Противопожарная защита картера вентилятора из композиционного материала
FIRE PROTECTION OF COMPOSITE MATERIAL FAN CRANKCASE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение в целом относится к картеру газовой турбины, в частности к картеру, в котором расположен вентилятор газовой турбины авиационного двигателя, и выполненному из композиционного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное матрицей, и к соответствующему способу его изготовления.
Уровень техники
Картер вентилятора авиационного газотурбинного двигателя может выполнять несколько функций. Он образует тракт впуска воздуха в двигатель, содержит на своей поверхности истираемый материал напротив вершин лопаток вентилятора, поддерживает конструкцию, как правило, в виде звукоизоляционных панелей для ослабления звуковых волн на входе двигателя и содержит или поддерживает защитный экран, задерживающий фрагменты, отбрасываемые на внутреннюю сторону картера, такие как посторонние объекты или обломки поврежденных лопаток.
Обычно картер вентилятора содержит относительно тонкую стенку, образующую тракт впуска воздуха. В частности, картер может быть выполнен из металла или из композиционного материала. Например, в документе FR 2913053 было предложено выполнять картер вентилятора из композиционного материала переменной толщины путем формирования волокнистого усиления и уплотнения усиления матрицей. Волокнистое усиление получают путем наматывания укладываемых на оправку слоев волокнистой структуры, полученной посредством трехмерного тканья и имеющей изменяющуюся толщину, чтобы встроить защитный экран за счет простого локального увеличения толщины.
Волокнистое усиление содержит волокна, в частности, из углерода, стекла, арамида или керамики. Как правило, матрица является полимерной матрицей, например, из эпоксида, бисмалеимида или полиимида.
Картер может быть выполнен в виде единой детали и содержит фланцы на уровне своих осевых концов. Первый фланец, называемый входным фланцем, обеспечивает крепление воздухозаборника на картере, тогда как второй фланец, называемый выходным фланцем, обеспечивает соединение картера вентилятора с промежуточным картером при помощи соединительных средств типа винтов и гаек с установкой между ними кольцевой обечайки, прилегающей к выходной стороне выходного фланца. В данном случае вход и выход определяют по направлению потока газов в газотурбинном двигателе. Промежуточный картер выполнен из металла, например, из титана, из металлического сплава на основе титана или из алюминия, так же как кольцевая обечайка и воздухозаборник.
При эксплуатации оказалось, что некоторые неисправности могут приводить к повышению температуры вокруг картера вентилятора, которая может отрицательно сказаться на нормальной работе, в частности, в случае, когда волокнистое усиление выполнено на основе трехмерной волокнистой структуры. Действительно, материал, используемый в настоящее время для выполнения картеров из композиционного материала, по своей природе не является невоспламеняющимся или огнеупорным. Кроме того, волокна, ориентированные в третьем направлении усиления, поддерживают структуру и ограничивают ее расслоение. Вместе с тем, эти волокна, ориентированные в третьем направлении, передают тепло пламени внутрь материала, что способствует поддержанию пламени.
Следовательно, необходимо обеспечить защиту картера вентилятора от предельных температур и, в целом, против огня за счет ограничения нагрева конструкции с целью обеспечения его гашения, чтобы картер мог сохранять свои механические свойства во время и после повышения температуры и, в случае необходимости, замедлять распространение огня после удаления пламени.
Было предложено располагать опорные накладки из титана, который является материалом, менее чувствительным к огню, между картером вентилятора и смежными деталями на входе и на выходе. Однако это решение приводит к увеличению общей массы двигателя. Кроме того, в этом случае существуют большие заводские допуски, связанные со способом изготовления (горячая деформация опорной накладки), который к тому же является сложным в осуществлении и, следовательно, очень дорогим.
Было также предложено выполнять путем тканья на заготовке, предназначенной для формирования волокнистого усиления, жесткой или полужесткой оплетки из стекловолокон, которая затем проходит через процесс пропитки вместе с заготовкой картера вентилятора.
