由促進氣體排放的有機基質復合材料制成的外殼的制作方法
【專利摘要】一種燃氣渦輪機殼體(100)，其由有機基質復合材料制成，所述有機基質復合材料包括由有機基質致密化的增強件，所述殼體限定一內部容積。所述殼體在其內表面(101)具有結構部件(120)，所述結構部件具有第一表面(120a)和相對的第二表面(120b)，所述第一表面面向所述殼體的內表面，所述第二表面限定流動通道(102)的一部分。所述結構部件(120)的面對所述殼體的內表面(101)的第一表面(120)具有槽(130)。所述槽(130)使得在火災期間因樹脂降解而產生的氣體能排入到流動通道一側。
【專利說明】
由促進氣體排放的有機基質復合材料制成的外殼
技術領域
[0001]本發明涉及燃氣渦輪機殼體，并且更具體地但非排他地，涉及用于航空發動機的燃氣渦輪機風扇殼體。
【背景技術】
[0002]在燃氣渦輪機航空發動機中，風扇殼體執行幾個功能。其限定允許空氣進入發動機進氣通道，支持面向風扇葉片的前端的耐磨材料，可磨損材料通常本身由蜂窩結構支撐。
[0003]諸如風扇殼體的殼體曾經由金屬材料制成，但其現在由的復合材料制成，例如如由通過有機基質致密化的纖維預制件制成，從而有可能使整體重量小于該部位由金屬制成時的重量，而仍然呈現的更高或至少相同的機械強度。在文獻EP I 961 923中描述了由有機基質復合材料制造風扇殼體。
[0004]在航空認證中，風扇殼體是限定“火”區域的部件之一。在這種情況下，其必須是位于所述殼體的外面的機艙室和在殼體的內部限定的流動通道之間的防火墻，且其必須滿足相關的法規要求。
[0005]盡管如此，在防火測試期間，已經發現，撲滅殼體外即在發動機的機艙室外的火焰是很困難的，即使切斷燃燒器之后。
[0006]內容
[0007]因此，希望能夠有可用的解決方案使得能可靠地撲滅在殼體的外側的火。
[0008]由有機基質復合材料制成的試驗片的所有者進行火災測試表明，樹脂在放出氣體時降解。該氣體是易燃的，而且其可以導致即使已經切斷燃燒器燃燒繼續進行。
[0009]對航空發動機的殼體，結構件(如磨蝕和/或隔音板)通過粘合劑固定至殼體的內表面。由業主進行的類似的試驗已經表明，在發生火災的情況下，這些接合在殼體的內表面的部件具有防止因樹脂的降解而產生的氣體從通道附近排出的效果，從而使這種氣體主要排出在殼體的外部，即到火災發生的機艙室。由于氣體是易燃的，在火焰旁排放氣體能導致即使在發動機已被關閉和消防系統已被觸發的情況下火焰繼續燃燒。因此，在存在由有機基復合材料制成的部件的情況下，理想的是優先考慮將因降解而產生的氣體排放至火焰區之外。
[0010]為此，本發明提供了一種燃氣渦輪機殼體，其由有機基質復合材料制成，所述有機基質復合材料包括由有機基質致密化的增強件，所述殼體限定一內部容積并且在其內表面具有結構部件，所述結構部件具有第一表面和相對的第二表面，所述第一表面面向所述殼體的內表面，所述第二表面限定流動通道的一部分，所述殼體的特征在于，所述結構部件的面對所述殼體的內表面的第一表面包括槽，所述槽直接或間接地開口到所述殼體的內部容積，并且所述槽至少沿所述殼體的軸向方向延伸。
[0011]因此，由于存在開口伸到殼體的內部容積的槽，在殼體外存在火焰的情況下，因殼體的基質的降解而產生的氣體可被排出到通道，從而避免在殼體外部干擾滅火。
[0012]附加的槽可以在垂直于軸向第一槽的方向延伸。在本發明的殼體的一方面，所述槽在結構部件的至少一個軸向端部開口。在本發明的殼體的另一方面，所述槽在所述結構部件的軸向端部之前終止，所述槽與在所述結構部件的第二表面開口的穿孔連通。
[0013]在本發明的殼體的另一個實施例中，結構部件經由間隔件螺栓接合在殼體的內表面，從而使得可以在殼體的內表面和結構部件之間具有凹陷或空間，使得在火災期間，因殼體的基質的降解而放出的氣體能排放到通道中。
[0014]在本發明的殼體的又一個實施例中，所述殼體的內表面包括開口至所述結構部件之外的槽。
[0015]在本發明的殼體的一方面，所述結構部件包括蜂窩結構，所述蜂窩結構面向所述殼體的內表面。在這種情況下，結構部件和殼體的內部空間之間的凹部的存在使得殼體的基質的降解過程中釋放出的氣體通過蜂窩結構排入通道。結構部件還可以包括由蜂窩結構支撐的可磨損涂層的層。
