CN102656004A - 圆筒结构体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种制造具有轴向的圆筒结构体的方法，包括：在心轴周围卷绕第一层，该第一层包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第一接合线；在所述第一层的周围卷绕第二层，该第二层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第二接合线，以所述第二接合线与所述第一接合线在所述轴向上错开的方式在所述第一层的周围卷绕第二层；在所述第二层的周围卷绕第三层，该第三层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第三接合线，以所述第三接合线与所述第一接合线和所述第二接合线双方在所述轴向上错开的方式在所述第二层的周围卷绕第三层；通过树脂使所述各层结合。

Description

圆筒结构体及其制造方法
技术领域
本发明涉及航空宇宙领域的推进装置，尤其涉及喷气引擎的风扇罩、火箭引擎的马达罩这样的包含纤维强化塑料的圆筒结构体及其制造方法。
背景技术
关于航空器的喷气引擎，作为一个例子，外部气体被风扇吸入，被压缩机压缩，在燃烧器内用于燃料的燃烧。所产生的能量的一部分通过涡轮抽出后，燃烧气体从引擎后部的喷嘴向后方排出。喷气引擎的整体通常被称作引擎机舱（nacelle）的进行了空气力学上的设计的壳体包围并支撑。引擎机舱整体非常大，而且所要求的强度等特性根据引擎机舱的部位而不同，因此，引擎机舱典型性地是分割成风扇罩、核心整流罩（core cowl）等多个整流罩部件来制造。各整流罩部件根据所要求的特性以及空气力学上的形状被设计为最佳。
例如对于风扇罩而言，由于不需要耐热性，因此没有必要一定适用金属。于是，出于轻量化的目的，正在研究适用纤维强化塑料取代金属来作为风扇罩的原料。相关技术在美国专利申请公开2009/0098337号中公开。根据该技术，通过将由强化纤维构成的织物卷绕在圆筒形的工具上来形成前驱体，由该前驱体来制造风扇罩。
另一方面，对于风扇罩，重要的特性是冲击吸收能。例如当内部的部件发生破损并以高速撞击风扇罩时，如果该部件保持高速脱离至外部，则很有可能将其它的结构部件也破坏。也就是，对于风扇罩，阻止该部件飞出至外部或者将其运动能量充分吸收是有必要的。
发明内容
根据上述的相关技术，具有足够风扇罩的轴向长度的宽度的织物是必要的。由于有必要将达到屡被称为巨大规模的风扇的整体包围，风扇罩无论在圆周方向还是轴向都非常大。这种大宽度的强化纤维的织物极其难以获取，而且价格昂贵。必然地，不得不分割成多个部件来制造，然后将该部件接合，或者风扇罩的内部结构不得不内含纤维的非连续。但是，在高速部件撞击这种接合部位或者纤维的非连续部位的情况下，担心部件很容易地撞破该部件或者运动能量未被充分吸收的事态。也就是，由宽度较窄的强化纤维织物来制造具有充分的冲击吸收能的风扇罩或者马达罩这样的圆筒结构体的技术是必要的。本发明是出于这种观点作出的发明。
根据本发明的第一方案，制造具有轴向的圆筒结构体的方法包括：在心轴周围卷绕第一层，该第一层包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第一接合线；在所述第一层的周围卷绕第二层，该第二层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第二接合线，以所述第二接合线与所述第一接合线在所述轴向上错开的方式在所述第一层的周围卷绕第二层；在所述第二层的周围卷绕第三层，该第三层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第三接合线，以所述第三接合线与所述第一接合线和所述第二接合线双方在所述轴向上错开的方式在所述第二层的周围卷绕第三层；通过树脂使所述各层结合。
