复合风扇容纳壳体
技术领域
本主题大体涉及燃气涡轮发动机的风扇容纳壳体，更具体地，涉及用于燃气涡轮发动机的复合风扇容纳壳体的一体加强件。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。另外，燃气涡轮发动机的核心通常以串联流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气从风扇提供到压缩机区段的入口，其中一个或多个轴向压缩机逐渐压缩空气，直到空气到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段流向涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，然后流过排气区段，例如，进入大气。涡轮风扇型燃气涡轮发动机通常包括风扇组件，该风扇组件将空气引导至核心燃气涡轮发动机(例如压缩区段的入口)和旁路管道。诸如涡轮风扇的燃气涡轮发动机通常包括风扇壳体，该风扇壳体围绕包括风扇叶片的风扇组件。
在大多数涡轮风扇发动机中，风扇通过配备有护罩的风扇壳体容纳。护罩限制风扇，并与风扇叶片的末端相邻。护罩用于引导进入的空气通过风扇，以确保进入发动机的大部分空气将通过风扇压缩。一小部分空气能够通过风扇叶片的末端和护罩之间的径向间隙绕过风扇叶片。径向间隙非常窄小，使得能够通过该间隙绕过风扇的空气量受到限制。发动机的效率可以以这种方式显著提高。由于该间隙窄小，风扇叶片可能会在飞行器涡轮风扇发动机的正常操作期间摩擦护罩。此外，燃气涡轮发动机的风扇叶片可能易受到极端载荷事件的影响。例如，风扇叶片可能撞击被吸入发动机中的鸟，或者可能发生叶片脱落的情况，其中一个风扇叶片从转子盘上断开。如果冲击力足够大，则风扇叶片可能会接触风扇壳体。
风扇壳体通常被构造成承受由于导致故障模式的不利的发动机状况(例如异物损坏、由于过度或极端的不平衡或风扇转子振动引起的硬摩擦或风扇叶片脱落)引起的风扇叶片的冲击。风扇壳体通常包括粘合(bond)到外表面的一个或多个加强件，以提高风扇壳体的强度和/或控制风扇壳体的频率响应。然而，这种加强件通常不会在叶片脱落事件之后改善风扇壳体上的凸缘载荷分布。此外，这种加强件通常被设计成在叶片脱落事件期间从风扇壳体分离。
因此，需要一种减小风扇壳体上的凸缘载荷的改进的风扇壳体。
发明内容
方面和优点将在下面的描述中部分地阐述，或者可以从描述中变得显而易见，或者可以通过实施本发明而获知。
在一个方面，本主题涉及一种用于限定中心轴线的燃气涡轮发动机的复合风扇壳体。该复合风扇壳体包括核心，该核心具有由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的多个核心层并且具有外表面。复合风扇壳还包括至少一个加强件，该至少一个加强件相对于中心轴线一体地联接到核心的外表面的后部。另外，至少一个加强件包括弹性材料。
在一个实施例中，弹性材料可以包括形状记忆合金。在另一个实施例中，弹性材料可以包括聚合物、弹性体或橡胶中的至少一种。在又一个实施例中，弹性材料可以包括形状记忆合金和不同于形状记忆合金的至少一种其他弹性材料。在进一步的实施例中，形状记忆合金可以包括镍-钛、镍-钛基合金、铜-铝-镍合金或包含锌、铜、金或铁的合金中的至少一种。
在另外的实施例中，加强件可以粘合到核心的外表面或与核心的外表面一体地形成。在一个实施例中，加强件可以形成为单个一体部件。在进一步的实施例中，加强件可以进一步包括由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的一个或多个加强件层。在一个实施例中，加强件可以包括一层或多层形状记忆合金，其被布置成与至少一个其他弹性材料层中的一层或多层交替。在一个这样的实施例中，加强件可以包括一层或多层形状记忆合金和限定了格子结构的一层或多层至少一种其他弹性材料。在另一个实施例中，加强件可以包括外部帽形结构和容纳在该帽形结构内的形状记忆合金的网状物。
在进一步的实施例中，热固性聚合物树脂可以包括乙烯基酯树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。在一实施例中，增强纤维可以包括卡宾纤维、石墨纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或芳香族聚酰胺纤维中的至少一种。
在另一方面，本主题涉及限定中心轴线的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括沿着中心轴线延伸的发动机轴和附接到该发动机轴并围绕中心轴线径向地延伸的压缩机。燃气涡轮发动机还包括风扇区段，该风扇区段包括驱动地联接到发动机轴的多个风扇叶片。此外，每一个风扇叶片相对于发动机轴在径向方向上在根部和末端之间延伸。燃气涡轮发动机还包括燃烧器，该燃烧器位于压缩机下游以从压缩机接收压缩流体。此外，燃气涡轮发动机包括涡轮，该涡轮在燃烧器下游安装到发动机轴上，以向压缩机和风扇区段提供旋转力。另外，燃气涡轮发动机包括径向地围绕风扇区段的多个风扇叶片的复合风扇壳体。该复合风扇壳体包括核心，该核心具有由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的多个核心层并且具有外表面。复合风扇壳体还包括一个或多个加强件，其相对于中心轴线一体地联接到核心的外表面的后部。此外，至少一个加强件包括弹性材料。
