CN101249725B - 由复合材料制造燃气涡轮机壳体的方法,及由此获得的壳体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种厚度不同的复合材料壳体，特别是燃气涡轮机风扇壳体，采用成形纤维增强件并使用基质对该增强件进行致密化而制成。纤维增强件的制造是将纤雏织构叠置层缠绕在心轴上制成，所述纤维织构采用三维编织技术制成，厚度不同。

Description

由复合材料制造燃气涡轮机壳体的方法,及由此获得的壳体
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机壳体，更特别地，涉及航空燃气涡轮发动机的风扇阻挡壳体(fan retention casing)。
背景技术
在航空燃气涡轮发动机中，风扇壳体具有几种用途。它形成了发动机的进气通道，支撑着面对风扇叶片尖部的耐磨材料，它可选地支撑着用于吸收声波，以在发动机进气口处进行声处理的结构，而且它接合或支撑着固定护罩(retention shield)。固定护罩形成了碎屑收集器，可以挡住任何碎屑，诸如被吸入的异物或者因离心力而抛扔的损坏叶片的碎片，从而防止这些碎屑穿过壳体而进入到航空器的其它部位。
通常，风扇阻挡壳体均采用较薄的金属壁板构成，这些金属壁板形成了发动机的进气通道，并支撑着耐磨材料和声处理(如果有的话)，还有固定到所述金属壁板外侧的护罩结构，与风扇互相对准。这种护罩结构可以通过多层纤维织构来制成。例如，可以参考如下文献：US 4 699 567；US 4 902 201；和US 5 437 538。
欧洲专利文献EP 1 674 244中提出了采用纤维/树脂型复合材料制造具有恒定厚度的风扇阻挡壳体的建议，其制造方式是，先制造纤维预制件，而后浸入树脂，最后再对浸有树脂的预制件进行模压成形，从而直接获得所需要的形状。预制件通过一种三轴编织技术制成。
US 2006/0093847号专利文献还涉及到制造一种风扇阻挡壳体，但制造方式是，在纤维/树脂复合材料层之间交织排列金属蜂窝状芯材料层，从而增加壳体厚度，而所述复合材料层，例如通过粘合剂装配到金属蜂窝状芯材料层上。
欧洲专利ＥP 1 674 671还提出了使用复合材料制造不同厚度的风扇阻挡壳体的方法，其厚度大于风扇的厚度。夹芯纤维层由沿圆周方向对齐的编织物制成，相互叠置在一起。另外还添加了其它的纤维层，这些纤维层由螺旋缠绕编织的纤维制成。这些纤维层通过一种热固性树脂连接到一起。出现冲击情况下，动能会因为分层作用，即由于纤维层的分离、树脂裂化，及最终由于纤维断裂而耗散。
US2005/084377和US2006/257260号专利文献公开了一种方法，采用这种方法，可以制造复合材料风扇叶片的纤维预制件，所述纤维预制件可以通过三维编织技术做为单一部件而被直接获得，在编织期间，部件的厚度、宽度和编织方法都会变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用复合材料制造不同厚度的燃气涡轮机壳体的方法，不论是从结构角度还是从承受冲击的能力角度来讲，性能都会得到提高。
该目的可以通过制造燃气涡轮机的不同厚度的复合材料壳体的方法来实现，所述方法包括通过叠置纤维织构层形成纤维增强件，并对该纤维增强件使用基质材料进行致密化处理，该方法中，纤维织构通过三维编织技术进行制造，具有不同的厚度，所述纤维织构采用叠置多层纤维缠绕在心轴上而成，心轴外形与需要制造的壳体的外形一致，从而获得不同厚度的纤维预制件，其形状与所要制造的壳体形状相符。
