Патент на изобретение №2398122

(54) ГАЗОТУРБИННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

(57) Реферат:

Газотурбинный двигатель летательного аппарата содержит воздухозаборник, снабженный цилиндрической внутренней стенкой, и вентилятор, заключенный в цилиндрическом корпусе. Задний конец внутренней стенки воздухозаборника и передний конец корпуса вентилятора соединены крепежными деталями, такими как винты или болты. Внутренняя стенка воздухозаборника и/или корпус вентилятора изготовлены из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя. Задний конец внутренней стенки воздухозаборника и передний конец корпуса вентилятора являются однородными, без выступов, таких как периферийные фланцы. Оси крепежных деталей образуют угол, составляющий, по меньшей мере, 60° относительно продольной оси газотурбинного двигателя. Изобретение позволяет обеспечить соединение выполненных из композиционных материалов стенки воздухозаборника и корпуса вентилятора без снижения их механической прочности. 15 з.п. ф-лы, 11 ил.

Настоящее изобретение относится к газотурбинным двигателям летательных аппаратов и более конкретно к соединению между воздухозаборником и корпусом вентилятора такого газотурбинного двигателя.

В известных газотурбинных двигателях внутренняя стенка воздухозаборника и корпус вентилятора изготовлены из металла, и задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и передний конец упомянутого корпуса вентилятора имеют взаимодействующие выступающие по периферии фланцы для обеспечения возможности соединения упомянутого воздухозаборника и упомянутого корпуса вместе с использованием крепежных деталей (винтов, болтов и т.д.), оси которых идут параллельно продольной оси газотурбинного двигателя и которые проходят через упомянутые фланцы.

С учетом механических, тепловых и массовых свойств композиционных материалов, состоящих из смолы и волокнистого наполнителя, может быть выгодно, если бы было возможно упомянутую внутреннюю стенку воздухозаборника и упомянутый корпус вентилятора производить полностью в форме компонентов, изготовленных из такого композиционного материала. Однако испытания, нацеленные на достижение этого, не подтвердили выгоды, потому что во время использования волокна расслаиваются при 90° изгибе, где периферийные фланцы сходятся с остальной цилиндрической частью упомянутой внутренней стенки и упомянутого корпуса, и это расслаивание приводит к существенному снижению механической прочности упомянутых компонентов и даже является причиной их поломки.

Задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы устранить этот недостаток.

С этой целью в соответствии с изобретением газотурбинный двигатель летательного аппарата, имеющий продольную ось и содержащий:

– воздухозаборник, снабженный цилиндрической внутренней стенкой; и

– вентилятор, снабжаемый воздухом посредством упомянутого воздухозаборника и заключенный в корпусе, который также является цилиндрическим,

причем задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и передний конец упомянутого корпуса вентилятора подлежат соединению вместе с использованием крепежных деталей, таких как винты, болты или подобные детали,

отличается тем, что:

– по меньшей мере один из упомянутых компонентов, то есть упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и упомянутого корпуса вентилятора, изготовлен из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя;

– упомянутый задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и упомянутый передний конец упомянутого корпуса вентилятора являются однородными, без выступов, таких как периферийные фланцы или подобные детали, которые могут использоваться для соединения упомянутой внутренней стенки и упомянутого корпуса вместе; и

– оси упомянутых крепежных деталей образуют угол, составляющий по меньшей мере 60° относительно упомянутой продольной оси газотурбинного двигателя.

Таким образом, на основании настоящего изобретения, можно обойтись без необходимости производить соединительные фланцы в компонентах из композиционного материала, которые представляют собой упомянутую внутреннюю стенку воздухозаборника и упомянутый корпус вентилятора. Таким образом избегается риск расслаивания в изгибе, где соединяют упомянутые фланцы.

Упомянутая внутренняя стенка воздухозаборника и упомянутый корпус вентилятора оба могут быть изготовлены из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя, и упомянутые оси крепежных деталей могут быть по меньшей мере приблизительно ортогональными упомянутой продольной оси газотурбинного двигателя.

