CN114483306B - 一种风扇包容机匣及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种风扇包容机匣和航空发动机，其中的风扇包容机匣包括：金属框架，内部具有空腔；以及复合材料层，设置于所述金属框架的外周，且经由整体机械加工后构成所述风扇包容机匣的外部轮廓。本公开实施例能够同时增加风扇机匣的包容性，并减少对发动机重量的增加程度，节约材料成本，在保持发动机推力的情况下，有效降低发动机的耗油率，提升发动机的整体经济性。

Description

一种风扇包容机匣及航空发动机

技术领域

本公开涉及航空发动机制造领域，尤其涉及一种风扇包容机匣及航空发动机。

背景技术

轴流式叶轮机匣，以轴流航空发动机为典型，由高压和低压双转子组成，其中的低压转子包括进口处的低压风扇及出口处的低压涡轮两部分。风扇包容机匣，作为航空发动机的一个进气工作零件，安装在低压风扇的外侧，用于形成外涵进气流道、包容风扇叶片、防止风扇叶片非正常飞出、以及降低噪声。

风扇机匣的包容性设计十分关键：尽管目前的涡扇发动机的无故障运行周期可达上万个小时，但是如果发生风扇叶片断裂，而风扇包容机匣的包容性较差，就容易造成极严重的后果。在一些飞行事故中，高速运转的风扇叶片飞出，击伤飞机机舱、油箱等重要部位，导致机舱失稳、油箱泄漏失火，进而造成机毁人亡的重大事故，严重影响飞机安全性。

相关的风扇机匣通常采用加厚的复合材料或直接采用全铝合金机匣，并在风扇包容机匣的内表面装设声衬及易磨环。由于铝合金材料的密度大于复合材料，因此现有的风扇包容机匣多采用复合材料固化成型，其内表面安装有声衬以达到降低噪声的目的。

对于风扇机匣的包容区，在目前的设计中多采用加厚的复合材料，以增加包容区域的有效性。然而，鉴于大涵道比风扇叶片直径较大，机匣重量对机匣厚度极为敏感，厚度的增大直接导致风扇增压级单元体超重，影响发动机的耗油率。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种风扇包容机匣及航空发动机，能够同时增加风扇机匣的包容性，并减少对发动机重量的增加程度，节约材料成本，在保持发动机推力的情况下，有效降低发动机的耗油率，提升发动机的整体经济性。

在本公开的一个方面，提供一种风扇包容机匣，包括：

金属框架，内部具有空腔；以及

复合材料层，设置于所述金属框架的外周，且经由整体机械加工后构成所述风扇包容机匣的外部轮廓。

在一些实施例中，所述复合材料层以所述金属框架的表面为依托，通过分层编织铺层的方式与所述金属框架相结合。

在一些实施例中，所述金属框架在所述复合材料层的成型过程中，预埋至所述复合材料层的内部，以使所述金属框架与所述复合材料层相结合。

在一些实施例中，所述金属框架由钛合金或钢材制成。

在一些实施例中，所述金属框架呈箱体结构，所述箱体结构中的一组相对面设有开口，且所述开口所在的一组所述相对面垂直于所述风扇包容机匣的周向。

在一些实施例中，所述金属框架在所述风扇包容机匣的轴向上的长度为800～1200mm，在所述风扇包容机匣的径向上的厚度为1～3mm，在所述风扇包容机匣的周向上的宽度为5～11mm。

在一些实施例中，所述金属框架包括多个子框架，多个所述子框架沿所述风扇包容机匣的轴向排布，且相邻的两个所述子框架以胶结或焊接的方式互相固定连接，以使相邻的两个所述子框架的连接处形成加强筋结构。

在一些实施例中，所述金属框架包括：

多个径向支撑结构，沿所述风扇包容机匣的径向支撑于所述金属框架内部的空腔内，且多个所述径向支撑沿所述风扇包容机匣的包容区长度均匀分布。

在一些实施例中，所述复合材料层的厚度为1～3mm。

在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例所述的风扇包容机匣。

在一些实施例中，所述航空发动机还包括：

风扇叶片，可旋转地设置于所述风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于所述风扇包容机匣的轴向分布范围内；

蜂窝层，设置于所述风扇包容机匣的径向内侧；以及

易磨层，设置于所述蜂窝层的径向内侧，且沿轴向覆盖所述风扇叶片的轴向分别范围。

在一些实施例中，所述航空发动机还包括：

风扇后机匣，沿轴向连接于所述风扇包容机匣的后侧；

前声衬，设置于所述风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于所述蜂窝层的前侧；以及

后声衬，设置于所述风扇包容机匣和所述风扇后机匣的径向内侧，并沿轴向位于所述蜂窝层的后侧。

因此，根据本公开实施例，通过在复合材料的机匣内部增加金属框架，能够同时增加风扇机匣的包容性，并减少对发动机重量的增加程度，节约材料成本，在保持发动机推力的情况下，有效降低发动机的耗油率，提升发动机的整体经济性。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：