根据本发明的第二方案，具有轴向的圆筒结构体具备：第一层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第一接合线；第二层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第二接合线，该第二层以所述第二接合线与所述第一接合线在所述轴向上错开的方式卷绕在所述第一层的周围；第三层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第三接合线，该第三层以所述第三接合线与所述第一接合线和所述第二接合线双方在所述轴向上错开的方式卷绕在所述第二层的周围；以及将所述各层结合的树脂。
附图说明
图1是本发明一实施方式的制造方法中利用的装置的概要立体图，表示所述制造方法的第一阶段。
图2是所述装置的另一立体图，表示所述制造方法的第二阶段。
图3是表示卷绕结束后的状态的立体图。
图4是表示卷绕粗纱的工序的立体图。
图5是包含粗纱供给装置的所述装置的概要立体图。
图6是所述装置中包含的卷绕装置的侧视图，表示心轴的剖面。
图7是包括利用所述制造方法制造的风扇罩的喷气引擎的立面图。
图8是利用所述制造方法制造的制造物的沿轴向剖面的例子。
图9是示意性说明冲击试验的附图。
具体实施方式
以下，针对本发明的实施方式，参照附图进行说明。
为了便于说明，在附图中显示为L、R的方向分别表述为左向、右向，显示为FR、FF的方向分别表述为后向、前向，但是，这些表述对于本发明是非限定性的。
本实施方式的制造方法能够适用于作为一个例子在图7中示出的航空器的喷气引擎的风扇罩的制造。引擎3大体具备引擎主体和包围着引擎主体进行支撑的引擎机舱，引擎主体具备风扇5。引擎机舱包括多个整流罩部件，各个整流罩部件在轴的周围实质上对称。整流罩部件中，包围风扇5的部件是风扇罩1。风扇罩1大体为圆筒形状，是根据空气力学上的观点设计的非单纯的圆筒形状。图7的例子中，风扇罩1在接近风扇5的部位1a是平缓的锥形形状，在其它部位是直圆筒形状，在轴向两端具有凸缘部。当然，本实施方式对于其它形状也能够适用。
风扇罩1包含适宜的纤维强化塑料，以下详细说明，通过成形强化纤维并通过树脂进行固化来制造。作为强化纤维，例如适宜为碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维、或者它们中一种以上的混合物，但是不一定限定为它们。作为树脂，例如适宜为热固化性树脂，尤其能够例举环氧树脂、酚醛树脂以及聚酰亚胺树脂，但是不一定限定为它们。
强化纤维利用图1至图6所举例说明的制造装置来成形，构成风扇罩1的前驱体1F。参照图6，制造装置具备卷绕装置13。卷绕装置13具备心轴7，心轴7由旋转轴17支撑，所述旋转轴17可转动地被支撑体15支撑。而且，卷绕装置13具备马达19，马达19与主动传动装置21连接，主动传动装置21和连接在旋转轴17上的从动传动装置23驱动性配合，从而通过马达19的驱动使心轴7绕轴旋转。支撑体15优选具有能够上下分离的结构等容易进行心轴7的装卸的结构。
心轴7具备周面S，所述周面S具有适合于风扇罩1的成形的外形，强化纤维通过卷绕在心轴7的周围成形为风扇罩1的形状。而且，心轴7能够分割为主体9和凸缘11，通过分割，能够取下成形后的强化纤维。
参照图1，制造装置具备用于向卷绕装置13供给强化纤维的供给装置27，供给装置27具备多个台架29、35。各台架具备用于备有强化纤维的卷轴33、用于使卷轴33可转动地被支撑的支撑体31（或者37）。支撑体31（或者37）优选具有能够上下分离的结构等容易装卸卷轴33的结构。而且支撑体31（或者37）优选具有能够改变其宽度的结构，以便能够安装各种宽度的卷轴。而且，第一台架29和第二台架35之间优选为各自所供给的强化纤维不发生干扰的位置关系。
强化纤维以织物的形态进行供给。织物优选无卷曲织物。所谓无卷曲织物，并非定义为与该领域人员所知的通常含义不同的含义，而是指主要的纤维以相互不交叉的方式织成的织物。或者也能够利用平纹织物、斜纹组织的织物、斜路纹织物的某一种来取代无卷曲织物。并且，还可以组合利用它们中的两种以上。
风扇罩1除了具备织物形态的强化纤维，还可以具备粗纱（roving）形态的强化纤维。所谓粗纱，并非定义为与该领域人员所知的通常含义不同的含义，而是指未被捻合或者略有捻合的、成束的多个纤维。
为了使粗纱介于前驱体1F中，如图5所示，制造装置还可以具备粗纱供给装置41。粗纱供给装置41例如配置在相对于卷绕装置13而与供给装置27相反的一侧。
