CN101927568A - 编织预成型件的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及编织预型件的制造方法，尤其涉及制造涡轮机定子叶片或转子叶片的预成型件的自动方法，其特征在于，该方法至少包括如下相继的步骤：a)螺旋状编织多个又称为嵌套式编织物的嵌套的管状编织物(1)的步骤，所述步骤在沿编织方向连串布置的编织机(2)内进行；b)整平所述嵌套式编织物(1)的步骤；c)在与所述编织方向垂直的方向上将所述嵌套式编织物(1)相互间缝合的步骤；d)将所述嵌套式编织物(1)缠绕在传送芯棒(3)上的步骤；e)切割展开在所述传送芯棒(3)之外的所述嵌套式编织物(1)的步骤，所述切割在与所述编织方向相垂直的方向上进行。

Description

编织预成型件的制造方法
技术领域
本发明涉及用于航空领域中制造定子叶片和转子叶片用的编织预成型件的自动方法。
本发明还涉及按照该方法得到的叶片。
背景技术
在航空发动机中，已知大多数叶片当前都是由钛制造的。使用有机基复合材料(CMO)代替钛能够极大地减轻重量。因此，在主要由航空因素决定的叶片几何形状不被改变的假设下，在钛叶片和CMO叶片之间获得的相对重量收益表现为值大约为3的密度比，这就说明了对CMO叶片的兴趣所在。
在大批量制造的背景下，重要的是可设想一种导致低单位成本和零件高重现性的制造方法。叶片另外还应满足技术手册的不同要求，即重量标准(例如在定子叶片的情况下组装的整流器要减轻重量20％)、空气动力学(型廓、前缘和后缘的厚度、表面状态)和力学阻力标准(刚度和机械强度)以及耐腐蚀性能。
当前提出的一种解决方案在于通过多层蒙皮(drapage de plis)制造叶片。该多层蒙皮在于通过在工具上叠放连续层来进行的材料增加以建造方式制造零件。专利CA 1,004,986展示了一个通过叠放具有可变尺寸的十四层来制造叶片的实施例(参见图1)。
该方案存在多个缺点：
-切割小尺寸的叠层是困难的，并且干纤维增强极易在操作时解体。
-在叠层之间、特别是在叶片前缘处的接合部件易发生应力集中。
-叠层之间存在有脱层的危险。
-多层蒙皮是一种昂贵的解决办法，因为其需要很多劳动力；其重现性也差。
在现有技术(Voskamp等人，《Advances in overbraiding for compositepart manufacturing》Eurocarbon B.V.、Advanced braiding and weavingtechnology，37th ISTC-Seattle，WA-October 31-November 3，2005)中，还提出了通过外层编织(overbraiding)法制造复合材料零件预成型件(例如用于汽车应用)。该技术在于通过围绕具有可变截面的芯材编织来实现预成型件。通过使芯材相继通过编织机，可根据所需厚度把相继的一些层以一层在另一层上的方式编制。然后，或者芯材就留在注射树脂后得到的最终产品中，或者将芯材取出。
发明内容
本发明的目的
本发明旨在提供一种能够克服现有技术缺点的解决方案。
更具体的说，本发明旨在提供一种制造叶片预成型件以满足需求量和提高重现性的自动方法。
本发明还旨在提供一种能够制造机械性能优于多层蒙皮法得到的预成型件的方法。
本发明还旨在提供一种不用芯材的制造方法。
本发明的主要特征要素
本发明涉及制造涡轮机定子叶片或转子叶片的预成型件的自动方法，其特征在于，该方法至少包括如下相继的步骤：
a)螺旋状编织多个又称为嵌套式编织物的嵌套的管状编织物的步骤，所述步骤在沿编织方向连串布置的编织机上进行；
b)整平所述嵌套式编织物的步骤；
c)在与所述编织方向垂直的方向上将所述嵌套式编织物相互间缝合的步骤；
d)将所述嵌套式编织物缠绕在传送芯棒上的步骤；
e)切割展开在所述传送芯棒之外的所述嵌套式编织物的步骤，所述切割在与所述编织方向相垂直的方向上进行。
按照本发明的特定方式，该方法包括至少一如下特征或如下特征的适当的组合：
-在步骤a)中，0°纱线，也就是平行于所述编织方向的纱线，在制造一个或多个管状编织物时被插入到所述管状编织物的周边的至少一部分上；0°纱线在编织物周边上的非均匀分布使得制造出沿着其弦而厚度变化的叶片预成型件。