В документе GB 2486404 было также предложено напылять в горячем состоянии медь или медный сплав на наружную поверхность корпуса картера из композиционного материала, чтобы рассеивать температуру пламени и защитить, таким образом, картер от огня.
Наконец, в документе Ер 2447508 предложено устанавливать панели из материала, замедляющего распространение или изолирующего пламя, чтобы защитить деталь двигателя. Для этого панели укладывают и крепят при помощи крепежных средств на поверхности защищаемой детали. Однако в этом документе не затрагивается проблема картеров из композиционного материала.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является улучшение защиты картера вентилятора газотурбинного двигателя из композиционного материала от экстремальных температур и от огня, которую можно выполнять в промышленном масштабе и которая является надежной и эффективной.
Для этого изобретением предложен способ противопожарной защиты картера вентилятора, содержащего в основном цилиндрический корпус, главное направление которого проходит вдоль продольной оси, и входной фланец, выполненный радиально относительно продольной оси от входного конца корпуса, при этом картер вентилятора выполнен из композиционного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное матрицей, при этом указанную матрицу подвергают полимеризации,
при этом способ защиты содержит следующие этапы:
- на входную радиальную сторону входного фланца укладывают полотнища, содержащие стекловолокна, предварительно пропитанные смолой, способной обеспечивать термическую защиту картера вентилятора от огня, и
- смолу подвергают полимеризации для получения защитного слоя.
Описанный выше способ противопожарной защиты картера вентилятора имеет следующие предпочтительные, но не ограничительные признаки:
- на наружную сторону корпуса укладывают также дополнительные полотнища,
- дополнительные полотнища укладывают также на вершину входного фланца,
- дополнительные полотнища укладывают также на внутреннюю сторону корпуса в части, смежной с входным фланцем,
- на входной радиальной стороне входного фланца укладывают больше дополнительных полотнищ, чем на внутренней стороне корпуса в части, смежной с входным фланцем,
- дополнительные полотнища подвергают полимеризации, чтобы получить дополнительные слои защиты от огня, предпочтительно одновременно с полотнищами, уложенными на внутренней стороне корпуса в части, смежной с входным фланцем,
- после этапа полимеризации способ дополнительно содержит этап, во время которого на выходной радиальной стороне входного фланца устанавливают кольцевую опорную накладку из титана,
- смола содержит эпоксидную смолу, фенольную смолу и/или цианатэфирную смолу, такую как смола типа HexPlyМ26Т/50%035,
- способ дополнительно содержит этап механической обработки входной радиальной стороны входного фланца для подгонки толщины защитного слоя,
- картер вентилятора дополнительно содержит выходной фланец, и способ дополнительно содержит этап, на котором на выходной поверхности выходного фланца выполняют барьер против электрохимической коррозии, и
- барьер против электрохимической коррозии выполняют в ходе следующих этапов: на выходную радиальную сторону выходного фланца и, возможно, на вершину укладывают полотнища, содержащие стекловолокна, предварительно пропитанные смолой, защищающей картер вентилятора, и смолу подвергают полимеризации для получения защитного слоя.
Объектом изобретения является также картер вентилятора, выполненный из композиционного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное матрицей, при этом указанный картер вентилятора содержит в основном цилиндрический корпус, главное направление которого проходит вдоль продольной оси, входной фланец, выполненный радиально относительно продольной оси от входного конца корпуса, и защитный слой на входной радиальной стороне, полученный при помощи описанного выше способа защиты.
Согласно предпочтительному, но не ограничительному признаку, вышеупомянутый картер вентилятора дополнительно содержит выходной фланец, выполненный радиально относительно продольной оси, начиная от выходного конца корпуса, и барьер против электрохимической коррозии, выполненный на выходной радиальной стороне.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки, задачи и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, представленные в качестве не ограничительных примеров, на которых:
на фиг. 1 показан пример картера вентилятора в соответствии с изобретением, частичный вид в поперечном разрезе;
на фиг. 2 представлена блок-схема различных этапов примера осуществления способа защиты картера вентилятора в соответствии с изобретением.
