CN105899765A - 由复合物制成的风扇壳体的防火保护 - Google Patents
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Abstract
用于风扇壳体(1)的防火保护方法(S)，风扇壳体包括大致为圆柱形的桶(10)，桶具有沿纵向轴线(X)延伸的主方向以及相对于纵向轴线(X)从桶(10)的上游端径向延伸的上游凸缘(20)，风扇壳体(1)由复合物制成，该复合物包括由基质增加密度的纤维增强件，所述基质被聚合，该保护方法(S)包括下述步骤：·‑将包含预浸有能够为风扇壳体提供热保护以防火的树脂的玻璃纤维的宽度铺设(S1)在上游凸缘(20)的上游径向表面(22)上，以及·‑将树脂进行聚合(S2)以获得保护层(2)。
Description
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮壳体，并且更具体地涉及用于航空发动机的燃气涡轮风扇的、由包括由基质增加密度的纤维增强件的复合材料制成的保持壳体，本发明还涉及与之相关的生产方法。
背景技术
燃气涡轮航空发动机的风扇壳体可完成若干功能。它限定出发动机中的空气入口流动路径，相对于风扇叶片的顶部支撑耐磨材料，支撑通常呈吸音面板形状的结构以用于使声波在发动机的入口处进行衰减，并且包含或支撑用于碎片的突出到壳体的内表面上的保持罩，该碎片诸如为被吸入的物体或来自损坏叶片的碎片。
目前，风扇壳体包括限定出空气入口流动路径的相对较薄的壁。具体地，壳体可由金属或复合材料制成。例如，文献FR 2 913 053中已提出通过形成纤维增强件来制成可变厚度的复合材料的风扇壳体，并通过基质使增强件增加密度。纤维增强件通过由三维编织获得的具有不同厚度的纤维织构在叠加层中的芯轴上进行缠绕而形成，以便通过简单的局部厚度的增加来集成保持罩。
纤维增强件包括具体为碳、玻璃、芳族聚酰胺或陶瓷的纤维。典型地，这种基质为聚合物基质，例如环氧化物、双马来酰亚胺或者聚酰亚胺。
壳体可由单个工件制成，并且在其轴向端部处包括凸缘。被称为上游凸缘的第一凸缘能够使空气入口套筒紧固在壳体上，同时，被称为下游凸缘的第二凸缘能够使风扇壳体通过螺栓螺母类型的连接构件与中间壳体连接，并且插入有环形套圈，该环形套圈被应用以抵靠下游凸缘的下游表面。这里，上游和下游通过涡轮发动机中的气体的流动方向来定义。中间壳体连同环形套圈和空气入口套筒一起由金属钛以基于钛的金属合金制成，或者甚至由铝制成。
在使用中，其结果是：一些情况的故障可引起风扇壳体周围的温度的上升，这会损害其正常的运行，尤其在纤维增强件是由三维纤维织构形成的情况下。实际上，目前用于由复合材料制成的壳体的材料本质上不是可自熄灭的或者不是火焰-抑止剂。而且，沿增强件的第三方向定向的纤维可维持结构并且限制其分层。然而，沿第三方向定向的这些纤维在材料内部传递火焰的热量，这有利于火焰的维持。
因此，需要保护风扇壳体以抵抗这些极端温度，并且更通常地通过限制结构的升温来防火以允许其熄灭，使得壳体能够在温度上升期间以及在温度上升之后保存其机械性能，并且如果需要，还可在火焰被去除之后减缓火的蔓延。
因此，已提出了将由钛(一种对火不敏感的材料)制成的台面板连接在风扇壳体以及相邻的上游工件和下游工件之间。但是，该方案增加了发动机的总质量。而且，由于生产方法(台面板的热成形)，生产公差是相当大的，该生产方法难以执行从而成本昂贵。
还提出了通过在意在形成纤维增强件的预成型件上进行编织来连接由玻璃纤维制成的刚性或半刚性的编织层，该编织层随后与风扇壳体的预成型件共注射。然而，就在其被引入至模具的期间维持保护而言，该方案被证明是易碎的。而且，编织步骤被证明难以执行。
