CN107829980B - 沿周向变化厚度的复合风扇壳 - Google Patents

沿周向变化厚度的复合风扇壳 Download PDF

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Abstract

一种风扇叶片容纳系统(40)包括具有从前凸缘(52)向下游延伸至后凸缘(54)的环形复合外壳(50)的复合风扇壳(42)，以及复合外壳(50)的沿周向变化厚度(T)的部分(48)。与环形复合外壳(50)沿径向向外间隔开的环形复合后板(56)具有沿径向设置在它们之间的环形填充层(60)。环形复合外壳(50)与复合后板(56)之间的环形前和后接缝(64,66)可沿轴向捕获填充层(60)。沿周向变化厚度(T)的部分(48)可包括后接缝(66)中的复合后板(56)的向后延伸的指部(70)，且指部(70)的第一厚度(T1)比沿周向在指部(70)之间的复合外壳(50)的第二厚度(T2)更厚。复合外壳(50)可从前凸缘(52)延伸至后凸缘(54)。后凸缘(54)螺接至后凸缘(54)后方的金属风扇壳(45)的金属凸缘(43)。容纳系统(40)可外接且包绕燃气涡轮发动机风扇区段(46)的风扇(12)和风扇叶片(44)。

Description

沿周向变化厚度的复合风扇壳
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机风扇叶片壳，且更具体地涉及复合风扇叶片容纳壳。
背景技术
飞行器的燃气涡轮发动机在各种状态下操作，且外物可被摄入发动机中。在发动机的操作期间，且具体是在飞行器由发动机供以动力的移动期间，风扇叶片可由外物(例如，如飞鸟或跑道上带入的碎屑)冲击和破坏。对叶片的冲击可破坏叶片，且导致叶片片段或整个叶片移除，且在相对高的速度下沿径向向外飞行。
为了限制或最小化随之而来的破坏，一些已知发动机包括金属或复合壳或外壳，以便于提高发动机的径向和轴向刚度，且便于减小接近发动机壳穿透的应力。已经开发了用于燃气涡轮发动机的复合风扇壳，诸如2007年7月24日公告且转让给本受让人(GeneralElectric公司)的授予Xie等人的美国专利号7,246,990中公开的那些。
复合风扇壳和外壳经历在大的施加负载(诸如风扇叶片脱出(FBO))期间引起的应变造成的破坏。此破坏可发展成延伸360度的裂纹。因此，高度期望的是提供可操作成限制FBO期间的破坏的复合容纳外壳或壳，且高度期望的是此破坏不会发展成延伸360度的裂纹。
发明内容
一种风扇叶片容纳系统包括具有从前凸缘向后或向下游延伸到后凸缘的环形复合外壳的复合风扇壳，以及包括复合外壳的复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分。
环形的前和后接缝可在环形复合外壳与复合后板之间。复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分可包括后接缝中的复合外壳上的复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部。沿周向变化厚度的部分可包括比沿周向在叶或指部之间的复合外壳的第二厚度更厚的叶或指部的第一厚度。
环形复合后板可与环形复合外壳沿径向向外间隔开，且环形填充层(例如，蜂窝)可沿径向设置在它们之间。环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝可将填充层沿轴向捕获在前和后接缝之间。复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分可包括后接缝中的复合外壳上的复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部。叶或指部的第一厚度可比沿周向在叶或指部之间的复合外壳的第二厚度更厚。
