CN115234750A - 具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机管路制造领域，具体涉及一种具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路及其制造方法。本发明的技术方案如下：具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，包括管体和卡套弯头，多个管体通过多种形状的卡套弯头连接组成复杂管型的管路；所述管体由缠绕纤维增强结构、金属保护层及粘弹性材料阻尼结构混杂构成。本发明提供的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路及其制造方法，具有航发管路所需要的强度和减振特性，同时也满足轻量化要求和对管路空间复杂形状的需求。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机管路制造领域，具体涉及一种具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路及其制造方法。
背景技术
航空发动机空间管路是发动机心脏的“心血管”，发挥着输送燃料、润滑油、氧气等工作介质的作用，其往往具有复杂空间构型，且在机匣上分布形式多样，因为其需要输送高温、高压和高速流动中的油液，所以该类型管路长期处于压力和振动环境，管路内壁经常会产生振动超标、疲劳破坏等现象。随着航空发动机的结构升级优化和不断追求高推重比和燃油经济性指标，发动机外部管路系统对结构性能的集成化和轻量化设计要求也越来越高。
专利CN112963722A提供了一种金属内衬缠绕纤维复合材料气瓶设计制造方法，利用金属内衬结构提高了抗压性，同时使用缠绕纤维结构进行了轻量化优化。然而，这种设计方式虽然能保证结构的完整性，但很难满足减振阻尼的要求，且如果这种方式也不能直接应用于具有复杂构型特征的航空发动机空间管路设计中，必须在卡套弯头连接单元或部件上进行创新设计，才有可能满足发动机苛刻服役工况对管路性能的要求；
专利CN209115833U提供了一种增强型缠绕纤维胶管的结构设计，通过内外层的橡胶结构为管路提供阻尼，在内部的缠绕纤维层作为支撑，为管路提供强度。但是该种管路对于航空管路来说过于柔软，无法在管路形状上提供支撑、不能承受高强内压，且无法满足空间管路复杂布局的要求。专利CN214171567U提出了一种连续编织缠绕纤维增强管路，但该管路设计只考虑了管路韧性和抗冲击性，没有考虑内部和外部激励导致的振动影响，减振效果不佳；专利CN113063042A提供了一种连续纤维预浸薄板芯层缠绕增强的复合管，有较好的抗压性能。专利CN213809266U设计了一种玄武岩纤维管体，可以很好第满足轻量化、抗压和强度要求。专利CN211398840U为一种塑料纤维缠绕结构的管壁，可以制造复杂的管壁形状以完成后续管路的空间化设计。专利CN211518551U提供了一种碳纤维管件的缠绕结构，可以完成阶梯形状的较为复杂管路的缠绕，在一定程度上可实现管路结构的空间化设计。但是上述专利都存在缺少对于减振特性考虑的共性问题，无法满足航发管路对管路振动抑制的迫切需求。
另外，也有很多科研工作者提供了一些在管路直管和弯头连接结构方面，解决管路复杂形状的方法。例如，专利CN212510009U发明了一种纤维增强收缩套，可在加热后包裹管路的直管和弯头部分，但是这种结构在受到外界冲击和摩擦后容易发生破损，可靠性不足，且收缩套部分不能承受管路内部压力，容易出现崩裂、泄露等问题；专利CN212537092U提供了一种热熔型弯管连接接头，但是热熔连接方式会使金属的抗拉应力参数发生显著变化，不适用于同时含有金属和非金属的混杂材料管路结构的连接，且该方式需要昂贵的外部加热设备；专利CN201763267U为一种抗弯曲的油套管螺纹连接结构，其结构简单，连接方便，但是缺少密封措施，容易导致管内油液的泄漏，不适合航发管路具有高强内压油液的场合；专利CN214305699U提供看了一种模具管路卡套式连接结构，但其三通结构限制了弯角的角度范围，无法满足更加复杂的空间管路设计。
综上所述，上述专利技术都难以同时实现具有复杂形状的航空发动机空间管路的减振耐压和轻量化的目标。
发明内容
本发明提供一种具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路及其制造方法，具有航发管路所需要的强度和减振特性，同时也满足轻量化要求和对管路空间复杂形状的需求。
本发明的技术方案如下：
