背景技術(shù)：

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，特別是燃?xì)饣蛉紵郎u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是旋轉(zhuǎn)式發(fā)動(dòng)機(jī)，其從通過具有多個(gè)葉片的風(fēng)扇的燃燒氣流中獲取能量，然后通過一系列壓縮機(jī)級(jí)(包括成對的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)，通過燃燒器，然后通過一系列渦輪機(jī)級(jí)(包括成對的旋轉(zhuǎn)葉片和靜止葉片)。在壓縮機(jī)級(jí)中，葉片由從轉(zhuǎn)子伸出的支柱支撐，而葉片安裝到定子盤。

風(fēng)扇包括風(fēng)扇殼體，其受到隨進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的氣流一起運(yùn)動(dòng)的碎片沖擊。風(fēng)扇殼體可包括沖擊板，其包含吸聲材料，以消除聲音損傷。沖擊板還可以包括面板，以保護(hù)不是結(jié)構(gòu)元件，且容易損壞的吸聲材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括具有風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)軸的飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)，包含聯(lián)接到所述驅(qū)動(dòng)軸的導(dǎo)流罩的風(fēng)扇，以及由所述導(dǎo)流罩徑向延伸的周向布置葉片的葉片陣列，環(huán)形風(fēng)扇殼體構(gòu)造為圍繞所述風(fēng)扇，環(huán)形沖擊板安裝到所述風(fēng)扇殼體，并圍繞所述葉片陣列。所述環(huán)形沖擊板包括形成多個(gè)單元的開放框架，以及包括具有納米結(jié)構(gòu)的聚合物基質(zhì)復(fù)合材料的面板。所述納米結(jié)構(gòu)包括碳納米管。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括至少一層纖維。所述至少一層纖維浸漬了所述納米結(jié)構(gòu)分散于其中的樹脂。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括多層浸漬纖維。所述纖維為碳纖維。所述納米結(jié)構(gòu)生長到所述至少一層纖維上。

另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及一種飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)，其包括具有通過所述發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)路徑的飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)，以及固定的沖擊板，其限定所述流動(dòng)路徑的至少一部分，并包括具有納米結(jié)構(gòu)的聚合物基質(zhì)復(fù)合材料。所述納米結(jié)構(gòu)包括碳納米管。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括至少一層纖維。所述至少一層纖維浸漬了所述納米結(jié)構(gòu)分散于其中的樹脂。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括多層浸漬纖維。所述纖維為碳纖維。所述納米結(jié)構(gòu)生長到所述至少一層纖維上。所述面板在受到最大尺寸高達(dá)1.0英寸的冰塊以750英尺/秒的速度沖擊時(shí)，未顯示纖維受損。

另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例涉及風(fēng)扇殼體的面板，其包括支撐層，所述支撐層包括：一組分隔空腔，所述一組分隔空腔具有開放面；以及面板，所述面板包括具有納米結(jié)構(gòu)的聚合物基質(zhì)復(fù)合材料。所述納米結(jié)構(gòu)包括碳納米管。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括至少一層纖維。所述至少一層纖維浸漬了所述納米結(jié)構(gòu)分散于其中的樹脂。所述聚合物基質(zhì)復(fù)合材料包括多層浸漬纖維。所述纖維為碳纖維。所述納米結(jié)構(gòu)生長到所述至少一層纖維上。所述面板在受到最大尺寸高達(dá)1.0英寸的冰塊以750英尺/秒的速度沖擊時(shí)，未顯示纖維受損。

附圖說明

在附圖中：

圖1是飛行器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的橫截面原理圖。

圖2是圖1的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)扇部分的放大圖。

圖3是面板的剖視圖。

圖4是面板的透視圖，同時(shí)特別展示了納米結(jié)構(gòu)。

圖5a是面板原型的前后原理圖。

圖5b是面板另一原型的前后原理圖。

圖5c是面板第三原型的前后原理圖。

圖6是面板的前后原理圖。

具體實(shí)施方式

所描述的實(shí)施例涉及沖擊板，尤其涉及風(fēng)扇殼體的面板。為進(jìn)行說明，將針對飛行器燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)描述本發(fā)明。但是應(yīng)理解，本發(fā)明不限于此，而是可以在非飛行器設(shè)備(例如，其他移動(dòng)設(shè)備和非移動(dòng)工業(yè)、商業(yè)和住宅設(shè)備)中具有普遍適用性。

圖1是飛行器的燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)10的橫截面原理圖。發(fā)動(dòng)機(jī)10具有基木縱向延伸的軸線或中線12，其從前部14延伸到后部16。發(fā)動(dòng)機(jī)10包括(以連續(xù)順流關(guān)系)：風(fēng)扇部分18，其包括風(fēng)扇20；壓縮機(jī)部分22，其包括增壓器或低壓(lp)壓縮機(jī)24和高壓(hp)壓縮機(jī)26；燃燒部分28，其包括燃燒室30；渦輪機(jī)部分32，其包括hp渦輪機(jī)34和lp渦輪機(jī)36；以及排氣部分38。

