CN115246177A - 发动机机匣的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发动机机匣的制作方法，制作方法包括：提供筒状的芯模(2)；在芯模(2)的周面上织造机匣本体(1a)的预制体，预制体包括沿芯模(2)的纵向延伸的多个A纱线和沿芯模(2)周向延伸的多个B纱线，至少部分A纱线在芯模(2)的轴向上延伸至的芯模(2)的端部以外，以预留织造机匣的法兰(1b、1c)的预制体的纱线；提供包括筒状部和连接在筒状部的端部的法兰部的外模(3)，并将外模(3)套设在机匣本体(1a)的预制体外；以及将预留织造法兰(1b、1c)的预制体的纱线呈放射状(不排除沿曲线的铺设路径，如平面螺线)铺设在法兰部的外端面上，并织造机匣的法兰(1b、1c)的预制体。

Description

发动机机匣的制作方法

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体而言，涉及一种发动机机匣的制作方法。

背景技术

航空发动机(例如燃气轮机)的机匣中存在大量高速旋转的叶片。在外物冲击、工艺缺陷等情况下，机匣中旋转中的叶片可能发生脱落，因此要求发动机机匣具备良好的包容性，保证高速高能的碎片不穿透机匣，对设备和人员造成损伤。叶片飞脱后的发动机转子存在巨大不平衡载荷，会使发动机在停车前产生持续的震动，这期间仍要求机匣保持一定的结构完整性，不发生解体。

同时，发动机机匣尺寸较大，其重量会对发动机总重量有明显影响，进而影响发动机效率。新一代商用发动机中的低温端机匣普遍采用碳纤维复合材料。专利EP167244中提出了使用三轴编织预制体，树脂液体成型工艺制造等厚度的风扇包容机匣。专利EP1674671中提出了一种变厚度的风扇包容机匣，复合材料机匣的增强相是周向对齐、多层叠加的编织物，除此之外的复合材料层由螺旋缠绕的编织物获得。专利US8322971B2提出了一种复合材料包容机匣，先采用三维机织方法加工可变厚度纤维预制体，再在一个芯模上叠层缠绕获得机匣预制体，然后通过树脂液体成型获得机匣。

机匣一般为圆环结构，在圆环轴向的两端需设有法兰。法兰上开设若干螺栓孔，通过螺栓将法兰固定在发动机的其他结构上，也就实现了机匣与发动机其他结构的连接。对于复合材料的风扇包容机匣，法兰区的纤维若是由机匣本体延续而来，将有利于提升连接的可靠性。另外，机匣的力学性能和包容性能要求较高，一般通过连续缠绕，使得增强纤维在机匣周向上是连续的。但不论连续缠绕的对象(也即承载待缠绕的线材的基体)是预浸料还是预制体，都是通过螺旋缠绕完成铺覆过程，无法实现增强纤维在机匣周向上的首尾相连，并且缠绕过程难以控制预浸料或预制体的变形，容易产生褶皱、纤维偏转等问题，机匣的加工的质量和合格率都难以保证。更重要的是，缠绕之后只能通过翻卷预制体或预浸料才能形成纤维连续的法兰结构，而预制体和预浸料本身有较大的刚度，不仅难以翻卷，还容易在翻卷处形成褶皱缺陷，降低结构的刚度和强度。

另外，如果预制体是通过机织工艺制造，其沿经向纱线方向做得很长，但纬向纱线方向常受设备限制无法做得很宽。因此，机织预制体连续缠绕必须以经向纱线方向作为机匣和法兰的周向。而经向纱线的弯曲角通常大于纬向纱线，不利于为机匣和法兰周向提供较高的结构刚度。

发明内容

本发明旨在提供一种发动机机匣的制作方法，以改善相关技术中存在预制体难以翻转形成法兰的问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种发动机机匣的制作方法，制作方法包括：

提供筒状的芯模；

在芯模的周面上织造机匣本体的预制体，机匣本体的预制体包括多个第一纱线和与A纱线相交叉的多个B纱线，至少部分A纱线在芯模的轴向上延伸至的芯模的端部以外，以预留织造机匣的法兰的预制体的纱线；

