SE528948C2 - Ringformad vridstyv statisk komponent för en flygplansmotor - Google Patents

Description

528 948 _2- skelett. Strukturerna belastas mycket under motorns drift.

Strukturerna innefattar vanligtvis ett lagerhus för motoraxlarna, en gasflödeskanal i form av en ringformad ledning samt radiella stöttor, vilka bildar länken mellan motorns inre och yttre delar. Luften tvingas således bakåt genom öppningarna mellan angränsande stöttor.

Motorn monteras på flygplansvingen via ett monteringssystem (normalt en pylon och förbundna dragkraftslänkar) vid ett framtill positionerat fläktramsframmonteringssäte på fläktramen och på ett baktill positionerat turbinramsaktermonteringssäte på turbinramen.

Funktionen hos dessa monteringsmedel är att överföra belastning från motorn till flygplanet. För det mesta finns det två typer av monteringsmedel i en motor, en forsta typ som upptar laterala och .vertikala belastningar och en andra typ som upptar belastningen i den axiella riktningen (dragkraftsmonteiingssäten).

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett syfte med uppfinningen är att åstadkomma en ringformad statisk vridstyv flygplansmotorkomponent med monteringsmedel för fórbindning med ett flygplan, som skapar betingelser för en mer lättviktig motor.

Detta syfte uppnås genom att nämnda monteringsmedel innefattar en kropp utformad i ett kompositmaterial. Kompositer är lättviktiga och har en hög specifik styvhet och hållfasthet. Användning av kompositer gör därför motorns icke-roterande, belastningsbärande, strukturella komponent lättare, medan 'styvheten och stelheten väsentligen bibehålls.

Enligt en föredragen utforingsform bildar kompositkropp en väggstruktur. En sådan struktur skapar villkor för en ännu lättare komponent i motsats till en solid enhet. Vidare innefattar nämnda monteringsmedel ett styvt organ tätt inpassat runt kompositkroppen och det styva organet innefattar ett fórbindningselement for fórbindning med flygplanet. Tack vare denna design fördelas den mekaniska belastningen över en stor yta i kompositen, för att undvika lokala påfrestningskoncentrationer (kompression). nämnda Enligt en ytterligare fóredragen utfiringsform innefattar komponenten ett styvt ringformat stödelement och kompositkroppen är 528 948 stelt fastsatt vid nämnda ringformade stödelement. Tack vare denna design uppnås en hög vridstyvhet.

Enligt en vidareutveckling av den sistnämnda utföringsformen innefattar nämnda styva stödelement en yttre ring och en inre ring, och. nämnda monteringsmedel är arrangerat mellan den inre och yttre ringen, och kompositkroppen är stelt förbunden med båda ringarna för att därigenom bilda den vridstyva enheten.

Ytterligare fördelaktiga utföringsformer och ytterligare fördelar med uppfinningen framgår från den detaljerade beskrivningen nedan och patentkraven.

KORT RITNINGSBESKRIVNING Uppfinningen kommer att förklaras nedan, med hänvisning till utföringsformema visade i de bifogade ritningarna, vari FIG 1 illustrerar en flygplansmotor i en schematiskt skuren sidovy, FIG 2 illustrerar en statisk gasturbinkomponent i flygplansmotom i Fig. 1 i en perspektivistisk vy, FIG 3 illustrerar schematiskt positionerna för tre monteringsmedel i komponenten enligt Fig. 2, FIG 4-9 illustrerar en första utfóringsform av ett dragkrattsmonteringsmedel, FIG 10-13 illustrerar en första utfóringsform av ett monteringsmedel för laterala och vertikala belastningar.

DETALJERAD BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER AV UPPFINNINGEN Uppfinningen kommer nedan att beskrivas för en turbofläktgasturbinflygplansmotor 1, vilken i Figur 1 är omskriven kring en longitudinell centralmotoraxel 2. Motorn 1 innefattar en yttre kapsling 3, eller gondol, en inre kapsling 4 samt en mellanliggande kapsling 5, vilken är koncentrisk med de båda första kapslingarna och delar upp gapet mellan dem i en inre primärgaskanal 6, eller kärnledning, för kompressionen av lufi: samt en sekundärkanal 7, i vilken motorförbiledningsluflaen strömmar. Således är var och en av gaskanalema 6, 7 ringformad i ett tvärsnitt vinkelrätt mot den longitudinella centralmotoraxeln 2. 528 948 Motorn 1 innefattar en fläkt 8, vilken mottar omgivande luft 9, en tillsats- eller lågtryckskompressor (LPC) 10 samt en högtryckskompressor (HPC) 11 arrangerad i primärgaskanalen 6, en brännkammare 12, vilken blandar bränsle med luften trycksatt av högtryckskompressorn 11, för att generera fórbränningsgaser som strömmar nedströms genom en högtrycksturbin (HPT) 13 och en lågtrycksturbin (LPT) 14, från vilken förbränningsgaserna sedan kastas ut från motom.

