風扇護罩的製作方法

2023-09-11 10:15:15

本發明涉及飛行器環境控制系統中使用的空氣循環機(acm)，並且更具體地說涉及一種用於在acm中使用的風扇和壓縮機殼體。
背景技術：
：常規飛行器環境控制系統結合acm來用於冷卻供應給飛行器艙室的空氣並對所述空氣除溼。acm通常包括用於壓縮空氣的壓縮機部段。壓縮的空氣排放至下遊熱交換器並且進一步傳輸至渦輪機。渦輪機從膨脹的空氣提取能量以驅動壓縮機。從渦輪機輸出的空氣通常被用作運載工具，諸如飛行器的艙室的空氣供應。acm可以用於在傳輸至飛行器的環境控制系統的空氣中實現所希望的壓力、溫度和溼度。acm經常具有三輪或四輪構造。在三輪acm中，渦輪機驅動在公共軸上旋轉的壓縮機和風扇兩者。在四輪acm中，兩個渦輪機部段在公共軸上驅動壓縮機和風扇。在任何構造中，可以將第一氣流引導到壓縮機部段中，並且可以將第二氣流引導到風扇部段中。在由壓縮機壓縮第一氣流之後，可以將第一氣流引導至熱交換器以將第一氣流冷卻至所希望的溫度，之後第一氣流行進至一個或多個渦輪機。由風扇部段將第二氣流朝向熱交換器引導以冷卻第一氣流。風扇部段包括一排風扇葉片，所述風扇葉片旋轉來將第二氣流吸入到風扇部段中並且將所述第二氣流吸到熱交換器上。在風扇部段中的一個風扇葉片在操作過程中因發生斷裂而從公共軸脫離的情況下，斷裂的風扇葉片會撞擊和損壞風扇部段的殼體。在傳統的acm中，風扇部段周圍的殼體往往與壓縮機部段的殼體一體成型，從而形成具有複雜的幾何形狀的修理或更換費用較高的單一部件。技術實現要素：在本發明的一方面中，空氣循環機的風扇護罩包括沿風扇護罩的中心軸線在護罩的第一端與第二端之間軸向延伸的管狀主體。凸緣在所述護罩的所述第一端處從所述護罩的所述管狀主體徑向向外延伸。至少一個安裝孔延伸穿過所述凸緣。觀察孔延伸穿過所述凸緣並且相對於所述中心軸線定位在所述至少一個安裝孔的徑向內側。在本發明的另一方面中，空氣循環機的風扇殼體包括風扇出口流動通道以及環，所述環圍繞風扇殼體的中心軸線設置並且圍繞風扇出口流動通道設置。所述環包括與第二端軸向相對地設置的第一端，第一端設置在第二端的下遊。所述環還包括設置在所述環的第一端的徑向內側的託架。託架還設置在所述環的第一端的上遊以及所述環的第二端的下遊。風扇殼體還包括風扇護罩。風扇護罩具有沿風扇殼體的中心軸線從護罩的第一端軸向延伸至第二端的管狀主體。護罩的第二端朝向所述環的託架延伸。凸緣在護罩的第一端處從護罩的管狀主體徑向向外延伸並且所述凸緣設置在所述環的第一端附近。至少一個安裝孔延伸穿過所述凸緣。觀察孔也延伸穿過所述凸緣並且定位在至少一個安裝孔的徑向內側以及所述環的第一端的徑向內側。本領域普通技術人員將認識到，鑑於包括附圖的本公開的全部內容，本發明的其他方面和實施方案是可能的。附圖說明圖1是空氣循環機的實施方案的截面圖。圖2是圖1的空氣循環機的風扇護罩的截面圖。圖3是圖2的風扇護罩的第一端的正視圖。雖然上述附圖闡述了本發明的一個或多個實施方案，但是也涵蓋其他實施方案。在所有情況下，本公開都以示例而非限制的方式呈現本發明。應理解，本領域技術人員可以想出落在本發明的原理的範圍和精神內的眾多其他修改形式和實施方案。附圖可能並未按比例繪製，並且本發明的應用和實施方案可以包括附圖中未具體示出的特徵和部件。相同附圖標記標識相同結構元件。具體實施方式本發明涉及一種用於空氣循環機(acm)的風扇和壓縮機殼體，所述風扇和壓縮機殼體包括可拆卸的風扇護罩和容納環。在acm的風扇葉片斷裂並撞擊風扇和壓縮機殼體的情況下，風扇護罩和容納環將承受風扇葉片的大部分撞擊，從而防護風扇和壓縮機殼體的其餘部分並且降低acm的修理成本。