-在步骤a)中，至少一0°纱线或0°线股，也就是平行于所述编织方向的纱线或线股，被插入到所述管状编织物之间，以便制造具有沿着其弦厚度变化的叶片预成型件；
-被插入的所述纱线或线股具有不同的直径；
-在步骤a)中，所述管状编织物按照非同心的方式布置，以制造具有沿着其弦变化的厚度的叶片预成型件；
-在制造所述管状编织物的过程中，调节编织周边速度，以使得所述管状编织物的厚度周期性地变化；如此，该速度变化允许制造出具有沿着其高度较小的厚度变化的叶片预成型件；
-所述管状编织物中的至少之一包括弹性体材料制的或可热收缩性材料制的0°纱线；
-由弹性体材料制的0°纱线在步骤a)中被施加预应力；
-在缠绕步骤d)之后，在一附加步骤d’)中，将被展开到所述传送芯棒外的所述管状编织物铺展开并夹紧；并且，在切断步骤e)之后，包括弹性体纱线的所述管状编织物收缩；
-以不同的张紧度对所述纱线施加预应力，以便赋予收缩的管状编织物以所需的几何形状；
-当纱线是可热收缩的时，该方法包括一附加的嵌套式编织物加热的步骤f)，以便允许可热收缩纱线收缩，所述步骤f)在切割步骤e)之后实施；
-所实施的加热不是均匀的，和/或可热收缩的纱线具有不同的收缩系数，以给予收缩的管状编织物以所需的几何形状；
-在预成型件制成后，还具有一附加的通过RTM法(树脂传递模塑)对所述预成型件进行树脂注入的步骤。
本发明还涉及借助于如上所述方法得到的涡轮机定子叶片或转子叶片；所述叶片可具有沿其弦和/或沿其高度变化的厚度。
附图说明
已经提到的图1表示用于按现有技术的叶片的多层蒙皮法。
图2示意性地表示制造按照本发明的嵌套式管状编织物。
图3示意性地表示一纱线或线股在管状编织物之间的展开。
图4示意性地表示在编织物的一部分周边上插入0°纱线，以形成混合的、即同时双轴向和三轴向的编织物。
图5示意性地表示管状编织物的非同心布置，其后是整平步骤，以及在缝合、缠绕和切断步骤(未表示)之后随接RTM(树脂传递模塑)模塑步骤。
图6示意性地表示通过调节编织的周边速度得到的可变厚度编织物在编织方向上的剖面图。
图7示意性地表示由两个管状编织物构成的预成型件例的A)和B)分别是在切断前的顶视图和切断后的顶视图和侧视图，两个管状编织物中的一个是内编织物而一个是外编织物，内编织物包括弹性体制的0°纱线。
图8示意性地表示如在图7中那样的由两个管状编织物构成的预成型件的另一个例子的顶视图，内编织物包括弹性体制的0°纱线。
图9表示相应地由定子叶片的下榫缘和上榫缘(plateforme)嵌套得到的定子。
图例：
(1)管状编织物
(2)编织机
(3)传送芯棒
(4)0°纱线
(5)例如以+/-45°或+/-60°取向的纱线
(6)富含树脂区
(7)夹紧系统
(8)缝接线
(9)内管状编织物
(10)外管状编织物
(11)“C”状定子叶片
具体实施方式
本发明的基本思想是由彼此相互嵌套的管状编织物制造定子叶片或转子叶片的预成型件，这种编织物又称为嵌套式编织物。与将织物切割成片块的多层蒙皮法相反的是，按照本发明的方法能够保持管状编织物的完整性。由此，通过取向纱线(螺旋状布置)的连续性保证了刚性和抗扭强度，极大地降低了脱层危险。
按照本发明的预成型件制造方法是自动的，并包括至少五个步骤。
第一步骤a)是制造嵌套式编织物。第二步骤b)是压平嵌套式编织物。第三步骤c)是将编织物相互间缝合起来。第四步骤d)是在芯棒上缠绕编织物。第五步骤e)是切割展开到芯棒之外的编织物。如将在下面所详述的，按照本发明的方法的一些变型还包括一些附加步骤。
按照本发明的方法的描述
作为例子，描述步骤a)以由四个管状编织物制造一个叶片预成型件，这相当于在蒙皮预成型件的情况下重叠八层。
从批量制造的观点上看，由在编制方向上连串布置的四台编织机2生产管状编织物1(参见图2)。至于所需编织物直径，可预期每台编织机大约1m的直径尺寸。所述编织物可以是双轴向的，即它们包括按例如+/-45°或+/-60°取向的纱线；这些编织物也可以是三轴向的，即它们另外还包括按0°取向的纱线。如在下面将要说明的，这些编织物还可以是混合型的。