[0016]此外，所述槽還可以包括由纖維織物制成的溝道，所述纖維織物例通過基質固結。其用來密封蜂窩結構的不再與殼體的壁接觸的區域。
[0017]在本發明的殼體的又一實施例中，結構部件包括:面向所述殼體的內表面的蜂窩結構;在所述蜂窩結構的表面附近閉合蜂窩結構體的單元的表皮，所述表皮與所述殼體的內表面相對，所述蜂窩結構的單元的壁包括至少一個穿孔，所述表皮，還包括開口到殼體的內部容積的穿孔。
[0018]本發明還提供了一種燃氣渦輪機航空發動機，其包括本發明的風扇保持殼體，還提供了一種飛機，其包括一個或多個這種發動機。
【附圖說明】
[0019]本發明的其它特征和優點從作為非限制性實施例的參照【附圖說明】的本發明的具體實施例中得以體現，其中:
[0020].圖1A和IB分別是現有技術的航空發動機的風扇殼體的透視圖和截面圖；
[0021].圖2A是根據本發明的一個實施例的結構部件的透視圖；
[0022].圖2B是裝配有圖2A的結構部件的有機基質復合材料殼體的截面圖；
[0023].圖3是根據本發明的一個實施例的結構部件的透視圖；
[0024].圖4A是根據本發明的一個實施例的結構部件的透視圖；
[0025].圖4B是裝配有圖4A的結構部件的有機基質復合材料殼體的截面圖；
[0026].圖5A是裝配有根據本發明的一個實施例的結構部件的有機基質復合材料殼體的截面圖；
[0027].圖5B是圖5A的結構部件的透視圖；和
[0028].圖6是裝配有根據本發明的一個實施例的結構的有機基質復合材料殼體的截面圖。
【具體實施方式】
[0029]本發明總體適用于用于燃氣渦輪機并在其內表面具有至少一個結構部件的任何有機基質復合材料殼體。
[0030]以下就應用于燃氣渦輪機航空發動機的風扇殼體的情形說明本發明。
[0031]如圖1A中非常概略地示出的發動機，從氣流的流動方向上游到下游包括:設置在發動機的進氣的風扇I;壓縮機2;燃燒室3;高壓渦輪機4;和低壓渦輪機5。
[0032]發動機被容納在由多個對應于發動機的各種元件制成的殼體內。因而，風扇I由風扇殼體10包圍。
[0033]圖1B示出了風扇殼體10的輪廓，所述風扇殼體10是由有機基質復合材料制成的，即由纖維增強材料制成并由諸如環氧樹脂、雙馬來酰亞胺或聚酰亞胺的聚合物基質增密，所述纖維增強材料例如由碳、玻璃、芳族聚酰胺、或陶瓷纖維制成。在文獻EP I 961 923中具體描述制造這種殼體。
[0034]在當前描述的示例中，殼體10的內側面11設有結構部件20，所述結構部件20由蜂窩結構21和通過例如表皮22(例如由一層樹脂構成)固定到所述蜂窩結構的一層耐磨材料23制成，所述表皮也用于閉合蜂窩結構21的單元210的底部部分，單元的頂部部分通過與它們接觸的殼體的內表面11閉合。結構部件20包括第一表面20a，所述第一表面20a朝向殼體10的內表面11，在本實施例中第一表面20a對應于蜂窩結構21的單元210的高的部分。結構部件具有第二表面20b，所述第二表面與表面20a相對，第二表面的形狀限定流動通道14的一部分。
[0035]在殼體的外表面12附近存在火焰的情形下，在殼體的內表面11附近的構成殼體的基質降解過程中釋放出的氣體(在圖1B中箭頭GD)不能通過部件20到達排出氣體的通道14。因此，該氣體主要在殼體10的外表面12排出，S卩，在火焰附近排出，具有由可燃性降解氣體所有的風險。
[0036]根據本發明的一個實施例，如在圖2A和2B所示出的，類似于上述殼體10的殼體100在其內表面101具有結構部件120，所述結構部件120與上述結構部件20的不同之處在于，結構部件120在其面向殼體100的內表面101的第一表面120a中包括其槽或通道130，所述槽或通道130形成在蜂窩結構121的單元1210的壁1211中，槽130沿著平行于殼體100的軸向方向延伸。與表面120a相對的第二表面120b是由經由表皮122固定到蜂窩結構121的可磨損材料123的層構成。該第二表面120b限定的流動通道102的一部分。槽130使得殼體的材料的有機基質在降解過程中放出的氣體(箭頭GD圖2B)朝向部件120的下游部分流動，以便通過穿孔140排出，如在圖2B所示。在當前描述的示例中，穿孔140存在于在部件120的下游端的可磨損材料123的層中，并且其使得能夠在槽130中流動的氣體排放到位于殼體100的內部容積中的通道102。