風扇護罩包括觀察孔的附加益處：允許由操作者在acm的維護過程中視覺確認容納環的存在。風扇護罩還包括選擇來確保觀察孔與容納環之間的適當的徑向對準的尺寸和尺寸比。下文參考附圖論述了活塞的一些示例性實施方案。圖1是acm2的截面圖。acm2是四輪acm，所述四輪acm包括風扇部段4、壓縮機部段6、第一渦輪機部段8以及第二渦輪機部段10，它們全部都連接至軸12以用於共同繞中心軸線14旋轉。應注意，僅以舉例而非限制的方式示出和描述acm2。眾多其他acm構造諸如三輪acm在另外的實施方案中也是可能的。當第一工作流體穿過acm2時，首先在壓縮機部段6中壓縮第一工作流體，並且之後在第一渦輪機部段8和第二渦輪機部段10中使所述第一工作流體膨脹。在第一工作流體穿過壓縮機部段6與第一渦輪機部段8之間時，第一工作流體通常在所述第一工作流體傳輸穿過其中的熱交換器(未示出)中冷卻。第一渦輪機部段8和第二渦輪機部段10從第一工作流體提取能量，從而使軸12繞中心軸線14轉動。與此同時，第二工作流體通過風扇部段4傳輸穿過同一個熱交換器。例如，第一工作流體可以從燃氣渦輪發動機的排氣閥傳輸穿過壓縮機部段6而到達熱交換器，進而到達第一渦輪機部段8，之後到達第二渦輪機部段10並且然後到達飛行器的環境控制系統。第二工作流體可以是衝壓空氣，由風扇部段4拉入穿過同一個熱交換器以將第一工作流體冷卻至所希望的溫度，之後將第一工作流體傳輸至渦輪機部段8和渦輪機部段10。通過壓縮工作流體、對其進行溫度處理和使其膨脹，可以將第二渦輪機10處提供的輸出物調節至所希望的溫度、壓力和/或相對溼度。風扇部段4包括風扇進氣口16和風扇出氣口18。風扇進氣口16是acm2中從另一個來源諸如衝壓空氣收集器接收第二工作流體的開口。風扇出氣口18允許第二工作流體溢出風扇部段4。風扇葉片20可以用於將第二工作流體吸入到風扇部段4中。壓縮機部段6包括壓縮機進氣口22、壓縮機出氣口24和壓縮機葉片27。壓縮機進氣口22是限定在其中從另一個來源接收有待壓縮的第一工作流體的孔隙的管道。壓縮機進氣口22將第一工作流體從壓縮機進氣口22引導至壓縮機葉片27，在此處，第一工作流體被壓縮，之後進入壓縮機出氣口24。壓縮機出氣口24允許第一工作流體在所述第一工作流體被壓縮之後傳輸至其他系統。第一渦輪機部段8包括第一級渦輪機進氣口28、第一級渦輪機出氣口30和第一渦輪機葉片33。第一級渦輪機進氣口28是限定第一工作流體在第一渦輪機部段8中膨脹之前穿過其中的孔隙的管道。第一級渦輪機出氣口30是限定第一工作流體(其已膨脹)從其中離開第一渦輪機部段8的孔隙的管道。第一級渦輪機葉片33設置在第一級渦輪機進氣口28與第一級渦輪機出氣口30之間的流動路徑中，並且從穿過其中的第一工作流體提取能量，從而驅動第一渦輪機部段8和附接部件的旋轉，所述附接部件包括軸12、風扇部段4和壓縮機部段6。第二渦輪機部段10包括第二級渦輪機進氣口34、第二級渦輪機出氣口36和第二級渦輪機葉片39。第二級渦輪機進氣口34是限定第一工作流體在第二渦輪機部段10中膨脹之前穿過其中的孔隙的管道。第二級渦輪機出氣口36是限定第一工作流體(其已膨脹)從其中離開第二渦輪機部段10的孔隙的管道。第二級渦輪機葉片39設置在第二級渦輪機進氣口34與第二級渦輪機出氣口36之間的流動路徑中，並且從穿過其中的工作流體提取能量，從而驅動第二渦輪機部段10和附接部件的旋轉，所述附接部件包括軸12、風扇部段4和壓縮機部段6。第一工作流體從第二級渦輪機進氣口34傳遞至空腔35，在此處，第一工作流體濺射到第二級渦輪機葉片39上。第一工作流體之後可以穿過葉輪或噴嘴，所述葉輪或噴嘴出於最佳效率考慮幫助導引和調直第一工作流體流。