關(guān)于聯(lián)邦政府資助研究的聲明

無。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求于2015年1月13日提交的、kray等人的題目為“具有熔合架構(gòu)的復(fù)合材料翼型件”的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)第62/102,910號(hào)的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過參引并入本文。

本公開內(nèi)容的領(lǐng)域總體上涉及旋轉(zhuǎn)機(jī)械，并且更特別地，涉及與旋轉(zhuǎn)機(jī)械一起使用的翼型件。本實(shí)施例總體上涉及用于在安裝在飛行器上的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇模塊中使用的翼型件。更具體地，本翼型件的實(shí)施例涉及、但不限于、復(fù)合材料翼型件，其在以較高速度旋轉(zhuǎn)的同時(shí)減輕了各種不利的環(huán)境影響。

背景技術(shù)：

至少一些已知的旋轉(zhuǎn)機(jī)械、諸如用于飛行器推進(jìn)器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、包括連接至轉(zhuǎn)子的多個(gè)旋轉(zhuǎn)的翼型件，多個(gè)旋轉(zhuǎn)翼型件作為風(fēng)扇模塊的一部分并向下游引導(dǎo)空氣。這些翼型件具有對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)攝入的外來物碎片的一定的完整性，但外來物的攝入仍然能夠?qū)е箩尫判D(zhuǎn)的翼型件的部分，這產(chǎn)生了不期望的轉(zhuǎn)子失衡并且因此可以進(jìn)行改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在一個(gè)方面中，提供了一種用于控制翼型件材料損失的方法。在另一方面中，提供了一種翼型件材料損失控制結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)包括至少一個(gè)熔合區(qū)(fusezone)，在受到外來物沖擊期間，至少一個(gè)熔合區(qū)先于周圍結(jié)構(gòu)而失效。在另一方面中，提供了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械。這種旋轉(zhuǎn)機(jī)械包括涵道風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，該涵道風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括具有至少一個(gè)熔合區(qū)的復(fù)合材料翼型件。

本發(fā)明旨在以簡(jiǎn)化的方式介紹一些概念，這些概念在下面的具體實(shí)施方式部分中進(jìn)一步描述。這個(gè)發(fā)明內(nèi)容部分并非意在確定要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也并非意在被用于限制要求保護(hù)的主題的范圍。上面概述的所有特征可被理解為僅是示例性的并且可從本文的公開內(nèi)容中收集到結(jié)構(gòu)和方法的更多的特征和目的。在下文的對(duì)附圖中示出的、隨附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的不同實(shí)施例的書面說明中提供了本發(fā)明的特征、細(xì)節(jié)、功用和優(yōu)點(diǎn)的更全面的描述。因此，在沒有進(jìn)一步閱讀全部說明書、權(quán)利要求書和在此包括的附圖的情況下，本發(fā)明內(nèi)容部分的非限制性解釋可被理解。

附圖說明

這些實(shí)施例的上述及其它特征和優(yōu)點(diǎn)、以及實(shí)現(xiàn)它們的方式將變得更加明顯并且通過結(jié)合附圖參照下文的說明將更好地理解實(shí)施例，在附圖中：

圖1是涵道風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)視截面圖；

圖2、圖3、圖4和圖5是涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)在翼型件部分的釋放期間的相應(yīng)的時(shí)間序列主視圖；