В первом варианте осуществления настоящего изобретения упомянутый задний конец внутренней стенки воздухозаборника и упомянутый передний конец корпуса вентилятора смонтированы один внутри другого, и упомянутые крепежные детали проходят через те части упомянутых переднего и заднего концов, которые смонтированы один внутри другого. Когда концы таким образом смонтированы один внутри другого, задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника может проникать внутрь переднего конца упомянутого корпуса вентилятора или, в качестве альтернативы, передний конец упомянутого корпуса вентилятора проникает внутрь заднего конца упомянутой внутренней стенки воздухозаборника. Кроме того, концы могут быть смонтированы один внутри другого с прямым контактом между упомянутым передним и задним концами, или в качестве альтернативы, по меньшей мере с одним разделительным кольцом, вставленным между упомянутым передним и задним концами. Конечно, в последнем примере, упомянутые крепежные детали также проходят через разделительное кольцо или кольца. Помимо этого, независимо от того, каким образом части смонтированы одна внутри другой, поверхность контакта может быть цилиндрической или конической.

Во втором варианте осуществления упомянутый задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и упомянутый передний конец упомянутого корпуса вентилятора соединены вместе через соединительное кольцо (изготовленное, как единая деталь, или в виде нескольких распределенных по диагонали сегментов) так, что они проникают внутрь, крепежные детали проходят через те части упомянутого соединительного кольца и упомянутого заднего конца упомянутой внутренней стенки воздухозаборника, которые обращены друг к другу, а другие крепежные детали проходят через те части упомянутого соединительного кольца и упомянутого переднего конца упомянутого корпуса вентилятора, которые обращены друг к другу. Снова поверхность для контакта между упомянутым соединительным кольцом, с одной стороны, и упомянутыми передним и задним концом, с другой стороны, может быть цилиндрической или конической. В качестве варианта выбора упомянутое соединительное кольцо может иметь поперечную разделительную стенку.

Безотносительно варианта осуществления настоящего изобретения можно гарантировать, что:

– по меньшей мере некоторые из упомянутых крепежных деталей представляют собой болты, гайки которых являются невыпадающими в одном или другом из упомянутых переднего и заднего концов;

– по меньшей мере некоторые из упомянутых крепежных деталей присоединены к одному из упомянутого переднего или заднего концов через пластично деформируемые элементы так, чтобы энергия сломанной лопатки вентилятора, ударяющейся о корпус вентилятора, могла быть по меньшей мере частично поглощена;

– средство центрирования может быть использовано для того, чтобы позиционировать один из упомянутых переднего или заднего концов относительно другого по отношению к продольной оси газотурбинного двигателя.

Композиционный материал, из которого изготовлены упомянутая внутренняя стенка воздухозаборника и упомянутый корпус вентилятора может содержать углеродное, борное, силиконкарбидное волокно, стекловолокно и т.д., и упомянутая внутренняя стенка и упомянутый корпус могут быть получены любым известным способом (наматывания, закручивания, собирания в складки нитей волоконных или тканевых препрегов и т.д.).

Прилагаемые чертежи сделают более легким понимание того, как изобретение может быть воплощено. На этих чертежах, идентичные ссылочные позиции обозначают элементы, которые являются подобными.

Фиг.1 изображает, в частичном схематическом разрезе пополам, переднюю часть известного газотурбинного двигателя.

Фиг.2 изображает, также в частичном схематическом разрезе пополам, один пример того, как задний конец воздухозаборника и передний конец корпуса вентилятора соединены вместе в известном газотурбинном двигателе фиг.1.

Фиг.3-8 иллюстрируют несколько возможных путей соединения заднего конца воздухозаборника и переднего конца корпуса вентилятора вместе в газотурбинном двигателе в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.9 – частичный вид сверху примера соединения, показанного на фиг.8.

фиг.10 – вид в плане пластично деформируемого кольца, используемого в варианте осуществления фиг.8.

Фиг.11 соответствует сечению по XI-XI фиг.9.

Газотурбинный двигатель известного типа, 1, передняя часть которого схематически и частично изображена на фиг.1, имеет продольную ось L-L. Эта передняя часть по существу содержит цилиндрический воздухозаборник 2 и вентилятор 3.

Цилиндрический воздухозаборник 2 имеет переднюю кромку 4 и снабжен металлической цилиндрической внутренней стенкой 5, например, изготовленной из алюминия, несущей внутри звукоизолирующее цилиндрическое покрытие 6. Внешний капот 7 окружает упомянутый воздухозаборник и вместе с упомянутой внутренней стенкой 5 определяет камеру 8 кольцевого поперечного сечения, закрываемую кольцевой задней разделительной стенкой 9 на противоположном конце от упомянутой передней кромки 4.

Вентилятор 3 имеет лопасти 10 и окружен корпусом 11 вентилятора, состоящим из металлического цилиндрического компонента 12, например изготовленного из алюминия и несущего внутри звукоизолирующее цилиндрическое покрытие 13.

