機匣
關注創建者：航空發動機知識 創建時間：2021-03-06
機匣的實例教程
人們往往更加重視航空發動機的轉子，轉子包括了風扇/壓氣機、主軸、渦輪等發動機重要且核心零部件，涉及結構、靜強度、高周和低周循環壽命、持久、蠕變、轉子動力學等諸多技術含量較高的學科，而發動機的機匣在那里靜止不動，人們往往忽略了其獨特的重要性，更忽略了機匣設計上的技術難度可能帶來的一系列麻煩的問題。
1、機匣的設計要求
機匣是航空發動機的主要承力件，它與轉子共同形成了發動機氣流通道，其結構和承載情況比較復雜，機匣結構設計的水平，直接影響發動機的氣動性能、可靠性和壽命。一個成功的機匣設計，應能：
1）提供足夠的低循環疲勞壽命；
2）防止高循環疲勞；
3）提供足夠的許用應力；
4）提供足夠的剛度；
5）提供足夠的蠕變壽命并防止屈曲；
6）在總體結構上考慮還需盡量減小機匣的熱變形和與轉子的熱不協調。
7）意外情況下，提供足夠的包容性。
2、機匣的連接結構設計
各類機匣主要包括：進氣機匣、風扇機匣/低壓壓氣機機匣、中介機匣、高壓壓氣機機匣、燃燒室內機匣和外機匣、渦輪機匣、渦輪后機匣、外涵機匣等。
機匣的連接必須保證定位可靠，保證形位公差累計后的支點同軸度，機匣設計最重要的要素之一就是定心方法。常用的定心方法有止口定心、精密螺栓定心、定位銷定心和混合定心方法。
2.1軸向安裝邊結構設計
機匣軸向分段時，機匣之間采用止口定心時，凹止口和凸止口的選擇主要取決于結構、檢驗和裝配的需要，可以考慮將溫度高、線膨脹系數大的零件做成凸止口，保證機匣之間在高溫下的可靠定心。
通常止口定心指的是內止口定心，為了減小機匣內壁面流道上止口結合處的軸向間隙和臺階，可采用外定心止口結構。
展開 寫在前面
機匣作為航空發動機的關鍵部件，其包容性能是保障飛行安全的必要條件。本文從包容定義、機匣種類、設計概念和方法、試驗驗證、數值仿真、機匣和葉片破壞方式等方面，詳細闡述了航空發動機機匣包容性研究的現狀和發展趨勢。
本文簡述了發展大涵道比渦扇發動機對輕質高包容能力風扇機匣的需求，評述了在役及在研大飛機發動機風扇機匣的設計方案，介紹了國外從事纖維增強復合材料機匣包容能力研究的情況。并分別從結構改進、低成本復合材料風扇機匣制造技術、全復合材料機匣纏繞規律、耐高溫復合材料機匣、葉片包容過程的多學科整機耦合響應分析、智能包容機匣等方面，簡要論述了我國高推質比發動機和大飛機發動機包容機匣的研制方向。
航空發動機在使用周期內承受的載荷和所處的工況十分復雜，受外物打擊、疲勞以及相關缺陷（材料、設計、工藝、維修等）的影響，發動機輪盤、輪轂、葉片等運動部件可能 失效并高速撞擊機匣。
機匣是整個發動機結構組成的主要支撐部件，是發動機可靠運行的關鍵安全部件。
航空發動機非包容事故會導致機毀人亡的嚴重空難。若機匣的強度不滿足要求，產生的高速高能碎片穿透機匣，
會擊傷飛機的機艙、油箱、液壓管路和電器控制線路等，導致機艙失壓、油箱泄
漏起火、飛機操控失靈等二次破壞，嚴重危及飛行安全。機匣將高能碎片“包”在發動機內，防止碎片穿透機匣而對飛機造成嚴重的二次損傷的能力，稱為機匣包容性能或包容性。針對機匣包容性問題，航空發動機規范中有專門條文對其提出嚴格要求。
