CN107407154B - 易碎复合翼型件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有至少一个易碎复合叶片(40)的旋转式机械(10)，易碎复合叶片(40)减轻与由对复合叶片(40)的撞击破坏引起的材料释放相关的不利状态。复合叶片(40)具有用于消散能量、自粉碎以及预定释放轨迹的功能。还提供一种用于制造复合叶片(40)、将叶片组装成旋转式机械(10)以及操作自粉碎叶片(40)的方法。

Description

易碎复合翼型件

关于联邦政府资助研究的声明

无

优先权信息和相关申请的交叉参考

本申请要求以下美国专利申请的优先权：Darek Zatorski的名称为“A method ofmanufacturing a frangible blade(一种制造易碎叶片的方法)”美国专利申请序列No.14/596,841，其全部内容通过参引结合到本文中；Darek Zatorski的名称为“A rotarymachine with a frangible composite blade(一种具有易碎复合叶片的旋转机械)”的美国专利申请序列No.14/596,815，其全部内容通过参引结合到本文中；以及Darek Zatorski的名称为“A frangible airfoil(一种易碎翼型件)”的美国专利申请序列No.14/596,804，其全部内容通过参引结合到本文中。

技术领域

本发明的领域大致涉及旋转机械，并且更具体地涉及用于旋转机械的翼型件。本实施例大致涉及用于飞机安装的燃气涡轮发动机的风扇模块的翼型件。更具体地，当前翼型件实施例涉及但不限于缓解与由撞击破坏引起的材料的释放相关的不利条件的复合风扇叶片或螺旋桨。

背景技术

至少一些已知的旋转机械，比如燃气涡轮发动机，其中一些用于飞机推进，包括作为向下游引导空气的风扇模块的一部分的多个旋转叶片或螺旋桨。尽管一些单旋转涡轮螺旋桨发动机已被考虑用于更高巡航速度，但是传统的单旋转涡轮螺旋桨燃气涡轮发动机对于达到大约0.7的飞行马赫数在低空巡航速度下提供高效率。马赫数为0.7至0.9的更高巡航速度一般利用函道风扇燃气涡轮发动机获得以产生所需的相对高的推力。无函道反向旋转螺旋桨燃气涡轮发动机，通常被称为无函道风扇(通用电器公司的注册商标)或开式转子，已被开发用于以比函道风扇更高的效率传递高巡航速度所需的高推力。这些叶片和螺旋桨对于由发动机吸入的外来物碎片具有一定的完整性，但是外来物的吸入仍能够引起旋转叶片或螺旋桨的破坏部分的释放，并且因此能够改进这些叶片和螺旋桨。

发明内容

在一个方面中，本发明的实施例涉及具有复合叶片的翼型件，复合叶片具有根部、尖端和位于根部与尖端之间的翼展，连同具有前缘和后缘，前缘和后缘之间具有弦，叶片具有包括囊袋的至少一个能量消散构件。

在另一个方面中，本发明的实施例涉及沿着复合叶片的翼展和弦延伸的能量消散构件并且能量消散构件具有至少一个芯线。

在其他方面中，本发明的实施例涉及部分地覆盖有脱模剂并且与复合叶片共同固化的能量消散构件。

在其他方面中，本发明的实施例涉及具有破坏引发器的能量消散构件，破坏引发器具有联接至引发器的至少一个芯线。此外，引发器可以是囊袋。更进一步地，囊袋可以具有符合囊袋的柱塞，在此柱塞与至少一个芯线结合作业以使囊袋膨胀，并且随后破坏或破碎复合叶片。

在又一个方面中，本发明的实施例涉及囊袋，复合叶片的释放部分从复合叶片分离时囊袋激活。

在仍然另一个方面中，本发明的实施例涉及制造易碎层板的方法，包括以下步骤：构造加强聚合物基体、将加强聚合物基体切割成多个薄层、经由堆叠多个薄层和至少一个能量消散构件形成层板以及固结层板。

在另一个方面中，本发明的实施例涉及利用包括树脂的加强聚合物基体的方法，其中，树脂选择由以下材料组成的组：聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚酰胺亚胺、聚醚酰亚胺、环氧树脂、聚酯、酚醛、乙烯基酯、聚氨酯、硅树脂、聚酰胺和聚酰胺酰亚胺。类似地，本发明的实施例涉及一种方法，其中，加强聚合物基体包括加强物，其中加强物选自由以下材料组成的组：玻璃、石墨、聚芳族酰胺和有机纤维。另外，本发明的实施例涉及以下方法，其中，树脂还包括韧化材料，其中，韧化材料选自由弹性体橡胶和热塑性塑料组成的组。

在其他方面中，本发明的实施例涉及其中薄层是板层的方法，涉及其中层板成形为最终产品的方法，以及涉及其中在高压釜中执行固化的方法。

在另一方面，本发明的实施例涉及其中使层板成形为作为复合叶片的最终产品的方法。在另一个方面中，本发明的实施例涉及利用包括树脂的加强聚合物基体使作为复合叶片的最终产品成形的方法，其中，树脂选择由以下材料组成的组：聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚酰胺亚胺、聚醚酰亚胺、环氧树脂、聚酯、酚醛、乙烯基酯、聚氨酯、硅树脂、聚酰胺和聚酰胺酰亚胺。类似地，本发明的实施例涉及利用加强聚合物基体使作为复合叶片的最终产品成形的方法，加强聚合物基体包括加强物，其中，加强物选自由以下材料组成的组：玻璃、石墨、聚芳族酰胺和有机纤维。

在另一方面，本发明的实施例涉及操作自粉碎叶片(operating a self-shredding blade)的方法，该方法包括以下步骤：释放复合叶片的释放部分，复合叶片包括至少一个能量消散构件(energy dissipating member)；经由至少一个能量消散构件破坏释放部分；可选择地保持复合叶片的保留部分；以及可选择地经由至少一个能量消散构件破坏保留部分。