En högtrycksaxel förenar högtrycksturbinen 13 högtryckskompressorn 11 för att bilda en högtrycksrotor. En lågtrycksaxel förenar lågtrycksturbinen 14 med lågtryckskompressorn , för att bilda en lågtrycksrotor. Till högtryckskompressorn 11, brännkammaren 12 och högtrycksturbinen 13 refereras kollektivt som en kärnmotor. Lågtrycksaxeln är åtminstone delvis roterbart anordnad koaxiellt med och radiellt innanför högtrycksrotorn.

En belastningsbärande, vridstyv motorstruktur 15, i det följande refererad till som en statisk komponent, är arrangerad mellan lågtryckskompressorn 10 och högtryckskompressorn 11 i motoms 1 axiella riktning. Den belastningsbärande statiska komponenten är också känd som en kapsling, hus eller ram. Komponenten 15 är högt belastad under vissa perioder av en normal driftscykel för motom.

Motorn 1 är monterad på flygplanet (ej visat) vid ett framtill med positionerat fläktramsfiammonteringssäte 24 på den statiska komponenten 15 och vid ett _ baktill positionerat turbinramaktermonteringssäte 25 på turbinramen. Ett monteringssystem 26, som normalt innefattar en pylon som utsträcker sig neråt från en flygplansvinge och är förbundet med dragkraftslänkar, är schematiskt indikerat i Figur 1. Monteringssystemet 26 är fastsatt vid de främre och bakre monteringssätena 24, 25.

Figur 2 belastningsbärande illustrerar en perspektivistisk vy över den statiska komponenten 15. Den statiska komponenten 15 innefattar ett ringformat mellanliggande, eller uppdelande, element 16, vilket definierar inre och yttre ringformade passager 17, 18. Den inre passagen 17 bildar en del av den inre primära gaskanalen 6 i flygplansmotorn, och den yttre passagen 18 bildar en del av den sekundära kanalen 7, i vilken motorförbiledningsluften strömmar. 528 948 Det ringformade mellanliggande elementet 16 är mellan ett inre ringformat stödelement 19 och ett yttre ringformat stödelement 20 stöttat av ett flertal över Omkretsen med mellanrum anordnade radiella inre och yttre stöttör 21, 22, eller statorplattor. De inre och yttre stödelementen 19, 20 och det ringförmade mellanliggande elementet 16 är koannulära.

De inre stöttornas 21 motsatta ändar är stelt förbundna med det inre ringformade elementet 19 och det mellanliggande elementet 16, för att överföra strukturella belastningar mellan nämnda element.

Motstående ändar av de yttre stöttoma 22 är stelt förbundna med det mellanliggande elementet 16 och det yttre ringformade elementet 20, för att överföra strukturella belastningar mellan nämnda element.

Luften tvingas bakåt genom öppningar mellan angränsande stöttor 21, 22.

Det ringformade mellanliggande elementet 16 innefattar en yttre ring 27 och en inre ring 28 av metallmaterial, som definierar den yttre passagen 18 respektive den inre passagen 17.

Figur 3 illustrerar schematiskt tre monteringsmedel 101, 102, 201. Ett första monteringsmedel 201 är arrangerat vid en översta, central position. Det första monteringsmedlet 201 är designat för att bära upp laterala och vertikala belastningar, se pilar A och B, i motorn 1. Ett andra och tredje monteringsmedel 101, 102 är arrangerade på motsatta sidor om och distanserade från det första monteringsmedlet 201 i en perifeririktning 29 för den ringförmade komponenten. Det andra och tredje monteringsmedlet 101, 102 är designade för att ta upp dragkraitsbelastningar i den axiella riktningen, se pil C, för motorn och har identisk design.