圖6是復(fù)合材料翼型件的疊層取向；

圖7是本發(fā)明的復(fù)合材料翼型件的示例性疊層取向；以及

圖8是復(fù)合材料翼型件的示例性實(shí)施例的立體圖。

具體實(shí)施方式

將會(huì)理解，本申請(qǐng)中所描繪的實(shí)施例并不限于在以下說明中闡述的或在附圖中示出的部件的構(gòu)造和布置的細(xì)節(jié)。所描繪的實(shí)施例能夠是其它實(shí)施例并且能夠以不同的方式被實(shí)踐或被執(zhí)行。每個(gè)示例均作為說明而不是作為對(duì)所公開的實(shí)施例的限制被提供。事實(shí)上，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言顯然的是能夠在這些實(shí)施例中做出不同的變型和改型而不偏離本公開內(nèi)容的范圍或精神。例如，作為一個(gè)實(shí)施例的一部分而示出或說明的特征能夠與另一實(shí)施例一起使用以產(chǎn)生又一實(shí)施例。因而，意在使本公開內(nèi)容覆蓋落入隨附權(quán)利要求及其等價(jià)權(quán)利要求的范圍內(nèi)的這些變型和改型。

同樣，將會(huì)理解，本文中使用的名詞和術(shù)語是出于說明的目的并且不應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是限制性的。本文中使用“包含”、“包括”或“具有”及其變型意味著包括其后所列出的項(xiàng)目及其等同項(xiàng)目以及附加的項(xiàng)目。除非另有限制，本文中的術(shù)語“連接”、“聯(lián)接”和“安裝”及其變型被廣義地使用并且包括直接或間接的連接、聯(lián)接和安裝。此外，術(shù)語“連接”和“聯(lián)接”及其變型并不局限于物理的或機(jī)械的連接或聯(lián)接。

本文中使用的術(shù)語“軸向”或“軸向地”指代沿發(fā)動(dòng)機(jī)的縱向軸線的維度。與“軸向”或“軸向地”結(jié)合使用的術(shù)語“前部”指代在朝向發(fā)動(dòng)機(jī)入口的方向上移動(dòng)，或與其它部件相比相對(duì)更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)入口的部件。與“軸向”或“軸向地”結(jié)合使用的術(shù)語“后部”指代在朝向發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的方向上移動(dòng)，或與其它部件相比相對(duì)更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴的部件。

本文中使用的術(shù)語“徑向”或“徑向地”指代在發(fā)動(dòng)機(jī)的中央縱向軸線與發(fā)動(dòng)機(jī)外周之間延伸的維度。本身獨(dú)立使用或與術(shù)語“徑向”或“徑向地”結(jié)合使用的術(shù)語“近端”或“近端地”指代在朝向中央縱向軸線的方向上移動(dòng)，或與其它部件相比相對(duì)更靠近中央縱向軸線的部件。本身獨(dú)立使用或與術(shù)語“徑向”或“徑向地”結(jié)合使用的術(shù)語“遠(yuǎn)端”或“遠(yuǎn)端地”指代在朝向發(fā)動(dòng)機(jī)外周的方向上移動(dòng)，或與其它部件相比相對(duì)更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)外周的部件。

本文中使用的術(shù)語“橫向”或“橫向地”指代垂直于軸向維度和徑向維度二者的維度。

所有的方向性的關(guān)系(例如、徑向、軸向、近端、遠(yuǎn)端、上、下、向上、向下、左、右、橫向、前、后、頂部、底部、上方、下方、豎向、水平、順時(shí)針、逆時(shí)針)僅用于識(shí)別的目的以幫助讀者理解本發(fā)明，并不產(chǎn)生限制、特別是不對(duì)本發(fā)明的位置、取向、或用途產(chǎn)生限制。連接關(guān)系(例如、附接、聯(lián)接、連接、或連結(jié))可以做廣義的解釋，并且、除非另有指示、可包括元件集合之間的中間構(gòu)件以及元件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。因此，連接關(guān)系并不必然推斷出兩個(gè)元件直接連接并呈相對(duì)彼此固定的關(guān)系。示例性的附圖僅是為了進(jìn)行說明，并且在下文所附的附圖中反映的尺寸、位置、順序以及相對(duì)的大小可以改變。

