基本信息
- 项目名称：
- 一种新型航空发动机包容环
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 为了解决现有工艺无法在短时间内对现役航空发动机相关部件加装包容环这一难题，本作品发明了基于三维正交结构的新型发动机包容环，开创了“机匣—包容材料”组合型设计模式。利用有限元模拟技术对包容环预制件进行了优化设计，通过先进的三维正交织造技术保证了包容环的整体性，并进行了一系列静、动态力学性能测试评估其包容性能。此种包容环凭借其质量轻、包容性强、工艺简化等独特优势，已经在现役发动机中得到了初步应用，并具有推广应用于新设计发动机的前景。
- 详细介绍：
- 现役航空发动机的某些部件由于没有包容环而存在着断叶碎片飞出机匣的安全隐患，然而现有的整体式包容环工艺却很难在短时间内在机匣上加装包容机构。为解决这一难题，本作品开创了“机匣—包容环”组合型设计模式，并首次将三维正交结构应用于包容环。运用有限元模拟技术优化设计了三维正交包容环预制件的各项织造工艺参数；进一步完善国内外先进的三维正交织造技术，发明了双面引纬、自动锁边的三维正交有孔织造方法实现包容环预制件的一次成型；通过准静态拉伸实验、准静态侵彻实验和弹道冲击实验测试了其包容性能指标，经分析表明其能够为机匣提供足够安全的包容能力。此种包容环与现有包容环相比，具有质量轻、成本低、工艺简便、包容能力强等优势，目前已经初步应用于某型号现役飞机发动机，同时也具有应用于新设计发动机的潜力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 为消除现役飞机发动机相关部件的非包容安全隐患，改进现有包容环技术，满足大涵道比涡扇发动机对包容性能的更高要求，发明了此种新型航空发动机包容环。 作品采用综合机械性能最优异的三维正交结构作为包容环的增强结构，为机匣“量身订做”了一件“防弹衣”。此设计既弥补了非包容漏洞，又无需改变机匣原有结构；既进一步提升了包容能力，又具有纺织结构质量轻的优势。 本作品的创新之处在于：首先，突破了包容环与被保护机匣整体制作的传统结构，将包容环直接“穿”在机匣外，不但简化了工艺，而且避免了漫长的适航实验；其次，首创性地采用三维正交结构作为包容环预制件的结构，有效提高了包容环材料的机械性能；此外，还发明了三维正交孔洞织造方法直接得到有孔织物，保证了包容环预制件的结构完整性。 在关键技术上，本作品通过有限元模拟技术优化设计三维正交包容环材料的工艺参数；采用双面引纬、自动锁边、端部减层等改进的三维正交织造技术实现了包容环预制件的一次成型；利用复合材料成型技术得到环状的三维正交增强树脂基复合材料。 涉及的主要技术指标包括三维正交预制件的厚度和经纬密度、包容环材料的拉伸断裂应力和弹道冲击比吸能指数。经实验测得，厚度2mm、经密9根/cm、纬密6根/cm的三维正交包容环材料，其拉伸断裂应力大于2.0Gpa，弹道冲击比吸能指数约为30J.m^2/kg，均优于同等质量的传统包容环材料。
科学性、先进性
- 先进的有限元模拟设计方法：有限元分析技术是解决复杂非线性问题的一种有效途径。本作品利用有限元模拟软件，通过外带子程序建立单胞模型，编译材料退化和破坏原理，顺次对芳纶/聚氨酯三维正交柔性复合材料进行有限元建模、有限元分析计算和后处理，预估了材料的抗冲击性能。 优越的三维正交结构：三维正交结构是对传统纺织结构的革新和飞跃，Z向纱的加入实现了织物在厚度方向的可设计性，其凭借结构完整性和尺寸稳定性，已成为复合材料最重要的增强结构之一。本作品正是最大限度地利用了三维正交结构优异的抗冲击性能，使材料既可以通过层间变形吸能，又具有厚度方向上的抗载荷能力。 优化的三维正交织造技术：本作品对国际先进的三维正交技术做了进一步完善，发明了双面引纬、自动锁边的三维正交孔洞织造方法，增强了三维正交结构的仿形能力。此方法可推广应用于所有三维正交有孔预制件的加工，以避免机械开孔对材料连续性和完整性的破坏。
