CN102661202B - 航空发动机的防火系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机的防火系统。一种用于在发生火灾情况时对结构进行保护的防火系统，该系统包括：耐火面板，其形成第一连接开口并与该结构相邻；罐，其包括形成第一端和第二端的侧壁，将第一端封闭起来并形成与第一连接开口对准的第二连接开口的端壁；紧固件，其通过第二连接开口延伸穿过罐的端壁并通过第一连接开口穿过耐火面板，从而使罐、耐火面板和该结构紧固在一起；阻燃剂，其布置在罐内处于非活化状态，而在火灾期间，当达到第二预定温度时，就转变为活化状态喷出罐的第二端。

Description

航空发动机的防火系统

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机，特别是涉及燃气涡轮发动机的防火系统。

背景技术

燃气涡轮发动机用于为各种类型的机车和系统提供动力。可能用于为航空器提供动力的一种特殊类型的燃气涡轮发动机是燃气涡轮风扇发动机。燃气涡轮风扇发动机可能包括，例如，五个主要部分：风扇部分，压缩机部分，燃烧室部分，涡轮部分和排气部分。

风扇部分位于发动机的入口部分处，包括将空气从周围环境引入到发动机中并使一部分空气朝着压缩机部分加速的风扇。压缩机部分给来自风扇部分的空气增压，并且将大部分高压空气引入到燃烧室部分。在燃烧室部分内，高压空气与燃料混合并燃烧。高温燃烧后的空气随后被引入到涡轮部分，在那儿膨胀并使得每个涡轮转动，从而驱动航空器或发动机内的各个零件。随后，空气通过布置在排气部分的推进喷管排出。

为满足认证要求，航空器的一些部分，例如发动机，需要能够在着火时还能工作一特定段时间，例如在发动机起火时。这样，航空器的一些部分就配备有防火系统，如防火墙或耐火面板。为使得保护作用最大化或满足认证要求，传统技术包括增加耐火面板的厚度或增加额外的结构。然而，这些技术通常都会增加发动机的整体重量，这可能会所不希望地降低发动机的推重比（thrusttoweightefficiency）。

相应地，所希望的是提供这样的防火系统，其性能有所提高而不会过度增加发动机重量。进一步地，本发明其它优良的特点和特征将随后结合附图和背景技术从对本发明的详细描述和所附权利要求书中显现出来。

发明内容

在一个示例性的实施例中，提供了用于在火灾期间对结构进行保护的阻燃设备。该设备包括容器，该容器包括形成第一端和第二端的侧壁，和将第一端封闭起来并限定出开口用于将防火设备安装到该结构上的端壁。该设备进一步包括布置在罐内处于非活化状态的阻燃剂，其在火灾期间，当达到预定温度时，就转变为活化状态喷出罐的第二端。

在另一个示例性实施例中，提供了用于在火灾中对结构进行保护的防火系统。该系统包括：耐火面板，其形成第一连接开口并与该结构相邻；罐，其包括形成第一端和第二端的侧壁，和将第一端封闭起来并形成与第一连接开口对准的第二连接开口的端壁；紧固件，其通过第二连接开口延伸穿过罐的端壁并通过第一连接开口穿过耐火面板，从而使罐、耐火面板、和该结构紧固在一起；阻燃剂，其布置在罐内处于非活化状态，当达到预定温度时，就转变为活化状态喷出罐的第二端。

在又一个示例性实施例中，提供了一种用于抑制火情接近航空发动机部件的方法。该方法包括以下步骤：将耐火面板通过第一连接点安装到航空发动机部件上；提供其内布置有阻燃剂的罐；以及将罐通过第一连接点安装到耐火面板上。

附图说明

本发明将结合以下附图进行描述，在所述附图中使用相同的附图标记表示相同的元件，其中：

图1是按照一个示例性实施例的燃气涡轮发动机的局部截面图；

图2是对应于图1的一个示例性实施例的燃气涡轮发动机内的防火系统的局部立体图；

图3是在非活化状态下，图2所示防火系统沿线3-3的局部截面图；

图4是在非活化状态下，图2所示防火系统的阻燃罐的立体图；

图5是在活化状态下，图3所示防火系统的截面图。

具体实施方式

以下的详细描述仅是示例性的，并不旨在限制本发明或本申请及本发明的应用。进一步地，本发明也不受前述背景技术及下述详细描述中任何理论的约束。

一般来说，此处讨论的示例性实施例为燃气涡轮发动机提供了改进的防火系统。该示例性防火系统包括通过连接点安装到需保护结构上的耐火面板。该防火系统进一步包括带有通过连接点安装在耐火面板上的罐的阻燃设备。在发生火灾期间，布置在阻燃罐内的阻燃剂被触发以抑制火焰，特别是在连接点区域。