Задний конец 2R воздухозаборника 2 и передний конец 11А корпуса 11 вентилятора соединены вместе по плоскости J соединения.

Как показано в более крупном масштабе на фиг.2, задний 2R и передний 11А концы собраны с использованием двух взаимодействующих кольцеобразных фланцев 14 и 15, которые выступают наружу от внутренней стенки 5 и от цилиндрического компонента 12 и прижаты относительно друг друга болтами 16, оси l-l которых являются параллельными продольной оси L-L, и которые проходят через противолежащие просверленные отверстия 17 и 18, выполненные в упомянутых фланцах 14 и 15. В известном варианте осуществления фиг.2 кольцеобразный фланец 14 прикреплен к внутренней стенке 5 и закреплен на последней болтами 19 и 20. В противоположность этому в этом примере фланец 15 подвергают механической обработке как единую деталь с цилиндрическим компонентом 12.

Кроме того, с каждым болтом 16 связана втулка 21, через которую проходит упомянутый болт 16, и которая закреплена с помощью этого болта на фланце 15. Втулки 21 производят таким образом, что они могут подвергаться пластическому сжатию в осевом направлении. Таким образом, когда лопасть 10 вентилятора 3 ломается и ударяется о корпус 11, энергия от удара может быть по меньшей мере частично поглощена деформацией упомянутых втулок 21.

Фиг.3-8 изображают на виде, сопоставимом с фиг.2, примерные варианты осуществления в соответствии с настоящим изобретением, в которых внутренняя стенка воздухозаборника 2 и корпус 11 вентилятора состоят из образованных из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя, цилиндрических компонентов 5.1-5.6 и 12.1-12.6 соответственно, без выступающих фланцев на их концах 2R и 11А, и которые собраны с использованием крепежных деталей 22.1-22.3 и 32.4, 34.4, являющихся ортогональными продольной оси L-L газотурбинного двигателя 1.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг.3, цилиндрический компонент 5.1, изготовленный из композиционного материала, который образует внутреннюю стенку воздухозаборника 2 и несет внутреннее звукоизолирующее покрытие 6, имеет диаметр, который меньше, чем диаметр цилиндрического компонента 12.1, изготовленного из композиционного материала, который образует корпус 11 вентилятора и несет внутреннее звукоизолирующее покрытие 13, и это означает, что задний конец 5.1R компонента 5.1, изготовленный из композиционного материала, может, предпочтительно с небольшим трением, проникать внутрь переднего конца 12.1А компонента 12.1 из композиционного материала. Компоненты 5.1 и 12.1 из композиционного материала собраны с помощью поперечных болтов 22.1, оси x.1-x.1 которых ортогональны продольной оси L-L газотурбинного двигателя 1, и которые проходят через концы 5.1R и 12.1А, обращенные друг к другу. Гайки 23.1 болтов 22.1 являются невыпадающими на внутренней стенке компонента 5.1 из композиционного материала, например, при использовании винтов 24.1, изображенных только осевыми линиями.

В альтернативной форме варианта осуществления, иллюстрируемой на фиг.4, цилиндрический компонент 5.2 из композиционного материала, который образует внутреннюю стенку воздухозаборника 2 и несет внутреннее звукоизолирующее покрытие 6, имеет диаметр, который больше, чем диаметр цилиндрического компонента 12.2 из композиционного материала, который образует корпус 11 вентилятора и несет звукоизолирующее покрытие 13. Кроме того, задний конец 5.2R компонента 5.2 из композиционного материала внутри является коническим, в то время как передний конец 12.2А компонента 12.2 из композиционного материала является коническим снаружи. Таким образом, передний конец 12.2А может проникать внутрь заднего конца 5.2R, причем тогда поверхность 25 контакта упомянутых концов является конической. Компоненты 5.2 и 12.2 из композиционного материала собирают с помощью сквозных анкерных болтов 22.2, оси х.2-х.2 которых ортогональны продольной оси L-L газотурбинного двигателя 1, и которые проходят через концы 5.2R и 12.2А, обращенные друг к другу. Гайки 23.2 болтов 22.2 являются невыпадающими на компонентах 26.2, прикрепленных на внутренней части переднего конца 12.2А.