第一工作流體流使得渦輪機葉片39旋轉並且使得軸12轉動。軸12可以是杆，諸如鈦質系杆，所述杆用於連接acm2的其他部件。中心軸線14是相對於其可以布置其他部件的軸線。軸12可以將風扇部段4機械連接至壓縮機部段6。風扇部段4和壓縮機部段6還可以包括風扇和壓縮機殼體40。風扇和壓縮機殼體40可以封閉穿過風扇部段4和壓縮機部段6內的活動件和氣道兩者。風扇和壓縮機殼體40的大小和幾何形狀限定穿過acm2的氣流。風扇和壓縮機殼體40可以被設定尺寸來與鄰近殼體部段，諸如第一渦輪機殼體42和第二渦輪機殼體44配合。如圖1中所示，風扇和壓縮機殼體40可以包括外環46、支架48、內環50、彎曲壁52、容納環54、護罩56以及緊固件58。內環50可以包括第一端60、第二端62、導引表面64、託架66、空腔68、凹槽70、安裝表面72以及安裝孔74。容納環54可以包括第一端76、第二端78、管狀主體80以及凸緣82。護罩56可以包括第一端84、第二端86、管狀主體88以及安裝凸緣90。外環46圍繞中心軸線14設置。中心軸線14可以是acm2以及風扇和壓縮機殼體40兩者的中心軸線。內環50設置在外環46的徑向內側，並且支架48彼此周向地間隔開並可以從外環46徑向向內延伸至內環50。支架48連接至內環50和外環46兩者，並且可以使外環46在徑向上與內環50相對地間隔開以形成風扇進氣口16。內環50形成風扇出氣口18並且圍繞風扇葉片20設置。彎曲壁52可以連接至外環46並且可以朝向風扇葉片20彎曲180度。彎曲壁52連同內環50一起在風扇進氣口16與風扇出氣口18之間形成彎曲流動通道，從而允許工作流體在通過風扇出氣口18離開風扇部段4之前進入風扇進氣口16來轉動180度。如圖1–3中所示，外環46、支架48、內環50和彎曲壁52全部可以一體成型，並且可以通過鑄造工藝形成為單一工件。外環46、支架48、內環50和彎曲壁52可以由鋁或鋁合金，諸如6061鋁合金，或者可以容易地成型為風扇和壓縮機殼體40的幾何形狀，同時滿足acm2的操作條件的任何其他材料形成。容納環54和護罩56可以設置在內環50的徑向內側，並且設置在風扇葉片20的徑向外側。如果一個風扇葉片20在acm2的操作過程中從軸12脫離(又稱為「葉片脫落事件」)，那麼容納環54和護罩56被構造來承受因脫離的風扇葉片20撞擊所致的力，從而保護風扇和壓縮機殼體40的其餘部分免於損壞。如圖1中所示，容納環54可以包括沿中心軸線14在容納環54的第一端76與容納環54的第二端78之間軸向延伸的管狀主體80。容納環54的凸緣82可以在容納環54的第一端76處從管狀主體80徑向向外延伸。容納環54可以由鋼，諸如4130鋼，或適於忍受來自風扇葉片20的撞擊的任何其他材料形成。護罩56可以包括沿中心軸線14在護罩56的第一端84與護罩56的第二端86之間軸向延伸的管狀主體88。護罩56還可以包括在護罩56的第一端84處從護罩56的管狀主體88徑向向外延伸的安裝凸緣90。護罩56可以由鋁或鋁合金，諸如6061鋁合金，或者可以成型為護罩56的幾何形狀，同時滿足acm2的操作條件的任何其他材料形成。容納環54和護罩56可釋放地連接至內環50，以使得容納環54和護罩56能夠在葉片脫落事件之後快速從內環50脫離並進行更換。內環50包括導引表面64、託架66、凹槽70、安裝表面72以及安裝孔74以幫助將容納環54和護罩56可釋放地連接至內環50。如圖1中所示，內環50的第一端60以與內環50的第二端62軸向相對的方式設置。導引表面64可以形成在內環50的第一端60與第二端62之間，並且相對於中心軸線14面向徑向內側。託架66可以設置在導引表面64的徑向內側並且軸向定位在內環50的第一端60與第二端62之間。