翼型件具有對(duì)來自鳥類、碎片以及發(fā)動(dòng)機(jī)攝入的其它物品的外來物損害的一定的完整性(integrity)。然而，外來物的攝入可導(dǎo)致翼型件的多個(gè)部分的釋放并且可在保持并驅(qū)動(dòng)翼型件的轉(zhuǎn)子上引起失衡。這種轉(zhuǎn)子的失衡可以是用于發(fā)動(dòng)機(jī)支柱、支座及軸承的構(gòu)造和重量的主要標(biāo)準(zhǔn)。目前的發(fā)動(dòng)機(jī)可使用兩倍的風(fēng)扇葉片質(zhì)量評(píng)估并設(shè)定用于這種轉(zhuǎn)子失衡的標(biāo)準(zhǔn)，這意味著發(fā)動(dòng)機(jī)部件可被定大小并被構(gòu)建為承受等同于當(dāng)兩個(gè)風(fēng)扇葉片圍繞翼型件內(nèi)部流動(dòng)路徑釋放時(shí)出現(xiàn)的失衡的轉(zhuǎn)子失衡。兩風(fēng)扇葉片失衡標(biāo)準(zhǔn)的降低將會(huì)導(dǎo)致支承結(jié)構(gòu)、支座和軸承的重量減輕。重量減小可通過允許在發(fā)動(dòng)機(jī)的其它區(qū)域中附加重量而允許飛行器承載用于更長(zhǎng)的路程或增加的魯棒性的更多的燃料。通過控制或最小化復(fù)合材料翼型件材料損失，減小這種失衡標(biāo)準(zhǔn)以及由此導(dǎo)致的益處可以是可能的。

根據(jù)本發(fā)明的復(fù)合材料翼型件允許這些益處并且在下文對(duì)該復(fù)合材料翼型件進(jìn)行了詳細(xì)的說明。在圖示的簡(jiǎn)要說明、本自然段及下文中使用的術(shù)語“翼型件”被理解為包括、但不限于、風(fēng)扇葉片和輪葉并且術(shù)語“復(fù)合材料”被理解為包括、但不限于、增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料，包括熱固性或熱塑性的基體和增強(qiáng)材料，增強(qiáng)材料包括、但不限于、具有任何長(zhǎng)度、大小或取向的玻璃、石墨、芳綸或有機(jī)纖維或這些增強(qiáng)材料的組合，并且進(jìn)一步被理解為包括、但不限于、通過注射成型、樹脂轉(zhuǎn)移成型、預(yù)浸帶疊層(手工或自動(dòng))、拉擠成型、或用于制造增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的任何其它合適的方法或這些制造方法的組合而制造。附加地，“復(fù)合材料”被理解為包括、但不限于、增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料與金屬結(jié)合的混雜復(fù)合材料或不只一種增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的組合或不只一種金屬的組合。

復(fù)合材料翼型件可包括用于控制翼型件材料損失的方法。示例性翼型件材料損失控制結(jié)構(gòu)可包括、但不限于、一個(gè)或多個(gè)熔合區(qū)，其在受到外來物的沖擊期間控制翼型件的可能因先于與熔合區(qū)相鄰的翼型件區(qū)域失效而被損失或被釋放的部分。非限制性示例性熔合區(qū)可按弦向方向、或沿翼型件的弦長(zhǎng)、或沿翼型件的弦長(zhǎng)的任何部分延伸，或者可沿翼型件的徑向長(zhǎng)度、或翼展或翼型件的徑向長(zhǎng)度、或翼展的任意部分分布。從根部向徑向遠(yuǎn)端測(cè)量的熔合區(qū)的非限制性的、示例性的徑向位置可包括、但不限于、從翼展的約50％處至翼展的約90％處，另一非限制性的、示例性的徑向位置可包括從翼展的約65％處至翼展的約80％處，又一非限制性的、示例性的徑向位置可包括從翼展的約70％處至翼展的約75％處。附加地，一些非限制性的實(shí)施例可具有徑向上位于熔合區(qū)上方或下方的過渡區(qū)。熔合區(qū)和過渡區(qū)的非限制性的、示例性的徑向大小的范圍從翼展的約70％到翼展的約75％，熔合區(qū)和過渡區(qū)的其它非限制性的、示例性的徑向大小的范圍從翼展的約60％到翼展的約80％。

