本发明一般涉及弹射体防护罩,更准确地说是涉及种可用于,例如,燃气涡轮发动机上叶片包壳结构的弹射体防护罩,这种防护罩能吸收冲击能量和遏制造成旋转部件损伤的掷出弹射体。 燃气涡轮发动机包括旋转叶片,这种叶片如果断裂就成为从发动机上沿径向向外掷出的弹射体。叶片包壳结构可用作防护罩以遏制这种弹射体,从而减少对发动机以及对支承发动机的飞机的损伤。
常规的叶片包壳结构包括,例如,金属、浸渍树脂的玻璃纤维、碳纤维、防弹尼龙、玻璃纤维带、或者象凯夫拉尔(kevlar)那样的芳族聚酰胺纤维,或者为增加包壳结构吸收冲击能量的能力而设置在夹层中的其它防弹股线。
编织的防弹股线,特别是没有用树脂骨架的那种股线,具有一种熟知的缺点,即当股线受到弹射体撞击时,个别的股线会被推开,从而使弹射体更容易穿入编织的防弹织物中去。因此这种织物通常都具有许多层,以保证具有预定冲击能量的弹射体不致穿透防弹织物的所有叠层。
因此,本发明的一个目的就是提供一种新地改进的弹射体防护罩。
本发明的另一个目的是提供一种包括一个新的改进的防弹织物的弹射体防护罩,这种防弹织物具有更强的防止防弹股线在受到弹射体撞击时被分开的抵抗力。
本发明的又一个目的是为燃气涡轮发动机提供一种叶片包壳结构,这种结构包括一种新的改进的弹射体防护罩。
本发明再一个目的是为燃气涡轮发动机提供一种叶片包壳结构,这种结构的弹射体防护罩包括一种具有很高的吸收冲击能量能力的防弹织物。
根据本发明一个较佳实施例的弹射体防护罩,该防护罩包括一块防弹织物,这种织物具有多根交叉编织的防弹股线和在织物受到弹射体撞击时使相邻股线产生剪切动作而使相邻股线相互靠近的装置。在一个示范性的实施例中,这种弹射体防护罩被用于燃气涡轮发动机的叶片包壳结构,而防弹织物由辫形编织的防弹股线组成。
本发明的被认为是新颖的特征都列入权利要求书中并加以区分。下面将根据一个较佳的举例性质实施例,结合附图对本发明连同其进一步的目的和优点作详细的说明。其中:
图1是具有一个叶片包壳结构的燃气涡轮发动机的部分截去的立体图,该叶片包壳结构包括有一个根据本发明的一个实施例的弹射体防护罩。
图2是沿着图1中2-2截面截取的断面图,示出一个被一种类型叶片包壳结构所包绕的风扇组件,这种叶片包壳结构包括一个根据本发明的弹射体防护罩。
图3是图2所示的叶片包壳结构的放大断面图。
图4是沿着图3的4-4截面截取的断面示意图,示出本发明一个实施例的弹射体防护罩的多层防弹织物。
图5是一种现有技术编织防弹织物一部分。
图6是图5所示的现有技术编织防弹织物的放大图,示出当受到一个弹射体作用力F撞击时纤维散开的情况。
图7是沿着图3中7-7截面截取的根据本发明一个实施例的辫形编织防弹织物的平面图。
图8是图7所示的一部分辫形编织防弹织物的分解放大图以显示其中的细节。
图9是一个简单的三股线辫形编织的分解图。
图10是图7和8所示辫形编织防弹织物的示意图,示出几根斜对交叉的股线。
图11是图7和8所示辫形编织防弹织物的示意图,示出施加轴向拉伸力后的情况。
图12是图7和8所示辫形编织防弹织物的示意图,示出施加以周边切向拉伸力后的情况。
图1所示的是一种非常规的燃气涡轮发动机10,它包括一个具有根据本发明较佳和举例性质实施例的弹射体防护罩14的叶片包壳结构12。
参看图1和2,发动机10包括一个绕着一根纵向的轴向中心轴线18旋转的常规叶片组件16。叶片组件16包括一个转子轮盘20,轮盘上具有多个以常规方式固定在其上的径向向外延伸的叶片22。发动机10还包括一个用常规方式连接在一个环形内罩26上的常规吊舱24。内罩26以常规方式通过多个在周边间隔设置的吊架28和通过一个常规的肋推器风扇组件30来支承风扇组件16。一个常规的核心发动机32以常规的方式连接至风扇组件16以使风扇叶片22旋转而加速进气以便从发动机获得推力。一条常规的径向轴线34从轴向轴线18垂直地向外延伸,和一个周边方向36绕着一个圆延伸,该圆位于垂直于轴向轴线18的平面上。