風(fēng)扇部18包括圍繞風(fēng)扇20的風(fēng)扇殼體40。風(fēng)扇20包括聯(lián)接到驅(qū)動(dòng)軸43的導(dǎo)流罩41，以及由導(dǎo)流罩41徑向延伸的周向布置葉片42的葉片陣列。hp壓縮機(jī)26、燃燒器30和hp渦輪機(jī)34形成發(fā)動(dòng)機(jī)10的芯44，其產(chǎn)生燃燒氣體。芯44由芯殼體46包圍，其可以與風(fēng)扇殼體40聯(lián)接。

圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10的中線12同軸設(shè)置的hp軸或卷軸48以驅(qū)動(dòng)方式將hp渦輪機(jī)34連接到hp壓縮機(jī)26。在較大直徑的環(huán)形hp卷軸48內(nèi)圍繞發(fā)動(dòng)機(jī)10的中線12同軸設(shè)置的lp軸或卷軸50以驅(qū)動(dòng)方式將lp渦輪機(jī)36連接到lp壓縮機(jī)24和風(fēng)扇20。安裝到卷軸48、50中的一個(gè)或兩個(gè)，并與其一起旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)10的部分也可單獨(dú)或共同稱為轉(zhuǎn)子53、53。

lp壓縮機(jī)24和hp壓縮機(jī)26分別包括多個(gè)壓縮機(jī)級(jí)52、54，其中，一組壓縮機(jī)葉片56、58相對于相應(yīng)的一組靜態(tài)壓縮機(jī)葉片60、62(也稱為噴嘴)旋轉(zhuǎn)，以壓縮或加壓通過該級(jí)的流體流。在單個(gè)壓縮機(jī)級(jí)52、54中，多個(gè)壓縮機(jī)葉片56、58可設(shè)置成環(huán)，并且可以相對于中線12向外徑向延伸(從葉片平臺(tái)向葉片尖端)，而相應(yīng)的靜態(tài)壓縮機(jī)葉片60、62設(shè)置在旋轉(zhuǎn)葉片56、58的上游，并與其相鄰。請注意，圖1所示的葉片(旋轉(zhuǎn))、葉片(靜態(tài))和壓縮機(jī)級(jí)的數(shù)量僅僅是為說明而選擇，也可采用其他數(shù)量。

壓縮機(jī)級(jí)的葉片56、58可安裝到盤59，其安裝到hp和lp卷軸48、50中的對應(yīng)的一個(gè)，每個(gè)級(jí)具有其自身的盤59、61。壓縮機(jī)級(jí)的葉片60、62可以圓周布置安裝到芯殼體46。

hp渦輪機(jī)34和lp渦輪機(jī)36分別包括多個(gè)渦輪機(jī)級(jí)64、66，其中，一組渦輪機(jī)葉片68、70相對于相應(yīng)的一組靜態(tài)渦輪機(jī)葉片72、74(也稱為噴嘴)旋轉(zhuǎn)，以便從通過該級(jí)的流體流獲取能量。在單個(gè)渦輪機(jī)級(jí)64、66中，多個(gè)渦輪機(jī)葉片68、70可設(shè)置成環(huán)，并且可以相對于中線12向外徑向延伸(從葉片平臺(tái)向葉片尖端)，而相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)葉片68、70設(shè)置在靜態(tài)渦輪機(jī)葉片72、74的上游，并與其相鄰。請注意，圖1所示的葉片(旋轉(zhuǎn))、葉片(靜態(tài))和渦輪機(jī)級(jí)的數(shù)量僅僅是為說明而選擇，也可采用其他數(shù)量。

渦輪機(jī)級(jí)的葉片68、70可安裝到盤71，其安裝到hp和lp卷軸48、50中的對應(yīng)的一個(gè)，每個(gè)級(jí)具有其自身的盤71、73。壓縮機(jī)級(jí)的葉片72、74可以圓周布置安裝到芯殼體46。

