CN110685957A - 叶片包容结构 - Google Patents

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纳加莫汉·戈文哈利·普拉巴卡尔
马诺·库马尔·杰因
尼泰什·杰因
乌玛·马赫斯瓦·多马拉
尼古拉斯·约瑟夫·克雷
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Abstract

公开了一种在涡扇发动机中围绕风扇的叶片包容结构。叶片包容结构包括：网格状材料，用来吸收能量并且包容向外抛出的叶片的片段；内壳；可延展背板，从内壳径向向外间隔开，可延展背板和内壳配合以限定用于网格状材料的容置区域，其中，网格状材料在其径向内表面处通过内壳界定且在其外表面处通过可延展背板界定；和包容覆盖物，覆盖在可延展背板上，包容覆盖物是有效地包容贯穿可延展背板的叶片的片段的类型。

Description

叶片包容结构
技术领域
本发明大体涉及一种围绕涡轮机械转子的包容结构。更特别地，本发明涉及一种风扇叶片包容结构，其包括用于在损坏之后保持涡扇飞行器发动机的风扇的密封区域中的结构强度的手段。
背景技术
风扇包括具有大、重的旋转叶片的转子，并且定位在涡扇发动机的前端处，以迫使外围空气进到流动通道中，以提供推力。由于风扇位于涡扇发动机的前端处，所以，旋转元件最容易受到损坏或灾难性故障，例如，因摄入异物碎片(“FOD”)，诸如，鸟撞击。鸟撞击可能损坏风扇，并且在极端情况下，可能逐出风扇的一个以上片段或整个叶片。
出于实践和规定的原因，必须提供包容结构，防止损坏的风扇叶片或其片段离开发动机舱室并损坏飞行器的其他零件或者伤害乘员。
在一些情境中，存在“飞回家”要求；即，会要求涡扇发动机在叶片脱落事件之后继续作用，或者，至少没有被损坏到使得飞行器不能在航班的剩余时间内飞行。这是结构上的挑战，因为当一个叶片丢失时，大且重的风扇转子存在巨大的不平衡。
各种类型的包容是旧的和公知的，典型地，包括围绕风扇叶片的尖端的环状材料带，用于在它们能穿出发动机并导致对飞行器或周围区域的进一步损坏之前截住片段。一种常规类型是“硬壁”，其只是厚度足够到防止叶片离开的金属结构，诸如钢。不幸的是，这种金属结构可能很重，这与对于轻质飞行器结构的期望相反。另一常规类型是“软壁”，其使用包括弹道织物，诸如芳纶纤维(如，KEVLAR)的结构，以低重量提供足够强度。
一种典型的软壁包容结构是环状的，即，是绕着涡扇发动机的中心线轴线的回转体，并包括内壳、网格状材料、“背板”和弹道织物层，诸如芳纶纤维(如，KEVLAR)，内壳可以称作“风扇壳体”，网格状材料包含由薄分离壁所限定的大的单元格阵列。
内壳的内表面形成流路边界，旋转风扇叶片的尖端非常接近于内表面。内壳可以包含可磨耗材料，如果在正常发动机操作期间风扇叶片尖端意外地接触内壳，则可磨耗材料起作用以牺牲性地摩擦掉。
最典型地，网格状材料的单元格可能是六角形的，这样该材料常常称之为“蜂窝”。用于单元格壁的典型材料是铝片材，其形成为适当的形状并且粘合性地结合或钎焊在一起。蜂窝的目的是用作轻质能量吸收袋，并且例如利用粘合剂粘合到内壳。
在现有技术中，背板可能是诸如聚合物基质复合物(“PMC”)的材料。典型的复合物系统可能是环氧基质中的碳纤维。背板的目的是形成蜂窝的辅助结构，并且例如利用粘合剂粘合到其上。典型地，弹道织物层包括弹道织物的多个裹层。已知不同数量的层、编织图案等。
操作时，可以了解，在叶片脱落事件期间，有可能内壳、蜂窝和/或背板将被部分损坏或被破坏，而弹道织物形成最后的止住物。
现有技术的问题是，PMC复合背板是伸长率相对较小以致最终故障的脆性材料。这可能导致前柱形凸缘和后柱形凸缘与锥形/倾斜区段之间的大孔和/或周向开裂。因为PMC材料是脆性的，所以，开裂会容易扩展360°，损害软壁包容结构的结构完整性。
发明内容
上述问题中的至少一个通过具有可延展、金属背板的软壁包容结构来解决。
根据文中描述的技术的一个方面，在涡扇发动机中围绕风扇的叶片包容结构包括：网格状材料，用来吸收能量并且包容因风扇的损坏而向外抛出的叶片的片段；内壳；可延展背板，从内壳径向向外间隔开，可延展背板和内壳配合以限定用于网格状材料的容置区域，其中，网格状材料在其径向内表面处通过内壳界定且在其外表面处通过可延展背板界定；和包容覆盖物，覆盖在可延展背板上，包容覆盖物是有效地包容贯穿可延展背板的叶片的片段的类型。
根据文中描述的技术的另一方面，在包括具有多个叶片的风扇、风扇壳体和入口罩的燃气涡轮发动机中，叶片包容结构包括：网格状材料，用来吸收能量并且包容因风扇的损坏而向外抛出的叶片的片段；内壳；可延展背板，从内壳径向向外间隔开，可延展背板和内壳配合以限定用于格状材料的容置区域，其中，网格状材料在其径向内表面处通过内壳界定且在其外表面处通过可延展背板界定；和包容覆盖物，覆盖在可延展背板上，包容覆盖物是有效地包容贯穿可延展背板的叶片的片段的类型。
附图说明
