CN113803162A - 风扇包容机匣和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风扇包容机匣和航空发动机，其中风扇包容机匣(10)包括加固层(12)，加固层(12)包括拱形组件，拱形组件朝着靠近风扇叶片(20)的方向凸起。航空发动机包括上述的风扇包容机匣。本发明中拱形组件呈拱形形状，这种形状具有较强的抗冲击能力，在拱形组件受力发生变形之前可以抵抗较大的冲击力，增强对飞脱叶片的包容能力。

Description

风扇包容机匣和航空发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种风扇包容机匣和航空发动机。

背景技术

在航空发动机运行过程中，由于外物吸入、疲劳、材料缺陷等原因，可能会导致风扇叶片被破坏。风扇包容机匣包围在发动机的风扇外面，是一道防止碎片穿出、防止损坏飞机本体的屏障。如果风扇机匣不能包容高速飞出的风扇叶片碎片，则会造成机舱失压、油箱泄漏起火以及飞机操纵失灵等二次损伤，严重危及飞行安全。为防止脱落的风扇叶片造成严重危害，民用和军用航空发动机规范中都有专门条文要求风扇机匣对飞脱的碎片有包容作用。适航条例FAR33.94要求：在最高工作转速下，叶片从叶根(对于整体叶盘则至少是叶片的80％处)断裂，发动机必需具有包容断叶的能力，并要求发动机在不起火、安装架不脱落的情况能继续工作15s，除非发动机损伤诱导自动停机。

传统的硬壁金属包容机匣通常采用韧性极高的高强钢材料制成，利用其在撞击载荷作用下发生较大塑性变形来吸收断叶的动能，并有效控制裂纹扩展。为了包容住风扇叶片及其碎片，这种合金硬壁包容机匣都比较厚，重量也比较大。

相关技术中还有一种软壁包容机匣，这种机匣在金属机匣外缠绕复合纤维条带，高速飞出的风扇叶片碎片击穿内层金属机匣，外层复合纤维只有被撞击的局部区域发生破损，碎片被机匣外部的复合纤维条带捕获，整个机匣仍然保持结构完整性。这种由金属和复合纤维条带构成的软壁包容机匣比传统的硬壁金属包容机匣重量降低很多，最大减重在50％左右。尽管如此，由于内层采用了实体金属机匣，这种风扇包容机匣还是比较重。

随着现代商用飞机飞得更高、更快和更安静的需求，发动机的涵道比和推重比不断增加。为了增加发动机的涵道比，采用更大的风扇叶片已经成了发动机的发展趋势，相应的风扇包容机匣尺寸也越来越大，导致风扇段在整个发动机中的重量越来越大。由于降低风扇段的重量对降低发动机重量和提高发动机效率非常关键，需要一种抗冲击能力更强、重量更轻的风扇包容机匣来解决这些问题。

需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明实施例提供一种风扇包容机匣和航空发动机，提高机匣的抗冲击能力。

根据本发明的一个方面，提供一种风扇包容机匣，包括加固层，加固层包括拱形组件，拱形组件朝着靠近风扇叶片的方向凸起。

在一些实施例中，加固层包括多个拱形组件，多个拱形组件沿风扇包容机匣的轴向方向布置。

在一些实施例中，两个相邻布置的拱形组件相互交叉。

在一些实施例中，拱形组件沿轴向方向的截面的远离风扇叶片的一侧的曲率为零或无限接近于零。

在一些实施例中，拱形组件包括至少两层支撑板和设置于相邻两层支撑板之间的支撑物。

在一些实施例中，支撑物包括设置于两层支撑板之间的多个支柱，多个支柱彼此连接或与支撑板连接以形成桁架结构。

在一些实施例中，支柱采用脆性材料制成。

在一些实施例中，支撑物还包括填充于桁架结构的空隙中的填充物。

在一些实施例中，填充物包括固态树脂或固态环氧树脂。

在一些实施例中，支撑板采用金属材料制成。

在一些实施例中，风扇包容机匣还包括复合纤维层，复合纤维层设置在加固层的远离风扇叶片的一侧。

在一些实施例中，风扇包容机匣还包括吸声层和耐磨层，耐磨层设置在加固层的靠近风扇叶片的一侧，吸声层设置在加固层和耐磨层之间。

根据本发明的另一个方面，提供一种航空发动机，包括上述的风扇包容机匣。

基于上述技术方案，本发明实施例中风扇包容机匣包括加固层，加固层包括拱形组件，拱形组件朝着靠近风扇叶片的方向凸起，即拱形组件呈拱形形状，这种形状具有较强的抗冲击能力，在拱形组件受力发生变形之前可以抵抗较大的冲击力，增强对飞脱叶片的包容能力。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为安装有本发明风扇包容机匣一个实施例的航空发动机的部分结构示意图。

