航空器用发动机的风扇罩

摘要

本发明提供一种航空器用发动机的风扇罩，罩住航空器用发动机的风扇外周的环状的风扇罩(FC)具备罩部(21)和束缚部(22)，罩部(21)含有包括纤维和树脂的第一复合材料，束缚部(22)含有包括纤维和树脂的第二复合材料，并形成在罩部(21)的外周。设定束缚部(22)的树脂含有率低于罩部(21)的树脂含有率。

权利要求

1.一种航空器用发动机的风扇罩，其罩住设置风扇叶片的风扇外周；

具备罩部和束缚部；

所述罩部含有包括纤维和树脂的第一复合材料；

所述束缚部含有包括纤维和树脂的第二复合材料，并形成在所述罩部的外周；

通过所述束缚部在纤维层之间含有所述树脂和由气泡构成的树脂未浸渗部，来设定所述束缚部的树脂含有率低于所述罩部的树脂含有率。

2.根据权利要求1所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，所述束缚部形成在所述罩部的从径向外侧与风扇叶片的相对处的外周上。

3.根据权利要求1或2所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，各所述第一和第二复合材料中的纤维由相同纤维构成，各所述第一和第二复合材料中的树脂由相同树脂构成。

4.根据权利要求1或2所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，所述束缚部的树脂含有率为12～15重量百分比。

5.根据权利要求4所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，所述罩部的树脂含有率为32～40重量百分比。

6.根据权利要求1或2所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，形成所述第一或第二复合材料的纤维选自碳纤维、玻璃纤维及芳香族聚酰胺纤维。

7.根据权利要求1或2所述的航空器用发动机的风扇罩，其特征在于，形成所述第一或第二复合材料的树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂及聚酰亚胺树脂。

说明书

航空器用发动机的风扇罩

[0001] 相关申请

[0002] 本申请要求2012年6月21日申请的日本专利申请2012-139484的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。

技术领域

[0003] 本发明涉及一种罩住航空器用发动机的风扇外周的风扇罩。

背景技术

[0004] 在航空器用发动机中，由于其重量对航空器的燃料消耗性能带来的影响大，因此轻量化一直以来成为重要的技术问题。其中，在涡轮风扇发动机或涡轮喷气发动机上，为了使作为重量比率较大的部件的风扇罩轻量化进行了各种尝试，结果取得了一定成果。作为这样的风扇罩的代表，存在从一直以来作为原料一般使用的金属替换成其他原料的风扇罩，例如，除了CFRP制风扇罩以外，具有在铝制的罩部上缠绕多层凯夫拉(Kevlar：注册商标)纤维的风扇罩，还有罩部的外周被弹性的束缚带覆盖的风扇罩(参照专利文献1)等。

[0005] 另一方面，对于风扇罩，在发生FBO(Fan Blade Off；风扇叶片脱落)的情况下，要求缓冲地接受分散的风扇叶片，防止向风扇罩的外侧飞出的遏制作用，所述FBO是以放射状的配置植入设置在风扇的轴毂外周面上的多个风扇叶片的一部分由于某些原因掉落，因离心力而飞散。因此，风扇罩必须在确保遏制作用的同时实现轻量化。

[0006] 现有技术文献

[0007] 专利文献

[0008] 专利文献1：日本特表2002-516945号

发明内容

[0009] (一)要解决的技术问题

[0010] 但是，所述金属制风扇罩是通过从金属材料切削来制造的简单的风扇罩，难以在确保遏制作用的同时实现充分的轻量化。此外，所述CFRP制风扇罩通过使用比强度优于金属的复合材料来实现轻量化，进而，所述铝/凯夫拉纤维制风扇罩通过铝给予作为罩所必须的刚性，并且通过凯夫拉纤维使其具有遏制作用。这些CFRP制风扇罩及铝/凯夫拉纤维制风扇罩与金属制风扇罩相比，能够实现某种程度的轻量化，但难以在充分确保遏制作用的同时实现进一步的轻量化。

[0011] 进而，由于铝/凯夫拉纤维制风扇罩在发生FBO时罩的变形量大，因此有干涉到外侧的整流罩等周边部件的危险。对此，如果为了限制罩的变形量谋求增大凯夫拉纤维的缠绕数量，则会损害轻量化。

