航空器用發動機的風扇罩的製作方法
2023-06-12 13:03:41 4
航空器用發動機的風扇罩的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種航空器用發動機的風扇罩，罩住航空器用發動機的風扇外周的環狀的風扇罩(FC)具備罩部(21)和束縛部(22)，罩部(21)含有包括纖維和樹脂的第一複合材料，束縛部(22)含有包括纖維和樹脂的第二複合材料，並形成在罩部(21)的外周。設定束縛部(22)的樹脂含有率低於罩部(21)的樹脂含有率。
【專利說明】航空器用發動機的風扇罩
[0001]相關申請
[0002]本申請要求2012年6月21日申請的日本專利申請2012-139484的優先權，將其全部內容以參照的方式引入作為本申請的一部分。
【技術領域】
[0003]本發明涉及一種罩住航空器用發動機的風扇外周的風扇罩。
【背景技術】
[0004]在航空器用發動機中，由於其重量對航空器的燃料消耗性能帶來的影響大，因此輕量化一直以來成為重要的技術問題。其中，在渦輪風扇發動機或渦輪噴氣發動機上，為了使作為重量比率較大的部件的風扇罩輕量化進行了各種嘗試，結果取得了一定成果。作為這樣的風扇罩的代表，存在從一直以來作為原料一般使用的金屬替換成其他原料的風扇罩，例如，除了 CFRP制風扇罩以外，具有在鋁製的罩部上纏繞多層凱夫拉(Kevlar:註冊商標)纖維的風扇罩，還有罩部的外周被彈性的束縛帶覆蓋的風扇罩(參照專利文獻I)等。
[0005]另一方面，對於風扇罩，在發生FB0(Fan Blade Off ;風扇葉片脫落)的情況下，要求緩衝地接受分散的風扇葉片，防止向風扇罩的外側飛出的遏制作用，所述FBO是以放射狀的配置植入設置在風扇的軸轂外周面上的多個風扇葉片的一部分由於某些原因掉落，因離心力而飛散。因此，風扇罩必須在確保遏制作用的同時實現輕量化。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻1:日本特表2002-516945號
【發明內容】
[0009](一 )要解決的技術問題
[0010]但是,所述金屬制風扇罩是通過從金屬材料切削來製造的簡單的風扇罩，難以在確保遏制作用的同時實現充分的輕量化。此外，所述CFRP制風扇罩通過使用比強度優於金屬的複合材料來實現輕量化，進而，所述鋁/凱夫拉縴維制風扇罩通過鋁給予作為罩所必須的剛性，並且通過凱夫拉縴維使其具有遏制作用。這些CFRP制風扇罩及鋁/凱夫拉縴維制風扇罩與金屬制風扇罩相比，能夠實現某種程度的輕量化，但難以在充分確保遏制作用的同時實現進一步的輕量化。
[0011]進而，由於鋁/凱夫拉縴維制風扇罩在發生FBO時罩的變形量大，因此有幹涉到外側的整流罩等周邊部件的危險。對此，如果為了限制罩的變形量謀求增大凱夫拉縴維的纏繞數量，則會損害輕量化。
[0012]因此，本發明的目的是提供一種航空器用發動機的風扇罩，其能夠在確保所需遏制性能的同時實現充分的輕量化。
[0013](二)技術方案
[0014]為了實現上述目的，本發明的航空器用發動機的風扇罩罩住設置風扇葉片的風扇外周，具備罩部和束縛部，所述罩部含有包括纖維和樹脂的第一複合材料，所述束縛部含有包括纖維和樹脂的第二複合材料，並形成在所述罩部的外周，設定所述束縛部的樹脂含有率低於所述罩部的樹脂含有率。
[0015]由於束縛部的樹脂含有率低於罩部，因此隨著各纖維的纖維間粘接強度減弱，具有纖維之間相互錯離的柔性。如果纖維間是粘接狀態，則會發生因剪切導致的破壞，但如果纖維之間相互錯離，則會發生因拉伸導致的破壞。因此，在束縛部中，在飛散的風扇葉片衝撞的情況下被破壞的全部纖維中，因拉伸而破壞的纖維的比例增加，因剪切而破壞的纖維的比例減少。一般地，因拉伸導致的破壞所需的能量大於因剪切導致的破壞，因此，作為束縛部整體能夠吸收的能量變大。換言之，束縛部具有能夠阻止風扇葉片貫穿的高的遏制作用。由此，由於罩部不需要具有遏制作用，因此其在為了滿足確保相對風扇葉片的前端部的葉尖間隙及保持靜葉片等而具有高強度及高剛性的範圍內，能夠實現充分的輕量化。
[0016]優選地，所述束縛部形成在所述罩部的從徑向外側與風扇葉片的相對處的外周上。由此，縮小形成束縛部的區域，能夠實現進一步的輕量化。
