CN109630216B - 制造用于涡轮机压缩机的复合壳体的方法 - Google Patents

制造用于涡轮机压缩机的复合壳体的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种制造用于涡轮机的弯曲复合壳体的方法，特别是用于飞机涡轮喷气发动机的低压压缩机。该方法包括以下步骤顺序：(a)通过在称为阴形形式的凹形形式上自动放置碳纤维来覆盖(100)预制件；(b)在称为阳形形式的凸形形式上铺设(102)玻璃纤维层；(c)将预制件转移(104)到凸形形式上，覆盖凸形形式上的玻璃纤维层。步骤(b)铺设(102)包括在凸形形式上铺设(118)金属条带和/或环氧树脂型材的阶段(α)和然后用玻璃纤维层覆盖(120)金属条带的阶段(β)。

Description

制造用于涡轮机压缩机的复合壳体的方法
技术领域
本发明通过自动纤维放置来解决复合壳体的制造，壳体是涡轮机壳体，或者更具体地，是用于涡轮机比如涡轮喷气发动机的压缩机的壳体。
背景技术
制造用于涡轮机的复合壳体需要精确地放置纤维，以便导致增强件的预定分布。具体地，纤维的取向允许壳体承受给定方向且根据给定模式的应力。通过使用自动机器人可以优化放置纤维的精度。其应用头根据使用软件计算的模型仔细排列纤维。
文献US2014/0086734A1公开了一种制造用于涡轮机的复合壳体的方法。该方法包括使用AFP技术生产360°板材，在360°板材上铺设多个区段，然后将360°板材和区段固化在一起。然而，该方法的几何约束仍然很高。需要限制部件的数量，以使覆盖操作保持简单。此外，纤维定位的精度仍然有限。
发明内容
技术问题
本发明的目的是解决现有技术中提出的至少一个问题。更具体地，本发明旨在提高放置复合壳体的纤维的精度。本发明的另一个目的是提出一种简单、轻便、经济、可靠、易于生产且易于检查的解决方案。
技术方案
本发明的一个主题是一种制造用于涡轮机特别是飞机涡轮喷气发动机的弯曲复合壳体的方法，该方法包括以下步骤：(a)通过在凹形形式上自动放置碳纤维来覆盖预制件；(b)将玻璃纤维层铺设在凸形形式上；(c)将预制件转移到凸形形式上，覆盖凸形形式上的玻璃纤维层。
根据本发明的有利实施例，该方法可以包括以下特征中的一个或多个，单独考虑或以任何技术上可行的组合考虑：
-步骤(b)铺设包括在凸形形式上铺设金属条带和/或环氧树脂型材的阶段()和然后用玻璃纤维层覆盖金属条带和环氧树脂型材的阶段()。
-该方法还包括步骤(e)：固化由玻璃纤维层和预制件构成的叠层，以形成原始壳体。
-凸形形式是凸模部件，步骤(e)固化是在所述凸模部件上进行的，特别是结合围绕预制件布置的凹形反模具。
-该方法还包括步骤(f)，加工所述壳体，特别是由步骤(e)固化得到的复合部件。
-步骤(f)加工包括钻穿过壳体的孔，所述钻孔描述至少一个弯曲排，可能多达六个弯曲排，其特别能够接受流动矫直叶片。
-该方法还包括步骤(d)：将预制件贴到玻璃纤维层上，和/或将膜贴在预制件上。
-壳体由半壳形成；该方法还包括组装两个半壳的步骤(g)，该壳体的内径在0.40m和3.00m之间。
-该方法还包括步骤(h)：在壳体内热喷涂可磨耗材料。
-在步骤(a)覆盖结束时，预制件具有至少一个凸缘，其径向地抵靠凹形形式延伸和/或抵靠凸形形式延伸。
-所述至少一个凸缘包括轴向凸缘和/或弯曲凸缘，所述弯曲凸缘围绕涡轮机的旋转轴线弯曲；在步骤(a)覆盖结束时，所述轴向凸缘和弯曲凸缘从同一个角部延伸，所述角部具有将所述凸缘分开的间隙，至少在其径向高度的一部分上。
-在步骤(a)覆盖期间，自动放置的纤维包括二维编织带或单向纤维带，所述纤维可能是预浸渍纤维或干纤维。
-在步骤(a)覆盖期间，自动放置的纤维包括二维编织织物和/或三维编织织物，该纤维可能是干纤维。
-在步骤(a)覆盖期间，自动放置的纤维包括扁平带，特别是干纤维。
-在步骤(a)覆盖结束时，预制件具有至少十层，可能至少十五层，每一层由至少一个纤维层或平行纤维带形成。
-壳体具有两个相对的端部，可能是径向或轴向相对的，壳体具有恒定厚度的壁，其延伸至每个所述相对的端部。
-在步骤(e)固化中，热固性树脂或热塑性树脂浸渍玻璃纤维层和预制件。