在另一个方面中，本发明的实施例涉及操作自粉碎叶片的方法，其中，能量消散构件联接至转子。

在另一方面，本发明的实施例涉及操作自粉碎叶片的方法，其中，破坏步骤还包括破坏环绕至少一个能量消散构件的复合叶片结构。

在另一方面，本发明的实施例涉及操作自粉碎叶片的方法，还包括经由至少一个能量消散构件改变释放部分的轨迹使得释放部分沿行预定路径的步骤。

在又一方面，本发明的实施例涉及操作自粉碎叶片的方法，还包括经由至少一个能量消散构件消散释放部分的动能的步骤。

本概述提供用于以简化形式介绍以下在详细说明书中进一步说明的构思的选择。本概述非旨在确定所请求保护主题的关键特征或基本特征，也非旨在用于限制所请求保护主题的范围。全部上述概要特征被理解为仅为示例，并且可以从本文的公开内容收集结构和方法的更多特征和目的。本发明的特征、细节、实用性和优势的更广泛表示在本发明的各个实施例的以下书面说明书中提供，在附图中示出，并且在随附权利要求书中限定。因此，在没有进一步阅读包括在此的整个说明书、权利要求书和附图的情况下，将理解本概述的非限制性解释。

附图说明

通过参考结合附图的以下说明，这些实施例的上述以及其他特征和优势以及获取其的方式将变得更明显并且实施例将得到更好的理解，其中：

图1是函道风扇燃气涡轮发动机的侧视截面图；

图2是安装在飞机上的无函道反向旋转螺旋桨发动机的透视图；

图3是反向旋转螺旋桨发动机的侧视图；

图4、图5、图6和图7是函道风扇发动机在风扇翼型件部分释放期间的相应的时序正视图；

图8和图9是本发明的示例性实施例并且是具有能量消散构件的复合叶片的侧视图，叶片分别示出处于初始状态和分离状态；

图10是本发明的可替代示例性实施例并且是具有包括破坏引发器的能量消散构件的复合叶片的侧视图；

图11是来自图10中的本发明的示例性实施例的破坏引发器的透视图。

图12和图13是图10中的本发明的示例性实施例和图11的破坏引发器的分别处于“事故前”和“事故后”状态的截面剖切视图。

图14是本发明的另一个示例性替代实施例并且是具有能量消散构件和释放区域的复合叶片的截面侧视图；

图15是本发明的另一个示例性替代实施例并且是具有能量消散构件的复合叶片的侧视图；

图16、图17、图18和图19是在冲击事故之后在螺旋桨部分的释放期间螺旋桨的相应的时序正视图；以及

图20、图21、图22和图23是在冲击事故之后的一部分释放期间图15的本发明的示例性替代实施例的相应的时序正视图。

图24是概括根据本发明的方法执行的顺序处理步骤的流程图。

具体实施方式

应当理解的是所描述的实施例并不将本申请限于以下说明书中限定或附图中示出的部件的构造和布置的细节。所描述的实施例能够是其他实施例并且能够以各种方式实施或执行。每个示例通过说明方式提供，而非对所公开的实施例的限制。事实上，对于本领域技术人员显而易见的是在不脱离本发明的范围或精神的情况下可以对当前实施例做出各种改进和变型。例如，作为一个实施例的一部分示出或说明的特征可以用于另一个实施例以进一步形成另外的实施例。因此，本发明旨在覆盖落入随附权利要求及其等同物的范围内的这些改进和变型。

此外，可以理解的是，本文中使用的措辞和术语用于说明目的，而不应被视为限制。“包括”、“包含”或“具有”及其在本文中的变型的使用指的是包括此后所列的项目及其等同物以及另外的项目。除非做出另外的限制，否则术语“连接”、“联接”和“安装”及其在本文中的变型可被宽泛地应用并且包括直接和间接的连接、联接和安装。另外，术语“连接”和“联接”及其变型不限于物理或机械连接或联接。

如本文所使用的，术语“轴向”或“轴向地”指的是沿着发动机的纵向轴线的尺寸。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“向前”指的是沿朝向发动机进口的方向运动，或者部件与另一个部件相比相对更靠近发动机进口。与“轴向”或“轴向地”结合使用的术语“后部”指的是沿朝向发动机喷嘴的方向运动，或者部件与另一个部件相比相对更靠近发动机喷嘴。

如本文所使用的，术语“径向”或“径向地”指的是在发动机的中心纵向轴线与发动机外周缘之间延伸的尺寸。不论是单独使用或与术语“径向”或“径向地”结合使用，术语“近端”或“近端地”的使用指的是沿朝向中心纵向轴线的方向运动，或部件与另一个部件相比相对更靠近中心纵向轴线。不论是单独使用或与术语“径向”或“径向地”结合使用，术语“远端”或“远端地”的使用指的是沿朝向发动机外周缘的方向运动，或部件与另一个部件相比相对更靠近发动机外周缘。

如本文中所使用的，术语“横向”或“横向地”指的是垂直于轴向尺寸和径向尺寸两者的尺寸。

全部方向参照(例如，径向、轴向、近端、远端、上部、下部、向上、向下、左、右、横向、前部、背部、顶部、底部、以上、以下、竖直、水平、顺时针、逆时针)仅用于标识目的以帮助读者理解本发明，而非构成限制，特别是关于本发明的位置、定向或使用。连接参照(例如，附连、联接、连接和联结)被宽泛地理解，并且可以包括元件集合之间的中间构件和元件之间的相对运动，除非另有说明。因此，连接参照不一定推断出两个元件彼此直接连接并且处于固定关系中。示例性附图仅为了例示，附图中反映的尺寸、位置、顺序和相对大小可以变化。