参照图4，粗纱供给装置41具备台架43、安放在台架43上的导轨45、通过导轨引导并能够在宽度方向移动的头部47。虽然没有进行图示，但头部47由促动器驱动，并在宽度方向移动。如图所示，头部47具备引导粗纱的导向路径，将粗纱39引导至适宜位置，向卷绕装置13供给。
使用上述的制造装置，强化纤维如下来成形。
参照图1，宽度互不相同的织物25分别以卷（roll）的状态安装在第一台架29上的卷轴33和第二台架35上的卷轴33上。或者织物25的宽度可以相互相等。在任何一种情况下，两个织物25的宽度的总和都等于风扇罩1的轴长度。或者，使宽度的总和长于轴长度，在成形后通过将两端切断来适合于轴长度。而且优选织物25以预先浸渍有树脂的所谓预浸的形态供给，也可以以后浸渍树脂。
织物25分别从卷轴33拉出后，使其一端贴在心轴7的周面S上。此时，织物25配置成相互之间边缘相接，并且平行。接着，通过马达19的驱动使心轴7旋转一周以上，织物25保持着相互之间的边缘相接，卷绕在心轴7的周围。该工序制得的最初的层中，织物25相互相接的边缘形成为在圆周方向延伸的接合线J。关于接合线J，织物25彼此之间可以相互稍微重叠。
接着，参照图2，在卷轴33上分别安装宽度的组合与上述不同的织物25。与上述一样操作，织物25以相互之间边缘相接的方式卷绕在最初的层的周围。由于宽度的组合不同，因此该层中的接合线J相对于最初的层中的接合线J在轴向上错开。
进一步，通过与上述相同的步骤，将宽度的组合不同于上述任一种情况的织物25卷绕在上述两个层的周围。由于宽度的组合不同，因此该层中的接合线J相对于最初的层中的接合线J以及第二层中的接合线J双方在轴向上错开。
如有需要，进一步反复与上述相同的步骤，重叠接合线J相对于上述任一层中的接合线J都在轴向上错开的层。如此操作所累积的层的数量在3以上的范围是任意的。如图3所示，在前驱体1F中，各层中的接合线J相对于其它任一层中的接合线J都在轴向上错开。
如有需要，可以在上述工序的任一个工序中如图4所示地将粗纱39卷绕在心轴7或者任一个层的周围。粗纱39优选与织物25一样以预先浸渍有树脂的所谓预浸的形态供给，也可以以后浸渍树脂。
粗纱的卷绕例如如下来进行。首先，以与心轴7或者任一个层的一端对齐的方式定位头部47，使粗纱39的一端贴在该一端上。接着，在使心轴7持续旋转的同时，使头部49向另一端移动，从而以形成螺旋的方式将粗纱39卷绕在心轴7或者任一个层的周围。螺旋优选无间隙的紧密形态。通过该工序，能够使粗纱39介于最初的层的内表面、任一个层间、或者最外层的外表面的任意一个以上部位。而且，粗纱39可以多于一层，可以是多层。
而且，在上述的说明中，通过使心轴旋转来卷绕织物或者粗纱，但也可以使心轴固定，在其周围使卷轴、粗纱供给装置转动。例如，使心轴垂直竖立，通过在其周围配置使装置转动的单元，由此能够实现该方法。
在上述的工序之后，将前驱体1F与心轴7一同从支撑体15取下。在织物25以及粗纱39中预先未浸渍有树脂的情况下，通过在此处从外部注入树脂来使树脂浸渍于前驱体1F中。或者，也可以通过使前驱体1F全部浸泡在树脂中来使树脂浸渍于前驱体中。
前驱体1F保持卷绕在心轴7周围的状态被加热。优选利用适宜的加热炉。也可以通过利用高压锅这样的炉并组合适宜的加压来实施加热。通过加热，树脂固化，各层以及粗纱通过树脂相互结合，得到包含纤维强化塑料的风扇罩49。如有需要，实施适宜的精加工。如图8所示，在风扇罩49中，各层51中的接合线J相对于其它任一个层中的接合线J都在轴向上错开。如根据上述记载所理解的那样，风扇罩49能够在最内层的内表面、任一个层间、或者最外层的外表面的任意一个以上部位具备包含粗纱的层53。
通常，当其它部件以高速撞击时，织物相互之间的接合线容易成为龟裂的传递路径。但是根据上述结构，由于任意一条接合线J都在圆周方向走线，因此即使其它部件以高速撞击，龟裂也难以传递，因此能够有效防止该部件飞出至外部。而且，在一个层中接合线J走线的部位上相邻有连续的织物的层，通过该连续的织物，结构得以强化，因此，能够进一步提高对于撞击的耐性。即使利用宽度较窄的强化纤维织物，也能够制造具有较长轴长度的圆筒结构体，并且在该情况下，也能够期待充分的冲击吸收能。