Осуществление изобретения
Как правило, газотурбинный двигатель содержит от входа к выходу в направлении прохождения газового потока вентилятор, одну или несколько ступеней компрессоров, например, компрессор низкого давления и компрессор высокого давления, камеру сгорания, одну или несколько ступеней турбин, например, турбину высокого давления и турбину низкого давления, и сопло выпуска газов.
Турбины соединены с компрессором и с вентилятором при помощи соответствующих коаксиальных валов.
Двигатель расположен внутри картера, содержащего несколько частей, соответствующих различным элементам двигателя. Так, например, вентилятор окружен картером вентилятора, который соединен на входе с воздухозаборником и на выходе с кольцевой обечайкой промежуточного картера.
Картер 1 вентилятора содержит в основном цилиндрический корпус 10, главное направление которого проходит вдоль продольной оси X, по существу параллельной газовому потоку. Корпус 10 картера может иметь переменную толщину, как указано в документе FR 2913053, и может быть оснащен входным фланцем 20 и выходным фланцем 30 на уровне своих входного и выходного концов соответственно для обеспечения его монтажа и его соединения с другими деталями, такими как воздухозаборник, промежуточный картер или кольцевая обечайка.
Входной фланец 20 и выходной фланец 30 имеют кольцевую форму и выполнены радиально относительно продольной оси X картера вентилятора.
Входной фланец 20 содержит входную радиальную сторону 22 (напротив потока) и выходную радиальную сторону 24 (напротив выходного фланца 30). Входной фланец 20 дополнительно содержит кольцевую вершину 26, расположенную между входной стороной 22 и выходной стороной 24 на расстоянии от корпуса 10. Аналогично, выходной фланец 30 имеет входную радиальную сторону 32 (напротив входного фланца 20) и выходную радиальную сторону 34 (противоположную входной стороне 32). Выходной фланец 30 дополнительно содержит кольцевую вершину 36, расположенную между его входной стороной 32 и его выходной стороной 34 на расстоянии от корпуса 10.
В данном случае картер 1 вентилятора выполнен из композиционного материала, содержащего волокнистое усиление, уплотненное матрицей. В частности, усиление содержит волокна углерода, стекла, арамида или керамики, и матрица выполнена из полимера, например, эпоксида, бисмалеимида или полиимида.
Усиление можно выполнить путем наматывания на оправку волокнистой структуры, полученной посредством трехмерного тканья и имеющей изменяющуюся толщину, как описано в заявке FR 2913053, при этом волокнистое усиление образует завершенную волокнистую заготовку картера 1 вентилятора, выполненную в виде единой детали с частями усиления, соответствующими фланцам.
Оправка содержит наружную поверхность, профиль которой соответствует профилю внутренней поверхности выполняемого картера, а также два фланца, проходящие радиально от ее свободных концов и адаптированные для получения входного и выходного фланцев картера 1 вентилятора. При наматывании на оправку волокнистая структура прилегает к профилю оправки, и ее концевые части образуют части заготовки, соответствующие фланцам 20, 30 картера 1 и опирающиеся на фланцы оправки.
Вся или часть внутренней стороны 12 корпуса 10 картера вентилятора может содержать изоляционное покрытие, которое может включать в себя набор звукоизоляционных панелей. Набор звукоизоляционных панелей включает в себя несколько смежных панелей, каждая из которых расположена на секторе внутренней стороны 12 корпуса 10. Как известно, панели могут быть образованы ячеистой структурой, расположенной между наружным слоем, прилегающим к внутренней стороне 12 корпуса 10, и перфорированным наружным слоем, при этом стенки ячеек расположены по существу радиально между слоями. Для более подробной информации об этих звукоизоляционных панелях можно обратиться, например, к документу FR 2613773. Как известно, звукоизоляционные панели могут быть закреплены на картере 1 вентилятора при помощи вставок, интегрированных в панели, и винтов.