通过参考以下连同附图一起的描述可以最好地了解本发明，其中：
图1是涡扇发动机的前部分的横截面上的部分侧视图，该涡扇发动机包括具有根据本发明的一个实施例的叶片包容结构的风扇密封区域。
图2是图1的放大横截面视图，更详细地图示图1的叶片包容结构；
图3是图2的叶片包容结构的背板的横截面视图；以及
图4至图8图示用于围绕图1的涡扇发动机组装图2的叶片包容结构的接头构造。
具体实施方式
参考附图，其中，同一附图标记在各个视图中标示相同元件，图1大体以10描绘示范性涡扇发动机，涡扇发动机具有围绕风扇14的风扇壳体12，并且一般由出口导向轮叶16和支柱17支撑。压缩机区段18位于风扇14的后侧。其他常规元件，诸如燃烧区段、涡轮区段和排气区段(未示出)，包括在常规发动机中。由于这些是本领域技术人员公知的常规元件，所以，省略其进一步的图示和描述。
涡轮(未示出)所驱动的轴20，21以高速驱动压缩机区段18以及风扇14。风扇14通过出口导向轮叶16移动大量空气，在出口导向轮叶16处，它被分散器22划分进入旁通流路24和发动机流路26。旁通流路24中流动的相对大量的空气被直接输送到环状风扇排出喷嘴27，在风扇排出喷嘴27处，它产出涡扇发动机10的相当量的总推力。通过发动机流路26的剩余空气流被压缩，加热并且采用来驱动涡轮(未示出)，涡轮驱动压缩机区段18和风扇14，以及提供排气，产出涡扇发动机10的推力的剩余部分。
风扇14包括多个周向上间隔开的风扇叶片28，风扇叶片28可以由高强度、低重量材料，诸如钛合金或复合材料制作。每个这种叶片可以重达2至3磅的量级，当以其设计速度旋转时，可以具有大约30,000尺磅的动能。根据本发明一个实施例的环状叶片包容结构30直接围绕叶片28的路径安置，并且有效地用于接收可能意外地释放的叶片片段以及保持它们而不准许它们成为涡扇发动机10的外部的自由投射物。而且，叶片包容结构30还有效地用于支撑入口罩31。
现在参考图2，叶片包容结构30在风扇壳体12的后部分的后凸缘32处附接到涡扇发动机10，并且在前凸缘34处有效地用于支撑涡扇发动机10的前部分，诸如入口罩31。
叶片包容结构30包括容置区域36，用于在其中接收网格状材料38。如所图示的，网格状材料38以蜂窝构造形成，但可以是适于吸收能量的任何构造和材料。例如，网格状材料38可以由铝形成。
网格状材料38在其径向内表面处通过内壳40界定，且在其外表面处通过背板46界定。包容覆盖物48覆盖在背板46上，包容覆盖物48例如可以包括多个弹道织物(诸如KEVLAR)层或叠层。包容覆盖物48通过任何合适的手段固定到位，例如通过用常规手段(未示出)夹紧其边缘。
内壳40中的浅凹部52包容合适的摩擦条54，叶片28的尖端56抵靠摩擦条54紧紧适配，用于为减少尖端56上的空气泄漏量而提供密封区域。摩擦条54是这样的材料，该材料在初始运行期间通过叶片28的尖端56可以容易且平滑地磨损掉从而获得尽可能紧密的尖端密封。由于该材料及其使用技术是常规的，所以，文中将不进一步详述。
参考图3，背板46可以是弯曲型的或锥形的。如所图示的，背板46具有位于前端42和后端43处的材料的全厚度“T”以及具有较小厚度“t”的锥形或较薄中间区44，中间区44对应于旋转风扇叶片28的轴向位置。优化背板46的厚度，以帮助在叶片脱落事件期间保持叶片或叶片片段。换言之，如果中间区44太薄，则在叶片脱落事件期间它可能凸出太多。如果太厚，它可能影响前后环的性能。
中间区44可以较薄，因为中间区44位于存在网格状材料38(图2)的最大厚度“TH”的区域中，并且被良好地支撑和保护，所以要求较小的材料厚度。
背板46可以由可延展材料形成，即，不是脆性的且能够变形而不损害结构完整性。可延展材料的示例包括金属合金，诸如铝和钛。因为背板46材料是可延展的，所以，由于初级损坏和开裂不太可能从初级损坏扩展到前柱形凸缘34和后柱形凸缘32中，因此不太可能形成孔；因而，维持结构完整性。
背板46从内壳40和叶片尖端56径向向外间隔预定距离。预定距离超过在风扇14的最大不平衡条件下叶片28的尖端56的最大径向穿透距离。当然，生成该间距所要求的网格状材料38的确切深度取决于发动机及其可能经受的损坏的类型。依照本公开的启示，本领域技术人员将能够在给定一组情境下为有兴趣的任何发动机确定该深度。
当或者如果叶片28的一个以上片段被解放时，片段可能在内壳40中生成穿刺孔并延伸到网格状材料38中，格状材料38设计成挤压并包容片段。然而，在严重的叶片脱落中，片段可能延伸穿过网格状材料38并且进入背板46中。由于背板由可延展材料制作，在片段到达包容覆盖物48以前，背板46可以弯曲或变形，以努力包容这些片段。
可以想像，叶片包容结构30可以是完整的360度环圈。然而，由于刚性且不具有径向余隙的部件的径向堆叠，这可能难以组装。例如，由于网格状材料38的形状和背板46的形状，将网格状材料38轴向上插入背板46中可能是困难的。