在一实施例中，弹性材料可以包括形状记忆合金。在另一个实施例中，弹性材料可以包括聚合物、弹性体或橡胶中的至少一种。在又一个实施例中，弹性材料可以包括形状记忆合金和不同于形状记忆合金的至少一种其他弹性材料。在一个实施例中，加强件可以包括被布置成与一层或多层至少一种其他弹性材料交替的一层或多层形状记忆合金。在一个这样的实施例中，加强件可以包括一层或多层形状记忆合金和限定了格子结构的一层或多层至少一种其他弹性材料。在另一个实施例中，加强件可以包括外部帽形结构和容纳在该帽形结构内的形状记忆合金的网状物。应当进一步理解，燃气涡轮发动机可以进一步包括本文所述的任何附加特征。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解这些和其他特征、方面和优点。结合在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的某些原理。
附图说明
在说明书中参考附图阐述了针对本领域的普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
图1示出了根据本主题的方面的可以在飞行器内使用的燃气涡轮发动机的一个实施例的横截面视图，特别地示出了被构造为高旁路涡轮风扇喷气发动机的燃气涡轮发动机；
图2示出了根据本主题的方面的图1的风扇区段的横截面视图，特别地示出了燃气涡轮发动机的风扇区段的复合风扇容纳壳体；
图3示出了图2的复合风扇容纳壳体的一个实施例，特别地示出了复合风扇容纳壳体在燃气涡轮发动机的径向和轴向方向上的示意性横截面；
图4示出了根据本主题的方面的复合风扇容纳壳体的示例性实施例的一部分的示意性横截面，特别地示出了由多层形成的复合风扇容纳壳体；
图5示出了根据本主题的方面的复合风扇容纳壳体的增强纤维的实施例，特别地示出了编织到垫子中的增强纤维；
图6示出了根据本主题的方面的复合风扇容纳壳体的另一示例性实施例的一部分的示意性横截面，特别地示出了粘合到复合风扇容纳壳体的核心的外表面的堆积层；
图7示出了根据本主题的方面的图3的复合风扇容纳壳体的加强件的一个示例性实施例，特别地示出了在复合风扇容纳壳体的后部处一体地联接到核心的外表面的加强件；
图8示出了根据本主题的方面的在加强件处截取的风扇区段的一个实施例的横截面视图，特别地示出了处于变形下的复合风扇容纳壳体；
图9示出了根据本主题的方面的图8的风扇区段的另一横截面视图，特别地示出了变形后的复合风扇容纳壳体；
图10示出了根据本主题的方面的图3的复合风扇容纳壳体的加强件的另一实施例，特别地示出了由两种或多种材料形成的加强件；
图11示出了根据本主题的方面的图3的复合风扇容纳壳体的加强件的又一实施例，特别地示出了包括内部格子结构的加强件；以及
图12示出了根据本主题的方面的图3的复合风扇容纳壳体的加强件的另一实施例，特别地示出了包括内部网状结构的加强件；
在本说明书和附图中重复使用参考字符旨在表示本发明的相同或相似特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，在附图中示出了其一个或多个示例。通过对本发明的说明而不是对本发明的限制来提供每个示例。实际上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变形。例如，作为一个实施例的一部分示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产生又一实施例。因此，意图是本发明覆盖落入所附权利要求及其等同物的范围内的这种修改和变形。
如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换地使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体流出的方向，而“下游”是指流体流向的方向。
除非另有说明，术语“联接”、“固定”、“附接到”等是指直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征的间接联接、固定或附接。
术语“连通”、“连通的”等是指直接连通，以及诸如通过存储系统或另一个中间系统的间接连通。
大体上提供一种用于燃气涡轮发动机的复合风扇壳体。复合风扇壳体通常是径向地围绕燃气涡轮发动机的风扇区段的风扇叶片的风扇容纳壳体。风扇壳体包括核心，该核心具有由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的一个或多个核心层并形成风扇壳体的外表面。另外，复合风扇壳体包括一个或多个加强件，其一体地联接到或形成于核心的外表面的后部。加强件包括弹性材料，例如形状记忆合金。加强件至少部分地由弹性材料形成并且一体地联接到风扇壳体上，从而可以允许加强件在风扇壳体受到冲击的情况下(例如由于风扇壳体上风扇叶片的摩擦或叶片脱落事件)局部变形。此外，加强件的弹性性质可以允许加强件在风扇壳体受到冲击之后恢复其形状。大体上，在受到这种冲击后保持附接到风扇壳体的加强件可以继续提高风扇壳体的强度，改善风扇壳体上的凸缘载荷分布，和/或可以改善风扇壳体的频率响应而不会影响风扇壳体的整体灵活性。另外，通过改善风扇壳体上的凸缘载荷，风扇壳体可以改善与诸如后部风扇壳体的相邻部件的接合能力。此外，这种加强件可以帮助减轻诸如后部风扇壳体的相邻硬件的重量。