获奖情况及鉴定结果
- 于2009年5月在教育部科技查新工作站进行了成果鉴定科技查新，未发现与本项目查新点内容相同的报道。查新报告请见附件。 本包容环技术已获得中国航空工业第一集团南京机电液压工程研究中心认可并签订研发合同,投入实际使用。应用证明请见附件。
作品所处阶段
- 中试阶段：该包容环已通过应用方的装机试验，首批装备于30架某型号现役飞机的涡扇9型发动机压气机。
技术转让方式
- 专利转让
作品可展示的形式
- 实物、产品；图片；样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品包容环应用了抗冲击性能优异的三维正交结构，将一次成型的包容环直接装配在发动机机匣上，具有可靠的包容性、良好的整体性、广泛的适用性和简便的制作工艺，并且能够实现单独拆换。因此可以有效弥补现有复合材料包容环的不足，实现包容材料轻质与良好防护性能的统一。 目前中航一集团相关单位已经对本包容环进行了装机试验，试验结果得到初步认可，拟签订合作协议，实际应用到缺少包容机构的某型号现役航空发动机上。此外，本包容环工艺同样适用于新设计的发动机，尤其是其质量轻、包容性强的优点恰好满足大涵道比涡扇发动机包容环的性能要求。由此可见，无论对于现役发动机还是新设计的发动机，本包容环工艺都有广阔的应用前景。
同类课题研究水平概述
- 世界各航天大国都日趋重视包容环技术的研发，目前包容环的主要类型及工艺为： ①金属类包容环：以镍、钛合金或不锈钢为主体材料，体积大、质量重、应用范围受到局限。 ②陶瓷类包容环：以陶瓷为基体、纤维为增强材料，通过铸接工艺、粉末烧结工艺、活性钎焊工艺将金属层、纤维层和陶瓷层焊接为一体，构成三明治结构。 ③聚合物基复合材料包容环： 铺层法：GE公司的CF6-80C2发动机和R.R.公司的TRENT800发动机较早采用了复合材料包容环。其工艺都是在机匣上围一圈铝制蜂窝层，再包缠65层芳酰胺布形成厚轮缘，最后涂覆芳酰胺树脂形成包容环，重量比金属包容环轻50%。铺层法包容环的层状结构，易造成局部应力集中而使材料的拉伸强力和抗冲击性能下降；铺层层数较多也会影响生产效率，增加生产成本。 缠绕法：P&W公司制造的PW2000、PW4084等发动机均采用了芳纶纤维缠绕的复合材料包容环。在铝合金壳体上预加工出等格栅结构的加强肋，沿格栅缠绕几十层凯芙拉纤维条带，外层再涂覆环氧树脂成型。虽然缠绕式包容环的质量进一步减轻、刚性有所增强，但在缠绕纤维的过程中会产生孔隙、纤维束扭捻等难以去除的缺陷，增加了包容环的后道加工难度。 夹层法：CFM56发动机包容环采用了以Nomex为芯的玻璃纤维蜂窝夹层结构，对机匣壁和前安装边进行了加厚，并在机匣外壁上做出四圈整体加强肋，以增强机匣的安全性。夹层结构的包容环虽然可靠性强，但其工艺流程长、残次品率较高，使产品的性价比降低。 总体而言，以上包容环的制造工艺均需要对发动机机匣进行相应的改造，增加了发动机设计研发的复杂性，限制了其适用范围；同时“机匣－包容环”整体式结构也使包容环的拆换维修极为不便。相比之下，本作品所述的包容环创新性地采用组合式结构，无需对机匣进行二次设计；三维正交结构的应用，也有效避免了层状和缠绕结构材料在性能上的各种缺陷。 参考文献详见查新报告及论文后所附内容。
