CN102037247A - 飞机用燃气涡轮发动机的桨叶及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有绕中心线以45度以上且70度以下的角度扭曲的3维翼面形状的燃气涡轮发动机的桨叶，上述桨叶具备含有强化纤维、在沿厚度方向层叠后一体成形的多个复合材料预浸渍体；上述强化纤维在上述复合材料预浸渍体的各层内不中断而连续。

Description

飞机用燃气涡轮发动机的桨叶及其制造方法
技术领域
本发明涉及飞机用燃气涡轮发动机的桨叶及其制造方法。
本申请基于2008年3月28日于日本提出申请的特愿2008-088628号主张优先权，这里引用其内容。
背景技术
在以往的飞机用燃气涡轮发动机的复合材料制风机桨叶中，使用以热硬化性树脂为基质的预浸渍体(例如参照专利文献1)。
在制造由这样的复合材料构成的风机桨叶时，首先将以层状分割为多个的平面状的预浸渍体沿通过激光的指示得到的曲面形状的厚度方向直接层叠而做成翼面形状。接着，将其在高压釜内加热、加压而一体成形。
另一方面，在如飞机用燃气涡轮发动机定子叶片那样绕中心线的扭曲较小的叶片的情况下，通过将以片状的热塑性树脂为基质的预浸渍体在层叠的状态下装入到一对金属模内并加热、加压，一体成形为翼面形状(例如参照专利文献2)。
专利文献1：美国专利第5,375,978号公报
专利文献2：特开2003-254298号公报
专利文献3：美国专利第6,843,565号公报
但是，在上述专利文献1中记载的方法中，由于使用热硬化性复合材料，所以为了得到适当的品质，需要将预浸渍体直接层叠到金属模面上，以成为希望的翼面形状。在如飞机用燃气涡轮发动机的风机桨叶那样较厚的部件的情况下，层叠数很庞大，而且为了形成3维曲面形状，需要再将各层在面内细密地分割。为了将该在面内分割后的预浸渍体层叠到3维曲面上的正确的位置上，需要激光等的辅助，为非常复杂的作业(例如参照专利文献3)。
因为以上的理由，上述专利文献1中记载的方法需要大量的作业时间而花费成本。此外，热硬化性复合材料的使用期限及保管温度范围严格，材料管理麻烦。此外，由于在各层的面内将预浸渍体分割，所以在其边界上会发生强化纤维的不连续。
另一方面，在专利文献2中记载的方法中，虽然能够使用以热塑性树脂为基质的预浸渍体复合材料一体地成形，但在如风机桨叶那样较厚且绕中心线的扭曲较大的叶片的情况下，在将以平面状层叠了预浸渍体的层叠体装入到金属模内时容易发生纤维蜿蜒或空隙部。因此，难以成形为适当的形状。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的是提供一种即使是存在厚度且绕中心线的扭曲较大的叶片形状也能够容易地进行成形的飞机用燃气涡轮发动机的桨叶及适合于大量生产的制造方法。
本发明为了解决上述问题，采用以下的技术手段。
有关第1发明的燃气涡轮发动机的桨叶，是具有绕中心线以45度以上且70度以下的角度扭曲的3维翼面形状的燃气涡轮发动机的桨叶，上述桨叶具备含有强化纤维、在沿厚度方向层叠后一体成形的多个复合材料预浸渍体；上述强化纤维在上述复合材料预浸渍体的各层内不中断而连续。
该发明通过将上述复合材料预浸渍体以希望的片数层叠到希望的位置上，能够调节翼片的厚度。此外，通过上述强化纤维在上述复合材料预浸渍体的各层内不中断而连续，能够防止上述强化纤维在上述各层内中断而部件的强度下降。
此外，上述复合材料预浸渍体也可以以热塑性树脂为基质。
此外，也可以在上述复合材料预浸渍体之间配置热塑性树脂薄膜。
通过将热塑性树脂薄膜配置到上述预浸渍体之间，能够抑制层间剥离的发生。
该发明由于热塑性复合材料即使硬化一次也能够再熔融，所以即使是第一成形工序的加热、加压后，也能够进行第二成形工序及第三成形工序的加热、加压，能够适当地得到在翼片间没有边界面的一体化的燃气涡轮发动机的桨叶。
有关第2发明的飞机用燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，具备：层叠工序，将含有强化纤维、并且以多个热塑性树脂为基质的多个复合材料预浸渍体沿厚度方向层叠在平面上，形成层叠体；第一成形工序，将上述层叠体加热及加压，成形为平板形状；第二成形工序，将成形为平板形状的上述层叠体再次加热及加压，成形为3维曲面形状的翼片；第三成形工序，将多个上述翼片叠合之后，加热及加压而一体化，得到3维翼面形状。