[0017]各所述第一和第二複合材料中的纖維可以由相同纖維構成，各所述第一和第二複合材料中的樹脂可以由相同樹脂構成。由此，減少使用的纖維及樹脂的種類，能夠提高生產率。
[0018]所述束縛部的樹脂含有率優選為12?15重量％。所述罩的樹脂含有率優選為32?40重量％的程度。由此，能夠均衡地實現遏制作用和輕量化。
[0019]例如，形成所述第一或第二複合材料的纖維選自碳纖維、玻璃纖維及芳香族聚醯胺纖維，樹脂選自環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂及聚醯亞胺樹脂。通過這些材料，可以得到輕量且高強度的複合材料。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是示意性地表示安裝有本發明的一個實施方式的風扇罩的航空器用發動機的結構圖。
[0021]圖2是表示上述航空器用發動機的主視圖。
[0022]圖3是表示上述航空器用發動機上的風扇及風扇罩的縱剖視圖。
[0023]圖4A是示意性地表示上述風扇罩上的罩部的內部結構的剖面圖。
[0024]圖4B是示意性地表示上述風扇罩上的束縛部的內部結構的剖面圖。
[0025]圖5是表不掉落飛散的風扇葉片衝撞時的風扇罩的罩部的內部結構的不意圖。
[0026]圖6是表示掉落飛散的風扇葉片衝撞時的風扇罩的束縛部的內部結構的示意圖。
[0027]圖7A是示意性地表示本發明的實施例的風扇罩的罩部的內部結構的剖面圖。
[0028]圖7B是示意性地表示本發明的實施例的風扇罩的束縛部的內部結構的剖面圖。
[0029]圖8是表示上述實施例中束縛部的吸收能量的特性圖。
【具體實施方式】
[0030]下面參照附圖對本發明優選實施方式進行說明。在圖1中，航空器用噴氣發動機E是雙軸型的渦輪風扇發動機，作為主要構成部件具備壓縮機2、燃燒器3、渦輪4及風扇10。在從壓縮機2供給的壓縮空氣中混合燃料，使其在燃燒器3中燃燒，將由該燃燒產生的高溫高壓的燃燒氣體供給渦輪4。渦輪4具有前段側的高壓渦輪41和後段側的低壓渦輪42，壓縮機2通過中空的高壓軸7與高壓渦輪41連接，由該高壓渦輪41旋轉驅動。
[0031]風扇10通過插通高壓軸7的中空部的低壓軸9與低壓渦輪42連接，由該低壓渦輪42旋轉驅動。該風扇10安裝在低壓軸9的前端部，由風扇罩FC罩住。高壓軸7及低壓軸9具有共同的發動機軸心C地同心配置。這樣一來，通過從低壓渦輪42噴射的燃燒氣體的噴氣流和由風扇10產生的高速氣流，得到發動機推力。
[0032]如圖2所示，風扇10在與低壓軸9(圖1) 一體旋轉地連接的軸轂11的外周上，沿發動機E的徑向以放射狀的配置植入設置有多個風扇葉片(動葉片)12。該風扇10收納在罩住其外周的環狀(圓筒狀)的風扇罩FC內，在一部分風扇葉片12掉落飛散的情況下，使該風扇葉片不從發動機E向外側飛出地容納在風扇罩FC內。包括該風扇10及風扇罩FC的發動機E整體由發動機短艙N罩住。
[0033]如圖3所示，在風扇10上，在風扇葉片12的下遊側配設風扇靜葉片13。風扇罩FC具有罩部21和束縛部22，所述罩部21具有從圓筒體的兩端部分別向外側延伸的凸緣部21a、21b，所述束縛部22安裝在該罩部21的外周面上。束縛部22僅形成在罩部21的從徑向外側與風扇葉片12的相對處的外周上，設定其軸向長度大於風扇葉片12的前端部12a的軸向長度。罩部21由含有纖維和樹脂的第一複合材料形成，束縛部22由含有纖維和樹脂的第二複合材料形成。在該實施方式中，第一及第二複合材料由相同的纖維及樹脂形成，但設定束縛部22的複合材料中的樹脂含有率低於罩部21的樹脂含有率。
[0034]作為罩部21及束縛部22原料的輕量且高強度的複合材料，作為纖維可以適當使用碳纖維、玻璃纖維或芳香族聚醯胺纖維等。作為填充至由該纖維形成的多層之間，成為將鄰接的兩個纖維層相互粘接的母材的樹脂，可以適當使用環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂或聚醯亞胺樹脂這樣的熱固性樹脂。在製造時，在層壓用模具上層壓用來形成罩部21的複合材料,從其上部層壓形成束縛部22的合材料，加熱使兩個複合材料固化。
