CN102741043A - 用于制造具有内部通道的复合材料叶片的方法及复合材料涡轮发动机叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由复合材料制成的涡轮发动机叶片(10)，该复合材料包括通过将第一多个纱线和第二多个纱线编织在一起形成的纤维增强材料，所述第一多个纱线中的纱线设置在连续层中并沿纤维毛坯的纵向方向延伸，该纵向方向对应于叶片(10)的纵向方向，所述纤维增强材料由基质致密化。叶片包括沿其纵向方向延伸的一个或多个内部通道(21、22、23)。

Description

用于制造具有内部通道的复合材料叶片的方法及复合材料涡轮发动机叶片
技术领域
本发明涉及具有内部通道的涡轮发动机叶片。
背景技术
为降低噪音以及叶片根部的紊流，已知可以在叶片中形成内部通道，这些通道在叶片的根部附近和顶部附近打开。这些内部通道由此形成吸/吹装置，该吸/吹装置在与叶片根部同一水平处引入(吸入)空气，并在与叶片顶部同一水平处将空气排出(吹出)，由此使得转子附近的边界层的一部分能够被吸收。
具有这些吸/吹装置的叶片通常由金属材料制成，其中在叶片的整体上掏挖出内部通道。
然而，在金属材料叶片中加工内部通道是很困难的，只有当叶片形状相对简单时才可实现。特别地，在具有扭曲形状的金属叶片中不可能加工内部通道。
为获得重量更轻的叶片，已知可以使用复合材料制造叶片，即，使得结构的部件包括由基质致密化的纤维增强材料。
通常使用的技术包括形成一堆预浸渍的单向片材或者板材(覆盖)，这些单向片材或板材置于模具中并且连续的板材朝向不同的方向，然后在高压釜中进行压缩和聚合。
在另一种更新的能提供更好性能的技术中，叶片通过先三维编织纤维预制件，然后使用基质对预制件进行致密化而制成。文件EP1526285描述了制造这种叶片的方法。
然而，已知的复合材料叶片不包括内部通道。在复合材料叶片中加工内部通道会破坏叶片的性能和强度。钻出一个或多个通道特别可能会导致某些增强纱线被破坏甚至折断，由此打断力传递路径，损害纤维增强材料的内聚力，这些路径由增强纱线形成。
虽然如此，复合材料叶片代表着未来的解决方案，特别是因为它们的重量轻，并且机械性能优良。
发明内容
因此，希望涡轮发动机的涡轮和压缩机能够具有复合材料叶片，这些叶片包括一个或多个内部通道，并同时具有所需要的机械性能。还希望这种叶片具有相对复杂的形状，例如扭曲的形状。
为此，本发明提供了使用复合材料制造涡轮发动机叶片的方法，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强材料，所述方法包括：
-通过将第一多个纱线和第二多个纱线编织在一起形成纤维毛坯，所述第一多个纱线中的纱线设置在连续层中并沿纤维毛坯的纵向方向延伸，该纵向方向对应于将要制造的叶片的纵向方向；
-成形所述纤维毛坯，以获得将要制造的叶片的预制件；以及
-通过将所述预制件浸渍在含有所述基质的材料前体的液体组合物中使所述预制件致密化，以获得具有纤维增强材料的叶片，所述纤维增强材料由所述预制件构成，并通过所述基质而被致密化。
在所述方法中，位于所述纤维毛坯的内部部分中的所述第一多个纱线中的至少一层纱线包括一个或多个牺牲材料的纱线，所述牺牲材料的纱线在所述预制件被致密化之后去除，以在所述叶片中形成一个或多个内部通道。
因此，通过本发明的方法，可以制造具有内部通道的复合材料叶片，并同时保留叶片结构的机械完整性。在本发明的方法中，通道的形成不破坏通道附近的增强纱线的连续性。
此外，由于牺牲纱线在对纤维毛坯成形之前就包括在增强材料中，可以制造同样包括内部通道的具有复杂形状的叶片，特别是具有扭曲形状的叶片。
特别地，但是非唯一地，牺牲材料可以选自下列材料中的至少一种：
热熔材料，如聚醋酸乙烯酯或聚乙烯；及
适于被溶剂(水，醇，等)溶解的材料，如可溶聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)。
在本发明的一个方面，纤维毛坯通过在多个层上三维编织至少与第一多个纱线中的纱线连接在一起的第二多个纱线中的纱线制成。三维编织可以为多层编织，编织类型选自以下编织法中的至少一种：缎织、多层缎织、多层平织及两面编织。特别地，第一多个纱线中除了牺牲材料的纱线之外的纱线以及第二多个纱线中的纱线可以为陶瓷纱线或碳纱线。
牺牲材料的纱线的重量根据将要在叶片中制造的内部通道的尺寸决定。