该发明将成形的工序分为第一成形工序、第二成形工序及第三成形工序的3个。在第一成形工序中，由于上述层叠体被成形为平板形状，所以在作为其前工序的层叠工序中，平面状的上述复合材料预浸渍体只要层叠到平面上就可以，不需要向复杂的3维曲面形状的层叠，也不需要将各层在面内细密地分割。此外，通过平面状的上述复合材料预浸渍体进行的层叠作业比成形为3维曲面形状的翼片的层叠作业更容易，所以能够进一步减小翼面形状的成形误差。
因而，能够容易且迅速地进行层叠作业，并且还不会发生各层内的上述强化纤维的不连续。即，上述强化纤维在上述复合材料预浸渍体的各层内不中断而连续。此外，即使是如风机桨叶那样较厚的部件，到第二成形工序为止也被分割为较薄的翼片，所以能够容易且高精度地进行赋予3维形状的处理。进而，分割后的各翼片到第二成形工序为止能够平行地实施，所以适合于大量生产。
此外，有关本发明的飞机用燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，在第二成形工序中，也可以将上述多个翼片分别成形为将飞机用燃气涡轮发动机的桨叶沿厚度方向分割为多个时而形成的3维曲面形状。
该发明能够容易地进行第二成形工序及第三成形工序中的最终产品形状的成形作业。
此外，有关本发明的飞机用燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，是在上述层叠工序中，也可以在对应于上述翼片的厚度的位置上层叠对应于上述翼片的厚度的片数的上述复合材料预浸渍体而形成层叠体。
根据本发明，即使是存在厚度、绕中心线的扭曲较大的翼形状也能够容易地成形。
附图说明
图1是表示有关本发明的一实施方式的风机桨叶的侧视图。
图2是表示有关本发明的一实施方式的风机桨叶的正视图。
图3是表示有关本发明的一实施方式的风机桨叶的俯视图。
图4是图1的A-A剖视图。
图5是图1的B-B剖视图。
图6是表示有关本发明的一实施方式的风机桨叶的制造方法的流程图。
图7是在有关本发明的一实施方式的风机桨叶的制造方法中、表示层叠体的说明图。
图8是在有关本发明的一实施方式的风机桨叶的制造方法中、表示从层叠体成形出翼片的状态的说明图。
图9是在有关本发明的一实施方式的风机桨叶的制造方法中、表示将翼片层叠而成形出风机桨叶的状态的说明图。
附图标记说明：
1风机桨叶(桨叶)
10A～10L片材
11层叠体(平板)
12A～12D翼片
具体实施方式
参照图1～图9，对有关本发明的一实施方式进行说明。
有关本实施方式的风机桨叶(飞机用燃气涡轮发动机的桨叶)1如图1至图5所示，具备与未图示的盘卡合的基部2、和从基部2延伸的翼部3。翼部3从前缘3a朝向后缘3b弯曲为规定的翼型，具有绕中心线C以约60度的角度扭曲的3维翼面形状。
该风机桨叶1如后所述，在将多个预浸渍体(复合材料预浸渍体)10A～10L在平面上层叠而成形为平板形状之后，再一体地成形出变形成形为3维曲面形状的翼片12A～12D。
接着，对有关本实施方式的风机桨叶1的制造方法的详细情况进行说明。
有关本实施方式的风机桨叶1的制造方法是特别适合于具有绕中心线C以45度以上且70度以下的角度扭曲的3维翼面形状的桨叶的方法。
该制造方法如图6～图9所示，具备将多个预浸渍体10A～10L沿厚度方向D层叠在平面上而形成层叠体11的层叠工序(S01)、将层叠体11加热及加压而成形为平板形状的第一成形工序(S02)、将成形为平板形状的上述层叠体11加热及加压而使其变形为3维曲面形状的翼片12A～12D的第二成形工序(S03)、和将成形的多个翼片12A～12D叠合并加热及加压而一体化的第三成形工序(S04)。
在层叠工序(S01)、第一成形工序(S02)及第二成形工序(S03)中，通过同样的内容成形出翼片12A～12D，所以关于这些工序，只要没有特别明述，就对翼片12A进行说明。
在层叠工序(S01)中，将平面状的浸渍体10A～10L沿厚度方向D层叠。这里，在浸渍体10A～10L中，使用例如加入了设为规定的取向度的碳纤维(强化纤维)的热塑性基质树脂片。浸渍体10A～10L如图7所示，为分别不同的大小。并且，对应于成形的翼片12A的厚度，将希望大小的预浸渍体在希望的位置上层叠希望的片数，形成层叠体11。
在第一成形工序(S02)中，将上述层叠体11设置到未图示的金属模内，将上述金属模加热到规定的温度，并且在规定的压力下加压。此时，浸渍体10A～10L软化，通过边界面的熔融，将层叠体11一体化，形成平板状的部件。
在第二成形工序(S03)中，将上述平板状部件设置到具有3维形状的未图示的金属模内，将上述金属模加热到规定的温度，并且在规定的压力下加压。此时，平板状部件内的各层软化，通过层内的纤维的移动和层间的偏移，如图8所示，形成3维曲面形状的翼片12A。其他翼片12B、12C、12D也经过同样的工序形成。