[0035]設定風扇罩FC的罩部21的內徑為，使罩部21以所需的小的葉尖間隙TC與各風扇葉片12的前端部12a相對。為了提高發動機效率，罩部21的內徑面以高的尺寸精度管理，要求其能夠一直確保小的所需葉尖間隙TC的強度及剛性。因此，罩部21由硬而難以變形且具有高剛性的複合材料形成。即，在該實施方式中，作為罩部21的複合材料，使用一直以來一般使用的材料，並且在沿徑向重疊的多個纖維層之間充分含有樹脂，設定為可以得到高強度及高剛性的樹脂含有率。
[0036]在該風扇罩FC上，除了罩部21以外，在其外周側還另外具備束縛部22，該束縛部22如後所述，具備防止在發生FBO時掉落飛散的風扇葉片片子從風扇罩FC向外側飛散的遏制作用。因此，罩部21不需要具備遏制作用，在可以得到能夠實現所需的確保葉尖間隙TC、保持靜葉片13等的強度和剛性的範圍內，能夠實現輕量化。實際上，罩部21的剛性高於束縛部22的剛性。
[0037]如圖4A示意性地所示，風扇罩FC的罩部21設定為可以得到高的強度及剛性的一般的通常樹脂含有率，在由纖維23A形成的各層之間充分地填充樹脂24A，各層的纖維23A之間相互牢固地粘接，由此，纖維23A之間成為相互難以分離(剝離)的狀態。
[0038]另一方面,如圖4B示意性地所示,風扇罩FC的束縛部22如圖4B所示,設定樹脂含有率低於罩部21的通常的樹脂含有率，由於作為粘接材料的樹脂24B少，在由纖維23B形成的各層之間，隨著樹脂24B未充分地擴散，生成許多像氣泡那樣的樹脂未浸滲部27。其結果，成為接合各層的纖維23B之間的纖維間粘接強度弱，纖維23B之間相互分離(剝離)，容易發生錯離的狀態。由此，在束縛部22中，與罩部21相比，具有纖維23B能夠柔軟地彎曲的柔性。
[0039]圖5及圖6中示意性地表示了在發生FBO時，在掉落的風扇葉片片子120衝撞的情況下，罩部21及束縛部22的內部結構的變形狀態。在圖5中，在罩部21上，在掉落的風扇葉片片子120衝撞時，由於纖維23A之間是難以剝離的狀態，因此，纖維23A主要因剪切力而斷裂的徑向的剪切區域Pl變大，並且纖維23A主要因拉伸而斷裂的徑向的剝離區域P2變小。
[0040]另一方面，如圖6所示，在束縛部22上，在掉落的風扇葉片片子120衝撞時，由於纖維23B之間是容易剝離的柔軟的狀態，因此剪切區域Pl變小，剝離區域P2變大。S卩，在束縛部22上，由於纖維23B間的粘接力弱，因此纖維23B能夠柔軟地移動，因此，隨著施加在纖維23B上的剪切力變小，因拉伸而斷裂的纖維23B的比例增大，其結果，剝離區域P2變大。
[0041]一般地，在纖維23A、23B的斷裂時，因拉伸導致的斷裂所需的能量大於因剪切導致的斷裂。換言之，對於纖維23A、23B因掉落的風扇葉片片子120而斷裂所需的能量，剝離區域P2要大於剪切區域Pl。因此，在剪切區域Pl比束縛部22要大的罩部21上，如圖5所示，隨著具有束縛部22，能夠做成容許風扇葉片片子120貫穿的結構，因此能夠在具有所需的強度及剛性的範圍內實現輕量化。另一方面，剝離區域P2的比例比罩部21要大的束縛部22由於對衝撞的風扇葉片片子120的衝擊吸收能量大，因此如圖6所示，發揮阻止貫穿罩部21進入的風扇葉片片子120貫穿的優異的遏制作用。
[0042]如以上說明所述，圖3的風扇罩FC設置罩住風扇10的罩部21和用來獲得遏制作用的束縛部22，僅通過將束縛部22的樹脂含有率設置成低於罩部21的樹脂含有率，來實現柔性的提高，使其具備遏制作用。由此，在做成與現有的風扇罩相同重量的情況下，比現有的風扇罩的遏制能力高。此外，在做成具有與現有的風扇罩同等的遏制能力的情況下，能夠實現比現有的風扇罩輕量化。進而，由於束縛部22僅配設在罩部21的與風扇葉片12的徑向外側的相對處上，由此也能夠實現進一步的輕量化。此外，在所述實施方式中，作為罩部21和束縛部22使用同一種類的組合的複合材料，僅改變其樹脂含有率，因此不需要準備兩種複合材料，故生產率高。
[0043]下面說明本發明的實施例。
[0044]罩部21的實施例
[0045]如圖7A所示，罩部21僅疊加多層預浸料28A而構成，所述預浸料28A是在鋪滿下述纖維23A之後，預先使其含有一定量的樹脂24A。預浸料28A的樹脂含有率是與一般的預浸料相同程度的35重量％ (以下有僅表述為「 ％ 」的情況)。
[0046]纖維23A =碳纖維
[0047]樹脂24A=環氧樹脂