提供包括筒状部和连接在筒状部的端部的法兰部的外模，并将外模套设在机匣本体的预制体外；以及

将预留织造法兰的预制体的纱线铺设在法兰部的外端面上，并织造机匣的法兰的预制体。

在一些实施例中，制作方法还包括在织造机匣的法兰的预制体后：

在外模的轴向的端部固定模具，模具的朝向机匣的法兰的预制体的表面上具有用于形成机匣的法兰的腔体，该腔体与芯模和外模之间的腔体相通以形成与机匣相适配的型腔；

在型腔内浸润树脂。

在一些实施例中，采用机织工艺织造机匣本体的预制体和法兰的预制体。

在一些实施例中，A纱线沿芯模的轴向延伸。

在一些实施例中，A纱线为经线。

在一些实施例中，采用编织工艺织造机匣本体的预制体和法兰的预制体。

在一些实施例中，A纱线相对于芯模的轴向平行地或螺旋地布置。

在一些实施例中，A纱线包括第一A纱线和第二A纱线，第一A纱线和第二A纱线相交叉地布置。

在一些实施例中，

机匣本体的预制体的在芯模的轴向上的不同位置的厚度不同，

法兰在径向上的不同位置的厚度不同。

在一些实施例中，机匣本体的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，预制体层在芯模的轴向上的不同位置的厚度不同。

在一些实施例中，机匣本体的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，预制体在芯模的轴向上的不同位置的预制体层的数量不同。

应用本发明的技术方案，在织造机匣本体的预制体时预留织造法兰的A纱线，在织造完机匣本体的预制体后再织造法兰的预制体，因此改善了相关技术中存在的预制体难以翻转形成法兰的问题。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了发明的实施例的发动机机匣的制作方法制作而成的航空发动机机匣的结构示意图；

图2示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法制作而成的航空发动机机匣的截面结构示意图；

图3示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法制作而成的另一航空发动机机匣的截面结构示意图；

图4示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法所用的芯模的结构示意图；

图5示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法中在芯模的制作首层预制体的示意图；

图6示出了本发明的另一可选的实施例的发动机机匣的制作方法中在芯模的制作首层预制体的示意图；

图7示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法中预备制作法兰时的示意图；

图8示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法中制作法兰时的示意图；

图9示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法中密封芯模、外模和预制体以形成液体成型工艺所需的型腔的示意图；

图10示出了通过改变纱线预留量或纱线规格实现改变厚度的原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

图1示出了发明的实施例的发动机机匣的制作方法制作而成的发动机机匣的结构示意图；图2示出了本发明的实施例的发动机机匣的制作方法制作而成的发动机机匣的截面结构示意图。

结合图1所示，发动机机匣包括机匣本体1a、设在机匣本体1a的第一端的第一法兰1b和设在机匣本体1a的第二端的第二法兰1c。

其中，机匣本体1a和法兰均包括由纱线织造而成的预制体和附着在预制体上的树脂。

如图2所示，机匣本体1a的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，预制体层在芯模1的轴向上不同位置的厚度不同。机匣1可以由若干层宽度(延机匣轴向的尺寸)差异相近的复合材料层11、12、13构成，其中至少一个复合材料层含有纤维预制体。纤维预制体可以是机织预制体，也可以编织预制体，或其他织物加工方法制造的预制体。机匣1中存在连续的纤维从第一法兰1b贯穿机匣本体1a直至第二法兰1c。无论是机织工艺还是编织工艺制造的预制体，都可以根据机匣的尺寸设计，调整沿周向的纱线数量或粗细(规格)，实现复合材料层的变厚度特征。

关于复合材料层的厚度，一层中不同位置的厚度可以相同或者相差较大。图2中所示截面的包容机匣1由若干层宽度差异较大的复合材料层构成。

在另一些实施例中，机匣本体1a的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，预制体在芯模1的轴向上不同位置的预制体层的数量不同。如图3所示，复合材料层11a与复合材料层12a覆盖了机匣本体和第一、第二法兰，复合材料层14宽度未覆盖机匣的法兰区域。复合材料层15只覆盖机匣本体1a，用于增厚包容区，提升机匣包容能力。

发动机机匣的制作方法如下：

1、根据设计需要，准备制造纤维预制体所需的连续纤维纱线。纤维材料可以是碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯等任何适用纤维。纤维纱线可以是上述纤维中的一种或多种，如：同时使用碳纤维纱以及芳纶纱，或使用碳纤维与芳纶纤维混杂的纱线；纤维纱线包含的纤维数目可以是多种，比如同时使用6K，12K，24K等不同规格的碳纤维。