De tre monteringsmedlen 101, 102, 201 är designade för att arrangeras mellan den inre och yttre ringen 27, 28 i strukturen 15.

En utföringsform av dragkraftsmonteringsmedlet 101 är illustrerad i fig. 4-11. Dragkraflasmonteringsmedlet 101 innefattar en kropp 103 utformad i ett kompösitmateríal. Kompositkroppen 103 är stelt förbunden med båda ringarna 27 , 28 och bildar en vridstyv enhet därmed. Kompositkroppen 103 bildar en lådformad väggstruktur med en kraftfördelande geometri. Kompositkroppen 103 innefattar en polymermatris 104, se Figur 9.

Ett flertal fibrer 105 med hög hållfasthet bildar en utsträckt struktur i denringformade komponentens 15 perifeririktning 29. Mer ' 528 948 bestämt bildar nämnda flertal fibrer 105 med hög hållfasthet en kontinuerlig ringformad struktur. Fiberstrukturen 105 löper genom matrismaterialet 103 och är inbäddad i matrismaterialet 104, som bildar monteringsmedlets 101 kompositkropp 103. Fiberstrukturen 105 är vidare stelt fastsatt vid det mellanliggande ringformade elementet 19.

Kompositväggstrukturen 103 innefattar en frontvägg 106 med en krökt yta som vetter i den ringformade komponentens 15 axiella riktning. Väggstrukturen innefattar vidare tvâ plana motstående, parallella sidoväggar 107, 108 samt en bakvägg 109, som tillsammans med fi-ontväggen bildar en kontinuerlig väggstruktur som definierar ett centralt genomgående hål. En mellanliggande, central stödvägg 110 utsträcker sig mellan front- och bakväggen 106, 109 parallellt med sidoväggarna 107 , 108.

Fiberstruktur 105 utsträcker sig igenom en sidovägg 107, se Figur 4. En parallell fiberstruktur (ej visad) utsträcker sig genom den andra sidoväggen 108.

Dragkraftsmonteringsmedlet 101 innefattar ett styvt organ 111 tätt inpassat runt kompositkroppen 106. Det styva organet 111 innefattar ett förbindningselement 112, i form av en hondel, vid en bakre position för dragkraftsmedlet 101, för förbindning med flygplanet. Mer bestämt innefattar hondelen en öppning i två mellanrumsåtskilda flänsar 113, 114 som utsträcker sig bakåt från kompositkroppen 103. Hondelen 112 är designad för att motta en komplementärt utformad handel av dragkraflzslänksystemet.

Det styva organet 111 innefattar en krökt del 115, med en till krökningen på kompositkroppsfrontväggen 106 komplementär form.

Den krökta delen 115 är inpassad mot den krökta frontväggen 106, för att fördela dragkraflzskraflzer till kompositkroppen. En mellanliggande krökt skiva 116, eller lager, se Figur 5, är arrangerad mellan det styva organets 111 krökta del 115 och frontväggen 106, för att fördela belastningarna till den krökta ytan. Beroende på det faktum att kompositkroppens 103 frontvägg 106 är konvex, uppnås en stor area för upptagning av belastningen. Denna design kommer att fördela belastningarna relativt likformigt över den krökta ytan. Således undviks alla lokala påfrestningskoncentrationer tack vare denna design. 528 948 Det styva organet 111 är utformat av två väggdelar 111a, 111b med en komplementär form gentemot kompositkroppens 103 yttre yta.

Var och en av de båda väggdelarna 111a, 111b innefattar en av nämnda bakre flänsar 113, 114. Var och en av de båda väggdelarna 111a, 111b innefattar vidare en frontfläns 117, 118. De båda väggdelarna 111a, 111b är fastspända runt kompositkroppen 103 för en tät passning och fastsatta vid varandra via nämnda front- och bakflänsar.

Varje sidovalv 107, 108 av kompositkroppen 103 är försedd med en öppning 119 i form av ett genomgående hål. Likaledes är var och en av de båda väggdelarria 111a, 111b av det styva organet 111 försedd med en motsvarande öppning 120. Öppningen 120 i den styva organväggdelen 111a överlappar öppningarna 119 i kompositkroppsidoväggen, vilket bildar ett tvärgående medel genom kroppen 103 för mottagande av ett utsträckt fastsättningselement 121 i form av en bult eller sprint. Öppningen 119 i kompositkroppens 103 sidovägg 107 är större än bulten 121 i tvärsnitt, fór att förhindra bulten från att uppta några axiella belastningar. Således är bulten 121 fri att röra sig relativt sidoväggen 107 i bultens longitudinella riktning. Bultens 121 är förbunden med var och en av väggdelama 111a, 111b. Dragkrafterna bör överföras av kompositkroppen 103 och inte av bulten 121. Bulten 121 är därför icke-stelt förbunden med väggdelarna, 111a, 111b.