一种风扇壳组件包括在复合风扇壳后方或下游且螺接到复合风扇壳上的金属风扇壳，复合风扇壳具有从前凸缘向后或向下游延伸到后凸缘的环形复合外壳。金属风扇壳包括螺接到后凸缘上的金属风扇壳凸缘，以及包括复合外壳的复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分。环形复合后板可与环形复合外壳沿径向向外间隔开，且环形填充层沿径向设置在它们之间。填充层可包括蜂窝。环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝可将填充层沿轴向捕获在前和后接缝之间。复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分可包括后接缝中的复合外壳上的复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部，且叶或指部的第一厚度比沿周向在叶或指部之间的复合外壳的第二厚度更厚。
一种燃气涡轮发动机风扇区段包括具有风扇的风扇区段、包绕风扇且包括在复合风扇壳后方或下游且螺接到复合风扇壳上的金属风扇壳的风扇壳组件，以及包括外接且包绕风扇和风扇叶片的复合风扇壳的风扇叶片容纳系统。复合风扇壳包括从前凸缘向后或向下游延伸至后凸缘的环形复合外壳，金属风扇壳包括螺接到后凸缘上的金属风扇壳凸缘，且复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分包括复合外壳。
燃气涡轮发动机风扇区段还可包括与环形复合外壳沿径向向外间隔开的环形复合后板，以及沿径向设置在它们之间的环形填充层。环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝可将填充层沿轴向捕获在前和后接缝之间。复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分可包括后接缝中的复合外壳上的复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部，且叶或指部的第一厚度比沿周向在叶或指部之间的复合外壳的第二厚度更厚。凯夫拉(Kevlar)环形层可覆盖环形复合后板，以覆盖且包绕复合后板。
实施方案1. 一种风扇叶片容纳系统，包括：
复合风扇壳，
所述复合风扇壳包括从前凸缘向后或向下游延伸至后凸缘的环形复合外壳，以及
包括所述复合外壳的所述复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分。
实施方案2. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，还包括所述环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝。
实施方案3. 根据实施方案2所述的系统，其特征在于，还包括所述复合风扇壳的所述沿周向变化厚度的部分，其包括所述后接缝中的所述复合外壳上的所述复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部。
实施方案4. 根据实施方案3所述的系统，其特征在于，还包括所述沿周向变化厚度的部分，其包括比所述叶或指部周向之间的所述复合外壳的第二厚度更厚的所述叶或指部的第一厚度。
实施方案5. 根据实施方案1所述的系统，其特征在于，还包括与所述环形复合外壳沿径向向外间隔开的环形复合后板，以及沿径向设置在它们之间的环形填充层。
实施方案6. 根据实施方案5所述的系统，其特征在于，还包括包含蜂窝的所述填充层。
实施方案7. 根据实施方案5所述的系统，其特征在于，还包括所述环形复合外壳与复合后板之间的前和后接缝，以将所述填充层沿轴向捕获在所述前和后接缝之间。
实施方案8. 根据实施方案7所述的系统，其特征在于，还包括所述复合风扇壳的所述沿周向变化厚度的部分，其包括所述后接缝中的所述复合外壳上的所述复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部。