用于函道风扇燃气涡轮发动机的风扇叶片以及用于单个旋转涡轮螺旋桨和无函道反向旋转螺旋桨燃气涡轮发动机的螺旋桨对于由发动机吸入的鸟、碎片和其他物品的外来物破坏具有一定的完整性。然而，外来物的吸入可能引起旋转叶片或螺旋桨的部分的释放，这可能对其他发动机部件或飞机结构造成破坏。在用于单个旋转涡轮螺旋桨和无函道反向旋转螺旋桨发动机的风扇叶片或开式转子的情况下，如果没有其他管理方式，则对于这些类型的发动机，围绕叶片或螺旋桨的管道结构的缺乏为叶片或螺旋桨的释放部分的轨迹提供了使该部分碰撞相邻的后部叶片以及其他相邻的飞机结构的可能性。现有技术的叶片和螺旋桨不具有减小任何释放叶片部分的尺寸和能量的易碎性。因此，可以提供抵抗外来物破坏然而在需要时易碎的函道、无函道单个旋转涡轮螺旋桨和无函道反向旋转风扇叶片和螺旋桨。

根据本发明的复合叶片如下详细所述。如所用于例示、本段以及以下的简要说明中的，术语“叶片”被理解为包括但不限于风扇叶片和螺旋桨两者，术语“复合材料”被理解为包括但不限于加强聚合物基体复合材料，包括为热固性或热塑性的基体以及包括但不限于具有任何长度、尺寸或定向的玻璃、石墨、聚芳族酰胺或有机纤维的加强物，并且进一步被理解为包括但不限于通过注射成型、树脂传递模塑、预浸渍带敷层(手动或自动)、拉挤成型或用于制造加强聚合物基体复合结构的任何其他适当的方法制造的。另外，“复合材料”被理解为包括但不限于与金属、一种以上的加强聚合物基体复合材料的组合或一种以上金属的组合结合的加强聚合物基体复合材料的混合复合材料。术语“共同固化”可被理解包括但不限于固化复合材料以及同时将其结合至一些其他未固化材料的动作，以及将两个或更多个元件固化在一起的动作，两个或更多个元件中的至少一个可以完全固化，至少一个可以未固化。

术语“轨迹”被理解为包括但不限于在复合叶片的释放部分被释放之后该部分所采取的路径。该路径可以例如相对于旋转式机械的纵向中心线描绘，例如相对于燃气涡轮发动机中心线。

复合叶片可以在高旋转速度和线性尖端速度下操作，并且可以包括选自由用于消散能量的装置、用于自粉碎的装置和用于预先确定释放轨迹的装置组成的组中的至少一种装置。复合叶片可以包括一个或多个内部共同固化的能量消散构件，在与外来物碰撞以及释放叶片的一部分或全部叶片之后，能量消散构件能够实现选自以下的功能之一：消散叶片的可被释放部分的动能、粉碎叶片或叶片的释放部分以及改变叶片的释放部分的轨迹。能量消散构件可以定位在复合叶片的内部，或者能量消散构件的一部分可以延伸至复合叶片的外部并且可以从叶片的基部或根部径向延伸至叶片尖端，以及可以沿着叶片的轴向弦分布。另外，一些实施例可以包括能量消散构件中的至少一个弯曲部分。能量消散构件可以包括芯线或可选择的破坏引发器，以帮助在所需区域中粉碎叶片以及消散动能。

术语“自粉碎”被理解为包括但不限于复合叶片的在叶片以足够的力碰撞以释放复合叶片的一部分之后对复合叶片自身的有意破坏的能力，包括破坏、撕裂、切割或膨胀周围的复合叶片结构的能量消散构件的能力，周围的复合叶片结构包括例如加强聚合物基体结构，加强聚合物基体结构包括为热固性或热塑性的基体以及加强物，其包括但不限于具有任何长度、大小或取向的玻璃、石墨、聚芳族酰胺或有机纤维。可能在复合叶片的相同或不同的厚度、深度、弦或翼展处顺序地或同时地发生粉碎，粉碎可能导致复合叶片结构的带或碎片的释放。

复合叶片的一个示例性非限制实施例利用具有芯线(strand)和破坏引发器(damage initiator)的能量消散构件，芯线和破坏引发器在复合叶片以足够的力碰撞以释放部分之后通过复合叶片的结构牵拉，从而破坏复合叶片结构。复合叶片的其他实施例包括沿着叶片的径向翼展的释放区域，释放区域与能量消散构件结合工作以平衡耐冲击性和易碎性。其他实施例包括具有芯线的能量消散构件，芯线具有沿着叶弦交错的松弛或额外长度，以便对准或改变释放部分的轨迹以防止与后部叶片或其他结构的碰撞。

首先参考图1，函道风扇燃气涡轮发动机10的示意性侧截面图示出为包括沿着发动机轴线32定位的风扇模块12和发动机芯部14。风扇模块12包括围绕一系列风扇翼型件18的风扇壳体16，风扇翼型件18从转子20径向远端地延伸并且联接至转子20。发动机芯部14包括高压压缩机22、燃烧室24和高压涡轮26。低压涡轮28驱动风扇翼型件18。可选择地，减速装置34可以联接在低压涡轮28与转子20之间以将风扇模块的旋转速度降低至低压涡轮28的旋转速度以下。可选择的减速装置34可以是星形或行星结构的行星齿轮箱、复合齿轮箱或实现低压涡轮28与转子20之间的减速的其他齿轮装置。

在操作中，空气通过发动机10的空气进口30进入并且运动通过至少一个压缩级，在此空气压力可以升高并被导向燃烧室24。压缩空气与燃料混合并且燃烧，提供朝向高压涡轮26和低压涡轮28排出燃烧室24的热燃烧气体。在高压涡轮26和低压涡轮28处，从引起涡轮翼型件旋转的热燃烧气体提取能量，涡轮翼型件接着分别使高压压缩22和风扇翼型件18的轴围绕发动机轴线32旋转。关于本文中说明的实施例，风扇翼型件18表示复合叶片40在风扇模块12和函道风扇发动机10内的位置。