这里，各翼片12A～12D分别被成形为在将风机桨叶1沿厚度方向分割多个时形成的3维曲面形状。因此，层叠工序(S01)中的、浸渍体10A～10L的大小及层叠位置、片数根据翼片而不同。此外，在第二成形工序(S03)中使用的上述金属模也为匹配于分别得到的3维曲面形状的结构。这样得到的翼片12A～12D的3维曲面形状为绕中心线C以大致60度的角度扭曲的3维曲面形状。
在第三成形工序(S04)中，将分别成形为规定的3维曲面形状的翼片12A～12D叠合而配置到未图示的金属模内。此时，需要注意不要弄错层叠顺序，以便通过将翼片12A～12D层叠能够得到希望的3维翼面形状。
接着，将该金属模加热到规定的温度，并且在规定的压力下加压。此时，通过翼片12A～12D软化、并且在边界面上熔融，能够得到图9所示那样的一体的风机桨叶1。
根据该风机桨叶1及其制造方法，成形的工序被分为第一成形工序(S02)、第二成形工序(S03)及第三成形工序(S04)的3个。在第一成形工序(S02)中，上述层叠体11被成形为平板形状，所以在作为其前工序的层叠工序(S01)中只要层叠到平面上就可以，不需要向复杂的3维曲面形状的层叠、也不需要将各层在面内细密地分割。
因而，能够容易且迅速地进行层叠作业。
此外，即使是风机桨叶那样较厚的部件，由于到第二成形工序(S03)为止被分割为较薄的翼片，所以也能够容易且高精度地进行赋予3维形状的处理。结果，即使是存在厚度及大小、扭曲较大的风机桨叶1，也能够容易地进行成形。
特别是，由于翼片12A～12D被分别成形为将风机桨叶1沿厚度方向分割多个时形成的3维曲面形状，所以能够容易地进行第三成形工序(S04)中的各翼片的成形作业。
此外，在层叠工序(S01)中，由于对应于翼片12A的厚度而将浸渍体10A～10L以希望的数量层叠到希望的位置上，所以能够通过浸渍体10A～10L适当地调节翼片12A的厚度。
此外，由于浸渍体10A～10L为加入了碳纤维的热塑性基质树脂片，所以即使硬化一次也能够再熔融，所以即使是第一成形工序(S02)的加热、加压后，也能够进行第二成形工序(S03)及第三成形工序(S04)的加热、加压，能够适当地得到在翼片12A～12D间没有边界面的一体化的风机桨叶1。
另外，本发明的技术范围并不限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围中能够加以各种变更。
例如，预浸渍体及叶片的大小及片数并不限定于本实施方式的结构，可以根据风机桨叶的厚度及大小、形状而适当地决定。此外，风机桨叶的扭曲也并不需要限定于60度。
进而，本发明的风机桨叶的用途并不限定于飞机用燃气涡轮发动机，在其他燃气涡轮发动机中也能够采用。
根据本发明，即使是存在厚度、绕中心线的扭转较大的翼形状也能够容易地进行成形。

Claims (6)

1.一种燃气涡轮发动机的桨叶，是具有绕中心线以45度以上且70度以下的角度扭曲的3维翼面形状的燃气涡轮发动机的桨叶，其特征在于，
上述桨叶具备含有强化纤维、在沿厚度方向层叠后一体成形的多个复合材料预浸渍体；
上述强化纤维在上述复合材料预浸渍体的各层内不中断而连续。
2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机的桨叶，其特征在于，上述复合材料预浸渍体以热塑性树脂为基质。
3.如权利要求2所述的燃气涡轮发动机的桨叶，其特征在于，在上述复合材料预浸渍体之间配置有热塑性树脂薄膜。
4.一种燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，具备：
层叠工序，将含有强化纤维、并且以多个热塑性树脂为基质的多个复合材料预浸渍体沿厚度方向层叠在平面上，形成层叠体；
第一成形工序，将上述层叠体加热及加压，成形为平板形状；
第二成形工序，将成形为平板形状的上述层叠体再次加热及加压，成形为3维曲面形状的翼片；
第三成形工序，将多个上述翼片叠合之后，加热及加压而一体化，得到3维翼面形状。
5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，其特征在于，上述多个翼片分别成形为将燃气涡轮发动机的桨叶沿厚度方向分割为多个时而形成的3维曲面形状。
6.如权利要求5所述的燃气涡轮发动机的桨叶的制造方法，其特征在于，在上述层叠工序中，在对应于上述翼片的厚度的位置上层叠对应于上述翼片的厚度的片数的上述复合材料预浸渍体而形成层叠体。
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