Сборка, схематически изображенная на фиг.5, содержит цилиндрический компонент 5.3 из композиционного материала, образующий внутреннюю стенку воздухозаборника 2 и несущий внутреннее звукоизолирующее покрытие 6, и цилиндрический компонент 12.3 из композиционного материала, образующий корпус 11 вентилятора и несущий звукоизолирующее покрытие 13. Задний конец 5.3R компонента 5.3 окружает передний конец 12.3А компонента 12.3 с некоторым радиальным зазором и системой цилиндрических прокладок 27, 28, с коническими сопрягаемыми поверхностями 29, которая вставлена между упомянутыми концами 5.3R и 12.3А. Последние и прокладки 27, 28 имеют проходящие через них поперечные болты 22.3, оси х.3-х.3 которых ортогональны продольной оси L-L газотурбинного двигателя 1, и которые служат для соединения вместе упомянутых компонентов 5.3 и 12.3 из композиционного материала. Гайки 23.3 болтов 22.3 являются невыпадающими на компонентах 26.3, прикрепленных к переднему концу 12.3А.

В примерном варианте осуществления на фиг.6 задний конец 5.4R компонента 5.4 из композиционного материала, который образует внутреннюю стенку воздухозаборника 2 и несет звукоизолирующее покрытие 6, и передний конец 12.4А компонента 12.4 из композиционного материала, который образует корпус 11 вентилятора и несет звукоизолирующее покрытие 13, соединены вместе с использованием соединительного кольца 30, на противоположные концы которого они посажены. Соединительное кольцо 30 имеет поперечную стенку 31, по меньшей мере приблизительно отображающую плоскость J соединения, и поперечные болты 32.4, 33.4 и 34.4, у которых соответствующие оси х4-х4, х5-х5 и х6-х6 являются ортогональными продольной оси L-L газотурбинного двигателя 1, используются для соединения вместе компонентов 5.4 и 12.4 с использованием упомянутого соединительного кольца 30. По меньшей мере некоторые из гаек болтов 32.4, 33.4 и 34.4 являются невыпадающими на компоненте 5.4 или компоненте 12.4, и кольцевая задняя разделительная стенка 9 может быть присоединена к компоненту 5.4 болтами 34.4.

Примерный вариант осуществления на фиг.7 очень похож на вариант осуществления фиг.6 за исключением того, что соединительное кольцо 35, которое заменяет соединительное кольцо 30, не имеет поперечной стенки (подобной стенке 31).

То же самое относится к примерному варианту осуществления, показанному на фиг.8, 9 и 11, в котором задний 5.6R и передний 12.6R концы двух цилиндрических компонентов 5.6 и 12.6 из композиционного материала (которые соответственно образуют внутреннюю стенку воздухозаборника 2 и корпус 11 вентилятора и соответственно несут звукоизолирующие покрытия 6 и 13) соединены вместе с помощью соединительного кольца 36 без поперечной стенки и болтов 32.4, 33.4 и 34.4. В этом последнем варианте осуществления болты 32.4, которые присоединяют соединительное кольцо 36 к компоненту 12.6 из композиционного материала, присоединены к соединительному кольцу 36 посредством пластично деформируемых элементов 37. Каждый элемент 37 содержит центральную втулку 38, предназначенную для того, чтобы болт 32.4 проходил через нее, и которая присоединена к внешнему кольцу 39 пластично деформируемыми спицами 40, поэтому становится возможным закреплять упомянутое внешнее кольцо на соединительном кольце 36, например в его просверленных отверстиях 41.

Таким образом, когда лопасть 10 вентилятора 3 ломается и ударяется о корпус 11 вентилятора (компонент 12.6), энергия от удара поглощается посредством деформации спиц 40.

Кроме того, соединительное кольцо 36 благодаря его природе или его форме может обеспечивать возможность пластической деформации, если лопасть ломается.

Помимо этого, как схематически иллюстрируется на фиг.11, вариант осуществления фиг.8, 9 и 11 содержит центрирующие пальцы 42, позволяющие точно фиксировать относительное положение компонентов 12.6 и 5.6 по отношению к продольной оси L-L.

Некоторые из отверстий, через которые проходят упомянутые крепежные детали, могут быть продолговатыми, чтобы обеспечивать им возможность частично поглощать энергию столкновения, если лопасть 10 ломается.

Кроме того, следует отметить, что воздухозаборник в соответствии с настоящим изобретением не имеет никакого разрыва импеданса, таким образом улучшая общую характеристику ослабления шума в звукоизоляции.