Nämnda öppningar 119, 120 samt bulten 121 har en långsträckt, oval, eller plan, form i tvärsnitt. På detta sätt erhålls en stor area för upptagning av belastningar.

Kompositstrukturen kan framställas på olika sätt. I enlighet med ett exempel används hartsöverföringsgiutning. Fibrerna 105 arrangeras först i en önskad kontinuerlig ringformad struktur, till exempel i flera lager. En giutform arrangeras runt den långsträckta fiberstrukturen 105 vid den önskade positionen för kompositkroppen 103.

Kompositmatrismaterialet injiceras därefter i gjutformen, vilket fyller upp utrymmet i gjutforrnen och utrymmet mellan fibrerna.

En utiöringsform av det första monteringsmedlet 201 för upptagning av lateral och vertikala belastningar är illustrerad i Fig. 10- 13. Det första monteringsmedlet 201 är designat på liknande sätt som dragkraflzsmonteríngsmedlen 101, 102 beskrivna ovan. Enbart skillnader i design hos det första monteringsmedlet kommer att beskrivas nedan. 528 948 _g_ Sidoväggarna 207, 208 av kompositväggstrukturen 203 innefattar flera genomgående hål 219 av den ovan nämnda typen fór mottagning av längsträckta fastsättningsmedel av den ovan nämnda typen. Bultarna 221 kommer att överföra belastning från den större plana ytan på bultarna till kompositväggstrukturen 203 och dessutom pressa de båda väggdelarria 207, 208 mot kompositväggstrukturen och därigenom skapa friktionskrafter mellan väggarna av kompositkroppen 203 och det styva organet 211. Som ett alternativ kan väggdelarnas förbindningsytor fórbindas med varandra och bultförbindning skapar sedan kompression på den hopfogade fogen.

Väggstrukturen 203 innefattar en plan frontvägg 206. Ett styvt organ 211 är tätt inpassat runt kompositkroppen 203. Det styva organet 211 bildar en U-form i tvärsnitt och utsträcker sig enbart runt frontväggen 206 och de båda sidoväggarna 207, 208. Således är väggstrukturens 203 bakvägg 209 exponerad. Väggstrukturen 203 innefattar ett förbindningselement 212, i form av en hondel, vid en bakre position fór monteringsmedlet 201, för fórbindning med flygplanet. Mer bestämt innefattar hondelen en öppning som vetter bakåt från kompositkroppen 203. Öppningen 212 är designad för att mottaga en komplementärt utformad handel, företrädesvis i form av en kula.

Det första, andra och tredje monteringsmedlens 101, 102, 201 kroppar 103, 203 är arrangerade vid inbördes avstånd i komponentens perifeririktning. Således bildar det forsta, andra och tredje monteringsmedlets kompositkroppen' 103, 203 separata enheter på fiberstrukturen 105 i perifeririktningen.

Kompositkroppen 103, 203 är företrädesvis utformad i ett härdbart polymerkompositmatrismaterial, speciellt ett härdplastmaterial och lämpligen en epoximatris.

Nämnda fibrer 105 är företrädesvis bildade av ett kolmaterial.

Uppfinningen är inte på något sätt begränsad till de ovan beskrivna utföringsformerna, utan ett antal altemativ och modifikationer är möjliga utan att avvika från de följande patentkravens omfattning.

Designen på monteringsmedlen kan skilja sig från designen visad i ritningarna. Till exempel kan fibremas arrangemang vara annorlunda. Till exempel kan flera lager av ett flertal fibrer arrangeras 528 948 i komponentens perifeririktning. Glasfibrer kan användas som ett alternativ till kolfibrer.

Som en valmöjlighet kan adhesiv bondning användas mellan det styva organets metallsidoväggar och sidoväggarna av kompositkroppen.

Den statiska gasturbinkomponenten kan naturligtvis också anbringas vid andra positioner i motorn, till exempel i turbinsektionen, mellan högtrycksturbinen och lågtrycksturbinen.

