CN104603400B - 耐摩擦风扇壳 - Google Patents

Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的壳设备包括：环形壳，其具有内表面，该内表面具有形成在其中的环形凹部；以及设置在凹部中的环形缓冲器，缓冲器包括脆弱材料并且具有低摩擦接触表面，其中，缓冲器构造成容许响应于低于预定阈值的施加的力的弹性径向偏转。

Description

耐摩擦风扇壳

技术领域

本发明大体涉及燃气涡轮发动机，并且更特别地，涉及用于燃气涡轮发动机的风扇的容纳结构。

背景技术

涡轮风扇发动机典型地包括围绕发动机的纵向中心轴线成连续轴向流关系的风扇、增压器、高压压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮。高压涡轮经由第一转子轴驱动地连接于高压压缩机，并且低压涡轮经由第二转子轴驱动地连接于风扇和增压器两者。风扇包括环形盘和安装于盘的多个沿径向延伸的叶片，其中，盘和叶片能够围绕发动机的纵向中心线旋转。此类风扇被风扇壳包围，该风扇壳特别地设计成能够在风扇叶片在运行期间从其盘释放的情况下，容纳风扇叶片。这在一个或更多个风扇叶片由于一个或更多个叶片的灾难性故障、吸入碎片或其它原因而从盘释放的情况下，防止或最小化对发动机和飞行器的结构损伤。

风扇壳还用作通过风扇转子的外部流径边界，并且紧密地包绕风扇叶片的末端，以便最小化经过风扇叶片的泄漏。典型地利用易磨的牺牲材料对现有技术的风扇壳加衬里，以便在风扇叶片和风扇壳之间接触(称为“摩擦”)期间保护风扇叶片。虽然易磨材料的牺牲磨损防止对昂贵的风扇叶片的损伤，但其还在叶片末端处打开径向间隙，导致发动机推力损失。

一些发动机在运行中经受无法避免的风扇叶片摩擦，例如在飞行器机动飞行或瞬时风扇失衡期间。在这些情况下，单单使用易磨材料就可导致不可接受的推力损失。

因此，需要一种风扇壳，其容忍风扇叶片摩擦，同时保持预期间隙。

发明内容

该需要由本发明解决，本发明提供一种并入了脆弱的耐摩擦缓冲器的风扇壳。

根据本发明的一方面，一种用于燃气涡轮发动机的壳设备包括：环形壳，其具有内表面，该内表面具有形成在其中的环形凹部；以及设置在凹部中的环形缓冲器，缓冲器包括脆弱材料并且具有低摩擦接触表面，其中，缓冲器构造成容许响应于低于预定阈值的施加的力的弹性偏转。

根据本发明的另一方面，一种风扇设备包括：环形风扇壳，其具有内表面，该内表面具有形成在其中的环形凹部；以及设置在凹部中的环形缓冲器，缓冲器包括脆弱材料并且具有低摩擦接触表面；以及携带一排叶片的转子，该排叶片安装用于在壳内旋转，使得缓冲器与叶片的末端轴向地对齐，其中，缓冲器构造成容许响应于生成低于预定阈值的施加的力的、在叶片和缓冲器之间的接触的弹性径向偏转。

附图说明

通过参照结合附图进行的以下描述，可最佳地理解本发明，在该附图中：

图1是燃气涡轮发动机的风扇区段的示意性半截面图，该风扇区段并入了根据本发明的方面构建的风扇壳；以及

图2是图1中显示的风扇壳的一部分的放大视图。

具体实施方式

参照附图，其中，相同附图标记在各图中表示相同元件，图1显示用于对飞行中的飞行器提供功率的涡轮风扇燃气涡轮发动机的示例性风扇区段10的一部分。风扇区段10包括风扇12，风扇12通过常规风扇轴14围绕中心纵向轴线“A”旋转，常规风扇轴14由常规的低压涡轮(未显示)提供功率。风扇12包括转子盘16，一排翼型形状的风扇叶片18(在图1中仅显示一个)从转子盘16沿径向向外延伸。转子盘16和风扇叶片18可能够彼此分开，或者它们可为一体叶片式转子或“整体叶盘(blisk)”的部分。各个风扇叶片18具有前缘20、后缘22、根部24和末端26。设置在风扇12下游的是一排翼型形状的出口导叶(“OGV”)27。虽然在风扇和风扇壳的背景下描述本发明，但将理解的是，本发明的原理同样能够应用于包围其它类型的旋转构件的壳。

