CN1680684B - 制造燃气涡轮发动机的方法和燃气涡轮发动机的防护装置 - Google Patents

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Abstract

一种制造燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：将发动机壳绕周向地连接在燃气涡轮发动机上。该方法还包括将防护外罩连接到燃气涡轮发动机上，以使该防护外罩至少能够外接燃气涡轮发动机壳的一部分，其中该防护外罩包括多个连在一起的层，其中第一层由连在一起的至少三片形成，第一片由基本上在第一方向上定向的多个纤维构成，第二片由基本上在第二方向上定向的多个纤维构成，即偏转第一片大致45度，第三片由基本上平行于第一方向定位的多个纤维构成，其中多个第一片纤维基本上相对于燃气涡轮发动机轴向进行设置。

Description

制造燃气涡轮发动机的方法和燃气涡轮发动机的防护装置
技术领域
本发明通常涉及燃气涡轮发动机，尤其是涉及操作燃气涡轮发动机的方法和装置。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮发动机通常包括高压和低压压缩机、燃烧室和至少一个涡轮。上述压缩机可对与燃料混合的空气进行压缩，并将其引入燃烧室。随后点燃上述混合物，以产生高热燃烧气体，燃烧气体被引入涡轮，涡轮从燃烧气体中抽取能量，向上述压缩机供能，并产生有用功，以推进飞行中的航空器或者向负载，例如向一个发电机供能。
在工作过程中，一些外界物体不可避免地被吸入到燃气涡轮发动机内。尤其是，不同的外界物体，例如鸟类，冰雹，沙石和/或雨水都可以被夹带在燃气涡轮发动机的入口处。当这些外界物体进入到燃气涡轮发动机内时，这些物体会撞击到叶片上，从而导致受撞击的叶片受损，从转子上松脱。这种条件即所熟知的外部物体损伤(FOD)会导致转子叶片接触到和/或扎进机壳，从而产生沿机壳外表面的裂缝，损伤周围的人员和/或附近的设备。有时，外界物体损伤会导致部分燃气涡轮发动机隆起或挠曲，从而沿着整个机壳引起附加应力。
为了防止这种机壳应力，及将对人员的损伤降到最小，至少一些已知的发动机都具有金属壳体罩，其有利于增强发动机的径向和轴向刚度，并有利于减小机壳周围的应力。但是，由于这种壳体增大了整个燃气涡轮发动机的重量，所以这种壳体不利于机器的性能。
发明内容
根据本发明第一方面，提供了一种制造燃气涡轮发动机的方法，该方法包括：
将发动机壳绕在燃气涡轮发动机上周向地连接；以及
将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机上，以使该防护外罩至少能够外接燃气涡轮发动机壳的一部分，其中该防护外罩包括多个连在一起的层，其中第一层由连在一起的至少三片形成，第一片由在第一方向上取向的多个纤维构成，第二片由在第二方向上取向的多个纤维构成，即相对第一片偏转大致45度，第三片由基本上平行于第一方向定位的多个纤维构成，其中使多个第一片纤维基本上相对于燃气涡轮发动机的轴向定向。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第四片连接到第三片，以使第四片中的多个纤维在某一方向上定向，该方向相对第二片中的纤维的取向偏转大致90度。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述发动机，该发动机包括由纤维玻璃材料制成的第一层。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第一层连接到所述燃气涡轮发动机，以使形成的第一层具有至少0.2286厘米(0.09英寸)的厚度。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第二层连接到第一层，其中第二层由至少三个连接在一起的片构成，以使第二层中的第一片包括在基本上垂直于第一层第一片中的纤维的取向的方向上定向的多个纤维，并且使第二层中的第二片包括在第二方向上定向的多个纤维，该第二方向相对第二层第一片偏转大致45度。