凹槽70形成在內環50的第一端60上。凹槽70可以是在第一端60與導引表面64之間軸向延伸的埋頭孔，並且徑向向內延伸至導引表面64。安裝表面72也可以設置在內環50的第一端60處並且可以從凹槽70徑向向外延伸。安裝孔74可以形成在安裝表面72和內環50的第一端60中，並且可以在安裝表面72上彼此周向地間隔開。當將容納環54和護罩56組裝到內環50上時，容納環54的管狀主體80的第二端78被定位成使得容納環54的管狀主體80的第二端78能夠延伸到託架66上。在容納環54的管狀主體80的第二端78定位在託架66上的情況下，容納環54的管狀主體80可以抵靠導引表面64定位，並且容納環54的凸緣82可以延伸進入到內環50中位於內環50的第一端60近側的凹槽70中。空腔68還可以形成在內環50中，並且可以定位在託架66和導引表面64的徑向內側以減輕內環50和acm2的總重。減輕acm2的重量有助於將acm2的重量減輕轉換成結合acm2的飛行器的重量減輕並且改進所述飛行器的燃料效率。空腔68還可以有助於通過在內環50的託架66與其餘部分之間提供更多間隙和空間來將容納環54的第二端78組裝到內環50的託架66上。在容納環54定位在內環50上的情況下，護罩56之後可以附接到內環50上以將容納環54徑向固定在內環50與護罩56之間。當組裝到內環50上時，護罩56的管狀主體88的第二端86可以設置在容納環54的管狀主體80的徑向內側。管狀主體88的第二端86也可以設置在託架66附近並且與託架66徑向對準。安裝凸緣90可以抵靠內環50的安裝表面72和第一端60定位，以使得安裝凸緣90覆蓋住凹槽70和容納環54的凸緣82。在護罩56的安裝凸緣90抵靠安裝表面72放置的情況下，可以將緊固件58插入穿過安裝凸緣90中的安裝孔96而進入到內環50的安裝孔74中以將護罩56和容納環54固定至內環50。緊固件58可以是螺紋緊固件，諸如螺釘或螺栓。在容納環54的凸緣82設置在凹槽70中，容納環54的第二端78設置在託架66上，並且護罩56的安裝凸緣90連接至內環50的安裝表面72的情況下，容納環54在acm2的操作過程中無法軸向移動位置，從而確保容納環54在發生葉片脫落事件的情況下能維持相對於風扇葉片20的軸向位置。導引表面64、託架66和管狀主體80約束容納環54在acm2的操作過程中的徑向移動和移位。如下文參考圖2和圖3所論述，護罩56可以包括用於允許視覺驗證acm2中的容納環54的存在的觀察孔100。將同時論述圖2和圖3。圖2是圖1的acm2的護罩56的截面圖。圖3是圖2的護罩56的第一端84的正視圖。如圖2和圖3中所示，護罩56的安裝凸緣90可以包括第一側92、第二側94、安裝孔96、埋頭孔凹槽98以及觀察孔100。安裝凸緣90的第一側92以與安裝凸緣90的第二側94相對的方式設置。當護罩56安裝到內環50中時，安裝凸緣90的第二側94抵靠內環50的安裝表面72設置。安裝孔96可以完全延伸穿過護罩56的安裝凸緣90並且可以與內環50的安裝孔74(圖1中僅示出其中一個)徑向地且周向地對準。埋頭孔凹槽98中的每一個可以形成在安裝凸緣90的第一側92上並且圍繞安裝孔96中的一個設置。埋頭孔凹槽98允許緊固件58(圖1中所示)的工作頭部在安裝到acm2上時與安裝凸緣90的第一側92齊平。觀察孔100也可以延伸穿過護罩56的安裝凸緣90並且可以相對於中心軸線14定位在安裝孔96的徑向內側。觀察孔100定位在安裝凸緣90上，以使得觀察孔100在護罩56連接至內環50時與容納環54的至少一部分徑向對準。