环形风扇壳28包围风扇12。如本文所用，用语“环形”指的是具有闭合周界的结构，该闭合周界大体为环形，并且包括圆形和非圆形形状两者。风扇壳28具有前部端30和后部端32。前部凸缘34与机舱(未显示)匹配，并且后部凸缘36与下游发动机壳构件40的凸缘38匹配。风扇壳28具有外表面42和相对的内表面44。内表面44与在下面更详细地描述的其它构件协作以限定流径表面“F”，流径表面“F”构造成闭合地包围风扇叶片18的末端26。

根据已知实践，风扇壳28在大小和形状上设置成以便能够经受住预计运行负载，诸如气体压力负载、本体负载和机动飞行负载。风扇壳28还构造成用作容纳部件，或者换句话说，如果风扇壳28将被从转子盘16释放的风扇叶片18撞击，则风扇壳28抵抗穿透。叶片释放典型地将是风扇12在发动机运行期间吸入外来物体的结果，并并且通常被称为“叶片失效”事件。在示出的示例中，风扇壳28是整体结构，并且由诸如铝、钛或钢的合金制成。风扇壳还可由复合物材料制成。如本文所用，用语“轴向对齐”意味着沿着中心纵向轴线A测得的两个构件的公共或交迭位置。

如在图2中最佳地看到的，环形凹部46形成在内表面44的一部分中，并且缓冲器48设置在凹部中。缓冲器48可为环形构件，该环形构件具有接触表面50，接触表面50定位成与风扇叶片18轴向地对齐。如下面更详细地论述的，缓冲器48构造成以便在接触表面50处具有低摩擦，以容许在叶片在相对低的负载下接触期间具有线性应力-应变行为的弹性径向偏转，以及在叶片在相对高的负载下接触期间是脆弱的。如本文所用，用语“低摩擦”是相对的，并且表示大体硬、平滑无粗加工的状态。在示出的示例中，缓冲器48具有“帽截面”形状，其包括大体沿轴向对齐的腹板52、一对隔开的沿径向延伸的支腿54，以及可选地从支腿54的远侧端沿轴向向前和向后延伸的一对凸缘56。凸缘56在形状上设置成配合抵靠凹部46的内部。缓冲器48的腹板52限定接触表面50，并且相对于风扇叶片18略微有凸度或凸形地弯曲。相比于现有技术的风扇壳设计，缓冲器48在大小和形状上设置成使得其不要求凹部46或风扇壳28的任何改变。因此其使用对风扇壳28的容纳功能没有显著影响。

缓冲器48构建成以便在被叶片冲击期间是脆弱的。如本文所用，用语“脆弱”指的是在断裂之后将基本上分解成非常小、低质量的颗粒的材料，即，其将经历脆性断裂而非韧性断裂。在示出的示例中，缓冲器48由复合物系统制成，例如坚韧环氧树脂基质中的中等模量的石墨纤维。缓冲器48的沿径向内表面可并入玻璃纤维层，以最小化在接触的情况下对叶片末端26的损伤。可利用已知的粘合剂将缓冲器48固定在凹部46中的适当位置。

可选的过滤器58设置在由缓冲器48的形状限定的环形通道中。过滤器58的目的是容许通过对缓冲器48提供硬度和/或阻尼来控制缓冲器的谐波。为此可使用诸如复合蜂巢(例如并入了芳族聚酰胺纤维，诸如NOMEX)或弹性体的材料。可将过滤器58提供为单件或多件，并且可使用已知的粘合剂将其结合于缓冲器48和/或凹部46。

已知类型的易磨材料60可在缓冲器48的前部和后部的空间中设置在凹部46中。在示出的示例中，易磨材料60包括嵌有玻璃微球的酚醛树脂。易磨材料60的暴露表面与缓冲器48和风扇壳28的内表面44协作以限定流径表面F。在制造期间，可在一个或更多个工艺步骤中加工内表面44、易磨材料60和缓冲器48中的一些或全部，以形成流径表面F的轮廓。

在运行中，在缓冲器48和风扇叶片18之间通常将不存在接触。风扇12偶尔可经历微小的失衡状况，使其沿径向偏离标称位置(即，涡旋或回旋而非纯粹地旋转)。因此，风扇叶片18的末端36可沿径向偏转和接触缓冲器48，尤其是腹板52。腹板52的接触表面50的摩擦低，从而允许风扇叶片18沿其表面滑动或滑行，同时当施加的力低于预定阈值时，支腿54容许缓冲器48沿径向方向线性弹性偏转。因而缓冲器48可被看作是“耐摩擦”结构。缓冲器48的作用防止风扇叶片末端36接触易磨材料60。这是合乎需要的，因为与易磨材料60接触使在流径表面F和风扇叶片18之间的径向间隙打开，并且可导致不可接受的发动机推力损失。

