ОСЕВАЯ ТУРБОМАШИНА И КОРПУС ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОСЕВОЙ ТУРБОМАШИНЫ Российский патент 2017 года по МПК F01D21/04 F01D25/24 F04D29/02 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к корпусу из композиционного материала для осевой турбомашины. В частности, настоящее изобретение относится к корпусу из композиционного материала для турбомашины, содержащему матрицу и элемент жесткости, содержащий волокнистые пряди. Настоящее изобретение также относится к турбомашине, содержащей корпус из композиционного материала.

Уровень техники

[0002] Уже известно применение композиционных материалов с целью сделать более легкой турбомашину, в частности, для воздушного судна. Такие материалы применяются для изготовления лопаток и кольцевых корпусов. Последние в целом содержат в сущности тонкую стенку, обеспечивающую ограничение и направление потока внутрь турбомашины.

[0003] Такая стенка из композиционного материала в целом содержит органическую матрицу и волокнистый элемент жесткости, который уплотнен матрицей. Волокнистый элемент жесткости может содержать заготовку, которая сплетена трехмерной, и/или может содержать штабель сплетенных волокнистых прядей.

[0004] Такой корпус известен из документа US 2012/0270006 А1. В этом документе раскрыт корпус из композиционного материала, содержащий трубчатую стенку, изготовленную из композиционного материала. Композиционный материал содержит матрицу и штабель прядей, содержащий волокна, расположенные в двух перпендикулярных направлениях. Ориентация прядей согласовывается в зависимости от толщины трубчатой стенки таким образом, чтобы располагать в приоритетном порядке конкретные ориентации волокон в определенных положениях на стенках. Это расположение волокон делает возможным улучшение механического сопротивления корпуса, в частности, в области кольцевого крепежного фланца.

[0005] Этот подход оптимизирует сопротивление корпуса из композиционного материала. Тем не менее его жесткость остается низкой и она может оказаться недостаточной в случае наружных корпусов компрессоров, поскольку эти корпусы подвергаются высоким нагрузкам. В случае потери лопасти вентилятора турбомашина испытывает вибрации значительной амплитуды, и некоторые из лопаток ротора компрессора могут входить в соприкосновение с корпусом из композиционного материала. Тогда последний испытывает высокие напряжения. Следует также отметить то, что механическое сопротивление корпуса снижает термические нагрузки и влажность.

Сущность изобретения

Техническая задача

[0006] Изобретение имеет своей целью решение по меньшей мере одной из задач, известных из уровня техники. В частности, изобретение оптимизирует сопротивление и массу корпуса из композиционного материала, содержащего кольцевую стенку, содержащую матрицу, которая усилена тканым волокнистым элементом жесткости. Изобретение подобным образом улучшает механическое сопротивление кольцевой стенки из композиционного материала корпуса в случае соприкосновения с лопатками ротора.

Техническое решение

[0007] Настоящее изобретение относится к корпусу из композиционного материала для осевой турбомашины, в частности для компрессора, при этом корпус содержит в целом круглую стенку, содержащую матрицу и тканый волокнистый элемент жесткости, при этом волокнистый элемент жесткости содержит в зависимости от своей толщины два наружных слоя и центральный слой, расположенный между наружными слоями, при этом указанные слои содержат волокна, проходящие в целом в осевом направлении круглой стенки, и волокна, проходящие в целом по окружности круглой стенки, характеризующиеся тем, что по меньшей мере один из наружных слоев имеет различие в пропорции между осевыми волокнами и кольцевыми волокнами, при этом осевые волокна составляют большую часть волокон.

[0008] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения центральный слой имеет различие в пропорции между осевыми волокнами и кольцевыми волокнами, при этом кольцевые волокна составляют большую часть волокон.

[0009] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения середина толщины волокнистого элемента жесткости находится в центральном слое, при этом каждый слой составляет по меньшей мере 10%, и предпочтительно по меньшей мере 20% волокнистого элемента жесткости.

[0010] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения волокнистый элемент жесткости содержит два промежуточных слоя, каждый из которых расположен между центральным слоем и одним из наружных слоев.

[0011] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения промежуточные слои содержат сплетенные спиралеобразные волокна в направлениях, которые в целом перпендикулярны и проходят под углом 45° относительно окружности стенки.

[0012] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения на большей части поверхности стенки волокнистый элемент жесткости имеет симметрию в расположении волокон и/или симметрию в пропорции волокон в зависимости от толщины стенки и относительно середины толщины стенки.

[0013] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения волокнистый элемент жесткости содержит штабель сплетенных волокнистых прядей, при этом по меньшей мере одна из прядей сплетена таким образом, чтобы быть заранее сформированной в соответствии с формой стенки, и большая часть сплетенных прядей проходит по всей осевой длине стенки.