现在参考图2，示出安装在飞机100的机翼102上的无函道反向旋转螺旋桨发动机110的透视图。另外，在图3中，反向旋转螺旋桨发动机110的侧视图示出为包括发动机轴线32、整流罩114和风扇模块116，风扇模块116具有二级反向旋转螺旋桨，第一级118和第二级120。级118和120中的每一个具有多个螺旋桨122和124。发动机110的操作与关于图1中的函道风扇发动机10的论述相同，风扇模块116具有未被壳体结构包围的无函道螺旋桨122和124。尽管未在图2或图3中示出，但是涡轮螺旋桨发动机具有仅单级螺旋桨118，也没有环绕壳体。关于本文中说明的实施例，螺旋桨118和120表示复合叶片在反向旋转螺旋桨发动机110的风扇模块116和具有单级螺旋桨118的涡轮螺旋桨发动机内的位置。为了清楚起见，在如上所述的总共三个发动机构造中，复合叶片将围绕相应的发动机轴线32旋转。

参考图1，通过进口30引导并且被吸入到风扇模块12内的外来物，例如但不限于鸟类，能够导致风扇翼型件18、风扇壳体16以及发动机10中的其他下游结构的损坏。类似地，对于反向旋转螺旋桨发动机110，如图3所示，外来物可以在发动机操作期间位于风扇模块116的路径中，引起对无函道螺旋桨122和124的破坏。对于风扇翼型件或螺旋桨的破坏可能是特别麻烦的，因为这些部件在与发动机芯部14直径和可能碰撞风扇翼型件或螺旋桨的例如为鸟或机场碎片的潜在外来物的尺寸相比时直径和长度相对较大。这种大尺寸允许风扇翼型件或螺旋桨的部分释放并且引起二次碰撞以及导致随后的破坏。这种破坏可能引起发动机性能的降低以及在有些情况下引起发动机功率的损失。

图4、图5、图6和图7描述了可以在风扇翼型件18与引起风扇翼型件18的释放的外来物碰撞之后展开的风扇模块12内部的事件的时间相位图像。函道风扇发动机10的该主视图使用传统级的风扇翼型件18和风扇壳体16。现在参考图4、图5、图6和图7，每个图示出二十个风扇翼型件18和风扇壳体16并且示出了部分翼型件18释放期间发动机10的时序，二十仅是翼型件18的示例性数量并且非旨在以任何方式限制本发明。图4-7中的每一个中的翼型件18之一被标示为字母R，将其指示为释放翼型件或可以最初地由外来物碰撞接着可能导致翼型件18的一部分释放的翼型件18。邻近于所释放的翼型件R的另一个翼型件18已被标识为字母T，将其标示为后部翼型件。后部翼型件T是跟踪或滞后于翼型件18的翼型件18。将特定翼型件18标识为释放叶片和后部叶片是示例性的并且不以任何方式限制本发明。在图4中，全部风扇翼型件18是原始状态，其尚未遭受外来物的碰撞。在图5中，释放翼型件R已被外来物碰撞并且现在可能分离成两块。转向图6，释放翼型件R的自由部分可能将要碰撞后部翼型件T。最后，在图7中，后部翼型件T由于释放翼型件R的自由部分的碰撞而分离成两块，为了清晰起见去除了释放翼型件R的自由部分。

由于发动机10中的风扇翼型件18的高旋转速度，释放翼型件的自由部分的尺寸的任何减小降低后部翼型件T和风扇壳体16需要承受的动能。所需能量吸收的这种减小导致风扇壳体16的相对重量的减小，因为其允许去除壳体16中的内含装置和结构。减轻重量则通过允许增加发动机10的另一个区域中的重量而允许飞机承载更多燃料用于更长航程或提高坚固性。由减小自由部分的尺寸带来的另一个重要有益效果是由于由惯性载荷的释放以及在释放之后加载在转子20上的风扇叶片18的变化所引起的偏心度而导致的转子20所经受的不平衡负载的平行减小。这些有益效果还可以在考虑开式转子发动机110以及螺旋桨122和124的释放部分的尺寸的任何减小时而受到欢迎。

如图8和图9中本发明的示例性实施例所示，该目标可以通过将一个或多个能量消散构件80结合到复合叶片40内来实现。首先考虑图8，示出处于最初状态的复合叶片40，其具有根部42、尖端44、前缘46和后缘48，叶片40的翼展52从根部42径向远端地到达尖端44，轴向弦54使后部从前缘46运动至后缘48。内部流动路径50可以沿着弦54相对根部42径向远端地在翼展中限定，并且表示翼展52的将承受外来物碰撞事故的最低径向部分。在该示例性实施例中，复合叶片40具有三个能量消散构件80，能量消散构件80具有各种长度的芯线82，每个能量消散构件80可选择地在根部42中开始并且朝向尖端44径向远端地延伸，然后朝向内部流动路径50径向和近端地向后弯曲，形成至少一个可选择的弯曲部分86。尽管该实施例中的能量消散构件80在根部43处开始，但是构件80可以在复合叶片40中的任何位置开始，例如，尖端、翼展中间等。联接至每个芯线82的两端的可以是以如上所述的结构限定的至少一个破坏引发器84。在该实施例中，单独的能量消散构件80的设置被选择为包括位于内部流动路径50的径向下方的一端，该构件在内部流动路径50的径向上方延伸通过内部流动路径50，但是不限于构件80的这种设置和布置。三个能量消散构件80在该示例性实施例中示出，但可以采用任何数量的构件80。

能量消散构件的非限制实施例可以包括可以位于内部、可以部分地延伸至外部以及可以与复合叶片共同固化的芯线。芯线材料可以包括但不限于Toyobo公司的注册商标(聚(对苯撑-2,6-苯并二噁唑))纤维、高强度金属线或芯线形式的任何其他适当的高强度材料。芯线的截面形状的示例性非限制实施例可以是圆形、卵形、多边形或不规则的，并且其截面尺寸可以在从大约0.005英寸至大约0.075英寸以及从大约0.010英寸至大约0.030英寸的范围内。芯线的截面面积的其他示例性非限制实施例可以在从大约0.0001平方英寸至大约0.02平方英寸以及从大约0.001平方英寸至大约0.002平方英寸的截面面积范围内。其他示例性非限制芯线形式可以包括编带、织物、条带或带形式。芯线区段可以沿着长度恒定或者其截面尺寸、截面形状、形式和材料变化，包括但不限于尺寸从长度的一端增大至另一端。