2、准备织造机匣本体1a的芯模2。如图4和5所示，芯模2的外径与机匣1的内径相适配，芯模2的尺寸设计需考虑必要的工艺误差及复合材料固化变形。为脱模方便，芯模2为组合式的芯模，该芯模由多块可拆卸的多个芯模组件组成。具体地，芯模2包括沿芯模2的轴心的周向并排布置的第一芯模组件21、第二芯模组件22和第三芯模组件23，第一芯模组件21、第二芯模组件22和第三芯模组件23拼装成筒状或柱状的整体的芯模2。

在一些实施例中，根据机匣的尺寸和结构特点对一个或多个芯模组件进行分区，芯模组件各分区可一体加工获得，也可分别加工后组装固定。芯模长度等于前、后两端法兰转角起始处之间的距离。制造预制体前，需要将芯模组件组装、固定，形成组合芯模2。

在一些实施例中，芯模2包括由金属层围成的筒状部件，该筒状部件可在形成机匣后拆除。在另一些实施例中，筒状部件构成机匣的一部分。

在另一些实施例中，芯模2包括芯模基体和设置芯模基体的外周面上的金属层，在形成机匣后金属层和芯模基体一起拆除。在另一些实施例中，在形成机匣后仅仅拆除芯模基体，金属层构成机匣的一部分。

3、在芯模2的周面上织造机匣本体1a的预制体，预制体包括多个A纱线和与A纱线相交叉的多个B纱线，至少部分A纱线在芯模2的轴向上延伸至的芯模2的端部以外，以预留织造机匣的第一法兰1b和第二法兰1c的预制体的纱线。

在一些实施例中，采用机织工艺织造机匣本体1a和法兰的预制体。

图5示出了采用机织工艺在芯模2上织造首层机匣本体1a的预制体层的结构示意图。如图5所示，A纱线91、92沿芯模2的轴向延伸。A纱线为经向纱线。

机织是指经向纱线与纬向纱线相互垂直交织在一起而形成织物的工艺。

编织是指至少两组纱线倾斜交织在一起而形成织物的工艺。

对于机织工艺，在纤维预制体中，所有经向纱线沿芯模2的轴向延伸，如纱线91、92。所有纬向纱线绕芯模2的周向连续铺设，如纱线81、82、83，经、纬向纱线之间的形位如同平面机织织物。织造刚好覆盖芯模2的长度的织物形成最内层(第一层)，使纬向纱线的铺设范围刚好达到芯模边缘，如纬向纱线82和83刚好与芯模2的边缘对齐。

同时，使至少一部分经向纱线长于芯模，如经向纱线91、92，其中预留了第一法兰1b所需长度的纱线91a、92a，以及第二法兰1c所需长度的纱线92a、92b。将此时多余的经向纱线作为第一组牵引,分别在前端90a或后端90b固定。应采用适当的措施，使得两端在固定后，经向纱线中仍保持一定的张力，以免影响后续的工序。

在另一些实施例中，采用编织工艺织造机匣本体1a的预制体和法兰1b、1c的预制体。

图6示出了采用编织(例如手工编织)工艺在芯模2上织造首层机匣本体1a的预制体层的结构示意图。

对于编织工艺，编织方向为机匣1的轴向方向。其中机匣本体的预制体包括沿机匣1周向延伸的纱线81`、82`、83`，用以提高环向的刚度和强度。与机织工艺中的纬向纱线类似，纬向纱线的铺设范围刚好达到芯模边缘，如纱线82`和83`刚好与芯模边缘对齐。为增强其他方向，可以引入其他方向的编织纱线，如沿一个方向的纱线96、97和沿另一方向的纱线98、99。这些不沿机匣周向的纱线中，全部或部分预留构成法兰所需的纱线，如构成第一法兰1b的纱线96、97的延长部分96a、97a，以及构成第二法兰1c的纱线96的延长部分96b。与机织工艺类似，多余的纱线在分别在前端90a`或后端90b`固定。应采用适当的措施，使得两端在固定后，经向纱线中仍保持一定的张力，以免影响后续的工序。后续过程，与机织工艺类似，因此，后文仅对机织工艺的实施方案进行说明。

进一步地，以裹有第一层纤维预制体层110的芯模2作为芯模，机织第二层织物；如制造预制层110一样，将预留的经纱作为第二组，在机匣的前段和后端分别固定。重复此过程，直至达到设计所需的预制体层数。

