用于涡轮发动机的撞击力分散组件及其制造方法与流程

本公开大体涉及涡轮发动机，且更特别地，涉及与涡轮发动机一起使用的复合风扇包封(containment)壳以及用于制造此壳的方法。

背景技术：

至少一些已知的燃气涡轮发动机包括高压压缩机和低压压缩机、燃烧器和至少一个涡轮。压缩机压缩空气，空气与燃料混合且被引导到燃烧器。然后燃料/空气混合物点燃而产生热燃烧气体，热燃烧气体引导到涡轮。

当发动机在各种状况中操作时，外来物体可吸入到发动机中。更特别地，各种类型的外来物体，从诸如海鸥的大鸟，到冰雹、沙和雨，可夹带在燃气涡轮发动机的入口中。外来物体可撞击叶片，从而导致被撞击的叶片的一部分离开转子。这种状况(称为外来物体损伤)可使转子叶片碰撞到风扇壳上，这可导致沿风扇壳的外表面开裂，且/或可能伤害附近人员。为了有利于防止风扇壳损伤和人员受伤，至少一些已知的发动机包括壳罩，以有利于防止撞击载荷下的开裂传播，以及有利于减小发动机壳穿透附近的应力。

然而，在任何高速弹射撞击风扇壳的时候都会产生冲击波。该冲击波表现得像脉冲、超声波，且在复合部分中以空气中的声速的10倍行进。该冲击波最初以压缩波行进穿过至少一些已知的风扇壳，而无负面影响。然而，当波遇到背后有空气的对接部(诸如风扇壳的外径)时，其转化成张力波。在至少一些已知的风扇壳中，所得的张力波可使复合风扇壳开裂。该开裂发生在撞击之后大约10微秒，此时风扇壳仅有非常少量的折曲。因而，至少一些已知的风扇壳可在弹射动量对风扇壳产生应力之前开裂。冲击波在过去尚未并入已知的风扇壳设计中，且已经将风扇壳设计成具有较大的厚度来减小损伤，这会增加风扇壳的重量。

技术实现要素：

一方面，提供一种撞击力分散组件。撞击力分散组件包括结构面板，结构面板包括第一表面和相对的第二表面。撞击力分散组件还包括联接到第一表面上的冲击分散面板，其中冲击分散面板构造成分散由第二表面上的撞击而产生的冲击波。

另一方面，提供一种用于涡轮发动机的复合风扇壳。风扇壳包括核心，核心包括成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维。核心包括第一表面和相对的第二表面。风扇壳还包括联接到第一表面上的冲击分散面板，其中冲击分散面板构造成分散由第二表面上的撞击而引起的冲击波，以防止多个核心层分离。

又一方面，提供一种组装用于涡轮发动机的复合风扇壳的方法。方法包括提供核心，核心包括成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维，其中核心包括第一表面和相对的第二表面。方法还包括将冲击分散面板联接到第一表面上。冲击分散面板构造成分散由第二表面上的撞击而引起的冲击波，以防止多个核心层分离。

技术方案1.一种撞击力分散组件，包括：

结构面板，其包括第一表面和相对的第二表面；以及

联接到所述第一表面上的冲击分散面板，其中所述冲击分散面板构造成分散由所述第二表面上的撞击而引起的冲击波。

技术方案2.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板包括锯齿形截面。

技术方案3.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板包括多个相邻三角形部件。

技术方案4.根据技术方案3所述的组件，其特征在于，所述三角形部件中的各个三角形部件包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁相对于所述第一表面定向在近似30度至近似80度的范围内。

技术方案5.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板包括联接到所述第一表面上的第三表面和相对的第四表面，其中所述第四表面包括波状截面形状。

技术方案6.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板包括具有第一声阻抗的大致平板，其中所述结构面板包括小于所述第一声阻抗的第二声阻抗。

技术方案7.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板由第一材料形成，且所述结构面板由大致类似于所述第一材料的第二材料形成。

技术方案8.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板由具有第一声阻抗的材料形成，且所述结构面板由具有低于所述第一声阻抗的第二声阻抗的材料形成。

技术方案9.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述冲击分散面板由具有第一声阻抗的材料形成，且所述结构面板由具有大致类似于所述第一声阻抗的第二声阻抗的材料形成。

技术方案10.根据技术方案1所述的组件，其特征在于，所述结构面板包括燃气涡轮发动机的风扇壳。

技术方案11.一种用于涡轮发动机的复合风扇壳，所述风扇壳包括：

核心，其包括成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维，所述核心包括第一表面和相对的第二表面；以及