现在参考附图，图1示出了根据本主题的方面的可以在飞行器内使用的燃气涡轮发动机10的一个实施例的横截面视图。更特别地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机10是高旁路涡轮风扇喷气发动机，其中所示的燃气涡轮发动机10具有沿着轴向方向A延伸通过的纵向或轴向中心线轴线12，以供参考。燃气涡轮发动机10还限定了从中心线12垂直延伸的径向方向R。此外，周向方向C(在图1的纸面的里/外示出)垂直于中心线12和径向方向R两者延伸。尽管示出了示例性涡轮风扇实施例，可以预期的是，本公开同样适用于一般涡轮机械，例如开放式转子、涡轮轴、涡轮喷气或涡轮螺旋桨结构(包括船用和工业涡轮发动机以及辅助动力单元)。
通常，燃气涡轮发动机10包括核心燃气涡轮发动机(通常通过附图标记14表示)和位于其上游的风扇区段16。核心发动机14通常包括限定环形入口20的基本上管状的外壳体18。此外，外壳体18可以进一步包围并支撑低压(LP)压缩机22，该低压(LP)压缩机22用于将进入核心发动机14的空气的压力增加到第一压力级。然后，多级轴流高压(HP)压缩机24可以从LP压缩机22接收压缩空气，并进一步增加这种空气的压力。然后，离开HP压缩机24的压缩空气可以流动到燃烧器26，在燃烧器26内将燃料喷射到压缩空气流中，由此产生的混合物在燃烧器26内燃烧。高能量燃烧产物60从燃烧器26沿着燃气涡轮发动机10的热气体路径被引导到高压(HP)涡轮28，用于经由高压(HP)轴或线轴30驱动HP压缩机24，然后被引导到低压(LP)涡轮32，用于经由通常与HP轴30同轴的低压(LP)驱动轴或线轴34驱动LP压缩机22和风扇区段16。在驱动涡轮28和32中的每一个涡轮之后，燃烧产物60可以经由排气喷嘴36从核心发动机14排出，以提供推进喷射推力。
另外，如图1和图2中所示，燃气涡轮发动机10的风扇区段16通常包括构造成通过环形机舱40围绕的可旋转的轴流风扇转子38。在特定实施例中，LP轴34可以直接连接到风扇转子38或转子盘39，例如在直接驱动构造中。在替代的构造中，LP轴34可以经由减速装置37(例如间接驱动或齿轮驱动构造中的减速齿轮齿轮箱)连接到风扇转子38。根据期望或需要，这种减速装置可以设置在燃气涡轮发动机10内的任何合适的轴/线轴之间。另外，风扇转子38和/或转子盘39可以被风扇轮毂41的一部分包围或形成为风扇轮毂41的一部分。
本领域普通技术人员应该理解的是，机舱40可以被构造成相对于核心发动机14通过多个基本上径向地延伸的、周向地间隔开的出口导向轮叶42支撑。这样，机舱40可以包围风扇转子38及其对应的风扇转子叶片(风扇叶片44)。此外，如图所示，每个风扇叶片44可以相对于中心线12在径向方向R上在根部77和末端78之间延伸。此外，机舱40的下游区段46可以在核心发动机14的外部分上延伸，以限定提供附加推进喷射推力的辅助或旁路气流导管48。
在燃气涡轮发动机10的操作期间，应该理解的是，初始气流(通过箭头50表示)可以通过机舱40的相关联的入口52进入燃气涡轮发动机10。然后，气流50通过风扇叶片44并分成移动经过旁路导管48的第一压缩空气流(通过箭头54表示)和进入LP压缩机22的第二压缩空气流(通过箭头56表示)。然后第二压缩空气流56的压力增加并进入HP压缩机24(通过箭头58表示)。在与燃料混合并在燃烧器26内燃烧之后，燃烧产物60离开燃烧器26并流动经过HP涡轮28。此后，燃烧产物60流动经过LP涡轮32并离开排气喷嘴36，以为燃气涡轮发动机10提供推力。
如图1和图2所示，燃气涡轮发动机10可以包括径向地围绕并限制风扇叶片44的复合风扇容纳壳体(风扇壳体62)。风扇壳体62可以被构造成将初始气流50引导经过风扇区段16，以确保风扇叶片44将压缩进入发动机10的大部分空气。另外，在风扇叶片44的末端78和风扇壳体62的内部环形表面74之间可能存在小的径向间隙76。大体上，径向间隙76可以被最小化以提高燃气涡轮发动机10的效率。内部环形表面74可以具有大体上圆形的横截面并限定风扇壳体62的内径。
现在参考图3，示出了根据本主题的方面的示例性风扇壳体62。特别地，图3示出了风扇壳体62在径向方向R和轴向方向A上的示意性横截面视图。如图所示，风扇区段16可以包括围绕风扇叶片44的前部风扇壳体(称为风扇壳体62)和相对于中心线12(图1)位于风扇叶片44的后部的后部风扇壳体64。在示例性实施例中，风扇壳体62是硬壁容纳系统，该硬壁容纳系统包括大约等于风扇转子38(图2)的风扇组件长度68的长度66。更具体地，长度66的尺寸可以变化，使得风扇壳体62限制风扇区段16的主要容纳区域70。本文使用的主要容纳区域70被限定为围绕风扇转子38轴向地和周向地延伸的区域，其中风扇叶片44最可能从风扇转子38排出。
如进一步示出的，风扇壳体62可以包括一个或多个加强件71，其相对于风扇叶片44沿着轴向方向A一体地联接到风扇壳体62的后部73。大体上，联接到风扇壳体62的加强件71可以增加风扇壳体62的强度或刚度。例如，加强件71可以允许风扇壳体62更好地承受风扇叶片44在内部环形表面74上的软或硬摩擦。此外，加强件71可以提高风扇壳体62承受内部环形表面74上的冲击(例如由于叶片脱落事件)的能力。如关于图7至图12更详细的描述，加强件71可以至少包括弹性材料。此外，由弹性材料形成的加强件71一体地联接到风扇壳体62或与风扇壳体62一体地形成，可以防止在风扇壳体62受到硬摩擦或冲击后，加强件71从风扇壳体62的其余部分分离。此外，如这里所使用的一体地联接是指将加强件71联接到风扇壳体62，使得加强件71被构造成在风扇壳体62受到冲击或摩擦之后保持附接或联接到风扇壳体62。
