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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 一種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 為了解決現(xiàn)有工藝無法在短時(shí)間內(nèi)對(duì)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件加裝包容環(huán)這一難題，本作品發(fā)明了基于三維正交結(jié)構(gòu)的新型發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)，開創(chuàng)了“機(jī)匣—包容材料”組合型設(shè)計(jì)模式。利用有限元模擬技術(shù)對(duì)包容環(huán)預(yù)制件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過先進(jìn)的三維正交織造技術(shù)保證了包容環(huán)的整體性，并進(jìn)行了一系列靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試評(píng)估其包容性能。此種包容環(huán)憑借其質(zhì)量輕、包容性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)化等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)中得到了初步應(yīng)用，并具有推廣應(yīng)用于新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的前景。
- 詳細(xì)介紹：
- 現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)的某些部件由于沒有包容環(huán)而存在著斷葉碎片飛出機(jī)匣的安全隱患，然而現(xiàn)有的整體式包容環(huán)工藝卻很難在短時(shí)間內(nèi)在機(jī)匣上加裝包容機(jī)構(gòu)。為解決這一難題，本作品開創(chuàng)了“機(jī)匣—包容環(huán)”組合型設(shè)計(jì)模式，并首次將三維正交結(jié)構(gòu)應(yīng)用于包容環(huán)。運(yùn)用有限元模擬技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)了三維正交包容環(huán)預(yù)制件的各項(xiàng)織造工藝參數(shù)；進(jìn)一步完善國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的三維正交織造技術(shù)，發(fā)明了雙面引緯、自動(dòng)鎖邊的三維正交有孔織造方法實(shí)現(xiàn)包容環(huán)預(yù)制件的一次成型；通過準(zhǔn)靜態(tài)拉伸實(shí)驗(yàn)、準(zhǔn)靜態(tài)侵徹實(shí)驗(yàn)和彈道沖擊實(shí)驗(yàn)測(cè)試了其包容性能指標(biāo)，經(jīng)分析表明其能夠?yàn)闄C(jī)匣提供足夠安全的包容能力。此種包容環(huán)與現(xiàn)有包容環(huán)相比，具有質(zhì)量輕、成本低、工藝簡(jiǎn)便、包容能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，目前已經(jīng)初步應(yīng)用于某型號(hào)現(xiàn)役飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)也具有應(yīng)用于新設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的潛力。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 為消除現(xiàn)役飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)部件的非包容安全隱患，改進(jìn)現(xiàn)有包容環(huán)技術(shù)，滿足大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)包容性能的更高要求，發(fā)明了此種新型航空發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)。 作品采用綜合機(jī)械性能最優(yōu)異的三維正交結(jié)構(gòu)作為包容環(huán)的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，為機(jī)匣“量身訂做”了一件“防彈衣”。此設(shè)計(jì)既彌補(bǔ)了非包容漏洞，又無需改變機(jī)匣原有結(jié)構(gòu)；既進(jìn)一步提升了包容能力，又具有紡織結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)。 