Корпус вентилятора авиационного двигателя
Изобретение относится к корпусу (1) вентилятора для авиационного двигателя (2), в зоне вентилятора (3) с несколькими в основном цилиндрически расположенными и соединенными друг с другом слоями из усиленного волокнами синтетического материала, причем между внутренним слоем (4) и наружным слоем (5) расположен усиливающий слой (6) из усиленного стекловолокном синтетического материала. Согласно изобретению усиливающий слой (6) состоит из по меньшей мере 20 слоев усиленного стекловолокном синтетического материала и с обеих сторон усиливающего слоя (6) расположены деформационные слои (7), имеющие более низкую прочность, чем усиливающий слой (6). Достигается легкость и безопасность корпуса. 7 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к корпусу вентилятора, соответственно нагнетателя, авиационного двигателя в зоне вентилятора с несколькими в основном цилиндрически расположенными и соединенными друг с другом слоями из усиленного волокнами синтетического материала, причем между внутренним слоем и наружным слоем расположен усиливающий слой из усиленного стекловолокном синтетического материала.
Корпуса вентиляторов авиационного двигателя служат для того, чтобы предохранить двигатель в зоне вентилятора в аварийном случае отрыва лопатки вентилятора от разрушения и защитить находящихся в самолете пассажиров от причинения вреда здоровью. Материалы для подобных корпусов вентилятора должны выбираться такими, чтобы могла поглощаться высокая кинетическая энергия оторвавшейся лопатки вентилятора. В то время как раньше для изготовления корпусов вентиляторов применялись в основном металлы, в частности, обладающие высокой пластичностью стали или титановые сплавы, в более позднее время для этих компонентов самолета находит применение и синтетический материал.
К примеру, в публикации US 2012/0148392 A1 описывается корпус вентилятора авиационного двигателя из усиленного волокнами синтетического материала, причем несколько соединенных друг с другом слоев композиционных материалов комбинируются с расположенными между ними ячеистыми структурами. Покрытие из кевлара обеспечивает соответствующую защиту в аварийном случае, если лопатка вентилятора отрывается и попадает в корпус двигателя.
В публикации US 2008/0128073 A1 описывается корпус вентилятора авиационного двигателя из различных композиционных синтетических материалов в структуре слоев, причем применяются различные волокнистые материалы и комбинации из них.
В публикации GB 2 426 287 A описывается корпус вентилятора, в котором для выполнения требований безопасности предусмотрены металлические структуры.
В публикации ЕР 2 096 269 А2 и ЕР 1 344 895 А2 описываются кожухи двигателей, которые служат для оптимизации потока воздуха внутри двигателя, однако, они не предоставляют никакой защиты в аварийном случае при отрыве лопатки вентилятора.
Многие конструкции корпусов вентиляторов, выполненные из усиленного синтетического материала, являются относительно дорогостоящими в изготовлении и соответственно требуется большое количество слоев материала, вследствие чего преимущества в весе по сравнению с металлическими корпусами вентиляторов больше не имеется или оно имеется только в весьма незначительной мере.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании такого корпуса вентилятора авиационного двигателя, который является по возможности легким и одновременно безопасным. Недостатки известных устройств должны устраняться или, по крайней мере, уменьшаться.
Согласно изобретению указанная задача решается посредством того, что усиливающий слой состоит из, по меньшей мере, 20 слоев усиленного стекловолокном синтетического материала, и с обеих сторон усиливающего слоя расположены деформационные слои, которые имеют меньшую прочность, чем усиливающий слой. Предложенная в соответствии с изобретение конструкция корпуса вентилятора характеризуется тем, что, предусмотрены, по меньшей мере, три слоя, а именно, внутренний слой, усиливающий слой и наружный слой, для которых применяются специальные материалы, чтобы выполнить соответствующие изобретению задачи, а именно, защиту авиационного двигателя с одной стороны и сохранение определенной остаточной прочности авиационного двигателя для безопасного приземления с другой стороны. В предложенном в соответствии с изобретением корпусе вентилятора обе задачи разделяются на различные составные части, благодаря чему материалы этих составных частей могут оптимально подбираться к соответствующим задачам. Средний усиливающий слой из усиливающего стекловолокном синтетического материала служит в значительной степени для того, чтобы предохранить проход оторвавшейся лопатки вентилятора через корпус и выдержать удар. В соответствии с этим применяется усиленный стекловолокном синтетический материал, который имеет лучшие свойства в отношении удара детали вентилятора. С помощью расположения, по меньшей мере, 20 слоев из усиленного стекловолокном синтетического материала обычно достигается необходимая прочность. Для особенно высокооборотных авиационных двигателей соответственно для небольших самолетов бизнес-класса может потребоваться также больше слоев, к примеру 35 слоев, чтобы выполнить требования безопасности. Благодаря укладке усиливающего слоя с окружающими деформационными слоями внутри корпуса вентилятора он также защищен, к примеру, от повреждений, как, например, от удара камней, и благодаря этому может достигаться преимущество в весе. Необходимая для надежного приземления в аварийном случае остаточная прочность достигается напротив в значительной степени с помощью наружного слоя корпуса вентилятора. Настоящий корпус вентилятора может применяться предпочтительно для авиационных двигателей с очень высоким числом оборотов (≥ 10000 оборотов в минуту), в которых кинетическая энергия оторвавшейся детали вентилятора особенно высока. В зависимости от осуществления вес корпуса вентилятора может снижаться по сравнению с конструкциями из стали между 30 и 50% и конструкциями из титана до 10%.