文献GB 2 486 404中也提出了将热的铜或铜合金投射到由复合材料制成的壳体的桶的外表面上，以使火焰的温度扩散并保护壳体防火。
最后，文献EP 2 447 508提出了将由火焰-抑止材料或绝缘材料制成的面板进行连接，以保护发动机的部件。为此，面板通过紧固装置被附接并被固定到待保护的部件的表面。但是该文献不能明确地解决由复合材料制成的壳体的问题。
发明内容
因此，本发明的目的在于以可工业化的、可靠的以及有效的方式来改善对涡轮发动机的由复合材料制成的风扇壳体抵抗极端温度和防火的保护。
为此，本发明提出了一种用于风扇壳体的防火保护方法，风扇壳体包括整体为圆柱形的桶，该桶具有沿纵向轴线延伸的主方向以及相对于纵向轴线从桶的上游端径向延伸的上游凸缘，风扇壳体由复合材料制成，复合材料包括由基质增加密度的纤维增强件，所述基质被聚合，
保护方法包括以下步骤：
-将包括预浸有树脂的玻璃纤维的面板覆盖在上游凸缘的上游径向表面上，树脂能够热保护风扇壳体以进行防火，以及
-将树脂进行聚合以获得保护层。
上文中描述的用于风扇壳体的防火保护方法的一些优选的但非限制性的特征如下：
-辅助面板也被覆盖在桶的外表面上，
-辅助面板也被覆盖在上游凸缘的顶部上，
-辅助面板在邻近于上游凸缘的部件中也被覆盖抵靠桶的内表面，
-比覆盖在桶的内表面上的辅助面板更多的辅助面板在邻近于上游凸缘的部件中被覆盖在上游凸缘的上游径向表面上，
-优选地，在面板被覆盖在上游凸缘的上游径向表面上的同时，辅助面板被聚合以形成辅助保护层以进行防火，
-在聚合步骤之后，该方法进一步包括以下步骤：在该步骤期间，由钛制成的环形台面板被固定在上游凸缘的下游径向表面上，
-树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和/或诸如M26T/50％035型树脂的氰酸酯树脂，
-该方法进一步包括上游凸缘的上游径向表面的加工步骤以便调整保护层的厚度，
-风扇壳体进一步包括下游凸缘，并且该方法进一步包括如下步骤：在该步骤期间，抗电化学腐蚀的阻隔件被应用以抵靠下游凸缘的下游表面，以及
-抗电化学腐蚀的阻隔件根据以下步骤被应用：将包括预浸有能够保护风扇壳体的树脂的玻璃纤维的面板覆盖在下游凸缘的下游径向表面上以及可选地覆盖在顶部上，以及将树脂进行聚合以获得保护层。
本发明还提出了一种由复合材料制成的风扇壳体，复合材料包括由基质增加密度的纤维增强件，所述风扇壳体包括：整体为圆柱形的桶，该桶具有沿纵向轴线延伸的主方向、相对于纵向轴线从桶的上游端径向延伸的上游凸缘；以及保护层，按照上文中描述的保护方法获得，位于上游径向表面上。
根据上文中描述的风扇壳体的优选的但非限制性的方面，进一步包括相对于纵向轴线从桶的下游端径向延伸的下游凸缘，以及被应用至下游径向表面的抗电化学腐蚀的阻隔件。
附图说明
通过以非限制性的示例并相对于附图给出的以下详细描述，本发明的其它特点、目的和优点将显现，在附图中：
图1为根据本发明的风扇壳体的示例的横截面的局部视图；
图2为示出根据本发明的风扇壳体的保护方法的示例性实施例的不同步骤的流程图。
具体实施方式
通常，燃气涡轮发动机沿气流方向从上游到下游包括：风扇、一个或多个压缩机级(例如低压压缩机和高压压缩机)、燃烧室、一个或多个涡轮级(例如高压涡轮和低压涡轮)以及气体排放管。
涡轮通过各自的同轴杆被联接至压缩机和风扇。
发动机被容纳在壳体内部，壳体包括对应于发动机的不同元件的若干部件。因此，风扇例如由风扇壳体封闭，该风扇壳体在上游处被连接至空气入口套筒并在下游处被连接至中间壳体的环形套圈。