现在参考图4，示出了风扇壳体62的示例性实施例的一部分的示意性横截面。特别地，图4示出了由多层形成的风扇壳体62。例如，在示例性实施例中，风扇壳体62可以包括核心80，核心80由通过热固性聚合物树脂84粘合在一起的增强纤维的多个核心层82形成。每个核心层82可以包括增强纤维的多个编织层。还参考图5，在一个实施例中，将增强纤维编织到编织垫86中，在该编织垫中编织物对齐以在周向方向上延伸。编织物可以通过编织每束包含约10,000至约30,000根纤维的纤维束88来形成。在替代实施例中，纤维束88可以包含少于10,000或大于30,000根纤维。然而，当束包含少于10,000根纤维时，核心80的强度可能降低，并且当纤维束88包含大于30,000根纤维时，风扇壳体62的重量可能增加。在一实施例中，增强纤维可以包括卡宾(carbine)纤维、石墨纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或芳香族聚酰胺纤维中的至少一种。然而，在其他实施例中，可以使用任何其他布置中的任何其他合适的纤维来形成风扇壳体62或其部件。另外，作为非限制性示例，热固性聚合物树脂84可以包括乙烯基酯树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。
风扇壳体62还可以包括粘合到核心80的内表面92的多个堆积层90。堆积层90可以由通过热固性树脂84粘合在一起的增强纤维的螺旋缠绕编织物94形成。增强纤维的编织物的螺旋缠绕模式可以减少冲击期间的层脱落，这反过来减少应力集中。还应该理解的是，在某些实施例中，例如图4中所示，热固性树脂84的最内堆积层和/或最内层可以限定内部环形表面74。在冲击期间，动能可以通过堆积层90和核心层82的分层而消散。分层的堆积层90和核心层82可以捕获并容纳冲击物体。在另一实施例中，如图6所示，堆积层90可以粘合到核心80的外表面96上。在这样的实施例中，核心80的内表面92可以限定内部环形表面74。在另一个实施例中，堆积层90可以粘合到核心80的外表面96和内表面92。
在示例性实施例中，可以通过利用热固性聚合物树脂84将核心层82和堆积层90粘合在一起来制造风扇壳体62。特别地，可以使用模具来限定风扇壳体62的期望的尺寸和形状。堆积层90、核心层82和热固性树脂84可以位于模具中。可以通过任何合适的方法(例如真空装袋)将真空应用到模具中的层状结构上，并且可以将热量应用到该结构上以固化热固性树脂84。可以通过任何合适的方法(例如，通过将层状结构放置在加热室、烤箱或高压釜中)将热量应用到该层状结构上。真空可以将热固性聚合物树脂84拉入并渗入纤维束88(例如编织垫86)，以提供风扇壳体62的附加强度。
参考图7，根据本主题的方面示出了图3的加强件71的一个示例性实施例。例如，风扇壳体62可以包括至少一个加强件71，该至少一个加强件在风扇壳体62的后部73处一体地联接到核心80的外表面96(如图3中大体所示)。然而，在其他实施例中，例如在图6中所示的实施例中，加强件71可以一体地联接到堆积层90的最外层。应该理解的是，一体地联接到风扇壳体62的后部73的加强件71不仅可以增加风扇壳体62的强度，此外可以改善风扇壳体62上的凸缘载荷。加强件71可以具有基本上倒U形形状，并且可以至少部分地由一种或多种弹性材料形成。在替代实施例中，加强件71可以具有I形状或任何其他合适的形状。此外，尽管将参考图1至图6的风扇壳体62来描述加强件71，应该理解的是，加强件71可以与燃气涡轮发动机的任何合适的风扇壳体(例如关于图1至图2大体描述的燃气涡轮发动机10或燃气涡轮发动机的其他合适的构造)一起使用。
此外，加强件71可以被构造成在叶片44与内部环形表面74摩擦或风扇壳体62受到冲击之后保持联接到风扇壳体62。例如，已知的当前加强件可以被构造成在叶片脱落事件期间从风扇壳体62的其余部分分离或脱离，以减小风扇壳体62和/或风扇转子38上的应变。更特别地，至少一些过去的加强件可能降低风扇壳体62的整体灵活性，使得在叶片脱落事件或硬摩擦期间损坏风扇壳体62和/或风扇转子38，除非加强件断裂或从风扇壳体62分离。然而，这种可拆卸的加强件不再能够在叶片脱落事件之后加强风扇壳体62、改善叶片脱落事件之后的凸缘载荷分布或者改善风扇壳体62的频率响应。在一些实施例中，由于弹性材料的性质，本公开的加强件71能够在发生叶片脱落事件的情况下局部变形。这样，加强件71可以被构造成保持一体地联接到风扇壳体62，而不会影响风扇壳体62的整体灵活性。此外，在叶片脱落事件之后保持联接到风扇壳体62的加强件71可以继续提高风扇壳体62的强度、改善风扇壳体62上的凸缘载荷和/或改善风扇壳体62的频率响应。
如参考图7进一步示出的，包括弹性材料的加强件71可以粘合到核心80的外表面96。在其他实施例中，加强件可以与核心80的外表面96一体地形成。例如，加强件71可以包括可以与复合核心80叠置(laid up)的一个或多个复合部件(例如，参见图10)。然而，在其他实施例中，加强件71可以经由增材制造来形成。例如，加强件71可以经由增材制造直接地打印在复合风扇壳体62上，例如在核心80的外表面96上。然而，在其他实施例中，加强件71可以经由增材制造分离地形成，然后例如经由与树脂或粘合剂的粘合而一体地联接到风扇壳体62。另外，可以理解的是，加强件71可以作为单个一体部件形成、叠置、打印或以其他方式制成(例如，加强件71可以是单个部件，没有需要组装以形成完整一体的加强件71的多个部件)。