将不同厚度的编织织构缠绕在心轴上就可以直接获得管状预制件，这种预制件具有所需要的不同厚度的形状。
编织织构的缠绕还可以使得线纱沿圆周方向缠绕，这样有助于提供壳体所需要的结构性能，且又不必在编织物中***纵向线纱，而后者在上述的专利文献EP 1 674 671中则是必不可少的。
此外，采用风扇阻挡壳体时，人们发现出现冲击时，能量的消散主要是通过基质的微破裂，而不是分层作用，为此，不会使壳体形状产生显著改变。
有利地，纤维织构在编织时，其经纱被卷绕在绕线架上，而后者的外形则取决于要制造的壳体的外形。在缠绕期间，由于经纱的圆周路径不同，结果经纱的卷绕就不同，从而形成所述预制件。
即使预制件的局部厚度差异很大时，构成单一部件的预制件也可以通过缠绕不同厚度的三维织物来获得。这样，当需要制造的壳体包括至少一个凸缘时，预制件可以有利地一起与对应于壳体的凸缘预制件部分制成单一部件。凸缘预制件部分从而可以直接地结合到壳体预制件中，包括在凸缘预制件上沿圆周方向缠绕的线纱，其有助于向壳体凸缘提供所需要的机械强度性能。
另外，有利地，在纤维织构的纵向端部附近区域内，从纤维织构的纵向端部，以渐进增加厚度的方式编织纤维织构。
预制件可以通过带有双罗纹(interlock)编织的三维编织技术来形成。
本发明还提供了一种用于燃气涡轮机的风扇阻挡壳体，所述壳体厚度不同，采用带有由基质致密的纤维增强件的复合材料制成，其中纤维增强件包括不同厚度的纤维织构，该织构由三维编织技术并缠绕在叠置层内形成。
本发明还提供了一种使用上述风扇阻挡壳体的航空燃气涡轮发动机。
附图说明
下面参照附图，并阅读如下示例说明，可以更好的理解本发明，但本发明并不仅限于所述示例，附图如下：
·图1为航空燃气涡轮发动机的示意图；
·图2为轴向剖面半视图，示出了图1所述种类的燃气涡轮机风扇的阻挡壳体外形；
·图3为轴向剖面半视图，示出了纤维织物的三维编织技术用绕线架，用来形成图2所示壳体的纤维预制件；
·图4和图5为双罗纹类型三维编织的示意图；
·图6为纤维织构层剖面图，所述纤维织构是通过图3所示绕线架卷绕编织而获得的；
·图7为轴向剖面半视图，以较大比例示出了用于缠绕图3纤维织构形成壳体预制件的心轴；
·图8示出了轴向剖面半视图，以放大的比例示出了壳体预制件，所示壳体预制件是通过在图7所示心轴上缠绕纤维织构而获得的。
具体实施方式
下面介绍了根据本发明制造航空燃气涡轮发动机风扇壳体的情况，从而了解本发明的特性。
如图1清楚所示，这种发动机沿燃气流动方向，自上游到下游，包括：设置在发动机进气口的风扇1；压缩机2；燃烧室3；高压(HP)涡轮机4；低压LP)涡轮机5。高压涡轮机和低压涡轮机通过同轴的各自轴分别联接到压缩机和风扇上。
发动机安装在包括多个部分的壳体内，这些部分都对应于发动机各种不同的部件。这样，风扇1的周围就形成了风扇壳体10。
图2示出了由复合材料制成的风扇壳体10的外形，所述风扇壳体是按照本发明的方法制造的。壳体的内表面11形成了进气通道。它可以设有耐磨涂层12，对准后面的风扇叶片尖的通路，所示叶片13为局部部分，且图示相当清楚。为此，仅在沿壳体长度方向(即沿轴向)部分上使用了耐磨涂层。另外，在内表面11上，特别是在耐磨涂层12的上游部分，还可以应用声处理涂层(图中未示)。
壳体10还在其上游端和下游端设置有指向外部的凸缘14、15，从而便于装配并与其它部件相连接。在其上游端和下游端之间，壳体10的厚度不同，壳体的中央部分16的厚度实际上要大于其两端部分，并与端部逐渐相连接。