По меньшей мере, один деформационный слой может быть образован с помощью ячеистой структуры. Такая ячеистая структура отличается особенно низким весом. В аварийном случае деформационный слой соответственно деформируется и, по крайней мере, наружный слой корпуса вентилятора предохраняется от недопустимо большой деформации.
По меньшей мере, один деформационный слой может быть образован также с помощью вспененного материала. С помощью выбора соответствующих вспененных материалов и, во всяком случае, комбинации с деформационным слоем из ячеистой структуры вес, соответственно способность деформироваться, могут еще более улучшаться. В качестве вспененных материалов могут применяться, например, синтетические материалы как сополимер акринитрила-бутадиена-стирола (ABS), полиметакрилимид (PMI) и тому подобное.
Преимущественно в наружный слой интегрирован, по меньшей мере, один крепежный фланец. С помощью интегрирования, по меньшей мере, одного крепежного фланца, в частности, двух крепежных фланцев (спереди и сзади), с одной стороны повышается прочность всего корпуса вентилятора, так как не требуются какие-либо стыки между крепежным сланцем и наружным слоем, и с другой стороны упрощается процесс монтажа.
На внутреннем слое корпуса вентилятора в зоне вентилятора может быть расположен контактный слой из деформируемого материала. С помощью подобного рода контактного слоя из деформируемого материала может еще больше уменьшаться воздушный зазор между вентилятором авиационного двигателя и внутренним слоем корпуса вентилятора, так как лопатка вентилятора с большим наружным диаметром выфрезовывает соответствующую форму в контактном слое.
Контактный слой может образовываться из усиленной стекловолокном смолы или заполненных середин ячеистой структуры. Подобного рода материалы особенно оправдали себя и достаточно мягки по отношению к образованным обычно из титана или титановых сплавов лопаткам вентилятора.
Если между внутренним слоем и усиливающим слоем в зоне вентилятора расположено направляющее кольцо из материала с более высокой прочностью, чем деформационные слои, то безопасность в случае отрыва лопатки вентилятора может быть повышена, соответственно во внутреннем слое и/или усиливающем слое при одинаковой безопасности может экономиться материал. Направляющее кольцо служит для того, чтобы отводить радиально возникающие квазиточечные силы сбоку и таким образом противодействовать разрушению корпуса вентилятора, соответственно корпуса двигателя.
Направляющее кольцо образовано преимущественно из металла, в частности, из стали. Благодаря небольшому размеру направляющего кольца по отношению ко всему корпусу вентилятора является пренебрежимо малым появляющийся отрицательный недостаток в части повышения веса.
В качестве альтернативы направляющее кольцо может быть образовано из усиленного арамидными волокнами синтетического материала, например, кевлара. Подобные усиленные волокнами синтетические материалы имеют по сравнению с металлами меньший вес, однако, также соответственно более дороги.
Если направляющее кольцо имеет клиновидное поперечное сечение с направленными на вентилятор наклонными поверхностями, то радиально возникающая сила, появляющаяся от разрушенной детали лопатки вентилятора, может отводиться сбоку и распределяться, в результате чего опасность разрушения корпуса вентилятора или корпуса двигателя и возникновение угрозы самолету и пассажирам уменьшаются.
Наружный слой и внутренний слой корпуса вентилятора образованы преимущественно из усиленного углеродными волокнами материала. В частности, наружный слой корпуса вентилятора образован из соответственно многих слоев усиленного углеводородными волокнами синтетического материала, чтобы в аварийном случае придать авиационному двигателю достаточную прочность и обеспечить надежное приземление самолета.
Изобретение ниже поясняется более подробно с помощью примера осуществления. Где показывают:
фиг. 1 - авиационный двигатель в частичном разрезе с расположенным в зоне вентилятора корпусом вентилятора; и
фиг. 2 - часть образованного в соответствии с изобретением корпуса вентилятора в разрезе.
На фиг. 1 представлен авиационный двигатель 2 в частично разрезанном виде с расположенным в зоне вентилятора 3 корпусом 1 вентилятора. Обычно корпус 1 вентилятора состоит из цилиндрического кожуха с интегрированными, соответственно закрепленными на нем крепежными фланцами и возможными ребрами жесткости и тому подобным. Корпус 1 вентилятора соединяется с остальным корпусом двигателя, который опять же расположен на соответствующих крепежных элементах, обычно несущих поверхностях.
