CN104040057A - 一种π型截面的复合材料增强部件，特别是用于涡轮引擎风机的平台，以及其制造方法 - Google Patents

一种π型截面的复合材料增强部件，特别是用于涡轮引擎风机的平台，以及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制造π型截面的复合材料的增强部(10)件的方法，该方法包括通过三维机织制作第一套互连的纱线层以形成要形成基部预成体的第一纤维坯体部分(102)，通过三维机织制作第二套互连纱线层以形成要形成加强件预成体的第二纤维坯体部分(104)，所述第二套的纱线通过机织在中央互连条带(106)上与所述第一套的纱线互连，所述中央互连条带(106)在与所述基部的梯台相对应的区(108，110)中朝着所述第一纤维坯体部分的侧边(102a)向外张开；对所述两个纤维坯体部分进行成型以获得单片纤维预成体(100)，其具有形成基部预成体的部分和形成加固件预成体的部分；以及在所述纤维预成体中沉积树脂以形成基质。本发明还提供了一种通过该方法获得的π型截面的增强部件。

Description

一种π型截面的复合材料增强部件,特别是用于涡轮引擎风机的平台,以及其制造方法
技术领域
本发明涉及由包括用基质致密化的纤维增强件的复合材料制成的π型截面的增强部件的通用领域。
应用的领域是用于涡轮引擎风机的平台的领域。
背景技术
涡轮引擎的风机平台，特别是涡轮喷气式发动机的风机平台被布置在风机叶片之间以便延展其进气锥。它们特别用于限定允许空气进入风机的环形进入通道的内侧，所述通道的外侧被壳体限定。
风机平台依靠在平台的前面和后面形成的梯台可以附连至引擎结构。这些梯台于是被容纳在引擎结构的缘部下面以便保持平台不受由于风机旋转速度而引起的离心力的作用。由于风机旋转而引起的离心力还具有促使平台在其中间向外凸出的作用。因而，为了确保平台适当地工作并且为了避免它们过分地移动，有必要通过给它们配备在它们的基部延展的腿部或突出部来加固这些部件。
此外，借助于热结构复合材料，并且特别是有机基复合(organic matrixcomposite,CMC)材料在制作风机叶片时已经被普遍应用。与金属合金相比，这样的材料呈现了高温性能并且它们重量更小。
发明内容
因此还期望的是具有风机平台，且更通常地是涡轮引擎增强部件，其由复合材料制成，特别地但是不排它地由诸如OMC材料之类的热结构复合材料制成。
为此，本发明提供了一种制造π型截面的复合材料的增强部件的方法，所述部件包括形成基部的第一部分和形成加固件的第二部分，其中所述基部在其纵向端部的至少一个处呈现出梯台，所述加固件具有在其长度的至少一片断上从所述基部的面延展的两个腿部，所述方法包括：
制作第一套多个纱线层，它们通过三维机织进行互连以形成要形成基部预成体的第一纤维坯体部分；
制作第二套多个纱线层，它们通过三维机织进行互连以形成要形成加固件预成体的第二纤维坯体部分，所述第二套多个纱线层的纱线通过机织与所述第一套多个纱线层的纱线在中央互连条带处互连，所述中央互连条带在所述第一纤维坯体部分的两个纵向端部之间纵向延展并且在与所述基部的梯台相对应的区中朝着其侧边向外张开；
对所述两个纤维坯体部分进行成型以获得单片纤维预成体，其具有形成基部预成体的部分和形成加固件预成体的部分；以及
在所述纤维预成体中沉积树脂以便获得包括由通过基质致密化的预成体构成的纤维增强件的复合材料增强部件。
本发明提供了用于沿着中央互连条带对两套纱线层进行互连的方法，其中所述中央互连条带在与基部的梯台相对应的第一坯体部分的区中向外张开。在成型期间，尽管存在梯台，在两套纱线层之间根据其得到的互连的特定形状因而使得能够形成增强部件的加固件的腿部坯体。特别地，在梯台的区域中，在不在它们的长度上进行折叠的情况下(其可能在其它方面引起失稳现象)可以形成腿部坯体。