如通過圖1中的示例所示，觀察孔100可以定位在內環50的第一端60的徑向內側，以使得觀察孔100與容納環54的凸緣82徑向對準。如果技術人員在acm2的維修或初始組裝過程中無意中沒有包括容納環54，那麼風扇和壓縮機殼體40在發生葉片脫落事件的情況下可能會經受更為重大和昂貴的損壞。在護罩56的安裝凸緣90上提供和定位觀察孔100允許技術人員能夠在將acm2結合到飛行器中之前視覺驗證acm2中容納環54的存在。為了確保觀察孔100對於查看容納環54而言是足夠大的，觀察孔100可以包括長度為約0.4648cm(0.1830英寸)至約0.4902cm(0.1930英寸)的直徑d1。為了確保觀察孔100充分定位在安裝凸緣90上，觀察孔100的中心可以在安裝凸緣90上與中心軸線14徑向間隔開距離d2。距離d2的長度可以為約8.0860cm(3.1835英寸)至約8.1191cm(3.1965英寸)。觀察孔100的直徑d1與距離d2之比(d1/d2)可以為約0.0570至約0.0600。安裝凸緣90可以包括長度約為9.0170cm(3.5500英寸)的外徑d3。距離d2與安裝凸緣90的外徑d3之比(d2/d3)可以為約0.8967至約0.9004。護罩56的管狀主體88也可以被設定尺寸來幫助容納環54支撐風扇和壓縮機殼體40對抗葉片脫落事件下的撞擊。護罩56的管狀主體88可以包括內徑d4和徑向厚度d5。管狀主體88的內徑d4的長度可以為約13.2994cm(5.2360英寸)至約13.3146cm(5.2420英寸)。徑向厚度d5的長度可以為約0.3429cm(0.1350英寸)至約0.3937cm(0.1550英寸)。管狀主體80的內徑d4與管狀主體的徑向厚度d5之比(d4/d5)可以為約33.7806至約38.8296。安裝凸緣90的外徑d3與管狀主體88的內徑d4之比(d3/d4)可以為約0.6772至約0.6779。表1在下文提供了尺寸d1、d2、d3、d4以及d5的值連同上述比率的列表。表1d10.4648cm–0.4902cmd28.0860cm–8.1191cmd39.0170cm–9.0170cmd413.2994cm–13.3146cmd50.3429cm–0.3937cmd1/d20.0570–0.0600d2/d30.8967–0.9004d3/d40.6772–0.6779d4/d533.7806–38.8296鑑於前文描述，將認識到本公開提供眾多優點和益處。例如，本公開提供具有風扇和壓縮機殼體40的acm2。風扇和壓縮機殼體包括內環50，所述內環50具有允許容納環54和護罩56的可去除的連接的導引表面64、託架66和凹槽70。在acm2的風扇部段4中發生葉片脫落事件的情況下，容納環54和護罩56被構造來承受由葉片脫落事件導致的大部分能量和損壞，從而使風扇和壓縮機殼體40的其餘部分免於顯著損壞。在葉片脫落事件之後，可以從風扇和壓縮機殼體40的內環50去除容納環54和護罩56並且對其進行更換。獲得了成本節省，因為容納環54和護罩56的更換成本相較於更換整個壓縮機殼體40的成本而言是相對廉價的。另外，護罩56包括為容納環54提供觀察窗口的觀察孔100。在將acm2組裝到飛行器上之前，操作者可以使用觀察孔100來檢查容納環54並且驗證容納環54事實上存在於acm2中並且在acm2的初始組裝或維修過程中不會被無意中落下。由於觀察孔100放置在護罩56的安裝凸緣90上，觀察孔100也不會干擾到工作流體流過風扇部段4。下文是本發明的可能的實施方案的非排他性描述。在一個實施方案中，空氣循環機的風扇護罩包括沿風扇護罩的中心軸線在護罩的第一端與第二端之間軸向延伸的管狀主體。