CN105874185B - 由促进气体排放的有机基质复合材料制成的外壳 - Google Patents
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Abstract
一种燃气涡轮机壳体(100)，其由有机基质复合材料制成，所述有机基质复合材料包括由有机基质致密化的增强件，所述壳体限定一内部容积。所述壳体在其内表面(101)具有结构部件(120)，所述结构部件具有第一表面(120a)和相对的第二表面(120b)，所述第一表面面向所述壳体的内表面，所述第二表面限定流动通道(102)的一部分。所述结构部件(120)的面对所述壳体的内表面(101)的第一表面(120)具有槽(130)。所述槽(130)使得在火灾期间因树脂降解而产生的气体能排入到流动通道一侧。
Description
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机壳体，并且更具体地但非排他地，涉及用于航空发动机的燃气涡轮机风扇壳体。
背景技术
在燃气涡轮机航空发动机中，风扇壳体执行几个功能。其限定允许空气进入发动机进气通道，支持面向风扇叶片的前端的耐磨材料，可磨损材料通常本身由蜂窝结构支撑。
诸如风扇壳体的壳体曾经由金属材料制成，但其现在由的复合材料制成，例如如由通过有机基质致密化的纤维预制件制成，从而有可能使整体重量小于该部位由金属制成时的重量，而仍然呈现的更高或至少相同的机械强度。在文献EP 1 961 923中描述了由有机基质复合材料制造风扇壳体。
在航空认证中，风扇壳体是限定“火”区域的部件之一。在这种情况下，其必须是位于所述壳体的外面的机舱室和在壳体的内部限定的流动通道之间的防火墙，且其必须满足相关的法规要求。
尽管如此，在防火测试期间，已经发现，扑灭壳体外即在发动机的机舱室外的火焰是很困难的，即使切断燃烧器之后。
内容
因此，希望能够有可用的解决方案使得能可靠地扑灭在壳体的外侧的火。
由有机基质复合材料制成的试验片的所有者进行火灾测试表明，树脂在放出气体时降解。该气体是易燃的，而且其可以导致即使已经切断燃烧器燃烧继续进行。
对航空发动机的壳体，结构件(如磨蚀和/或隔音板)通过粘合剂固定至壳体的内表面。由业主进行的类似的试验已经表明，在发生火灾的情况下，这些接合在壳体的内表面的部件具有防止因树脂的降解而产生的气体从通道附近排出的效果，从而使这种气体主要排出在壳体的外部，即到火灾发生的机舱室。由于气体是易燃的，在火焰旁排放气体能导致即使在发动机已被关闭和消防系统已被触发的情况下火焰继续燃烧。因此，在存在由有机基复合材料制成的部件的情况下，理想的是优先考虑将因降解而产生的气体排放至火焰区之外。
为此，本发明提供了一种燃气涡轮机壳体，其由有机基质复合材料制成，所述有机基质复合材料包括由有机基质致密化的增强件，所述壳体限定一内部容积并且在其内表面具有结构部件，所述结构部件具有第一表面和相对的第二表面，所述第一表面面向所述壳体的内表面，所述第二表面限定流动通道的一部分，所述壳体的特征在于，所述结构部件的面对所述壳体的内表面的第一表面包括槽，所述槽直接或间接地开口到所述壳体的内部容积，并且所述槽至少沿所述壳体的轴向方向延伸。
因此，由于存在开口伸到壳体的内部容积的槽，在壳体外存在火焰的情况下，因壳体的基质的降解而产生的气体可被排出到通道，从而避免在壳体外部干扰灭火。
附加的槽可以在垂直于轴向第一槽的方向延伸。在本发明的壳体的一方面，所述槽在结构部件的至少一个轴向端部开口。在本发明的壳体的另一方面，所述槽在所述结构部件的轴向端部之前终止，所述槽与在所述结构部件的第二表面开口的穿孔连通。
在本发明的壳体的另一个实施例中，结构部件经由间隔件螺栓接合在壳体的内表面，从而使得可以在壳体的内表面和结构部件之间具有凹陷或空间，使得在火灾期间，因壳体的基质的降解而放出的气体能排放到通道中。