4、提供包括筒状部和连接在筒状部的端部的法兰部的外模3，并将外模3套设在机匣本体1a的预制体外。

如图7所示，以机匣本体1a的外径为内径、吻合法兰1b、1c内侧为要求设计外模3，外模的设计需要考虑必要的工艺误差及复合材料固化变形。外模3两端与第一法兰1b和第二法兰1c长度等于前、后两端法兰转角起始处之间的距离。为脱模方便，外模可以采用图3所示组合模的形式，不排除其他可行的外模形式。组合外模由多块可拆卸的组件31、32组成。若需，根据机匣的尺寸和结构特点对一个或多个外模组件进行分区，外模组件各分区可一体加工获得，也可分别加工后组装固定。在开始下一步前，在芯模和预制体上组装并固定外模。

5、将预留织造法兰1b、1c的预制体的纱线呈放射状铺设在法兰部的外端面上，并织造机匣的法兰1b、1c的预制体。

如图8所示，解除最后一组预留经纱的固定，从各纱线的引出处贴着外模端面、沿着机匣径向翻转，使其呈放射状分布，如91a、92a。如图8所示，引入与法兰位置直径相当的环形纱线层，如纱线85、86，覆盖到放射状纱线上使用不影响液体成型的方式固定该层放射状纱线和环形纱线，例如牵引固定、缝合、施加定型剂等。如此，就形成了制造法兰区1b、1c所需的其中一层纤维预制体130a、130b。

6、以从后往前的顺序，重复上一步，直至把预留的所有组经纱翻折到芯模上。最后一层放射状经纱上不施加环形纱线层，如此形成法兰区所需的所有层纤维预制体。

7、步骤5和6形成的法兰区纤维预制体可以是等厚度或变厚度。由于翻转之后半径增大，纤维预制体厚度自然会逐步减小。不排除通过调整放射状纱线和环形纱线的规格或分布密度，使预制体厚度满足设计要求。

8、再使用硬质模具或柔性材料，密封芯模、外模和预制体，形成液体成型工艺所需的型腔。机匣内、外径的尺寸精度，分别由芯模和外模控制。而与模具的贴合，由周向纱线的张力保证。随后使用液体成型通入树脂，固化，脱模，就可得到机匣制件。图9展示了在第一、第二法兰使用两个硬质模具4、5的情况。

9、需要指出，机匣本体区的厚度可能与法兰存在差异。对此，可通过改变纱线预留量或纱线规格实现机匣本体到法兰区的厚度变化。如图6所示，机匣本体1a`的厚度显著大于后法兰1c`，经纱94`和95`含形成法兰的多余纤维94b`和95b`，而经纱96`和97`到法兰转角区终止。另外，位于本体区的纬纱83`，与法兰区的纬纱85`采用的不同的规格体现为不同的直径、体积等。以此，实现了机匣本体和法兰区两种不同的厚度。

在本实施例中，以机匣1的内径作为外径设计芯模2，芯模2的尺寸考虑必要的工艺误差及复合材料固化变形，芯模2的长度等于第一、第二法兰转角起始处之间的距离。

利用机织或编织工艺，在该芯模2上机织环形的二维织物或三维织物。如果采用机织，织物的经向纱线沿芯模的轴向，纬纱绕芯模的周向连续铺设，经、纬纱之间的形位如同平面机织织物。如果采用编织，那么编织方向沿轴向，不排除引入周向纱线，如同机织时的纬纱处理，其他编织向的纱线则按机织情形下的经向纱线处理。

织造刚好覆盖芯模长度的织物形成最内层(第一层)，使纬纱的铺设范围刚好达到芯模边缘，同时使经向纱线的长度大于芯模，预留出法兰所需长度的纱线，即经向纱线的长度等于芯模长度和两个法兰所需长度之和。将此时长出的经向纱线作为第一组牵引、固定。

将包裹了第一层织物的芯模作为整体，形成新的芯模，继续机织下一层(第二层)织物，预留出法兰所需长度的经向纱线，并作为第二组牵引、固定。以此渐进，直至累积至所需的厚度。以机匣的外径为内径设计成型外模/阳模，考虑必要的工艺误差及复合材料固化变形，其轴向长度等于前、后法兰内侧的距离。