具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，包括管体和卡套弯头，多个管体通过多种形状的卡套弯头连接组成复杂管型的管路；所述管体由缠绕纤维增强结构、金属保护层及粘弹性材料阻尼结构混杂构成。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述卡套弯头包括前卡套、后卡套、卡套定位套、橡胶固定套和标准化角度弯头，所述前卡套及后卡套为带有内孔的圆锥台形状，所述后卡套的大端内缘设有环形斜槽；所述卡套定位套的表面布有多个沟槽、一端内缘设有环台；所述橡胶固定套的一侧具有成列分布的矩形开口、两端内缘设有环形挡片；标准化角度弯头的每个端头后部设有环形卡台、端头内缘设有环形斜面。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述后卡套过盈配合套装在所述管体的端头处，所述前卡套套装在所述管体上且楔入所述后卡套的环形斜槽内，所述管体的端头插入标准化角度弯头中，所述卡套定位套套装在所述前卡套及后卡套上并将所述前卡套及后卡套压向标准化角度弯头使得所述后卡套楔入标准化角度弯头的环形斜面内，所述橡胶固定套套装在所述卡套定位套及标准化角度弯头上，所述橡胶固定套的一个环形挡片卡住标准化角度弯头的环形卡台、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套的环台处，通过所述橡胶固定套的矩形开口灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套的沟槽流入内部，予以封固。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述标准化角度弯头的标准化角度可以根据需要进行设定。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述金属保护层设置在所述管体的内表面、外表面与内部。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述缠绕纤维增强结构包括基体树脂与增强体碳纤维，增强体碳纤维经环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层或粘弹性材料阻尼结构上，由基体树脂将增强体碳纤维与金属保护层或粘弹性材料阻尼结构粘连在一起。
进一步地，所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，所述粘弹性材料阻尼结构经刷涂法设置在缠绕纤维增强结构与缠绕纤维增强结构之间、缠绕纤维增强结构与金属保护层之间或金属保护层与金属保护层之间。
上述具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、将最内层的金属保护层安装在管路成型机上；
步骤2、铺设粘弹性材料阻尼结构：按照一定比例将粘弹性材料放入有机溶剂中，溶解为具有一定流动性的胶浆；使用专用毛刷将所述胶浆分少量多次薄涂于金属保护层或缠绕纤维增强结构表面，静置等待其固化完成；
步骤3、铺设缠绕纤维增强结构：张紧增强体纤维，再通过浸胶方式使增强体纤维浸入基体树脂，刮除多余基体树脂并对增强体纤维进行加热固化；后通过机器缠绕的方式将增强体纤维按照环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层或粘弹性材料阻尼结构层上；
步骤4、根据结构设计要求，交替添加金属保护层、粘弹性材料阻尼结构及缠绕纤维增强结构，直至完成管体的制造成型；
步骤5、安装连接管体与卡套弯头：将所述管体的端头后部最外层的金属保护层去掉一段，露出粘弹性材料阻尼结构层；将所述管体及选定的标准化角度弯头固定在特定夹具上，所述后卡套过盈配合套装在所述管体的去掉金属保护层处，所述前卡套套装在所述管体上且楔入所述后卡套的环形斜槽内，所述管体的端头插入标准化角度弯头中，所述卡套定位套套装在所述前卡套及后卡套上并将所述前卡套及后卡套压向标准化角度弯头使得所述后卡套楔入标准化角度弯头的环形斜面内，所述橡胶固定套套装在所述卡套定位套及标准化角度弯头上，所述橡胶固定套的一个环形挡片卡住标准化角度弯头的环形卡台、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套的环台处，通过所述橡胶固定套的矩形开口灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套的沟槽流入内部，夹紧静置至树脂晾干，予以封固。
本发明的有益效果为：本发明的金属保护层用于保护管路的结构完整性，缠绕纤维增强结构用于支撑管路强度和保证轻量化特性，粘弹性材料阻尼结构用于提供阻尼以减振，同时，三种结构可以按照不同管路的需求进行铺设顺序、铺层厚度、重复次数的变化，以适应不同工作条件的要求。另外，标准化角度弯头可以用于不同的空间结构要求，并加强管路在这些部分的工作强度，也可以按照不同管路的需求进行组合，以制造复杂形状的空间混杂管路。