[0037]在當前描述的實施例中，槽130包括由纖維織構制成的溝道131，所述纖維織物例如由碳纖維制成，所述碳纖維通過基質(例如環氧樹脂基質)固結。溝道131可通過使用已預浸漬基質前體樹脂并且成形為槽狀的纖維織物制成，以便形成溝道的腹板131a，兩個槽凸緣或邊墻壁131 b和131 c從腹板131 a延伸。溝道131用來密封蜂窩結構的不再與殼體的壁接觸的區域，從而它們避免了任何濕氣滲透到蜂窩結構體的單元中。
[0038]在圖3中所示的變型實施例中，結構部件120還在相對于槽130垂直地延伸的面120a中具有附加槽150，所述附加槽150自身沿殼體100的軸向方向延伸。來自殼體100的降解氣體因而可以在槽130和在槽150中流動，以便通過穿孔140排出，即排出到位于殼體100的內部容積的流動通道中。在當前實施例中，槽130和150包括由纖維織物形成的相應的溝道131和151，所述溝道例如由例如環氧樹脂基質固化的碳纖維制成。溝道131和151可以已預浸漬基質前體樹脂并且成形為槽狀的纖維織物制成，以便分別形成溝道腹板131a和151a，各對側壁131b和131c和151b和151c從溝道腹板131a和151a延伸。溝道131和151用來密封蜂窩結構的不再與殼體的壁接觸的區域，從而避免了任何濕氣滲透到蜂窩結構體的單元中。
[0039]在本發明的另一個實施例中，如圖4A和4B中所示，類似于上述殼體10的殼體200在其內表面201具有結構部件220，與上述結構部件20的不同之處在于，結構部件220在其面對殼體200的內表面201的第一表面220a中包括槽或通道230，所述槽或通道230在蜂窩結構221的單元2210的壁2211中形成，所述槽230沿平行于殼體100的軸向方向延伸。與表面220a相對的第二表面220b由經由表皮222固定至蜂窩結構221的可磨損材料223的層構成。該第二表面220b限定流動通道202的一部分。槽230使得殼體的材料的有機基質在降解過程中放出(圖4B箭頭GD)的氣體朝向部件220的下游部分流動，以便通過形成在槽230的下游端230b的開口240排出，槽230的上游端230a關閉。在槽230中流動的降解氣體然后排放到位于殼體200的內部容積中的通道202。
[0040]在當前描述的實施例中，槽230包括由纖維織構制成的溝道231，所述纖維織物例如由碳纖維制成，所述碳纖維通過基質例如環氧樹脂基質固結。溝道231可通過使用已預浸漬基質前體樹脂并且成形為槽狀的纖維織物制成，以便形成溝道的腹板231a，兩個槽凸緣或邊墻壁231b和231c從腹板231a延伸。溝道231用來密封蜂窩結構的不再與殼體的壁接觸的區域，從而它們避免了任何濕氣尤其是通過開口 240滲透到蜂窩結構體的單元中。在防止濕氣的變型實施例中，存在于槽230附近的單元可以使用膨脹粘合劑或澆注樹脂致密化。[0041 ]在本發明的另一個實施例中，如圖5A和5B中所示，類似于上述殼體10的殼體300在其內表面301具有結構部件320，結構部件320與上述結構部件20的不同之處在于，所述壁蜂窩結構321的單元3210的每個壁3211包括一個或多個穿孔3212。與表面320a相對的且由可磨損材料323的層構成的第二表面320b限定流動通道302的一部分。穿孔3212使得殼體的材料的有機基質在降解過程中放出(圖5B箭頭GD)的并且進入部件320的表面320a附近的單元321的氣體朝向部件320的下游部分流動，以便通過穿孔340排出，如圖5B中所示。在當前描述的示例中，穿孔340存在于表皮322和部件320的下游端的可磨損材料323中，其使得流經穿孔3212的氣體能夠排放到位于殼體300的內部容積中的通道。
[0042]在上述參照圖2、3、4、5和6說明的實施例中，穿孔在結構部件的下游端制成。然而，穿孔也同樣可以在該結構部件的其它位置制成。