[0014] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения большую часть каждого слоя составляют идентичные волокнистые пряди, при этом направления составляющих большую часть волокон являются соосными.

[0015] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения пряди, образующие ограничения слоев, имеют параллельную ориентацию волокон и соосные направления составляющих большую часть волокон, при этом указанные пряди при необходимости являются идентичными.

[0016] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения волокна прядей расположены в сплетенных пучках, при этом пучки сплетены в направлении утка и направлении основы, при этом пучки утка расположены вдоль оси турбомашины, а пучки основы расположены по окружности стенки; предпочтительно по меньшей мере один из наружных слоев содержит от 65% до 85% осевых волокон и/или центральный слой содержит от 65% до 85% кольцевых волокон.

[0017] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка обладает минимальным диаметром DM на одном из своих осевых краев, при этом штабель содержит дополнительные пряди в качестве промежуточных слоев в области с минимальным диаметром DM, между прядями, проходящими в осевом направлении по всей осевой длине стенки.

[0018] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения штабель содержит от 4 до 40 прядей, содержащих волокна одинаковой природы, предпочтительно от 10 до 20 прядей, более предпочтительно от 12 до 16 прядей, при этом каждый слой возможно содержит по меньшей мере две сплетенные пряди.

[0019] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка содержит несколько кольцевых рядов крепежных отверстий для лопаток статора, при этом указанные кольцевые ряды отверстий распределены в осевом направлении вдоль стенки.

[0020] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения корпус содержит по меньшей мере один, и предпочтительно по меньшей мере два кольцевых фланца, проходящих в радиальном и в осевом направлениях, ограничивая стенку, при этом каждый кольцевой фланец образован посредством волокнистого элемента жесткости.

[0021] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения большая часть волокон является большей частью количества волокон или большая часть волокон составляет большую часть массы.

[0022] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения от 15% до 35% волокон прядей, расположенных в центральном слое, проходят вдоль осевого направления круглой стенки и/или от 15% до 35% волокон прядей, расположенных по меньшей мере в одном из наружных слоев, проходят по окружности стенки.

[0023] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения кольцевая стенка образована двумя полусферами, при этом каждая полусфера содержит штабель волокнистых прядей.

[0024] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения волокна каждого слоя являются волокнами одинаковой природы.

[0025] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения штабель является в целом однородным в направлении вдоль окружности стенки.

[0026] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения большая часть сплетенных прядей образует каждый кольцевой фланец и/или каждый осевой фланец.

[0027] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения штабель имеет симметрию в типе прядей, и/или в ориентации волокон, и/или в пропорции волокон в зависимости от толщины стенки и относительно середины толщины стенки.

[0028] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения стенка содержит по меньшей мере одну, и предпочтительно несколько кольцевых зон для приема лопаток статора, при этом каждая кольцевая зона предпочтительно содержит средства крепежа, описывающие круги. Средствами крепежа могут быть крюки или любые подходящие средства.

[0029] Согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения наружные слои и/или центральный слой содержат пряди, которые легче, чем пряди промежуточных слоев. Масса является поверхностной массой.

[0030] Настоящее изобретение также относится к корпусу из композиционного материала для осевой турбомашины, в частности для компрессора, при этом корпус содержит в целом круглую стенку, содержащую матрицу и штабель сплетенных волокнистых прядей, при этом штабель прядей содержит в зависимости от своей толщины два наружных слоя и один центральный слой, расположенный между наружными слоями, при этом указанные слои содержат волокна, в целом проходящие в осевом направлении круглой стенки, и волокна, в целом проходящие по окружности круглой стенки, характеризующиеся тем, что по меньшей мере один из наружных слоев имеет различие в пропорции между осевыми волокнами и кольцевыми волокнами своих прядей, при этом осевые волокна составляют большую часть волокон.

[0031] Настоящее изобретение также относится к осевой турбомашине, содержащей корпус из композиционного материала, характеризующейся тем, что корпус из композиционного материала соответствует изобретению, и тем, что корпус из композиционного материала образован двумя половинами корпуса, при этом каждая из них содержит осевые фланцы, обеспечивающие соединение половин корпуса, при этом осевые фланцы образованы посредством штабеля сплетенных волокнистых прядей.

Предоставляемые преимущества

[0032] Изобретение делает возможным оптимизацию механического сопротивления корпуса из композиционного материала. Пропорции волокон изменяются на основании толщины в зависимости от амплитуды деформаций, которой волокна подвергаются, и в зависимости от сопротивления, которому они могут содействовать благодаря своим ориентациям.