背板46可以由组装成360度环的两个以上节段制作。节段之间的接头将需要是刚性的且具有足量的强度。如图4至图8中图示的，对于节段之间的接头，存在若干可能的构造。例如，图4，偏移搭接接头60可以用于使节段62和64互连。偏移搭接接头60可以利用粘合剂来组装，或者，通过将各端66，68焊接在一起来组装。设置有拼接板72，74的对接接头70(图5)可以被使用，并且可以利用铆钉或其他紧固件76来组装。替代地，图6，拼接板72，74可以使用粘合剂或者通过将拼接板72，74焊接到节段62和64的相对侧来组装。互锁搭接接头80(图7)使用一对相对的钩子82，84，并且可以使用粘合剂或通过焊接来固接。最后，图8，接头90是可以使用粘合剂或通过将节段62，64焊接在一起来组装的齐平搭接接头(“搭叠”)。
利用可延展背板46的附加益处，叶片包容结构30提供软壁包容结构的益处，以包容延伸超出网格状材料38的叶片片段。与使用不是可延展的且易于破裂的背板的现有技术方法相对，当片段撞击背板46时，可延展背板46通过膨胀和/或变形帮助保持片段。
前面描述了叶片包容结构。本说明书中公开的全部特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)和/或这样公开的任何方法或处理的所有步骤可以以任何组合来组合，除了这些特征和/或步骤中的至少一些特征和/或步骤的组合是互斥的情况以外。
除非另有明确声明，否则，本说明书中公开的每个特征(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)可以更替为服务于相同、等效或相似目的的替代特征。因而，除非另有明确声明，否则，所公开的每个特征仅是一通用系列等效或相似特征的一个示例。
本发明不受限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书中公开的特征中的任何新颖特征或任何新颖组合(包括任何随附的权利要求书、摘要和附图)，或者，扩展到这样公开的任何方法或处理的步骤中的任何新颖步骤或任何新颖组合。
本发明的各种特征，方面和优点也可以体现在以下条项中描述的各种技术方案中，这些方案可以以任何组合方式组合：
1.一种叶片包容结构，其特征在于，包含：
网格状材料，所述网格状材料用于吸收能量并且包容向外抛出的叶片的片段；
内壳；
可延展背板，所述可延展背板从所述内壳径向向外间隔开，所述可延展背板和内壳配合，以限定用于所述网格状材料的容置区域，其中，所述网格状材料在其径向内表面处由所述内壳界定且在其外表面处由所述可延展背板界定；以及
包容覆盖物，所述包容覆盖物覆盖在所述可延展背板上，所述包容覆盖物是有效地包容贯穿所述可延展背板的所述叶片的片段的类型。
2.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述叶片包容结构由两个以上的节段形成。
3.如条项2所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述两个以上的节段使用接头构造连结在一起，所述接头构造选自由偏移搭接接头、具有拼接板的对接接头、互锁搭接接头和齐平搭接接头组成的群组。
4.如条项3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造使用粘合剂来组装。
5.如条项3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造使用紧固件来组装。
6.如条项3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造通过焊接来组装。
7.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述网格状材料具有蜂窝构造。
8.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述内壳包括安置在所述内壳的凹部中的摩擦条。
9.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述可延展背板包括：
前端，所述前端具有第一厚度；
后端，所述后端具有等于所述第一厚度的厚度；以及
中间区，所述中间区定位在所述前端和所述后端之间，所述中间区具有小于所述第一厚度的第二厚度。
10.如条项9所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述第二厚度的所述中间区与可旋转叶片的轴向位置对准。
11.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述包容覆盖物包括多个弹道织物层或叠层。
12.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述可延展背板由可延展金属合金形成。
