CN113464770A - 一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机z型轻质管路及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路及制备方法，包括格栅框架、蜂窝结构、层合结构、保护层；所述保护层包括内保护层和外保护层，安装在格栅框架的内外两侧；本发明的优点：格栅框架由格栅壁和轴向格栅壁通过榫卯结构连接而成，达到装配方便的要求，增强管路整体的强度，同时镂空设计的格栅壁达到轻量化的目的，并且镂空部分可填充上耐高温材料，保证格栅的耐高温性能要求。蜂窝结构由纤维腹板构成的空腹结构，腹板在栅格中与管壁法线平行，可增强管路的刚度。

Description

一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路 及制备方法

技术领域

本发明属于航空发动机管路设计领域，具体涉及一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的设计。

背景技术

航空发动机管路发挥着输送燃料、润滑油、氧气等工作介质的作用，是航空发动机的重要组成部分，其通常可分为L、U和Z型管路，其中Z型管路构型更为复杂，其内部的油液在高温、高压和高速流体传输中，会不可避免地对管路内壁产生激励，管路内壁在流体激励下经常会产生振动超标、疲劳破坏等现象。为了抑制Z型管路内部的流致振动，其中的一个重要解决措施就是从管路的材料与结构一体化设计和制造入手，提出具有刚度和阻尼增强的新型Z型管路设计方法。另外，随着航空发动机不断追求高推重比和燃油经济性，管路结构设计还应需满足轻量化设计要求，即尽可能地多使用轻质复合材料。

格栅式结构具有刚度增强效果，但目前人们并未将该结构构型设计融入于航空发动机管路设计。例如，专利CN104589709A提出了一种轻质格栅结构夹芯板的制备方法，但该结构通过嵌锁式组装成的格栅只能较好的应用在平面结构的设计中，在曲面结构中，简单的嵌锁很难保证整体结构的稳定性和承载性能；专利CN208415666U为一种无龙骨实木格栅结构，利用简单的榫卯结构组装而成的格栅结构。这种设计方式虽然能保证整体结构的稳定性，但很难满足轻量化和刚度的要求，且如果这种方式应用到管路曲面结构设计中，必须在结构设计方面做出一定的改进。专利CN101799093A提供了一种纤维增强复合材料滤水管的结构设计，以各种纤维和无机颗粒料组成的复合材料为主体设计的管路，这种设计方式虽然可以提高管路的承载性能，但是却忽略了管路的刚度问题，而且这种材料的耐高温性能较差。专利CN208831906U提供了一种多层复合增强缠绕管及管路，通过沿管体的轴线方向间隔设置的空气腔来增强管路的刚度，这种设计思路会占用管壁大部分空间，使管壁过厚，而且难以保证整体结构的稳定性。专利CN103557381A提出了一种螺旋缠绕筋增强钢管制备方法，通过在管路外壁缠绕焊接加强筋的方式增强管路的刚度，这种方式会使管路重量过大，不符合轻量化设计需求，且不易安装。专利CN109494475A提供了一种具有增强雷达罩根部刚度的多层蜂窝结构，利用多层蜂窝结构增强整体的刚度，这种设计思路虽然能在增强整体结构的刚度的同时减轻重量，但是会使各部分结构连接不紧密，且不能同时提高刚度和阻尼的效果。另外，也有很多科研工作者提供了一些在管路等结构上增强阻尼效果的方法。例如，专利CN210196752U为一种阻尼减振装置，提供一种阻尼减震装置给管路减振，与专利CN207880206U类似，提供了一种管路抗振支吊架给管路减振，均不符合材料与结构一体化设计。专利CN108488532A提供了一种敷设约束阻尼减振结构的管路，专利CN204852755U为一种用阻尼套管隔振的管路，专利CN106433352A提供了一种用于喷涂内层的高铁车厢阻尼涂料，专利CN105273599A提供了一种舰船专用复合阻尼涂料，都是采用贴敷阻尼材料的方法增强阻尼，不符合材料与结构一体化设计与轻量化设计需求。综上所述，上述专利技术都难以满足同时提升航空发动机Z型管路刚度、阻尼的效果，进而实现减振和减重的双重目标。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路及制备方法。