-在步骤(e)固化之前，将树脂浸渍和/或注入到玻璃纤维层和预制件的纤维中。
-凸形形式包括凸形接收表面；在步骤(c)转移结束时，预制件和玻璃纤维层各自覆盖整个接收表面。
-该方法还包括步骤(i)：将定子叶片安装在壳体内，以便形成一至六个流动矫直器，可能形成三至四个流动矫直器。
-在步骤(a)覆盖结束时，预制件具有两个相对的端部，可能是径向或轴向相对的，预制件具有从每个所述相对的端部延伸的恒定厚度的壁。
-在步骤(c)转移结束时，预制件在玻璃纤维层的整个轴向长度上延伸。
-在步骤(a)覆盖期间，自动放置的纤维包括干纤维或预浸渍纤维。
-至少一个或每个层由非织物或织物制成。
-在步骤(e)固化中，热固性树脂或热塑性树脂聚合。
-在阶段(β)覆盖结束时，玻璃纤维层介于金属条带和碳纤维之间，以使碳纤维与金属条带电绝缘。
-在步骤(f)加工结束时，预制件具有轴向凸缘和从同一个角部延伸的环形凸缘，所述角部具有将所述凸缘分开的间隙，至少在其径向高度的一部分上。
-该点有三个小平面和/或三个边角。
本发明的另一主题是一种制造用于涡轮机的弯曲复合壳体的方法，该方法包括以下步骤：(a)通过在凹形形式上自动放置碳纤维来覆盖预制件，(α)在凸形形式上铺设金属条带和/或环氧树脂型材；(β)与覆盖凸形形式一样，用玻璃纤维层覆盖条带和环氧树脂型材；(c)将预制件转移到凸形形式上，覆盖凸形形式上的玻璃纤维层。
通常，本发明的每个主题的有利实施例也适用于本发明的其他主题。本发明的每个主题可以与其他主题组合，并且本发明的主题还可以与说明书中的实施例组合，此外，这些实施例可以以任何技术上可行的组合而彼此组合，除非明确说明相反。
提供的优势
尽管部件特别是不同种类部件的数量增加，但本发明使得可以保持纤维取向的精度。此外，尽管存在***物，并且尽管在聚合之前对其进行处理，但覆盖的预制件仍保持其铺设精度。具体地，碳纤维用于第一形式，玻璃纤维(其因此是不同性质的纤维)，放置在第二形式上。
壳体能够承受诸如加工之类的精加工步骤，因为纤维符合相对于切割区域的精确位置。因此，壳体适于越来越多的机械接口。
附图说明
图1描绘了根据本发明的轴流式涡轮机。
图2是根据本发明的涡轮机压缩机的图示。
图3描绘了根据本发明的覆盖预制件的步骤。
图4示出了根据本发明的铺设玻璃纤维层的步骤。
图5示出了根据本发明的制造复合壳体的方法的图示。
具体实施方式
在下面的描述中，术语“内部”和“外部”是指相对于轴流式涡轮机的旋转轴线的定位。轴向方向对应于沿涡轮机的旋转轴线或沿壳体的旋转轴线的方向。径向方向垂直于旋转轴线。上游和下游参考流动流过涡轮机的主要方向。
图1是轴流式涡轮机的简化图。在这种特殊情况下，它是旁路涡轮喷气发动机。涡轮喷气发动机2包括第一压缩级(称为低压压缩机4)、第二压缩级(称为高压压缩机6)、燃烧室8和一个或多个涡轮级10。在操作中，通过中心轴传递到转子12的涡轮机10的机械动力驱动这两个压缩机4和6。这些包括与多排定子叶片相关的若干排转子叶片。因此，转子围绕其旋转轴线14的旋转使得可以产生气流并且逐渐地将气流压缩到燃烧室8的入口。
通常称为风扇16的入口鼓风机联接到转子12并产生气流，该气流分成通过各个上述涡轮机级的主流18和次流或旁路流20，其沿机器通过环形管(部分地示出)，然后与涡轮机出口处的主流重新组合。
可以加速次流或旁路流，从而其产生飞机飞行所需的喷射推力。主流18和次流或旁路流20是一个在另一个内的同轴环形流。它们由涡轮机壳体和/或护罩进行管道输送。
图2是如图1所示的轴流式涡轮机的压缩机的横截面视图。压缩机可以是低压压缩机4。这里可以看到风扇16和分流器22的一部分，分流器22将主流18与次流或旁路流20分开。转子12包括多排转子叶片24，在这种情况下为三排。它可以由鼓形成，就像它可以使用单件盘形成。
低压压缩机4包括多个流动矫直器，在这种情况下为四个，每个包含一环形排定子叶片26。流动矫直器与风扇16或一排转子叶片相关以使气流变直，从而流速可以转换成压力，特别是静压。
内部护罩27可以从定子叶片26的内端悬挂。这些内部护罩27可以接收可磨耗材料层38以确保密封转子12。