Формула изобретения

1. Газотурбинный двигатель (1) летательного аппарата, имеющий продольную ось (L-L) и содержащий:
воздухозаборник (2), снабженный цилиндрической внутренней стенкой (5), и
вентилятор (3), снабжаемый воздухом посредством упомянутого воздухозаборника (2) и заключенный в корпусе, который также является цилиндрическим,
причем задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника (2) и передний конец упомянутого корпуса вентилятора (3) подлежат соединению вместе с использованием крепежных деталей, таких как винты, болты или подобные детали, в котором:
по меньшей мере один из упомянутых компонентов, то есть упомянутой внутренней стенки (5.1-5.6) воздухозаборника (2) и упомянутого корпуса (12.1-12.6) вентилятора (3), изготовлен из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя,
упомянутый задний конец (5.1R-5.6R) упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и упомянутый передний конец (12.1А-12.6А) упомянутого корпуса вентилятора являются однородными, без выступов, таких как периферийные фланцы или подобные детали, которые могут использоваться для соединения упомянутой внутренней стенки и упомянутого корпуса вместе, и
оси (x1-x1 – х6-х6) упомянутых крепежных деталей образуют угол, составляющий по меньшей мере 60° относительно упомянутой продольной оси (L-L) газотурбинного двигателя (1).

2. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором упомянутая внутренняя стенка (5.1-5.6) воздухозаборника (2) и упомянутый корпус (12.1-12.6) вентилятора (3) изготовлены из композиционного материала, состоящего из смолы и волокнистого наполнителя.

3. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором оси (x1-x1 – х6-х6) упомянутых крепежных деталей по меньшей мере приблизительно ортогональны упомянутой продольной оси (L-L) газотурбинного двигателя (1).

4. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором задний конец (5.1R-5.3R) внутренней стенки воздухозаборника (2) и передний конец (12.1А-12.3А) корпуса вентилятора (3) смонтированы один внутри другого, и крепежные детали проходят через упомянутые передний и задний концы.

5. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором задний конец (5.1R) упомянутой внутренней стенки воздухозаборника (2) проникает внутрь переднего конца (12.1А) упомянутого корпуса вентилятора (3).

6. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором передний конец (12.1А, 12.3А) упомянутого корпуса вентилятора (3) проникает внутрь заднего конца (5.2R, 5.3R) упомянутой внутренней стенки воздухозаборника (2).

7. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором упомянутые передний и задний концы (5.1R, 5.2R-12.1A, 12.2А), которые смонтированы один внутри другого, находятся в прямом контакте друг с другом.

8. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором по меньшей мере одно разделительное кольцо (27, 28) расположено между упомянутыми передним и задним концами, которые смонтированы один внутри другого, и упомянутые крепежные детали проходят через упомянутое разделительное кольцо.

9. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором поверхность (25, 29), через которую смонтированы упомянутые передний и задний концы один внутри другого, является цилиндрической.

10. Газотурбинный двигатель по п.4,
в котором поверхность (25, 29), через которую смонтированы упомянутые передний и задний концы один внутри другого, является конической.

11. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором упомянутый задний конец упомянутой внутренней стенки воздухозаборника и упомянутый передний конец упомянутого корпуса вентилятора соединены вместе через соединительное кольцо (30, 35, 36), в которое они проникают, крепежные детали проходят через те части упомянутого соединительного кольца (30, 35, 36) и упомянутого заднего конца упомянутой внутренней стенки воздухозаборника, которые обращены друг к другу, и другие крепежные детали проходят через те части упомянутого соединительного кольца (30, 35, 36) и упомянутого переднего конца упомянутого корпуса вентилятора, которые обращены друг к другу.

12. Газотурбинный двигатель по п.11,
в котором упомянутое соединительное кольцо состоит по меньшей мере из двух сегментов.

13. Газотурбинный двигатель по п.11,
в котором упомянутое соединительное кольцо (30) содержит поперечную разделительную стенку (31).

14. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором по меньшей мере некоторые из упомянутых крепежных деталей представляют собой болты, гайки (23.1-23.3) которых являются невыпадающими в одном или другом из упомянутых переднего и заднего концов.

15. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором по меньшей мере некоторые из упомянутых крепежных деталей присоединены к одному из упомянутых переднего или заднего концов через пластично деформируемые элементы (37), которые обеспечивают возможность одному из упомянутых переднего или заднего концов поворачиваться относительно другого.

16. Газотурбинный двигатель по п.1,
в котором обеспечено средство (42) центрирования для позиционирования одного из упомянутых переднего или заднего концов относительно другого по отношению к продольной оси газотурбинного двигателя.

РИСУНКИ