本发明的技术方案是：

一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：包括格栅框架、蜂窝结构、层合结构、保护层；所述保护层包括内保护层和外保护层，安装在格栅框架的内外两侧；

格栅框架由间隔排列的径向格栅壁和轴向格栅壁连接形成；隔开的矩形空间形成栅格；

蜂窝结构安装在栅格中；

层合结构设置在蜂窝结构的空腹中；

层合结构共分为两层，内层为耐高温层，外层为高弹性层；

耐高温层内表面与管路内保护层的外壁贴合；高弹性层的内表面与耐高温层的外表面贴合，高弹性层的外表面与管路外保护层的内壁贴合。

轴向格栅壁的一端设置单个凸隼，另外一端设置平行的双凸隼，径向格栅壁设置榫槽，榫槽的中间位置设置榫孔；所述榫槽与双凸隼对应，所述单个凸隼与榫孔对应；轴向格栅壁的侧面设置滑槽。

蜂窝结构侧边的蜂窝凸隼固定在轴向格栅壁的滑槽中，蜂窝结构的上包络面和下包络面为曲面，分别与外保护层的内壁、内保护层的外壁贴合；腹板在栅格中与管壁法线平行。

径向格栅壁和轴向格栅壁均设置三角形骨架，径向格栅壁和轴向格栅壁的镂空结构中用聚酰亚胺类耐热材料填充。

轴向栅壁和径向栅壁之间用榫卯结构过盈配合连接，并用环氧树脂粘结。

本发明进一步公开了所述基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、将管路的内、外保护层通过切割的加工工艺制备出来；

步骤2、在管路内保护层外壁组装格栅框架：将径向栅壁套入管路内保护层，将两侧轴向栅壁上的凸隼装配进对应的榫槽中，用涂满环氧树脂胶结剂的连接条插入对应的孔中，将格栅壁固定住，再将聚酰亚胺类耐热材料填充到栅壁空腔中，用环氧树脂粘结；

步骤3、在栅格中装配蜂窝结构：将编制成型后的蜂窝结构上的凸隼装入轴向栅壁的滑槽中，下包络面与内保护层外表面贴合；

步骤4、填充层合材料：内层为耐高温层，用环氧树脂胶结剂将聚酰亚胺类材料粘结在蜂窝腹腔内层，内表面与内保护层外壁贴合；外层为高弹性层，将发泡材料注入到蜂窝腹腔外层，在蜂窝腹腔内完成发泡过程；

步骤5、安装管路外保护层。

本发明的优点：基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路适用于航空发动机管路系统，但不仅限于该领域，可以广泛应用于有压力脉动冲击的液压管路系统中。格栅框架由格栅壁和轴向格栅壁通过榫卯结构连接而成，达到装配方便的要求，增强管路整体的强度，同时镂空设计的格栅壁达到轻量化的目的，并且镂空部分可填充上耐高温材料，保证格栅的耐高温性能要求。蜂窝结构由纤维腹板构成的空腹结构，腹板在栅格中与管壁法线平行，可增强管路的刚度。层合结构按功能可分为高弹性层、耐高温层。高弹性层主要由一种高弹泡沫发泡组成，利用其高弹度的特性，增大管路的阻尼，进而增强吸振减振性能。耐高温层主要由聚酰亚胺类材料组成，聚酰亚胺类材料是综合性能最佳的有机高分子材料之一，可使管路在-50～300℃正常使用。保护层所用材料为金属，提高了管路结构的整体性，同时保护管路格栅内部结构和材料，提高管路寿命。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的外形图；

图2是本发明具体实施方式的格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的内部结构图；

图3-a为格栅框架局部结构示意图，图3-b为轴向格栅壁结构示意图，图3-c为径向格栅壁结构示意图，图3-d为格栅框架装配过程的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式的蜂窝结构与轴向格栅壁装配关系的结构示意图；