联接到所述第一表面上的冲击分散面板，其中所述冲击分散面板构造成分散由所述第二表面上的撞击而引起的冲击波，以防止所述多个核心层分离。

技术方案12.根据技术方案11所述的风扇壳，其特征在于，所述冲击分散面板包括成多个面板层的与所述树脂结合在一起的加强纤维，使得所述冲击分散面板和所述核心由相同的材料形成。

技术方案13.根据技术方案11所述的风扇壳，其特征在于，所述冲击分散面板由具有第一声阻抗的材料形成，且所述核心由具有大致类似于所述第一声阻抗的第二声阻抗的材料形成。

技术方案14.根据技术方案11所述的风扇壳，其特征在于，所述冲击分散面板包括联接到所述第一表面上的第三表面和相对的第四表面，其中所述第四表面包括波状截面形状。

技术方案15.根据技术方案11所述的风扇壳，其特征在于，所述冲击分散面板包括多个相邻三角形部件。

技术方案16.根据技术方案15所述的风扇壳，其特征在于，所述三角形部件中的各个三角形部件包括至少一个侧壁，所述至少一个侧壁相对于所述第一表面定向在近似30度至近似80度的范围内。

技术方案17.根据技术方案11所述的风扇壳，其特征在于，所述风扇壳还包括，在所述冲击分散面板对面联接到所述第二表面上的碰撞面板。

技术方案18.一种组装用于涡轮发动机的复合风扇壳的方法，所述方法包括：

提供核心，所述核心包括成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维，其中所述核心包括第一表面和相对的第二表面；以及

将冲击分散面板联接到所述第一表面上，其中所述冲击分散面板构造成分散由所述第二表面上的撞击而引起的冲击波，以防止所述多个核心层分离。

技术方案19.根据技术方案18所述的方法，其特征在于，将冲击分散面板联接到所述第一表面上包括，联接包括成多个面板层的与所述树脂结合在一起的加强纤维的冲击分散面板，使得所述冲击分散面板和所述核心由相同的材料形成。

技术方案20.根据技术方案18所述的方法，其特征在于，将冲击分散面板联接到所述第一表面上包括，联接包括锯齿形截面的冲击分散面板。

附图说明

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。

图2是可与图1中显示的燃气涡轮发动机一起使用的示例性撞击力分散组件的截面图。

图3是可与图2中显示的撞击力分散组件一起使用的示例性风扇壳的放大示意性截面图。

图4是可与图1中显示的燃气涡轮发动机一起使用的备选撞击力分散组件的放大示意性截面图。

图5是可与图1中显示的燃气涡轮发动机一起使用的另一个备选撞击力分散组件的截面图。

图6是可与图1中显示的燃气涡轮发动机一起使用的又一个备选撞击力分散组件的截面图。

零件清单

10燃气涡轮发动机

12风扇组件

13核心发动机

14压缩机

16燃烧器

18高压涡轮

20低压涡轮

22增压器

24风扇叶片

26转子盘

28吸入侧

30排气侧

31第一转子轴

32第二转子轴

34中心轴线

100撞击力分散组件

102壳

104冲击分散面板

106碰撞面板

108长度

110风扇组件长度

112主包封宽度

114内表面

116外表面

118核心

120核心层

122热固性树脂

124三角形部件

126侧壁

128峰

200撞击力分散组件

202结构面板

204冲击分散面板

206碰撞面板

300撞击力分散组件

302结构面板

304冲击分散面板

306碰撞面板

308内表面

310外表面

312内表面

314外表面

400撞击力分散组件

402结构面板

404第一冲击分散面板

406第二冲击分散面板

408碰撞面板。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，应限定用语使其具有以下含义。

单数形式“一个”、“一种”和“该”包括复数参照，除非上下文另外明确的规定。

“可选”或“可选地”表示后面描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且该描述包括发生该事件的情况和不发生该事件的情况。

如本文贯穿说明书和权利要求使用，可应用近似语言来修饰可允许在不改变与其有关的基本功能的情况下改变的任何数量表示。因此，由诸如“大约”、“大概”、“近似”和“大致”的用语或多个用语修饰的值不意于局限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度。在这里和贯穿说明书和权利要求，范围限制可组合和/或互换；此范围是确定的，且包括其中含有的所有子范围，除非上下文或语言另外指示。

如本文使用，用语“轴向”和“轴向地”指的是大致平行于发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，用语“径向”和“径向地”指的是大致垂直于发动机的中心线延伸的方向和定向。另外，如本文使用，用语“周向”和“周向地”指的是围绕发动机的中心弓形地延伸的方向和定向。