与把用于增强部件的纤维坯体三维机织为单片相比，本发明的该方法呈现出来执行起来更加十分简单的优点。特别地，组成纤维坯体的各部分的成型不要求对预成体进行切削，也不需要把折叠相对于彼此进行定位的众多且困难的操作。
此外，本发明的方法使得能够获得特别鲁棒的纤维预成体，这是因为制成它的两个纤维坯体部分通过机织互连。当用来制造涡轮引擎风机平台时，本发明的方法因而有助于给予这样的平台的机械属性，特别是在基部形成部分和加固件形成部分之间的连接处。
依据本方法的有益特征，通过机织所述第二套纱线层的纱线与所述第一套纱线层的互连通过分别沿着互连的条带对所述纱线进行交叉来获得。这样的互连因而可以在不增加附加纱线的情况下获得，因此避免了对预成体进行加固。
当所述增强部件的基部在其两个纵向端部呈现出梯台时，所述第一套和第二套纱线层的纱线之间的互连条带朝着所述第一纤维坯体部分在与所述基部的梯台相对应的区中的每一个中的侧边有利地向外张开。在这样的环境下，且优选地，在从与所述底部的上游梯台相对应的区域的上游和与所述基部的下游梯台相对应的区域的下游，所述第一和第二套纱线层的纱线之间的互连条带在所述第一纤维坯体部分的整个宽度上横向地延展。在本文相对于机织的方向来使用术语“上游”和“下游”。
优选地，成型包括通过沿着共同的基本横向的折叠线对两个纤维坯体部分进行折叠形成至少一个梯台。同样地，所述第二纤维坯体部分的成型包括在基本垂直于所述第二纤维坯体部分的方向上对所述第二纤维坯体部分的非互连部分进行折叠以便形成两个腿部预成体。
本发明还提供了一种制造的由复合材料制成的π型截面的增强部件，包括形成基部的第一部分和形成加固件的第二部分，其中所述基部在其纵向端部的至少一个处呈现出梯台，所述加固件具有在其长度的至少一片断上从所述基部的面延展的两个腿部，所述第一和第二部分沿着中央互连条带互连，所述中央互连条带在所述第一部分的两个纵向端部之间纵向延展且在与所述基部的梯台相对应的区中朝着其侧边向外张开。
该增强部件可以由有机基复合材料制作。
依据增强部件的特征，所述第一和第二部分通过在互连条带内构成它们的纱线的相应交叉来互连。
依据增强部件的另一特征，在从与所述基部的梯台相对应的所述第一部分的区的下游，所述第一和第二部分之间的互连条带在所述第一部分的整个宽度上横向地延展。
增强部件的第一部分可以在其纵向端部的至少一个处包括梯台。
该增强部件可以构成涡轮引擎的风机平台。
本发明还提供了一种与上面所限定的至少一个风机平台适配的涡轮引擎。
附图说明
根据参考示出没有限制性特征的实现方式的附图所进行的下面描述，显现出本发明的其它特性和优点。在图中：
图1是通过本发明的方法获得的涡轮引擎风机平台的概略视图；
图2非常概略地示出了两套纱线层如何布置在三维机织纤维坯体中，该三维机织纤维坯体用于制作图1中所示类型的平台的纤维预成体；
图3和4示出了在从图2的纤维坯体制作用于图1中所示类型的平台的纤维预成体过程中的相继梯台；以及
图5、6和7是图2纤维坯体分别在平面V-V、VI-VI和VII-VII上的纬平面。
具体实施方式
本发明适用于任何π截面增强部件，其包括壳体，该壳体在其纵向端的至少一端具有梯台以及具有从基部的一面延展的两个腿部的加固件。
发现本发明的优选应用特别在于制造用于涡轮引擎风机的平台，诸如图1中所示出的平台。
图1中的平台10包括形成基部12的第一部分和形成加固件14的第二部分。基部12在形状上是基本细长的，具有顶面12a和底面12b。在其纵长端部的每一个处，该基部具有相应的梯台16，即，其端部沿着基本横向延展的线向内折叠。这些梯台16使该平台能够固定到涡轮引擎结构。