图5-a为蜂窝结构与层合结构装配体的俯视示意图，图5-b为蜂窝结构与层合结构装配体的结构示意图；

图6是本发明具体实施方式的层合结构的结构示意图；

图7-a为保护层整体结构示意图，图7-b为保护层截面的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

如图所示，本发明包括格栅框架25、蜂窝结构7、层合结构6、保护层1；所述保护层包括内保护层20和外保护层26，安装在格栅框架25的内外两侧；

格栅框架25由间隔排列的径向格栅壁3和轴向格栅壁2通过榫卯结构连接形成；隔开的矩形空间形成栅格27；

蜂窝结构7安装在栅格27中；

层合结构6设置在蜂窝结构7的空腹13中；

层合结构6共分为两层，内层为耐高温层16，外层为高弹性层24；

耐高温层16内表面17与管路内保护层20的外壁21贴合；高弹性层24的内表面15与耐高温层16的外表面18贴合，高弹性层24的外表面14与管路外保护层26的内壁19贴合。

所述榫卯结构为：轴向格栅壁2的一端设置单个凸隼10，另外一端设置平行的双凸隼101，径向格栅壁3设置榫槽12，榫槽12的中间位置设置榫孔121；所述榫槽12与双凸隼101对应，所述单个凸隼10与榫孔121对应；用涂满环氧树脂胶结剂的连接条4插入对应的榫卯结构的孔122中使得轴向格栅壁2和径向格栅壁3连接成格栅框架25；

轴向格栅壁2的侧面设置滑槽5。

蜂窝结构7侧边的蜂窝凸隼8固定在轴向格栅壁的滑槽5中，蜂窝结构7的上包络面22和下包络面23为曲面，分别与外保护层26的内壁19、内保护层20的外壁21贴合；腹板28在栅格中与管壁法线平行。

径向格栅壁3和轴向格栅壁2均设置三角形骨架30，径向格栅壁3和轴向格栅壁2的镂空结构中分别用径向栅壁填充物11和轴向栅壁填充物9填充，并使用环氧树脂粘结。

格栅框架由一组格栅壁搭建而成。在圆形截面中，相同圆心角在不同半径处，所对应的弧长是不同的，所以只需要分别构建出轴向和径向栅壁。轴向栅壁为长方体条形结构，径向栅壁为圆环形结构，轴向和径向栅壁均作三角形镂空设计，三角形可满足整体强度要求，镂空设计可满足轻量化的要求。镂空结构中用聚酰亚胺类耐热材料填充，以保证格栅的耐高温性能要求。轴向栅壁和径向栅壁之间用榫卯结构过盈配合连接，并用环氧树脂粘结，满足格栅装配方便的要求。内表面与内保护层外壁贴合，外表面与外保护层内表面贴合，将管壁内部分成六个栅格。

蜂窝结构安装在栅格中，侧边连接在轴向栅壁上。蜂窝结构由纤维腹板构成的空腹结构，所述的纤维腹板采用纤维与树脂制成，纤维腹板成单层单向、单层多向、多层单向或多层多向布置。蜂窝结构通过轴向栅壁上的滑槽固定在栅格中，纤维腹板上、下包络面为曲面，分别与外、内保护层内、外壁贴合。每个栅格中分布14个蜂窝空腹，腹板在栅格中与管壁法线平行，增强了管路的刚度。

层合结构填充在蜂窝结构空腹中。层合结构共分为两层，内层为耐高温层，材料为聚酰亚胺，填充在蜂窝结构的内层，用环氧树脂粘结，内表面与管路内保护层外壁贴合。聚酰亚胺类材料是一种应用较广的耐高温材料，可使管路在-50～300℃正常使用，提高管路的耐高温性能。外层为高弹性层，材料为发泡类材料，发泡是一种高弹性泡沫，增强管路的阻尼。填充内层材料后，将发泡注入到蜂窝空腹中，利用物理发泡法、化学发泡法、低压发泡法、高压发泡法中一种方法，使发泡在蜂窝空腹中完成发泡过程。高弹性层内表面与耐高温层外表面贴合，外表面与管路外保护层内壁贴合。

保护层所用材料为轻质金属，为铝箔、钛箔其中的一种。可提高管路结构的整体性，同时保护管路格栅内部结构和材料。可通过切割的加工工艺制备出来，形成保护层。在一定温度、压力的条件下，安装在格栅框架的内外侧。

