CN215949948U - 风扇包容机匣 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种风扇包容机匣，风扇包容机匣的中部沿周向方向环绕风扇转子，风扇包容机匣具有耗能层，耗能层为负泊松比蜂窝结构，用于吸收局部冲击的能量，风扇包容机匣还包括包容层，包容层位于耗能层的外侧，包容层由芳纶纤维制成。该风扇包容机匣及包含其的航空发动机使风扇包容机匣的复合纤维层能够在意外情况发生时，例如风扇转子的叶片发生脱落时，防止脱落的叶片或其他物体穿透风扇机匣进而对航空发动机的其他部分造成更加严重的危害。芳纶纤维制成的包容层位于复合纤维层的最外层，能够捕获被冲击破坏的耗能层的碎片，阻止其飞出风扇包容机匣，并且芳纶纤维的密度较低，能够在保证韧性的同时，进一步减轻风扇包容机匣的重量。

Description

风扇包容机匣

技术领域

本实用新型涉及一种风扇包容机匣。

背景技术

航空发动机运行过程中，可能会由于外物吸入、疲劳、材料缺陷等不可避免的原因，导致风扇叶片脱落事件发生。为防止脱落的风扇叶片穿透风扇机匣，造成严重危害，航空发动机规范中都有专门条款要求风扇机匣能够包容住飞脱的风扇叶片。例如，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，发动机必须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。

传统的硬壁包容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以吸收断叶动能，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。

随着复合材料体系和制造技术的进一步发展，全复合材料风扇叶片的成功应用为复合材料风扇包容机匣的应用创造了条件，碳纤维编织结构由于其轻质和优越的抗裂纹扩展能力，被应用于风扇包容机匣，形成了全复合材料材风扇叶片包容机匣，具有更高的包容效率。然而全复合材料材风扇叶片包容机匣的制造工艺复杂，且在强度、刚度上还有待进一步增强，以现有的技术水平还无法得到令人满意的产品。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术的缺陷，提供一种风扇包容机匣。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种风扇包容机匣，所述风扇包容机匣的中部沿周向方向环绕风扇转子，所述风扇包容机匣具有耗能层，所述耗能层为负泊松比蜂窝结构，用于吸收局部冲击的能量，所述风扇包容机匣还包括包容层，所述包容层位于所述耗能层的外侧，所述包容层由芳纶纤维制成。

在本实用新型中，通过上述结构设置，使风扇包容机匣的复合纤维层能够在意外情况发生时，例如风扇转子的叶片发生脱落时，防止脱落的叶片或其他物体穿透风扇机匣进而对航空发动机的其他部分造成更加严重的危害。其中，芳纶纤维制成的包容层位于耗能层的外侧，能够捕获被冲击破坏的耗能层的碎片，阻止其飞出风扇包容机匣，并且芳纶纤维的密度较低，能够在保证韧性的同时，进一步减轻风扇包容机匣的重量。

较佳地，所述包容层由芳纶纤维条带编织和/或缠绕而成。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在采用高韧性的芳纶纤维的基础上，利用编织和/或缠绕的方式制成包容层，使其在收到冲击时，相邻的芳纶纤维条带能够相互牵拉从而分摊冲击力，进一步增强复合纤维层结构的韧性。

较佳地，所述复合纤维层还包括抗冲击层，所述抗冲击层位于所述包容层与所述耗能层之间，所述抗冲击层由陶瓷基复合材料制成。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在耗能层吸收冲击之后，抗冲击层能够保持较高的强度来对抗冲击，以减轻包容层受到的直接冲击，即使由抗冲击层被击碎也能够大幅吸收冲击的能量，并且陶瓷基复合材料相比于其他高强度材料，例如金属基复合材料，具有更小的密度，有利于减轻风扇包容机匣整体的重量。

较佳地，所述抗冲击层的厚度小于等于所述包容层的厚度。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在兼顾结构强度的同时，着重增加了复合纤维层结构的韧性，在受到冲击时能够尽可能地使碎片被包容层全部捕获，通过加强包容层的方式，直接保证脱落的叶片或其他物体不会击穿外侧的包容层。

较佳地，所述抗冲击层的厚度大于所述包容层的厚度。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在兼顾韧性的同时，着重增加了复合纤维层结构的结构强度，在受到冲击时能够尽可能地使抗冲击层不发生碎裂，通过加强抗冲击层的方式，间接保证脱落的叶片或其他物体不会击穿外侧的包容层。