图1是根据一个示例性实施例的燃气涡轮发动机100的局部截面图，图中示出燃气涡轮发动机100的其余部分关于纵向轴线140呈轴对称。尽管可能会有其他布置形式和用途，但是在所描述的实施例中，燃气涡轮发动机100是航空器内的环形多转轴燃气涡轮风扇喷气式发动机100。发动机100可以是，例如辅助动力单元（“APU”）。

发动机100包括风扇部分102，压缩机部分104，燃烧室部分106，涡轮部分108以及排气部分110。风扇部分102包括安装在转子114上的风扇112，其将空气吸入发动机100并使空气加速。小部分加速后从风扇112排出的空气被引经外部（或第一）函道（bypassduct）116，而剩余的从风扇112排出的空气被引入压缩机部分104。外部函道116大体上由内部罩142和外部罩144进行限定。

在图1的实施例中，压缩机部分104包括中压压缩机120及高压压缩机122。然而在其它实施例中，压缩机部分104中的压缩机数量可以不同。在所描述的实施例中，中压压缩机120和高压压缩机122相继给空气增压并将大部分高压空气引入到燃烧室部分106中。小部分压缩后的空气绕过燃烧室部分106，并经过内部（或第二）函道118用于冷却涡轮部分108的各零件中的涡轮叶片。内部函道118大体上由内部罩142与发动机100的内部零件如压缩机120和122进行限定。

在包括环形燃烧室124的燃烧室部分106内，高压空气与燃料混合并燃烧。燃烧后的高温空气随后被引入到涡轮部分108。在图1的实施例中，涡轮部分108包括三个轴流向顺序布置的涡轮，分别是高压涡轮126，中压涡轮128，低压涡轮130。然而应注意的是，涡轮的数量和/或在此处的布置可以不同。在图1描述的实施例中，来自燃烧室部分106的燃烧后的高温空气发生膨胀，并使得各涡轮126，128，130转动。随后，该空气经布置在排气部分110上的推进喷管132而排出。当涡轮126，128，130转动时，各自通过同心布置的轴或转轴来驱动发动机100上的元件。具体而言，高压涡轮126通过高压转轴134驱动高压压缩机122，中压涡轮128通过中压转轴136驱动中压压缩机120，低压涡轮130通过低压转轴138驱动风扇112。

为满足认证要求，航空器的一些部分，例如发动机100，需要能够在着火时，例如在火灾期间，还能工作一特定段时间。因此，航空器通常包括防火系统，用于隔断发动机100的不同区域（或区段），以便使一个区域内的火灾就不会蔓延至另一区域。此处所使用的术语“防火”涉及对目标零件或系统的防火保护，以满足特定的要求或规章，如FAA对航空器的要求。这类要求通常需要防火系统能够在预定温度和预定时长内提供保护。在一个示例性实施例中，防火系统可以安装在如图1中的部分200中，以阻止或抑制火灾经内部罩142在外部函道116和内部函道118之间蔓延，即，把航空器的部分200作为符合应用标准的防火系统。

图2是图1中燃气涡轮发动机100的部分200的局部立体图，并特别显示了按照一个示例性实施例的防火系统（或“防火”系统或“阻燃”系统）210。该防火系统210防止或抑制火灾经裂缝进入到内部函道118或经裂缝进入到外部函道116，其也可以被认为是灭火系统或火情限制系统。总体上，防火系统210可以安装或合并在发动机100内需要该防火系统的任意位置，包括其它位置。如上所述，内部函道118和外部函道116均至少部分地由内部罩142形成。因此，防火系统210安装在内部罩142上，并且包括至少一个耐火面板220和222，和至少一个阻燃设备240-245。

耐火面板220和222大体上是平面形状，可能会构型以配合内部罩142。耐火面板220和222通过连接点230-235固定在内部罩142上。虽然可以配备任意数量和布置的耐火面板220和222，但是在示例性实施例中，两个耐火面板220和222在内部罩142上相互邻接。类似的，可以配备任意数量的连接点230-235。例如，耐火面板220具有四个连接点230-233，其在每个角各一个；耐火面板222具有两个连接点234和235，其在每个纵向端包括一个。