破坏引发器的示例性形状和材料方面可以定制成复合叶片的在局部区域中的轮廓，并且此外材料选择可被定制成在共同固化、组装或复合叶片操作期间不与复合叶片化学反应。破坏引发器的非限制实施例可以包括成型、实体、中空或锯齿形楔形的金属、陶瓷或复合结构，为了便于理解的目的，未对其进行示出，并且也可以在内部以及可以与复合叶片共同固化。这种破坏引发器材料可以包括但不限于钢、铝、钛、钴、铬和镍金属合金，或者任何其他适当的金属合金。其他破坏引发器材料可以包括但不限于包括氧化铍、氧化铈和氧化锆的氧化陶瓷；包括碳化物、硼化物、氮化物和硅化物的非氧化物；以及具有或没有颗粒加强物或纤维加强物的单独的或组合的氧化物和非氧化物。破坏引发器的另一个非限制实施例包括至少部分地填充有填充物的至少局部中空囊袋。填充物的形式可以包括但不限于流体或半固体。流体和半固体材料可以包括但不限于硅树脂、凝胶、堵缝物质或其他不可压缩或几乎不可压缩材料，或者这些材料适合于复合制造的组合。囊袋可以包含与芯线结合作业并且可以通过在芯线拉紧时压入以改变囊袋的内容物而使囊袋膨胀的柱塞，由此引发复合叶片的围绕囊袋的区域中的粉碎。可选择地，填充物还可以是单独的或与如上所述的流体和半固体填充物结合的小的固体金属或陶瓷件。在复合叶片以足够的力碰撞以释放叶片的一部分之后，粉碎的另一个示例性非限制模式利用具有芯线和囊袋的能量消散构件，芯线被牵拉通过复合叶片的结构、激活囊袋并且使囊袋膨胀，由此粉碎复合叶片结构。

包括芯线和破坏引发器的非限制示例的能量消散构件可以至少部分地覆盖有脱模剂、膜或涂层以通过便于构件在复合叶片内的初始滑动或运动而帮助构件消散能量。脱模剂可以包括但不限于Henkel公司的注册商标EUROCOAT、DuPont公司的注册商标(聚四氟乙烯)或用于制造复合材料的其他适当的脱模剂。

包括但不限于能量消散构件、芯线和破坏引发器的复合叶片元件的任何组合，包括任何元件的位置、材料、制造、形状、尺寸、截面特性和长度特性的所有变化，可以适合用于能量耗散、粉碎和轨迹对准。本发明还涉及用于制造复合叶片的方法。另外，本发明涉及易碎或复合叶片组装成旋转式机械以及用于旋转式机械。该方法可以利用如上所述的复合叶片元件的任何组合。

现在转向图9，图8的示例性实施例示出为处于分离状态，类似于在参照分别由外来物或释放叶片的自由部分碰撞之后的释放叶片R和后部叶片T时如上在图4-7中所述的。如图所示，当复合叶片可能碰撞时，芯线82可被拉紧或拉伸。施加至芯线的这种应变从释放部分吸取动能，复合叶片40减小相邻的复合叶片40或风扇壳体16将经受以及需要承受的冲击能量。与施加至芯线82的应变一起，复合叶片40的释放部分通过复合叶片40的内部结构拖曳共同固化芯线82，再次减小释放部分的动能并且同时粉碎叶片40的保留部分和释放部分。可选择的破坏引发器84帮助释放部分的粉碎，并且可以将较大部分分解成具有更低的单个动能的两个或更多个部分。

图10是复合叶片40的另一个示例性实施例，再次具有根部42、尖端44、前缘46和后缘48，叶片40的翼展52从根部42径向远端地到达尖端44，轴向弦54从前缘46向后至至后缘48。再次，内部流动路径50可以沿着弦54在根部42的径向上方在翼展中限定，并且表示翼展52的将承受外来物碰撞事故的最低径向部分。在该示例性实施例中，复合叶片40具有五个能量消散构件80。每个能量消散构件80具有至少一个芯线82，芯线82的至少一部分位于复合叶片40的外部。芯线82的径向近端部联接至转子20，然后芯线82的长度径向远端地前进以穿过根部42，穿过内部流动路径50进入翼展52内，在此芯线82可以在其径向远端部处联接至破坏引发器84，在破坏引发器84的该示例性实施例中。五个能量消散构件80在该示例性实施例中示出，但也可以采用任何数量的构件80。

如在图10的复合叶片40中说明的示例性破坏引发器84在图11中示出。该示例性破坏引发器84具有囊袋90、柱塞92，并且可以至少部分地填充有填充物94。囊袋90的形状和尺寸可以适于具有任何适当的尺寸、形状和结构以符合其所设置的区域中的复合叶片40的局部轮廓和尺寸，所示出的构造仅用于示例目的。芯线82可以穿过囊袋90并且可以联接至柱塞92。能量消散构件80的至少一部分可以被脱模剂96涂覆。在该示例性实施例中，囊袋90和芯线82的外部的至少一部分可以用脱模剂96覆盖以促进分离和粉碎的开始。柱塞92的周缘可以适于符合“事故前”位置中的囊袋90，在此叶片40尚未与外来物破坏碰撞至能量消散构件80已被激活的程度。