[0012] 因此，本发明的目的是提供一种航空器用发动机的风扇罩，其能够在确保所需遏制性能的同时实现充分的轻量化。

[0013] (二)技术方案

[0014] 为了实现上述目的，本发明的航空器用发动机的风扇罩罩住设置风扇叶片的风扇外周，具备罩部和束缚部，所述罩部含有包括纤维和树脂的第一复合材料，所述束缚部含有包括纤维和树脂的第二复合材料，并形成在所述罩部的外周，设定所述束缚部的树脂含有率低于所述罩部的树脂含有率。

[0015] 由于束缚部的树脂含有率低于罩部，因此随着各纤维的纤维间粘接强度减弱，具有纤维之间相互错离的柔性。如果纤维间是粘接状态，则会发生因剪切导致的破坏，但如果纤维之间相互错离，则会发生因拉伸导致的破坏。因此，在束缚部中，在飞散的风扇叶片冲撞的情况下被破坏的全部纤维中，因拉伸而破坏的纤维的比例增加，因剪切而破坏的纤维的比例减少。一般地，因拉伸导致的破坏所需的能量大于因剪切导致的破坏，因此，作为束缚部整体能够吸收的能量变大。换言之，束缚部具有能够阻止风扇叶片贯穿的高的遏制作用。由此，由于罩部不需要具有遏制作用，因此其在为了满足确保相对风扇叶片的前端部的叶尖间隙及保持静叶片等而具有高强度及高刚性的范围内，能够实现充分的轻量化。

[0016] 优选地，所述束缚部形成在所述罩部的从径向外侧与风扇叶片的相对处的外周上。由此，缩小形成束缚部的区域，能够实现进一步的轻量化。

[0017] 各所述第一和第二复合材料中的纤维可以由相同纤维构成，各所述第一和第二复合材料中的树脂可以由相同树脂构成。由此，减少使用的纤维及树脂的种类，能够提高生产率。

[0018] 所述束缚部的树脂含有率优选为12～15重量％。所述罩的树脂含有率优选为32～40重量％的程度。由此，能够均衡地实现遏制作用和轻量化。

[0019] 例如，形成所述第一或第二复合材料的纤维选自碳纤维、玻璃纤维及芳香族聚酰胺纤维，树脂选自环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂及聚酰亚胺树脂。通过这些材料，可以得到轻量且高强度的复合材料。

附图说明

[0020] 图1是示意性地表示安装有本发明的一个实施方式的风扇罩的航空器用发动机的结构图。

[0021] 图2是表示上述航空器用发动机的主视图。

[0022] 图3是表示上述航空器用发动机上的风扇及风扇罩的纵剖视图。

[0023] 图4A是示意性地表示上述风扇罩上的罩部的内部结构的剖面图。

[0024] 图4B是示意性地表示上述风扇罩上的束缚部的内部结构的剖面图。

[0025] 图5是表示掉落飞散的风扇叶片冲撞时的风扇罩的罩部的内部结构的示意图。

[0026] 图6是表示掉落飞散的风扇叶片冲撞时的风扇罩的束缚部的内部结构的示意图。

[0027] 图7A是示意性地表示本发明的实施例的风扇罩的罩部的内部结构的剖面图。

[0028] 图7B是示意性地表示本发明的实施例的风扇罩的束缚部的内部结构的剖面图。

[0029] 图8是表示上述实施例中束缚部的吸收能量的特性图。

具体实施方式

[0030] 下面参照附图对本发明优选实施方式进行说明。在图1中，航空器用喷气发动机E是双轴型的涡轮风扇发动机，作为主要构成部件具备压缩机2、燃烧器3、涡轮4及风扇10。在从压缩机2供给的压缩空气中混合燃料，使其在燃烧器3中燃烧，将由该燃烧产生的高温高压的燃烧气体供给涡轮4。涡轮4具有前段侧的高压涡轮41和后段侧的低压涡轮42，压缩机2通过中空的高压轴7与高压涡轮41连接，由该高压涡轮41旋转驱动。

[0031] 风扇10通过插通高压轴7的中空部的低压轴9与低压涡轮42连接，由该低压涡轮42旋转驱动。该风扇10安装在低压轴9的前端部，由风扇罩FC罩住。高压轴7及低压轴9具有共同的发动机轴心C地同心配置。这样一来，通过从低压涡轮42喷射的燃烧气体的喷气流和由风扇10产生的高速气流，得到发动机推力。

[0032] 如图2所示，风扇10在与低压轴9(图1)一体旋转地连接的轴毂11的外周上，沿发动机E的径向以放射状的配置植入设置有多个风扇叶片(动叶片)12。该风扇10收纳在罩住其外周的环状(圆筒状)的风扇罩FC内，在一部分风扇叶片12掉落飞散的情况下，使该风扇叶片不从发动机E向外侧飞出地容纳在风扇罩FC内。包括该风扇10及风扇罩FC的发动机E整体由发动机短舱N罩住。