在本发明中，不同编织物的编织并非必须使用芯材，通过如下所述各种方法的发明组合来实现叶片预成型件的“良好成形”。
在给定高度所取的叶片直截面，具有沿弦的可变的厚度，所述弦是连接叶片的前缘至后缘的区段。这种弯曲NACA型的轮廓是航空业所规定的。多种方法可允许实现沿着该弦的可变的厚度。这些方法中的两种或更多种方法的组合可得到很满意的结果。
第一种方法在于以非均匀的方式分布按0°取向(即平行于编织方向)的纱线4：
-如在图3中所示，或者通过在不同管状编织物1之间插入一纱线4或线股(加捻线)。在使用芳纶(Kevlar)线股的情况下，其还可以起在冲击的情况下保持碎屑的作用。
-或者通过使用混合的、也就是同时双轴向和三轴向的编织物，即在制造双轴向编织物(参见三轴向编织物的制造)时直接插入0°取向的纱线。在此，与三轴向编织物不同的是，如在图4中所示，0°纱线4不是在周边上以均匀方式分布的。该方法的优点是0°纱线4在机械上被取向纱线5保持，这就赋予预成型件更好的强度。在沿着轴线y整平管状编织物之后，这就导致被整平编织物的厚度逐渐变化，从等于纱线直径四倍的厚度逐渐变化到等于该纱线直径六倍的厚度。
-同样地在混合编织物的情况下，插入的0°纱线可以具有不同的直径(例如：为形成一根纱线的3k＝3000根细丝，6k＝6000根细丝)。
第二个方法在于，如图5所示，以非同心的方式相对布置不同的管状编织物1。通过使连串布置的编织机的轴线偏移来做到这一点。可在制造过程中通过有控制地侧向移动所述编织机来调节偏心度。非同心地布置不同的管状编织物的目的是：一旦编织物在步骤b)中被压扁平和在通过RTM模塑(树脂转移模塑)最终得到零件之前，形成沿叶片的弦的厚度变化。因此，对于严格意义上的叶片，以非同心的方式放置编织物，是因为前缘要厚于后缘；而对于叶片榫缘来说，编织物同心放置是因为其厚度是恒定的。
混合编织物和非同心编织物的组合应导致满意的结果。但似乎有意义的是仍插入Kevlar
Figure BSA00000151267600062
制的0°纱线4，以填充富含树脂区6(参见图5)——其即断裂根源(弱点)。这样做还保证了在受到冲击的情况下保持住碎屑。
叶片的厚度还会沿着高度、即在垂直于弦的方向上变化。该厚度变化根据特定叶片可小或大。
在通常的准棱柱形叶片、即其厚度随高度变化不太大的叶片的情况下，解决办法在于利用编织中的已知现象，即编织物的厚度随着编织角θ而增大。该编织角取决于制造速度V即在编织方向上的速度，但也取决于编织周边速度ω。制造速度V1、V2、V3、V4是相同的，因为编织物是在唯一的相同的芯棒3周围缠绕的(参见图2)。但是，可以独立地控制编织的周边速度ω1、ω2、ω3、ω4，以便在制造过程中周期性地改变编织物的厚度。在如图6中所示的具有集成式榫缘的叶片的情况下，所考虑的周期对应于叶片的高度H加上榫缘的长度L。
在沿叶片高度的厚度变化很大的情况下，解决方案基于使用特定的三轴向编织物，其中0°纱线由弹性体纱线或热收缩纱线构成。在这种情况下，该方法是适用的。因此，将在后面叙述与使用弹性体纱线或热收缩纱线相关的方法变型。
按照本发明的方法的步骤b)(没有表示出)在于平整嵌套式编织物以形成多层的“袜状体”。作为非限定性的例子，可通过使嵌套式编织物经过两个辊筒之间、或者通过使嵌套式编织物在引起编织方向改变的滚轮上经过，来实现该平整。
然后在缝合步骤c)中将被压平的编织物彼此间缝合。缝合是沿着垂直于编织方向的方向进行的。
该步骤(没有表示出)在缠绕于芯棒3上(参见图2)之前进行并具有双重作用。一方面，其使得将管状编织物在一给定部位连接起来，而另一方面其在叶片(L)/榫缘(H)区域(rayon)8处(参见图7)穿过厚度进行增强。此时被压扁预成型件的厚度在缝合部位最大，在缝合部位其大约相当于八个叠层。
应该注意到，还能以自动的方式进行附加的缝合操作，以增强预成型件的某些部分(例如边缘、未来固定孔的唇缘等)。如果空气动力学需要，可以通过更密的缝合(刺绣)很精确地调节预成型件的厚度。