实施方案9. 根据实施方案8所述的系统，其特征在于，还包括所述沿周向变化厚度的部分，其包括比沿周向在所述叶片或指部之间的所述复合外壳的第二厚度更厚的所述叶或指部的第一厚度。
实施方案10. 一种风扇壳组件，包括：
在复合风扇壳后方或下游且螺接至该复合风扇壳的金属风扇壳，
所述复合风扇壳包括从前凸缘向后或向下游延伸至后凸缘的环形复合外壳，
所述金属风扇壳包括螺接至所述后凸缘的金属风扇壳凸缘，以及
包括所述复合外壳的所述复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分。
实施方案11. 根据实施方案10所述的风扇壳组件，其特征在于，还包括与所述环形复合外壳沿径向向外间隔开的环形复合后板，以及沿径向设置在它们之间的环形填充层。
实施方案12. 根据实施方案11所述的风扇壳组件，其特征在于，还包括包含蜂窝的填充层。
实施方案13 根据实施方案11所述的风扇壳组件，其特征在于，还包括所述环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝，以将所述填充层捕获在所述前和后接缝之间。
实施方案14. 根据实施方案13所述的风扇壳组件，其特征在于，还包括所述复合风扇壳的所述沿周向变化厚度的部分，其包括所述后接缝中的所述复合外壳上的所述复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部，且所述叶片或指部的第一厚度比沿周向在所述叶或指部之间的所述复合外壳的第二厚度更厚。
实施方案15. 一种燃气涡轮发动机风扇区段，包括：
包括风扇的风扇区段，
风扇壳组件，其包绕所述风扇，且包括在复合风扇壳后方或下游且螺接至该复合风扇壳的金属风扇壳，
风扇叶片容纳系统，其包括外接且包绕所述风扇和所述风扇叶片的所述复合风扇壳，
所述复合风扇壳包括从前凸缘向后或向下游延伸至后凸缘的环形复合外壳，
所述金属风扇壳包括螺接至所述后凸缘的金属风扇壳凸缘，以及
包括所述复合外壳的所述复合风扇壳的沿周向变化厚度的部分。
实施方案16. 根据实施方案15所述的燃气涡轮发动机风扇区段，其特征在于，还包括与所述环形复合外壳沿径向向外间隔开的环形复合后板，以及沿径向设置在它们之间的环形填充层。
实施方案17. 根据实施方案16所述的燃气涡轮发动机风扇区段，其特征在于，还包括包含蜂窝的填充层。
实施方案18. 根据实施方案16所述的燃气涡轮发动机风扇区段，其特征在于，还包括所述环形复合外壳与复合后板之间的环形前和后接缝，以将所述填充层沿轴向捕获在所述前和后接缝之间。
实施方案19. 根据实施方案18所述的燃气涡轮发动机风扇区段，其特征在于，还包括所述复合风扇壳的所述沿周向变化厚度的部分，其包括所述后接缝中的所述复合外壳上的所述复合后板的向后或向下游延伸的叶或指部，且所述叶或指部的第一厚度比沿周向在所述叶或指部之间的所述复合外壳的第二厚度更厚。
实施方案20. 根据实施方案19所述的燃气涡轮发动机风扇区段，其特征在于，还包括覆盖所述环形复合后板的凯夫拉环形层，以覆盖且包绕所述复合后板。
附图说明
图1为包括复合风扇复合壳和具有沿周向变化的厚度的内壳的燃气涡轮发动机的示意性截面图。
图2为用于图1中所示的复合内壳的沿周向变化的厚度的后板和面板的放大截面图。
图3为图2中所示的周向变化厚度的复合外壳中的后板和面板的示意性侧视图。
图4为图3中所示的复合外壳的示意性透视图。
图5为包覆在凯夫拉中的图4中所示的复合外壳的示意性侧视图。
图6为复合外壳的示意性侧视图，没有图5中所示的凯夫拉包覆层。
图7为穿过图6中的7-7的示意性轴向截面视图。
图8为穿过图6中的8-8的示意性轴向截面视图。
图9为穿过图6中的9-9的示意性轴向截面视图。
零件列表
8 中心线轴线
10 燃气涡轮发动机
12 风扇
14 环境空气
16 低压或增压压缩机
18 高压压缩机
20 燃烧器
22 燃烧气体
24 高压涡轮
26 低压涡轮
28 第一或高压轴
30 第二或低压轴
40 风扇叶片容纳系统
41 风扇壳组件
42 复合风扇壳