图1是根据本公开一些实施例的航空发动机中风扇局部的结构示意图；

图2是根据本公开一些实施例的风扇包容机匣的结构示意图；

图3是图2所示的风扇包容机匣的E处的放大结构示意图；

图4是根据本公开另一些实施例的风扇包容机匣的结构示意图；

图5是图4所示的风扇包容机匣的F处的放大结构示意图。

图中：

1，金属框架；11，开口；12，子框架；13，径向支撑结构；2，复合材料层；3，风扇叶片；4，蜂窝层；5，易磨层；6，风扇后机匣；7，前声衬；8，后声衬；9，风扇包容机匣。

应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

申请人研究发现，为了增加风扇机匣包容性，相关的风扇机匣包容区多采用加厚设计，然而由于风扇机匣直径较大，对于发动机重量的增加较为明显。

再考虑到目前风扇包容机匣的两类主要构型：采用加厚的复合材料形成机匣，或是直接采用全铝合金机匣，并内表面装有声衬及易磨环。然而由于风扇机匣的径向尺寸较大，因此较大厚度的风扇包容机匣对航空发动机的总重影响也较大，这会对航空发动机的总重产生更大的影响，降低发动机的整体经济性。

有鉴于此，如图1～5所示，在本公开的一个方面，提供一种风扇包容机匣，包括：

金属框架1，内部具有空腔；以及

复合材料层2，设置于金属框架1的外周，且经由整体机械加工后构成风扇包容机匣的外部轮廓。

其中，复合材料层2以金属框架1的表面为依托，通过分层编织铺层的方式与金属框架1相结合；或者金属框架1在复合材料层2的成型过程中，预埋至复合材料层2的内部，以使金属框架1与复合材料层2相结合。

本公开从材料构成和结构框架上对风扇包容机匣进行再设计：在风扇包容机匣的内部增加金属框架1，减薄复合材料厚度，增加金属加强筋，从而有效地增强风扇机匣的包容性，同时有效减轻风扇机匣的重量。

本公开所设计的风扇包容机匣的结构，利用金属材料刚性较强的原理实现了风扇机匣的新型设计，可以有效地增强风扇机匣的整体包容性，同时有效控制风扇机匣的变形；通过减薄风扇机匣包容区的厚度，可降低风扇机匣的重量，降低了风扇机匣的材料成本，降低耗油率，提升发动机的经济性；并且本公开所提供的风扇包容机匣的结构设计对现有结构改动较小，加工较为方便，能够节约制造成本。

在一些实施例中，金属框架1由钛合金或钢材制成。金属框架1呈箱体结构，箱体结构中的一组相对面设有开口11，且开口11所在的一组相对面垂直于风扇包容机匣的周向。

金属框架1选用钛合金或钢材制成，能够保证自身的强度与刚度，其中的钛合金材料在强度与刚度与钢材接近的情况下，重量仅为钢材的一半左右，更有利于航空发动机的燃油经济性；而钢材则具有更低的材料成本和加工难度，更适应于复杂构型的金属框架1。

箱体结构中的一组相对面设有开口11，使得金属框架1呈口字型结构，这一结构能够更好地从内部支撑外侧的复合材料层2，维持复合材料的形状，控制机匣的变形，同时增强机匣的包容性。

进一步的，金属框架1所具有的箱体结构，相对于层状或板状金属，至少具有以下有益的技术效果：

在工艺方面，以金属表面为依托进行编织铺层，采用现有成熟的铺层方式，不会产生额外工作量，而金属框架1在外复合材料在内无法采用成熟的编织铺层工艺，需加工好复材后将金属粘接上去，粘接力不可控，工艺性较差；

在减重方面，由于复合材料的密度较低，在内层采用金属，外层采用复合材料，使得风扇包容机匣的重量得到进一步降低，尤其对于大型零部件，影响更为显著，采用该种外侧复材内层金属的构型，相比于全复材的结构，强度增加约60％，重量降低约20％，相比于外金属内复材的结构，重量按照直径尺寸约减少2％，同时强度保持不变。

为了同时兼顾风扇包容机匣的包容性和重量，就需要同时兼顾金属框架1的强度、刚度和重量。基于此，在一些实施例中，金属框架1在风扇包容机匣的轴向上的长度为800～1200mm，在风扇包容机匣的径向上的厚度为1～3mm，在风扇包容机匣的周向上的宽度为5～11mm。

而作为一个优选的实施例，金属框架1的长度为1000mm，宽度为8mm，厚度为2mm。

在上述金属框架1的尺寸条件下，复合材料层2的厚度为1～3mm。优选的，复合材料层2的厚度为2mm。

考虑到金属框架1轴向跨幅较长，为了加强金属框架1轴向上的刚性，在一些实施例中，金属框架1包括多个子框架12，多个子框架12沿风扇包容机匣的轴向排布，且相邻的两个子框架12以胶结或焊接的方式互相固定连接，以使相邻的两个子框架12的连接处形成加强筋结构。