[0033] Для того чтобы модифицировать пропорции волокон, пряди усилены в одном направлении и при необходимости выполнены более легкими в одном направлении или в других направлениях. Пряди могут быть усиленными в основе - пряди, известные как "основа низкого номера"; или усиленными в утке - пряди, известные как "уток низкого номера".

Краткое описание графических материалов

[0034] На фиг. 1 показана осевая турбомашина согласно настоящему изобретению.

[0035] На фиг. 2 схематически показан компрессор турбомашины согласно настоящему изобретению.

[0036] На фиг. 3 представлено схематическое изображение поперечного сечения штабеля волокнистых прядей корпуса из композиционного материала относительно оси вращения турбомашины.

[0037] На фиг. 4 показана осевая деформация части корпуса из композиционного материала, показанного на фиг. 3, в момент соприкосновения с лопатками ротора.

[0038] На фиг. 5 представлено схематическое изображение поперечного сечения штабеля волокнистых прядей по оси 5-5, показанной на фиг. 3.

[0039] На фиг. 6 показаны разные слои штабеля прядей.

[0040] На фиг. 7 показаны распределение и ориентация волокон сплетенной пряди одного из наружных слоев, при этом представлен вид сверху сплетенной пряди.

[0041] На фиг. 8 показаны распределение и ориентация волокон сплетенной пряди центрального слоя, при этом представлен вид сверху сплетенной пряди.

[0042] На фиг. 9 показаны распределение и ориентация волокон сплетенной пряди одного из промежуточных слоев, при этом представлен вид сверху сплетенной пряди.

[0043] На фиг. 10 показаны распределение и ориентация волокон сплетенной пряди одного из промежуточных слоев, при этом представлен вид сверху сплетенной пряди.

[0044] На фиг. 11 показаны распределение и ориентация волокон сплетенной пряди одного из наружных слоев, при этом представлен вид сверху сплетенной пряди.

Описание вариантов осуществления

[0045] В приведенном ниже описании термины "внутренний" и "наружный" относятся к положению относительно оси вращения осевой турбомашины. Осевое направление берется по оси вращения, а радиальное направление является перпендикулярным к осевому направлению.

[0046] На фиг. 1 представлено упрощенное изображение осевой турбомашины.

В этом конкретном случае это - турбовентиляторный двигатель. Турбовентиляторный двигатель 2 содержит первую ступень сжатия, называемую компрессором 4 низкого давления, вторую ступень сжатия, называемую компрессором 6 высокого давления, камеру 8 сгорания и одну или несколько ступеней 10 турбины. Во время работы механическая энергия турбины 10, передаваемая посредством центрального вала на ротор 12, приводит два компрессора 4 и 6 в действие.

[0047] Компрессоры содержат несколько рядов лопаток ротора, связанных с рядами лопаток статора. Вращение ротора вокруг своей оси 14 вращения, таким образом, делает возможным создание потока воздуха и сжатие последнего постепенно вплоть до входа в камеру 10 сгорания.

[0048] С ротором 12 соединен приточный вентилятор, обычно называемый вентилятором или нагнетательным вентилятором 16, создающий поток воздуха, разделяемый на первичный поток 18, проходящий через различные указанные выше ступени турбомашины, и вторичный поток 20, проходящий через кольцевой канал (показан частично) вдоль машины перед объединением с первичным потоком на выходе из турбины. Первичный поток 18 и вторичный поток 20 являются кольцевыми потоками и они направляются посредством цилиндрических секций или кожухов, которые могут быть внутренними и/или наружными.

[0049] На фиг. 2 показан вид в поперечном сечении компрессора осевой турбомашины, такой как показана на фиг. 1. Компрессор может быть компрессором 4 низкого давления. Здесь можно видеть часть вентилятора 16, а также выступ 22 для разделения первичного потока 18 и вторичного потока 20. Ротор 12 может содержать несколько рядов лопаток 24 ротора, в этом конкретном случае - три.

[0050] Компрессор 4 низкого давления может содержать по меньшей мере одно выпрямительное устройство, и предпочтительно несколько выпрямительных устройств, в этом конкретном случае - четыре, каждое из которых содержит кольцевой ряд лопаток 26 статора. Каждое выпрямительное устройство связано с вентилятором 16 или с рядом лопаток 24 ротора для выпрямления потока воздуха таким образом, чтобы преобразовать скорость потока в давление.