弹性材料可以包括(但不限于)聚合物、弹性体或橡胶中的一种或多种。在另外的实施例中，弹性材料可以附加地或替代地包括形状记忆合金(SMA)。SMA通常是一种能够在变形后恢复其原始形状的合金。例如，某些SMA可以被加热以使变形的SMA恢复到其变形前的形状。此外，SMA可以作为传统致动器的轻质、固态替代品。可能适合于形成加强件71的SMA的示例性但非限制性示例可以包括镍-钛(NiTi)和其他镍-钛基合金，例如镍-钛氟化氢(NiTiHf)和镍-钛钯(NiTiPd)。然而，应该理解的是，其他SMA材料可以等同地适用于本公开。例如，在某些实施例中，SMA可以包括铜-铝-镍合金或包含锌、铜、金和/或铁的合金。此外，SMA还可以显示超弹性。超弹性通常可以以大应变的恢复为特征，并可能伴随有一些耗散。例如，SMA的马氏体和奥氏体相可能响应于机械应力以及温度引起的相变。例如，SMA可以以奥氏体相(即高于某温度)加载。这样，当达到临界应力时，材料可能开始转变为(孪晶)马氏体相。在继续加载并假设等温条件下，(孪晶)马氏体可能开始去孪晶(detwin)，从而使材料发生塑性变形。如果卸载发生在可塑性之前，则马氏体通常可能会转变回奥氏体，并且材料可能会由于产生滞后而恢复其原始形状。
现在参考图8和图9，示出了根据本公开的方面的在加强件71处截取的风扇区段16的横截面视图。特别地，图8示出了处于例如由叶片冲击引起的变形的情况下的风扇壳体62，以及图9示出了变形后的风扇壳体62。应该理解的是，为了清楚起见，已经省略了图8和图9的燃气涡轮发动机10的风扇转子38和机舱40。另外，应该认识到，以下描述适用于如参考图1至图7大体描述的燃气涡轮发动机10、风扇区段16和风扇壳体62或类似的其他任何合适的构造。
在所示的实施例中，加强件71可以在周向方向C上完全包围风扇壳体62。特别地如图8中所示，风扇壳体62的内部环形表面74可以限定叶片冲击区域98，在该叶片冲击区域98中风扇叶片44(例如，参见图1和图2)可能与风扇壳体62接合。例如，风扇叶片44可能在内部环形表面74上发生硬摩擦或软摩擦，或者在风扇叶片44或风扇叶片44的碎片(fragment)可能在叶片冲击区域98处冲击风扇壳体62的地方发生叶片脱落事件。这样，变形100可能在叶片冲击区域98处在加强件71和/或风扇壳体62内发生。如图9中所示，在叶片冲击或引起变形100的其他原因后，风扇壳体62和加强件71可以在叶片冲击区域98处恢复到其原始或近似原始几何形状。例如，加强件71的弹性材料可以允许加强件71和风扇壳体62在风扇叶片44冲击(或对风扇壳体62的任何其他冲击)期间弹性变形，随后恢复它们各自的原始几何形状或其近似原始几何形状。此外，加强件71的弹性性质可以允许加强件71保持联接到风扇壳体62，从而允许加强件71在风扇壳体62受到冲击到之后提高风扇壳体62的强度、改善风扇壳体62上的凸缘载荷和/或提高风扇壳体62的频率响应。
现在参考图10，根据本公开的方面示出了加强件71的一个实施例。特别地，图10示出了由两种或多种材料形成的加强件71。例如，加强件71可以由一层或多层形成。此外，至少一层可以包括如本文所述的弹性材料。更特别地，在所示的实施例中，加强件71可以包括第一材料106和第二材料108。在某些实施例中，第一材料106可以包括如本文所述的至少一种弹性材料，例如SMA。加强件71可以形成限定内部空腔104的帽形结构(帽形横截面102)。例如，包括弹性材料的第一材料106可以形成为帽形横截面102。然而，在其他实施例中，加强件71可以形成为任何其他合适的形状。
另外，如图所示，加强件71可以包括第二材料108。例如，第二材料108可以包括另一种弹性材料，例如但不限于另一种SMA材料、聚合物、弹性体或橡胶。在进一步的实施例中，第二材料108可以包括由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的一个或多个加强件层，如关于图3至图5大体所述。例如，在某些实施例中，包括由热固性聚合物树脂84粘合在一起的增强纤维的至少一部分第二材料108可以与复合风扇壳体62的其余部分一起形成(例如，叠置和固结)。然而，在附加或替代实施例中，在第二材料108中使用的热固性聚合物树脂可以不同于核心80中使用的热固性聚合物树脂84。然而，在其他实施例中，第二材料108可以包括任何其他材料，例如填充材料、泡沫、涂层、金属、塑料等。
如图10所示，加强件71的帽形横截面102可以通过夹在第二材料108的各层之间的第一材料106的第一层来限定。然而，在其他实施例中，加强件71的帽形横截面102可以通过第一材料106和第二材料108中的每一层或者夹着第二材料108的一层的第一材料106的两层来限定。另外，如图所示，帽形的内部空腔104可以填充有第一材料106和/或第二材料108的一层或多层以形成层状结构109。例如，在所示的实施例中，内部空腔104可以包括与第二材料108(例如另一种弹性材料或增强纤维和热固性聚合物树脂)的层交替的第一材料106(例如SMA材料)的层。应该理解的是，在其他实施例中，加强件71可以根据期望或需要包括附加材料。例如，加强件71可以包括布置成层的三种或多种不同的材料，其中至少一种材料可以是如本文所述的弹性材料。此外，包括第一材料106和第二材料108以及任何附加材料的加强件71可以形成为单个一体部件。例如，用于形成加强件71的各种材料可以一体地粘合在一起或形成在一起。在一个实施例中，可以经由增材制造形成整个加强件71，使得可以以逐层方式打印每种材料。
现在参考图11，根据本主题的方面示出了加强件71的另一示例性实施例。更特别地，图11示出了包括内部格子结构110的加强件71。大体上，图11的加强件71可以被构造为图10的加强件71。例如，加强件71可以包括形成限定内部空腔104的帽形横截面102的第一材料106和/或第二材料108。此外，第一材料106或第二材料108中的至少一种可以包括弹性材料，例如SMA材料。然而，如图11所示，图11的内部空腔104可以包括代替图10的层状结构109的内部格子结构110。