展開 低壓渦輪機匣(圖1）是航空發動機關鍵零件，該零件為碗狀，屬典型大錐形、大高度異形環件，大、小頭截面面積差異大，零件壁厚薄，加工時易產生變形。零件材料為IN718，該合金在鍛造過程中，過程參數如加熱溫度、保溫時間、轉移時間、工模具預熱溫度、軋制曲線、終鍛溫度等控制對其性能及一致性影響極大。采用傳統方式生產該類鍛件是先將坯料制備成矩形，通過等截面轉換的方式，利用掰形沖頭將鍛件制成異形中間坯后，再通過異形軋制的方式成形。采用該方式生產的鍛件材料利用率低、制造成本高、加工后及使用過程中易變形。
圖1 低壓渦輪機匣零件示意圖
目前，用于國產商用航空發動機的低壓渦輪機匣投料重量為1327kg，鍛件重量為1122kg，交付重量為577kg，鍛件材料利用率僅為51%，環軋件到零件的材料利用率低于15%。此次試制的低壓渦輪機匣鍛件通過整體精密成形(圖2），低壓渦輪機匣鍛件重量降低至650kg，鍛件材料利用率可提升至80%，節約原材料約580kg，僅原材料節約降低成本20 多萬元，大幅降低低壓渦輪機匣制造成本。
關鍵技術
異形坯料脹形制坯技術
圖2 機匣毛坯對比
低壓渦輪機匣難以采取矩形截面環形中間坯直接軋制成形，需要制成矩形坯料后再脹形實現分料。該技術關鍵點是矩形中間坯設計及脹形模具設計，中間坯的設計需考慮制坯時的可行性及成形后的材料分配，通過兩套脹形沖頭及胎模逐步增大坯料斜度、成形大頭外法蘭，得到滿足要求的異形坯料。鍛件脹形過程示意圖見圖3。
大錐度環件精密軋制成形過程控制技術
鍛件采用徑-軸雙向聯合軋制進行整體精密軋制成形，使鍛件成形形狀接近于零件形狀，提高了材料利用率。
展開 對相同參數下實際鍛造的平衡機匣鍛件進行縱向解剖、磨拋、低倍腐蝕，鍛件流線分布如圖8 所示。結合鍛件鍛造過程中的溫度場、應力應變場變化趨勢可知，鍛造過程中坯料受擠壓向外緣流動，P2 位置流動最為劇烈，鍛件內的流線分布基本沿幾何外形，未出現紊流、穿流和亂流，實際鍛件的流線分布也基本與模擬結果相匹配。另外，鍛件表面無任何開裂現象。
圖7 數值模擬鍛件流線分布
圖8 實際鍛件的流線分布
結論
通過DEFORM-3D 軟件數值模擬對平衡機匣鍛件成形過程中溫度場、應力應變場、流線分布的分析，并結合實際鍛件的表面質量和組織流線分布得出如下結論：1Cr11Ni2W2MoV 合金平衡機匣鍛件一火模鍛成形表面無任何裂紋出現；流線分布基本沿幾何外形，未出現紊流、穿流和亂流現象；鍛件充滿效果良好，各項性能均能達到客戶要求。該型號平衡機匣一火模鍛代替傳統鍛造的方法完全可行，不僅節省了產品的生產成本，同時提高了產品質量。
展開 二、復合材料風扇葉片和機匣將降低“超扇”發動機更大尺寸版本的重量
“超扇”發動機演示驗證機將于2021年進行地面試車，最終的裝機測試可能在2023年進行。不過，羅·羅公司于2月28日決定放棄競爭波音公司“新中型飛機項目（NMA）”（NMA有可能是“超扇”發動機首個潛在的應用型號）。
演示驗證機的風扇型號為RB3069，其直徑可達140英寸（3.556米）。相比之下，通用電氣公司的GE9X發動機作為目前是世界上尺寸最大的發動機，風扇直徑尺寸僅為134英寸（3.4米）。作為一款如此龐大、為雙發飛機設計的發動機，羅·羅公司預計使用先進低壓系統（ALPS）技術將使單個發動機的重量降低超過1500磅（680千克）。
先進低壓系統（ALPS）的測試結果將為復合材料風扇和全尺寸超扇發動機演示驗證機的機匣設計提供反饋和支持。
羅·羅未來民用航空項目的首席工程師菲爾·庫爾諾克表示：“我們所做的就是將復合材料風扇和機匣整合在一起作為一個系統。此前我們一直在測試風扇系統，但現在我們想看看它與復合材料機匣作為整個系統如何一起工作，包括其工作運轉情況和磨合情況等。”