在本发明的壳体的又一个实施例中，所述壳体的内表面包括开口至所述结构部件之外的槽。
在本发明的壳体的一方面，所述结构部件包括蜂窝结构，所述蜂窝结构面向所述壳体的内表面。在这种情况下，结构部件和壳体的内部空间之间的凹部的存在使得壳体的基质的降解过程中释放出的气体通过蜂窝结构排入通道。结构部件还可以包括由蜂窝结构支撑的可磨损涂层的层。
此外，所述槽还可以包括由纤维织物制成的沟道，所述纤维织物例通过基质固结。其用来密封蜂窝结构的不再与壳体的壁接触的区域。
在本发明的壳体的又一实施例中，结构部件包括：面向所述壳体的内表面的蜂窝结构；在所述蜂窝结构的表面附近闭合蜂窝结构体的单元的表皮，所述表皮与所述壳体的内表面相对，所述蜂窝结构的单元的壁包括至少一个穿孔，所述表皮，还包括开口到壳体的内部容积的穿孔。
本发明还提供了一种燃气涡轮机航空发动机，其包括本发明的风扇保持壳体，还提供了一种飞机，其包括一个或多个这种发动机。
附图说明
本发明的其它特征和优点从作为非限制性实施例的参照附图说明的本发明的具体实施例中得以体现，其中：
·图1A和1B分别是现有技术的航空发动机的风扇壳体的透视图和截面图；
·图2A是根据本发明的一个实施例的结构部件的透视图；
·图2B是装配有图2A的结构部件的有机基质复合材料壳体的截面图；
·图3是根据本发明的一个实施例的结构部件的透视图；
·图4A是根据本发明的一个实施例的结构部件的透视图；
·图4B是装配有图4A的结构部件的有机基质复合材料壳体的截面图；
·图5A是装配有根据本发明的一个实施例的结构部件的有机基质复合材料壳体的截面图；
·图5B是图5A的结构部件的透视图；和
·图6是装配有根据本发明的一个实施例的结构的有机基质复合材料壳体的截面图。
具体实施方式
本发明总体适用于用于燃气涡轮机并在其内表面具有至少一个结构部件的任何有机基质复合材料壳体。
以下就应用于燃气涡轮机航空发动机的风扇壳体的情形说明本发明。
如图1A中非常概略地示出的发动机，从气流的流动方向上游到下游包括：设置在发动机的进气的风扇1；压缩机2；燃烧室3；高压涡轮机4；和低压涡轮机5。
发动机被容纳在由多个对应于发动机的各种元件制成的壳体内。因而，风扇1由风扇壳体10包围。
图1B示出了风扇壳体10的轮廓，所述风扇壳体10是由有机基质复合材料制成的，即由纤维增强材料制成并由诸如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺的聚合物基质增密，所述纤维增强材料例如由碳、玻璃、芳族聚酰胺、或陶瓷纤维制成。在文献EP 1 961 923中具体描述制造这种壳体。
在当前描述的示例中，壳体10的内侧面11设有结构部件20，所述结构部件20由蜂窝结构21和通过例如表皮22(例如由一层树脂构成)固定到所述蜂窝结构的一层耐磨材料23制成，所述表皮也用于闭合蜂窝结构21的单元210的底部部分，单元的顶部部分通过与它们接触的壳体的内表面11闭合。结构部件20包括第一表面20a，所述第一表面20a朝向壳体10的内表面11，在本实施例中第一表面20a对应于蜂窝结构21的单元210的高的部分。结构部件具有第二表面20b，所述第二表面与表面20a相对，第二表面的形状限定流动通道14的一部分。
在壳体的外表面12附近存在火焰的情形下，在壳体的内表面11附近的构成壳体的基质降解过程中释放出的气体(在图1B中箭头GD)不能通过部件20到达排出气体的通道14。因此，该气体主要在壳体10的外表面12排出，即，在火焰附近排出，具有由可燃性降解气体所有的风险。