更具体地，如图11所示，第一材料106和第二材料108可以限定容纳在帽形横截面102的内部空腔104内的内部格子结构110(通过图11中的第一材料106和第二材料108相交表示)。例如，可以对第一材料106或第二材料108中的至少一个的层进行刻槽和/或开槽以形成内部格子结构110。另外，可以将第一材料106和第二材料108的层编织在一起。在附加或替代实施例中，第一材料106和第二材料108的内部格子结构110可以嵌入内部空腔104内，并利用增材制造使用帽形横截面102的第一材料106和/或第二材料108形成。在附加或替代实施例中，内部格子结构110可以例如经由粘合剂或热固性聚合物树脂联接到帽形横截面102的第一材料106和/或第二材料108。
现在参考图12，根据本主题的方面示出了加强件71的另一示例性实施例。更特别地，图12示出了包括内部网状结构112的加强件71。另外，图12的示例性加强件71可以包括形成帽形横截面102的第一材料106。在图12的实施例中，第一材料106可以包括弹性材料、由热固性聚合物树脂84粘合在一起的增强纤维、填充材料、泡沫、涂层、金属、塑料或任何其他合适的材料中的至少一种。然而，在其他实施例中，帽形横截面102可以由附加材料(例如关于图10描述的第二材料108)形成。此外，加强件71可以限定内部空腔104，如关于图10大体所述。然而，代替如图10所示的层状结构109或如图11所示的内部格子结构110，图12的加强件71可以将内部网状结构112容纳在内部空腔104内。
如图12所示，内部网状结构112可以由第二材料108形成。此外，在图12的示例性实施例中，第二材料108可以包括弹性材料，例如SMA材料。例如，两个或多个网状层114可以径向地堆叠在加强件71的内部空腔104(例如，通过帽形横截面102限定的内部空腔104)内。例如，网状层114可以堆叠以填充或基本上填充内部空腔104。然而，在另一个实施例中，可以堆叠网状层114，使得内部空腔104的一部分保持未被第二材料108填充。
现在大体上参考图7至图12描述的加强件71的实施例，弹性材料(例如，包括在加强件71的第一材料106和/或第二材料108中的SMA材料)可以在复合风扇壳体62上受到冲击期间进行压缩。例如，内部环形表面74上的硬摩擦或软摩擦，或叶片脱落事件或复合风扇壳体62受到的其他冲击可能会在风扇壳体62上产生应变。此外，通过这种事件引起的加强件71上的径向运动可以压缩弹性材料并向加强件71提供阻尼。这样，弹性材料的弹性性质可以允许加强件71在此类事件之后保持附接到风扇壳体62的其余部分。进一步，保持附接到复合风扇壳体62的其余部分的加强件71在此类事件之后可以继续增加风扇壳体62的强度，改善风扇壳体62的频率响应，和/或改善风扇壳体上的凸缘载荷。另外，在某些实施例中，弹性材料(例如SMA材料的层状结构109、内部格子结构110和/或内部网状结构112)可以被预应变以增加由加强件71提供的刚度。
大体上，本文所述的风扇壳体62(例如加强件71)的示例性实施例可以使用任何合适的处理来制造或形成。然而，根据本主题的几个方面，加强件71可以使用增材制造处理(例如3D打印处理)来形成。使用这样的处理可以允许加强件71以单个整体部件或者以任何合适数量的子部件一体地形成。经由增材制造形成加强件71可以允许内部空腔104一体地形成并且包括当使用现有的制造方法时不可能的多种特征或结构。例如，本文所述的增材制造方法使得能够制造具有任何合适的尺寸和形状的帽形横截面102和/或内部空腔104，其中一种或多种构造、一些新颖的特征或结构在本文描述。例如，图10和图12中描绘的内部空腔104的几何形状和相关联的结构可以经由增材制造方法来制造。
如本文所使用的，术语“增材制造”、“增材地制造”、“增材制造技术或处理”等通常是指制造处理，其中在彼此上提供连续的材料层以逐层“堆积”三维部件。连续的层通常融合在一起以形成可以具有各种一体子部件的整体部件。尽管本文将增材制造技术描述为通过通常在竖直方向上逐点、逐层构建物体来制造复杂物体，但是其他制造方法也是可能的，并且在本主题的范围内。例如，尽管本文的讨论涉及添加材料以形成连续的层，本领域技术人员将理解的是，本文公开的方法和结构可以使用任何增材制造技术或制造技术进行实践。例如，本发明的实施例可以使用层增材处理，层减材处理或混合处理。
根据本公开的合适的增材制造技术包括，例如，熔融沉积建模(FDM)、选择性激光烧结(SLS)、诸如通过喷墨和激光喷射的3D打印、立体光刻(SLA)、直接选择性激光烧结(DSLS)、电子束烧结(EBS)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(LENS)、激光净成形制造(LNSM)、直接金属沉积(DMD)、数字光处理(DLP)、直接选择性激光熔化(DSLM)、选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光熔化(DMLM)和其他已知处理。
除了使用直接金属激光烧结(DMLS)或直接金属激光熔化(DMLM)处理(其中使用能量源选择性地烧结或熔化部分粉末层)之外，应该理解的是，根据替代实施例，增材制造处理可能是“粘合剂喷射”处理。在这方面，粘合剂喷射涉及以与上述类似的方式连续沉积添加粉末层。然而，粘合剂喷射涉及将液体粘合剂选择性地沉积在每一层粉末上，而不是使用能量源产生能量束以选择性地熔化或融合添加粉末。液体粘合剂可以是例如光固化聚合物或另一种液体粘合剂。其他合适的增材制造方法和变体意图在本主题的范围内。
