CN103459129A - 用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器的致密设备 - Google Patents

Abstract

用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器的致密设备（100）包括框架（102），该框架（102）具有致密辊（104）和两个致密轮（106）；所述致密辊（104）安装在所述框架上，并用于支撑缠绕机器的浸渍芯轴（的外表面，每个所述致密轮（106）设计为支撑形成于所述浸渍芯轴的外表面和侧向凸缘之间的角。

Description

用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器的致密设备

技术领域

本发明涉及一种用复合材料制造燃气轮机壳体的常规领域，更具体地，本发明涉及一种用于航空发动机的燃气轮机风扇保留壳体。

背景技术

在燃气轮机式航空发动机中，风扇壳体具有若干功能：限定空气进入发动机的入口通道，支撑面向风扇叶片顶端的耐磨材料，支撑用于吸收声波在发动机入口处进行声音处理的选配结构，以及它们的组合或支撑保留护罩。该保持护罩构成了用于保留通过离心作用抛出的碎屑的捕捉器，例如吸入的物体或损坏叶片的碎片，从而阻止他们穿过壳体到达飞行器的其他部位。

风扇保留壳体通常由相对较薄的壁构成，该壁限定了空气入口通道并支撑了覆盖在沿风扇叶片顶端的路径上的耐磨材料以及声音处理涂层，如果有的话，还通过紧固到壁外侧的护罩结构与风扇平齐。

已经提出了用复合材料制造风扇保留壳体的建议。例如，可参考描述了制造厚度可变的复合材料壳体的文献EP1,961,923，其中该壳体包括纤维结构叠层形式的纤维加强件（reinforcement），并且用基质致密纤维加强件。更准确地，该文献记录了使用用于纤维结构的三维编织法的收线芯轴（takeup mandrel）的内容，该结构随后以层叠方式缠绕到浸渍芯轴（impregnation mandrel）上，该浸渍芯轴的外表面的轮廓与待制造的壳体的中心部轮廓相一致，该浸渍芯轴还具有对应于用于紧固壳体的法兰的两个侧板。以这种方式得到的纤维预成型坯保持在浸渍芯轴上，并且在树脂聚合之前浸渍在树脂中。

实际实施上述方法会产生将纤维结构从收线芯轴转移到浸渍芯轴上的问题。当进行上述缠绕过程时，特别需要保证浸渍芯轴上的纤维结构叠层的足够致密量。当纤维结构缠绕时，所提供的纤维结构的致密量将直接影响最终获得的预成型坯的纤维密度。特别地，必须能够致密浸渍芯轴的外表面以及形成在所述表面和芯轴侧板之间的角的纤维结构层。

因此，需求这样一种工具，该工具能够使得纤维结构的各层在缠绕到浸渍芯轴上时能以合适的方式高效地被致密。

发明内容

由此本发明的主要目的是通过提供一种致密设备满足这种需求，该致密设备用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器；根据本发明，该设备包括具有致密辊和两个致密轮的框架；致密辊安装在该框架上，并用于支撑缠绕机器的浸渍芯轴的外表面；每个所述致密轮设计为支撑形成于所述浸渍芯轴的所述外表面和侧板之间的角。

在操作中，本发明的设备的致密辊在层叠于浸渍芯轴上的纤维结构层上施加压力，该压力有助于致密这些层，其中浸渍芯轴位于待制造的壳体的未来的中心部上。同样地，致密设备的致密轮所施加压力能够致密形成在中心部和构成待制造的壳体的紧固法兰的构件之间的角上的纤维结构层。

并且，当纤维结构缠绕到浸渍芯轴上时，致密设备能够优化纤维结构所应用的张紧力。因此致密效果能够使得待提供的预成型坯具有最终的致密量，并且在预成型坯不再受到致密辊和致密轮的压力时，使得所施加的缠绕张紧力（在500牛顿（N）至1500N的范围内）能够保持预成型坯的这种致密量。