平台的加固件14包括两个腿部18(或突出部)，该腿部18(或突出部)在其整个长度上从基部的内面12b延展。腿部用来加固平台以便避免它在因风机旋转速度而引起的离心力的作用下进行移动。
采用这种方式制作的平台10呈现出π型的截面，如图1中虚线左示出的。
图2是纤维坯体100的高度概略图，从该纤维坯体100，在注入树脂或者用基质进行致密化之前，以及还可能在机加工之前，能够成型用于平台的纤维预成体，以便获得由复合材料制作且如图1中所示的风机平台。
坯体100包括通过三维机织或者多层机织获得的第一坯体部分102和第二坯体部分104，并且在图2中仅示出了这两个部分的包络面(envelop)。在成型之后，第一部分102构成了与基部平台相对应的该纤维平台的一部分。在成型之后，第二部分104意图构成与加固件平台对应的用于平台的该纤维平台的另一部分。
这两个坯体部分102和104采用条带形式，其通常在与要制作的平台的纵向方向相对应的方向X上延展。这两个纤维坯体部分可以具有相同的宽度和相同的长度，其宽度和长度根据要制作的平台的尺寸来选择。
这两个坯体部分102和104在不互连的情况下(除了中央条带之外)通过三维机织同时进行机织，该中央条带被称为在它们的两个纵向端部之间纵向延展的互连条带106,下面参考图6至8描述了沿着中心条带在坯体的这些部分之间如何进行连接的示例。
在其纵向端部中的每一个处，这两个坯体部分102、104之间的中央互连条带106朝着这两个坯体部分的在与平台基部的梯台位置相对应的第一和第二区108和110中的相应的相对侧102a和104a向外张开。
因而，在该图中所示出的这两个坯体部分102和104的机织前进方向F上，互连条带106在该坯体部分的整个宽度上在上游端延展。从与第一区108(还称为上游区)对应的第一横向折线108a开始，至与第一区108端部对应的第二横向折线108b互连条带的宽度变窄。在相对端部，坯体部分之间的互连条带再一次(在横向方向上)从与第二区110(还称为下游区)的开始处相对应的第一横向折线110a至与第二区110端部对应的第二横向折线110b扩展，从第二区110互连条带在坯体部分的整个宽度上延展。
如图3所示，于是两个纤维坯体部分102和104在上面限定的折线108b和110a(其线为这两个坯体部分共有)处朝着内部折叠。此后，坯体部分在另外折线108a和110b处朝着外侧折叠以便使纤维坯体缘的这两个端部适合于把平台附连至引擎构件。梯台因而由坯体部分的片断限定出来，在折线108a和108b之间限定为上游梯台且在折线110a和110b之间限定为下游梯台。
由于在中央互连条带106外侧的纤维坯体的各部分之间缺少互连，所以第二坯体部分104的非互连部分112于是能够向内折叠(或部署)以便形成腿部平台(图4)。
在梯台附近在坯体部分之间的非互连区的特定形状使得能够获得腿部平台112，其沿着它们的整个长度没有任何折叠。
于是通过模制获得了要制造的平台的纤维预成体，其中使第一纤维坯体部分变形以便取得匹配于要在其中安装平台的叶片的轮廓的形状。通过在模制之前或者通过在模制之后对部件进行机加工之前使预成体变形可以给出最终形状。这产生了具有基部预成体部分和加固件预成体部分的预成体，基部预成体部分具有其梯台，加固件预成体部分具有其两个腿部(或突出部)。
纤维预成体的纤维由根据期望目的来选择的材料制成，例如它们由玻璃制成、由碳制成、或者由陶瓷制成。
在纤维预成体被保持在模具中时，把基质沉积在纤维预成体中以便获得复合材料平台，至少直到该预成体已经加固(或者巩固)为止。基质是一种根据预期应用来选择的树脂，例如特别是从有机基质的前体的树脂获得的有机基质，诸如环氧树脂、双马来酰亚胺、或者聚亚胺树脂、或者碳基质、或者陶瓷基质。在有机基质的情况下，用包含基质前体的树脂的合成物来渗入纤维预成体，这或者在用工具成型之前或者在成型之后进行，在此情况下渗入可以例如通过注入或者通过树脂传递模制(RTM)类型的工艺来执行。在碳基质或者陶瓷基质的情况下，致密化可以通过化学气相渗透法(CVI)或者通过用包含碳或者陶瓷的前体的树脂的液体合成物进行注入来执行，然而对对前体执行热解或者陶瓷化热处理，这些方法本身众所周知。