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述燃气涡轮发动机，该发动机包括由石墨材料制成的第二层。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第二层连接到第一层，以使形成的第二层具有至少0.2159厘米(0.085英寸)的厚度。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第三层连接到第二层，其中第三层由至少三个连接在一起的片构成，以使第三层中的第一片包括在基本上平行于第一层第一片中的纤维的取向的方向上定向的多个纤维，并且使第三层中的第二片包括在第二方向上定向的多个纤维，该第二方向相对于第三层第一片偏转大致45度。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述发动机，所述发动机包括由纤维玻璃材料制成的第三层。
优选地，将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第三层连接到第二层，以使形成的第三层具有至少0.2286厘米(0.09英寸)的厚度。
根据本发明另一方面，提供了一种具有发动机壳的燃气涡轮发动机的防护装置，该防护装置包括：具有多片的第一层，这些片中每一个又由多个纤维构成，所述多片中的第一片被连接到燃气涡轮发动机上，使第一层至少能够外接机壳的一部分，且使第一片的多个纤维基本上相对于燃气涡轮发动机的轴向定向，所述多片中的第二片连到第一片上，使第二片的多个纤维偏转第一片的纤维大致45度，所述多片中的第三片被连接到上述第二片上，第三片的多个纤维基本上平行于第一片的纤维。
优选地，上述第一层进一步包括和上述第三片相连的第四片，以使上述第四片的多个纤维相对上述第二片的多个纤维偏转大致90度地定向。
优选地，上述第一层由纤维玻璃材料构成。
优选地，上述第一层的厚度大致为0.2286厘米(0.09英寸)。
优选地，所述防护装置进一步包括由多片构成的第二层，这些片中每一个又由多个纤维构成，上述第二层的这些片至少包括第一片和第二片，上述第一片连到上述第一层上，使上述第一片至少能够外接燃气涡轮发动机的一部分，上述第二层中第一片的多个纤维基本上在垂直于发动机轴向方向上定向，第二片连到第二层的第一片上，使第二片的多个纤维相对上述第二层中第一片的多个纤维偏转大致45度。
优选地，上述第二层由石墨材料构成。
优选地，上述第二层的厚度大致为0.2159厘米(0.085英寸)。
优选地，所述防护装置进一步包括由多片构成的第三层，这些片中每一个又由多个纤维构成，上述第三层的这些片至少包括第一片和第二片，上述第三层的第一片连到上述第二层上，使上述第三层中第一片的多个纤维基本上轴向地定向，上述第三层的第二片连到第三层的第一片上，使第二片的多个纤维相对上述第三层中第一片的多个纤维偏转大致45度。
优选地，上述第三层由纤维玻璃材料构成。
优选地，上述第三层的厚度大致为0.2286厘米(0.09英寸)。
在一个方面，提供一种制造燃气涡轮发动机的方法。该方法包括：将发动机壳绕在燃气涡轮发动机上周向地连接。该方法还包括将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机上，以使该防护外罩至少能够外接燃气涡轮发动机壳的一部分，其中该防护外罩包括多个连在一起的层，其中第一层由连在一起的至少三片形成，第一片由基本上在第一方向上取向的多个纤维构成，第二片由基本上在第二方向上取向的多个纤维构成，即相对第一片偏转大致45度，第三片由基本上平行于第一方向定位的多个纤维构成，其中使多个第一片纤维基本上相对于燃气涡轮发动机的轴向定向。