本文所述的增材制造处理可以用于使用任何合适的材料形成部件。例如，材料可以是塑料、金属、混凝土、陶瓷、聚合物、环氧树脂、光敏聚合物树脂，或者可以是固体、液体、粉末、片状材料、线材或任何其他合适形式的任何其他合适材料。更具体地，在本文所述的加强件71的各种实施例中，材料可以包括弹性材料，例如SMA材料。此外，根据本主题的其他示例性实施例，本文所述的增材制造的部件可以至少部分由包括但不限于纯金属、镍合金、铬合金、钛、钛合金、镁、镁合金、铝、铝合金、铁、铁合金、不锈钢和镍或钴基超级合金(例如，这些可以从特殊金属公司(Special Metals Corporation)提供的
另外，本领域技术人员将理解的是，多种材料和用于粘合这些材料的方法可以在本公开的范围内使用和考虑。如本文所使用的，提及“熔合”可以指用于产生任何以上材料的粘结层的任何合适的处理。例如，如果物体是由聚合物制成的，则熔合可以指在聚合物材料之间形成热固性粘合。如果物体是由环氧树脂制成的，则可以通过交联处理形成粘合。如果材料是陶瓷，则可以通过烧结处理形成粘合。如果材料是粉末金属，则可以通过熔融或烧结处理形成粘合。本领域的技术人员将理解的是，通过增材制造融合材料以制造部件的其他方法是可能的，并且可以使用这些方法来实践本公开的主题。
此外，本文公开的增材制造处理允许由多种材料形成单个部件。因此，本文所述的部件可以由以上材料的任何合适的混合物形成。例如，部件可以包括使用不同的材料、处理和/或在不同的增材制造机器上形成的多层、段或部分。以这种方式，可以构造具有不同材料和材料特性的部件，以满足任何特定应用的需求。此外，尽管本文所述的部件可以完全地通过增材制造处理来构造，但是应该理解的是，在替代实施例中，这些部件的全部或部分可以经由铸造、机械加工和/或任何其他合适的制造处理来形成。实际上，材料和制造方法的任何合适的组合可以用于形成这些部件。
现在将描述示例性增材制造处理。增材制造处理使用部件的三维(3D)信息(例如，三维计算机模型)来制造部件。因此，部件的三维设计模型可以在制造之前限定。就这一点而言，可以扫描部件的模型或原型以确定部件的三维信息。作为另一个示例，可以使用合适的计算机辅助设计(CAD)程序来构造部件的模型，以限定部件的三维设计模型。
设计模型可以包括部件的整个配置(包括部件的外表面和内表面)的3D数字坐标。例如，设计模型可以限定风扇壳体62、加强件71和/或例如内部空腔104的内部通道、开口、支撑结构等。在一个示例性实施例中，三维设计模型例如，沿着部件的中心(例如，竖直)轴线或任何其他合适的轴线转换为多个切片或段。每个切片可以限定部件的薄横截面用于切片的预定高度。多个连续的横截面切片一起形成3D部件。然后逐片或逐层“堆积”部件，直到完成。
以这种方式，本文所述的部件可以使用增材处理来制造，或者更具体地，每个层例如通过使用激光能量或热量使塑料融合或聚合，或者通过烧结或熔化金属粉末来依次形成。例如，特定类型的增材制造处理可以使用能量束(例如，电子束或电磁辐射(例如激光束))来烧结或熔化粉末材料。可以使用任何合适的激光器和激光器参数，包括关于功率、激光束光斑大小和扫描速度的考虑。构建材料可以通过为增强强度、耐久性和使用寿命(特别是在高温下)而选择的任何合适的粉末或材料形成。
尽管根据替代实施例，厚度可以基于任何数量的参数进行选择并且可以具有任何合适的大小，但是每个连续层可以例如在大约10μm与200μm之间。因此，利用上述增材形成方法，本文所述的部件可以具有与在增材形成处理期间使用的相关联的粉末层的厚度(例如10μm)一样薄的横截面。
此外，利用增材处理，部件的表面光洁度和部件的特征可以根据需要根据应用而变化。例如，表面光洁度可以在增材处理期间通过选择适当的激光扫描参数(例如，激光功率、扫描速度、激光聚焦点大小等)进行调整(例如，使表面更光滑或更粗糙)，特别是在对应于部件表面的横截面层的外围。例如，可以通过增加激光扫描速度或减小所形成的熔池的大小来获得较粗糙的光洁度，并而可以通过降低激光扫描速度或增大所形成的熔池的大小来获得较光滑的光洁度。也可以改变扫描图案和/或激光功率以改变选定区域中的表面光洁度。
尽管本公开通常不限于使用增材制造来形成这些部件，但是增材制造确实提供了多种制造优势，包括制造容易、成本降低、精度更高等。就这一点而言，利用增材制造方法，甚至多零件的部件也可以形成为单件连续金属，因此，与现有设计相比可以包括更少的子部件和/或接合件。通过增材制造一体形成这些多零件的部件，可以有利地改善整个装配处理。例如，整体形成减少了必须装配的独立部件的数量，从而减少了相关联的时间和总体装配成本。此外，可以有利地降低诸如泄漏、独立部件之间的接合质量和整体性能的现有问题。
此外，上述增材制造方法可以使本文所述的加强件71的形状和轮廓更为复杂和繁琐。例如，这样的部件可以包括薄的增材制造层和独特的通道，例如内部空腔104。另外，增材制造处理能够制造具有不同材料的单个部件，使得部件的不同部分可以表现出不同的性能特征，例如全部或部分的加强件71形成为SMA材料。制造处理的连续、添加特性使这些新颖特征得以构建。结果，本文描述的风扇壳体62和/或加强件71可以表现出改善的性能和可靠性。