Claims (19)

10 15 20 25 30 35 528 948 _10- PATENTKRAV

1. Ringformad vridstyv statisk komponent (15) för en flygplansmotor (1), vilken komponent (15) innefattar minst ett medel (101, 102, 201) for montering av motorn på ett flygplan, varvid komponenten (15) innefattar ett styvt ringformat stödelement (16) kännetecknad av att nämnda monteringsmedel (101, 102, 201) innefattar en kropp (103, 203) utformad i ett kompositmatrial, och att kompositkroppen (103, 203) är stelt fastsatt vid nämnda ringformade stödelement.

2. Komponent enligt patentkrav 1, kännetecknad av att nämnda kompositkropp (103, 203) bildar en väggstruktur.

3. Komponent enligt patentkrav 2, kännetecknad av att nämnda väggstruktur (103) innefattar en frontvägg (106) som vetter i en axiell riktning fór den ringformade komponenten, och att* frontväggen har en krökt form.

4. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda monteringsmedel (101, 102, 201) innefattar ett styvt organ (111, 211) tätt inpassat runt kompositkroppen (103, 203), och att det styva organet innefattar ett fórbindningselement (112, 212) för fórbindning med flygplanet.

5. Komponent enligt patentkrav 4, kännetecknad av att nämnda styva organ (111) innefattar två inbördes rörliga delar (llla, lllb), vilka är fastspända runt kompositkroppen (103).

6. Komponent enligt patentkrav 4 eller 5, kännetecknad av att nämnda styva organ (111, 211) är av metallmaterial.

7. Komponent enligt patentkrav 3 och något av patentkraven 4-6, kännetecknad av att nämnda styva organ (111) innefattar en krökt del (115) med en komplementär form till krökningen på kompositkroppsfrontväggen ( 106), och att den krökta delen är inpassad mot den krökta frontväggen, fór att fördela dragkrafizer till kompositkroppen. 10 15 20 25 30 35 528 948 -11-

8. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda kompositkropp (103, 203) är utformad i ett polymerkompositmaterial.

9. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda kompositkroppsmaterial innefattar ett härdplastmatrismaterial.

10. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda kompositmaterial innefattar en epoximatris.

11. Komponent enligt något av i föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda kompositkroppsmaterial åtminstone delvis innefattar ett flertal fibrer (105) med hög hållfasthet.

12. Komponent enligt patentkrav 11, kännetecknad av att nämnda flertal höghållfasthetsfibrer (105) bildar en utsträckt struktur i den ringformade komponentens (15) perifeririktning, och att fiberstrukturen utsträcker sig över ett längre avstånd i den ringformade komponentens vad kompositkroppsmaterialet gör. perifeririktning än

13. Komponent enligt patentkrav 11, kännetecknad av att nämnda flertal höghållfasthetsfibrer (105) bildar en kontinuerlig ringformad struktur i den ringformade komponentens (15) perifeririktning.

14. Komponent enligt patentkrav 11-13, kännetecknad av att nämnda flertal höghållfasthetsfibrer (105) åtminstone delvis är inbäddade i ett matrismaterial.

15. Komponent enligt patentkrav 11-14, kännetecknad av att nämnda fibrer (105) är utformade av ett kolmaterial.

16. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda styva stödelement (16) är av metallmaterial. 10 15 20 528 948 _12-

17. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att nämnda styva stödelement (16) innefattar en yttre ring (28) och en inre ring (27), att nämnda monteringsmedel (101, 102, 201) är arrangerat mellan den inre och yttre ringen samt att kompositkroppen (103, 203) är stelt förbunden med båda ringarna, for att därigenom bilda en vridstyv enhet.

18. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att komponenten (15) innefattar minst två över Omkretsen med mellanrum anordnade monteringsmedel (101, 102, 201).

19. Komponent enligt något av föregående patentkrav, kännetecknad av att komponenten (15) innefattar tre över omkretsen med mellanrum anordnade monteringsmedel (101, 102, 201), att ett första av nämnda monteringsmedel (201) är arrangerat vid en översta position fór fórbíndning med flygplanet samt att ett andra och tredje (101, 102) av nämnda monteringsmedel är arrangerade på motsatta sidor om det första monteringsmedlet i den ringformade komponentens perifeririktning.