在另一方面，提供一种具有机壳的燃气涡轮发动机的防护装置。该防护装置包括：具有多片的第一层，这些片中每一个又由多个纤维构成。其中的第一片被连接到燃气涡轮发动机上，使第一层至少能够外接机壳的一部分，且第一片的多个纤维基本上相对于燃气涡轮发动机的轴向定向。第二片连到第一片上，使第二片的多个纤维相对第一片的纤维偏转大致45度。第三片被连接到上述第二片上，第三片的多个纤维基本上平行于第一片的纤维。
附图说明
图1是示意性燃气涡轮发动机的简要视图；
图2是叶片防护装置的剖视图，该装置可用在图1所示的燃气涡轮发动机；
图3是图2所示的叶片防护装置部分的剖视图；
图4是区域4(如图2所示)内的、图3中所示叶片防护装置部分的展开图；
图5是另一个实施例中叶片防护装置的剖视图，该装置可用在图1所示的燃气涡轮发动机；
图6是图5中所示叶片防护装置部分的展开图；
图7是另一个实施例中叶片防护装置的剖视图，该装置可用在图1所示的燃气涡轮发动机；
图8是图7中所示叶片防护装置部分的展开图。
具体实施方式
图1是燃气涡轮发动机10的示意图，其包括风扇组件12和中心发动机13，中心发动机又包括高压压缩机14和燃烧室16。燃气涡轮发动机10还包括高压涡轮机18，低压涡轮机20和增压机22。风扇组件12包括一排径向从转动盘26向外延伸的风扇叶片24。该燃气涡轮发动机10具有进气侧28和排气侧30。在一个实施例中，上述燃气涡轮发动机是由通用电气公司(Cincinnati，Ohio)生产的GE90。风扇组件12和涡轮机20均由第一转子轴31连接，压缩机14和涡轮机18均由第二转子轴32连接。
在操作过程中，在基本平行于延伸穿过燃气涡轮发动机10的中轴线34的方向上，空气流经风扇组件12，且受压缩的空气供应到高压压缩机14中。高压压缩空气被输送到燃烧室16。燃烧室16的气流(图1中未示出)驱动涡轮机18、20，该涡轮机20又通过轴31的方式驱动风扇组件12。
图2是风扇组件12部分和示意性燃气涡轮发动机混合防护系统50的剖视图。在示意性实施例中，发动机防护系统50为混合的硬壁防护系统，具有长度为52，大致等于风扇组件12部分的长度54。尤其是，可有选择地调整长度52，以使防护系统50基本上外接一个绕风扇组件12延伸的主要防护区域56。这里所用的主要防护区域56是一种绕风扇组件12在轴向和周向上延伸的区域，表示风扇叶片(未示出)很可能从风扇组件12径向抛出或射出的区域。
图3是示意性燃气涡轮发动机防护系统50部分的剖视图。图4是区域4内防护系统50部分的展开图。在示意性实施例中，燃气涡轮发动机防护系统50包括至少一层60，这些层形成为至少部分地周向地绕风扇组件12延伸。这里所述的“形成”包括用于制造每个燃气涡轮发动机防护系统50的过程，包括但并不限定于制模和层压过程。每一限定层60包括多个由单向材料制成的片62。在这里，单向材料是包括多个薄的、相对柔韧的长纤维，其具有较高的抗拉强度，可以但并不局限是玻璃纤维材料。
在示意性实施例中，发动机防护系统50包括至少一层64。层64包括多个由单向材料制成的片70。在示意性实施例中，这些片70由玻璃纤维制成。在实施例中，每片70的厚度72在整个层64中大致相等。在一个实施例中，每片70的厚度在0.02032厘米到0.254厘米(0.008到0.10英寸)之间。在另一个实施例中，每片70的厚度在大约0.0127厘米到0.381厘米(0.005到0.15英寸)之间。在一个实施例中，每片70的厚度大约为0.02286厘米(0.009英寸)。在上述示意性实施例中，第一层64包括由环氧树脂等粘接剂连成的大约15片70。因此，在示意性实施例中，第一层64大约为0.0381厘米(0.015英寸)厚。