Чтобы защитить картер 1 вентилятора в случае чрезмерного повышения температуры, которое может помешать нормальной работе, в частности, в случае неисправности или пожара, чувствительные зоны картера 1 вентилятора покрывают защитным слоем 2-4, образующий противопожарный барьер.
В частности, защитный слой 2-4 выполнен с возможностью ограничения протяженности зоны, поражаемой пламенем, и способствует его гашению, ограничивая поле температур и расход газа, выделяющегося при поражении матрицы картера 1 вентилятора.
Предпочтительно защитный слой 2-4 закрывает все пожароопасные зоны картера 1 вентилятора.
Наиболее чувствительной зоной картера 1 вентилятора является входная радиальная сторона 22 входного фланца 20. Таким образом, в примере осуществления защитным слоем 2 покрывают только эту сторону 22.
Заявитель обнаружил, что достаточно поражения огнем всего лишь небольшой поверхности, чувствительной к огню, чтобы был поврежден весь картер 1 вентилятора. Таким образом, в варианте осуществления предпочтительно от огня защищают всю поверхность картера 1 вентилятора, которая может подвергнуться действию пламени и имеет длину в направлении X, превышающую или равную 2 мм. Например, вершина 26 входного фланца 20 имеет осевую длину, превышающую 2 мм, как правило, составляющую около 10 мм. Таким образом, предпочтительно защитным слоем 3 покрывают вершину 26 входного фланца 20, которая действительно может быть поражена огнем.
Это же относится и к наружной стороне 14 картера 1 вентилятора, то есть к стороне 14 картера 1 вентилятора, которая расположена между выходной стороной 24 входного фланца 20 и входной стороной 32 выходного фланца 30 и которую можно покрыть защитным слоем 4.
С другой стороны, выходной фланец 30 обычно отделан фестонами и, следовательно, сам по себе лучше защищен от огня, чем входной фланец 20, то есть не обязательно требует противопожарной защиты и, следовательно, не обязательно покрыт защитным слоем. Вместе с тем, выходной фланец 30 можно покрыть таким слоем в целях профилактики.
Предпочтительно защитный слой или защитные слои 2-4 наносят непосредственно на картер 1 вентилятора после его изготовления. Как правило, защитные слои 2-4 можно выполнять после этапа полимеризации матрицы, которая уплотняет волокнистое усиление.
Для этого на входную радиальную сторону 22 входного фланца 20 и, в случае необходимости, на вершину 26 входного фланца 20 и на наружную сторону 14 корпуса 10 укладывают S1 полотнища, содержащие предварительно пропитанные стекловолокна. Укладку можно производить во влажном состоянии, то есть пока полотнища из предварительно пропитанных волокон являются еще гибкими и не прошли предварительную полимеризацию.
Предпочтительно укладывают друг на друга несколько полотнищ, чтобы получить каждый защитный слой 2-4. Число слоев полотнищ может зависеть от размера композитного картера, от способности защитного слоя задерживать или по крайней мере замедлять начало пожара, а также от общего веса слоя. Например, на входную радиальную сторону 22 входного фланца 20 можно укладывать десяток слоев полотнищ.
Затем полотнища подвергают S2 полимеризации для формирования защитных слоев 2-4. В частности, этап S2 полимеризации можно производить под давлением.
Предпочтительно стекловолокна предварительно пропитывают смолой, способной обеспечивать термическую защиту картера от огня. При вспучивании и расслоении смола предварительной пропитки создает воздушную прослойку между защитным слоем и деталью, что позволяет уменьшить температурное поле и объем газов разложения.
Смолу для предварительной пропитки выбирают таким образом, чтобы полимеризацию S2 полотнищ из предварительно пропитанных стекловолокон на картере 1 можно было осуществлять при температуре ниже температуры повреждения картера 1, которая составляет около 135°С. Термическую обработку производят при температуре порядка 120°С. Смола для предварительной пропитки является такой, что ее температура перехода в стеклообразное состояние превышает рабочую температуру двигателя в зоне картера 1. Смола может быть смолой термического класса 180°С. Сцепление полотнищ с картером 1 вентилятора получают за счет полимеризации S2 смолы предварительной пропитки в ходе последующего этапа термической обработки картера 1 вентилятора, содержащего полотнища из предварительно пропитанных стекловолокон (то есть после этапа полимеризации матрицы, которая уплотняет волокнистое усиление картера 1 вентилятора).