根据本发明的一个实施例,叶片包壳结构12绕在轮盘20和叶片22的外面并包括有围绕风扇叶片22的环形内罩26。结构12还包括一个提供结构刚度和支承内罩26的常规的蜂窝状构件38和一个包围蜂窝状构件38的外壳39。外壳39防止蜂窝状构件38和防护罩14之间直接接触以减少在出现弹射体事故时蜂窝状构件38割坏防护罩14的可能性。内罩26可以用金属制成,例如用铝或钢;蜂窝状材料38可以是金属,例如铝;而外壳39可以是金属的或者是一种常规的石墨环氧树脂结构。蜂窝状构件38以常规的方式,例如用普通的粘结剂粘牢在内罩26和外壳39上。
如图3和4所示,弹射体防护罩14包括一块防弹织物40,防弹织物包括有多层一般沿周边方向36紧紧地裹绕在外壳39和蜂窝状构件38上的叠层42。防弹织物40最好是连续的,并螺旋形地缠绕在内罩26和蜂窝状构件38上以形成多层叠层42。
为了能更充分地理解本发明的重要性,图5示出了以常规方式编织的现有技术防弹织物44的一部分。以常规方式编织的织物44由多根经股线46与多根纬股线48垂直交叉编织而成。图5还示出了编织的防弹织物44用在象发动机10那样的燃气涡轮发动机上典型的定向,其中经股线46一般被安排成与周边方向36相平行,而纬股线48一般被安排成与轴向轴线18相平行。
图6所示的图5中编织防弹织物44的典型表示图,该图作了放大以图示一个弹射体作用力F施加在经股线46和纬股线48上的情形。图6的中央显示股线46和48在受到弹射体作用力后分开或散开的情形。因此,在燃气涡轮发动机中一般应用许多层这种常规的编织防弹织物44以保证配置足够的叠层来吸收与弹射体(弹射体是由,例如断裂开的叶片形成的)有关的冲击能量和遏制这种弹射体。一般来说,在弹射体事故中,有许多层编织防弹织物44受到穿透它们同时其能量在不断损耗的弹射体的破坏,直到能量全部耗尽,弹射体已无力再穿过剩下的各叠层时为止。
据发现,本发明的防弹织物40能够提供更好的遏制能力,这种织物与用同样材料制的常规编织织物44以均等的条件相比,则防弹织物40用以遏制同样能量的同样弹射体所需要的材料重量要小得多。本发明的防弹织物40具有抑制其股线在弹射体撞击时散开或被推开的能力,因而优于常规编织织物44。
更具体地说,根据本发明一个实施例的防弹织物40最好由多根辫形编织的防弹股线50织成,如图7所示,这些股线是相互斜向编织而成的。
但是,图9所示的是股线52的一种常规辫绳的最简单形式,其中三根股线52A,52B和52C编成辫带。可以注意到其中的一根股线是交叉在另一根股线上面,然后穿过剩下那根股线的下面再转过弯来,然后再依样重复这样的编法。例如,股线52A在股线52B的上面穿过(交叠),然后在股线52C的下面穿过(交叠),接着形成一个弯折54以便交织在股线52B的上面,然后再交织在股线52C的下面。这种交织模式由股线52B和52C各自接着进行。
图7中所示的辫形编织物40比图9所示的简单辫形要复杂,但它是按常规的方式编织的。再参看图8,可以注意到,辫形编织的股线50是以交叠的模式交织的,其中每一根辫形编织的股线50,例如股线50A,是在一个方向上依次旋转在两根相邻的股线50B与50C的下面和两根相邻的股线50D和50E的上面。所谓“交叠”一词在这里只是意味着一根股线穿过相邻的一根股线的上面或者下面。举例的股线50A在织物40的第一边沿58处形成一个弯折56,在此处,股线50A转换方向进入织物之中而依次交织在两根相邻股线50F和50G之上,和交织在两根相邻股线50H和50I之下。所有由股线50形成的弯折56集合在一起形成排列成一直线的第一边沿58。如图7所示,股线50在第一边沿58相对的一边同样形成一条第二边沿60。
在图3所示的优选实施例中,第一和第二边沿58和60用常规的粘接剂以局部粘接方式固定连接在内罩26上。更加具体地说,边沿58和60用一种常规的环氧树脂粘合剂弄湿或浸透不长的一段轴向距离(例如大约一英寸),从而在装配时绕在外壳39上并等到固化后,它们分别各自集合地形成较刚硬的边沿58和60。在此优选实施例中的边沿58和60处可以各配置一个适合固定在内罩26上的Z形环状撑架61,以便在上述装配过程中使边沿58和和60进一步地连结在内罩上。