中央部分16在上游和下游端在风扇位置两侧延伸，以形成阻挡壳体，能够阻挡碎屑、颗粒或吸入的异物进入到发动机内，因为碎屑以及风扇转动而径向抛射的异物等会对风扇叶片造成损坏，为此可防止它们通过壳体而对航空器的其它部分造成损坏。
壳体10采用包含基质致密的纤维增强件的复合材料制成。增强件可以用纤维制成，例如，碳、玻璃、芳族聚酸胺或者陶瓷纤维，基质可以由聚合物，例如环氧化物、双马来酰亚胺、或者聚酰亚胺制成。
根据本发明的特征，纤维增强件的形成可以将纤维织构缠绕在心轴上，纤维织构采用三维编织技术制成，厚度不同，心轴的外形则符合要制造的壳体的形状。有利地，纤维增强件构成壳体10的完整管状纤维预制件，形成了包括对应于凸缘14、15的增强部分在内的单一部件。
三维编织是这样进行的，即，将经纱卷绕在根据要制造壳体形状而选择的绕线架上。无需选择那种要对壳体内表面形状进行复制的绕线架形状，而这是卷绕心轴所必需的。为了方便起见，在编织时，可以使用一种平均直径要大大小于待制造壳体内表面直径的绕线架。然后，选择绕线架的形状，这样当最后缠绕在成形心轴上时，最终形成的织物很容易地具有所需要的形状。如下所述，还可以很容易地形成织物的边缘部分，而这些部分构成了与凸缘相对应的预制件的各个部分。
图3示出了在编织纤维织构时使用的绕线架20的一个示例，适合于通过将纤维织构缠绕在心轴上而获得图2所示壳体10的完整纤维预制件。绕线架20的中央部分21逐渐延伸到两侧部分23、25，这两部分的直径要小于中央部分21的直径，两侧部分23、25分别连接到端部27、29，其直径沿向绕线架20的轴向端部而显著增加。
纤维织构的三维编织技术可以使用包括多层经纱和纬纱在内的双罗纹型编织来进行。三维编织物的厚度可以不同或者呈锥形，这样随后可以进行缠绕，获得与需要制造壳体厚度相对应的不同厚度的预制件。经纱由绕线架20卷绕，在编织时，纤维织构就逐渐缠绕在绕线架上。
图4和图5为两部分纤维织构的双罗纹编织的示例，这两部分厚度不同，分别为中央部分较厚，两侧部分较薄。图4和图5中，以剖面形式示出了纬纱部分。带有双罗纹编织的三维编织技术涉及到每个经纱都与多层纬纱相连，经纱随后所走的路线是相同的。通过增加或减少一层或多层经纱和纬纱，就可以逐渐增加或缩小纤维织构的厚度。
另外，还可以设想使用其它的三维编织法，例如采用多缎纹或多平纹编织来进行多层编织。这种编织法在WO 2006/136755号专利文献中进行了介绍。
图6为采用三维编织技术在绕线架20上形成的纤维织构30层的剖面示意图。纤维织构30包括中央部分31，其厚度要大于相邻的两侧部分33、35，而这两侧部分的末端部分37、39则向外抬起。
为了获得所需壳体的纤维预制件，纤维织构30采用多个叠置层或匝数在心轴，如图7所示心轴40上缠绕。
心轴40的外表面42与要制造壳体的内表面以及两个侧凸缘44、45的形状相对应。
纤维织构30在心轴40上卷缠后，其形状开始发生变化，端部37、39抬起，抵在凸缘44、45上，形成了与壳体凸缘14、15相对应的预制件部分(见图7)。这样，就形成了预制件部分37、39，其径向延伸，在编织时，纤维织构边缘处不会出现突然转变，否则，三维编织期间会产生制造问题。
图8为纤维预制件50的剖面图，这是在心轴40上缠绕了多层纤维织构30后获得的预制件50。层数或匝数是所需厚度和纤维织构厚度的函数，优选不少于两个层数或匝数。在纤维织构纵向端部邻近区域，纤维织构的厚度自纵向端部逐渐增加，而纤维织构的长度可以选择，以便使得终端部分径向相反，从而可以避免一旦缠绕，织构端部附近厚度的明显地过多增加。
所获得的纤维预制件50的中央部位56厚度较大，对应于壳体的中央部分16，而其端部54、55则对应于凸缘14、15。
