本公开一般涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及具有转子区段容纳组件的涡轮发动机，所述转子区段容纳组件具有对组件的各部件进行加强的结构附接构件。
背景技术：
至少一些已知的燃气涡轮发动机(例如飞行器发动机)包括核心发动机、向核心发动机供应空气的风扇组件和容纳组件，所述容纳组件围绕核心发动机和风扇组件周向地延伸。已知的燃气涡轮发动机包括的容纳组件包括两件式风扇壳体：前部壳体和后部壳体，所述前部壳体由复合材料制成，并包围风扇组件；所述后部壳体由金属材料制成并包围出口导叶和核心发动机。后部金属壳体提供与发动机底座和出口导叶联接的耐用结构，这能够经受来自涡轮发动机内部的冲击，例如在不可预料的叶片脱落状态中。然而，后部金属壳体增大了风扇壳体的总重量，与前部壳体和后部壳体的组装有关的难度和时间提高了总的制造成本。
技术实现要素：
在一方面，提供了一种用于涡轮发动机中的容纳组件。所述容纳组件包括由复合材料形成的风扇壳体。所述风扇壳体包括前端、后端和在所述前端和所述后端之间通过所述风扇壳体限定的开口。所述容纳组件还包括由金属材料形成并联接到所述风扇壳体的结构附接构件。所述结构附接构件位于所述风扇壳体的开口内，并配置成接纳至少一个紧固件以将部件联接到所述结构附接构件。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述风扇壳体包括第一凸缘，所述结构附接构件包括与所述第一凸缘对准的第二凸缘。在所述对准的第一和第二凸缘之间限定接缝。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述容纳组件还包括加强装置，所述加强装置联接到所述第一凸缘和所述第二凸缘，使得所述加强装置越过所述接缝延伸。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述加强装置包括板，所述板用多个紧固件联接到所述第一凸缘和所述第二凸缘。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述结构附接构件包括第一唇部，所述第一唇部围绕所述结构附接构件的周界延伸，并且所述风扇壳体包括第二唇部，所述第二唇部围绕所述开口的周界延伸。所述第一唇部联接到所述第二唇部以形成围绕所述结构附接构件的周界的接头。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述第一唇部和所述第二唇部成锥形，使得所述接头的厚度与所述结构附接构件的厚度基本相似。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述第二唇部包括第一厚度，并且所述第一唇部包括比所述第一厚度小的第二厚度。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述第一材料包括复合材料，并且所述第二材料包括金属材料。
在另一方面，提供了一种涡轮发动机。所述涡轮发动机包括出口导叶和位于所述出口导叶的径向外部的风扇壳体。所述风扇壳体包括前端、后端和在所述前端和所述后端之间通过所述风扇壳体限定的开口。所述涡轮发动机还包括联接到所述风扇壳体的结构附接构件。所述结构附接构件位于所述开口内，并且还用至少一个紧固件联接到所述出口导叶。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述风扇壳体由复合材料形成，并且所述结构附接构件由金属材料形成。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述结构附接构件围绕所述风扇壳体周向地延伸20度到50度的范围。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述风扇壳体包括第一凸缘，所述结构附接构件包括与所述第一凸缘对准的第二凸缘。在所述对准的第一和第二凸缘之间限定接缝。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述涡轮发动机还包括加强装置，所述加强装置联接到所述第一凸缘和所述第二凸缘，使得所述加强装置延伸越过所述接缝。所述加强装置包括U形联接件，所述U形联接件联接到所述第一和第二凸缘的前侧和后侧。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，所述风扇壳体包括在所述后端处的V形槽。所述V形槽与所述风扇壳体由复合材料一体地形成。