[0033] 如图3所示，在风扇10上，在风扇叶片12的下游侧配设风扇静叶片13。风扇罩FC具有罩部21和束缚部22，所述罩部21具有从圆筒体的两端部分别向外侧延伸的凸缘部21a、21b，所述束缚部22安装在该罩部21的外周面上。束缚部22仅形成在罩部21的从径向外侧与风扇叶片12的相对处的外周上，设定其轴向长度大于风扇叶片12的前端部12a的轴向长度。
罩部21由含有纤维和树脂的第一复合材料形成，束缚部22由含有纤维和树脂的第二复合材料形成。在该实施方式中，第一及第二复合材料由相同的纤维及树脂形成，但设定束缚部22的复合材料中的树脂含有率低于罩部21的树脂含有率。

[0034] 作为罩部21及束缚部22原料的轻量且高强度的复合材料，作为纤维可以适当使用碳纤维、玻璃纤维或芳香族聚酰胺纤维等。作为填充至由该纤维形成的多层之间，成为将邻接的两个纤维层相互粘接的母材的树脂，可以适当使用环氧树脂、酚醛树脂、双马来酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂这样的热固性树脂。在制造时，在层压用模具上层压用来形成罩部21的复合材料，从其上部层压形成束缚部22的合材料，加热使两个复合材料固化。

[0035] 设定风扇罩FC的罩部21的内径为，使罩部21以所需的小的叶尖间隙TC与各风扇叶片12的前端部12a相对。为了提高发动机效率，罩部21的内径面以高的尺寸精度管理，要求其能够一直确保小的所需叶尖间隙TC的强度及刚性。因此，罩部21由硬而难以变形且具有高刚性的复合材料形成。即，在该实施方式中，作为罩部21的复合材料，使用一直以来一般使用的材料，并且在沿径向重叠的多个纤维层之间充分含有树脂，设定为可以得到高强度及高刚性的树脂含有率。

[0036] 在该风扇罩FC上，除了罩部21以外，在其外周侧还另外具备束缚部22，该束缚部22如后所述，具备防止在发生FBO时掉落飞散的风扇叶片片子从风扇罩FC向外侧飞散的遏制作用。因此，罩部21不需要具备遏制作用，在可以得到能够实现所需的确保叶尖间隙TC、保持静叶片13等的强度和刚性的范围内，能够实现轻量化。实际上，罩部21的刚性高于束缚部22的刚性。

[0037] 如图4A示意性地所示，风扇罩FC的罩部21设定为可以得到高的强度及刚性的一般的通常树脂含有率，在由纤维23A形成的各层之间充分地填充树脂24A，各层的纤维23A之间相互牢固地粘接，由此，纤维23A之间成为相互难以分离(剥离)的状态。

[0038] 另一方面，如图4B示意性地所示，风扇罩FC的束缚部22如图4B所示，设定树脂含有率低于罩部21的通常的树脂含有率，由于作为粘接材料的树脂24B少，在由纤维23B形成的各层之间，随着树脂24B未充分地扩散，生成许多像气泡那样的树脂未浸渗部27。其结果，成为接合各层的纤维23B之间的纤维间粘接强度弱，纤维23B之间相互分离(剥离)，容易发生错离的状态。由此，在束缚部22中，与罩部21相比，具有纤维23B能够柔软地弯曲的柔性。

[0039] 图5及图6中示意性地表示了在发生FBO时，在掉落的风扇叶片片子120冲撞的情况下，罩部21及束缚部22的内部结构的变形状态。在图5中，在罩部21上，在掉落的风扇叶片片子120冲撞时，由于纤维23A之间是难以剥离的状态，因此，纤维23A主要因剪切力而断裂的径向的剪切区域P1变大，并且纤维23A主要因拉伸而断裂的径向的剥离区域P2变小。

[0040] 另一方面，如图6所示，在束缚部22上，在掉落的风扇叶片片子120冲撞时，由于纤维23B之间是容易剥离的柔软的状态，因此剪切区域P1变小，剥离区域P2变大。即，在束缚部22上，由于纤维23B间的粘接力弱，因此纤维23B能够柔软地移动，因此，随着施加在纤维23B上的剪切力变小，因拉伸而断裂的纤维23B的比例增大，其结果，剥离区域P2变大。