较佳地，所述耗能层为负泊松比多胞结构，所述负泊松比多胞结构的胞元结构为手性结构。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在受到冲击时，负泊松比多胞结构能够在受冲击时产生压痕阻力现象，即材料向冲击区域聚集变得更加致密，被冲击部位局部强度增大，使耗能层的抵抗冲击能力得到提升，同时，耗能层在横向受压缩时，手性结构受其中横向切向梁的作用力发生旋转，带动纵向切向梁收缩。利用手性结构的这一特性可以得到比一般胞元结构更大的变形度，从而吸收更多的冲击能量。

较佳地，所述手性结构各方向泊松比均为-1。

在本实用新型中，通过上述结构设置，使负泊松比多胞结构能够更大程度地将断裂风扇叶片对风扇包容机匣的径向的冲击力转换到切向方向，减小机匣承受的径向载荷。

较佳地，所述手性结构为三切向梁手性结构，由中心圆形刚体和三根切向梁组成，三根所述切向梁沿所述中心圆形刚体的横截面的切向设置，三根所述切向梁所在直线之间互相成120°且关于所述中心圆形刚体中心对称。

在本实用新型中，通过上述结构设置，相邻的胞元结构之间能够共用切向梁并且朝相同方向转动，以此来传递载荷，并且该多胞结构在截面上整体形成六边形蜂窝状的结构，密度更低，更加有利于减轻耗能层整体的重量。

较佳地，所述风扇包容机匣的内壁上设有易磨层，所述易磨层由易磨材料形成于所述耗能层的内表面。

在本实用新型中，通过上述结构设置，防止风扇包容机匣的内壁在风扇转子的叶片靠近时磨损叶片，由于风扇转子的叶片相比于耗能层更易发生磨损，因此在耗能层的内表面设置易磨层，以代替叶片优先被磨损。

较佳地，所述易磨层与所述风扇转子的叶片尖端沿径向方向留有间隙。

在本实用新型中，通过上述结构设置，在正常运作时，避免风扇转子的叶片直接与耗能层内表面上的易磨层发生接触而被磨损。

较佳地，所述风扇包容机匣的两端沿轴向方向延伸并超出所述风扇转子的前后两端。

在本实用新型中，通过上述结构设置，使风扇包容机匣能够完全覆盖风扇转子的范围，在发生意外情况时，能够保证所有方向的碎片均不会逃离风扇包容机匣。

本实用新型的积极进步效果在于：该风扇包容机匣及包含其的航空发动机利用其结构，使风扇包容机匣的复合纤维层能够在意外情况发生时，例如风扇转子的叶片发生脱落时，防止脱落的叶片或其他物体穿透风扇机匣进而对航空发动机的其他部分造成更加严重的危害。芳纶纤维制成的包容层位于复合纤维层的最外层，能够捕获被冲击破坏的耗能层的碎片，阻止其飞出风扇包容机匣，并且芳纶纤维的密度较低，能够在保证韧性的同时，进一步减轻风扇包容机匣的重量。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的风扇包容机匣的风扇转子的周向剖视图。

图2为本实用新型实施例1的风扇包容机匣的内部结构的剖视图。

图3为本实用新型实施例1的风扇包容机匣的复合纤维层的局部剖面放大图。

图4为本实用新型实施例1的风扇包容机匣的耗能层的放大图。

图5为本实用新型实施例1的风扇包容机匣的耗能层中胞元结构的示意图。

图6为本实用新型实施例2的风扇包容机匣的复合纤维层的局部剖面放大图。

附图标记说明：

风扇包容机匣100

易磨层1

耗能层2

中心杆21

切向梁20

抗冲击层3

包容层4

风扇转子5

叶片51

具体实施方式

下面举两个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本实用新型。

实施例1

如图1-5所示，本实施例提供一种用于航空发动机的风扇包容机匣100。风扇包容机匣100位于航空发动机的风扇转子5周向的外侧，风扇包容机匣100的中部沿周向方向环绕风扇转子5。从垂直于风扇转子5轴线的方向来看，风扇包容机闸将整个风扇转子5包容于其内部的空间中。本实施例中，风扇包容机闸自内而外具有三层结构，分别为易磨层1、耗能层2、抗冲击层3以及包容层4，其中抗冲击层3和包容层4统称为复合纤维层。

如图4-5所示，本实施例中，风扇包容机匣100中的耗能层2为负泊松比蜂窝结构，用于吸收局部冲击的能量。其中，耗能层2为负泊松比多胞结构，其胞元结构为手性结构。

具体地，本实施例中的手性结构选取三切向梁20手性结构。如图4-5所示，三切向梁20手性结构由中心杆21和三根切向梁20组成，三根切向梁20沿中心杆21的横截面的切向设置，三根切向梁20之间互相成120°且关于中心杆21中心对称。三根切向梁20的延长线在同一平面内共同围成一个以中心杆21的中心线为中心的等边三角形。