风扇壳体1包括整体为圆柱形的桶10，该桶具有沿大体与气流平行的纵向轴线X延伸的主方向。壳体的桶10可具有可变的厚度(如文献FR 2 913 053中所表明的)，并且分别在其上游端和下游端处可安装有上游凸缘20和下游凸缘30，以能够使之安装并附接至其他部件，所述其他部件包括空气入口套筒、中间壳体或者甚至为环形套圈。
上游凸缘20和下游凸缘30呈环形形状，并相对于风扇壳体1的纵向轴线X径向地延伸。
上游凸缘20包括上游径向表面22(面向气流)以及下游径向表面24(面向下游凸缘30)。上游凸缘20进一步包括环形顶部26，该环形顶部26在距桶10一定距离处在上游表面22和下游表面24之间延伸。类似地，下游凸缘30具有上游径向表面32(面向上游凸缘20)以及下游径向表面34(面向上游表面32)。下游凸缘30进一步包括环形顶部36，该环形顶部36在距桶10一定距离处在下游凸缘30的上游表面32和下游表面34之间延伸。
这里，风扇壳体1由复合材料制成，该复合材料具有由基质增加密度的纤维增强件。增强件具体包括碳、玻璃、芳族聚酰胺或陶瓷的纤维，并且基质由聚合物例如环氧化物、双马来酰亚胺或者聚酰亚胺制成。
根据专利申请FR 2 913 053的描述，增强件可通过由三维编织制成的具有不同厚度的纤维织构在芯轴上进行缠绕而形成，纤维增强件构成风扇壳体1的完整的纤维预成型件，该纤维预成型件与对应于凸缘的增强部件形成为单个工件。
芯轴包括外表面，该外表面的轮廓对应于待制成的壳体的内表面的轮廓，并且两个凸缘从其适于形成风扇壳体1的上游凸缘和下游凸缘的自由端部处径向地延伸。通过被缠绕在芯轴上，纤维织构与芯轴的轮廓匹配，以使得其端部部件通过搁置在凸缘上而形成对应于壳体1的凸缘20、30的预成型件的部件。
风扇壳体1的桶10的内表面12的全部或一部分可安装有绝缘涂层，该绝缘涂层可包括一组吸音面板。该组吸音面板包括若干并列的面板，该若干并列的面板中的每一个在桶10的内表面12的区段上延伸。通常，面板可由蜂窝结构形成，该蜂窝结构被放置于被应用以抵靠桶10的内表面12的外部表皮与外部多孔表皮之间，蜂窝通过单元形成，该单元的壁在表皮之间大体径向地延伸。例如，关于这些吸音面板的更多细节可参考文献FR 2 613 773。如已知的，吸音面板可通过被集成到面板中的衬垫以及螺丝而被固定到风扇壳体1。
在温度过度上升以致可能损害其正常运行的情况下，尤其在发生故障或火灾的情况下，为了保护风扇壳体1，保护层2至4形成阻隔件以对风扇壳体1的敏感区域进行防火覆盖。
具体地，保护层2至4被配置成限制区域被火焰降解的程度，并且通过限制温度的范围而有利于火焰的熄灭，并且通过风扇壳体1的基质降解而有利于消耗气温变化率。
通常，优选的是，保护层2至4覆盖风扇壳体1的对火敏感的所有区域。
风扇壳体1的最暴露的区域是上游凸缘20的上游径向表面22。在示例性的实施例中，保护层2仅覆盖该表面22。
申请人注意到，风扇壳体1中只有对火敏感的较小表面需要被暴露于使整个风扇壳体1将被降解的火中。因此，在实施例中，风扇壳体1中可能被暴露于火焰中的并且沿方向X具有的长度大于或等于2mm的任何表面优先被防火保护。例如，上游凸缘20的顶部26具有的轴向长度大于2mm，通常约为10mm。因此，上游凸缘20中实际上可能被暴露于火中的顶部26优先被保护层3所覆盖。
这同样应用于风扇壳体1的桶10的外表面14，即，风扇壳体1的在上游凸缘20的下游表面24和下游凸缘30的上游表面32之间延伸的表面14，并且该表面14可被保护层4覆盖。
