区域(A)和碰撞区域(I)，复合纤维基本上垂直于连接区域(A)中的鼻锥体(104)的转动轴线定向，并且复合纤维基本上平行于碰撞区域(I)中的鼻锥体(104)的转动轴线定向，并且鼻锥体(104)的连接区域安装在支撑环(106)的多个连接突起(144)上。
8.如权利要求6或7所述的复合鼻锥体组件，其中鼻锥体(104)是长丝缠绕的。
9.如权利要求1至8中任一项所述的鼻锥体组件，包括布置在鼻锥体(104)和支撑环(106)之间的绝缘层(108)，绝缘层(108)至少部分地包括玻璃纤维。
10.如权利要求9所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)构成鼻锥体(104)的一体部分。
11.如权利要求9或10所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)包括在鼻锥体(104)的区域中的连续环，在该区域中鼻锥体安装到支撑环(106)。
12.如权利要求9或10所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)包括位于多个单独的安装位置处的多个离散的绝缘垫(110)。
13.如权利要求9至12中任何一个的项所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)包括用于将鼻锥体(104)在支撑环(106)上定向的至少一个位置特征(112，118)。
14.如权利要求9至13中任何一个的项所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)包括压缩模制的部件。
15.如权利要求9至14中任何一个的项所述的鼻锥体组件，其中绝缘层(108)螺栓连接到鼻锥体(104)上或绝缘层(108)被使用粘合剂粘附到鼻锥体(104)上。
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