织物40最好还包括多根如图7和图8所示的相互平行的交织在织物40之中的防弹股线62。辫形编织的股线50最好与平行股线62成斜向设置,在一个优选的实施例中与其夹角可达大约30°,以适应周边的荷载及获得剪切动作。在其他的实施例中,需要时可以用大于30°的夹角。图8示出了这种关系,其中介于平行股线62和第一斜向股线64之间标示为A的夹角可达并且最好达到约30°。防弹股线50的一根第二斜向股线66斜向交叠在第一股线64之上,它与平行股线62的夹角B可达并且最好达到约30°。
图8中还示出,平行股线62在辫形编织股线50的每第三个交叠处相互隔开。更加具体地说,从第一平行股线62A起第三个交叠处设置的是一根第二平行股线62B,其中,第一个交叠标示为68A,和二个交叠标示为68B以及第三个交叠标示为68C。但是,平行股线62也可以间隔得更近些或者隔开得更远些。例如,在一个可选实施例中,平行股线62是在用于一个优选实施例中的辫形编织股线50的每第六个交叠处互相间隔开的。在这样的实施例中,一根如图8中所示的第三根平行股线62C被安置在第6交叠68D处,而第二股线62B则省去不用了。当然,从第一边沿58至第二边沿60之间有多根相互间隔开的股线62。
辫形编织织物40最好由一条编织的平行防弹股线50和62的狭长条带组成,条带具有一条沿着织物(即条带)40的长度延伸的相应纵向轴线70。条带40还有一垂直于纵向轴线70及第一和第二边沿58和60并在其间延伸的宽度W(如图7所示)。平行股线62最好设置成平行于纵向轴线70,而同样地,第一和第二边沿58和60也配置成平行于纵向轴线70。如上面所描述和由图7和8示出的将防弹股线50辫形编织成防弹织物40的方式是一般都熟悉的并被称之为三轴线辫形编织。
条带40在燃气涡轮发动机10的叶片包壳结构12内有一较好的定向。更为具体地说,包括条带40在内的弹射体防护罩14是这样布置的,即平行的防弹股线62被设置成包绕在内罩26和蜂窝状构件38的周边上,如图1,3,4,7和8所示,并平行于周边方向36。参看图7和8,可以注意到,当条带40装置到叶片包壳结构12上时,其纵向轴线70最好平行于周边方向36定向。因此,辫形编织股线50就相对于周边方向36斜向设置。例如,辫形编织股线64和66是以约30°以内或最好是大约30°的角度配置在周边方向36相对两侧的,该角度也可以定义为相对于方向36的正的或负的度数。
在此结构中,平行股线62配置在周边方向36上,也就是与环形叶片包壳结构12有关的圆周应力方向。在此定向上,平行股线62能最有效地抵抗象径向向外掷出的叶片22的碎片那样的弹射体撞击时在条带40内引起的周边切向反作用力。图4也示出了由力F表示的这样一个碎片弹射体的撞击弹道的例子。平行股线62最好是连续的以便更好地适应平行股线62内的反作用圆周应力。在这样的实施例中,股线62能吸收冲击能量和还能限制径向向外的变形。
如图4中所示,织物40包括有一个第一端72和一个相对的第二端74,第一和第二端都是以一种较佳的方法固定地连接的。更加具体地说,第一端72也是用一种常规的环氧树脂粘接剂弄湿或浸透约一英寸长的一段不长的圆周距离。以便在开始装配时将第一端72接牢在外壳39上。然后将条带40在外壳39上绕上或包上需要的叠层42层数,各层相互贴紧(图中仅显示数层)。第二端74也同样浸透环氧树脂粘接剂,以牢固地固定在前一层42上。一个金属或石墨环氧树脂那样的普通外罩(未显示)可以环绕在条带40上以保护它不受渗漏流体的污染。但是最好是,第二端74就作为作为条带40最外一层或匝。用常规的环氧树脂粘合剂或树脂浸透,固化后就形成外罩或密封层连结在前一层42上。
图10所示的是一部分条带40的示意图,图示出对角斜置的辫形编织股线64和66。图11是条带40的示意图,其中虚线所示为其未变形前的状态,而实线所示为由于在轴向平面18内的反作用拉力Fr造成的变形状态,以40A所示,该反作用拉力Fr是由于一般斜向地撞击织物40的弹射体产生的(这种撞击方向,例如,如图6中所示)。可以注意到,条带40在轴向18上伸长而成周向36上收缩,这种现象可以认为是剪切动作。换句话说,相邻的辫形编织股线64和66在条带40受到弹射体撞击时产生了剪切作用,而相邻的股线64和66相互靠近或趋向于靠近,从而减小了其间的间隔,并且阻止或抑制股线64和66散开或被推开的趋势。