安裝到卷軸48、50中的一個(gè)或兩個(gè)，并與其一起旋轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)10的部分也可單獨(dú)或共同稱為轉(zhuǎn)子53。發(fā)動(dòng)機(jī)10的靜止部分(包括安裝到芯殼體46的部分)也可單獨(dú)或共同稱為定子63。

hp渦輪機(jī)34和lp渦輪機(jī)36分別包括多個(gè)渦輪機(jī)級(jí)64、66，其中，一組渦輪機(jī)葉片68、70相對于相應(yīng)的一組靜態(tài)渦輪機(jī)葉片72、74(也稱為噴嘴)旋轉(zhuǎn)，以便從通過該級(jí)的流體流獲取能量。在單個(gè)渦輪機(jī)級(jí)64、66中，多個(gè)渦輪機(jī)葉片68、70可設(shè)置成環(huán)，并且可以相對于中線12向外徑向延伸(從葉片平臺(tái)向葉片尖端)，而相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)葉片68、70設(shè)置在靜態(tài)渦輪機(jī)葉片72、74的上游，并與其相鄰。請注意，圖1所示的葉片(旋轉(zhuǎn))、葉片(靜態(tài))和渦輪機(jī)級(jí)的數(shù)量僅僅是為說明而選擇，也可采用其他數(shù)量。

在工作時(shí)，氣流通過入口75，沿流動(dòng)路徑73進(jìn)入，離開風(fēng)扇部分18的氣流被分流，使得一部分氣流導(dǎo)入lp壓縮機(jī)24中，其然后將加壓的環(huán)境空氣76供應(yīng)給hp壓縮機(jī)26，其進(jìn)一步對環(huán)境空氣加壓。來自hp壓縮機(jī)26的加壓空氣76與燃燒器30中的燃料混合并點(diǎn)燃，從而產(chǎn)生燃燒氣體。hp渦輪機(jī)34從這些氣體中獲取一些功，驅(qū)動(dòng)hp壓縮機(jī)26。燃燒氣體排放到lp渦輪機(jī)36中，其獲取其他功，以驅(qū)動(dòng)lp壓縮機(jī)24，廢氣最終經(jīng)由排氣部分38從發(fā)動(dòng)機(jī)10排出。lp渦輪機(jī)36的驅(qū)動(dòng)推動(dòng)lp卷軸50使風(fēng)扇20和lp壓縮機(jī)24旋轉(zhuǎn)。

氣流78的剩余部分繞過lp壓縮機(jī)24和發(fā)動(dòng)機(jī)芯44，并通過靜止的葉片排(更具體地，出口導(dǎo)葉總成80，包括多個(gè)翼型導(dǎo)葉82，位于風(fēng)扇排氣側(cè)84)從發(fā)動(dòng)機(jī)總成10排出。更具體地，在鄰近風(fēng)扇部分18處使用徑向延伸的翼型導(dǎo)葉82的周向排，以對氣流78進(jìn)行一些方向控制。

由風(fēng)扇20供應(yīng)的一些環(huán)境空氣可繞過發(fā)動(dòng)機(jī)芯44，并用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)10的部分，尤其是發(fā)熱部分，和/或用于冷卻或驅(qū)動(dòng)飛行器的其他方面。在渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)熱部分通常在燃燒器30的下游，尤其是渦輪機(jī)部分32，其中hp渦輪機(jī)34是最熱的部分，因?yàn)槠渲苯游挥谌紵糠?8的下游。冷卻流體的其他來源可以是，但不限于從lp壓縮機(jī)24或hp壓縮機(jī)26排出的流體。

參考圖2，其為風(fēng)扇部分18的放大圖，包括風(fēng)扇殼體40，其中結(jié)合了多個(gè)部件，包括環(huán)形沖擊板100，其安裝到風(fēng)扇殼體40。環(huán)形沖擊板可包括：開放框架102，所述開放框架形成多個(gè)單元104；以及面板106，所述面板覆蓋開放框架102，并徑向隔開風(fēng)扇葉片42的外部。

圖3展示了環(huán)形沖擊板100的一部分，其中移除了面板106的一部分，以便觀察開放框架102。多個(gè)單元104形成支撐層，并固定在面板106和底板108之間。開放框架102可以包括具有開放面112的一組分隔空腔110，例如，蜂窩圖案。

單元104可以是單層六邊形幾何結(jié)構(gòu)或多層相同或不同的幾何結(jié)構(gòu)，由多孔層隔開(通常識(shí)別為隔膜)。此外，可以設(shè)想除六邊形之外的替代幾何結(jié)構(gòu)，包括由開孔泡沫或類似材料形成的隨機(jī)大小的單元。

開放框架102設(shè)置為用于吸收，并被認(rèn)為是非結(jié)構(gòu)元件。開放框架的功能是在沖擊板100被碎片撞擊時(shí)影響沖擊，與氣囊相似，其通過增加沖擊時(shí)間來減小沖擊力。

在圖4中進(jìn)一步展示了面板106。面板106包括具有納米結(jié)構(gòu)116的聚合物基質(zhì)復(fù)合材料114，該納米結(jié)構(gòu)包括納米管118，其具有至少一個(gè)納米尺度(直徑d和/或長度l)。聚合物基質(zhì)復(fù)合材料114可包括至少一個(gè)浸漬樹脂124的碳纖維122的層120，例如，zyvex樹脂，其中分散有納米結(jié)構(gòu)116。面板106不限于一層，因?yàn)槎鄬咏n的碳纖維也可組合，以形成聚合物基質(zhì)復(fù)合材料114。納米結(jié)構(gòu)可通過多種方法結(jié)合到聚合物基質(zhì)復(fù)合材料114中，包括在聚合物樹脂124中分散，生長到碳纖維122層上，或結(jié)合到部件鋪疊制造中。