在又一方面，提供了一种形成用于涡轮发动机中的容纳组件的方法。所述方法包括由复合材料形成风扇壳体，并在所述风扇壳体中加工开口。所述方法还包括由金属材料形成结构附接构件，并将所述结构附接构件联接到所述风扇壳体，使得所述结构附接构件位于所述开口内。所述方法还包括使用至少一个紧固件将部件联接到所述结构附接构件。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，加工所述开口包括加工围绕所述风扇壳体在20度到50度的范围内周向地延伸的开口。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，将所述结构附接构件联接到所述风扇壳体还包括：在所述风扇壳体和所述结构附接构件中钻多个孔；以及通过所述多个孔插入多个紧固件以将所述风扇壳体联接到所述结构附接构件。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，将所述结构附接构件联接到所述风扇壳体还包括：越过通过将所述风扇壳体的第一凸缘和所述结构附接构件的第二凸缘对准形成的接缝，联接加强装置。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，联接所述加强装置包括使用多个紧固件将板联接到对准的第一和第二凸缘的前侧和后侧中的一个。
在本公开的一方面，其可以包括任一前述和/或以下实例和方面的主题的至少一部分，联接所述加装装置包括将U形联接件联接到所述对准的第一和第二凸缘的前侧和后侧，使得所述联接件跨骑在所述第一和第二凸缘上。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在所有附图中相同的标号表示相同的零件，在附图中：
图1是示范性涡轮发动机的示意性图示；
图2是可以用在图1所示的涡轮发动机中的示范性容纳组件的横截面图示；
图3是图2所示的容纳组件的透视图，说明示范性风扇壳体和示范性结构附接构件；
图4是图3所示的结构附接构件的透视图；
图5是沿区域5截取的图2所示容纳组件的一部分的横截面图示，说明图2所示的容纳组件的加强装置的第一示范性实施例；
图6是图2所示的容纳组件的透视图，说明图2所示的容纳组件的加强装置的第二示范性实施例；
图7是沿区域5截取的图2所示容纳组件的一部分的横截面图示，说明图6所示的示范性加强装置；
图8是图2所示的容纳组件的接头的第一示范性实施例的横截面图示；
图9是图2所示的容纳组件的接头的第二示范性实施例的横截面图示；
图10是图2所示的容纳组件的接头的第三示范性实施例的横截面图示；以及
图11是沿区域11截取的图2所示容纳组件的一部分的横截面图示。
除非另外指明，否则本文中所提供的附图用来说明本发明的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本发明的一个或多个实施例的广泛多种系统。由此，附图并非意在包括所属领域的技术人员已知的实践本文中所公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将引用若干术语，所述术语应定义为具有以下含义。
除非上下文明确地另外指明，否则单数形式“一”和“所述”包括复数指代物。
“任选”或“视需要”意指随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，且所述描述包括事件发生的情况和事件不发生的情况。
如本文在整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言可应用于修饰可以许可的方式变化而不会导致其相关的基本功能改变的任何定量表示。因此，由例如“约”、“大约”和“基本上”的一个或多个术语修饰的值不限于指定的确切值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量所述值的仪器的精度。在此处以及贯穿本说明书和权利要求，可组合和/或互换范围限制。除非上下文或措辞另外指示，否则此类范围可标识出来，且包括其中含有的所有子范围。