弯管处的格栅框架与直管处内部结构类似，与直管处不同的是轴向格栅内外侧带有一定弧度，径向格栅壁任意位置的横截面交线过弯管处曲率中心，蜂窝结构的上、下包络面在管路轴线方向上也有一定的弧度。内部层合结构的填充物和格栅壁中的填充物并不受限于管路形状，与直管处一致。上述结构的整体外形均与直管处类似。

所述基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的制造方法，包括如下步骤：

步骤1、将管路的内、外保护层通过切割的加工工艺制备出来；

步骤2、在管路内保护层外壁组装格栅框架：将径向栅壁套入管路内保护层，将两侧轴向栅壁上的凸隼装配进对应的榫槽中，用涂满环氧树脂胶结剂的连接条4插入对应的孔中，将格栅壁固定住，再将聚酰亚胺类耐热材料填充到栅壁空腔中，用环氧树脂粘结；

步骤3、在栅格中装配蜂窝结构：将编制成型后的蜂窝结构上的凸隼装入轴向栅壁的滑槽中，下包络面与内保护层外表面贴合；

步骤4、填充层合材料：内层为耐高温层，用环氧树脂胶结剂将聚酰亚胺类材料粘结在蜂窝腹腔内层，内表面与内保护层外壁贴合；外层为高弹性层，将发泡材料注入到蜂窝腹腔外层，在蜂窝腹腔内完成发泡过程；

步骤5、安装管路外保护层。

Claims (6)

1.一种基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：包括格栅框架、蜂窝结构、层合结构、保护层；所述保护层包括内保护层和外保护层，安装在格栅框架的内外两侧；

格栅框架由间隔排列的径向格栅壁和轴向格栅壁连接形成；隔开的矩形空间形成栅格；

蜂窝结构安装在栅格中；

层合结构设置在蜂窝结构的空腹中；

层合结构共分为两层，内层为耐高温层，外层为高弹性层；

耐高温层内表面与管路内保护层的外壁贴合；高弹性层的内表面与耐高温层的外表面贴合，高弹性层的外表面与管路外保护层的内壁贴合。

2.根据权利要求1所述的基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：轴向格栅壁的一端设置单个凸隼，另外一端设置平行的双凸隼，径向格栅壁设置榫槽，榫槽的中间位置设置榫孔；所述榫槽与双凸隼对应，所述单个凸隼与榫孔对应；轴向格栅壁的侧面设置滑槽。

3.根据权利要求1所述的基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：蜂窝结构侧边的蜂窝凸隼固定在轴向格栅壁的滑槽中，蜂窝结构的上包络面和下包络面为曲面，分别与外保护层的内壁、内保护层的外壁贴合；腹板在栅格中与管壁法线平行。

4.根据权利要求1所述的基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：径向格栅壁和轴向格栅壁均设置三角形骨架，径向格栅壁和轴向格栅壁的镂空结构中用聚酰亚胺类耐热材料填充。

5.根据权利要求1所述的基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路，其特征在于：轴向栅壁和径向栅壁之间用榫卯结构过盈配合连接，并用环氧树脂粘结。

6.一种权利要求1所述基于格栅式刚度和阻尼增强的航空发动机Z型轻质管路的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1、将管路的内、外保护层通过切割的加工工艺制备出来；

步骤2、在管路内保护层外壁组装格栅框架：将径向栅壁套入管路内保护层，将两侧轴向栅壁上的凸隼装配进对应的榫槽中，用涂满环氧树脂胶结剂的连接条插入对应的孔中，将格栅壁固定住，再将聚酰亚胺类耐热材料填充到栅壁空腔中，用环氧树脂粘结；

步骤3、在栅格中装配蜂窝结构：将编制成型后的蜂窝结构上的凸隼装入轴向栅壁的滑槽中，下包络面与内保护层外表面贴合；

步骤4、填充层合材料：内层为耐高温层，用环氧树脂胶结剂将聚酰亚胺类材料粘结在蜂窝腹腔内层，内表面与内保护层外壁贴合；外层为高弹性层，将发泡材料注入到蜂窝腹腔外层，在蜂窝腹腔内完成发泡过程；

步骤5、安装管路外保护层。

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