[0051] Компрессор содержит по меньшей мере один корпус 28. Корпус 28 может быть в целом круглой или трубчатой формы. Он может быть наружным корпусом компрессора и может быть выполнен из композиционных материалов, что делает возможным снижение его массы и в то же время оптимизацию его жесткости. Корпус 28 может содержать крепежные фланцы 30, например кольцевые крепежные фланцы 30, для крепления разделяющего выступа 22 и/или для крепления к корпусу 32 разделителя для вентилятора турбомашины. Корпус из композиционного материала, кроме того, выполняет функцию механической связи между разделяющим выступом 22 и корпусом 32 разделителя. Подобным образом корпус выполняет функцию центрирования разделяющего выступа 22 относительно корпуса разделителя, например, посредством своих кольцевых фланцев. Кольцевые фланцы 30 могут быть выполнены из композиционного материала и могут содержать крепежные отверстия (здесь не показаны), чтобы обеспечивать их крепление болтами или крепежными болтами. Фланцы 30 могут содержать центрирующие элементы поверхности, такие как центрирующие отверстия.

[0052] Корпус 28 из композиционного материала может содержать стенку 34, выполненную в целом круглой или в виде дуги круга, кромки которой могут быть ограничены посредством фланцев 30. Стенка 34 может иметь профиль вращения относительно оси 14 вращения. Стенка 34 может быть выполнена из композиционного материала, содержащего матрицу и элемент жесткости. Стенка 34 может иметь форму в виде дуги с изменением ее радиуса вдоль оси 14. Такое изменение радиуса может быть обратным, и минимальный диаметр может быть вниз по потоку. Стенка 34 имеет внутреннюю поверхность, обладающую двойной кривизной. Осевая длина стенки 34 может составлять большую часть минимального радиуса внутренней поверхности стенки, при этом является возможным, чтобы ее осевая длина больше или равна минимальному радиусу внутренней поверхности стенки 34. Осевая длина измеряется по оси 14 вращения.

[0053] Лопатки 26 статора проходят по существу радиально от стенки 34, в области кольцевых зон для приема лопаток. Эти зоны могут содержать средства крепежа, такие как кольцевые выемки или крепежные отверстия. Предпочтительно отверстия расположены кольцевыми рядами. Последние могут быть распределены в осевом направлении вдоль стенки 34. Лопатки 26 могут быть надежно закреплены в них по отдельности или могут образовывать сегменты лопаток, надежно прикрепленных к стенке 34.

[0054] Лопатки 26 статора могут содержать платформы, которые возможно могут быть снабжены крепежными штифтами 36, такими как крепежные болты, резьбовые стержни или любые другие эквивалентные средства. Во время работы лопатки 26 статора подвергаются действию сил течения потока воздуха. Эти силы могут поглощаться только стенкой 34 в дополнение к собственному весу каждой лопатки. Эта конфигурация подразумевает то, что стенка 34 может испытывать действие сил циклами, при этом указанные силы являются изменяющимися, поскольку поток изменяется во время работы турбомашины. Неравномерность сил приводит к возникновению сложных и комплексных типов деформации.

[0055] Подобным образом стенка 34 может служить для обеспечения опоры разным элементам, таким как кронштейны корпуса. Между платформами лопаток стенка может содержать кольцевые слои истираемого материала 38 для образования барьера между первичным потоком 18 и стенкой 34.

[0056] Корпус 28 из композиционного материала или по меньшей мере его стенка 34 может быть изготовлен путем впрыскивания. Процесс впрыскивания может предусматривать пропитку волокнистого элемента жесткости полимером, которым может быть органический полимер, такой как эпоксидная смола. Пропитка может осуществляться с применением способа типа RTM (аббревиатура с английского от "литьевое формование полимера"). Кроме того, корпус из композиционного материала или по меньшей мере его стенка 34 может быть изготовлен из тканых материалов, предварительно пропитанных полимером, который отверждается в автоклаве.

[0057] Волокнистый элемент жесткости может в целом проявлять симметрию вращения, имея профиль вращения относительно оси 14. Волокнистый элемент жесткости может содержать штабель или рулон разных волокнистых листов, или волокнистых прядей, или может содержать заготовку, сплетенную трехмерной, известную как монолитная псевдотрехмерная или трехмерная заготовка. Монолитная заготовка и/или волокнистые пряди могут проходить по стенке и по меньшей мере по одному или нескольким фланцам. Является возможным то, что штабель волокнистых прядей может быть волокнистым элементом жесткости, при этом к штабелю применима полнота характеристик, относящихся к волокнистому элементу жесткости.

[0058] На фиг. 3 представлено поперечное сечение волокнистого элемента жесткости корпуса 28 из композиционного материала. Поперечное сечение взято по оси 14 вращения турбомашины. Данный подход можно применять к любому корпусу турбомашины, такому как корпус вентилятора.

[0059] Пряди 42 могут быть сплетенными. Штабель 40 может содержать несплетенные пряди, при этом большинство прядей штабеля 40 в данном случае предпочтительно являются сплетенными прядями. Каждая прядь 42 может проходить по осевой части стенки 34. Количество прядей 42, таким образом, может изменяться в осевом направлении. Количество прядей 42 может увеличиваться в направлении вниз по потоку. Пряди 42 могут содержать углеродные волокна, и/или графитовые волокна, и/или стекловолокна, и/или волокна кевлар, и/или волокна из углерода и титана.