[0048]束縛部22的實施例
[0049]如圖7B所示，在罩部21中使用的預浸料28A之間以任意的頻度夾入中間纖維層28B，該中間纖維層28B是沿一個方向鋪滿下述纖維23B之後，沿與其垂直的方向鋪滿纖維23B，用聚酯的線將它們縫合而成。中間纖維層28B是沒有浸滲樹脂的纖維，因此含有其的束縛部22與僅由預浸料構成的罩部21相比較，整體上樹脂的量變少，纖維的量變多。即，樹脂含有率變低。另外，由於預浸料28A中含有的樹脂在加熱固化時成為流動性，也向中間纖維層28B的內部擴展，因此加熱固化後的樹脂分布接近於相同狀態。此外，中間纖維層28B中含有的所述聚酯的線的重量比率微小，可以忽略。這樣，將束縛部22的樹脂含有率設定為 12%。
[0050]中間纖維層28B的纖維23B =碳纖維
[0051]在將圖7B的束縛部22的表面密度設為1.2g/cm2時，通過實驗得到的相對於樹脂含有率(重量％ )變化的吸收能量變化如圖8所示。由圖8可知，束縛部22的樹脂含有率在15%以下時，與一般的複合材料的樹脂含有率35%的情況相比，可以得到大10%以上的吸收能量。在樹脂含有率小於12%時，樹脂與纖維的結合變弱，不能維持複合材料的形狀。因此，束縛部22的樹脂含有率優選為12?15%。
[0052]為了維持高的剛性，罩部21的樹脂含有率優選為包括35%前後的32?40%程度。通過將這樣的複合材料用於罩部21和束縛部22，能夠均衡地實現遏制作用和輕量化。
[0053]另外，在上述實施方式中，舉例說明了罩部21和束縛部22由組合相同的纖維和樹脂而成的複合材料形成的情況，但不限於此，也可以在罩部21和束縛部22中使用使纖維和樹脂中至少一種不同的複合材料。
[0054]本發明不限於上述的實施方式，在不脫離本發明主旨的範圍內，可以進行各種增加、改變或刪除，這些也都包含在本發明的範圍內。
[0055]附圖標記說明
[0056]10 風扇
[0057]12風扇葉片
[0058]21 罩部
[0059]22束縛部
[0060]23A>23B 纖維
[0061]24A、24B 樹脂
[0062]28A預浸料
[0063]28B中間纖維層
[0064]120風扇葉片片子
[0065]FC風扇罩
【權利要求】
1.一種航空器用發動機的風扇罩,其罩住設置風扇葉片的風扇外周； 具備罩部和束縛部； 所述罩部含有包括纖維和樹脂的第一複合材料； 所述束縛部含有包括纖維和樹脂的第二複合材料，並形成在所述罩部的外周； 設定所述束縛部的樹脂含有率低於所述罩部的樹脂含有率。
2.根據權利要求1所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，所述束縛部形成在所述罩部的從徑向外側與風扇葉片的相對處的外周上。
3.根據權利要求1或2所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，各所述第一和第二複合材料中的纖維由相同纖維構成，各所述第一和第二複合材料中的樹脂由相同樹脂構成。
4.根據權利要求1至3中任意一項所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，所述束縛部的樹脂含有率為12?15重量％。
5.根據權利要求4所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，所述罩部的樹脂含有率為32?40重量％。
6.根據權利要求1至5中任意一項所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，形成所述第一或第二複合材料的纖維選自碳纖維、玻璃纖維及芳香族聚醯胺纖維。
7.根據權利要求1至6中任意一項所述的航空器用發動機的風扇罩，其特徵在於，形成所述第一或第二複合材料的樹脂選自環氧樹脂、酚醛樹脂、雙馬來醯亞胺樹脂及聚醯亞胺樹脂。
【文檔編號】F02C7/00GK104334855SQ201380028519
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年6月13日 優先權日:2012年6月21日
【發明者】大谷和彌, 宮本裕晶, 川崎卓巳, 松原剛, 長谷川猛 申請人:川崎重工業株式會社