一些復(fù)合材料翼型件可通過徑向?qū)悠拖蚁驅(qū)悠瑯?gòu)建。徑向?qū)悠?chordwiseplies)可被集中在翼型件的部段中心或質(zhì)心以承載在操作轉(zhuǎn)子速度下施加在翼型件上的離心載荷。同樣，弦向?qū)悠?radialplies)可被集中在翼型件的部段的外部上并且可適于沖擊韌性、固有頻率以及尖端摩擦魯棒性。復(fù)合材料翼型件部段的強(qiáng)度的一種已知量度是塊體強(qiáng)度，其說明穿過復(fù)合材料厚度的層片取向(例如徑向取向或弦向取向)的變化。熔合區(qū)的非限制性實(shí)施例可使該塊體強(qiáng)度降低約5％至約10％，熔合區(qū)的另一非限制性實(shí)施例可使該塊體強(qiáng)度降低約2％至約15％。對(duì)于給定的復(fù)合材料翼型件部段，塊體強(qiáng)度的這種降低可通過在熔合區(qū)將徑向?qū)悠鎿Q為弦向?qū)悠鴮?shí)現(xiàn)。

平衡包含離心載荷、沖擊韌性、固有頻率和尖端摩擦魯棒性的上述因素可能還需要從常規(guī)層片取向到熔合區(qū)的示例性實(shí)施例的取向的逐漸改變。過渡區(qū)可提供這種逐漸改變，并且對(duì)于給定的復(fù)合材料翼型件部段而言，這種塊體強(qiáng)度的降低可通過在過渡區(qū)將徑向?qū)悠鎿Q為弦向?qū)悠俅螌?shí)現(xiàn)。過渡區(qū)的非限制性實(shí)施例可使該塊體強(qiáng)度降低約5％至約10％，過渡區(qū)的另一非限制性實(shí)施例可使該塊體強(qiáng)度降低約2％至約15％。

示例性復(fù)合材料翼型件元件的任意組合可適合用于控制翼型件材料損失，其中，示例性復(fù)合材料翼型件元件的任意組合包括、但不限于、熔合區(qū)、過渡區(qū)以及常規(guī)層片取向區(qū)域，包括任意示例性元件的位置、材料、制備、形狀、大小、部段的性質(zhì)和長(zhǎng)度性質(zhì)的所有變型。

首先參照?qǐng)D1，其示出了涵道風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的示意性側(cè)視截面圖，涵道風(fēng)扇燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10包括沿發(fā)動(dòng)機(jī)軸線32定位的風(fēng)扇模塊12和核心發(fā)動(dòng)機(jī)14。風(fēng)扇模塊12包括風(fēng)扇殼體16，風(fēng)扇殼體16包圍從轉(zhuǎn)子20向徑向遠(yuǎn)端延伸并聯(lián)接至轉(zhuǎn)子20的風(fēng)扇翼型件18的陣列。核心發(fā)動(dòng)機(jī)14包括高壓壓縮機(jī)22、燃燒器24、高壓渦輪機(jī)26。低壓渦輪機(jī)28驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇葉片18?？蛇x地，減速裝置34可聯(lián)接于低壓渦輪機(jī)28與轉(zhuǎn)子20之間以使風(fēng)扇轉(zhuǎn)子20的轉(zhuǎn)速減小至低于低壓渦輪機(jī)28的轉(zhuǎn)速?？蛇x的減速裝置34可以是星型構(gòu)型或行星構(gòu)型的行星齒輪箱、復(fù)合齒輪箱或用以在低壓渦輪機(jī)28與轉(zhuǎn)子20之間實(shí)現(xiàn)減速的其它齒輪傳動(dòng)布置。