在制造过程中，第一层64形成在风扇组件12上，以使第一层64至少部分地外接于风扇组件12的外周边。尤其是，第一片74被连接到风扇组件12，从而使第一片74内的多个纤维基本上相对于中轴线34轴向进行取向。第二片75连接到第一片74上，使第二片75内的多个纤维相对上述第一片74内的纤维以大约45°偏转。随后第三片76被连接到第二片75上，使第三片76内的多个纤维相对于燃气涡轮发动机10基本上轴向地进行布置。第四片77在连接到上述第三片76上，以使第四片77内的多个纤维基本上垂直于第二片75中的纤维，并相对第三片76内的多个纤维以大致-45°偏转。因此，第一片74和第三片76内的纤维均基本上轴向布置，第二片75和第四片77内的纤维均偏转轴向方向大致45°。
重复上述制造过程，继续完成另一模式的相邻片70，直到第一层64达到所需的整体厚度T为止。随后将一个保护层98粘接到层64的外表面99上。在上述示意性实施例中，保护层98由玻璃材料制成，但并不限定于此。
当发动机防护系统50的制造完成时，在主要防护区域56内，防护系统50在轴向和周向上就有利于减少转子因叶片扎进机壳而产生的裂纹。尤其是，第一层64内纤维的定向可利于增加机壳的轴向刚度，从而使得在绕机壳外周边周向上减小可能产生的裂纹厚度的扩展。特别是，上述第一层纤维有利于将沿机壳外周引发的应力载荷进行再分配。
图5是叶片防护装置100的另一个实施例的剖视图，该装置可用在图1所示的发动机10中。图6是上述叶片防护装置100部分的展开图。防护装置100基本上类似于防护系统50(如图3、4所示)，防护装置100内的元件和防护系统50内相同的元件在图5、6中，由和图3、4中相同的参考标记进行表示。尤其是，在上述示意性实施例中，发动机防护装置100包括第一层64和连接到第一层64的第二层66。
第二层66包括由单向材料制成的多个片80。在示意性实施例中，这些片80由石墨材料制成。在实施例中，每片80的厚度82在整个层66中大致相同。在一个实施例中，每片80的厚度在0.01016厘米到0.01524厘米(0.004到0.006英寸)之间。在另一个实施例中，每片80的厚度在0.00508厘米到0.02032厘米(0.002到0.008英寸)之间。在一个实施例中，每片80的厚度大约为0.0127厘米(0.005英寸)。在上述示意性实施例中，第二层66包括相互通过环氧树脂等粘接剂连接的大致十七片80。因此，在上述示意性实施例中，第二层66大约为0.2159厘米(0.085英寸)厚。
在制造过程中，第二层66形成在第一层64上，使得第二层66至少部分地外接于第一层64的外周边。尤其是，第一片84被连接到第一层64上，从而使第一片84内的多个纤维垂直于中轴线取向。第二片85连接到第一片84上，使片85内的多个纤维相对上述第一片84内的纤维以大约45°偏转。随后第三片86被连接到第二片85上，使第三片86内的多个纤维基本上垂直于中轴线34定向，第四片87在连接到上述第三片86上，以使第四片87内的多个纤维基本上相对第三片86内的多个纤维以大致-45°偏转。因此，第一片84和第三片86内的纤维均基本上彼此平行且大致垂直于中轴线34，第二片85和第四片87内的纤维彼此垂直并偏离中轴线34大致45°。
重复上述制造过程，继续完成另一模式的相邻片80，直到第二层66达到所需的整体厚度T1为止。随后将一个保护层98粘接到层66的外表面101上。在上述示意性实施例中，保护层98由玻璃材料制成，但并不限定于此。
当发动机防护系统100的制造完成时，在主要防护区域56内，防护系统100在轴向和周向上有利于减少当转子叶片扎进机壳而产生的裂纹。尤其是，第一层64内纤维的定向可利于增加机壳的轴向刚度，从而使得绕机壳外周边周向上减小可能产生的裂纹厚度的扩展。特别是，上述第一层纤维有利于将沿机壳外周引发的应力载荷进行再分配。
而且，第二层66内石墨材料的结合，及形成层66的各片80内的纤维的导向有利于增加机壳径向或环绕的刚度。因此在叶片撞击过程中，层66就有利于减小机壳的区域应力。
图7是叶片防护装置110的另一个实施例的剖视图，该装置可用在图1所示的发动机10上。图8是上述叶片防护装置110部分的展开图。防护装置110基本上类似于防护系统50和100(如图3-6所示)，防护装置110内的元件和防护系统50、100内相同的元件在图7、8中，由和图3-6中相同的参考标记进行表示。尤其是，在上述示意性实施例中，燃气涡轮发动机防护装置110包括第一层64，第二层66和第三层68。