但是，由于下游凸缘30通常是扇形的，并且因此，与上游凸缘20相比，下游凸缘30本质上被更好地防火保护，因此下游凸缘30不一定需要防火保护，并且因此，可不被保护层覆盖。然而，下游凸缘30可被预防性地覆盖。
优选地，保护层2至4在其被制成之后被直接应用至风扇壳体1。典型地，保护层2至4可在使纤维增强件增加密度的基质进行聚合的步骤之后被应用。
为此，包括预浸玻璃纤维的面板被覆盖S1在上游凸缘20的上游径向表面22上，并且如果需要，被覆盖在上游凸缘20的顶部26上以及桶10的外表面14上。因此，该覆盖是新完成的，即，预浸玻璃纤维面板是柔性的，并且不会预先被聚合。
优选地，若干面板被叠加以便每一个形成保护层2至4。面板的层数可取决于复合壳体的尺寸、保护层延迟或至少减缓起火的能力、以及层的总重量。例如，具有十层的面板可被覆盖在上游凸缘20的上游径向表面22上。
面板随后被聚合S2，以便形成保护层2-4。聚合步骤S2尤其可在压力作用下完成。
优选地，玻璃纤维被预浸有能够热地保护风扇壳体防火的树脂。通过膨胀和分层，预浸的树脂在保护层和工件之间产生气隙，该气隙减小了温度的范围以及气体分解速率。
预浸的树脂被选择以使得预浸玻璃纤维的面板在壳体1上的聚合S2可以在低于壳体1的降解温度(大约135℃)的温度实施。热处理在大约120℃的温度执行。预浸的树脂使得其玻璃化转变温度大于壳体1的区域上的发动机运行温度。树脂可以是180℃的耐热等级。随后，面板到风扇壳体1的粘附通过在安装有预浸玻璃纤维的面板的风扇壳体1的后编造(post–cooking)步骤期间(即，在使风扇壳体1的纤维增强件增加密度的基质的聚合步骤之后)使预浸的树脂进行聚合S2而获得。
意想不到地，申请人注意到，预浸有被指定为可自然地自熄灭的树脂(例如，载有磷酸铵的树脂)的玻璃纤维的面板的使用由于可行性原因、这些面板的覆盖非常易碎，而难以应用于保护风机壳体1防火。实际上，其结果是，最适合的树脂为能够在热的影响下膨胀的树脂，该树脂在热的影响下通过使壳体1的纤维增强件分层来产生绝缘的气隙，从而减小了增强件内的热传递。这避免壳体1的过快的损坏。因此，在被暴露于火中之后，区域被降解的程度被更大地限制，并且温度范围低于在风扇壳体1不具有这种保护层2-4的情况下的温度范围，以使得通过树脂的降解而排放的气流更少，这使得保护层2至4能够减缓火灾蔓延。
通过非限制性的示例，例如，用于面板的树脂可包括环氧树脂、酚醛树脂和/或诸如M26T/50％035型树脂的氰酸酯树脂。关于该树脂，聚合步骤S2在大约120℃到125℃的温度并在3巴的压力作用下进行。
有利地，保护层2简化了风扇壳体1的最终尺寸的控制，以及通过形成牺牲性的过大的厚度而进行的加工操作，该牺牲性的过大的厚度可易于加工，而不存在壳体1的结构尤其是上游凸缘20的这种损坏。实际上，安装有保护层2的风扇壳体1可在所述保护层2的聚合步骤S2之后可选地经历加工步骤S3。保护层2可或多或少地在上游凸缘20的上游表面22上被加工，以便根据施加的尺寸公差来调整风扇壳体1的(沿方向X的)最终的轴向尺寸。
可选地，保护层还可被应用到上游凸缘20的下游表面24以及下游凸缘30的上游表面32。然而，面板在这些表面24、32上的覆盖可证明执行起来是易碎的。实际上，由于凸缘20、30的环形构造，玻璃面板趋向于在凸缘20、30的弯曲基部处(或者在凸缘20、30与桶10的相交处)伸展，该几何特征难以控制。
根据实施例，上游凸缘20的下游表面24以及下游凸缘30的上游表面32的防火保护因此可通过将可由钛制成的环形台面板5应用到这些表面的每一个上而实现。环形台面板5保护上游凸缘20的下游表面24和下游凸缘30的上游表面32防火。对于每个表面24、32，环形台面板5的形状和尺寸适合于所述相应的表面24、32的形状和尺寸，以便确保所述表面24、32的适当的接触以及最佳的防火保护。
