[發明專利]具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環及制造方法

有效

• 申請號: 201810907616.5
• 申請日: 2018-08-09
• 公開（公告）號: CN109113810B
• 公開（公告）日: 2019-07-16
• 發明（設計）人: 劉璐璐;李志鵬;羅剛;陳偉;趙振華
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: F01D25/24
• 分類號: F01D25/24;F01D25/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 張弛

本發明公開了一種具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環，包括內環、外環、夾在內環和外環之間的夾層；所述夾層具有呈蜂窩狀的多個胞元，所述胞元沿周向延伸且徑向截面為負泊松比結構；每個胞元的徑向截面均具有兩條第一胞壁和四條內凹的第二胞壁，所述兩條第一胞壁分別在與所述內環和外環同圓心的兩個圓周面上延伸，第一胞壁和第二胞壁連接并合圍呈內凹六邊形結構；相互交錯且相鄰的兩個胞元之間通過各自的一條第二胞壁互相貼合。該包容環具有較好的抗沖擊性和能量吸收能力，保障發動機的可靠性；并且也具有較好的減重效果，可以充分挖掘航空零部件結構設計輕量化的潛力。同時，本發明還公開了一種易于實現和控制的制造方法。

技術領域

本發明屬于航空發動機領域，具體設計一種具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環及制造方法。

背景技術

隨著對航空發動機推力、轉速等使用性能的要求不斷提高，高速旋轉下的發動機葉片會由外物損傷、高周疲勞、鳥撞、高溫、材料缺陷等原因發生失效斷裂故障，進而斷裂葉片飛出撞擊機匣，很容易發生非包容事故。高速高能的非包容碎片可能會擊傷飛機的機艙、油箱、液壓管路和電器控制線路，給航空飛行安全帶來了嚴重威脅。因此，航空發動機的包容性研究對于提升發動機安全性、可靠性、適航性意義重大。

圍繞風扇葉片的機匣一般稱為包容環，它的功能不僅是氣流通道的機匣，而且還要起到一旦風扇葉片從根部折斷，能將風扇葉片的碎片包容在機匣內的作用。早期軍民用航空發動機包容環普遍采用傳統的鋁合金和鈦合金材料，由于材料強度高，韌性好，防護效果較好。隨著對發動機推重比等性能要要求的不斷提高，單一的金屬材料包容環已不能滿足結構輕量化需要。目前服役的一些大型發動機的包容環多利用鋁合金作為內層機匣，表面銑有柵格狀槽，將數十層高強度Kevlar織物纏繞在鋁合金機匣外部，最外層通過環氧樹脂粘結固化。這種方法較早期的金屬包容環減重明顯，但是這種軟壁包容機匣結構必須具有足夠的外部空間允許高強度的Kevlar織物在碎片沖擊時能夠充分變形。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術的缺陷，本發明提供一種具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環。該發動機包容環受沖擊時變形占用空間較小，且具有較輕的質量。

本發明的另一目的是提供一種上述發動機包容環的制造方法。

技術方案：本發明所述一種具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環，包括內環、外環、夾在內環和外環之間的夾層；所述夾層具有呈蜂窩狀的多個胞元，所述胞元沿周向延伸且徑向截面為負泊松比結構；每個胞元的徑向截面均具有兩條第一胞壁和四條內凹的第二胞壁，所述兩條第一胞壁分別在與所述內環和外環同圓心的兩個圓周面上延伸，第一胞壁和第二胞壁連接并合圍呈內凹六邊形結構；相互交錯且相鄰的兩個胞元之間通過各自的一條第二胞壁互相貼合。

有益效果：該發動機包容環采用三層結構，首先通過內環削弱沖擊速度，使得脆性的葉片破碎而分散沖擊載荷，減弱高能碎片的威脅；然后通過在內環和外環之間設置蜂窩型負泊松比結構的夾層，利用夾層自身拉脹效應和蜂窩吸能效應，在受到彈片沖擊擠壓時，立即表現出負泊松比性質，材料會迅速向彈片作用區域集中，這使得被撞區域局部強度顯著增加，因此抗沖擊性和能量吸收能力較現有金屬包容環效果改善顯著；另外蜂窩型結構可以使得擊穿內環的飛斷葉片的碎片嵌入其中，避免了碎片對轉子其余葉片的沖擊，減小二次損傷的可能性；且其結構密度顯著降低，具有較好的減重效果，可以充分挖掘航空零部件結構設計輕量化的潛力；外環起到剛性支撐以及防御作用，使得整個包容環的包容能力及可靠性進一步提升。

而本發明所述的一種具有蜂窩型負泊松比結構的發動機包容環的制造方法，其特征在于，包括下述步驟：

(1)確定夾層的尺寸，建立夾層的三維數字模型；

(2)利用激光增材制造技術將夾層加工成型；

(3)將夾層焊接或粘接在內環和外環之間。