第三层68包括多个由单向材料制成的片90。在上述示意性实施例中，这些片90由玻璃环氧树脂材料制成。在实施例中，每片90的厚度92在整个第三层68大致相等。在一个实施例中，每片90的厚度在0.02032厘米到0.0254厘米(0.008到0.010英寸)之间。在另一个实施例中，每片90的厚度在0.0127厘米到0.0381厘米(0.005到0.015英寸)之间。在一个实施例中，每片90的厚度大约为0.02286厘米(0.009英寸)。在上述示意性实施例中，第三层68包括相互由环氧树脂等粘接剂连接的大致十片90。因此，在上述示意性实施例中，第三层68大约为0.2286厘米(0.090英寸)厚。
当发动机防护装置100的制造完成时，在主要防护区域56内，防护系统100在轴向和周向上有利于减少当转子叶片扎进机壳而产生的裂纹。尤其是，第一层64内纤维的定向可利于增加机壳的轴向刚度，从而使得在绕机壳外周边周向上减小可能产生的裂纹厚度的扩展。特别是，上述第一层纤维有利于将沿机壳外周引发的应力载荷进行再分配。
而且，第二层66内石墨材料的结合，及形成层66的各片80内的纤维导向有利于增加机壳的径向或环绕刚度。因此在叶片撞击过程中，层66就有利于减小机壳的区域应力。此外，由于第三层68由玻璃环氧树脂制成，所以，层68有利于增加机壳的轴向刚度和扭转刚度，因此在涡轮机旋转时，有利于减小叶片撞击后机壳产生的相对大的周向裂纹。
上述燃气涡轮发动机系统不但具有成本效率，而且还具有高可靠性，能够减小当叶片扎进机壳时导致的裂纹厚度和裂纹的持续。这种燃气涡轮发动机防护装置包括多个层，由多个彼此交替取向的片来构成，这些片由纤维组成。第一层利于增大机壳的轴向刚度，以使得绕机壳外周边周向上产生的裂纹厚度得以减小。第二层有利于增加机壳的径向或环绕刚度，以使得在叶片撞击过程中减小机壳的区域应力。第三层有利于增加机壳的轴向刚度和扭转刚度，因此在涡轮机旋转时可以减小叶片撞击后机壳产生的相对大的周向裂纹。所以，就提供了一种燃气涡轮发动机防护系统，以具有成本效率地且可靠地减小由叶片撞击过程和外界物体损伤所产生的潜在不利效果。
上面详述了防护装置的示意性实施例。但是防护装置并不限定于这里所述的特定实施例，每一装置的组件均可独立地使用且可和这里所述的组件相分离地被使用。例如，每一防护系统组件还可以和其他燃气涡轮发动机、非燃气涡轮发动机的其他防护系统组件相结合使用。
尽管以不同的特定实施例叙述了本发明，本领域的技术人员可以认识到本发明还可以用不同的修改来实现。

Claims (20)

1.一种制造燃气涡轮发动机的方法，该方法包括：
将发动机壳绕在燃气涡轮发动机上周向地连接；以及
将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机上，以使该防护外罩至少能够外接燃气涡轮发动机壳的一部分，其中该防护外罩包括多个连在一起的层，其中第一层由连在一起的至少三片形成，第一片由在第一方向上取向的多个纤维构成，第二片由在第二方向上取向的多个纤维构成，即相对第一片偏转45度，第三片由平行于第一方向定位的多个纤维构成，其中使多个第一片纤维相对于燃气涡轮发动机的轴向定向。
2.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第四片连接到第三片，以使第四片中的多个纤维在某一方向上定向，该方向相对第二片中的纤维的取向偏转90度。
3.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述发动机，该发动机包括由纤维玻璃材料制成的第一层。
4.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第一层连接到所述燃气涡轮发动机，以使形成的第一层具有至少0.2286厘米(0.09英寸)的厚度。