将预制件50置于心轴40上，并浸入树脂。为此，在预制件上使用了一种柔性护套或囊。可在外部与预制件所位于的心轴和柔性囊所限定的空间之间建立压力差，以便协助树脂的浸入。在树脂浸入之后，开始进行聚合树脂。
这样就直接形成了一种坯体，可以在加工后获得所需要的壳体，以便进行表面处理。
纤维织构的经纱沿圆周方向缠绕，有助于提供壳体所需要的机械强度，包括向缠绕经纱的凸缘提供所需机械强度。
纤维织构的圆周连续性有利于提供良好的冲击强度，从而不会出现实质上的分层现象(即叠置层之间的分离)，冲击损伤就是呈现基质的微破裂。这样，壳体的形状得以保存。
本发明的复合材料风扇壳体的冲击强度可以与采用“6061”铝合金制成的壳体的冲击强度相匹敌，后者是CFM国际公司供货商制造的“CFM56-7”型发动机上目前使用的风扇壳体。复合材料由纤维增强件构成，后者是通过叠置多层由碳纤维以及以环氧树脂基质制造的三维双罗纹编织织物而形成。
对于每个单位面积同等重量来讲，在两种材料的平板上测量的穿孔能量是复合材料为3000焦耳(J)，相比较，铝合金的穿孔能量则是1500焦耳(J)。
如上所述，壳体预制件也可以设计制成单一部件，如果有壳体凸缘的话，同时带有对应于壳体凸缘的预制件部分。在变化的形式中，例如，通过在预制件的端部缠绕一条纤维织构，与凸缘相对应的每个预制件部分也可以单独制造。纤维织构条可以由两维或三维织物制造。缠绕的纤维织构条与预制件的连接可以通过缝制或植入刚性部件，例如碳制造的刚性部件来实现。
而且，可按照已知方式，壳体可以设置有固定到其外表面上的加强件。
上述方法特别适合于制造航空燃气涡轮发动机的风扇壳体。然而，这种方法同样还适用于其它燃气涡轮机壳体或壳体部件，特别是航空燃气涡轮发动机，诸如，喷嘴或混合器的壳体。

Claims (8)

1. 一种用于燃气涡轮机的不同厚度复合材料壳体的制造方法，所述方法包括通过纤维织构叠置层形成纤维增强件，并使用基质对纤维增强件进行致密化，其特征在于：纤维织构是用三维编织技术制成，厚度不同，其中，纤维织构以多个叠置层形式缠绕在心轴上，所述心轴的外形与需要制造的壳体形状相对应，从而获得不同厚度且形状对应于需制造壳体形状的纤维预制件。
2. 一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在编织纤维织构时，其经纱被缠绕在绕线架上，所述绕线架的外形根据需要制造的壳体外形而定。
3. 一种根据权利要求1所述的方法，其用于制造带有至少一个固定或连接凸缘的壳体，其特征在于：预制件与对应于壳体凸缘的预制件部分是作为单一部件来制造。
4. 一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在编织纤维织构时，其厚度在纵向端部附近区域内自其纵向端部逐渐增加。
5. 一种根据权利要求1所述的方法，其特征在于：预制件是采用带有双罗纹编织的三维编织技术形成。
6. 一种燃气涡轮机的风扇阻挡壳体，该壳体的厚度不同，采用复合材料制成，所述复合材料使用了经由基质致密化的纤维增强件，其特征在于：纤维增强件包括厚度不同的纤维织构，所述纤维织构采用三维编织技术并缠绕成叠置层形成。
7. 一种根据权利要求6所述的壳体，所述壳体包括至少一个凸缘，其特征在于：纤维增强件制作为包括凸缘增强部分的单一部件。
8. 一种航空燃气涡轮机发动机，所述发动机使用了根据权利要求6或权利要求7所述的风扇阻挡壳体。
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