耐火面板220和222通常设置为基本无损伤地抵抗邻近火焰，也就是说，耐火面板220和222在预定时长内与火直接接触也不会被消耗。火灾期间，耐火面板220和222通过在火焰和内部罩142之间提供物理的热量阻隔物来保护内部罩142。

耐火面板220和222可以由隔热和/或阻燃材料如玻璃纤维制成。其它适合的材料可包括陶瓷、硅铜橡胶、碳、二氧化硅-氧化铝、玄武岩、碳化硅、氧化锆、氮化物材料、氧化镁、或其他类型的材料。适合用作耐火面板220和222的材料的进一步例子包括碳纤维、聚合物基复合材料（PMCs），陶瓷基复合材料（CMCs），金属基复合材料（MMC），大范围的纤维包括碳、石墨、玻璃纤维、芳族聚酰胺和聚乙烯。耐火面板220和222可以是复合材料，并且在至少一个示例性实施例中，其是自承式结构。在一个实施例中，耐火面板220和222可以仅是单层，尽管也可以配备多层。在耐火面板220和222上还可以配备额外的处理和涂层。

在传统系统中，用于安装耐火面板的机械结构可能比耐火面板本身损坏得更快。例如，如果将耐火面板安装到表面上的紧固件失效了，如该紧固件熔化了，则耐火面板将可能会从表面上脱落，这样耐火面板就达不到它的预定目的了。在这样的事件中，火焰就可能通过先前被紧固件和耐火面板占据的孔而突破表面。相应地，阻燃设备240-245通过耐火面板220和222上的每个连接点230-235而安装到耐火面板220和222上，以减小火灾在这些区域的影响，正如下文中更详细的描述。

图3是在非活化状态下，图2所示防火系统210沿线3-3的局部截面图。图3特别示出了防火系统210中包括耐火面板220和阻燃设备240的部分，然而下述讨论可以适用于防火面板222和其它阻燃设备241-245。如图3所示，阻燃设备240通过连接点230安装在耐火面板222上，连接点的典型示例是延伸穿过耐火面板220的连接开口。总体上，阻燃设备240和耐火面板220安装在内部罩142内，即在内部函道118内。然而，在其它实施例中，阻燃设备240和耐火面板220可以安装在内部罩142的另一面上，即在外部函道116内。在进一步实施例中，阻燃设备240和耐火面板220可能安装在内部罩142的两面上。

阻燃设备240包括容器，如罐250，其大体呈圆柱形，侧壁252形成了第一端和第二端254和256，并且从耐火面板220处轴向延伸。端壁258将第一端254封闭起来，并且可拆卸的盖260至少部分地封闭起第二端256。在一个示例性实施例中，端壁258是平坦的，然而端壁258可以弯曲以配合耐火面板220。图4是从防火系统210上移除的图3中的阻燃设备240的立体图。

罐250可以由任何能与发动机100的环境相兼容的适当材料制成。代表性的材料可以包括不锈钢，尽管也可能是其它材料。尽管罐250是圆柱体，但也可以是其它形状，包括方形或不规则形。另外，罐250可以具有任何适当的高度和直径。例如，罐250的形状可以基于连接开口230和/或紧固件280的尺寸、受保护区域的特征、参考发动机100内其它零件的尺寸特征和重量。在一个示例性实施例中，罐250的直径为大约1-4英寸，深度为大约0.25-4英寸。总体上，如所描述的一样，罐250具有大体呈圆形的截面。然而，罐250并不局限于圆形截面。例如，罐250可以是方形截面。

参照图3和4，阻燃设备240利用紧固件280安装在耐火面板220上。特别地，阻燃设备240的端壁258形成了连接点，其在示例性实施例中是接收紧固件280的开口262。在本示例性实施例中，紧固件280是螺钉282和相应的螺母284。螺钉282通过罐250内的开口262、耐火面板220上的连接点230、内部罩142上的开口146，延伸进入外部函道116和耐火面板。螺母284啮合螺钉282的端部以使得防火系统210固定在内部罩142上。紧固件280可以是任意适当的紧固机械结构，包括钳夹、接头和铆钉。在一个示例性实施例中，螺钉282可以反转，螺母284可以在内部罩142的外部函道一面啮合螺钉282。在进一步示例性实施例中，罐250可以具有箍圈，与相应的卡锁配合，这在颠簸的环境中非常有用。在所描述的示例性实施例中，仅利用一个单独的紧固件280将阻燃设备240的零件紧固在一起并安装在需保护的结构，即内部罩142上。在其它实施例中，紧固件280可能并不包括螺钉和/或延伸穿过罐250的端壁258的孔。取而代之，紧固件280可以是接头或从侧壁252或端壁258延伸出的突出物的形式，其与耐火面板上相应的接头或连接机构配合。