首先，在耗能层2受到冲击时，负泊松比蜂窝结构能够在受冲击时产生压痕阻力现象，即材料向冲击区域聚集变得更加致密，被冲击部位局部密度增加，相应地，结构强度也会增大，从而使耗能层2的抵抗冲击能力得到提升。

其次，耗能层2在横向受压缩时，作为多胞结构的胞元结构的手性结构受其中横向切向梁20的作用力发生旋转，从而带动纵向切向梁20收缩。利用这一特性可以得到比一般胞元结构更大的变形度，从而吸收更多的冲击能量。

进一步地，相邻的胞元结构之间能够共用切向梁20并且朝相同方向转动，以此来传递载荷，并且该多胞结构在截面上整体形成六边形蜂窝状的结构，整体密度更低，更加有利于减轻耗能层2的总重量。

在本实施例中，手性结构各方向泊松比均为-1。这一点可以从变形时耗能层2运动及其相应的几何原理推断得出。在本实用新型中，采用各方向泊松比均为-1的手性结构，使负泊松比多胞结构能够更大程度地将断裂的风扇叶片51对风扇包容机匣100的径向的冲击力转换到切向方向，减小风扇包容机匣100所承受的径向载荷。

本领域技术人员应当理解，三切向梁20手性结构组成的负泊松比多胞结构仅仅是本实用新型在本实施例中的实施方式。在其他实施例中，可以采用其他类似的负泊松比结构，从而达到相同的技术效果。

如图2-3所示，本实施例中的复合纤维层包括外层的包容层4和内层的抗冲击层3。根据实际需要，本领域技术人员可以间隔或叠加设置多个包容层4和抗冲击层3。

在本实施例中，风扇包容机匣100中的包容层4位于外层，由芳纶纤维条带编织而成。

具体地，在本实施例中，在采用高韧性的芳纶纤维的基础上，利用编织的方式制成包容层4，使其在收到冲击时，相邻的芳纶纤维条带能够相互牵拉从而分摊冲击力，进一步增强复合纤维层结构的韧性。

本领域技术人员应当理解，利用编织的方式支撑包容层4仅仅是本实用新型在本实施例中的实施方式。在其他实施例中，芳纶纤维条带也能够通过缠绕的方式，形成互相覆盖、互相紧固的结构，从而达到相同的技术效果。当然，在材料性能允许的范围内，同时使用缠绕和编织两种实施方式来获得复合的包容层4也能够达到更好的技术效果，但对于材料的消耗相对于其他方式来说要更大。

如图2-3所示，风扇包容机匣100中的抗冲击层3位于包容层4与耗能层2之间，抗冲击层3由陶瓷基复合材料制成。

具体地，在本实施例中，在耗能层2吸收冲击之后，抗冲击层3能够保持较高的强度来对抗冲击，以减轻包容层4受到的直接冲击。即使抗冲击层3被击碎，也能够大幅吸收冲击的能量。

并且，陶瓷基复合材料相比于其他高强度材料，例如高强钢，高强度轻合金，金属基复合材料等，具有更小的密度，更加有利于减轻风扇包容机匣100整体的重量。

如图2-3所示，在本实施例中，抗冲击层3的厚度小于等于包容层4的厚度。

具体地，在兼顾结构强度的同时，着重增加了复合纤维层结构的韧性，在受到冲击时能够尽可能地使碎片被包容层4全部捕获。即使在击穿抗冲击层3之后，脱落的叶片51仍具有较大的动能，也无法击穿高韧性的包容层4。

这就意味着，芳纶纤维的材料性能是风扇包容机匣100的包容性能的关键。本实施例中，通过直接加强包容层4的方式，以保证脱落的叶片51或其他物体不会击穿外侧的包容层4。相对来说，芳纶纤维的密度要低于陶瓷基复合材料的密度。因此，随着芳纶纤维的制造工艺和材料性能逐渐改善，这种方案将会成为较佳的解决方案。

如图2所示，在本实施例中，风扇包容机匣100的内壁上设有易磨层1，易磨层1由易磨材料形成于耗能层2的内表面。

由于风扇转子5的叶片51相比于耗能层2更易发生磨损，为了防止风扇包容机匣100的内壁在风扇转子5的叶片51靠近时磨损叶片51，本实施例中在耗能层2的内表面设置易磨层1，以代替叶片51优先被磨损。

具体地，本实施例中，易磨层1的材料通过喷涂成型工艺形成于耗能层2的内表面上。类似地，在本实用新型的其他实施方式中，可以使用粉末冶金或者气相沉积等方式，形成于耗能层2的内表面上。