涡轮发动机的实施例提供撞击力分散组件，其有利于减轻风扇壳的重量，以及在叶片离开事件、鸟吸入或冰吸入的情况下提高风扇壳的耐用性。特别地，撞击力分散组件包括复合风扇壳，复合风扇壳包括核心，核心由成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维形成。复合风扇壳还包括联接到其上的冲击分散面板。冲击分散面板构造成分散由壳核心上的撞击而引起的冲击波，以防止多个核心层分离。更特别地，冲击分散面板分散初始压缩波，以防止其反射为张力波，且因此防止分离。通过分散冲击波和防止层分离，冲击分散面板使得壳能够在被碎屑撞击时保持其强度。此外，冲击分散面板包括锯齿形截面，且由与壳相同的材料制成，使得冲击分散面板和壳具有相同的声阻抗。在另一个实施例中，冲击分散面板由具有比壳的声阻抗较高的声阻抗的材料制成。在撞击力分散组件中包括冲击分散面板使得能够有较薄的风扇壳和/或碰撞面板，这可减轻发动机的总重量。

参照附图，图1是示例性燃气涡轮发动机10的示意图，燃气涡轮发动机10包括风扇组件12和核心发动机13，核心发动机13包括高压压缩机14和燃烧器16。发动机10还包括高压涡轮18、低压涡轮20和增压器22。风扇组件12包括成阵列的风扇叶片24，其从转子盘26沿径向向外延伸。发动机10具有吸入侧28和排气侧30。风扇组件12和涡轮20由第一转子轴31联接，且压缩机14和涡轮18由第二转子轴32联接。

在操作期间，空气沿中心轴线34流过风扇组件12，且压缩空气供应到高压压缩机14。高度压缩的空气输送到燃烧器16。来自燃烧器16的空气流(在图1中未显示)驱动涡轮18和20，且涡轮20借助于轴31驱动风扇组件12。

图2是示例性撞击力分散组件100的放大示意性截面图，撞击力分散组件100包括风扇包封壳102、冲击分散面板104和碰撞面板106。图3是可与撞击力分散组件100一起使用的风扇壳102的放大示意性截面图。如本文描述的那样，碰撞面板106构造成防止风扇叶片24碰撞或穿透壳102，且冲击分散面板104构造成分散由叶片撞击壳102和碰撞面板106中的至少一者而引起的冲击波。在示例性实施例中，发动机包封壳102是硬壁包封系统，其具有长度108，长度108选择成近似等于风扇组件长度110。更特别地，长度108选择成确保风扇包封壳102大致界定风扇组件12的主包封宽度112。如本文使用，主包封宽度112由在风扇叶片(诸如叶片24)很可能从风扇组件12弹出的区域中，围绕风扇组件12轴向地和周向地两者延伸的区限定。

虽然图2中显示了冲击分散面板104和碰撞面板106具有相等的长度，但构想到冲击分散面板104和碰撞面板106可具有有利于撞击力分散组件100如本文描述的那样操作的任何长度，包括不同的长度。例如，冲击分散面板104包括等于风扇组件长度110或主包封宽度112中的一者的长度。

在示例性实施例中，包封壳102包括第一或内表面114和第二或外表面116。此外，冲击分散面板104联接到包封壳102的外表面116上，且碰撞面板106联接到包封壳102的内表面114上。冲击分散面板104有利于分散来自于由碎屑(例如冰，鸟或风扇叶片)碰撞到内表面114上而引起的冲击波的能量。更特别地，冲击分散面板104在冲击波可损伤壳102之前分散冲击波。如上面描述的那样，当碎屑撞击至少一些已知的风扇壳的内表面时，压缩冲击波行进穿过壳且从暴露的外表面反射为张力波，这可在壳中引起开裂。开裂使壳变弱，使得当碎屑的全部动量撞击壳时，与没有已经存在开裂的情况相比，可发生更大量的损伤。因此，如本文描述的那样，冲击分散面板104分散初始压缩波，以防止其反射为张力波，且因此防止在壳102中形成开裂。

现在参照图3，在示例性实施方式中，壳102包括核心118，核心118部分地由成多个核心层120的加强纤维制成。此外，在示例性实施例中，成核心层120的加强纤维由热固性树脂122结合在一起。任何适当的加强纤维都可用来形成核心层120中的纤维，包括但不限于玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香聚酰胺纤维(例如聚(对亚苯基对苯二甲酰胺)纤维(kevlar^®纤维))、以及它们混合物。任何适当的热固性聚合物树脂122都可用于形成核心118，例如，乙烯基酯树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂、聚亚安酯树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、和它们的混合物。