[0060] Волокнистый элемент жесткости - штабель 40 в соответствующих случаях - может образовывать по меньшей мере кольцевой фланец, а предпочтительно - по меньшей мере каждый кольцевой фланец 30 корпуса из композиционного материала. Волокнистый элемент жесткости или по меньшей мере волокнистая прядь 42 может быть соединен с каждым кольцевым фланцем. Волокнистый элемент жесткости или большинство волокнистых прядей или все волокнистые пряди 42 стенки 34 предпочтительно проходит внутрь каждого кольцевого фланца, возможно для всей высоты по радиусу.

[0061] Стенка 34 обладает минимальным диаметром DM на одном из своих осевых краев. Штабель 40 может иметь максимальное количество волокнистых прядей 42 в области с минимальным диаметром DM. Дополнительные пряди 44 добавляют таким образом, чтобы усилить механическое соединение между стенкой 34 и фланцем 30 ниже по потоку. Каждый кольцевой фланец 30 может содержать по меньшей мере одну дополнительную прядь 44, например, расположенную локально. Каждая или по меньшей мере одна дополнительная прядь, расположенная в кольцевом фланце, выполнена в кольцевой форме и проходит по всему указанному фланцу.

[0062] При необходимости, по меньшей мере одна или каждая волокнистая прядь 42 сплетена в соответствии с формой стенки 42 и при необходимости путем интегрирования формы фланцев 30. Каждая прядь 42 может быть заранее сформирована до помещения в штабель, и ее форма может при необходимости подгоняться во время ее закладки складками в штабеле. Большинство волокнистых прядей 42 может проходить по всей осевой длине стенки 34.

[0063] На фиг. 5 представлено поперечное сечение волокнистого элемента жесткости вдоль оси 5-5, показанной на фиг. 3.

[0064] Корпус из композиционного материала может описывать окружность. Он может быть образован двумя кольцевыми половинами корпуса, каждая из которых выполнена в виде полукруга. Кольцевой корпус может, таким образом, содержать два волокнистых элемента жесткости и/или два штабеля 40, образующих полукруги. Для соединения вместе половин корпуса последние снабжены осевыми крепежными фланцами 46, предназначенными для надежного прикрепления друг к другу. Осевые фланцы граничат с половинами 34 стенки.

[0065] Каждый осевой фланец 46 может быть выполнен из композиционного материала с волокнистым элементом жесткости и матрицей. Следовательно, каждый волокнистый элемент жесткости и/или каждый штабель может образовывать проходящие в радиальном направлении осевые фланцы. Каждый осевой фланец 46 может быть усилен посредством дополнительных прядей 44, которые подобным образом проходят в стенку 34. Осевые дополнительные пряди могут иметь формы проходящих в осевом направлении полос.

[0066] Штабель 40 может содержать по меньшей мере одну прядь 42, которая проходит в стенку 34 и в каждый осевой фланец 46. Большинство прядей 42 или каждая прядь при необходимости проходят в стенку 34 и в каждый осевой фланец 46, при необходимости по всей поверхности каждого осевого фланца.

[0067] На фиг. 6 представлен волокнистый элемент жесткости стенки 34, распределение волокон в пределах слоев и ориентация волокон в пределах слоев.

[0068] В зависимости от толщины стенки 34, в целом в радиальном направлении, волокнистый элемент жесткости содержит несколько четко выраженных и при необходимости расположенных один поверх другого слоев. Слои могут отличаться друг от друга главным образом ориентацией их волокон.

[0069] Волокнистый элемент жесткости и/или штабель может содержать по меньшей мере два наружных слоя 48 и один центральный слой 50, расположенный между наружными слоями 48. Наружные слои 48 могут быть видимыми изнутри или снаружи волокнистого элемента жесткости в радиальном направлении. Они могут быть слоями, которые размещены дальше всех от центра толщины стенки. Середина толщины волокнистого элемента жесткости может находиться в центральном слое 50. Каждый слой может составлять по меньшей мере 10%, предпочтительно по меньшей мере 15% и более предпочтительно по меньшей мере 20% толщины волокнистого элемента жесткости. Наружные слои и центральный слой составляют большую часть толщины волокнистого элемента жесткости.

[0070] Волокнистый элемент жесткости и/или штабель 40 может, при необходимости, содержать промежуточные слои 52. Промежуточные слои 52 расположены по обе стороны центрального слоя таким образом, чтобы отделять его от наружных слоев. Является возможным, чтобы каждый промежуточный слой 52 находился в соприкосновении с центральным слоем 50 и с одним из наружных слоев 48.