本发明还提供由包含纤维增强材料的复合材料制成的涡轮发动机叶片，该纤维增强材料通过将第一多个纱线和第二多个纱线编织在一起而获得，所述第一多个纱线中的纱线设置在连续层中并沿纤维毛坯的纵向方向延伸，该纵向方向对应于将要制造的叶片的纵向方向，所述增强材料通过基质被致密化，叶片包括一个或多个沿所述叶片的纵向方向延伸的内部通道。
特别地，叶片可以具有扭曲的形状。在本发明的一个方面，叶片由具有有机基质的复合材料制成。叶片的翼面也可以具有厚度可变的剖面。
本发明还提供涡轮发动机，其安装有本发明的叶片，或使用如上限定的方法制造的叶片。
附图说明
通过参照以下参照附图进行的非限制性说明，可以更好地理解本发明。
图1为由复合材料制成并包括内部通道的涡轮发动机叶片的透视图；
图2为在制造用于如图1所示叶片的纤维预制件中所用的三维编织的纤维毛坯的详细示意图；
图3和4示出了从图2所示的纤维毛坯开始制造用于如图1所示叶片的纤维预制件的连续步骤；
图5为如图2所示的叶片的展开平置的截面图，表示叶片的外形；
图6为能够获得图5所示类型的剖面的一组经纱层的截面图；和
图7A和7B为经向截面图，示出了用于编织图2所示纤维毛坯的一种方式。
具体实施方式
本发明适用于各种类型的涡轮发动机叶片，特别是各种燃气涡轮轴的压缩机叶片和涡轮叶片，如低压(LP)涡轮的转子叶轮叶片，例如图1中所示的叶片。
图1中的叶片10以公知的方式包括翼面20，由更大厚度部分形成的根部30，例如，根部30具有球茎形状的截面，并且根部30由柄脚32延伸。
翼面20沿纵向方向从根部30延伸至顶部20c，并在横截面上呈现出在其前缘20a至其后缘20b之间具有变化厚度的弯曲剖面。
通过将根部30接合在形成于涡轮转子(未示出)边缘处的具有互补形状的壳体中，叶片10安装在涡轮转子上。
根据本发明，叶片10还包括三个内部通道21，22，23，这些通道用于通过根部30吸入空气，并通过翼面20的顶部20c将空气吹出。
图2为纤维毛坯100的详细示意图，叶片纤维预制件可以从纤维毛坯100中成形，由此，在预制件被基质致密化后，可选地，对叶片进行加工，可以获得如图1所示的复合材料叶片。
毛坯100通过三维编织或多层编织获得，在成形之后构成叶片的翼面和根部的预制件。
毛坯100以条带的形式制成，该条带基本上沿方向X延伸，方向X对应于将要制造的叶片的纵向方向。毛坯100的厚度可变，并根据将要制造的叶片的翼面外形的厚度确定。在将要形成根部预制件的部分，纤维毛坯具有额外厚度103，该额外厚度根据将要制造的叶片的根部的厚度确定。毛坯100具有宽度l，该宽度根据将要制造的叶片的翼面剖面以及根部的展开(平置)长度进行选择。
以下详细描述三维编织纤维毛坯100的一种方式。
假定使用沿毛坯的纵向方向X，即，将要制造的叶片的纵向方向延伸的经纱进行编织，可以看出使用沿该方向延伸的纬纱进行编织也是可行的。
通过使用不同重量的经纱，可以获得增大部分102，该增大部分在毛坯100的宽度上提供厚度的变化。在一变体中，或此外，可以改变经纱的计数(在纬向上每一单元长度中纱线的数量)，更小的计数可以在对预制件进行模塑成形时获得更薄的厚度。
因此，如图6所示，为获得如图5所示平面投影的叶片翼面外形，可以使用不同重量和不同计数的三层经纱。
在一实施方式中，除了通过下述方式形成内部通道的纱线，所使用的纱线可以是由碳或碳化硅(SiC)制成的，例如，重量(细丝的数量)为0.5K(500根细丝)的纱线。为形成厚度变化102，使用更大重量的纱线，例如，重量为1K的纱线。如果没有1K的纱线，可以通过将两根0.5K的纱线缠绕在一起来获得。
当然，取决于可用纱线的重量，对于将要获得的外形，可以采用各种纱线层数以及计数变化和重量变化的组合。
图7A和7B为经向截面图，示出了可用于编织纤维毛坯100的织物的两个连续平面。
纤维毛坯100的条带包括一组经纱层，在该实施例中，层数为三(层C11，C12，C13)。通过三维编织，经纱被纬纱t1连接在一起。
在所示的实施例中，编织方式为使用缎织或多层缎织类型编织进行的多层编织。可以使用其它类型的三维编织，例如，使用多层平织或“两面编织”进行的多层编织。此处所用术语“两面编织”是指这样的一种编织方式：每个纬纱层连接多个经纱层，在给定纬列中的所有纱线在编织平面中具有相同的移动。
WO2006/136755特别描述了进行三维编织的各种方式，其内容通过引用并入这里。