压缩机4包括至少一个复合壳体28。壳体28可以是圆形或管状整体形状。在操作中，它暴露在-70℃至150℃的温度下。它可以是压缩机外壳，并且可以由有机基质复合材料制成。
壳体28可包括固定凸缘30，例如环形固定凸缘30，用于将分流器22附接和/或固定到中间涡轮机风扇壳体32。定子叶片26基本上从外壳28径向延伸。定子叶片26可以包括平台和/或固定销36。
复合壳体28可包括壁34，壁34通常为圆形或圆弧形，其边缘可由凸缘30界定。壁34可具有围绕旋转轴线14的旋转轮廓。其可以由复合材料制成，带有基质和纤维增强剂。其形状可以是拱形体或椭球体的形状，其中半径沿轴线14变化。
壁34可包括在叶片26的平台之间的可磨耗材料环形层38，以便形成防止再循环的密封。可以结合一个或多个条带40。每个可磨耗层38可以与条带40相关。每个条带40可以形成金属带，可能是穿孔的。它可以形成壁34和可磨耗层38之间的附接界面。
图3示出了通过将碳纤维自动放置在凹形形式42(也称为阴形形式)上来覆盖预制件41的步骤。形式42在垂直于轴向方向和/或轴线52的截面中示出。
凹形形式42包括凹形覆盖表面44，纤维特别是碳纤维放置在该凹形覆盖表面44上。纤维46可以以带和/或层的形式放置以形成若干层47。带可以彼此平行放置并横向接触以形成层47。因此，纤维预制件41可以具有堆叠层47。层47径向叠置。
覆盖表面44可包括横向区域48，其可以形成壳体的轴向凸缘48。它可以包括弯曲部分50，其可能是管状或椭圆形的。如结合图2所示，可以形成复合壳体的壁。凹形表面44相应地适于特别是考虑到壁的最终厚度。弯曲部分50可以具有旋转轴线52或对称轴线。该轴线52可以对应于压缩机的旋转轴线。
可以使用机器人54自动执行覆盖。该机器人54可以根据技术执行覆盖操作，由此纤维46被自动放置，通过代表“自动纤维放置”的首字母缩略词APF更为人所知。在同一表面上铺设多个纤维带使得可以形成纤维层47。
机器人54可包括一个或多个移动臂56，允许应用头58移动。应用头58覆盖凹形表面44，其中它沿预先设定的方向放置纤维46，以便倾向于朝向上文提到的预制件41。
图4示出了将玻璃纤维层60铺设在凸形形式62(也称为阳形形式)上的步骤。凸形形式62包括基本凸起的接收表面64，其形状与待制造的壳体的内表面互补。凸形形式62在垂直于旋转轴线52的截面中示出。
凸形形式62可以具有横向区域66，允许形成凸缘特别是轴向凸缘。与凹形形式一样，可以提供用于环形或半圆形凸缘(未示出)的形状。此外，接收表面64可以具有中心区域68，其可以在凸缘之间形成壁。
条带40可以放置在层60和形式62之间。它可以暂时保持在那里。例如由增强聚合物制成的型材70可以填充玻璃纤维层60的倒角和由接收表面64形成的角部之间的空隙。型材使得可以在轴向和环形凸缘处实现尖锐的边角。
图5示出了用于制造壳体的方法的图示。所制造的壳体可以对应于结合图1至4提到的壳体。
该方法可以包括以下步骤，特别是按照下面给出的顺序执行：
(a)通过在凹形阴形式上自动放置碳纤维来覆盖100预制件。
(b)将玻璃纤维层102铺设在凸形阳形式上。
(c)将预制件转移104到凸形形式上，覆盖凸形形式上的玻璃纤维层。
(d)将预制件贴106到玻璃纤维层上，和/或将膜贴在包含碳纤维的预制件上。
(e)固化108由玻璃纤维层和预制件构成的叠层，以通过聚合与纤维混合的树脂形成原始壳体。
(f)在固化后加工110由模制得到的原始壳体，这意味着加工由转化的树脂固化的预制件。
(g)当壳体制成半壳时，组装112两个模制的半壳112。
(h)将可磨耗材料热喷涂114例如等离子喷涂到壳体中以形成环形密封件。
(i)将定子叶片安装116在壳体内，以形成一至六个流动矫直器，可能三至四个流动矫直器。
叶片尤其是叶片平台可以与玻璃纤维层接触，并且可以与碳纤维电绝缘。平台/玻璃纤维接触决定了叶片的取向。
当壳体以半壳形式或更一般地以角形段的形式制造时，半壳或角形段可彼此分开，以便于组装内部护罩和围绕转子安装壳体，例如当转子是单件式鼓型时。