例如，环形台面板5可在预浸玻璃纤维的面板的覆盖S1和聚合S2步骤之后，在安装期间被固定以抵靠相应的表面24、32。优选地，其上固定有钛台面板5的表面总体上是平坦的。为此，上游凸缘20的下游表面24和下游凸缘30的上游表面32可在覆盖步骤S1期间被适合的模板保护，该模板在预浸玻璃纤维的面板进行覆盖S1时被放置以抵靠所述表面24、32，这避免了在台面板5被紧固之前对表面24、32的加工操作。
在另一实施例中，风扇壳体1还可包括阻隔件6以抵抗在下游表面34上以及可选地在下游凸缘30的顶部36上形成的电化学腐蚀，以便防止固定到下游凸缘30的金属工件(诸如中间壳体或环形套圈)的电化学腐蚀。
抗腐蚀的阻隔件6避免金属工件和风扇壳体1的纤维增强件之间的接触，并因此避免了电化学腐蚀现象，而且不需要对风扇壳体1或金属工件进行任何额外的改动。
抗电化学腐蚀的阻隔件6可通过编织件、条带或螺旋形的无水玻璃纤维制成，以便获得抗半刚性电化学腐蚀的保护层，随后在风扇壳体1的纤维增强件的应用之前，该保护层被放置为抵靠芯轴的下游径向环形凸缘。基质被注入阻隔件6的玻璃纤维中以及风扇壳体1的增强件中，随后在风扇壳体1的聚合步骤期间进行聚合，这样直接将阻隔件6组合到风扇壳体1。关于该实施例的更多细节可特别参考申请人名下的专利申请FR 1256850。
作为一种变型，为了限制风扇壳体1的生产以及加工步骤的数量，阻隔件6可与保护层2至4类似地制成。实际上，保护层2至4包括玻璃纤维，玻璃纤维本质上形成抗电化学腐蚀的阻隔件，并因此对可选地被应用以抵靠风扇壳体1的金属工件进行保护。在该可选的实施例中，因此，通过将预浸玻璃纤维的一个或多个面板覆盖在下游凸缘30的这些表面34、36上，保护层6进一步形成于下游表面34上以及可选地形成于下游凸缘30的顶部36上。这可防止电化学腐蚀和/或热防火(如果需要的话)。
明显的是，与保护层2类似，抗腐蚀的阻隔件6可参与控制风扇壳体1的最终尺寸，以及通过形成牺牲性的过大的厚度而进行的加工操作，该牺牲性的过大的厚度可易于加工以便使壳体1符合所施加的尺寸公差。
为了进一步改善对固定在风扇壳体1的上游和下游的金属工件抗电化学腐蚀的保护，抗腐蚀的保护层2和/或阻隔件6可覆盖桶10的内表面的部件11、13。实际上，桶10的内表面的这些部件11、13形成保水区域，该保水区域使得这些部件11、13对电化学腐蚀较为敏感。
明显的是，根据每个区域的防火保护的优先等级、容许的容积以及质量限制，面板的层数可根据风扇壳体1的区域而变化。例如，在桶10的内表面12上，在邻近于凸缘20、30的部件11和13中，保护层2的主要功能在于限制电化学腐蚀现象。层的数量因此可被减少，这还与下面的吸音面板产生间隙。例如，保护层4a的厚度在该部件11中可以是大约0.5mm，以便与吸音面板形成大约2.5mm的空间。
Claims (13)
1.用于风扇壳体(1)的防火保护方法(S)，所述风扇壳体(1)包括整体为圆柱形的桶(10)，所述桶(10)具有沿纵向轴线(X)延伸的主方向以及相对于所述纵向轴线(X)从所述桶(10)的上游端径向延伸的上游凸缘(20)，所述风扇壳体(1)由复合材料制成，所述复合材料包括由基质增加密度的纤维增强件，所述基质被聚合，
所述保护方法(S)包括以下步骤：
-将包括预浸有树脂的玻璃纤维的面板覆盖(S1)在所述上游凸缘(20)的上游径向表面(22)上，所述树脂能够热保护所述风扇壳体防火，以及
-将所述树脂进行聚合(S2)以获得保护层(2)。