根据本发明，层C12(即，位于经纱层C11和C13之间的内部经纱层)的三根1K纱线FC1，FC2和FC3由牺牲材料或临时材料(即，适于通过蒸发或溶解这样的方式在预制件致密化之后被去除的材料)制成。根据将要在叶片中形成的内部通道的尺寸，纱线FC1，FC2和FC3可以具有不同的重量。
当然，取决于想要获得的厚度和机械性能，经纱层的数量可以更大。不管纤维毛坯中的经纱层的数量是多少(大于或等于3)，牺牲纱线可以插入位于将要形成叶片表面的两个表面经纱层之间的任何经纱层中。
特别地，纱线FC1，FC2和FC3可以由以下牺牲材料形成：
-热熔材料，如聚醋酸乙烯酯或聚乙烯；或
-适于被溶剂(水，醇，等)溶解的材料，如可溶聚合物，例如PVA。
当利用陶瓷纤维形成纤维增强材料及利用液体浸渍形成基质时，可以将硅酮用于牺牲纱线，所述硅酮通过蒸发去除。
额外厚度103可以通过使用更大重量的纬纱和附加纬纱层获得，三根经纱FC1，FC2和FC3也位于额外厚度103中并位于内部纬纱层中。
当然，可以采用各种纬纱数量和纬纱重量的组合来形成额外厚度103。
图3和4非常详细地示出了如何从纤维毛坯100中获得形状与将要制造的叶片的形状相似的纤维预制件。
在图3中，纤维毛坯100一端经过额外厚度103切断，另一端也切断，以形成条带120，该条带的长度对应于将要制造的叶片的纵向尺寸，额外厚度103的一部分形成增大部分130，增大部分130位于与将要制造的叶片的根部的位置相对应的位置。
如图4所示，接着通过模塑条带102，同时使条带变形以再制造叶片翼面的弯曲且扭曲的外形，获得将要制造的叶片的纤维预制件200。这样就制成了具有翼面预制件部分220和根部预制件部分230(其包括柄脚预制件部分)的预制件。
更确切地，纤维预制件200通过利用基质对纤维毛坯100进行致密化获得。
纤维毛坯的致密化在于使用构成基质的材料填充毛坯的整个或部分体积中的孔隙。
构成叶片的复合材料的基质可以使用液体技术以公知的方式获得。液体技术为使用液体组合物浸渍纤维毛坯，液体组合物含有基质材料的有机前体。有机前体通常的形式为聚合物，如热塑或热固树脂，可能在溶剂中稀释过。毛坯置于以密封方式闭合的模具中，该模具具有凹槽，该凹槽具有模制部件的最终形状，该凹槽特别地能够呈现扭曲的形状，该扭曲的形状对应于叶片的最终形状。此后，闭合模具并注射基质(如树脂)的液体前体来填充整个凹槽，以浸渍预制件的所有纤维部分。
在去除任何溶剂并固化聚合物之后，通常通过加热模具进行热处理，前体转变为有机基质，即，前体被聚合，预制件持续保持在模具中，模具的形状对应于叶片的形状。有机基质特别地可以从环氧树脂(例如由供应商Cytec出售的PR520高性能环氧树脂)，或者碳或陶瓷基质的液体前体获得。在这种情况下，如果牺牲纱线FC1，FC2，和FC3由热熔材料制成，该材料选择为在高于聚合热处理所用温度的温度熔化，该温度范围一般为大约180℃至200℃。
基质也可以是使用陶瓷前体树脂浸渍纤维毛坯所获得的陶瓷基质，例如，陶瓷前体树脂可以是作为碳化硅(SiC)的前体的聚碳硅烷树脂，或作为SiCO的前体的聚硅氧烷树脂，或作为SiCNB的前体的聚硼硅氮烷树脂，或作为SiCN的前体的聚硅氮烷树脂。
根据本发明的一个方面，纤维毛坯可以通过公知的树脂传递模塑成型(RTM)法致密化。在RTM法中，纤维毛坯100置于具有叶片的外部形状的模具中。热固树脂注入到包含纤维毛坯的模具的内部空间中。压力梯度通常建立在树脂注入位置和树脂排出孔口之间内部空间中，以控制和优化使用树脂对毛坯进行的浸渍。
举例来说，使用的树脂可以为环氧树脂。适用于RTM法的树脂是公知的。这些树脂优选具有低粘度，以更容易在纤维之间注入。树脂的温度等级/或化学性质根据部件所要承受的热机械应力确定。一旦树脂注入整个增强材料，其根据RTM法通过热处理而被聚合。
在注入和聚合之后，部件去模。最后，对部件进行修整以除去多余的树脂，并且对部件的倒角进行加工。不需要其它的加工，因为已知部件为模制部件，其满足所需要的尺寸。
一旦完成致密化，经纱FC1，FC2，和FC3被去除。去除这些纱线所采用的处理取决于构成纱线FC1，FC2，和FC3的牺牲材料。举例来说，去除处理可以对应于热处理，该热处理的温度高于或等于材料的蒸发温度，或者对应于将预制件浸泡在溶液中，该溶液用于溶解将要去除的纱线的材料。
