CN112065778B - 机织复合材料风扇包容机匣 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种机织复合材料风扇包容机匣，所述包容机匣由连续的预制条缠绕而成，所述预制条由机织复合材料制成，所述预制条使用一种机织结构，所述预制条的纬密从所述包容机匣的内层至外层的方向逐步变小。该机织复合材料风扇包容机匣，使用纬密连续变化的预制条进行缠绕，根据叶片在冲击包容机匣的过程中端面冲击角度的变化，逐渐变化纬密，保证在每个冲击过程中均有对应的抗冲击最佳的机织结构；通过不断调整纬纱密度，提升了包容机匣的制备效率和结构完整性，在控制包容机匣的厚度的同时，保证了包容机匣的抗冲击性能。

Description

机织复合材料风扇包容机匣
技术领域
本发明涉及一种机织复合材料风扇包容机匣。
背景技术
随着复合材料制备技术的不断提高，复合材料的材料性能也在不断增强，复合材料在航空发动机领域的应用范围也越来越广泛。复合材料风扇叶片的使用，使复合材料风扇机匣的使用成为可能。机织复合材料具有较强的厚度方向抗分层失效的能力，目前已逐渐推广到机匣上使用。在制备过程中，由于单层的机织预制条不满足机匣的厚度要求，需要通过多层缠绕的方式来制备复合材料风扇机匣。
在缠绕过程中，一般采用连续的具有相同机织结构的预制条缠绕起来，形成机匣，这种方法能够简化预制条的机织过程，整个机织过程中仅需织出同一种结构的预制条即可。由于在机匣包容过程中，风扇叶片的冲击载荷极为复杂，采用相同的机织结构会影响机匣的结构设计，使机匣的厚度可能偏厚。
具体而言，由于复合材料叶片在冲击过程中会有多次断裂，每次端面的冲击角度都有变化，如果机匣均采用相同的机织结构，则无法保证该种机织结构对各种形式的冲击载荷均发挥较优的抗冲击能力，也失去了机织结构的可设计性这一优点。同时，如果只考虑首次接触冲击，整体设计会提高机匣的轴向刚度，导致周向刚度不足，最终设计引起机匣的厚度偏厚，增大了机匣的重量，进一步增大了发动机的重量，降低发动机的燃油效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种机织复合材料风扇包容机匣，以解决包容机匣抗冲击能力与厚度不能兼容的问题。
为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：
本发明提供一种机织复合材料风扇包容机匣，所述包容机匣由连续的预制条缠绕而成，所述预制条由机织复合材料制成，所述预制条使用一种机织结构，所述预制条的纬密从所述包容机匣的内层至外层的方向逐步变小。
在本技术方案中，通过不断地调整纬纱的密度，实现机织结构的连续变化，提升了包容机匣的制备效率和结构完整性；在控制包容机匣的厚度的同时，保证了包容机匣的抗冲击性能。
优选的，所述机织结构为角链锁结构。
在本技术方案中，角链锁结构为一种抗冲击性能较佳的机织结构，预制条使用角链锁结构编织而成，能保证包容机匣的抗冲击性能。
优选的，所述机织复合材料使用碳纤维、芳纶纤维编织而成。
在本技术方案中，使用碳纤维、芳纶纤维编织而成的机织复合材料，能保证包容机匣的抗冲击性能。
优选的，所述包容机匣从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5-10根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝2-5根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝1-3根/10毫米。
在本技术方案中，通过上述包容机匣的纬密设计，在控制包容机匣的厚度的前提下，提高了包容机匣的抗冲击能力。
优选的，所述包容机匣从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝4根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝3根/10毫米。
在本技术方案中，通过上述包容机匣的纬密的设计，在控制包容机匣的厚度的前提下，最大限度地提高了包容机匣的抗冲击能力。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：
该机织复合材料风扇包容机匣，使用纬密连续变化的预制条进行缠绕，根据叶片在冲击包容机匣的过程中端面冲击角度的变化，逐渐变化纬密，保证在每个冲击过程中均有对应的抗冲击最佳的机织结构；通过不断调整纬纱密度，提升了包容机匣的制备效率和结构完整性，在控制包容机匣的厚度的同时，保证了包容机匣的抗冲击性能。
附图说明
图1为本发明机织复合材料风扇包容机匣的结构示意图。
图2为图1所示的机织复合材料风扇包容机匣的机织结构的结构示意图。
图3为图1所示的机织复合材料风扇包容机匣与叶片的相对位置示意图。
图4a为图1所示的机织复合材料风扇包容机匣的最内层与叶片的叶尖截面S1相接触的示意图。
图4b为图1所示的机织复合材料风扇包容机匣的次外层与叶片的叶尖截面S2相接触的示意图。
图4c为图1所示的机织复合材料风扇包容机匣的外层与叶片的叶尖截面S3相接触的示意图。
附图标记说明
包容机匣100，预制条1；叶片200；发动机轴线300。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明提供一种机织复合材料风扇包容机匣。该包容机匣100由连续的预制条1缠绕而成，预制条1由机织复合材料制成，预制条1使用一种机织结构，预制条1的纬密从包容机匣100的内层至外层的方向逐步变小。