此外，碰撞面板106(在图2中显示)是撞击力分散组件100的可选特征，且因此在图3中未显示，作为无碰撞面板106的撞击力分散组件100的示例。

如图3中显示的那样，冲击分散面板104包括多个相邻三角形部件124，其联接到壳核心118的外表面116上。在示例性实施例中，各个部件124包括成对的相对的侧壁126，使得各个侧壁126相对于外表面116以角α定向，角α在近似30度至近似80度的范围内。更特别地，各个侧壁126相对于外表面116以角α定向，角α在近似50度至近似70度的范围内。甚至更特别地，各个侧壁126相对于外表面116以角α定向，角α在近似55度至近似65度的范围内。在一个实施例中，各个侧壁126相对于外表面116以近似60度的角α定向。此外，在图2中显示的构造中，侧壁126在外表面116和各个三角形部件124的峰128之间的近似一半处终止。备选地，如图3中显示的那样，侧壁126在外表面116附近终止，使得相邻部件124的侧壁126几乎相交。在任一种构造中，冲击分散面板104都包括大致锯齿形截面。

在示例性实施例中，冲击分散面板104的部件124由与核心118相同的材料形成。更特别地，冲击分散面板104由通过树脂结合在一起的多个层形成。因而，冲击分散面板104和壳102的核心118具有大致类似的声阻抗，使得穿过冲击分散面板104行进的声波表现得大致类似于穿过壳102的核心118行进的声波。如本文使用，用语“声阻抗”意于描述穿过材料的声波中的压力与穿过材料的微粒流率的比。换句话说，“声阻抗”可近似于材料密度和模量的积。当声波以相同声阻抗行进穿过两种材料时，波继续越过两种材料之间的接缝，且不从接缝反射回到第一材料中。因而，穿过壳102的核心118行进的冲击波继续经过外表面116且进入到冲击分散面板104中，使得冲击分散面板104(且更特别地，部件124)分散由内表面114上的撞击而引起的冲击波，以防止多个核心层120分离。

图4是可与燃气涡轮发动机10(在图1中显示)一起使用的备选撞击力分散组件200的放大示意性截面图。撞击力分散组件200包括结构面板202、冲击分散面板204和碰撞面板206。在此实施例中，结构面板202由实心均质材料形成，诸如但不限于金属材料。在撞击力分散组件200中，冲击分散面板204也由相同的实心均质材料形成，使得结构面板202和冲击分散面板204的声阻抗大致类似。类似于撞击力分散组件100，碰撞面板206是撞击力分散组件200的可选特征。除了制作结构面板202和冲击分散面板204的材料之外，结构面板202和冲击分散面板204在形式和功能上大致类似于撞击力分散组件100(在图3中显示)的结构面板102和冲击分散面板104。如上面描述的那样，冲击分散面板204(其由与面板202相同的材料制成且具有相同声阻抗)的形状有利于分散穿过结构面板202行进的冲击波，以防止损伤结构面板202。

图5是可与燃气涡轮发动机10(在图1中显示)一起使用的另一个备选撞击力分散组件300的截面图。撞击力分散组件300包括结构面板302、冲击分散面板304和碰撞面板306。在撞击力分散组件300中，冲击分散面板304由与结构面板302相同的材料形成。材料包括多个交错纤维层和树脂，或实心金属材料。大体上，冲击分散面板304和结构面板302由具有大致类似声阻抗的任何材料形成，使得穿过冲击分散面板304行进的声波表现得大致类似于穿过结构面板302行进的声波，以有利于撞击力分散组件300如本文描述的那样操作。

如图5中显示的那样，结构面板302包括联接到可选的碰撞面板306上的内表面308和联接到冲击分散面板304上的外表面310。更特别地，冲击分散面板304包括联接到外表面310上的内表面312和相对的远侧外表面314。在撞击力分散组件300中，外表面314为波状，使得冲击分散面板304包括波状截面形状而非冲击分散面板104和204的锯齿形状。类似于冲击分散面板104，冲击分散面板304有利于分散来自于由碎屑(例如冰，鸟或风扇叶片)碰撞在内表面306或碰撞面板306上而引起的冲击波的能量。更特别地，冲击分散面板304在冲击波可损伤结构面板302之前分散冲击波。因此，如本文描述的那样，冲击分散面板304分散初始压缩波，以防止其反射为张力波，且因此防止结构面板302中形成开裂。