在缝合步骤c)之后，将编织物缠绕在传送芯棒3上，这就是缠绕步 骤d)(参见图2)。在制造时，芯棒3允许以相同速度牵拉四个管状编织物。它还能够将很大长度的编织物送往例如切割台。因此芯棒被称为传送芯棒。
然后在切割步骤e)将编织物退绕到芯棒外并切割成所需长度。
具有或不具有集成式榫缘的叶片可具有各式各样的几何形状。
在只制造叶片(桨叶)、即轮廓呈“I”字形的叶片的情况下，可以相对于缝接线等距离地切割出预成型件，以同时得到两个一样的叶片。此时需要在缝接线处进行第三次切割，以分开两个叶片。
在轮廓为“L”字形、即具有集成式榫缘的叶片的情况下，如上所述，缝接线在叶片/榫缘区域中起到穿过厚度进行增强的作用。
在定子叶片的轮廓呈“C”或呈“Z”字形的情况下，可实现位于叶片(桨叶)两侧的两个区域，然后将这两个区域相对于叶片按90°加以折叠，以方便将该叶片机械组装(用铆钉、螺栓、“锁栓”等)在外环和内环上。
按照本发明的方法的实施变型的描述
在按照本发明方法的一个变型中，0°纱线包括弹性体制的纱线。当如前所述待实现的叶片具有很大的厚度变化从而造成沿高度出现叠层松开时，使用该方法变型。作为非限定性的例子，该方法以两个嵌套的编织物(参见图7)加以叙述。内管状编织物9包括弹性体制的0°纱线。在三轴向编织物的情况下，外管状编织物10包括碳纤维制的0°纱线；它也可以不包括0°纱线(在双轴向编织物的情况下)。
在该方法变型中，在编织物制造的步骤a)期间，弹性体制的0°纱线被施加预应力(拉伸力)。这能以这样的方式进行：例如借助于如在绕线机用装置中使用的张力滚柱系统，控制0°纱线中的张力。
在缝合步骤c)和缠绕步骤d)以后，在一个补充的步骤d’)中借助于夹紧系统7将从芯棒上退展出的嵌套式编织物铺展开并且夹紧。
在切割步骤e)时，在缝接线8的两侧进行两次切割，并且由于存在于弹性体纱线中的拉张应力的松弛，内管状编织物9收缩。这就导致叶片预成型件的沿高度的厚度的变化。
当然，可以另外也是优选的是：对0°弹性体纱线施加不同程度的预应力，以便给予收缩编织物以最佳的几何形状，例如椭圆形轮廓(参见图8)，其中在中弦处的收缩要小于在叶片预成型件的前缘和后缘处的收缩。按照本发明，收缩编织物的任何其它形廓也是适当的。
在按照本发明的方法的另一变型中，0°纱线是可热收缩材料制成的。该方法变型也用于制造具有沿着高度的很大厚度变化的叶片预成型件。该方法变型除了步骤a)、b)、c)、d)和e)以外，还包括一个附加的步骤f)，即加热嵌套式编织物以使不同的0°纱线发生收缩的步骤。为了赋予收缩编织物以最佳的几何形状，例如椭圆形状，加热可以是非均匀的和/或0°纱线可具有不同的收缩系数。椭圆形状以外的各种其它形状也是适用的。
用按照本发明的方法及其变型这样制造的预成型件随后是采用RTM法进行树脂注射以实现定子叶片或转子叶片的对象。
本方法的优点
按照本发明的方法在制造编织物时无须使用芯材。
假设例如每年生产1000台发动机，而每台发动机有四个定子级并且每级100个叶片，则估计年生产量可达400000个零件。由于有200个工作日，这相当于每天制造2000个零件。在按照本发明的编织方法中，编织速度为大约1m/min。叶片高度为大约0.1m，因此每小时制造600个预成型件。同样的计算可应用于转子级。
按照本发明的方法是自动的，这就保证了高的重现性并且降低了与劳动力相关的成本。事实上，与劳动相关的成本占到航空工业用的大多数复合材料零件总成本的60-80％[三轴向编织，http://www.fiberinnovations.com/PDFs/Triaxial％20Braiding.pdf]。
脱层危险性可以忽略不计。
由于管状编织物的完整性和纱线的螺旋状布置，所以刚度和抗扭强度都很好。
按照本发明的方法使得与编织方法有关的参数变化具有很大灵活性，所述参数例如0°纤维的百分比、编织角度等。
在此介绍的技术具有可忽略不计的边角料率，而蒙皮材料的损失却很大。
双轴向编织物具有良好的适应性，可将其折叠以形成水平的榫缘和竖直的叶片，叶片相对于助推器轴线的迎角为大约15°。
与在用于航空工业的复合材料中通常使用的机器相反，编织机的投资成本相对较低(http://www.fiberinnovations.com/PDFs/Triaxial％20Braiding.pdf)。