2.根据权利要求1所述的保护方法(S)，其中，辅助面板也被覆盖(S1)在所述桶(10)的外表面(14)上。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的保护方法(S)，其中，辅助面板也被覆盖(S1)在所述上游凸缘(20)的顶部(26)上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，辅助面板在邻近于所述上游凸缘(20)的部件(11，13)中也被覆盖抵靠所述桶(10)的内表面(12)。
5.根据权利要求4所述的保护方法(S)，其中，比覆盖在所述桶的内表面(12)上的辅助面板更多的辅助面板在邻近于所述上游凸缘(20)的所述部件(11，13)中被覆盖(S1)在所述上游凸缘(20)的上游径向表面(22)上。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的保护方法(S)，其中，优选地在所述面板被覆盖在所述上游凸缘(20)的上游径向表面(22)上的同时，所述辅助面板被聚合(S2)以形成辅助保护层(3，5)以进行防火。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的保护方法(S)，进一步包括在聚合步骤(S2)之后的步骤(S4)，在所述步骤(S4)的期间，由钛制成的环形台面板(5)被固定在所述上游凸缘(20)的下游径向表面(24)上。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的保护方法(S)，其中，所述树脂包括环氧树脂、酚醛树脂和/或诸如M26T/50％035型树脂的氰酸酯树脂。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的保护方法(S)，进一步包括所述上游凸缘(20)的上游径向表面的加工步骤(S3)以便调整所述保护层(2)的厚度。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的保护方法(S)，其中，所述风扇壳体(1)进一步包括下游凸缘(30)，并且所述方法进一步包括如下步骤，在该步骤期间，抗电化学腐蚀的阻隔件(6)被应用以抵靠所述下游凸缘的下游表面(34)。
11.根据权利要求10所述的保护方法(S)，其中，抗电化学腐蚀的所述阻隔件(6)根据以下步骤被应用：
-将包括预浸有能够保护所述风扇壳体的树脂的玻璃纤维的面板覆盖(S1)在所述下游凸缘(30)的下游径向表面(34)上以及可选地覆盖在所述顶部(36)上，以及
-将所述树脂进行聚合(S2)以获得保护层(6)。
12.一种风扇壳体(1)，由复合材料制成，所述复合材料包括由基质增加密度的纤维增强件，所述风扇壳体(1)包括整体为圆柱形的桶(10)，所述桶(10)具有沿纵向轴线(X)延伸的主方向以及相对于所述纵向轴线(X)从所述桶(10)的上游端径向延伸的上游凸缘(20)，
所述风扇壳体(1)的特征在于，所述风扇壳体(1)包括按照根据权利要求1至11中任一项所述的保护方法(S)获得的、位于上游径向表面上的保护层。
13.根据权利要求12所述的风扇壳体(1)，进一步包括相对于所述纵向轴线(X)从所述桶(10)的下游端径向延伸的下游凸缘(30)，以及经由根据权利要求10或权利要求11所述的保护方法(S)获得的、位于下游径向表面(34)上的抗电化学腐蚀的阻隔件(6)。
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