罐250容纳了阻燃剂290。在图3和4所示的非活化状态下，该阻燃剂290是选出来用作阻燃物的固体化合物。适合的例子将在下面进行讨论。阻燃剂290在非活化状态下保持固体状，直到罐250面临到火焰的温度大幅上升，该阻燃剂290就转变为活化状态。

图5是活化状态下，防火系统210的截面图，其可以是泡沫或气化物。阻燃剂290在活化状态下，沿箭头294所示方向膨胀并抑制火焰，特别是在耐火面板220的连接点230周围区域。在一个示例性实施例中，阻燃剂290由单独一种组分制成，其如图5所示那样膨胀并用于抑制火焰。然而，在另一个示例性实施例中，阻燃剂290可以包括如图5所示那样膨胀的第一组分，并用作起抑制火焰作用的第二组分的载体。在活化状态下，阻燃剂290可以用作低含氧量的气体阻隔物（即，气体）或者直接是火焰和要被保护区域，如连接点230之间的热量阻隔物（即，泡沫）。因此，阻燃剂290可以是基于预定温度的“自发泡”或“自升华”（或“自烧蚀”）。在一个示例性实施例中，预定温度为大约800-1200℉。在其它示例性实施例中，预定温度可以是例如大约350℉，400℉和900℉，然而阻燃剂290可以设计为用于任何温度。阻燃设备240可以具有标准化尺寸和形状，这样，在火灾之后，所述的阻燃设备240可以根据需要和希望移除并替换。

组成阻燃剂290的适当材料的实例包括膨胀剂，一旦施以热量就会发生膨胀来使得需保护区域，如连接点230的基础材质隔热。除隔热特性外，如膨胀剂的材料还可以形成保护炭层，其与隔热阻隔物结合起来可以提供更高程度的保护。在某些示例性实施例中，膨胀材料通过化学或物理作用而发生作用。化学作用的实例包括使用富含碳的炭形成源如葡萄糖，或磷酸源如硝酸铵来提高炭的形成，并且使用气体释放膨胀源如尿素或氯化石蜡。物理膨胀物包括可膨胀的石墨涂层。通过引入插层剂如硫酸或硝酸来形成可膨胀的石墨薄片，其一旦受热就膨胀。由此产生的膨胀可能是原始厚度的200倍，其为基层提供了更高程度的保护。固体阶段的阻燃剂可以在基质表面形成含碳的炭层，其可以抑制进一步燃烧。高炭形成树脂系统如某些环氧树脂和BMI配方提供了固有的好处。组成阻燃剂290的适当材料的其它例子包括烧蚀材料、碳的全氟化物（PFCs）、碳的氢氟化物（HFCs）、水、NaHCO3，乙酸钾、不稳定溴抑制剂或惰性气体如N2，CO2或Ar。一个适当的例子是Halon1211(CF2BrCl)，其在活化状态下取代了助燃的氧，并额外产生Br和Cl原子，其可以干扰火焰化学。总体上不需要推进剂，但也可以配备这样的分布助剂。此外，可以将一种或多种膨胀剂或其它材料结合起来，选出具有所需要的膨胀特征和阻燃特征的结合物。阻燃剂290的基本成分可以从市面上可购得的材料中进行选择。

阻燃剂290在非活化状态下，可以以多种方式保存在罐250内。例如，阻燃剂290可以包括用粘着物将阻燃剂290粘着在罐250的壁上，或阻燃剂290本身可以具有一定附着力以便于在非活化状态下停留在罐250内。总体上，还可以配备任何适当的机构，包括物理机械结构。示例性的粘着物可以包括粘着剂如环氧或硅有机树脂，其不能妨碍阻燃剂290从非活化状态转变到活化状态。