根据本发明的一个实施例，如在图2A和2B所示出的，类似于上述壳体10的壳体100在其内表面101具有结构部件120，所述结构部件120与上述结构部件20的不同之处在于，结构部件120在其面向壳体100的内表面101的第一表面120a中包括其槽或通道130，所述槽或通道130形成在蜂窝结构121的单元1210的壁1211中，槽130沿着平行于壳体100的轴向方向延伸。与表面120a相对的第二表面120b是由经由表皮122固定到蜂窝结构121的可磨损材料123的层构成。该第二表面120b限定的流动通道102的一部分。槽130使得壳体的材料的有机基质在降解过程中放出的气体(箭头GD图2B)朝向部件120的下游部分流动，以便通过穿孔140排出，如在图2B所示。在当前描述的示例中，穿孔140存在于在部件120的下游端的可磨损材料123的层中，并且其使得能够在槽130中流动的气体排放到位于壳体100的内部容积中的通道102。
在当前描述的实施例中，槽130包括由纤维织构制成的沟道131，所述纤维织物例如由碳纤维制成，所述碳纤维通过基质(例如环氧树脂基质)固结。沟道131可通过使用已预浸渍基质前体树脂并且成形为槽状的纤维织物制成，以便形成沟道的腹板131a，两个槽凸缘或边墙壁131b和131c从腹板131a延伸。沟道131用来密封蜂窝结构的不再与壳体的壁接触的区域，从而它们避免了任何湿气渗透到蜂窝结构体的单元中。
在图3中所示的变型实施例中，结构部件120还在相对于槽130垂直地延伸的面120a中具有附加槽150，所述附加槽150自身沿壳体100的轴向方向延伸。来自壳体100的降解气体因而可以在槽130和在槽150中流动，以便通过穿孔140排出，即排出到位于壳体100的内部容积的流动通道中。在当前实施例中，槽130和150包括由纤维织物形成的相应的沟道131和151，所述沟道例如由例如环氧树脂基质固化的碳纤维制成。沟道131和151可以已预浸渍基质前体树脂并且成形为槽状的纤维织物制成，以便分别形成沟道腹板131a和151a，各对侧壁131b和131c和151b和151c从沟道腹板131a和151a延伸。沟道131和151用来密封蜂窝结构的不再与壳体的壁接触的区域，从而避免了任何湿气渗透到蜂窝结构体的单元中。
在本发明的另一个实施例中，如图4A和4B中所示，类似于上述壳体10的壳体200在其内表面201具有结构部件220，与上述结构部件20的不同之处在于，结构部件220在其面对壳体200的内表面201的第一表面220a中包括槽或通道230，所述槽或通道230在蜂窝结构221的单元2210的壁2211中形成，所述槽230沿平行于壳体100的轴向方向延伸。与表面220a相对的第二表面220b由经由表皮222固定至蜂窝结构221的可磨损材料223的层构成。该第二表面220b限定流动通道202的一部分。槽230使得壳体的材料的有机基质在降解过程中放出(图4B箭头GD)的气体朝向部件220的下游部分流动，以便通过形成在槽230的下游端230b的开口240排出，槽230的上游端230a关闭。在槽230中流动的降解气体然后排放到位于壳体200的内部容积中的通道202。
在当前描述的实施例中，槽230包括由纤维织构制成的沟道231，所述纤维织物例如由碳纤维制成，所述碳纤维通过基质例如环氧树脂基质固结。沟道231可通过使用已预浸渍基质前体树脂并且成形为槽状的纤维织物制成，以便形成沟道的腹板231a，两个槽凸缘或边墙壁231b和231c从腹板231a延伸。沟道231用来密封蜂窝结构的不再与壳体的壁接触的区域，从而它们避免了任何湿气尤其是通过开口240渗透到蜂窝结构体的单元中。在防止湿气的变型实施例中，存在于槽230附近的单元可以使用膨胀粘合剂或浇注树脂致密化。
在本发明的另一个实施例中，如图5A和5B中所示，类似于上述壳体10的壳体300在其内表面301具有结构部件320，结构部件320与上述结构部件20的不同之处在于，所述壁蜂窝结构321的单元3210的每个壁3211包括一个或多个穿孔3212。与表面320a相对的且由可磨损材料323的层构成的第二表面320b限定流动通道302的一部分。穿孔3212使得壳体的材料的有机基质在降解过程中放出(图5B箭头GD)的并且进入部件320的表面320a附近的单元321的气体朝向部件320的下游部分流动，以便通过穿孔340排出，如图5B中所示。在当前描述的示例中，穿孔340存在于表皮322和部件320的下游端的可磨损材料323中，其使得流经穿孔3212的气体能够排放到位于壳体300的内部容积中的通道。