作为图10的截面图的图12描绘了事故前位置的囊袋90、柱塞92和芯线82。在复合叶片40可以被外来物碰撞的事故中，施加在复合叶片40上的能量可以引起叶片40的一部分的释放。如果该事故发生，则芯线82和柱塞92可被激活。当叶片40的释放部分在相对破坏引发器84径向近端而且径向远离相关芯线82的可以联接至转子20的径向近端部的位置处分离时，可以发生该激活。一旦与可以引起叶片40分离的力碰撞，则叶片40的释放部分可以运动径向远离转子20。然而，相关芯线82的可以联接至转子20的端部可以不与释放的叶片部分一起运动，这可能引起联接至转子20的芯线82的端部与叶片40的释放部分之间的相对运动，叶片40的释放部分可以包括芯线82的可以联接至破坏引发器84的径向远端部。该相对运动可以使得联接至破坏引发器84的芯线82被基本径向近端地牵拉到“事故后”位置内，如图10的截面图13所示。

当柱塞92被牵拉到事故后位置内时，柱塞92可以压缩囊袋90中的任何填充物94。由于柱塞92的周缘可以符合囊袋90，囊袋可以填充有不可压缩填充物94，通过柱塞92施加在填充物94上的力被传递到囊袋90内，由此使囊袋90膨胀。当囊袋90可以包含在复合叶片40内时，这种膨胀也使复合叶片40膨胀。此外，利用脱模剂96的选择性辅助，分离区域可以形成在邻近于破坏引发器84的复合叶片中。复合叶片40的膨胀和分离区域由此可以破碎并且削弱叶片40。粉碎可以采取复合结构的层离、断裂纤维、断裂基体等的形式。这减少了载荷承载复合结构的数量并且由此降低了粉碎位置处和周围的复合材料的强度。在操作期间，由于复合叶片处于高离心载荷下，这种强度减小可能通过将载荷分布在叶片40的更小截面上而导致复合叶片40的进一步损坏。这可以最终导致叶片40的另外部分的分离和释放。

复合叶片40的这种削弱或粉碎可以被复合叶片40中的每个被激活的能量消散构件80重复。通过交错能量消散构件80在复合叶片40中的轴向位置和径向位置，可以产生粉碎的排序和组合。这可以通过在复合叶片截面中以变化的厚度放置能量吸收构件以及通过改变破坏引发器84的尺寸和形状以适应这些厚度和位置处的局部几何形状差别来实现。此外，在能量消散构件80内，一个或多个破坏引发器84可被使用并且可以沿着芯线82串联地分布。另外，在能量消散构件80内，芯线82可以在串联分布的破坏引发器84之间具有松弛或额外的长度，当芯线82被拖动穿过复合叶片40时，松弛部可以粉碎复合叶片40，并且可以延迟可被串联设置的破坏引发器84的激活。五个能量消散构件80在该示例性实施例中示出，但可以采用任何数量的构件80。

现在参考图14，复合叶片40的另一个示例性实施例的截面侧视图，再次具有根部42、尖端44、前缘46和后缘48，叶片40的翼展52从根部42径向远端地到达尖端44，轴向弦54从前缘46向后至后缘48。再次，内部流动路径50可以沿着弦54在根部42的径向上方在翼展中限定，并且表示翼展52的将承受外来物碰撞事故的最低径向部分。

在图14的示例性实施例中，复合叶片40的翼展52可以径向地分成三个释放区域，低翼展区域60、中间翼展区域62和高翼展区域64。在每个释放区域内可以具有一个或多个空腔，仅出于示例性目的在尺寸、形状、结构和定位上标识为如所示例的用于低翼展区域60的60A、60B、60C，用于中间区域62的62A和62B，以及用于高翼展区域64的64A和64B。这些空腔可以缺少填充物或者可选择地填充有树脂、泡沫、松散介质等。空腔60C、62B和64B的径向近端肋包括与连接相邻的空腔的通道68配对的一个或多个凸缘66。类似地，空腔62A和64A包括连接相邻的空腔的通道68。三个能量消散构件80可以位于复合叶片40内部并且与复合叶片40共同固化，并且从根部42径向延伸至尖端44，穿过通道68和凸缘66以及可以沿着弦54不重叠地轴向分布。可选择的破坏引发器可以在凸缘66处以及在凸缘66的嵌套内部联接至芯线。

释放区域空腔与能量消散构件和破坏引发器结合起作用，寻求平衡叶片沿着叶片的径向翼展的耐冲击性和易碎性。当外来物利用足够的能量在空腔64A的区域中的高翼展区域64处碰撞复合叶片40以分离复合叶片40的整个高翼展区域64部分时，穿过空腔64B的凸缘66和通道68的能量消散构件80将被拉紧，如图9中所述，减小释放部分的动能。嵌套在凸缘66内部的破坏引发器还将被牵拉穿过凸缘66和通道68并且将释放部分粉碎成一个以上的片段或部分，每一个具有更低的单独动能。然而，对于当前示例，可以不拉紧另外的两个能量消散构件80，因为其可以径向地靠近复合叶片40的释放(整个高翼展区域64)部分，并且因此未降低低翼展区域60和中间翼展区域63对碰撞的完整性。与多个能量消散构件结合的释放区域空腔的径向分配提供了径向远离碰撞区域的区域中的易碎性，但保持靠近碰撞区域的区域中的耐冲击性。三个能量消散构件80在该示例性实施例中示出，但可以采用任何数量的构件80。类似地，示出三个翼展区域和七个空腔，但可以采用任意数量的区域、空腔、凸缘和通道。