相反，如果发生风扇叶片失效事件，其为生成显著大于叶片摩擦的力的事件，则缓冲器48将用作脆弱保险器。在叶片接触之后，缓冲器48将基本上破碎或者分解成非常小的低质量颗粒。这避免影响风扇叶片失效负载或者导致二次损伤。作为示例，缓冲器48将成为保险器时所处的负载可比偶尔的摩擦期间预计的负载高大约40-50%。通过选定腹板52和支腿54的尺寸以及复合物材料的类型、板层的数量、大小和定向，可针对特定应用来调节缓冲器48的特性。

如上面描述地构建的风扇壳的测试证明缓冲器的如下能力：在摩擦负载下提供所需的线性弹性行为，同时按要求在较高负载下破碎，以便不影响风扇叶片失效负载。测试还证明缓冲器48防止在反作用摩擦负载之后的推力损失，而无破碎或分层。

前面已经描述了具有耐摩擦缓冲器的风扇壳。虽然已经描述了本发明的具体实施例，但将对本领域技术人员显而易见的是，可在不偏离本发明的精神和范围的情况下对其作出各种修改。因此，提供本发明的优选实施例的前述描述和用于实践本发明的最佳模式仅是为了说明而非限制，本发明由权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于燃气涡轮发动机的壳设备，其包括：

环形壳，其具有内表面，所述内表面具有形成在其中的环形凹部；以及

设置在所述凹部中的环形缓冲器，所述缓冲器包括脆弱材料并且具有低摩擦接触表面，其中，所述缓冲器构造成容许响应于低于预定阈值的施加的力的弹性偏转，所述脆弱材料在断裂之后将基本上分解成非常小、低质量的颗粒的材料，即，其将经历脆性断裂而非韧性断裂。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括限定所述接触表面的腹板，以及从所述腹板延伸的一对隔开的平行支腿，其中，所述腹板和所述支腿协同地限定通道。

3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述腹板凸形地弯曲。

4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括沿相反方向从所述支腿的远侧端延伸的一对凸缘。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括碳环氧树脂复合物。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述复合物包括在所述接触表面处的至少一层玻璃纤维。

7.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括设置在所述缓冲器的通道中的过滤器。

8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述过滤器包括蜂巢结构。

9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括在所述缓冲器附近设置在所述凹部中的易磨材料，使得所述易磨材料、所述接触表面和所述内表面协作地限定流径表面。

10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述易磨材料包括酚醛树脂。

11.一种用于燃气涡轮发动机的风扇设备，其包括：

环形风扇壳，其具有内表面，所述内表面具有形成在其中的环形凹部；以及

设置在所述凹部中的环形缓冲器，所述缓冲器包括脆弱材料并且具有低摩擦接触表面，所述脆弱材料在断裂之后将基本上分解成非常小、低质量的颗粒的材料，即，其将经历脆性断裂而非韧性断裂；以及

携带一排叶片的转子，所述一排叶片安装用于在所述壳内旋转，使得所述缓冲器与所述叶片的末端轴向地对齐，其中，所述缓冲器构造成容许响应于生成低于预定阈值的施加的力的、在所述叶片和所述缓冲器之间的接触的弹性径向偏转。

12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括限定所述接触表面的腹板，以及从所述腹板延伸的一对隔开的平行支腿，其中，所述腹板和所述支腿协作地限定通道。

13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述腹板凸形地弯曲。

14.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括沿相反方向从所述支腿的远侧端延伸的一对凸缘。

15.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述缓冲器包括碳环氧树脂复合物。

16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，所述复合物包括至少一层玻璃纤维。

17.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括设置在所述缓冲器的通道中的过滤器。

18.根据权利要求17所述的设备，其特征在于，所述过滤器包括蜂巢结构。

19.根据权利要求11所述的设备，其特征在于，所述设备进一步包括在所述缓冲器附近设置在所述凹部中的易磨材料，使得所述易磨材料、所述接触表面和所述内表面协作地限定流径表面。

20.根据权利要求19所述的设备，其特征在于，所述易磨材料包括酚醛树脂。