对于包容机匣100，由于机织的单层预制条1无法满足包容机匣100的厚度要求。因此，实际的包容机匣100由预制条1连续缠绕至包容机匣100的设定厚度为止。如图2所示，预制条1的机织结构可以为角链锁结构。除图2所述的机织结构外，还可采用斜纹、缎纹、平纹等所有二维或三维机织结构。上述机织复合材料，可使用碳纤维、芳纶纤维等抗冲击性能良好的纤维编织或混合编织而成。
如图3所示，叶片200在设计过程中具有宽弦、弯掠等特征，因此，叶片200沿叶高方向从叶尖到叶根的截面S1、S2至Sn与发动机轴线300的角度均不相同。
发动机正常工作时，叶片200绕发动机轴线300旋转，包容机匣100作为静止件安装在发动机上。在发生叶片200意外脱落时，飞脱的叶片200是在较高的转速下飞脱的，带有巨大的能量与包容机匣100发生撞击，在包容机匣100包容飞脱的叶片200的过程中，包容机匣100承受了冲击载荷。因此，要求包容机匣100具有较好的抗冲击能力。
如图4a至图4c所示，对叶片200飞脱后冲击包容机匣100的过程进行详细说明。如图4a所示，当叶片200发生意外脱落时，在离心力的作用下，叶片200飞脱，叶片200的叶尖的截面S1首先与包容机匣100的最内层接触，由于截面S1与发动机轴线300之间的夹角θ1较大，包容机匣100的最内层的预制条1需要具有足够高的纬密，才能最大程度地吸收截面S1的冲击能量。如图4b所示，在冲击载荷的作用下，叶片200发生变形或断裂，截面S2与包容机匣100的次外层发生接触，由于截面S2与发动机轴线300之间的夹角θ2较θ1小，因此吸收截面S2的冲击能量的预制条1所需的纬密可进行适当的减少，从而提高经向纱线的体份含量，增加经向抗冲击性能。如图4c所示，若叶片200继续发生变化或断裂，截面S3与包容机匣100的外层发生冲击作用，由于截面S3与发动机轴线300之间的夹角θ3较θ2小，因此，吸收S3截面的冲击能量的预制条1所需的纬密可进一步减少。以上可依次类推至叶片200的截面Sn与包容机匣100的最外层相接触的状态。
综上，预制条1的纬密从包容机匣100的内层至外层的方向逐步变小，可在控制包容机匣100的厚度的同时，保证了包容机匣100的抗冲击性能。
其中一种较佳的纬密设计：包容机匣100从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5-10根/10毫米；包容机匣100从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝2-5根/10毫米；包容机匣100从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝1-3根/10毫米。
通过上述包容机匣100的纬密设计，使包容机匣100的厚度能控制在较小的范围内，并能承受叶片200较高的入射速度，从而在控制包容机匣100的厚度的前提下，提高了包容机匣100的抗冲击能力。
而包容机匣100的最优选的纬密分布为：包容机匣100从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5根/10毫米；包容机匣100从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝4根/10毫米；包容机匣100从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝3根/10毫米。上述纬密的设计，在控制包容机匣100的厚度的前提下，最大限度地提高了包容机匣100的抗冲击能力。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机织复合材料风扇包容机匣，所述包容机匣包容的叶片沿叶高方向从叶尖到叶根的截面与发动机轴线的角度逐渐减小，所述包容机匣由连续的预制条缠绕而成，所述预制条由机织复合材料制成，其特征在于：所述预制条使用一种机织结构，所述预制条的纬密从所述包容机匣的最内层至最外层逐步变小；
当所述叶片发生意外脱落时，在离心力的作用下，所述叶片飞脱，所述叶片的叶尖的第一截面首先与所述包容机匣的最内层接触，所述第一截面与所述发动机轴线之间具有第一夹角，所述包容机匣从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5-10根/10毫米，以吸收所述第一截面的冲击能量；在冲击载荷的作用下，所述叶片发生变形或断裂，叶尖和叶根之间的第二截面与所述包容机匣的次外层发生接触，所述第二截面与发动机轴线之间的第二夹角较所第一夹角小，所述包容机匣从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝2-5根/10毫米，借此，提高经向纱线的体份含量，增加经向抗冲击性能；若所述叶片继续发生变化或断裂，叶根的第三截面与所述包容机匣的外层发生冲击作用，所述第三截面与所述发动机轴线之间的第三夹角较所述第二夹角小，所述包容机匣从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝1-3根/10毫米。
2.根据权利要求1所述的机织复合材料风扇包容机匣，其特征在于：所述机织结构为角链锁结构。
3.根据权利要求1所述的机织复合材料风扇包容机匣，其特征在于：所述机织复合材料使用碳纤维、芳纶纤维编织而成。
4.根据权利要求1所述的机织复合材料风扇包容机匣，其特征在于：所述包容机匣从内至外的第1层至第2层的纬密Pw＝5根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第3层至第4层的纬密Pw＝4根/10毫米；所述包容机匣从内至外的第5层至第6层的纬密Pw＝3根/10毫米。
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