如本文所使用，用语“轴向”和“轴向地”是指大体上平行于涡轮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”是指大体上垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。另外，如本文所使用，用语“周向”和“周向地”是指围绕涡轮发动机的中心线弓状延伸的方向和定向。
本公开的实施例涉及转子区段容纳组件，所述转子区段容纳组件具有对组件的各部件进行加强的结构附接构件。更具体地，本文所描述的容纳组件包括由复合材料形成的风扇壳体和由金属材料形成并联接到风扇外壳的结构附接构件。风扇壳体包括前端、后端和在所述前端和所述后端之间限定的开口。所述结构附接构件位于风扇壳体的所述开口内，并且还联接到涡轮发动机的出口导叶和发动机安装结构。设计特征包括：满足容纳组件的大多数强度要求的轻重量复合风扇壳体；以及提供强度增强区段的金属结构附接构件，其具有前部底座以及相应连接件以用于联接到发动机安装结构和出口导叶，而不大大增加容纳组件的总重量。
尽管在涡扇发动机的背景下描述以下实施例，但应当理解本文所描述的系统和方法还适用于例如涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机以及地面涡轮发动机。
图1是示范性涡轮发动机10的示意图，包括风扇组件12、低压或升压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18。风扇组件12、升压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18流体连通地联接。涡轮发动机10还包括高压涡轮组件20，所述高压涡轮组件20与燃烧器组件18和低压涡轮组件22流体连通地联接。风扇组件12包括风扇叶片24的阵列，所述风扇叶片24的阵列从转子盘26朝包括风扇壳体29的机舱27径向向外延伸。涡轮壳体31围绕低压或升压压缩机组件14、高压压缩机组件16、燃烧器组件18、高压涡轮组件20和低压涡轮组件22周向地延伸。涡轮发动机还包括出口导叶33，所述出口导叶位于风扇组件12后部，并从涡轮壳体31延伸到风扇壳体29。低压涡轮组件22通过第一驱动轴28联接到风扇组件12和升压压缩机组件14，高压涡轮组件20通过第二驱动轴30联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进气口32和排气口34。涡轮发动机10还包括中心线36，风扇组件12、升压压缩机组件14、高压压缩机组件16和涡轮组件20、22围绕所述中心线36旋转。
操作中，通过进气口32进入涡轮发动机10的空气从通道传送通过风扇组件12并朝升压压缩机组件14传送。压缩空气从升压压缩机组件14排出，送入高压压缩机组件16。高度压缩的空气从高压压缩机组件16通道传送到燃烧器组件18，在此与燃料混合，混合物在燃烧器组件18内燃烧。由燃烧器组件18产生的高温燃烧气体从通道向涡轮组件20和22传送。随后，燃烧气体通过排气口34从涡轮发动机10排出。
图2是可以用在涡轮发动机10(图1中示出)中的示范性容纳组件100的横截面图示。图3是容纳组件100的透视图，包括示范性结构附接构件104和风扇壳体29(图1中示出)，风扇壳体29以示范性风扇壳体102实施。图4是出于简洁去掉了风扇壳体102的结构附接构件104的透视图。图5是沿区域5(图2中示出)截取的容纳组件100的一部分的横截面图示。
在所述示范性实施例中，容纳组件100包括环形风扇壳体102和结构附接构件104。风扇壳体102包括前端106和相对的后端108。风扇壳体102还包括在端部106和108之间的由其限定的开口110。开口110是通孔，位置紧邻风扇壳体102的后端108。如图2所示，开口110在端部106和108之间只延伸部分轴向距离。更具体地，开口110与出口导叶33轴向对准，并包括稍微比出口导叶33的轴向长度长的轴向长度。