优选地，所述致密设备还包括用于对所述致密辊和所述致密轮施加振动的装置。赋予致密辊和致密轮振动能够对纤维结构层产生微敲作用，因此增加了预成型坯的致密效果。

所述用于对所述致密辊和所述致密轮施加振动的装置可以包括至少一个电动振动器，该至少一个电动振动器安装在所述框架上。

还优选地，所述致密设备还包括用于调节所述致密辊相对于所述框架的位置的装置。该调节选择部件能够精确地调节致密辊在缠绕在浸渍芯轴上的纤维结构层上的位置。

在这种情况下，所述致密辊可旋转地安装在固定于所述框架的两个板之间，每个板具有通过齿轮而枢动的一端，该齿轮适于通过与蜗杆啮合围绕水平轴线枢转。

有利地，所述致密辊的外表面的轮廓与其支撑的所述浸渍芯轴的外表面轮廓相一致。

所述致密辊可以包括多个纵向辊段，这些纵向辊段能够相互独立地旋转。考虑到保留壳体通常变化的直径，致密设备的该特征能够在致密辊的不同段直径具有不同的旋转，以确保芯轴的所有点均能够在没有摩擦力的情况受到辊压。

还优选地，所述致密设备还包括用于调节所述致密轮相对于所述框架的位置的装置。该调节选择部件能够精确地调节致密轮压靠在角上的位置，该角形成在所述浸渍芯轴的所述外表面和所述侧板之间。

在这种情况下，每个所述致密轮可以安装在具有第一部件和第二部件的轮支撑件上，所述第一部件形成为适于在所述框架的固定纵向杆上滑动的夹子，以能够沿纵向调节所述致密轮相对于所述框架的位置，所述第二部件形成为安装在所述第一部件上的滑块，并且适于在径向相对于所述第一部件滑动，以能够沿径向调节所述致密轮相对于所述框架的位置。

优选地，所述致密辊和所述致密轮由弹性材料制成的蒙皮覆盖。使用弹性蒙皮能够使得致密辊和致密轮更好地适应浸渍芯轴的外表面，以对该芯轴的所有点施加基本一致的压力。

本发明还提供一种用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器，该机器包括：收线芯轴，通过三维编织法获得的纤维结构存储在该收线芯轴上，所述收线芯轴具有大致水平的旋转轴线；浸渍芯轴，存储在所述收线芯轴上的所述纤维结构的叠层缠绕到所述浸渍芯轴上，该浸渍芯轴具有大致水平且平行与所述收线芯轴的所述旋转轴线的旋转轴线；电机，该电机用于驱动所述芯轴围绕他们各自的旋转轴线旋转；控制单元，用于控制驱动所述芯轴旋转的电机；以及上述限定的致密设备。

优选地，所述缠绕机器还包括支撑结构和至少一个促动器；该支撑结构使所述致密设备围绕大致水平的轴线枢转地安装于其上，所述促动器具有本体和杆件，所述本体紧固在所述支撑结构上，所述杆件紧固在所述设备的所述框架上，以使得所述致密设备能够围绕所述水平轴线枢转。

附图说明

本发明的其他特征和优势将通过下面结合附图的描述呈现，附图展示的实施方式不具有任何限制性。在附图中：

图1为包括本发明的致密设备的用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴的机器的透视图；

图2和图3为分别从侧视和俯视角度显示图1中的缠绕机器的视图；

图4至图6分别是与图1中缠绕机器相配合的本发明的致密设备的透视图和侧视图；

图7A和图7B是图4至图6中致密设备的视图，其展现了致密辊的调节位置；以及

图8A和图8B是图4至图6中设备的视图，其展现了致密轮的调节位置。

具体实施方式

下面将以本发明应用到燃气轮机航空发动机的风扇壳体制造中的情况来描述本发明。

制造这种风扇壳体的方法的实施例在文献EP1,961,923中得到描述，可以参考其进行制造。

用复合材料制造的壳体包括用基质致密的纤维加强件。该加强件由例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或陶瓷纤维等纤维制成，基质由例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺等聚合物制成。

简要地，本发明文件中描述的制造方法包括通过在鼓状物（下述中称为“收线芯轴”）上通过经纱（warp）收线（takeup）的三维编织法来制造纤维结构，该鼓状物的轮廓根据由待制造的壳体轮廓决定。特别地，纤维结构制造为单件，该单件的中心部与待制造的壳体的中心部相对应，该单件的两个法兰与壳体的紧固法兰相对应。

以这种方式制造的纤维结构随后转移到树脂注射模具的芯轴（下述称为“浸渍”芯轴）上，该芯轴的外部轮廓与待制造壳体的内部轮廓相一致。在浸渍芯轴上保持预成型坯，随后使用树脂实现浸渍。为了这个目的，在预成型坯上使用遮盖物并将树脂注入以该方法构成的模具中。通过在放置预成型坯的模具的内侧和外侧之间建立压力差以助于浸渍。在浸渍之后，实施树脂聚合的步骤。