图2为本发明风扇包容机匣一个实施例的结构示意图。

图3为图2中标号为W的部分的放大图。

图中：

10、风扇包容机匣；20、风扇叶片；30、进气锥；40、旋转中心线；50、中介机匣；

11、复合纤维层；12、加固层；13、吸声层；14、耐磨层；

121、支撑板；122、支柱；123、填充物。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

参考图1和图2所示，在本发明提供的风扇包容机匣10的一些实施例中，该风扇包容机匣10包括加固层12，加固层12包括拱形组件，拱形组件朝着靠近风扇叶片20的方向凸起。

在上述实施例中，风扇包容机匣10包括加固层12，加固层12包括拱形组件，拱形组件朝着靠近风扇叶片20的方向凸起，即拱形组件呈拱形形状，这种形状具有较强的抗冲击能力，在拱形组件受力发生变形之前可以抵抗较大的冲击力，增强对飞脱叶片的包容能力。

在一些实施例中，加固层12包括多个拱形组件，多个拱形组件沿风扇包容机匣10的轴向方向布置。

通过设置多个拱形组件，可以形成多个凸起，相比于一个凸起来说，其抗冲击能力更强。

在一些实施例中，多个拱形组件在风扇包容机匣10的轴向方向上的长度大于风扇叶片20的轴向长度。这样可以对风扇叶片20的位于轴向方向上的各个部分进行比较全面的包容。

在一些实施例中，两个相邻布置的拱形组件相互交叉。

如图2所示，在风扇包容机匣10的轴向方向上，两个相邻布置的拱形组件的端部具有相互交叉和交叠的部分，这样设置的好处是，对于相同的风扇叶片20的轴向长度，可以布置更多的拱形组件，提高抗冲击能力；同时，可以增大加固层的厚度，避免凸起较少的部分的厚度也较小。

两个相邻布置的拱形组件相互交叉，可以是两个具有完整弧形的拱形组件各有一部分交叉于彼此之中；也可以是两个具有完整弧形的拱形组件各有一部分沿垂直于轴向的方向前后交叠；或者，还可以如图2所示，其中一个拱形组件呈完整的弧形形状，与其相邻的另一个拱形组件的弧形并非完整的，可以理解为另一个拱形组件的一端被切去一部分，切掉后形成的端面与弧形形状完整的拱形组件贴合在一起，这样形成的两个相邻拱形组件的厚度较大，两个拱形组件的最高凸起部距离较近，加固层的总体抗冲击能力大大提高。

在一些实施例中，拱形组件沿轴向方向的截面的远离风扇叶片20的一侧的曲率为零或无限接近于零。即，拱形组件沿轴向方向的截面的远离风扇叶片20的一侧的曲率基本为零，拱形组件沿轴向方向的截面的远离风扇叶片20的一侧的轴向各个位置距离风扇叶片20的旋转轴线的距离基本相等。这样设置的好处是，使拱形组件远离风扇叶片20的一侧与位于风扇包容机匣10上游或下游的机匣基本平齐，避免拱形组件远离风扇叶片20的一侧出现较大的凹坑。如果在加固层的外周缠绕复合纤维条带时，可以尽量避免利用复合纤维条带去填满拱形组件所形成的凹坑，提高风扇包容机匣10的整体抗冲击能力。

如图3所示，在一些实施例中，拱形组件包括至少两层支撑板121和设置于相邻两层支撑板121之间的支撑物。

通过设置至少两层支撑板121，可以提高拱形组件的抗冲击能力，同时为支撑物提供有效的支撑。

支撑板121的层数可以根据实际需要灵活设置，比如可以设置两层、三层、四层或更多层。

远离风扇叶片20的支撑板121的曲率小于靠近风扇叶片20的支撑板121的曲率，这样设置可以通过靠近风扇叶片20的曲率较大的支撑板121抵抗飞脱叶片的冲击，并通过远离风扇叶片20的曲率较小支撑板121使加固层12的外周沿轴向方向平缓延伸，避免出现凹坑，避免通过外层其他材料来填充这些凹坑，降低加固层12的整体抗冲击能力。

在一些实施例中，支撑物包括设置于两层支撑板121之间的多个支柱122，多个支柱122彼此连接或与支撑板121连接以形成桁架结构。桁架结构具有多个空隙，可以使支撑物具有一定的变形能力，在加固层受到飞脱叶片的压力冲击时，通过桁架结构的变形可以吸收叶片飞脱的动能，具有较好的包容作用。桁架结构也有利于减轻加固层的重量，进而减轻风扇包容机匣10的整体重量，满足发动机的轻量化要求。

桁架结构可以看作是多个支柱122搭接形成的多孔式结构，这种结构具有可变形能力。

如图2所示，桁架结构包括多个彼此连接的三角形框架，三角形框架的中心是空心的。

在一些实施例中，支柱122采用脆性材料制成。比如陶瓷或玻璃等。支柱122采用脆性材料制成，可以在受到飞脱叶片的冲击时发生断裂而使加固层产生变形，吸收飞脱叶片的动能。