在示范性实施例中，结构附接构件104是联接到风扇壳体102的弓形段，并且更具体地，结构附接构件104位于风扇壳体102的开口110内。如图2所示，结构附接构件104还联接到出口导叶33并联接到发动机安装结构35，使得结构附接构件104径向地位于出口导叶33和安装结构35之间(为了简洁，从图3和图4中省略了安装结构35)。在此配置中，结构附接构件104配置成接纳多个紧固件37以将出口导叶33和安装结构35联接到结构附接构件104。在所述示范性实施例中，结构附接构件104由第一材料制成，风扇壳体102由第二材料制成，所述第二材料与结构附接构件104的第一材料不同。更具体地，结构附接构件104由金属材料(例如但不限于铝或钛)制成，风扇壳体102由复合材料制成，例如但不限于碳纤维增强聚合物(CFRP)材料或玻璃纤维增强复合材料(GFRP)。因此，如本文所描述，复合风扇壳体102提供满足容纳组件100的大多数强度要求的轻重量结构；金属结构附接构件104提供强度增强的区段，出口导叶33和安装结构35配置成联接到所述区段，不会大大增加容纳组件100的总重量。
如图4最佳示出的，结构附接构件104包括前缘112、相对的后缘114、第一圆周界缘116和相对的第二圆周界缘118。圆周界缘116和118限定结构附接构件104的周向长度。在示范性实施例中，结构附接构件104围绕风扇壳体102的圆周在大约20度到大约50度的范围内周向地延伸。在某些实施例中，结构附接构件104围绕风扇壳体102的圆周周向地延伸大约30度。通常，结构附接构件104围绕风扇壳体102延伸任何圆弧长度，这促进容纳组件100如本文描述的操作。
在所述示范性实施例中，边缘112、114、116和118联接到风扇壳体102的内表面，如下文更详细描述的，以形成围绕结构附接构件104的周界延伸的接头120。更具体地，结构附接构件104包括唇部122，所述唇部122围绕结构附接构件104的周界沿着边缘112、114、116和118延伸，风扇壳体102包括围绕开口110的周界延伸的唇部124。
如图5和图8最佳显示的，唇部122联接到唇部124，以形成围绕结构附接构件104的周界的接头120。在一种实施方式中，接头120是搭接接头，其中，唇部122包括第一恒定厚度T1，唇部124包括与第一厚度T1基本相似的第二恒定厚度T2。如图8所示，接头120的厚度与邻接唇部122的结构附接构件104的和邻接唇部124的风扇壳体102的厚度T3基本相似。
在所述示范性实施例中，结构附接构件104的唇部122包括多个孔126(图4中示出)，风扇壳体102的唇部124包括多个孔128(图3中示出)，使得每个结构附接构件的孔126与对应的风扇壳体的孔128对准。对准的孔126和128在其中接纳紧固件130，以将结构附接构件104联接到风扇壳体102，并且更具体地，将结构附接构件的唇部122联接到风扇壳体的唇部124。在一个实施例中，紧固件130是可拆卸的，使得结构附接构件104可拆卸地联接到风扇壳体102。从风扇壳体102上拆掉结构附接构件104的能力能够维护和/或更换结构附接构件104和/或出口导叶33。
在另一实施例中，如图9所示，接头120是斜接接头，其中唇部122包括第一锥形厚度T1，唇部124包括第二锥形厚度T2。如图9所示，沿接头120的每个点唇部122和124的组合厚度T1加T2与邻接唇部122的结构附接构件104的和邻接唇部124的风扇壳体102的厚度T3基本相似。
在又一实施例中，如图10所示，接头120是组合接头，其中唇部122包括第一恒定厚度T1，唇部124包括比第一厚度T1大的第二恒定厚度T2。如图10所示，唇部122和124沿着接头120的组合厚度T1加T2比邻接唇部122的结构附接构件104的厚度T3大，比邻接唇部124的风扇壳体102的第四厚度T4大。而且，第二厚度T2比紧邻唇部124的风扇壳体102的第四厚度T4大。通常，唇部122、124，风扇壳体102和结构附接构件104可以包括促进容纳组件100如本文所描述的操作的任何厚度。
参照图3-5，在所述示范性实施例中，风扇壳体102还包括围绕风扇壳体102周向地延伸的第一对风扇壳体凸缘132。类似地，结构附接构件104包括在圆周端116和118之间延伸的第二对结构附接构件凸缘134。如图3所示，风扇壳体凸缘132与结构附接构件凸缘134对准，使得在凸缘132和134相遇之处限定接缝136。在所述示范性实施例中，容纳组件100还包括第一实施例的加强装置，标记为加强装置138，其联接到每个风扇壳体凸缘132和相应对准的结构附接构件凸缘134，使得相应的加强装置138越过每个接缝136延伸。如图3和图5所示，在一个实施例中，加强装置138是U形联接件，其配合在接缝136处的凸缘132和134上方，使得加强装置138跨骑在凸缘132和134上，并接触的凸缘132和134的前侧和后侧。