附图说明
图1为具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路的外形图；
图2为管体内部结构示意图；
图3为管体和卡套弯头连接关系爆破示意图；
图4为管体和卡套弯头连接关系图。
具体实施方式
如图1-4所示，具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，包括管体1和卡套弯头2，多个管体1通过多种形状的卡套弯头2连接组成复杂管型的管路；所述管体1由缠绕纤维增强结构13、金属保护层11及粘弹性材料阻尼结构12混杂构成。
所述卡套弯头2包括前卡套3、后卡套4、卡套定位套5、橡胶固定套6和标准化角度弯头10，所述前卡套3及后卡套4为带有内孔的圆锥台形状，所述后卡套4的大端内缘设有环形斜槽；所述卡套定位套5的表面布有多个沟槽8、一端内缘设有环台；所述橡胶固定套6的一侧具有成列分布的矩形开口9、两端内缘设有环形挡片；标准化角度弯头10的每个端头后部设有环形卡台7、端头内缘设有环形斜面。所述后卡套4过盈配合套装在所述管体1的端头处，所述前卡套3套装在所述管体1上且楔入所述后卡套4的环形斜槽内，所述管体1的端头插入标准化角度弯头10中，所述卡套定位套5套装在所述前卡套3及后卡套4上并将所述前卡套3及后卡套4压向标准化角度弯头10使得所述后卡套4楔入标准化角度弯头10的环形斜面内，所述橡胶固定套6套装在所述卡套定位套5及标准化角度弯头10上，所述橡胶固定套6的一个环形挡片卡住标准化角度弯头10的环形卡台7、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套5的环台处，通过所述橡胶固定套6的矩形开口9灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套5的沟槽8流入内部，予以封固。所述标准化角度弯头10的标准化角度可以根据需要进行设定。
所述金属保护层11设置在所述管体1的内表面、外表面与内部，所述金属保护层11用轻质金属材料制作，可以是铝箔或钛箔。所述缠绕纤维增强结构13包括基体树脂与增强体碳纤维，增强体碳纤维经环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层11或粘弹性材料阻尼结构12上，由基体树脂将增强体碳纤维与金属保护层11或粘弹性材料阻尼结构12粘连在一起，基体树脂选择为双马来酰亚胺树脂。所述粘弹性材料阻尼结构12经刷涂法设置在缠绕纤维增强结构13与缠绕纤维增强结构13之间、缠绕纤维增强结构13与金属保护层11之间或金属保护层11与金属保护层11之间，所述粘弹性材料阻尼结构12的材料选择为阻尼特性明显的粘弹性材料，如丁腈橡胶、环氧化天然橡胶、氢化丁腈、丁基橡胶或聚亚安酯。
上述具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、将最内层的金属保护层11安装在管路成型机上；
步骤2、铺设粘弹性材料阻尼结构12：按照一定比例将粘弹性材料放入有机溶剂中，溶解为具有一定流动性的胶浆；使用专用毛刷将所述胶浆分少量多次薄涂于金属保护层11或缠绕纤维增强结构13表面，静置等待其固化完成；
步骤3、铺设缠绕纤维增强结构13：张紧增强体纤维，再通过浸胶方式使增强体纤维浸入基体树脂，刮除多余基体树脂并对增强体纤维进行加热固化；后通过机器缠绕的方式将增强体纤维按照环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层11或粘弹性材料阻尼结构12层上；
步骤4、根据结构设计要求，交替添加金属保护层11、粘弹性材料阻尼结构12及缠绕纤维增强结构13，直至完成管体1的制造成型；
步骤5、安装连接管体1与卡套弯头2：将所述管体1的端头后部最外层的金属保护层11去掉一段，露出粘弹性材料阻尼结构12层；将所述管体1及选定的标准化角度弯头10固定在特定夹具上，所述后卡套4过盈配合套装在所述管体1的去掉金属保护层11处，所述前卡套3套装在所述管体1上且楔入所述后卡套4的环形斜槽内，所述管体1的端头插入标准化角度弯头10中，所述卡套定位套5套装在所述前卡套3及后卡套4上并将所述前卡套3及后卡套4压向标准化角度弯头10使得所述后卡套4楔入标准化角度弯头10的环形斜面内，所述橡胶固定套6套装在所述卡套定位套5及标准化角度弯头10上，所述橡胶固定套6的一个环形挡片卡住标准化角度弯头10的环形卡台、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套5的环台处，通过所述橡胶固定套6的矩形开口9灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套5的沟槽8流入内部，夹紧静置至树脂晾干，予以封固。