運(yùn)行時(shí)，空氣穿過發(fā)動(dòng)機(jī)10的空氣入口30進(jìn)入并移動(dòng)穿過至少一個(gè)壓縮級(jí)，在該壓縮級(jí)中，空氣壓力可被增加并被引向燃燒器24。壓縮的空氣與燃料混合并燃燒進(jìn)而提供熱燃燒氣體，熱燃燒氣體離開燃燒器24流向高壓渦輪機(jī)26和低壓渦輪機(jī)28。在高壓渦輪機(jī)26和低壓渦輪機(jī)28處，能量從熱燃燒氣體中被提取進(jìn)而引起渦輪機(jī)翼型件的旋轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)翼型件的旋轉(zhuǎn)又分別引起高壓壓縮機(jī)22和風(fēng)扇翼型件18的軸繞發(fā)動(dòng)機(jī)軸線32的旋轉(zhuǎn)。關(guān)于本文所述的實(shí)施例，風(fēng)扇葉片18代表復(fù)合材料翼型件100在風(fēng)扇模塊12和涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)10內(nèi)的位置。

現(xiàn)參照?qǐng)D2、圖3、圖4和圖5，其描述了風(fēng)扇模塊12內(nèi)側(cè)的事件的時(shí)間分段圖，風(fēng)扇模塊12可在常規(guī)風(fēng)扇翼型件18可能受到外來物的沖擊之后展開，外來物的沖擊可能引起風(fēng)扇葉片18的釋放。涵道風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)10的這個(gè)主視圖使用風(fēng)扇葉片18和風(fēng)扇殼體16組成的級(jí)。再次參照?qǐng)D2、圖3、圖4和圖5，每一者均示出了二十個(gè)風(fēng)扇葉片18和風(fēng)扇殼體16并且均代表發(fā)動(dòng)機(jī)10在葉片18的一部分釋放期間的時(shí)間序列。圖2至圖5中每一幅圖中的葉片18中的一個(gè)葉片18以字母r標(biāo)識(shí)，將其指定為釋放葉片，而另一個(gè)葉片18以字母t標(biāo)識(shí)，將其指定為后部葉片。在圖2中，所有風(fēng)扇葉片18都處于原始狀態(tài)，因?yàn)樗鼈儧]有收到外來物的沖擊。在圖3中，釋放葉片受到外來物的沖擊并且被分離成兩件。移至圖4，釋放葉片的自由部分將要沖擊后部葉片。最終，在圖5中，后部葉片因釋放葉片的自由部分的沖擊而被分離成兩件，其中，為了清楚，釋放葉片的自由部分被移去。如上所述，由于發(fā)動(dòng)機(jī)10中的風(fēng)扇葉片18的較高轉(zhuǎn)速，釋放葉片的自由部分的大小的任何減小也使轉(zhuǎn)子20將會(huì)經(jīng)歷的失衡以及最終轉(zhuǎn)子支承結(jié)構(gòu)(支柱、殼體、軸承)將會(huì)承載的失衡減小。同樣如上所示，釋放的部分的大小可通過引入翼型件材料損失控制結(jié)構(gòu)而控制，非限制性示例是具有減小的塊體強(qiáng)度的熔合區(qū)。這種減小的塊體強(qiáng)度可通過修改占主導(dǎo)地位的層片疊層取向而實(shí)現(xiàn)。