图6是容纳组件100的透视图，说明加强装置的第二实施例，标记为加强装置140，其联接到风扇壳体102和结构附接构件104。图7是容纳组件100的一部分的横截面图示，说明加强装置140。为了简洁，图6中省略了安装结构35。如图6和图7所示，加强装置140包括联接于凸缘132和134的每个接缝136处的相应板。更具体地，加强装置140联接到前凸缘132和134的前侧，并联接到后凸缘132和134的后侧。因此，接缝136至少部分地暴露于前凸缘132和134的后侧，并暴露于后凸缘132和134的前侧。替代性地，加强筋板140联接到前凸缘132和134的后侧，并联接到后凸缘132和134的前侧。通常，加强筋板140联接到凸缘132和134的任一侧，促进组件100如本文所描述的操作。孔142形成于加强筋板140和凸缘132和134的每一个中，以能够使用多个紧固件144将加强装置140联接到凸缘132和134。
图11是沿区域11(图2中示出)截取的容纳组件100的一部分的横截面图示。在所述示范性实施例中，风扇壳体102还包括在风扇壳体102的后端108处的V形槽构件150。由多个双轴/三轴复合材料的编织层一体地形成V形槽构件150和风扇壳体102，以如上文所述提高强度。如图11所示，V形槽构件150包括联接于其上的防磨带152。防磨带152由编织复合材料制成。
本文还公开了一种形成容纳组件100的方法。所述方法包括由复合材料形成风扇壳体102，并在风扇壳体102中加工开口110。所述加工步骤还包括在风扇壳体102中加工开口110，使得开口110围绕风扇壳体102的圆周在大约20度到大约50度的范围内周向地延伸。所述方法还包括由金属材料形成结构附接构件104，并将结构附接构件104联接到风扇壳体102，使得结构附接构件104位于开口110内。将结构附接构件104联接到风扇壳体102的步骤包括在风扇壳体102中并在结构附接构件104中钻出多个孔126和128，然后将多个紧固件130通过多个孔126和128插入，以将风扇壳体102联接到结构附接构件104。将结构附接构件104联接到风扇壳体102的步骤还包括越过通过将风扇壳体102的第一凸缘132与结构附接构件104的第二凸缘134对准形成的接缝136，联接加强装置138或140中的一个。
本文中所描述的组件和方法的示范性技术效果包括以下各项中的至少一个：(a)通过使用一致厚度的复合风扇壳体的后部和前部，提供刚度增强的容纳组件；(b)提供强度增强的结构附接构件，其具有前部底座和可以联接出口导叶和发动机安装结构的相应连接件，不会大大增加容纳组件的总重量；(c)通过提供集成的复合风扇壳体，降低发动机的操作成本；以及d)通过提供集成的复合风扇壳体，简化制造过程，降低制造成本。
上面详细地描述了用于涡轮发动机和相关部件的容纳组件的示范性实施例。所述组件不限于本文中所描述的特定实施例，但实际上系统的部件和/或方法的步骤可独立地且与本文中所描述的其它部件和/或步骤分开利用。例如，本文所描述的部件的配置也可以结合其它过程使用，并且不限于用本涡轮发动机的风扇区段来实践。相反地，可以结合需要提供组件中各部件之间平滑的负载过渡的多个应用实施和使用所述示范性实施例。
尽管本发明的各种实施例的具体特征可能在某些附图中示出而未在其它附图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的实施例的原理，图式的任何特征可结合任何其它图式的任何特征被引用和/或要求保护。
本书面描述用实例来公开包括最佳模式的本发明的实施例，且还使所属领域的技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本文中所描述的实施例的可获专利的范围由权利要求书界定，且可包括本领域的技术人员构想出的其它实例。如果此类其它实例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。