Заявитель неожиданно обнаружил, что использование полотнищ из стекловолокон предварительно пропитанных смолами, которые называют невоспламеняющимися по своей природе (например, смолами с наполнителем из фосфата аммония), для защиты от огня картера 1 вентилятора является проблематичным, поскольку укладка этих полотнищ является сложной. Действительно, оказалось, что наиболее походящими смолами являются смолы, способные вспучиваться под действием тепла, что приводит к образованию изолирующей воздушной прослойки за счет расслаивания волокнистого усиления картера 1 под действием тепла, что позволяет уменьшить теплопередачу внутри усиления. Это позволяет избежать слишком быстрого повреждения картера 1. Таким образом, протяженность зоны, повреждаемой огнем, оказывается более ограниченной, и температурное поле является менее высоким, чем в случае картера 1 вентилятора, не содержащего такого защитного слоя 2-4, поэтому расход газа, выделяющегося при разложении смолы, является менее высоким, что позволяет защитным слоям 2-4 замедлять распространение огня.
Например, но не ограничительно, смолой, используемой для полотнищ, может быть эпоксидная смола, фенольная смола и/или цианатэфирная смола, такая как смола типа HexPlyМ26Т/50%035. В случае такой смолы этап S2 полимеризации осуществляют под давлением 3 бар и при температуре примерно от 120°С до 125°С.
Предпочтительно защитный слой 2 позволяет упростить контроль конечных размеров картера 1 вентилятора, а также операции чистовой обработки, искусственно образуя дополнительную толщину, которую можно легко подвергнуть механической обработке, не повреждая при этом структуру картера 1 и, в частности, входной фланец 20. Действительно, картер 1 вентилятора с его защитным слоем 2 можно в факультативном варианте повергнуть этапу S3 механической обработки после этапа S2 полимеризации указанного защитного слоя 2. При этом защитный слой 2 можно в большей или меньшей степени обработать механически на входной стороне 22 входного фланца 20, чтобы скорректировать конечный осевой размер (в направлении X) картера 1 вентилятора в зависимости от заданных размерных допусков.
Факультативно, защитный слой можно также выполнить на выходной стороне 24 входного фланца 20 и на входной стороне 32 выходного фланца 30. Однако укладка полотнищ на эти стороны 24, 32 может оказаться сложной в реализации. Действительно, учитывая кольцевую конфигурацию фланцев 20, 30, полотнища из стекловолокон стремятся вытягиваться на уровне искривленного основания фланцев 20, 30 (то есть на пересечении фланцев 20, 30 и корпуса 10), поэтому становится трудно контролировать геометрические характеристики.
Согласно варианту осуществления, защиту от огня выходной стороны 24 входного фланца 20 и входной стороны 32 выходного фланца 30 можно реализовать, устанавливая на каждой из этих сторон кольцевую опорную накладку 5, которая может быть выполнена из титана. Кольцевая опорная накладка 5 позволяет защитить от огня выходную сторону 24 входного фланца 20 и входную сторону 32 выходного фланца 30. Для каждой стороны 24, 32 форму и размеры кольцевых опорных прокладок 5 адаптируют к форме и к размерам указанных соответствующих сторон 24, 32 таким образом, чтобы обеспечить хороший контакт и оптимальную защиту указанных сторон 24, 32 против огня.