在去除纱线FC1，FC2，和FC3之后，获得图1所示的叶片10，即，具有扭曲的形状并包括三个内部通道21到23的叶片，当叶片安装到涡轮发动机转子(未示出)时，这些内部通道构成吸/吹装置。

Claims (15)

1.使用复合材料制造涡轮发动机叶片(10)的方法，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强材料，所述方法包括：
-通过将第一多个纱线和第二多个纱线编织在一起制造纤维毛坯(100)，所述第一多个纱线中的纱线设置在连续层(C11、C12、C13)中并沿所述纤维毛坯的纵向方向延伸，该纵向方向对应于将要制造的叶片(10)的纵向方向；
-成形所述纤维毛坯(100)，以获得将要制造的叶片(10)的预制件(200)；以及
-通过将所述预制件浸渍在含有所述基质的材料前体的液体组合物中使所述预制件(200)致密化，以获得具有纤维增强材料的叶片(10)，所述纤维增强材料由所述预制件构成，并通过所述基质而被致密化。
所述方法特征在于：位于所述纤维毛坯的内部部分中的所述第一多个纱线中的至少一层纱线(C12)包括一个或多个牺牲材料的纱线(FC1、FC2和FC3)，该方法还包括在所述预制件(200)被致密化之后去除所述牺牲材料的纱线(FC1、FC2和FC3)，以在所述叶片中形成一个或多个内部通道(21、22、23)。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述牺牲材料选自下列材料中的至少一种：
-热熔材料；及
-适于被溶剂溶解的材料。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述牺牲材料的纱线通过热处理或应用溶剂去除。
4.如权利要求1至3中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述纤维毛坯(200)通过在多个层上三维编织至少与所述第一多个纱线中的纱线连接在一起的所述第二多个纱线中的纱线制成。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述三维编织为多层编织，使用的编织类型为选自以下编织法中的至少一种：缎织、多层缎织、多层平织及两面编织。
6.如权利要求1至4中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述第一多个纱线中的除了所述牺牲材料所制成的纱线之外的纱线以及所述第二多个纱线中的纱线由陶瓷材料或碳材料制成。
7.如权利要求1至6中任一权利要求所述的方法，其特征在于：所述牺牲材料的纱线(FC1、FC2和FC3)的重量根据将要在所述叶片中形成的所述内部通道的尺寸确定。
8.由包括纤维增强材料(200)的复合材料制成的涡轮发动机叶片(10)，所述纤维增强材料通过将第一多个纱线和第二多个纱线编织在一起而获得，所述第一多个纱线中的纱线设置在连续层(C11、C12和C13)中并沿所述纤维毛坯(200)的纵向方向延伸，该纵向方向对应于叶片(10)的纵向方向，所述增强材料通过基质被致密化，所述叶片特征在于：其包括一个或多个沿所述叶片的纵向方向延伸的内部通道(21、22、23)。
9.如权利要求8所述的叶片，其特征在于：所述纤维增强材料(200)通过在多个层上三维编织至少与所述第一多个纱线中的纱线连接在一起的所述第二多个纱线中的纱线制成。
10.如权利要求9所述的叶片，其特征在于：所述三维编织为多层编织，使用的编织类型为选自以下编织法中的至少一种：缎织、多层缎织、多层平织及两面编织或多层编织。
11.如权利要求8至10中任一权利要求所述的叶片，其特征在于：所述第一多个纱线中的纱线以及所述第二多个纱线中的纱线由陶瓷材料或碳材料制成。
12.如权利要求8至11中任一权利要求所述的叶片，其特征在于：所述叶片具有扭曲的形状。
13.如权利要求8至12中任一权利要求所述的叶片，其特征在于：所述叶片由有机基质复合材料制成。
14.如权利要求8至13中任一权利要求所述的叶片，其特征在于：所述叶片的翼面具有厚度可变的外形。
15.涡轮发动机，其安装有如权利要求8至14中任一权利要求所述的叶片，或安装有使用如权利要求1至7中任一权利要求所述的方法制造的叶片。
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