按照本发明的方法还能够用于制造完全碳纤维/环氧树脂制的定子。事实上，如在图9中所示，将呈“C”状形廓的叶片11补入成允许具有两个榫缘的不同定子叶片的嵌套。因而上榫缘的嵌套形成一具有双层的外环，而下榫缘的嵌套形成一具有双层的内环。

Claims (15)

1.制造涡轮机定子叶片或转子叶片的预成型件的自动方法，其特征在于，该方法至少包括如下相继的步骤：
a)螺旋状编织多个又称为嵌套式编织物的嵌套的管状编织物(1)的步骤，所述步骤在沿编织方向连串布置的编织机(2)中进行；
b)整平所述嵌套式编织物(1)的步骤；
c)在与所述编织方向垂直的方向上将所述嵌套式编织物(1)相互间缝合的步骤；
d)将所述嵌套式编织物(1)缠绕在传送芯棒(3)上的步骤；
e)切割展开在所述传送芯棒(3)之外的所述嵌套式编织物(1)的步骤，所述切割在与所述编织方向相垂直的方向上进行。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，0°纱线(4)，也就是平行于所述编织方向的纱线，在制造一个或多个管状编织物时被插入到所述管状编织物的周边的至少一部分上。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，至少一0°纱线(4)或0°线股，也就是平行于所述编织方向的纱线或线股，被插入到所述管状编织物(1)之间。
4.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，被插入的所述纱线或线股具有不同的直径。
5.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在步骤a)中，所述管状编织物(1)按照非同心的方式布置。
6.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在制造所述管状编织物(1)的过程中，调节编织周边速度，以使得所述管状编织物的厚度周期性地变化。
7.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述管状编织物中的至少之一包括弹性体材料制的或可热收缩性材料制的0°纱线(4)。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，由弹性体材料制的0°纱线(4)在步骤a)中被施加预应力。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在缠绕步骤d)之后，在一附加步骤d’)中，将被展开到所述传送芯棒(3)外的所述管状编织物(1)铺展开并夹紧；并且，在切断步骤e)之后，包括弹性体纱线的所述管状编织物收缩。
10.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，以不同的张紧度对所述纱线施加预应力。
11.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述纱线是可热收缩的时，该方法包括加热所述嵌套式编织物的附加步骤f)，所述步骤f)在切断步骤e)之后进行。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征在于，所实施的加热不是均匀的；和/或可热收缩的纱线具有不同的收缩系数。
13.按照前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法在预成型件制成后，还包括一通过RTM法(树脂传递模塑)对所述预成型件进行树脂注入的附加步骤。
14.涡轮机的定子叶片或转子叶片，其借助于按照前述权利要求中任一项所述的方法得到。
15.按照权利要求14所述的涡轮机的定子叶片或转子叶片，其特征在于，所述叶片具有沿其弦和/或沿其高度的变化的厚度。
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