13.如条项1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述背板从所述内壳径向向外间隔预定距离，所述预定距离超过在最大不平衡条件下转子的所述叶片的尖端的最大径向穿透距离。
14.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括具有多个叶片的风扇、风扇壳体和入口罩，其特征在于，在所述燃气涡轮发动机中，风扇叶片包容结构包含：
网格状材料，所述网格状材料用于吸收能量并且包容向外抛出的叶片的片段；
内壳；
可延展背板，所述可延展背板从所述内壳径向向外间隔开，所述可延展背板和内壳配合，以限定用于所述网格状材料的容置区域，其中，所述网格状材料在其径向内表面处由所述内壳界定且在其外表面处由所述可延展背板界定；以及
包容覆盖物，所述包容覆盖物覆盖在所述可延展背板上，所述包容覆盖物是有效地包容贯穿所述可延展背板的所述叶片的片段的类型。
15.如条项14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述可延展背板包括：
前端，所述前端具有第一厚度；
后端，所述后端具有等于所述第一厚度的厚度；以及
中间区，所述中间区定位在所述前端和所述后端之间，所述中间区具有小于所述第一厚度的第二厚度。
16.如条项15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述第二厚度的所述中间区与所述风扇的可旋转叶片的轴向位置对准。
17.如条项14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述叶片包容结构由两个以上的节段形成。
18.如条项14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述两个以上的节段使用接头构造连结在一起，所述接头构造选自由偏移搭接接头、具有拼接板的对接接头、互锁搭接接头和齐平搭接接头组成的群组。
19.如条项14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述可延展背板由可延展金属合金形成。
20.如条项14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，其中，所述包容覆盖物包括多个弹道织物层或叠层。

Claims (10)

1.一种叶片包容结构，其特征在于，包含：
网格状材料，所述网格状材料用于吸收能量并且包容向外抛出的叶片的片段；
内壳；
可延展背板，所述可延展背板从所述内壳径向向外间隔开，所述可延展背板和内壳配合，以限定用于所述网格状材料的容置区域，其中，所述网格状材料在其径向内表面处由所述内壳界定且在其外表面处由所述可延展背板界定；以及
包容覆盖物，所述包容覆盖物覆盖在所述可延展背板上，所述包容覆盖物是有效地包容贯穿所述可延展背板的所述叶片的片段的类型。
2.如权利要求1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述叶片包容结构由两个以上的节段形成。
3.如权利要求2所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述两个以上的节段使用接头构造连结在一起，所述接头构造选自由偏移搭接接头、具有拼接板的对接接头、互锁搭接接头和齐平搭接接头组成的群组。
4.如权利要求3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造使用粘合剂来组装。
5.如权利要求3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造使用紧固件来组装。
6.如权利要求3所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述接头构造通过焊接来组装。
7.如权利要求1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述网格状材料具有蜂窝构造。
8.如权利要求1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述内壳包括安置在所述内壳的凹部中的摩擦条。
9.如权利要求1所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述可延展背板包括：
前端，所述前端具有第一厚度；
后端，所述后端具有等于所述第一厚度的厚度；以及
中间区，所述中间区定位在所述前端和所述后端之间，所述中间区具有小于所述第一厚度的第二厚度。
10.如权利要求9所述的叶片包容结构，其特征在于，其中，所述第二厚度的所述中间区与可旋转叶片的轴向位置对准。
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