[0071] Большая часть волокон волокнистого элемента жесткости может быть одинаковой природы. Большинство прядей штабеля 40 может содержать волокна одинаковой природы. Волокна штабеля 40 являются предпочтительно волокнами одинаковой природы, например углеродными волокнами. Штабель может быть основным штабелем. Штабель может быть покрыт прядями, волокна которых выполнены из другого материала, такого как стекловолокна, для предотвращения контактной коррозии корпуса из композиционного материала.

[0072] Штабель может содержать от 4 до 40 сплетенных прядей 42, при необходимости с волокнами одинаковой природы, предпочтительно от 8 до 30 сплетенных прядей 42, при необходимости с волокнами одинаковой природы, и более предпочтительно от 12 до 16 сплетенных прядей 42, при необходимости с волокнами одинаковой природы. Каждый слой при необходимости содержит по меньшей мере две и предпочтительно по меньшей мере три сплетенные пряди 42. Применение двух одинаковых сплетенных прядей в одном и том же слое облегчает вложение их ячеек, что увеличивает жесткость слоя.

[0073] Сплетенные пряди 42 могут содержать пучки волокон или связки волокон, сплетенных в двух направлениях, например перпендикулярных. Каждый пучок волокон содержит множество волокон в соответствии со своим поперечным сечением, например шесть тысяч волокон (6k), двенадцать тысяч волокон (12k) или больше. Каждый пучок волокон может быть скрученным. В волокнистой пряди могут при необходимости применяться три направления сплетения.

[0074] В случае наружных слоев 48 и центрального слоя 50 каждая сплетенная прядь 42 может быть сплетенной посредством пучков 54 основы и пучков утка, как представлено на фиг. 7, 8 и 11. Пучки утка могут быть расположенными в целом по оси 14 вращения турбомашины и могут содержать осевые волокна, а пучки основы могут быть расположены в целом по окружности стенки и могут содержать кольцевые волокна. В случае монолитной заготовки разные слои могут быть получены с одинаковыми пучками.

[0075] В случае применения промежуточных слоев 52 волокна могут проходить под углом относительно оси 14 вращения турбомашины и могут при необходимости быть спиралеобразными. Чередующиеся пряди промежуточных слоев могут содержать пучки 54, расположенные под углом относительно оси 14 вращения турбомашины. Как представлено на фиг. 9 и 10, пучки могут иметь в целом спиралеобразные формы. Пучки 54 и, следовательно, их волокна могут проходить в целом под углом +45° и -45° относительно оси 14 вращения и/или по окружности корпуса из композиционного материала. Чередующиеся пряди предпочтительно проявляют равновесие между волокнами в отношении их направлений сплетения. Их пучки 54 могут содержать одинаковое количество волокон. На фиг. 7, 8, 9, 10, 11 пучки 54 показаны на расстоянии друг от друга, чтобы проиллюстрировать различие в пропорции волокон. Тем не менее при необходимости пучки могут быть плотно прижаты друг к другу. Различие в пропорции или в плотности волокна может быть получено применением пучков с большим или меньшим количеством волокон.

[0076] В каждом слое большую часть волокон могут составлять идентичные пряди 42. Большинство направлений волокон 54 в разных прядях может при необходимости быть параллельным в пределах одного и того же слоя. Пряди 42, которые формируют ограничения каждого слоя, могут проявлять ориентацию параллельных волокон, и/или большинство направлений идентичных волокон, и каждая из указанных прядей может при необходимости быть идентичной. В результате каждый слой может обладать одинаковой механической характеристикой.

[0077] На большей части поверхности стенки волокнистый элемент жесткости может проявлять симметрию волокон в зависимости от толщины стенки и относительно центра толщины стенки. Симметрия может относиться к ориентации волокон, и/или к пропорциям волокон в зависимости от ориентации, и/или к большинству направлений волокон. Симметрия может быть согласно типу прядей. Наружные слои 48 и/или промежуточные слои 52 могут быть отражены по двое относительно центрального слоя 50.

[0078] Для того чтобы увеличить жесткость стенки в отношении сложной деформации, большая часть волокон, при необходимости сплетенных прядей, центрального слоя 50 может проходить вдоль окружности стенки; предпочтительно от 55% до 90% или от 65% до 85% волокон, при необходимости волокон сплетенных прядей, центрального слоя 50 могут проходить вдоль окружности стенки. Основное направление волокон центрального слоя - вдоль окружности корпуса.