Фиг. 2 показывает часть образованного согласно изобретению корпуса 1 вентилятора в разрезанном изображении. Корпус 1 вентилятора включает в себя внутренний слой 4, выполненный в соответствии с требованиями аэродинамики авиационного двигателя 2, и наружный слой 5, а также расположенный между внутренним слоем 4 и наружным слоем 5 усиливающий слой 6 и расположенные по обеим сторонам усиливающего слоя 6 деформационные слои 7. Усиливающий слой 6 образован из усиленного стекловолокном синтетического материала в зависимости от авиационного двигателя 2 из, по меньшей мере, 20 слоев, и в значительной степени служит для того, чтобы выдержать удар детали вентилятора 3 в аварийном случае. Деформационные слои 7, которые могут быть образованы с помощью ячеистой структуры или подходящих вспененных материалов или комбинации из них, служат для поглощения кинетической энергии, исходящей от оторвавшейся детали вентилятора 3. Внутренний слой 4 может быть образован из усиленного углеродными волокнами синтетического материала. Наружный слой 5, который служит для того, чтобы обеспечить остаточную прочность корпуса 1 вентилятора в аварийном случае и сделать возможным безопасное приземление с поврежденным авиационным двигателем 2, преимущественно точно также образован из усиленного углеродными волокнами синтетического материала.
Для снижения затрат на изготовление и монтаж в наружный слой 5 могут быть интегрированы необходимые для крепления корпуса 1 вентилятора крепежные фланцы 8, 9, которые могут изготавливаться с наружным слоем 5 в одном процессе изготовления. С помощью функционального разделения усиливающего слоя 6 и наружного слоя 5 может также предотвращаться разрыв наружного слоя 5, в частности, в зоне крепежных фланцев 8, 9, в аварийном случае или уменьшаться, по меньшей мере, опасность повреждения.
Для уменьшения воздушного зазора между вентилятором 3 и внутренним слоем 4 в зоне вентилятора 3 может быть расположен контактный слой 10 из деформируемого материала, в который врезается лопатка вентилятора с наибольшим наружным диаметром, так что в итоге получается исчезающий воздушный зазор между вентилятором 3 и внутренним слоем 4, соответственно контактным слоем 10. Контактный слой 10 может быть образован из усиленной стекловолокном смолы или заполненных середин ячеистой структуры.
В зоне вентилятора 3 между внутренним слоем 4 и усиливающим слоем 6 может располагаться направляющее кольцо 11 из материала с более высокой прочностью, чем деформационные слои 7, через которое возникающие в аварийном случае радиальные силы отводятся сбоку. Направляющее кольцо 11 может быть выполнено из металла, в частности, из стали, или также усиленного арамидными волокнами синтетического материала, например, кевлара. Для оптимального отвода действующих радиально сил направляющее кольцо 11 может иметь, как изображено, клиновидное поперечное сечение с направленной на вентилятор 3 наклонной поверхностью 12.
На заднем конце корпуса 1 вентилятора может быть расположен и преимущественно склеен с внутренним слоем 4 навесной элемент 13.
1. Корпус (1) вентилятора для авиационного двигателя (2) в зоне вентилятора (3) с несколькими расположенными по существу в виде цилиндра и соединенными друг с другом слоями из усиленного волокнами синтетического материала, причем между внутренним слоем (4) и наружным слоем (5) расположен усиливающий слой (6) из усиленного стекловолокном синтетического материала, отличающийся тем, что наружный слой (5) и внутренний слой (4) образованы из усиленного углеродными волокнами синтетического материала, при этом усиливающий слой (6) состоит из по меньшей мере 20 слоев усиленного стекловолокном синтетического материала и с обеих сторон усиливающего слоя (6) расположены деформационные слои (7), имеющие более низкую прочность, чем усиливающий слой (6), а между внутренним слоем (4) и усиливающим слоем (6) в зоне вентилятора расположено направляющее кольцо (11) из материала с более высокой прочностью, чем деформационные слои (7), причем направляющее кольцо (11) имеет клиновидное поперечное сечение с направленной на вентилятор (3) наклонной плоскостью (12).
2. Корпус (1) по п. 1, отличающийся тем, что по меньшей мере один деформационный слой (7) образован с помощью ячеистой структуры.
3. Корпус (1) по п. 1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один деформационный слой (7) образован с помощью вспененного материала.
4. Корпус (1) по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что в наружном слое (5) интегрирован по меньшей мере один крепежный фланец (8, 9).
5. Корпус (1) по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что на внутреннем слое (4) в зоне вентилятора (3) расположен контактный слой (10) из деформируемого материала.
6. Корпус (1) по п. 1, отличающийся тем, что контактный слой (10) образован из усиленной стекловолокном смолы.
7. Корпус (1) по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что направляющее кольцо (11) образовано из металла, в частности стали.
8. Корпус (1) по любому из пп. 1-6, отличающийся тем, что направляющее кольцо (11) образовано из усиленного арамидными волокнами синтетического материала.