在纤维预成体注入/致密化之后，把平台机加工成其最终尺寸。
参考图5至7，随后描述对纤维坯体100的三维机织的示例，且更特别是沿着中央条带106在坯体部分102和104之间互连的示例。
图5、6和7是图2纤维坯体100分别在平面V-V、VI-VI和VII-VII上的纬平面的高度概略图。术语纤维坯体的“纬”平台用于意指垂直于经纱且包含纬纱列的平面。
纬平面V-V对应于在纤维坯体的两个纵向端部之间的半路的平面。纬平面VI-VI处于与平台基部的下游梯台的位置对应的区110中，而纬平面VII-VII在区110的下游(在机织前进方向F上)。
在其外侧和内侧面114a和114b之间，纤维坯体100包括九个经纱层c1至c9和九个纬纱层t1至t9，其中，纬纱组t2至t5的纱线和纬纱组t6至t9的纱线之间的两个交叉在交叉区116a和116b。
在图5至7中由线表示的非互连区118a和118b布置在经纱的相邻层之间，具体在层c5和c6之间，这些非互连区在纤维坯体100的侧部分中在其相对侧边100a、100b和交叉区116a和116b之间延展。这些非互连区是为了互连位于非互连区的任一侧上的经纱的目的而纬纱不穿过的区域。
在它们之间交叉区116a和116b限定了中央互连条带106，沿着它这两个坯体部分互连。因而，如图6中所示，在图2的纬平台VI-VI上交叉区116a和116b比在纬平面V-V上与彼此间隔开的更大。结果是互连条带在坯体的这两个部分之间的下游向外张开。相似地，在与图2中的纬平面VII-VII对应的图7中，在坯体的两个部分之间不再具有任何互连区，因此在它们的整个宽度上两个部分互连并且形成了单套纱线层。
如上面所提及的，在对纤维坯体100进行了机织之后，与非连区118a和118b且与内侧面114b相邻的坯体的部分120和122朝着内部部署以便形成腿部预成体112。
自然地，假若在这些叶片中的每一个叶片中执行三维机织，预成体的各个部分(基部和腿部)的经纱层和纬纱层的数目可以不同于所描述示例中的数目。
另外，假若在每个组中存在至少一个纱线，交叉两次的纱线组中的纱线数也可以不同于所描述示例中的数目。特别地，对于在对预成体的腿部进行机织中涉及的经纱不需要还都包括在与包括在对基部进行机织的纬纱的两个交叉中。
可选地，通过添加附加纱线(例如，通过缝合或者缝制)，可以制作沿着互连条带106纤维坯体的坯体部分102和104之间的互连。
最后，在上面描述中，自然地能够互换术语“经”和“纬”。
更具体地，还应当观测到，由上面机织创建的非互连区还可以用其它本身已知的方式获得，特别是在不对来自两套纱线层的纱线进行交叉的情况下在织物中去互连来获得。
例如，纤维结构可以具有与上面描述的通过用在纤维结构的整个厚度上互连纱线层的互锁织物进行三维机织来形成的中央互连条带相对应的部分，以及与平台的腿部相对应的两个部分，其中每两个相邻纱线层(图5的层c5和c6)不再互连以便使在该构件的厚度上的多个层连接在一起，但是与面缎织物进行机织以便创建两个非互连预成体部分。

Claims (13)

1.一种制造π型截面的复合材料的增强部件(10)的方法，所述部件包括形成基部(12)的第一部分和形成加固件(14)的第二部分，其中所述基部(12)在其纵向端部的至少一个处呈现出梯台(16)，所述加固件(14)具有从所述基部的面(12b)延展的两个腿部(18)，延伸长度绵延于所述基部的至少一部分长度上，所述方法包括：