“我們還進一步觀察諸如發動機顫震和振動狀況等復雜因素，因為使用復合材料后，葉片和機匣之間的相互作用可能會有所不同。此外，我們還將重點關注發動機葉片葉尖間隙以及其隨溫度和速度改變而產生的變化。”庫爾諾克說。使用碳/鈦（CTi）材料制成的風扇是目前復合材料風扇的基準型，其性能于2014年在羅·羅公司位于亞利桑那州圖森市的飛行試驗平臺上進行了評估，使用的是供體發動機正是配有傳統鈦合金風扇機匣的“遄達1000”。
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機匣的最新內容
公司深耕五金沖壓件加工領域，具備生產單重達 150 噸大型鑄鋼件的能力，產品廣泛應用于核電主泵殼體、航空發動機機匣、海洋工程裝備等國家戰略產業。其高溫合金與特種不銹鋼鑄件通過 AS9100D 航空航天質量體系認證，技術壁壘極高，是中國少數能替代進口的關鍵部件供應商之一。
· ● 項目積淀：參與“華龍一號”核電站、C9 飛機等國家重大專項，核電鑄件國內市場占有率超 60%。
（三）工程需求的推動
隨著高端裝備制造（如航空發動機機匣、風力發電機葉片）和復合材料結構的廣泛應用，對結構分析的精度和效率提出了更高要求。例如，在航天器薄壁結構的大變形分析中，需同時考慮幾何非線性與材料非線性，傳統單元難以兼顧精度與效率；在復合材料層合板的優化設計中，層間應力的準確預測是避免分層失效的關鍵，而擬協調固體殼單元的三維應力描述能力恰好滿足這一需求。
燃燒室和機匣之間的冷卻/稀釋空氣通過Orifice單元匯入燃燒區域參與反應。燃燒室出口用Fixed Flow單元控制流體總質量。
飛機零部件檢測：對飛機發動機葉片、渦輪盤、機匣等關鍵零部件進行高精度測量，確保其尺寸精度和形狀精度符合航空標準。例如，測量葉片的輪廓度、扭轉角、弦長等參數，保證發動機的性能和安全性。
2. 飛機裝配檢測：在飛機裝配過程中，三坐標測量機可用于檢測機身、機翼、尾翼等部件的裝配精度，確保飛機的氣動外形和結構強度。
根據上述特點，鎳基鑄造高溫合金可用來制造溫度變化較大的金屬材料零件，如：航空發動機的風扇葉片、渦輪機匣部件等。
圖1：車頂機匣零件
面臨的挑戰與應對
本次案例面臨的主要挑戰分別為「減少間隙內的翹曲及零件組裝的填隙公差」及「幾何特征的翹曲超過容許范圍」。
對于上述提到的挑戰，因產品有修改限制，能減少翹曲的范圍非常有限。因此Shape選擇將零件預先反翹曲一個比例，以減少整體翹曲。
并分別從結構改進、低成本復合材料風扇機匣制造技術、全復合材料機匣纏繞規律、耐高溫復合材料機匣、葉片包容過程的多學科整機耦合響應分析、智能包容機匣等方面，簡要論述了我國高推質比發動機和大飛機發動機包容機匣的研制方向。
因而風扇機匣是維系飛機服役安全可靠的重要部件。
早期渦扇發動機風扇葉片多為鈦合金材質，一旦脫落對風扇機匣的沖擊能量較大。風扇機匣多采用鋁合金、鈦合金或高強度合金鋼制造，以增加結構厚度提高包容效果，稱為硬包容。
航空發動機中此類零件非常多，復雜結構的比如框架、各類機匣等。
文章來源：航空制造人
目前，帶冠軸流渦輪葉頂泄漏控制方法除了傳統的迷宮密封，還有蜂窩密封、干氣密封等；不帶冠軸流渦輪控制方法種類較多，可細分為主動控制方法和被動控制方法；開式和半開式向心渦輪控制方法目前僅有葉型優化和機匣開槽；閉式向心渦輪控制方法較為單一，以迷宮密封為主。