在一些实施例中，支撑物还包括填充于桁架结构的空隙中的填充物123。

通过在桁架结构的空隙中填充填充物123，可以增强桁架结构的抗冲击能力，同时填充物123也可以吸收飞脱叶片的部分动能，实现对飞脱叶片的包容作用。

在一些实施例中，填充物123包括固态树脂或固态环氧树脂。通过固态树脂或固态环氧树脂的粘结与吸能作用，可以将多层支撑板121连接为一体，保证加固层12的完整性，提高结构应力传递的整体性，使应力在飞脱叶片入侵机匣的过程中最大限度地传递至桁架结构的各个子结构中，充分吸收飞脱叶片的冲击力。

在一些实施例中，支撑板121采用金属材料制成，比如钢、铝、钛、铝合金或钛合金等。

在一些实施例中，风扇包容机匣10还包括复合纤维层11，复合纤维层11设置在加固层12的远离风扇叶片20的一侧。

通过在加固层12的远离风扇叶片20的一侧设置复合纤维层11，可以在飞脱叶片冲出加固层的束缚之后对飞脱叶片进行进一步的束缚和包容，避免飞脱叶片冲出机匣之外，有效保证飞行安全。

复合纤维层11位于风扇包容机匣10的最外层。复合纤维层11可以采用芳香族聚酰胺纤维，比如凯芙拉纤维。

复合纤维层11与加固层12之间的交界面沿轴向方向平缓延伸，以减少凹坑出现。

在一些实施例中，风扇包容机匣10还包括吸声层13和耐磨层14，耐磨层14设置在加固层12的靠近风扇叶片20的一侧，吸声层13设置在加固层12和耐磨层14之间。

吸声层13采用吸声材料制成，比如多孔的蜂窝类材料，用于降低噪声污染。耐磨层14采用耐磨材料制成，抵抗风扇叶片20的碰磨。

通过对本发明风扇包容机匣多个实施例的说明，可以看到本发明风扇包容机匣实施例具有良好的受力能力，可以加强机匣的包容能力，在发动机运行过程中如果发生叶片脱落，风扇包容机匣受到来自脱落叶片的高速冲击，在强烈的冲击作用下，加固层通过支撑板和支柱组成的桁架结构的塑性大变形、剪切扩孔、破碎、断裂破坏、整板宏观变形等综合因素吸收飞脱叶片的动能，并与外层的复合纤维层配合，起到包容的作用，且风扇包容机匣的整体重量较轻。

基于上述的风扇包容机匣，本发明还提出一种航空发动机，该航空发动机包括上述的风扇包容机匣。

如图1所示，为航空发动机的部分结构的示意图。该航空发动机包括高低压双转子系统，转子被静子机匣环绕。图1所示为涡扇发动机前端的部分结构截面示意图，这部分沿旋转中心线40对称。风扇叶片20安装在中介机匣50上，风扇叶片20的叶尖与风扇包容机匣10之间留有适量径向间隙，以提供空气流道。

风扇叶片20位于风扇包容机匣10的内部，风扇包容机匣10内还设有进气锥30，进气锥30安装在发动机的转子轴上，转子轴的旋转中心线40为风扇包容机匣10和风扇叶片20的轴向方向。

上述各个实施例中风扇包容机匣所具有的积极技术效果同样适用于航空发动机，这里不再赘述。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：在不脱离本发明原理的前提下，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换，这些修改和等同替换均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (13)

1.一种风扇包容机匣(10)，其特征在于，包括加固层(12)，所述加固层(12)包括拱形组件，所述拱形组件朝着靠近风扇叶片(20)的方向凸起。

2.根据权利要求1所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述加固层(12)包括多个所述拱形组件，多个所述拱形组件沿所述风扇包容机匣(10)的轴向方向布置。

3.根据权利要求2所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，两个相邻布置的所述拱形组件相互交叉。

4.根据权利要求1所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述拱形组件沿轴向方向的截面的远离所述风扇叶片(20)的一侧的曲率为零或无限接近于零。

5.根据权利要求1所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述拱形组件包括至少两层支撑板(121)和设置于相邻两层所述支撑板(121)之间的支撑物。

6.根据权利要求5所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述支撑物包括设置于所述两层支撑板(121)之间的多个支柱(122)，多个所述支柱(122)彼此连接或与所述支撑板(121)连接以形成桁架结构。

7.根据权利要求6所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述支柱(122)采用脆性材料制成。

8.根据权利要求6所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述支撑物还包括填充于所述桁架结构的空隙中的填充物(123)。

9.根据权利要求8所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述填充物(123)包括固态树脂或固态环氧树脂。

10.根据权利要求5所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，所述支撑板(121)采用金属材料制成。

11.根据权利要求1～10任一项所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，还包括复合纤维层(11)，所述复合纤维层(11)设置在所述加固层(12)的远离所述风扇叶片(20)的一侧。

12.根据权利要求1～10任一项所述的风扇包容机匣(10)，其特征在于，还包括吸声层(13)和耐磨层(14)，所述耐磨层(14)设置在所述加固层(12)的靠近所述风扇叶片(20)的一侧，所述吸声层(13)设置在所述加固层(12)和所述耐磨层(14)之间。

13.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的风扇包容机匣(10)。

Images