类似的，为了加强金属框架1轴向上的刚性，在一些实施例中，金属框架1包括：

多个径向支撑结构13，沿风扇包容机匣的径向支撑于金属框架1内部的空腔内，且多个径向支撑沿风扇包容机匣的包容区长度均匀分布。

前述多个子框架12形式构成的金属框架1相对于设置多个径向支撑结构13而言，获得的金属框架1的刚性更强，但是相应的减重效果有所降低，对于本领域技术人员而言，可以依据航空发动机对风扇包容机匣的具体设计参数而灵活选取。

在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例的风扇包容机匣。

在一些实施例中，航空发动机还包括风扇叶片3、蜂窝层4和易磨层5，其中的风扇叶片3可旋转地设置于风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于风扇包容机匣的轴向分布范围内；蜂窝层4设置于风扇包容机匣的径向内侧；而易磨层5设置于蜂窝层4的径向内侧，且沿轴向覆盖风扇叶片3的轴向分别范围。

其中的易磨层5设置于风扇包容机匣靠近风扇叶片3的叶尖的区域，其设置目的在于：当风扇处于工作状态，高速旋转带来的离心力会使风扇的径向尺寸向外扩张，加上影响风扇效率的一大因素是叶尖气动损失，因此控制风扇叶尖与风扇包容机匣之间的距离，尤其是高速旋转状态下的两者距离就尤为关键。易磨层5的设置能够在保证风扇与风扇包容机匣之间间隙的同时，防止风扇在工作状态下因离心力作用而刮伤风扇包容机械的壁面并造成自身结构性损伤。而其中的蜂窝层4用于增强风扇包容机匣的表面刚性的同时减少风扇包容机匣的重量。

进一步的，为了降低风扇在运行过程中的噪声，在一些实施例中，航空发动机还包括风扇后机匣6、前声衬7和后声衬8，其中的风扇后机匣6沿轴向连接于风扇包容机匣的后侧；前声衬7设置于风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于蜂窝层4的前侧；而后声衬8设置于风扇包容机匣和风扇后机匣6的径向内侧，并沿轴向位于蜂窝层4的后侧。

前后声衬8的设置，能够在不影响风扇包容机匣的结构强度的前提下尽可能地吸收风扇产生的噪声，提高航空发动机的舒适性并满足适航要求中对噪声强度的要求。

因此，根据本公开实施例，通过在复合材料的机匣内部增加金属框架1，能够同时增加风扇机匣的包容性，并减少对发动机重量的增加程度，节约材料成本，在保持发动机推力的情况下，有效降低发动机的耗油率，提升发动机的整体经济性。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种风扇包容机匣，其特征在于，包括：

金属框架(1)，内部具有空腔；以及

复合材料层(2)，设置于所述金属框架(1)的外周，且经由整体机械加工后构成所述风扇包容机匣的外部轮廓；

其中，所述金属框架(1)呈箱体结构，所述金属框架(1)包括多个子框架(12)，多个所述子框架(12)沿所述风扇包容机匣的轴向排布，且相邻的两个所述子框架(12)以胶结或焊接的方式互相固定连接，以使相邻的两个所述子框架(12)的连接处形成加强筋结构。

2.根据权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述复合材料层(2)以所述金属框架(1)的表面为依托，通过分层编织铺层的方式与所述金属框架(1)相结合。

3.根据权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述金属框架(1)在所述复合材料层(2)的成型过程中，预埋至所述复合材料层(2)的内部，以使所述金属框架(1)与所述复合材料层(2)相结合。

4.根据权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述金属框架(1)由钛合金或钢材制成。

5.根据权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述箱体结构中的一组相对面设有开口(11)，且所述开口(11)所在的一组所述相对面垂直于所述风扇包容机匣的周向。

6.根据权利要求5所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述金属框架(1)在所述风扇包容机匣的轴向上的长度为800～1200mm，在所述风扇包容机匣的径向上的厚度为1～3mm，在所述风扇包容机匣的周向上的宽度为5～11mm。

7.根据权利要求5所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述金属框架(1)包括：

多个径向支撑结构(13)，沿所述风扇包容机匣的径向支撑于所述金属框架(1)内部的空腔内，且多个所述径向支撑沿所述风扇包容机匣的包容区长度均匀分布。

8.根据权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述复合材料层(2)的厚度为1～3mm。

9.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1～8任一所述的风扇包容机匣。

10.根据权利要求9所述的航空发动机，其特征在于，还包括：

风扇叶片(3)，可旋转地设置于所述风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于所述风扇包容机匣的轴向分布范围内；

蜂窝层(4)，设置于所述风扇包容机匣的径向内侧；以及

易磨层(5)，设置于所述蜂窝层(4)的径向内侧，且沿轴向覆盖所述风扇叶片(3)的轴向分别范围。

11.根据权利要求10所述的航空发动机，其特征在于，还包括：

风扇后机匣(6)，沿轴向连接于所述风扇包容机匣的后侧；

前声衬(7)，设置于所述风扇包容机匣的径向内侧，并沿轴向位于所述蜂窝层(4)的前侧；以及

后声衬(8)，设置于所述风扇包容机匣和所述风扇后机匣(6)的径向内侧，并沿轴向位于所述蜂窝层(4)的后侧。