本作品的創(chuàng)新之處在于：首先，突破了包容環(huán)與被保護(hù)機(jī)匣整體制作的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將包容環(huán)直接“穿”在機(jī)匣外，不但簡(jiǎn)化了工藝，而且避免了漫長(zhǎng)的適航實(shí)驗(yàn)；其次，首創(chuàng)性地采用三維正交結(jié)構(gòu)作為包容環(huán)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)，有效提高了包容環(huán)材料的機(jī)械性能；此外，還發(fā)明了三維正交孔洞織造方法直接得到有孔織物，保證了包容環(huán)預(yù)制件的結(jié)構(gòu)完整性。 在關(guān)鍵技術(shù)上，本作品通過有限元模擬技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)三維正交包容環(huán)材料的工藝參數(shù)；采用雙面引緯、自動(dòng)鎖邊、端部減層等改進(jìn)的三維正交織造技術(shù)實(shí)現(xiàn)了包容環(huán)預(yù)制件的一次成型；利用復(fù)合材料成型技術(shù)得到環(huán)狀的三維正交增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。 涉及的主要技術(shù)指標(biāo)包括三維正交預(yù)制件的厚度和經(jīng)緯密度、包容環(huán)材料的拉伸斷裂應(yīng)力和彈道沖擊比吸能指數(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，厚度2mm、經(jīng)密9根/cm、緯密6根/cm的三維正交包容環(huán)材料，其拉伸斷裂應(yīng)力大于2.0Gpa，彈道沖擊比吸能指數(shù)約為30J.m^2/kg，均優(yōu)于同等質(zhì)量的傳統(tǒng)包容環(huán)材料。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 先進(jìn)的有限元模擬設(shè)計(jì)方法：有限元分析技術(shù)是解決復(fù)雜非線性問題的一種有效途徑。本作品利用有限元模擬軟件，通過外帶子程序建立單胞模型，編譯材料退化和破壞原理，順次對(duì)芳綸/聚氨酯三維正交柔性復(fù)合材料進(jìn)行有限元建模、有限元分析計(jì)算和后處理，預(yù)估了材料的抗沖擊性能。 優(yōu)越的三維正交結(jié)構(gòu)：三維正交結(jié)構(gòu)是對(duì)傳統(tǒng)紡織結(jié)構(gòu)的革新和飛躍，Z向紗的加入實(shí)現(xiàn)了織物在厚度方向的可設(shè)計(jì)性，其憑借結(jié)構(gòu)完整性和尺寸穩(wěn)定性，已成為復(fù)合材料最重要的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)之一。本作品正是最大限度地利用了三維正交結(jié)構(gòu)優(yōu)異的抗沖擊性能，使材料既可以通過層間變形吸能，又具有厚度方向上的抗載荷能力。 優(yōu)化的三維正交織造技術(shù)：本作品對(duì)國(guó)際先進(jìn)的三維正交技術(shù)做了進(jìn)一步完善，發(fā)明了雙面引緯、自動(dòng)鎖邊的三維正交孔洞織造方法，增強(qiáng)了三維正交結(jié)構(gòu)的仿形能力。此方法可推廣應(yīng)用于所有三維正交有孔預(yù)制件的加工，以避免機(jī)械開孔對(duì)材料連續(xù)性和完整性的破壞。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 于2009年5月在教育部科技查新工作站進(jìn)行了成果鑒定科技查新，未發(fā)現(xiàn)與本項(xiàng)目查新點(diǎn)內(nèi)容相同的報(bào)道。查新報(bào)告請(qǐng)見附件。 本包容環(huán)技術(shù)已獲得中國(guó)航空工業(yè)第一集團(tuán)南京機(jī)電液壓工程研究中心認(rèn)可并簽訂研發(fā)合同,投入實(shí)際使用。應(yīng)用證明請(qǐng)見附件。
作品所處階段
- 中試階段：該包容環(huán)已通過應(yīng)用方的裝機(jī)試驗(yàn)，首批裝備于30架某型號(hào)現(xiàn)役飛機(jī)的渦扇9型發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品；圖片；樣品