可拆卸盖260可以通过弹力卡合结合或协同螺钉螺栓与罐250耦合。在罐250的第二端256上的可拆卸盖260防止阻燃剂290受到污染。盖260可以具有大量的孔以允许阻燃剂290在活化状态下释放出来，或者盖260可被活化状态下的阻燃剂压出。可替代地，盖260可以具有相对较低的熔点，这样，在火灾期间其很容易从罐250上脱落。

阻燃设备240-245（图2）的数量和布置可以变化，以使防火系统210的所需特征达到最优。由于罐250可以高效地定位，因此阻燃剂290的量可以最小化。阻燃剂290的量和罐250的尺寸可以基于一系列因素进行选择，包括火情的预计温度、火情的持续时间、需保护区域的尺寸。可以使用计算流体动力学或测试火情来使防火系统210进一步优化。另外，尽管阻燃设备240被描述成朝下的特定方向，但阻燃设备240可以在任何方向上工作，例如，当火情位于阻燃设备240的上面或一侧时。在通常情况下，阻燃设备240的第二端256朝向预计的火情方向。

相应地，已对改进的防火系统210作出了描述。该防火系统210相对较轻，特别是与增加额外的耐火面板相比。此外，防火系统210只包括少量部件，其相对容易实施，以改善相应发动机100的安全性。与传统的防火系统不同，防火系统210提供了直接针对所需区域的防火，而不需要额外的管子、管道和泵，并且不会增加成本、重量、体积和复杂度。

总体上，防火系统210可以用于需要与火焰隔离的多种设备和应用。例如，尽管所述的防火系统210位于航空发动机内的两函道之间，但其它示例性环境也可以，包括航空发动机短舱、电子柜、机舱、通信或电力转换站、通风罩、天然气管线、化学分布柜、烟囱、石化厂及类似环境。

虽然在前文对本发明的详细描述中，只举出了至少一个示例性实施例，但值得注意的是，其存在大量变形。还值得注意的是，示例性实施例仅用作示例，并不以任何方式限制本发明的范围、应用或方案。相反，前文的描述可以为本领域技术人员提供方便地实施本发明的示例性实施例的路线图。应当知道的是，在由权利要求书所阐述的本发明的保护范围内，可以对所述示例性实施例中的元件功能和布局进行的多种变化。

Claims (10)

1.一种用于在火灾中对结构进行保护的防火系统（210），该系统（210）包括：

耐火面板（220），其形成第一连接开口（230）并与该结构相邻；

罐（250），其包括：

形成第一端和第二端的侧壁（252），及

将第一端封闭起来并形成与第一连接开口（230）对准的第二连接开口（262）的端壁（258）；

紧固件（282），其通过第二连接开口（262）延伸穿过罐（250）的端壁（258）并通过第一连接开口（230）穿过耐火面板（220），从而使罐（250）、耐火面板（220）、和该结构紧固在一起；

阻燃剂（290），其布置在罐（250）内处于非活化状态，而当达到预定温度时，其就转变为活化状态喷出罐（250）的第二端。

2.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述阻燃剂（290）在非活化状态下是固体而在活化状态下是气化物。

3.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述阻燃剂（290）在非活化状态下是固体而在活化状态下是泡沫。

4.根据权利要求1所述的防火系统（210），进一步包括可拆卸盖（260），其用于至少部分地封闭第二端。

5.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述侧壁（252）是圆柱形的。

6.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述阻燃剂（290）是碳的全氟化物（PFC）、碳的氢氟化物（HFC）、或膨胀材料中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述罐（250）是第一罐并且所述紧固件（282）是第一紧固件，该耐火面板（220）额外形成了第三连接开口，该防火系统进一步包括：

安装在耐火面板上的第二罐，其中第二罐内额外地布置有阻燃剂；及

第二紧固件，其用于通过第三连接开口将第二罐耦合到耐火面板和该结构上。

8.根据权利要求7所述的防火系统（210），其中所述耐火面板（220）是第一耐火面板并且该防火系统进一步包括：

第二耐火面板，其布置在该结构上并与第一耐火面板相邻，并且形成第四连接开口；

安装在第二耐火面板上的第三罐，其中第三罐内额外地布置有阻燃剂；

第三紧固件，其用于通过第四连接开口将第三罐耦合到第二耐火面板和该结构上。

9.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述阻燃剂（290）在预定温度条件下是泡沫。

10.根据权利要求1所述的防火系统（210），其中所述阻燃剂（290）在预定温度条件下是升华物。