面板106用作開放框架102的蓋子。在本領(lǐng)域中，聚合物基質(zhì)復(fù)合材料以高強(qiáng)度和剛度、重量輕，具有定向強(qiáng)度性質(zhì)且具有碳纖維強(qiáng)化的聚合物復(fù)合材料而聞名與碳納米管結(jié)合的面板106有助于在高沖擊速度情況下的能量耗散。面板106保護(hù)開放框架102免受可能通過入口75進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)10的碎片的任何沖擊。

與其他樹脂浸漬材料相比，沖擊板100與具有浸漬樹脂的納米結(jié)構(gòu)的面板106的組合可最大程度降低損壞。圖5a、b和c展示了在冰沖擊測試之前和之后的其他樹脂浸漬材料的三個(gè)實(shí)例。當(dāng)經(jīng)受最大尺寸為1.3到2.6cm(0.5到1.0英寸)的冰塊以0.22kg/s(0.5lbs/s)的質(zhì)量流速進(jìn)行的沖擊時(shí)，一些樹脂浸漬材料顯示出相當(dāng)大的損壞130。圖5a是與膜粘合劑結(jié)合的環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，圖5b是熱塑性預(yù)浸料，圖5c是高韌化環(huán)氧預(yù)浸料。

當(dāng)面板106具有包括碳納米纖維(例如zyvexarovex)的樹脂浸漬納米結(jié)構(gòu)，且經(jīng)歷相同的測試時(shí)，面板106未表現(xiàn)出圖6所示的纖維損壞。

納米復(fù)合材料可在材料或部件制造期間并入系統(tǒng)中，且具有納米復(fù)合材料增強(qiáng)復(fù)合材料的部件制造利用傳統(tǒng)的復(fù)合材料加工設(shè)備。當(dāng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)流動(dòng)路徑連接件時(shí)，納米復(fù)合材料增強(qiáng)材料對于由沖擊事件(例如，冰雹或鳥類吸入)造成的損壞顯示出優(yōu)異的耐受性。

納米結(jié)構(gòu)用于增強(qiáng)聚合物基質(zhì)復(fù)合材料，以提高韌性和耐久性。與增韌聚合物樹脂的傳統(tǒng)方式相比，納米結(jié)構(gòu)材料在沖擊事件期間顯示出相似的防損性改善。納米結(jié)構(gòu)為樹脂提供了結(jié)構(gòu)強(qiáng)化和減振能力，這使系統(tǒng)的耐久性得到改善。

提高聚合物復(fù)合材料基質(zhì)系統(tǒng)韌性的傳統(tǒng)方法涉及在樹脂制造期間添加相對高負(fù)載的二次聚合物材料(例如，熱塑性塑料或橡膠)，這會(huì)導(dǎo)致材料成本較高，并且要在一些機(jī)械或熱性能之間折衷。所采用的其他方法包括使用在部件制造過程期間加入的二次聚合物材料，這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本和勞動(dòng)密集型制造增加。雖然納米結(jié)構(gòu)材料本身的成本相對較高，但是進(jìn)入聚合物復(fù)合材料基質(zhì)中的典型負(fù)載非常低，這會(huì)造成材料或系統(tǒng)成本的加成效應(yīng)。此外，納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的聚合物體系沒有傳統(tǒng)增韌聚合物復(fù)合材料通常所具有的許多機(jī)械和熱性能折衷。

在沖擊事件期間，納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料基質(zhì)材料的使用提供了同等或更好的耐損性和耐久性潛力，同時(shí)減少了厚度和重量。此外，昂貴的勞動(dòng)密集型部件制造工藝的消除提供了降低總系統(tǒng)成本的機(jī)會(huì)。

應(yīng)理解，所公開的設(shè)計(jì)的應(yīng)用不限于具有風(fēng)扇和增壓器部分的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，而是也可應(yīng)用于渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

本書面說明使用示例公開本發(fā)明，包括最佳模式，并且使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制造和使用任何設(shè)備或系統(tǒng)，以及執(zhí)行任何組合方法。本發(fā)明的可取得專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所想到的其他示例。如果這種其他示例具有與權(quán)利要求的字面語言無差異的結(jié)構(gòu)元件，或者如果其包括與權(quán)利要求的字面語言無實(shí)質(zhì)差異的等同結(jié)構(gòu)元件，則這些示例應(yīng)包括在在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。