[0079] Большая часть волокон, при необходимости сплетенных прядей, по меньшей мере одного из наружных слоев 48, предпочтительно каждого наружного слоя 48, может проходить вдоль осевого направления стенки. При необходимости от 55% до 90% или от 65% до 85% волокон, при необходимости волокон сплетенных прядей, по меньшей мере одного, и предпочтительно каждого наружного слоя 48 проходят вдоль осевого направления стенки.

[0080] Например, по меньшей мере одна прядь 42, или большинство прядей 42, или каждая прядь 42 по меньшей мере одного, а предпочтительно каждого наружного слоя 48, содержат пучки утка, содержащие девять тысяч волокон, и пучки основы, содержащие шесть тысяч волокон. По меньшей мере одна прядь, или каждая прядь 42, или большинство прядей центрального слоя 50 могут содержать пучки утка, содержащие шесть тысяч волокон, и пучки основы, содержащие двенадцать тысяч волокон. Разные сплетенные пучки могут в целом образовывать синусоиды, и предпочтительно синусоиды из пучков утка могут быть наиболее резковыраженными.

[0081] На фиг. 4 показана деформация F при сгибании прядей 42 слоев штабеля 40 в случае деформации корпуса из композиционного материала во время соприкосновения с лопатками ротора. Соприкосновение может быть непрямым, через слой истираемого или хрупкого материала. Во время этого часть корпуса деформируется при сгибании в радиальном направлении за счет образования дуги относительно оси 14.

[0082] Следует отметить то, что в области наружных слоев 48 осевые деформации находятся в своем максимуме, снижаются в промежуточных слоях 52 и находятся в своем минимуме в центральном слое 50. Осевая деформация падает до нуля в центре центрального слоя 50, и последний может иметь тип поверхности с нулевой деформацией. Материал деформируется при сжатии на одной стороне этой поверхности и при растяжении на другой стороне. Это подразумевает то, что материал, волокна и матрица деформируются при сжатии или при растяжении. В отношении механического проектирования может быть решено применить критерий прочности в связи с растяжением. Увеличение пропорции волокон, проходящих в осевом направлении, делает возможным усиление материала и соответственно увеличение допустимой продольной деформации. Такая мера позволяет усилить корпус.

[0083] Во время работы или в случае соприкосновения лопатки и корпуса у последнего наблюдается тенденция к увеличению в диаметре, т.е. к расширению. Материал корпуса в таком случае подвергается растяжению в зависимости от его окружности; необходимо увеличить пропорцию кольцевых волокон локально для того, чтобы они выполняли свою функцию при растяжении. Целесообразно увеличить эту пропорцию в области центрального слоя 50, поскольку последний не подвергается или подвергается лишь в определенных пределах осевой деформации. В случае кольцевых волокон центрального слоя 50 или осевых волокон каждого наружного слоя 48 согласование пропорции волокон по направлению сплетения дает двойное преимущество, поскольку это делает возможным повышение механического сопротивления в случае определенной деформации, но без увеличения веса корпуса.

[0084] Кроме вышеупомянутых деформаций в момент соприкосновения с лопатками корпус из композиционного материала подвергается скручивающей нагрузке, потому что лопатки приводят корпус в действие, вызывая его вращение. Спиралеобразные волокна промежуточных слоев 52 имеют оптимальную ориентацию для поглощения сил и для предотвращения скручивания корпуса. Целесообразно разместить спиралеобразные волокна в промежуточных слоях - слоях, в которых осевая деформация остается значительной, поскольку они способны сопротивляться сжатию. Кроме того, они способствуют предотвращению расширения корпуса. Их промежуточное положение между центральным слоем 50 и наружными слоями 48 обеспечивает им защиту. В случае деформации их волокна могут удерживаться сжатыми за счет соседних слоев, что предотвращает расслоение соответствующих прядей.

Кроме этих деформаций во время работы турбомашины корпус турбомашины подвергается вибрациям. Их амплитуда достигает своего максимального значения в случае потери лопасти вентилятора, о чем говорилось выше. Вибрации вызывают деформацию с несколькими составляющими, к которым относится, например, осевой прогиб, осевое скручивание, сжатие, овализация. Кроме того, для кольцевой стенки корпуса могут предусматриваться варианты осуществления с диаметрами и/или волной деформации вращения в зависимости от ее окружности или с перемещением в осевом направлении.