在步骤(a)覆盖100结束时，该步骤在图3中特别示出，预制件可以具有至少一个或至少两个环形凸缘，其径向地抵靠凹形形式延伸。这些凸缘可以形成在预制件的轴向端部处。它们可包括轴向凸缘和/或围绕涡轮机的旋转轴线弯曲的凸缘；在步骤(a)覆盖100结束时，轴向凸缘和弯曲凸缘可以从形成点的同一个角部延伸。角部可以对应于半壳的角部。角部可以具有分隔所述凸缘的间隙。该角部可能是由于覆盖纤维造成的。
在步骤(a)覆盖100期间，纤维可以以二维编织带或单向纤维带的形式放置。然后，这些纤维可以是预浸渍纤维或干纤维。
可替代地或另外，在步骤(a)覆盖100期间，自动放置的纤维可以以编织织物的形式供应。该织物可以是二维编织织物或三维编织织物。此外，纤维可以是干纤维，或者可以是预浸渍纤维。
在步骤(a)覆盖100结束时，预制件具有至少十层碳纤维层，可能至少十五层碳纤维层，每一层由至少一个纤维层形成。每层可包括和/或由相同的层形成，并且可能以相同的纤维取向布置。
步骤(b)铺设102在图4中特别示出。步骤(b)铺设102可包括中间阶段(α)，其在凸形形式上铺设118金属带和/或环氧树脂，然后是中间阶段(β)，其用玻璃纤维层覆盖120金属带和/或型材。
在步骤(c)转移结束时，预制件和玻璃纤维层各自覆盖整个覆盖表面。
凸形形式可以是凸模部件。在步骤(e)固化108中，凸形形式可以直接用作模具，其中通过加热使预制件固化，从而使其成为所需的复合壳体。围绕预制件放置的凹形反模具可以抵靠预制件，以便闭合模具。因此，可以限定模腔，特别是树脂注射腔。
步骤(f)加工110可以包括切割凸缘的边缘，使得它们的边缘是清洁的。步骤(f)加工110可以使用铣削进行。它可包括形成钻孔以形成叶片固定孔。该孔可以接受刀片固定销。钻孔可以描述用于流动矫直器的定子叶片的三个或四个环形排。在固定凸缘中可以产生其他排孔。
在步骤(e)固化108中，热固性树脂或热塑性树脂浸渍玻璃纤维层和预制件。这可以是环氧树脂，或特别是PEI树脂。可以使用泵将该树脂注入模具中。

Claims (9)

1.一种制造用于飞机涡轮发动机的弯曲复合壳体的方法，该方法包括以下步骤：
(a)通过在凹形形式上自动放置碳纤维来覆盖预制件；
(b)将玻璃纤维层铺设在凸形形式上；
(c)将预制件转移到凸形形式上，覆盖凸形形式上的玻璃纤维层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(b)铺设玻璃纤维层包括在凸形形式上铺设金属条带和/或环氧树脂型材的阶段(α)和用玻璃纤维层覆盖金属条带和环氧树脂型材的阶段(β)。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤(e)：固化由玻璃纤维层和预制件构成的叠层，以便形成原始壳体。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，在步骤(e)固化中，热固性树脂或热塑性树脂浸渍玻璃纤维层和预制件。
5.根据权利要求1所述的方法，包括在步骤(e)固化之后的另一步骤(f)：钻穿过所述复合壳体的孔，该孔布置为至少六个弯曲排，其配置为接收流动矫直叶片。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤(d)：将预制件贴到玻璃纤维层上并将膜贴在预制件上。
7.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤(h)：在所述壳体内热喷涂可磨耗材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)覆盖结束时，预制件具有至少一个凸缘，其径向抵靠所述凹形形式和/或抵靠所述凸形形式延伸，并且其中，所述至少一个凸缘包括轴向凸缘和/或弯曲凸缘，所述弯曲凸缘围绕涡轮机的旋转轴线弯曲；在步骤(a)覆盖结束时，所述轴向凸缘和弯曲凸缘从同一个角部延伸，所述角部具有将所述凸缘分开的间隙，至少在其径向高度的一部分上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(a)覆盖期间，自动放置的纤维包括二维编织带或单向纤维带，所述纤维是预浸渍纤维或干纤维。
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