在上述参照图2、3、4、5和6说明的实施例中，穿孔在结构部件的下游端制成。然而，穿孔也同样可以在该结构部件的其它位置制成。
在图6中所示的本发明的又一实施例中，壳体400在其内表面401附近包括结构部件420，所述结构部件420由蜂窝结构421和通过例如由碳层制成的第一表皮422固定到所述蜂窝结构的一层耐磨材料423制成，第一表皮422也用于闭合蜂窝结构421的单元4210的底部部分，单元的顶部部分通过例如由碳层形成的第二表皮424闭合。结构部件420包括第一表面420a，所述第一表面420a朝向壳体410的内表面401，在本实施例中第一表面420a对应于蜂窝结构421的单元的顶部部分。结构部件具有第二表面20b，所述第二表面与表面420a相对，第二表面的形状限定流动通道402的一部分。
在本实施例中，结构部件420经由间隔螺柱430固定到壳体，所述间隔螺柱430首先被粘性地接合到壳体400的内表面401，然后被粘性地接合到部件420的表面420a(在本实施例是由第二表皮424构成)。间隔螺柱430优选地可调高度，从而控制间隙和与涡轮机叶片的尖端的相互作用。通过使用间隔螺柱430，通道或槽430形成在的部件420的表面420a和壳体400的内表面401之间，从而使壳体材料的有机基质的降解过程中放出的气体(箭头GD图6)朝着部件420的下游部分流动，以便排放到通道402。
在又一实施例中，壳体的内表面包括可打开至该结构部件之外的槽。本实施例可任选地与上述的其它实施例相结合。
Claims (10)
1.一种燃气涡轮机壳体，其由有机基质复合材料制成，所述有机基质复合材料包括由有机基质致密化的增强件，所述壳体限定一内部容积并且在其内表面具有结构部件，所述结构部件具有第一表面和相对的第二表面，所述第一表面面向所述壳体的内表面，所述第二表面限定流动通道的一部分，所述壳体的特征在于，所述结构部件的面对所述壳体的内表面的第一表面包括槽，所述槽直接或间接地开口到所述壳体的内部容积，并且所述槽至少沿所述壳体的轴向方向延伸。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机壳体，其中，所述槽在所述结构部件的至少一个轴向端部开口。
3.根据权利要求1所述的燃气涡轮机壳体，其中，所述槽在所述结构部件的轴向端部之前终止，所述槽包括在所述结构部件的第二表面开口的穿孔。
4.根据权利要求1项所述的燃气涡轮机壳体，其中，第一槽沿所述壳体的轴向方向延伸，第二槽垂直于所述第一槽延伸。
5.根据权利要求1所述燃气涡轮机壳体，其中，所述壳体的内表面包括开口至所述结构部件之外的槽。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮机壳体，其中，所述结构部件包括蜂窝结构，所述蜂窝结构面向所述壳体的内表面。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮机壳体，其中，所述槽包括沟道。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮机壳体，其中，所述结构部件还包括可磨损涂层。
9.一种燃气涡轮机航空发动机，其包括根据权利要求1至8中的任一项所述的燃气涡轮机壳体。
10.一种飞机，包括一个或多个发动机，每个发动机具有根据权利要求1至8中的任一项所述的燃气涡轮机壳体。
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