43 风扇壳凸缘
44 风扇叶片
45 风扇壳
46 风扇区段
48 变化厚度的部分
50 复合外壳
52 前凸缘
54 后凸缘
56 后板
60 填充层
64 前接缝
66 后接缝
70 叶或指部
74 凯夫拉层
T 厚度
T1 第一厚度
T2 第二厚度
P1 第一周向位置
P2 第二周向位置。
具体实施方式
图1中示意性示出了围绕中心线轴线8外接的示例性涡扇燃气涡轮发动机10。发动机10以下游流动关系包括：接收环境空气14的风扇12、低压或增压压缩机16、高压压缩机(HPC)18、使燃料与由HPC 18加压的空气14混合来用于生成向下游流过高压涡轮(HPT)24的燃烧气体22的燃烧器20，以及燃烧气体22从该处从发动机10排出的低压涡轮(LPT)26。第一或高压轴28将HPT 24连结到HPC 18上，且第二或低压轴30将LPT 26连结到风扇12和低压压缩机16两者上。
发动机10的风扇区段46包括风扇12和风扇壳组件41，其中复合风扇壳42外接且包绕风扇12的风扇叶片44。风扇壳组件41还包括在复合风扇壳42后方或下游且螺接到复合风扇壳42上的金属风扇壳45。风扇叶片容纳系统40外接且包绕风扇12和风扇叶片44，以固持任何风扇叶片44或从发动机风扇12移除的风扇叶片片段。"叶片脱出事件"在风扇叶片或其部分从高旁通涡扇发动机的转子意外释放时出现。在飞行期间突然释放时，风扇叶片可以以显著的力冲击周围的风扇壳，且风扇壳上所得的负载可引起风扇壳的周向开裂。
图1-3示出了风扇叶片容纳系统40包括外接风扇叶片44的复合风扇壳42。风扇叶片容纳系统40包括复合风扇壳42的沿周向变化厚度T的部分48。风扇壳42的复合材料是轻量且高强度的材料。围绕复合风扇壳42的周向变化的厚度T设计成引导在大的施加负载期间(例如，风扇叶片脱出(FBO)事件期间)引起的应变。很有益的是，在FBO事件期间将后续壳破坏发展驱动至预期增强区域，诸如金属风扇壳45的金属风扇壳凸缘43。示例性周向变化的厚度T分别由第一周向位置P1和第二周向位置P处的第一厚度T1和第二厚度T2示出。
参看图3-6，复合风扇壳42是环形的，且包括从前凸缘52向后或向下游延伸到后凸缘54的环形复合外壳50。复合外壳的后凸缘54螺接到金属风扇壳45的金属风扇壳凸缘43上。环形复合后板56与环形复合外壳50沿径向向外间隔开，且包绕风扇叶片44。环形填充层60(诸如蜂窝)设置在环形复合外壳50与复合后板56之间。环形填充层60沿轴向捕获在环形复合外壳50与复合后板56之间的环形前接缝64与后接缝66之间。如图4,5,7和8中所示，凯夫拉74的环形层可覆盖和包绕环形复合后板56，其包绕风扇叶片44。
后接缝66包括复合后板56的向后或向下游延伸的叶或指部70。如图7和8中所示，环形复合外壳50接触且沿前接缝64和后接缝66连结到复合后板56上。这提供了复合风扇壳42的周向变化厚度T的部分48，其中较厚的第一厚度T1为组合的环形复合外壳50和复合后板56的厚度。较薄的第二厚度T2是如图9中所示的沿周向变化厚度T的部分48中的复合后板56的叶或指部70周向之间的复合外壳50的厚度。
复合风扇壳42的沿周向变化厚度T的部分48可阻止壳的复合部分中的周向裂纹，且随后的破坏可引导至主复合容纳区域外的金属区域，在该处，金属增强物可用于阻止裂纹且防止周向复合壳破损。容纳外壳设计成在FBO期间经得起破坏，该设计有助于确保破坏不会发展成延伸360度的裂纹。
复合外壳的周向变化的厚度T使得用于任何裂纹发展的曲折路径发生。因此，任何发展都可沿轴向'转向'到添加增强物的区域，诸如金属风扇壳45的金属风扇壳凸缘43。
尽管本文已经描述了认作是本发明的优选和示例性实施例的内容，但本领域的技术人员将从本文的教导内容清楚本发明的其它改型，且因此期望在所附权利要求书中保护落入本发明的真实精神和范围内的所有此类改型。

Claims (10)

1.一种风扇叶片容纳系统(40)，包括：
复合风扇壳(42)，
所述复合风扇壳(42)包括从前凸缘(52)向下游延伸至后凸缘(54)的环形复合外壳(50)，以及