同样地,图12图示出了弹射体的作用并示出在圆周方向36上的反作用拉力Fr以及以40B标示的条带在圆周方向36上的伸长和在轴向18上的收缩。相邻的辫形编织织物股线64和66也同样产生剪切作用并相互靠近或趋向于靠近,从而减小了其间的间隔并同样抑制了股线64和66。当然,在实际的弹射体撞击中,条带40表现出图11和12所示剪切作用的合成。测验的和视觉的以及摄影的观察都显示出在由弹射体撞击下的这种剪切作用使得辫形编织股线64中的相邻股线和辫形编织股线66中的相邻股线相互更加靠近,而不是更加分开。因此,织物40被认为具有当织物40受弹射体撞击时能使相邻股线产生剪切作用的效能,因此使相邻的辫形编织股线相互靠近。例如,剪切作用使辫形编织股线64中相邻股线相互靠近和辫形织股线66中的相邻股线相互靠近。当然,在实际的弹射体撞击部位,相互作用的机理是很复杂的,而弹射体某些情况下会钻入条带40内好些层。然而,在撞击部位毗邻区域的防弹股线50如上面所述那样表面出具有起到弹射体防护罩作用的改善的冲击能量吸收能力。
组成辫形编织织物40的股线50和62可以用能够容受高数值拉力和吸收弹射体撞击能量的任何一种常规的防弹材料制成。这种股线一般是轻质、高强度的合成纤维,例如碳纤维和玻璃纤维以及上面所提到过的那些材料。在此优选的实施例中,股线由一种象凯夫拉尔(Kevlar)49那样的芳族聚酰胺纤维组成,这是一种由E.I.DuPont制造的商业上所熟知的合成纤维。
曾对由凯夫拉尔49组成的常规编织的防弹织物和也是由凯夫拉尔49组成的辫形编织的防弹织物40作过测试。对某一特殊的设计应用,使用了一种常规的平织防弹织物,例如图5中所示的那种,并将其与图7和8中所示的辫形编织防弹织物40作比较。平板和半匣测试的外推法显示,一个宽度为22英寸具有67层和155磅重的由凯夫拉尔49织成的平织织物44,其遏制性能相当于宽度为22英寸只有10层和119磅重的由凯夫拉尔49织成的辫形编织织物40。这表示,同样的防弹保护能力下,重量减轻了23%。
辫形编织股线50和平行股线62可以具有任何合适的和常规布置的构形。例如,在优选实施例中的股线50和62具有常规纤维束的形状,每一个纤维束包括许多根未捻的单独细丝。股线50和62可以具有任何形式,例如捻过或未捻的单独细丝束,以备特殊的用途。
此外,辫形编织的织物40是密实地辫形编织的,因此各股线50之间都是互相接触的,最好是尽可能地密实,而各个单层42之间也是尽可能密实地互相接触。然而,并不需要用树脂填质来形成一个一般为整体的织物40,因为这样剪切作用就可能受到约束,尽管在本发明另一些可选形式中需要用常规的树脂填质来形成一个完整整体织物40。由于没有用树脂填质,各单独股线之间能相对自由地相对滑动和移动以提供更大的剪切作用。在这方面,可以注意到,第一和第二边沿58和60只是局部地用环氧树脂粘合剂浸渍,因而在边沿58和60之间的股线50还是能自由滑动和允许剪切作用发生。同样地,第一和第二端72和74也是局部地用环氧树脂粘合剂浸渍,因而其间的叠层42和股线也还是能自由滑动和允许发生剪切作用。在一次弹射体事件中,第一和第二边沿58和60,以及还可能有第一和第二端72和74可能会由于撞击力F而脱离,但是织物40仍然能有效地抵抗弹射体。
虽然这里描述的被认为是本发明的优选实施例,但本发明的其它变更形式对于了解此处所述内容的熟悉本专业技术的人来说是显而易见的。因此,所有这种在本发明真实精神和范围之内的变形式都包括在权利要求中。
例如,为了获得较佳的剪切作用,可以使用带有或不带有平行股线62的其它形式的辫形编织的织物40。对角斜置的股线64和66的夹角A和B也可以根据特殊的设计应用从原来较为理想的30°或者增大或者减小。具有不同尺寸和织物层数的其它燃气涡轮发动机的应用情况也是这样的,预期同样具有使用辫形编织织物优于平织织物的的性能。其它典型的防弹股线包括有由E.I.DuPont制造的凯夫拉尔29和由Allicd Signal制造的一种热塑塑料SPECTRA 1000。由于非金属防弹股线使用温度较低,例如小于400°辫形编织的防弹金属股线也可用于较高的温度容量。这种金属股线可以包括钢、钛或镍合金。
在对本发明的优选实施例加以叙述后,本发明认为是新颖的和要求专利予以保护的都在权利要求书中予以限定和区分。