现在转向图15，复合叶片40的另一个示例性实施例的侧视图，也具有根部42、尖端44、前缘46和后缘48，叶片40的翼展52从根部42径向远端地到达尖端44，从前缘46推移至后缘48的轴向弦54。再次，内部流动路径50可以沿着弦54在根部42的径向上方在翼展中限定，并且表示翼展52的将承受外来物碰撞事故的最低径向部分。复合叶片40具有单个能量消散构件80，以不重叠地从前缘46至后缘48的交错形式从根部42径向延伸至尖端44。用于能量消散构件80的另外的示例***错形式可以在转子20或叶片根部42处开始，沿着翼展52径向远端地延伸，以螺旋形路径穿过弦54至叶片尖端44，并且在穿过叶片40厚度的深度上变化。用于能量消散构件80的另外的示例***错形式可以沿着翼展和叶片40的弦不规则地交错，并且可以在能量消散构件80可以从根部42或转子20径向远端地延伸至尖端44时形成至少一个可选择的弯曲部分86。该示例性能量消散构件80可以位于复合叶片40内部并且与复合叶片40共同固化。能量消散构件80的实施例可以是如上在图8中的示例性实施例中描述的芯线。在该当前实施例中，与将从根部42直接延伸至尖端44的较短长度相比，交错形式可以向构件80提供松弛或额外长度。当外来物破坏碰撞复合叶片40时，叶片40的可被释放的部分将从释放部分径向地以及近端地牵拉构件80，减小释放部分的动能。另外，如下所述，能量消散构件80的设置和交错可以改变复合叶片40的释放部分的轨迹。单个能量消散构件80在该示例性实施例中示出，但可以采用任何数量的构件80。

参照图2中的飞机100，其具有安装在飞机100上的反向旋转螺旋桨燃气涡轮发动机110，也称作开式转子，如果螺旋桨的一部分从风扇模块116释放，则可以存在螺旋桨的部分可能碰撞飞机机身的可能性。如上所述，能量消散构件在复合叶片40内的设置和交错将调节复合叶片40的释放部分的轨迹。该改进可能是有利的，因为其可能希望引导释放部分远离相邻的复合叶片40或潜在地包括飞机机身的飞机结构。

图16至19以及图20至23描绘了该轨迹改进。附图利用基准叶片时序(图16-19)和描述具有修改轨迹的复合叶片40的示例性实施例的分开的时序(图20-23)。如同图4-7中详述的时序，图16-19中的每一个中的翼型件之一利用字母R标示，将其标识为释放翼型件，另一个利用字母T标示，将其标识为后部翼型件。时序从描述刚刚与外来物碰撞之后的释放翼型件和在最初状态的后部翼型件的图16开始。接着，在图17中，释放翼型件的一部分可以朝向后部翼型件运动，部分的径向近端部朝向后部翼型件旋转尚未影响后部翼型件。然后在图18中，尽管释放翼型件的任何其他部分可以碰撞后部翼型件，但是释放部分的径向近端部可以碰撞后部翼型件，扭曲后部翼型件的形状。最后，在图19中，释放翼型件的释放部分继续碰撞并且使后部翼型件进一步扭曲。取决于释放翼型件的释放部分的动能以及后部翼型件上的接触位置，这种扭曲可能引起后部翼型件的破坏。

相比之下，如图20-23所示，来自图15的复合叶片40的示例性实施例处于具有再次标示为R的释放叶片以及类似地标示为T的相邻后部叶片的位置中，重复该时序。时序再次从描述刚刚与外来物碰撞之后的释放叶片和在最初状态的后部叶片的图20开始。然而，在图20中，释放叶片的释放部分通过能量消散构件80被限制至释放叶片的保留部分。接着，在图21中，当部分的径向近端部通过能量消散构件80限制至保留部分时，释放叶片的释放部分朝向后部叶片运动。在图21中，如上所述的能量消散构件80具有提供复合叶片40中的松弛或额外长度的交错形式。当释放部分的动能使该部分从保留部分径向远端地运动时，能量消散构件80中的松弛部可以沿着相对于对准的释放部分的轨迹的优选方向被牵拉通过释放部分，同时减小释放部分的动能。当释放部分继续径向远端运动时，能量消散构件80中的松弛部可以利用与保留部分保持对准的释放部分减小，如图22所示。最后，如图23所示，当能量消散构件80中的松弛部被消耗时，构件80可以破坏，释放部分在对准路径上继续，减小释放部分的动能并且避免后部叶片。该同一原理可被用于将释放部分限制为优先对准主要为后部的释放部分，远离飞机100并且附近的飞机结构。

复合叶片40的上述示例性实施例可被用于旋转式机械中，包括但不限于函道风扇、开式转子、涡轮螺旋桨燃气涡轮发动机以及岸基燃气轮机，叶片40的计数范围包括但不限于从大约2至大约24，从大约8至大约16，另外从大约10至大约14。复合叶片40的这些示例性实施例的翼展52可以在包括但不限于大约20英寸至大约90英寸、从大约40英寸至大约70英寸以及从大约50英寸至大约70英寸的范围内。复合叶片40的这些示例性实施例的弦54可以在包括但不限于大约5英寸至大约40英寸、从大约10英寸至大约30英寸以及从大约12英寸至大约24英寸的范围内。

图24示出用于制造易碎层板的一个示例性非限制过程500，一个非限制示例易碎层板可以是复合叶片40。该过程500可以包括由树脂和加强材料502构造加强聚合物基体的基本单向预-浸渍(预浸渍)过程。加强材料可以采取纤维、粗纱、衬垫、编织粗纱、编织纱线、编织物或缝编织物的形式。树脂作为室温下的液体提供或者可被加热至液态。然后，加强材料利用树脂浸渍以形成加强聚合物基体。可以通过喷射、浸涂、粘合或类似地在加强材料上以一层或多层或者定尺寸步骤沉积树脂实现也被称为定尺寸的浸渍。非限制性示例是作为利用环氧树脂浸渍的单向加强材料的碳纤维。其他示例性非限制树脂包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、聚酰胺亚胺(PAI)和聚醚酰亚胺(PEI)，以及聚酯、酚醛、乙烯基酯、聚氨酯、硅树脂、聚酰胺、聚酰胺酰亚胺等。这些树脂中的一些可以通过结合例如为弹性体橡胶的分散弹性体或分散在树脂中的热塑性材料等而被韧化。