图6是可与燃气涡轮发动机10(在图1中显示)一起使用的另一个备选撞击力分散组件400的截面图。撞击力分散组件400包括结构面板402、第一冲击分散面板404、第二冲击分散面板406和可选的碰撞面板408。在撞击力分散组件400中，冲击分散面板404和406由与结构面板402不同的材料形成。更特别地，冲击分散面板404和406包括具有第一声阻抗的材料的大致平板，且结构面板402由具有不同的第二声阻抗的材料形成，第二声阻抗小于冲击分散面板404和406的声阻抗。例如，结构面板402由多个交错纤维层和树脂形成，这类似于风扇壳102(在图1-3中显示)，且冲击分散面板404和406由具有比结构面板402的复合材料更高声阻抗的金属材料形成，诸如但不限于，金属材料。大体上，结构面板402以及冲击分散面板404和406由任何材料形成，只要冲击分散面板404和406由具有比结构面板402更高声阻抗的材料形成即可。此外，在示例性实施例中，碰撞面板408也由具有比结构面板402更高声阻抗的材料形成。然而，碰撞面板408可由有利于组件400如本文描述的那样操作的任何材料形成。

在操作中，冲击分散面板404和406有利于分散来自于由碎屑(例如冰，鸟或风扇叶片)碰撞在冲击分散面板406或碰撞面板406上而引起的冲击波的能量。虽然图6中显示了冲击分散面板406定位在结构面板402和碰撞面板408之间，但碰撞面板408可定位在结构面板402和冲击分散面板406之间。冲击分散面板404和406分散冲击波，以防止冲击波损伤结构面板402。当声波穿过具有不同声阻抗的两种材料行进时，波从两种材料之间的接缝反射回到第一材料中。然而，当声波反射离开的材料比声波反射进入的材料具有更高的声阻抗时，声波仍然是压缩波且不转化成张力波。例如，穿过由成交错层的纤维和树脂制成的结构面板402行进的冲击波从由金属材料制成的冲击分散面板404反射为压缩波，压缩波再次经过结构面板402而无影响。然后波从冲击分散面板406反射为压缩波而回到结构面板402中。因而，冲击分散面板404和406分散由分散面板406或碰撞面板406上的撞击而引起的冲击波，以防止成交错层的纤维和树脂分离。此外，在具有碰撞面板406的实施例中，冲击波然后从面板406反射，因为其声阻抗高于结构面板402的声阻抗。因此，冲击波在面板404和406之间反射直到它耗散为止，且防止成层的结构面板402分离。

上面描述的涡轮发动机的实施例提供撞击力分散组件，其有利于减轻风扇壳的重量，以及在叶片离开事件、鸟吸入或冰吸入的情况下提高风扇壳的耐用性。特别地，撞击力分散组件包括复合风扇壳，复合风扇壳包括核心，核心由成多个核心层的与树脂结合在一起的加强纤维形成。复合风扇壳还包括联接到其上的冲击分散面板。冲击分散面板构造成分散由壳核心上的撞击而引起的冲击波，以防止多个核心层分离。更特别地，冲击分散面板分散初始压缩波，以防止其反射为张力波，且因此防止分离。通过分散冲击波和防止层分离，冲击分散面板使得壳能够在被碎屑撞击时保持其强度。此外，冲击分散面板包括锯齿形截面，且由与壳相同的材料制成，使得冲击分散面板和壳具有相同的声阻抗。在另一个实施例中，冲击分散面板由具有比壳更高的声阻抗的材料制成。在撞击力分散组件中包括冲击分散面板使得能够有较薄的风扇壳和/或碰撞面板，这可减轻发动机的总重量。

本文描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下的至少一者：(a)在叶片离开事件、鸟吸入或冰吸入的情况下提高发动机的安全性；(b)提高风扇壳的使用寿命；(c)减轻发动机重量；(d)提高发动机效率；以及(e)减少与发动机相关联的维护和人工成本。

用于撞击力分散组件的方法、系统和设备的示例性实施例不限于本文描述的具体实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可与本文描述的其他构件和/或步骤独立且分开使用。例如，方法还可与需要撞击力分散组件的其他系统和相关联的方法组合使用，且不限于仅用本文描述的涡轮发动机系统和方法实践。相反，示例性实施例可与可受益于撞击力分散组件的许多其他应用、装备和系统结合起来实施和使用。

虽然可在一些附图中显示本公开的各种实施例的具体特征且在其他附图中不显示，但这仅是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可与任何其他附图的任何特征组合而参照和/或请求保护。

该书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何包含的方法。本公开的可申请专利的范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差异的等效结构元件，则意于使这些其他示例处于权利要求的范围内。