制作第一套多个纱线层，它们通过三维机织进行互连以形成要形成基部预成体的第一纤维坯体部分(102)；
制作第二套多个纱线层，它们通过三维机织进行互连以形成要形成加固件预成体的第二纤维坯体部分(104)；所述第二套多个纱线层的纱线通过机织与所述第一套多个纱线层的纱线在中央互连条带(106)处互连，所述中央互连条带(106)在所述第一纤维坯体部分的两个纵向端部之间纵向延展并且在与所述基部的梯台相对应的区(108,110)中朝着第一纤维坯体部分(102)的侧边(102a)向外张开；
对所述两个纤维坯体部分进行成型以获得单片纤维预成体(100)，其具有形成基部预成体的部分和形成加固件预成体的部分；以及
在所述纤维预成体中沉积树脂以形成基质以便获得包括由通过基质致密化的预成体构成的纤维增强件的复合材料增强部件。
2.依据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过机织所述第二套纱线层的纱线与所述第一套纱线层的互连通过分别沿着互连的条带对所述纱线进行交叉来获得。
3.依据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述增强部件的基部在其两个纵向端部呈现出梯台时，所述第一套和第二套纱线层之间的互连条带朝着所述第一纤维坯体部分在与所述基部的梯台相对应的区中的每一个中的侧边向外张开。
4.依据权利要求3所述的方法，其中，在从与所述底部的上游梯台相对应的区域的上游和与所述基部的下游梯台相对应的区域的下游，所述第一和第二套纱线层的纱线之间的互连条带在所述第一纤维坯体部分的整个宽度上横向地延展。
5.依据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，进行成型包括通过沿着共同的基本横向的折叠线(108b,110a)对两个纤维坯体部分进行折叠来形成至少一个梯台。
6.依据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述第二纤维坯体部分的成型包括在基本垂直于所述第二纤维坯体部分的方向上对所述第二纤维坯体部分的非互连部分(112)进行折叠以便形成两个腿部预成体。
7.一种由复合材料制成的π型截面的增强部件(10)，包括形成第一部分的基部(12)和形成第二部分的加固件(14)，所述基部在其纵向端的至少一个处呈现出梯台(16)，所述加固件具有从所述基部的面(12b)延展的两个腿部(18)，延伸长度绵延于所述基部的至少一部分长度上，其特征在于，所述第一和第二部分沿着中央互连条带(106)互连，所述中央互连条带(106)在所述第一部分的两个纵向端部之间纵向延展且在与所述基部的梯台相对应的区(108,110)中朝第一纤维坯体部分(102)的其侧边(102a)向外张开。
8.依据权利要求1所述的增强部件，其特征在于，它由有机基复合材料制成。
9.依据权利要求7或权利要求8所述的增强部件，其特征在于，所述第一和第二部分通过在互连条带内构成它们的纱线的相应交叉来互连。
10.依据权利要求7至9中任一项所述的增强部件，其特征在于，在从与所述基部的梯台相对应的所述第一部分的区的下游，所述第一和第二部分之间的互连条带在所述第一部分的整个宽度上横向地延展。
11.依据权利要求7至10中任一项所述的增强部件，其特征在于，所述第一部分在其纵向端部中的至少一个处包括梯台。
12.依据权利要求7至10中任一项所述的增强部件，其特征在于，它构成了涡轮引擎的风机平台。
13.一种与依据权利要求12的至少一个风机平台适配的涡轮引擎或者一种通过依据权利要求1至6中任一项所述的方法制造的涡轮引擎。
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