Claims (8)
1.具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，包括管体和卡套弯头，多个管体通过多种形状的卡套弯头连接组成复杂管型的管路；所述管体由缠绕纤维增强结构、金属保护层及粘弹性材料阻尼结构混杂构成。
2.根据权利要求1所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述卡套弯头包括前卡套、后卡套、卡套定位套、橡胶固定套和标准化角度弯头，所述前卡套及后卡套为带有内孔的圆锥台形状，所述后卡套的大端内缘设有环形斜槽；所述卡套定位套的表面布有多个沟槽、一端内缘设有环台；所述橡胶固定套的一侧具有成列分布的矩形开口、两端内缘设有环形挡片；标准化角度弯头的每个端头后部设有环形卡台、端头内缘设有环形斜面。
3.根据权利要求2所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述后卡套过盈配合套装在所述管体的端头处，所述前卡套套装在所述管体上且楔入所述后卡套的环形斜槽内，所述管体的端头插入标准化角度弯头中，所述卡套定位套套装在所述前卡套及后卡套上并将所述前卡套及后卡套压向标准化角度弯头使得所述后卡套楔入标准化角度弯头的环形斜面内，所述橡胶固定套套装在所述卡套定位套及标准化角度弯头上，所述橡胶固定套的一个环形挡片卡住标准化角度弯头的环形卡台、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套的环台处，通过所述橡胶固定套的矩形开口灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套的沟槽流入内部，予以封固。
4.根据权利要求2所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述标准化角度弯头的标准化角度可以根据需要进行设定。
5.根据权利要求1所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述金属保护层设置在所述管体的内表面、外表面与内部。
6.根据权利要求1所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述缠绕纤维增强结构包括基体树脂与增强体碳纤维，增强体碳纤维经环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层或粘弹性材料阻尼结构上，由基体树脂将增强体碳纤维与金属保护层或粘弹性材料阻尼结构粘连在一起。
7.根据权利要求1所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路，其特征在于，所述粘弹性材料阻尼结构经刷涂法设置在缠绕纤维增强结构与缠绕纤维增强结构之间、缠绕纤维增强结构与金属保护层之间或金属保护层与金属保护层之间。
8.如权利要求1-7之一所述的具有复杂管型和减振耐压功能的缠绕纤维/金属/粘弹性材料混杂的管路的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将最内层的金属保护层安装在管路成型机上；
步骤2、铺设粘弹性材料阻尼结构：按照一定比例将粘弹性材料放入有机溶剂中，溶解为具有一定流动性的胶浆；使用专用毛刷将所述胶浆分少量多次薄涂于金属保护层或缠绕纤维增强结构表面，静置等待其固化完成；
步骤3、铺设缠绕纤维增强结构：张紧增强体纤维，再通过浸胶方式使增强体纤维浸入基体树脂中，刮除多余基体树脂并对增强体纤维进行加热固化；后通过机器缠绕的方式将增强体纤维按照环向缠绕和螺旋缠绕两种缠绕方式交替缠绕在金属保护层或粘弹性材料阻尼结构层上；
步骤4、根据结构设计要求，交替添加金属保护层、粘弹性材料阻尼结构及缠绕纤维增强结构，直至完成管体的制造成型；
步骤5、安装连接管体与卡套弯头：将所述管体的端头后部最外层的金属保护层去掉一段，露出粘弹性材料阻尼结构层；将所述管体及选定的标准化角度弯头固定在特定夹具上，所述后卡套过盈配合套装在所述管体的去掉金属保护层处，所述前卡套套装在所述管体上且楔入所述后卡套的环形斜槽内，所述管体的端头插入标准化角度弯头中，所述卡套定位套套装在所述前卡套及后卡套上并将所述前卡套及后卡套压向标准化角度弯头使得所述后卡套楔入标准化角度弯头的环形斜面内，所述橡胶固定套套装在所述卡套定位套及标准化角度弯头上，所述橡胶固定套的一个环形挡片卡住标准化角度弯头的环形卡台、另一个环形挡片卡住所述卡套定位套的环台处，通过所述橡胶固定套的矩形开口灌入树脂，树脂通过所述卡套定位套的沟槽流入内部，夹紧静置至树脂晾干，予以封固。
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