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本作品包容環(huán)應(yīng)用了抗沖擊性能優(yōu)異的三維正交結(jié)構(gòu)，將一次成型的包容環(huán)直接裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣上，具有可靠的包容性、良好的整體性、廣泛的適用性和簡(jiǎn)便的制作工藝，并且能夠?qū)崿F(xiàn)單獨(dú)拆換。因此可以有效彌補(bǔ)現(xiàn)有復(fù)合材料包容環(huán)的不足，實(shí)現(xiàn)包容材料輕質(zhì)與良好防護(hù)性能的統(tǒng)一。 目前中航一集團(tuán)相關(guān)單位已經(jīng)對(duì)本包容環(huán)進(jìn)行了裝機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得到初步認(rèn)可，擬簽訂合作協(xié)議，實(shí)際應(yīng)用到缺少包容機(jī)構(gòu)的某型號(hào)現(xiàn)役航空發(fā)動(dòng)機(jī)上。此外，本包容環(huán)工藝同樣適用于新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其是其質(zhì)量輕、包容性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)恰好滿足大涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)的性能要求。由此可見，無論對(duì)于現(xiàn)役發(fā)動(dòng)機(jī)還是新設(shè)計(jì)的發(fā)動(dòng)機(jī)，本包容環(huán)工藝都有廣闊的應(yīng)用前景。
同類課題研究水平概述
- 世界各航天大國(guó)都日趨重視包容環(huán)技術(shù)的研發(fā)，目前包容環(huán)的主要類型及工藝為： ①金屬類包容環(huán)：以鎳、鈦合金或不銹鋼為主體材料，體積大、質(zhì)量重、應(yīng)用范圍受到局限。 ②陶瓷類包容環(huán)：以陶瓷為基體、纖維為增強(qiáng)材料，通過鑄接工藝、粉末燒結(jié)工藝、活性釬焊工藝將金屬層、纖維層和陶瓷層焊接為一體，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)。 ③聚合物基復(fù)合材料包容環(huán)： 鋪層法：GE公司的CF6-80C2發(fā)動(dòng)機(jī)和R.R.公司的TRENT800發(fā)動(dòng)機(jī)較早采用了復(fù)合材料包容環(huán)。其工藝都是在機(jī)匣上圍一圈鋁制蜂窩層，再包纏65層芳酰胺布形成厚輪緣，最后涂覆芳酰胺樹脂形成包容環(huán)，重量比金屬包容環(huán)輕50%。鋪層法包容環(huán)的層狀結(jié)構(gòu)，易造成局部應(yīng)力集中而使材料的拉伸強(qiáng)力和抗沖擊性能下降；鋪層層數(shù)較多也會(huì)影響生產(chǎn)效率，增加生產(chǎn)成本。 纏繞法：P&W公司制造的PW2000、PW4084等發(fā)動(dòng)機(jī)均采用了芳綸纖維纏繞的復(fù)合材料包容環(huán)。在鋁合金殼體上預(yù)加工出等格柵結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)肋，沿格柵纏繞幾十層凱芙拉纖維條帶，外層再涂覆環(huán)氧樹脂成型。雖然纏繞式包容環(huán)的質(zhì)量進(jìn)一步減輕、剛性有所增強(qiáng)，但在纏繞纖維的過程中會(huì)產(chǎn)生孔隙、纖維束扭捻等難以去除的缺陷，增加了包容環(huán)的后道加工難度。 夾層法：CFM56發(fā)動(dòng)機(jī)包容環(huán)采用了以Nomex為芯的玻璃纖維蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，對(duì)機(jī)匣壁和前安裝邊進(jìn)行了加厚，并在機(jī)匣外壁上做出四圈整體加強(qiáng)肋，以增強(qiáng)機(jī)匣的安全性。夾層結(jié)構(gòu)的包容環(huán)雖然可靠性強(qiáng)，但其工藝流程長(zhǎng)、殘次品率較高，使產(chǎn)品的性價(jià)比降低。 總體而言，以上包容環(huán)的制造工藝均需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣進(jìn)行相應(yīng)的改造，增加了發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)的復(fù)雜性，限制了其適用范圍；同時(shí)“機(jī)匣－包容環(huán)”整體式結(jié)構(gòu)也使包容環(huán)的拆換維修極為不便。相比之下，本作品所述的包容環(huán)創(chuàng)新性地采用組合式結(jié)構(gòu)，無需對(duì)機(jī)匣進(jìn)行二次設(shè)計(jì)；三維正交結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，也有效避免了層狀和纏繞結(jié)構(gòu)材料在性能上的各種缺陷。 參考文獻(xiàn)詳見查新報(bào)告及論文后所附內(nèi)容。
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