[0043]在圖6中所不的本發明的又一實施例中，殼體400在其內表面401附近包括結構部件420，所述結構部件420由蜂窩結構421和通過例如由碳層制成的第一表皮422固定到所述蜂窩結構的一層耐磨材料423制成，第一表皮422也用于閉合蜂窩結構421的單元4210的底部部分，單元的頂部部分通過例如由碳層形成的第二表皮424閉合。結構部件420包括第一表面420a，所述第一表面420a朝向殼體410的內表面401，在本實施例中第一表面420a對應于蜂窩結構421的單元的頂部部分。結構部件具有第二表面20b，所述第二表面與表面420a相對，第二表面的形狀限定流動通道402的一部分。
[0044]在本實施例中，結構部件420經由間隔螺柱430固定到殼體，所述間隔螺柱430首先被粘性地接合到殼體400的內表面401，然后被粘性地接合到部件420的表面420a(在本實施例是由第二表皮424構成)。間隔螺柱430優選地可調高度，從而控制間隙和與渦輪機葉片的尖端的相互作用。通過使用間隔螺柱430，通道或槽430形成在的部件420的表面420a和殼體400的內表面401之間，從而使殼體材料的有機基質的降解過程中放出的氣體(箭頭GD圖6)朝著部件420的下游部分流動，以便排放到通道402。
[0045]在又一實施例中，殼體的內表面包括可打開至該結構部件之外的槽。本實施例可任選地與上述的其它實施例相結合。
【主權項】
1.一種燃氣渦輪機殼體(100; 200; 300; 400)，其由有機基質復合材料制成，所述有機基質復合材料包括由有機基質致密化的增強件，所述殼體限定一內部容積并且在其內表面(101; 201; 301;401)具有結構部件(120; 220; 320;420)，所述結構部件具有第一表面(120a;220a ； 320a ； 420a)和相對的第二表面(120b; 220b ； 320b ； 420b)，所述第一表面面向所述殼體的內表面，所述第二表面限定流動通道(102; 202 ; 302; 402)的一部分，所述殼體的特征在于，所述結構部件(120; 220)的面對所述殼體的內表面(101 ;201)的第一表面(120a; 220a)包括槽(130 ; 230)，所述槽直接或間接地開口到所述殼體的內部容積，并且所述槽(130 ;230)至少沿所述殼體(100)的軸向方向延伸。2.根據權利要求1所述的殼體，其特征在于，所述槽(230)在所述結構部件(220)的至少一個軸向端部開口。3.根據權利要求1或權利要求2所述的殼體，其特征在于，所述槽(130)在所述結構部件(120)的軸向端部之前終止，所述槽包括在所述結構部件的第二表面(120b)開口的穿孔(140)。4.根據權利要求1-3中任一項所述的殼體，其特征在于，第一槽(130)沿所述殼體(100)的軸向方向延伸，第二槽(150)垂直于所述第一槽(130)延伸。5.根據權利要求1-4中的任一項所述殼體，其特征在于，所述殼體的內表面包括開口至所述結構部件之外的槽。6.根據權利要求1-4中任一項所述的殼體，其特征在于，所述結構部件(120; 220; 320;420)包括蜂窩結構(121;221;321;421)，所述蜂窩結構面向所述殼體(100;200;300;400)的內表面(101;201;301;401)。7.根據權利要求6所述的殼體，其特征在于，所述槽包括溝道。8.根據權利要求6或7所述的殼體，其特征在于，所述結構部件(120;220; 320; 420)還包括可磨損涂層(I 23; 223; 323; 423)。9.一種燃氣渦輪機航空發動機，其包括根據權利要求1至8中的任一項所述的風扇保持殼體。10.—種飛機，包括一個或多個根據權利要求9所述的發動機。
【文檔編號】F02C7/25GK105874185SQ201480069825
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2014年12月17日
【發明人】海倫·奎倫特, 托馬斯·朗之萬, 讓-皮埃爾·安德烈·約瑟夫·莫蘭, 阿德里安·派克肖, 弗朗西斯·斯法蒂
【申請人】斯奈克瑪