上述制造方法以及制造物除了适用于风扇罩，也能够适用于其它圆筒结构体。例如，能够适用于航空宇宙领域的包围推进装置的部件，尤其是火箭引擎的马达罩。而且不限于推进装置，能够适用于具有耐撞击目的的各种机械部件。
为了验证本实施方式的效果，实施了冲击吸收试验。图9表示其示意图。通过夹具57将试验片55固定支撑，利用狩猎用的枪向试验片55相对于其表面垂直地发射钢制子弹59，使用高速摄像机拍摄子弹59从其撞击前直至贯通后。根据影像测量子弹59的撞击前后的速度Vin、Vout，由此算出撞击前后的子弹的运动能量Ein、Eout，根据式子Eab=Ein-Eout算出吸收能量Eab。
用于试验的试验片均为56层织物层叠而成，其中之一没有接合线。另一试验片是56层中的12层在子弹撞击的区域中具有接合线（具有接合线的比例为21%）。另一个其它试验片是56层中的37层在子弹撞击的区域中具有接合线（具有接合线的比例为66%）。
包含在子弹撞击的区域中具有接合线的12层的试验片的吸收能量Eab相比于没有接合线的试验片的吸收能量为96%。包含在子弹撞击的区域中具有接合线的37层的试验片的吸收能量Eab同比为84%。可确认到均为能量吸收能没有明显差于没有接合线的试验片。
通过适宜的实施方式说明了本发明，但是本发明不限定于上述实施方式。基于上述公开内容，具有该技术领域的通常技术的人员能够通过实施方式的修改或者变形来实施本发明。
产业上的可利用性
能够由宽度较窄的强化纤维织物制造具有充分的冲击吸收能的风扇罩或者马达罩这样的圆筒结构体。

Claims (7)

1.一种制造具有轴向的圆筒结构体的方法，其特征在于，包括：
在心轴周围卷绕第一层，该第一层包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第一接合线；
在所述第一层的周围卷绕第二层，该第二层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第二接合线，以所述第二接合线与所述第一接合线在所述轴向上错开的方式在所述第一层的周围卷绕第二层；
在所述第二层的周围卷绕第三层，该第三层包含多个织物，该多个织物分别由所述强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第三接合线，以所述第三接合线与所述第一接合线和所述第二接合线双方在所述轴向上错开的方式在所述第二层的周围卷绕第三层；
通过树脂使所述各层结合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
还包括：在从所述心轴、所述第一层、所述第二层、所述第三层所组成的组中选择的任一个的周围卷绕粗纱。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述树脂预先浸渍于所述织物中。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述树脂预先浸渍于所述粗纱中。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
还包括：使所述树脂浸渍于所述第一层、所述第二层和所述第三层中。
6.一种具有轴向的圆筒结构体，其特征在于，具备：
第一层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第一接合线；
第二层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第二接合线，该第二层以所述第二接合线与所述第一接合线在所述轴向上错开的方式卷绕在所述第一层的周围；
第三层，其包含多个织物，该多个织物分别由强化纤维构成，通过彼此之间边缘相接而形成在圆周方向延伸的第三接合线，该第三层以所述第三接合线与所述第一接合线和所述第二接合线双方在所述轴向上错开的方式卷绕在所述第二层的周围；以及
将所述各层结合的树脂。
7.根据权利要求6所述的圆筒结构体，其特征在于，
还具备在所述第一层的内表面、所述第一层与所述第二层之间、所述第二层与所述第三层之间、或者所述第三层的外表面卷绕的粗纱。
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