该书面描述使用示例性实施例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可专利范围通过权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例包括与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则意图在权利要求的范围内。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种限定中心轴线的燃气涡轮发动机的复合风扇壳体，所述复合风扇壳体包括：核心，所述核心具有由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的多个核心层，并具有外表面；以及至少一个加强件，所述至少一个加强件相对于所述中心轴线一体地联接到所述核心的所述外表面的后部，其中所述至少一个加强件包括弹性材料。
2.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述弹性材料包括形状记忆合金。
3.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述形状记忆合金包括镍-钛、镍-钛基合金、铜-铝-镍合金或包含锌、铜、金或铁的合金中的至少一种。
4.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件包括外部帽形结构和容纳在所述帽形结构内的所述形状记忆合金的网状物。
5.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述弹性材料包括聚合物、弹性体或橡胶中的至少一种。
6.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述弹性材料包括形状记忆合金和不同于所述形状记忆合金的至少一种其他弹性材料。
7.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件包括被布置成与所述至少一种其他弹性材料层中的一层或多层交替的一层或多层所述形状记忆合金。
8.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件包括一层或多层所述形状记忆合金和限定格子结构的一层或多层所述至少一种其他弹性材料。
9.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件粘合到所述核心的所述外表面或与所述核心的所述外表面一体地形成。
10.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件形成为单个一体部件。
11.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述加强件进一步包括由所述热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的一个或多个加强件层。
12.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述热固性聚合物树脂包括乙烯基酯树脂、聚酯树脂、丙烯酸树脂、环氧树脂或聚氨酯树脂中的至少一种。
13.根据任何在前条项的复合风扇壳体，其中，所述增强纤维包括卡宾纤维、石墨纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维或芳香族聚酰胺纤维中的至少一种。
14.一种限定中心轴线的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：沿着所述中心轴线延伸的发动机轴；压缩机，所述压缩机附接到所述发动机轴并且围绕所述中心轴线径向地延伸；风扇区段，所述风扇区段包括驱动地联接到所述发动机轴的多个风扇叶片，每一个所述风扇叶片相对于所述发动机轴在径向方向上在根部和末端之间延伸；燃烧器，所述燃烧器位于所述压缩机的下游以从所述压缩机接收压缩流体；涡轮，所述涡轮在所述燃烧器下游安装到所述发动机轴上，以向所述压缩机和所述风扇区段提供旋转力；以及径向地围绕所述风扇区段的所述多个风扇叶片的复合风扇壳体，所述复合风扇壳体包括：核心，所述核心具有由热固性聚合物树脂粘合在一起的增强纤维的多个核心层，并具有外表面；以及至少一个加强件，所述至少一个加强件相对于所述中心轴线一体地联接到所述核心的所述外表面的后部，其中所述至少一个加强件包括弹性材料。
15.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述弹性材料包括形状记忆合金。
16.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述加强件包括外部帽形结构和容纳在所述帽形结构内的所述形状记忆合金的网状物。
17.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述弹性材料包括聚合物、弹性体或橡胶中的至少一种。
18.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述弹性材料包括形状记忆合金和不同于所述形状记忆合金的至少一种其他弹性材料。
19.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述加强件包括被布置成与一层或多层所述至少一种其他弹性材料交替的一层或多层所述形状记忆合金。
20.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机，其中，所述加强件包括一层或多层所述形状记忆合金和限定格子结构的一层或多层所述至少一种其他弹性材料。