凸緣在所述護罩的所述第一端處從所述護罩的所述管狀主體徑向向外延伸。至少一個安裝孔延伸穿過所述凸緣。觀察孔延伸穿過所述凸緣並且相對於所述中心軸線定位在所述至少一個安裝孔的徑向內側。先前段落的風扇護罩可以任選地包括另外地和/或可替代地以下特徵結構、構造和/或附加部件中的任一個或多個：觀察孔包括直徑d1，其中觀察孔在凸緣上與風扇護罩的中心軸線徑向間隔開距離d2，並且其中觀察孔的直徑d1與距離d2之比是0.0570至0.0600；凸緣包括外徑d3，並且其中距離d2與凸緣的外徑d3之比是0.8967至0.9004；護罩的管狀主體包括內徑d4，並且其中凸緣的外徑d3與管狀主體的內徑d4之比是0.6772至0.6779；護罩的管狀主體包括徑向厚度d5，並且其中管狀主體的內徑d4與管狀主體的徑向厚度d5之比是33.7806至38.8296；和/或風扇護罩的凸緣包括第一側和第二側；以及凹槽，所述凹槽形成在凸緣的第一側上並且圍繞至少一個安裝孔設置。在另一實施方案中，空氣循環機的風扇殼體包括風扇出口流動通道以及環，所述環圍繞風扇殼體的中心軸線設置並且圍繞風扇出口流動通道設置。所述環包括與第二端軸向相對地設置的第一端，第一端設置在第二端的下遊。所述環還包括設置在所述環的第一端的徑向內側的託架。託架還設置在所述環的第一端的上遊以及所述環的第二端的下遊。風扇殼體還包括風扇護罩。風扇護罩具有沿風扇殼體的中心軸線從護罩的第一端軸向延伸至第二端的管狀主體。護罩的第二端朝向所述環的託架延伸。凸緣在護罩的第一端處從護罩的管狀主體徑向向外延伸並且所述凸緣設置在所述環的第一端附近。至少一個安裝孔延伸穿過所述凸緣。觀察孔也延伸穿過所述凸緣並且定位在至少一個安裝孔的徑向內側以及所述環的第一端的徑向內側。先前段落的風扇殼體可以任選地包括另外地和/或可替代地以下特徵結構、構造和/或附加部件中的任一個或多個：風扇殼體還包括：徑向設置在所述環與風扇護罩之間的容納環；觀察孔與容納環的至少一部分徑向對準；觀察孔包括直徑d1，其中觀察孔在凸緣上與風扇護罩的中心軸線徑向間隔開距離d2，並且其中觀察孔的直徑d1與距離d2之比是0.0570至0.0600；凸緣包括外徑d3，並且其中距離d2與凸緣的外徑d3之比是0.8967至0.9004；護罩的管狀主體包括內徑d4，並且其中凸緣的外徑d3與管狀主體的內徑d4之比是0.6772至0.6779；和/或護罩的管狀主體包括徑向厚度d5，並且其中管狀主體的內徑d4與管狀主體的徑向厚度d5之比是33.7806至38.8296。本文使用的任何相對術語或程度術語諸如「基本上」、「實質上」、「大體上」、「近似地」等等應該根據本文明確陳述的任何適用的定義或限制來解釋並且受制於所述定義或限制。在所有情況下，本文使用的任何相對術語或程度術語應被解釋為廣泛涵蓋如本領域普通技術人員通過借鑑本公開的整體內容將理解的任何相關的公開的實施方案以及這類範圍或變化，以便於涵蓋普遍製造公差變化、附帶對準變化、瞬時振動和搖擺運動、由操作條件誘導的臨時對準或形狀變化等等。雖然已經參考示例性實施方案描述了本發明，但本領域那些技術人員將理解，在不脫離本發明的範圍的情況下可以進行各種改變並且等效物可以取代其中的元件。例如，雖然圖1示出以四輪acm實施本發明，但是本發明也可以用於三輪acm。此外，在不脫離本發明的實質範圍的情況下，可以進行許多修改，以使特定情況或材料適應本發明的教示。例如，雖然圖1-3將風扇和壓縮機殼體4示出為風扇部段4和壓縮機部段6兩者的單一外殼，但是風扇和壓縮機殼體4可以分成為與壓縮機殼體分開的部件的風扇殼體。因此，本發明並不打算受限於所公開的特定實施方案，而是本發明將包括落在隨附權利要求書的範圍內的所有實施方案。當前第1頁12