圖6描繪了常規(guī)疊層取向40的示例，其具有十個(gè)層片，編號(hào)為41c、42c、43r、44c、45r、46r、47c、48r、49c和50c。圖3中的坐標(biāo)軸以每個(gè)層片的指示占主導(dǎo)地位的增強(qiáng)取向的字母字符描述疊層的局部徑向方向和弦向方向，例如，45r是徑向?qū)悠?0c是弦向?qū)悠?。這種常規(guī)疊層取向40具有集中在部段中心的徑向?qū)悠?5r和46r，在部段中心的附近具有附加的徑向?qū)悠?3r和48r。參見圖7，非限制性的、示例性的疊層取向60也具有十個(gè)層片，但現(xiàn)被描述為61c、62c、63c、64c、65r、66r、67c、68c、69c和70c。為了降低部段的塊體強(qiáng)度，常規(guī)疊層40的兩個(gè)徑向?qū)悠?3r和48r，被替換為兩個(gè)弦向?qū)悠?3c和48c。這種替換使復(fù)合材料在徑向方向上減弱，因?yàn)閺?fù)合材料的減小的體積具有沿徑向方向取向的增強(qiáng)。

現(xiàn)考慮圖8，復(fù)合材料翼型件的示例性實(shí)施例的立體圖，其具有根部70、尖端72、前緣74以及后緣76，其中，復(fù)合材料葉片100的翼展78從根部70至尖端72徑向地分布，并且軸向弦80從前緣74到后緣76向后分布。在這個(gè)示例性非限制性實(shí)施例中，復(fù)合材料葉片100具有一個(gè)熔合區(qū)102和兩個(gè)可選的過渡區(qū)104和106。這個(gè)示例性的、非限制性熔合區(qū)102可在翼展的70％左右處定位并且可由兩個(gè)過渡區(qū)104和106徑向地圍住。熔合區(qū)102的徑向大小和可選的過渡區(qū)102和104的每一者的徑向大小可以為翼展長(zhǎng)度的約5％。

復(fù)合材料翼型件100的前述非限制性的示例性實(shí)施例可在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中被利用，包括、但不限于、涵道風(fēng)扇、開放式轉(zhuǎn)子和渦輪螺旋槳式燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)，以及分布式或遠(yuǎn)程的推進(jìn)器、風(fēng)扇模塊和風(fēng)扇系統(tǒng)。

可在旋轉(zhuǎn)機(jī)械中被利用的示例性的、非限制性的復(fù)合材料翼型件100的數(shù)量的范圍可從8個(gè)翼型件到約24個(gè)翼型件，其它示例性非限制性復(fù)合材料翼型件100的數(shù)量的范圍可從約14個(gè)翼型件到約20個(gè)翼型件，并且附加的示例性的、非限制性的翼型件100的數(shù)量的范圍可從約16個(gè)翼型件到約18個(gè)翼型件。復(fù)合材料翼型件100的這些非限制性的、示例性實(shí)施例的翼展78的長(zhǎng)度的范圍可從約20英寸到約90英寸，其它示例性的、非限制性的翼展78的長(zhǎng)度的范圍可從約40英寸到約70英寸，并且附加的示例性的、非限制性的翼展78的長(zhǎng)度的范圍可從約50英寸到約70英寸。復(fù)合材料翼型件100的這些非限制性的、示例性實(shí)施例的弦80的長(zhǎng)度的范圍可從約5英寸到約40英寸，其它示例性的、非限制性的弦80的長(zhǎng)度的范圍可從約10英寸到約30英寸，并且附加的示例性的、非限制性的弦80的長(zhǎng)度的范圍可從約12英寸到約24英寸。

本書面說明使用示例來公開本發(fā)明，包括其最優(yōu)選的實(shí)施例，也使用示例來使本領(lǐng)域任何技術(shù)人員都能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作并使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何所包含的方法。本發(fā)明的可授予專利權(quán)的范圍由權(quán)利要求限定，并且可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的其它示例。如果這些其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言并無不同的結(jié)構(gòu)元件，或如果它們包括與權(quán)利要求的字面語言具有非實(shí)質(zhì)性差異的等效結(jié)構(gòu)元件，那么這些其它示例意在落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)。所述的不同實(shí)施例的各方面、以及每個(gè)方面的其它已知的等效方面可由本領(lǐng)域技術(shù)人員進(jìn)行混合和搭配以構(gòu)造根據(jù)本申請(qǐng)的原理的附加的實(shí)施例和教示。