将外模3包裹预制体和芯模2。解除最后一组预留的经向纱线的固定，从各纱线的引出处沿着外模端面翻转，使其呈放射状分布。再引入与法兰位置直径相当的环形纱线层，覆盖到放射状纱线上，在提供周向增强的同时，确保法兰盘的厚度要求。环形纱线层可以仅包含周向纱线，也可以有不同方向的纱线，以提供各方向足够的增强作用。根据法兰设计要求，环形纱线层沿径向可以是变厚度，也可以是等厚度。使用不影响液体成型的方式固定该层放射状纱线和环形纱线，例如牵引固定、缝合、施加定型剂等。以从最后一组到第一组倒序的顺序，重复上述过程，直至把所有组的多余纱线翻折到芯模上。最后一层放射状纱线上不施加环形纱线层，如此形成了制造法兰区所需的纤维预制体。必要的话，最内层和最外层可选用具有极大伸缩性的二维二向编织筒状织物，使其延展覆盖法兰盘的表面，作为成型后构件整体的表面保护层。再使用硬质模具或柔性材料密封，通过液体成型工艺，固化、制造复合材料机匣。为方便安装和脱模，芯模和外模可采用组合模的形式，不排除其他可行的模具方案。

本专利的关键创新点在于：将机匣本体与法兰边预制体的制造分为两步。第一步：为机匣本体制造包裹芯模的环形机织预制体，并预留出足够织造法兰边的经向纱线，依预制体各层分组固定；第二步：在上一步完成的包裹芯模的预制体上安装并固定外模，依倒序解除经向纱线的固定，从各经向纱线的引出处沿着外模端面翻转，形成放射状纱线，施加环形纱线形成制造复合材料法兰所需的预制体。

以上仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种发动机机匣的制作方法，其特征在于，包括：

提供筒状的芯模(2)；

在所述芯模(2)的周面上织造机匣本体(1a)的预制体，所述机匣本体(1a)的预制体包括多个第一纱线和与所述A纱线相交叉的多个B纱线，至少部分A纱线在芯模(2)的轴向上延伸至的芯模(2)的端部以外，以预留织造机匣的法兰(1b、1c)的预制体的纱线；

提供包括筒状部和连接在筒状部的端部的法兰部的外模(3)，并将所述外模(3)套设在所述机匣本体(1a)的预制体外；以及

将预留织造所述法兰(1b、1c)的预制体的纱线铺设在法兰部的外端面上，并织造机匣的法兰(1b、1c)的预制体。

2.根据权利要求1的制作方法，其特征在于，还包括在织造所述机匣的法兰(1b、1c)的预制体后：

在所述外模(3)的轴向的端部固定模具(4、5)，所述模具(4、5)的朝向所述机匣的法兰(1b、1c)的预制体的表面上具有用于形成机匣的法兰的腔体，该腔体与所述芯模(2)和所述外模(3)之间的腔体相通以形成与机匣相适配的型腔；

在型腔内浸润树脂。

3.根据权利要求1的制作方法，其特征在于，采用机织工艺织造所述机匣本体(1a)的预制体和所述法兰(1b、1c)的预制体。

4.根据权利要求3的制作方法，其特征在于，A纱线沿所述芯模(2)的轴向延伸。

5.根据权利要求3的制作方法，其特征在于，所述A纱线为经线。

6.根据权利要求1的制作方法，其特征在于，采用编织工艺织造所述机匣本体(1a)的预制体和所述法兰(1b、1c)的预制体。

7.根据权利要求6的制作方法，其特征在于，所述A纱线相对于所述芯模(2)的轴向平行地(图5)或螺旋地(图6)布置。

8.根据权利要求6制作方法，其特征在于，所述A纱线包括第一A纱线(96、97)和第二A纱线(98、99)，所述第一A纱线(96、97)和所述第二A纱线(98、99)相交叉地布置。

9.根据权利要求1的制作方法，其特征在于，

所述机匣本体(1a)的预制体的在所述芯模(1)的轴向上的不同位置的厚度不同，

所述法兰(1b、1c)在径向上的不同位置的厚度不同。

10.根据权利要求9的制作方法，其特征在于，所述机匣本体(1a)的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，所述预制体层在所述芯模(1)的轴向上的不同位置的厚度不同。

11.根据权利要求9的制作方法，其特征在于，所述机匣本体(1a)的预制体包括沿厚度方向布置的多个预制体层，所述预制体在芯模(1)的轴向上的不同位置的预制体层的数量不同。

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