5.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第二层连接到第一层，其中第二层由至少三个连接在一起的片构成，以使第二层中的第一片包括在垂直于第一层第一片中的纤维的取向的方向上定向的多个纤维，并且使第二层中的第二片包括在第二方向上定向的多个纤维，该第二方向相对第二层第一片偏转45度。
6.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述燃气涡轮发动机，该发动机包括由石墨材料制成的第二层。
7.如权利要求1所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第二层连接到第一层，以使形成的第二层具有至少0.2159厘米(0.085英寸)的厚度。
8.如权利要求7所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第三层连接到第二层，其中第三层由至少三个连接在一起的片构成，以使第三层中的第一片包括在平行于第一层第一片中的纤维的取向的方向上定向的多个纤维，并且使第三层中的第二片包括在第二方向上定向的多个纤维，该第二方向相对于第三层第一片偏转45度。
9.如权利要求7所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将发动机防护外罩连接到所述发动机，所述发动机包括由纤维玻璃材料制成的第三层。
10.如权利要求7所述的方法，其中将发动机防护外罩连接到燃气涡轮发动机还包括将第三层连接到第二层，以使形成的第三层具有至少0.2286厘米(0.09英寸)的厚度。
11.一种具有发动机壳的燃气涡轮发动机的防护装置，该防护装置包括：具有多片的第一层，这些片中每一个又由多个纤维构成，所述多片中的第一片被连接到燃气涡轮发动机上，使第一层至少能够外接机壳的一部分，且使第一片的多个纤维相对于燃气涡轮发动机的轴向定向，所述多片中的第二片连到第一片上，使第二片的多个纤维偏转第一片的纤维45度，所述多片中的第三片被连接到上述第二片上，第三片的多个纤维平行于第一片的纤维。
12.如权利要求11所述的防护装置，其特征在于，上述第一层进一步包括和上述第三片相连的第四片，以使上述第四片的多个纤维相对上述第二片的多个纤维偏转90度地定向。
13.如权利要求11所述的防护装置，其特征在于，上述第一层由纤维玻璃材料构成。
14.如权利要求11所述的防护装置，其特征在于，上述第一层的厚度为0.2286厘米(0.09英寸)。
15.如权利要求11所述的防护装置，其特征在于，进一步包括由多片构成的第二层，这些片中每一个又由多个纤维构成，上述第二层的这些片至少包括第一片和第二片，上述第一片连到上述第一层上，使上述第一片至少能够外接燃气涡轮发动机的一部分，上述第二层中第一片的多个纤维在垂直于发动机轴向方向上定向，第二片连到第二层的第一片上，使第二片的多个纤维相对上述第二层中第一片的多个纤维偏转45度。
16.如权利要求15所述的防护装置，其特征在于，上述第二层由石墨材料构成。
17.如权利要求15所述的防护装置，其特征在于，上述第二层的厚度为0.2159厘米(0.085英寸)。
18.如权利要求15所述的防护装置，其特征在于，进一步包括由多片构成的第三层，这些片中每一个又由多个纤维构成，上述第三层的这些片至少包括第一片和第二片，上述第三层的第一片连到上述第二层上，使上述第三层中第一片的多个纤维轴向地定向，上述第三层的第二片连到第三层的第一片上，使第二片的多个纤维相对上述第三层中第一片的多个纤维偏转45度。
19.如权利要求18所述的防护装置，其特征在于，上述第三层由纤维玻璃材料构成。
20.如权利要求18所述的防护装置，其特征在于，上述第三层的厚度为0.2286厘米(0.09英寸)。
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