Группа изобретений относится к наружному корпусу из композиционного материала для осевой турбомашины. Корпус из композиционного материала для осевой турбомашины содержит круглую стенку, содержащую матрицу и сплетенный волокнистый элемент жесткости (40). Элемент жесткости (40) содержит в зависимости от своей толщины два наружных слоя (48) и один центральный слой (50), расположенный между слоями (48). Слои (48, 50) содержат сплетенные волокна, проходящие в осевом направлении круглой стенки, и сплетенные волокна, проходящие по окружности круглой стенки. По меньшей мере один из слоев (48) имеет различие в пропорции между осевыми сплетенными волокнами и кольцевыми сплетенными волокнами. Осевые сплетенные волокна составляют большую часть сплетенных волокон. Группа изобретений направлена на улучшение механического сопротивления кольцевой стенки из композиционного материала корпуса в случае соприкосновения с лопатками ротора. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Корпус (28) из композиционного материала для осевой турбомашины (2), при этом корпус (28) содержит в целом круглую стенку (34), содержащую матрицу и сплетенный волокнистый элемент жесткости, при этом волокнистый элемент жесткости содержит в зависимости от своей толщины два наружных слоя (48) и один центральный слой (50), расположенный между наружными слоями, при этом указанные слои содержат сплетенные волокна, проходящие в целом в осевом направлении круглой стенки, и сплетенные волокна, проходящие в целом по окружности круглой стенки (34), отличающийся тем, что по меньшей мере один из наружных слоев (48) имеет различие в пропорции между осевыми сплетенными волокнами и кольцевыми сплетенными волокнами, при этом осевые сплетенные волокна составляют большую часть сплетенных волокон.

2. Корпус (28) из композиционного материала по п. 1, отличающийся тем, что центральный слой (50) имеет различие в пропорции между осевыми сплетенными волокнами и кольцевыми сплетенными волокнами, при этом кольцевые сплетенные волокна составляют большую часть сплетенных волокон.

3. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что середина толщины волокнистого элемента жесткости находится в центральном слое (50), при этом каждый слой составляет по меньшей мере 10% волокнистого элемента жесткости.

4. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что волокнистый элемент жесткости содержит два промежуточных слоя (52), при этом каждый из них расположен между центральным слоем (50) и одним из наружных слоев (48).

5. Корпус (28) из композиционного материала по п. 4, отличающийся тем, что промежуточные слои (52) содержат сплетенные спиралеобразные волокна в направлениях, которые в целом перпендикулярны и проходят под углом 45° относительно окружности стенки (34).

6. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что на большей части поверхности стенки (34) волокнистый элемент жесткости имеет симметрию в расположении сплетенных волокон и/или симметрию в пропорции сплетенных волокон в зависимости от толщины стенки и относительно середины толщины стенки.

7. Корпус (28) из композиционного материала по п. 1, отличающийся тем, что волокнистый элемент жесткости содержит штабель (40) сплетенных волокнистых прядей (42), при этом по меньшей мере одна из прядей (42) сплетена таким образом, чтобы быть заранее сформированной в соответствии с формой стенки (34), и большая часть сплетенных прядей (42) проходит по всей осевой длине стенки (34).

8. Корпус (28) из композиционного материала по п. 1, отличающийся тем, что каждый слой (48; 50; 52) содержит большую часть идентичных волокнистых прядей, при этом направления составляющих большую часть сплетенных волокон являются соосными.

9. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 7-8, отличающийся тем, что пряди (42), образующие ограничения слоев (48; 50; 52), имеют параллельную ориентацию сплетенных волокон и соосные направления составляющих большую часть сплетенных волокон.

10. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 7-8, отличающийся тем, что сплетенные волокна прядей расположены в сплетенных пучках (54), при этом пучки сплетены в направлении утка и направлении основы, при этом пучки утка расположены вдоль оси (14) турбомашины, а пучки основы расположены по окружности стенки (34).

11. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 7-8, отличающийся тем, что стенка (34) обладает минимальным диаметром DM на одном из своих осевых краев, при этом штабель содержит дополнительные пряди (44) в качестве промежуточных слоев в области с минимальным диаметром DM, между прядями, проходящими в осевом направлении по всей осевой длине стенки.

12. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 7-8, отличающийся тем, что штабель (40) содержит от 4 до 40 прядей (42), содержащих сплетенные волокна одинаковой природы.

13. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что стенка (34) содержит несколько кольцевых рядов крепежных отверстий для лопаток (26) статора, при этом указанные кольцевые ряды отверстий распределены в осевом направлении вдоль стенки.

14. Корпус (28) из композиционного материала по одному из пп. 1-2, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один кольцевой фланец (30), проходящий в радиальном и в осевом направлениях, ограничивая стенку (34), при этом каждый кольцевой фланец образован посредством волокнистого элемента жесткости.

15. Осевая турбомашина (2), содержащая корпус (28) из композиционного материала, отличающаяся тем, что корпус (28) из композиционного материала соответствует корпусу по одному из пп. 1-14, при этом корпус (28) из композиционного материала образован двумя половинами корпуса, каждая из которых содержит осевые фланцы (46), обеспечивающие соединение половин корпуса, при этом осевые фланцы (46) образованы посредством волокнистого элемента жесткости.