在所述环形复合外壳外部沿径向间隔开的环形复合后板(56)，和沿径向在环形复合后板外部的凯夫拉层(74)，
其中所述复合风扇壳包括第一厚度部分(T1)，该第一厚度部分包括所述环形复合外壳、所述环形复合后板和所述凯夫拉层，
其中所述复合风扇壳包括第二厚度部分(T2)，该第二厚度部分包括所述环形复合外壳，
其中所述第一厚度部分的厚度大于所述第二厚度部分的厚度，且
其中所述第一厚度部分和所述第二厚度部分沿周向变化。
2.根据权利要求1所述的系统(40)，其特征在于，还包括所述环形复合外壳(50)与所述环形复合后板(56)之间的环形前和后接缝(64,66)。
3.根据权利要求2所述的系统(40)，其特征在于，所述第一厚度部分包括所述后接缝(66)中的所述环形复合外壳(50)上的所述环形复合后板(56)的向下游延伸的指部(70)。
4.根据权利要求1所述的系统(40)，其特征在于，沿径向在所述环形复合外壳(50)和所述环形复合后板(56)之间设置有填充层(60)。
5.根据权利要求4所述的系统(40)，其特征在于，所述填充层(60)包括蜂窝。
6.一种风扇壳组件(41)，包括：
在复合风扇壳(42)下游且螺接至该复合风扇壳(42)的金属风扇壳(45)，
所述复合风扇壳(42)包括从前凸缘(52)向下游延伸至后凸缘(54)的环形复合外壳(50)，
所述金属风扇壳(45)包括螺接至所述后凸缘(54)的金属风扇壳凸缘(43)，以及
在所述环形复合外壳外部沿径向间隔开的环形复合后板(56)，和沿径向在环形复合后板外部的凯夫拉层(74)，
其中所述复合风扇壳包括第一厚度部分(T1)，该第一厚度部分包括所述环形复合外壳、所述环形复合后板和所述凯夫拉层，
其中所述复合风扇壳包括第二厚度部分(T2)，该第二厚度部分包括所述环形复合外壳，
其中所述第一厚度部分的厚度大于所述第二厚度部分的厚度，且
其中所述第一厚度部分和所述第二厚度部分沿周向变化。
7.根据权利要求6所述的风扇壳组件(41)，其特征在于，沿径向在所述环形复合外壳(50)和所述环形复合后板(56)之间设置有填充层(60)。
8.一种燃气涡轮发动机风扇区段(46)，包括：
包括风扇(12)的风扇区段(46)，
风扇壳组件(41)，其包绕所述风扇(12)，且包括在复合风扇壳(42)下游且螺接至该复合风扇壳(42)的金属风扇壳(45)，
风扇叶片容纳系统(40)，其包括限制且包绕所述风扇(12)的所述复合风扇壳(42)，
所述复合风扇壳(42)包括从前凸缘(52)向下游延伸至后凸缘(54)的环形复合外壳(50)，
所述金属风扇壳(45)包括螺接至所述后凸缘(54)的金属风扇壳凸缘(43)，以及
在所述环形复合外壳外部沿径向间隔开的环形复合后板(56)，和沿径向在环形复合后板外部的凯夫拉层(74)，
其中所述复合风扇壳包括第一厚度部分(T1)，该第一厚度部分包括所述环形复合外壳、所述环形复合后板和所述凯夫拉层，
其中所述复合风扇壳包括第二厚度部分(T2)，该第二厚度部分包括所述环形复合外壳，
其中所述第一厚度部分的厚度大于所述第二厚度部分的厚度，且
其中所述第一厚度部分和所述第二厚度部分沿周向变化。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机风扇区段(46)，其特征在于，沿径向在所述环形复合外壳(50)和所述环形复合后板(56)之间设置有填充层(60)。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机风扇区段(46)，其特征在于，还包括：
所述环形复合外壳(50)与所述环形复合后板(56)之间的环形前和后接缝(64,66)，以将所述填充层(60)沿轴向捕获在所述前和后接缝(64,66)之间，以及
其中所述第一厚度部分包括所述后接缝(66)中的所述环形复合外壳(50)上的所述环形复合后板(56)的向下游延伸的指部(70)。
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