Например, кольцевые опорные накладки 5 можно закрепить на соответствующих сторонах 24, 32 во время монтажа после этапов укладки S1 и полимеризации S2 полотнищ из предварительно пропитанных стекловолокон. Предпочтительно поверхности, на которых крепят титановые опорные накладки 5, в основном являются плоскими. Для этого выходную сторону 24 входного фланца 20 и входную сторону 32 выходного фланца 30 можно защитить во время этапа S1 укладки при помощи соответствующих шаблонов, устанавливаемых на указанные стороны 24, 32 в момент укладки S1 полотнищ из предварительно пропитанных стекловолокон, что позволяет отказаться от операций механической обработки сторон 24, 32 перед креплением опорных накладок 5.
В другом варианте осуществления картер 1 вентилятора может также содержать барьер 6 против электрохимической коррозии, выполненный на выходной стороне 34 и факультативно на вершине 36 выходного фланца 30, чтобы предупредить электрохимическую коррозию металлических деталей, закрепленных на выходном фланце 30, таких как промежуточный картер или кольцевая обечайка.
Так, антикоррозионный барьер 6 позволяет избегать контакта меду металлическими деталями и волокнистым усилением картера 1 вентилятора и, следовательно, явлений электрохимической коррозии без какого-либо дополнительного изменения картера 1 вентилятора или металлических деталей.
Барьер 6 против электрохимической коррозии можно выполнить при помощи оплетки, ленты или спирали из сухих стекловолокон, чтобы получить полужесткий слой защиты от электрохимической коррозии, который затем располагают напротив выходного радиального кольцевого фланца оправки перед укладкой волокнистого усиления картера 1 вентилятора. После этого в стекловолокна барьера бив усиление картера 1 вентилятора нагнетают матрицу, затем ее подвергают полимеризации в ходе этапа полимеризации картера 1 вентилятора, что позволяет интегрировать барьер непосредственно в картер 1 вентилятора. Для более детальной информации по этому варианту осуществления можно обратиться к заявке FR 1256850, поданной на имя заявителя.
В варианте, чтобы ограничить количество этапов изготовления и чистовой обработки картера 1 вентилятора, барьер 6 можно выполнить аналогично защитным слоям 2-4. Действительно, защитные слои 2-4 содержат стекловолокна, которые сами по себе образуют барьер против электрохимической коррозии и, следовательно, защищают металлические детали, которые могут прилегать к картеру 1 вентилятора. В этом варианте осуществления защитный слой 6 выполняют также на выходной стороне 34 и, возможно, на вершине 36 выходного фланца 30 путем укладки одного или нескольких полотнищ из предварительно пропитанных стекловолокон на эти стороны 34, 36 выходного фланца 30. Он обеспечивает защиту от электрохимической коррозии и/или, если это необходимо, термическую защиту от огня.
Следует отметить, что, аналогично защитному слою 2, антикоррозионный барьер 6 может участвовать в контроле конечных размеров картера 1 вентилятора, а также операций отделки за счет образования дополнительной толщины, которую можно легко механически обработать, чтобы обеспечить соответствие картера 1 заданным размерным допускам.
Чтобы улучшить защиту от электрохимической коррозии металлических деталей, закрепленных на входе и на выходе картера 1 вентилятора, защитный слой 2 и/или антикоррозионный барьер 6 могут закрывать части 11, 13 внутренней поверхности корпуса 10. Действительно, эти части 11, 13 внутренней поверхности корпуса 10 образуют зоны задержания воды, которые делают эти части 11, 13 чувствительными к электрохимической коррозии.
Следует отметить, что количество слоев полотнищ может меняться в зонах картера 1 вентилятора в зависимости от уровня противопожарной защиты, необходимого для каждой зоны, от допустимого габарита и от требований к массе. Например, на внутренней стороне 12 корпуса 10 в частях 11 и 13, смежных с фланцами 20 и 30, основной функцией защитного слоя 2 является ограничение явлений электрохимической коррозии. Следовательно, число слоев можно уменьшить, что к тому же позволяет оставить зазор с нижележащими звукоизоляционными панелями. Например, толщина защитного слоя 4а может составлять примерно 0,5 мм в этой части 11, чтобы оставить пространство порядка 2,5 мм со звукоизоляционной панелью.