在示例性非限制过程500中，接着可以执行层叠过程(lay-up process)。放置过程包括将加强聚合物基体切割成多个薄层504。如在该说明书中所使用的，术语薄层指的是在形状和带材上完整的板层、板层节段和板层的部分。则薄层和至少一个能量消散构件80堆叠以产生层板506。一个或多个能量消散构件80可以在层板中设置在变化的位置处，并且可以位于层板的内部或者部分地位于层板的外部，如在图10中的复合叶片的示例性实施例所示。该过程还可以包括超声波辅助缝合过程，其中，加强纤维可以***通过多个板层，整体上提高层板的质量。层叠过程还可以包括在堆叠薄层和能量消散构件80之前以及期间使薄层成形。当与利用人工技巧和劳动力切割板层并且构造和使薄层成形的传统层叠过程相比时，机器放置过程可以节省人工费用。

最后，该过程可以利用固结过程以使层板成形和固化从而产生复合叶片508。固结过程利用固结力以将层板及其薄层按压至所需形状，并且可以是层叠过程的一部分以及可以就地执行。一个非限制示例是高压釜过程，其将层板放置在高压装置中以使层板成形和固化。适当的高压釜温度包括从大约400℉至大约840℉、优选地从大约600℉至大约760℉的温度。

本说明书使用示例公开本发明，包括优选实施例，并且还使本领域技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何采用的方法。本发明的可获得专利的范围由权利要求限定，并且可能包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例具有与权利要求的文字措辞没有不同之处的结构元件，或者这些其他示例包括与权利要求的文字措辞无实质区别的等同结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。所说明的各个实施例的方面以及对于每个这些方面的其他已知等同方案可以由本领域普通技术人员进行组合和匹配，以根据本申请的原理来构建附加的实施例和技术。

Claims (30)

1.一种翼型件，包括：

复合叶片(40)，所述复合叶片(40)具有根部(42)、尖端(44)和位于两者之间的翼展(52)，前缘(46)、后缘(48)和位于两者之间的弦(54)，以及包括至少一个囊袋(90)的至少一个能量消散构件(80)。

2.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)沿着所述翼展(52)延伸并且沿着所述弦(54)分布，所述至少一个能量消散构件(80)包括至少一个芯线(82)。

3.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)至少部分地覆盖有脱模剂(96)。

4.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)与所述复合叶片(40)至少部分地共同固化。

5.根据权利要求2所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)还包括至少一个破坏引发器(84)，其中，所述至少一个芯线(82)联接至所述至少一个破坏引发器(84)。

6.根据权利要求5所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个破坏引发器(84)包括所述至少一个囊袋(90)。

7.根据权利要求6所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个破坏引发器(84)包括适于符合所述至少一个囊袋(90)的至少一个柱塞(92)。

8.根据权利要求7所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个柱塞(92)联接至所述至少一个芯线(82)，所述至少一个囊袋(90)至少部分地填充有填充物(94)。

9.根据权利要求8所述的翼型件，其特征在于，所述至少一个柱塞(92)与所述至少一个芯线(82)结合作业以使所述囊袋(90)膨胀，由此粉碎所述复合叶片(40)。

10.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，当所述复合叶片(40)的释放部分与所述复合叶片(40)分离时激活所述囊袋(90)。

11.一种制造易碎层板的方法(500)，所述方法包括以下步骤：

构造加强聚合物基体(502)，

将所述加强聚合物基体切割成多个薄层(504)，

经由堆叠所述多个薄层和至少一个能量消散构件形成层板(506)，

并且固结所述层板(508)。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加强聚合物基体包括树脂，其中，所述树脂选自由以下材料组成的组：聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚酰胺亚胺、聚醚酰亚胺、环氧树脂、聚酯、酚醛、乙烯基酯、聚氨酯、硅树脂、聚酰胺和聚酰胺酰亚胺。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述加强聚合物基体包括加强物，其中，所述加强物选自由以下材料组成的组：玻璃、石墨、聚芳族酰胺和有机纤维。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述多个薄层包括多个板层。

15.根据权利要求11所述的方法，还包括使所述层板成形为最终产品。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，固结所述层板还包括在高压釜中固结所述层板。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述层板包括叶片(18)。

18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述树脂还包括韧化材料，其中，所述韧化材料选自由弹性体橡胶和热塑性塑料组成的组。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述加强聚合物基体包括树脂，其中，所述树脂选自由以下材料组成的组：聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚苯硫醚、聚酰胺亚胺、聚醚酰亚胺、环氧树脂、聚酯、酚醛、乙烯基酯、聚氨酯、硅树脂、聚酰胺和聚酰胺酰亚胺。

20.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述加强聚合物基体包括加强物，其中，所述加强物选自由以下材料组成的组：玻璃、石墨、聚芳族酰胺和有机纤维。

21.操作自粉碎叶片的方法，所述方法包括以下步骤：

释放复合叶片(40)的释放部分，所述复合叶片(40)包括至少一个能量消散构件(80)；

经由所述至少一个能量消散构件(80)破坏所述释放部分；

选择性地保持所述复合叶片(40)的保留部分；以及

选择性地经由所述至少一个能量消散构件(80)破坏所述保留部分。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)还包括至少一个芯线(82)。

23.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)还包括至少一个破坏引发器(84)。

24.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)至少部分地覆盖有脱模剂(96)以及至少部分地与所述复合叶片(40)共同固化。

25.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述至少一个破坏引发器(84)包括至少一个囊袋(90)。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)还包括至少一个芯线(82)；以及所述至少一个破坏引发器(84)包括适于符合所述至少一个囊袋(90)的至少一个柱塞(92)，其中，所述至少一个柱塞(92)联接至所述至少一个芯线(82)，所述至少一个囊袋(90)至少部分地填充有填充物(94)。

27.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述至少一个能量消散构件(80)中的至少一个联接至转子(20)。

28.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述破坏步骤还包括破坏环绕所述至少一个能量消散构件(80)的复合叶片结构。

29.根据权利要求21所述的方法，还包括经由所述至少一个能量消散构件(80)改变所述释放部分的轨迹使得所述释放部分沿行预定路径的步骤。

30.根据权利要求21所述的方法，还包括经由所述至少一个能量消散构件(80)消散所述释放部分的动能的步骤。