[0041] 一般地，在纤维23A、23B的断裂时，因拉伸导致的断裂所需的能量大于因剪切导致的断裂。换言之，对于纤维23A、23B因掉落的风扇叶片片子120而断裂所需的能量，剥离区域P2要大于剪切区域P1。因此，在剪切区域P1比束缚部22要大的罩部21上，如图5所示，随着具有束缚部22，能够做成容许风扇叶片片子120贯穿的结构，因此能够在具有所需的强度及刚性的范围内实现轻量化。另一方面，剥离区域P2的比例比罩部21要大的束缚部22由于对冲撞的风扇叶片片子120的冲击吸收能量大，因此如图6所示，发挥阻止贯穿罩部21进入的风扇叶片片子120贯穿的优异的遏制作用。

[0042] 如以上说明所述，图3的风扇罩FC设置罩住风扇10的罩部21和用来获得遏制作用的束缚部22，仅通过将束缚部22的树脂含有率设置成低于罩部21的树脂含有率，来实现柔性的提高，使其具备遏制作用。由此，在做成与现有的风扇罩相同重量的情况下，比现有的风扇罩的遏制能力高。此外，在做成具有与现有的风扇罩同等的遏制能力的情况下，能够实现比现有的风扇罩轻量化。进而，由于束缚部22仅配设在罩部21的与风扇叶片12的径向外侧的相对处上，由此也能够实现进一步的轻量化。此外，在所述实施方式中，作为罩部21和束缚部22使用同一种类的组合的复合材料，仅改变其树脂含有率，因此不需要准备两种复合材料，故生产率高。

[0043] 下面说明本发明的实施例。

[0044] 罩部21的实施例

[0045] 如图7A所示，罩部21仅叠加多层预浸料28A而构成，所述预浸料28A是在铺满下述纤维23A之后，预先使其含有一定量的树脂24A。预浸料28A的树脂含有率是与一般的预浸料相同程度的35重量％(以下有仅表述为“％”的情况)。

[0046] 纤维23A＝碳纤维

[0047] 树脂24A＝环氧树脂

[0048] 束缚部22的实施例

[0049] 如图7B所示，在罩部21中使用的预浸料28A之间以任意的频度夹入中间纤维层28B，该中间纤维层28B是沿一个方向铺满下述纤维23B之后，沿与其垂直的方向铺满纤维
23B，用聚酯的线将它们缝合而成。中间纤维层28B是没有浸渗树脂的纤维，因此含有其的束缚部22与仅由预浸料构成的罩部21相比较，整体上树脂的量变少，纤维的量变多。即，树脂含有率变低。另外，由于预浸料28A中含有的树脂在加热固化时成为流动性，也向中间纤维层28B的内部扩展，因此加热固化后的树脂分布接近于相同状态。此外，中间纤维层28B中含有的所述聚酯的线的重量比率微小，可以忽略。这样，将束缚部22的树脂含有率设定为
12％。

[0050] 中间纤维层28B的纤维23B＝碳纤维

[0051] 在将图7B的束缚部22的表面密度设为1.2g/cm2时，通过实验得到的相对于树脂含有率(重量％)变化的吸收能量变化如图8所示。由图8可知，束缚部22的树脂含有率在15％以下时，与一般的复合材料的树脂含有率35％的情况相比，可以得到大10％以上的吸收能量。在树脂含有率小于12％时，树脂与纤维的结合变弱，不能维持复合材料的形状。因此，束缚部22的树脂含有率优选为12～15％。

[0052] 为了维持高的刚性，罩部21的树脂含有率优选为包括35％前后的32～40％程度。通过将这样的复合材料用于罩部21和束缚部22，能够均衡地实现遏制作用和轻量化。

[0053] 另外，在上述实施方式中，举例说明了罩部21和束缚部22由组合相同的纤维和树脂而成的复合材料形成的情况，但不限于此，也可以在罩部21和束缚部22中使用使纤维和树脂中至少一种不同的复合材料。

[0054] 本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内，可以进行各种增加、改变或删除，这些也都包含在本发明的范围内。

[0055] 附图标记说明

[0056] 10    风扇

[0057] 12   风扇叶片

[0058] 21   罩部

[0059] 22   束缚部

[0060] 23A、23B  纤维

[0061] 24A、24B  树脂

[0062] 28A   预浸料

[0063] 28B   中间纤维层

[0064] 120   风扇叶片片子

[0065] FC   风扇罩