如图2-3所示，在本实施例中，易磨层1与风扇转子5的叶片51尖端沿径向方向留有间隙。具体地，在本实施例中，在正常运作时，能够留出安全余量，避免风扇转子5的叶片51直接与耗能层2内表面上的易磨层1发生接触而被磨损。

本领域技术人员应当注意的是，即使设置易磨层1的目的是为了代替叶片51被磨损，在风扇正常转动时，风扇转子5的叶片51尖端与易磨层1之间的间隙宽度也应当处于一个范围内。当该间隙宽度太大时，会影响到风扇整体的吹/排风效果。当该间隙宽度太小时，一旦叶片51发生小幅形变或颗粒状外界异物进入风道，则叶片51尖端就有可能与易磨层1发生碰撞，而不是磨损。碰撞对风扇转子5的叶片51造成的损伤比磨损造成的损伤会更大。

在本实施例中，风扇包容机匣100的两端沿轴向方向延伸并超出风扇转子5的前后两端(图中未示出)。具体地，在本实施例中，风扇包容机匣100的两端向风扇转子5的前后两端延伸一段距离。这样一来，使风扇包容机匣100能够完全覆盖风扇转子5的范围。在发生风扇转子5的叶片51脱落等意外情况时，能够保证所有方向的碎片均不会逃离风扇包容机匣100。

本实施例中，通过采用上述用于航空发动机的风扇包容机匣100，能够在确保风扇包容机匣100的包容功能良好的前提下，极大程度地减轻航空发动机整体的重量。

实施例2

本实施例提供一种用于航空发动机的风扇包容机匣100，其整体与实施例1中的用于航空发动机的风扇包容机匣100大致相同。

如图6所示，两者的区别之处在于：抗冲击层3的厚度大于包容层4的厚度。

具体地，在兼顾韧性的同时，在本实施例中着重增加了复合纤维层结构的结构强度，也就是增加了抗冲击层3的厚度。在受到冲击时能够尽可能地使抗冲击层3不发生碎裂。在本实施例中，通过增加抗冲击层3的厚度从而增加抗冲击层3的强度，以此间接地保证脱落的叶片51或其他物体不会击穿外侧的包容层4。

对于成本更高、制造工艺更为复杂的芳纶纤维来说，陶瓷基复合材料的材料性能的提升，尤其是强度的提升，要更为简单。因此，可以通过增加陶瓷基复合材料的强度，来间接降低包容层4对芳纶纤维的材料性能的要求。

在实际工程中，本领域的技术人员应当对不同厚度、不同种类的芳纶纤维和陶瓷基复合材料充分地进行组合实验。在保证风扇包容机匣100整体包容性能的前提下，结合考虑制造难度、产品寿命和实际重量等因素，来合理选择两者的组合，作为最合适的方案。本实用新型中的两个实施例仅仅是为本领域技术人员提供了一种简单的具体实施方式。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims (11)

1.一种风扇包容机匣，所述风扇包容机匣的中部沿周向方向环绕风扇转子，所述风扇包容机匣具有耗能层，其特征在于，所述耗能层为负泊松比蜂窝结构，用于吸收局部冲击的能量，所述风扇包容机匣还包括包容层，所述包容层位于所述耗能层的外侧，所述包容层由芳纶纤维制成。

2.如权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述包容层由芳纶纤维条带编织和/或缠绕而成。

3.如权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述风扇包容机还包括抗冲击层，所述抗冲击层位于所述包容层与所述耗能层之间，所述抗冲击层由陶瓷基复合材料制成。

4.如权利要求3所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述抗冲击层的厚度小于等于所述包容层的厚度。

5.如权利要求3所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述抗冲击层的厚度大于所述包容层的厚度。

6.如权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述耗能层为负泊松比多胞蜂窝结构，所述负泊松比多胞结构的胞元结构为手性结构。

7.如权利要求6所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述手性结构各方向泊松比均为-1。

8.如权利要求6所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述手性结构为三切向梁手性结构，由中心圆形刚体和三根切向梁组成，三根所述切向梁沿所述中心圆形刚体的横截面的切向设置，三根所述切向梁所在直线之间互相成120°且关于所述中心圆形刚体中心对称。

9.如权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述风扇包容机匣的内壁上设有易磨层，所述易磨层由易磨材料形成于所述耗能层的内表面。

10.如权利要求9所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述易磨层与所述风扇转子的叶片尖端沿径向方向留有间隙。

11.如权利要求1所述的风扇包容机匣，其特征在于，所述风扇包容机匣的两端沿轴向方向延伸并超出所述风扇转子的前后两端。

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