如图1至图3所示的缠绕机器用于将储存在收线芯轴上的纤维结构自动转移到树脂注射模具的浸渍芯轴上。

缠绕机械10包括特别地支撑收线芯轴14和浸渍芯轴16的支撑结构12。这些芯轴是可移动的，即他们可以从支撑结构上移除。

收线芯轴14收纳通过三维编织法得到的纤维结构18。该收线芯轴14由水平轴20承载，该水平轴20具有可相对于缠绕机器的支撑结构12旋转地安装的一端，并且具有与电机22（例如交流电动（AC）齿轮电机）出口（outlet）轴连接在一起的另一端。

由收线芯轴14、其轴20以及其电机22构成的组件可以相对于支撑结构沿收线芯轴的旋转轴线以平移方式移动。收线芯轴的平移的自由度能够在开始将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上之前，使得该芯轴与浸渍芯轴对齐。

用于以平移方式移动收线芯轴的系统可以由例如蜗杆型杆24形成，该蜗杆型杆24与收线芯轴耦合，并具有紧固在缠绕机器的支撑结构12上的一端，并且其另一端与手轮26配合。通过手轮驱动蜗杆型杆24旋转，使得由收线芯轴14、其轴20以及其电机22构成的组件相对于支撑结构12以平移方式移动。

缠绕机器的浸渍芯轴16用于收纳存储在收线芯轴上的纤维结构叠层。其具有与待制造的壳体内表面的轮廓相一致的外部轮廓28，以及两个侧板30。

浸渍芯轴由与收线芯轴的旋转轴20平行的水平轴32（图3）承载，并且该水平轴32具有可旋转地安装在缠绕机器的支撑结构12上一端，并且其另一端与电机43（例如交流齿轮电机）的出口轴耦合。

两个芯轴的电机22和34连接有控制单元36，该控制单元36能够监测并控制每个芯轴的旋转速度。更普遍地，控制单元用于掌管缠绕机器的所有操作参数，并且特别是当电机驱动时的收线芯轴的平移移动。

缠绕机器10的支撑结构12支撑有横梁38，该横梁38具有垂直地安装在芯轴上方的光学观测装置，以能够在将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上之前，有助于收线芯轴相对于浸渍芯轴对齐。

更准确地，光学观测系统40（例如发送光束的激光器）可枢转地安装在芯轴上方的横梁上。如图1所示，该光学观测系统可以围绕安装其的横梁30枢转，以能够观测缠绕机器的一个或另一个芯轴。光学观测设备还具有横向移动的自由度，这使其能够观测浸渍芯轴的外表面28的整体宽度上的任意一点（图3）。

在缠绕纤维结构之前，如下所述地对齐收线芯轴14与浸渍芯轴16。

首先，将可视标签42定位在浸渍芯轴的外部结构28上，并且驱动光学观测系统40横向移动以将其光束对齐到可视标签42上。然后将光学观测系统在该位置横向锁定，并且使其绕横梁38枢转以垂直地位于收线芯轴。在该位置，光学观测系统观测缠绕在收线芯轴14上的纤维结构18。

为使收线芯轴与浸渍芯轴合适地对齐，必需使纤维结构的特殊经纱44（称为“示踪纱”）以及该特殊经纱44在纤维结构中的位置与由光学观测系统发射的光束对齐，所述特殊经纱44在纤维结构中的位置与浸渍芯轴的可视标识的位置相关。为此，通过操纵手轮26沿旋转轴线移动收线芯轴，直到该示踪纱44与光学观测系统发射的光束对齐。

一旦收线芯轴与浸渍芯轴合适地对齐，可以开始将纤维结构缠绕到浸渍芯轴。收线芯轴的纤维结构的自由端首先系牢到浸渍芯轴上，然后操纵和控制用于驱动芯轴旋转的电机。

更准确地，用于驱动芯轴旋转的电机由控制单元控制，以能够在纤维结构上施加合适的缠绕张紧度，该张紧度可以通过设定预设设定值监控。该预设设定值能够通过控制单元转换为预设感应电流，该预设感应电流施加到一个芯轴（即，通常为收线芯轴）上，该芯轴能够提供缠绕的反向力矩。芯轴的转速同样可由控制单元控制。

缠绕机器10还包括如图4至图6所示的本发明的致密设备100。该设备用于改善纤维结构层在缠绕到浸渍芯轴16上时致密效果。

致密设备100主要包括框架102，该框架包括安装于其上的致密辊104和两个致密轮106。

如图2所示，致密设备在工作位置和升高位置之间可移动；在工作位置（图2中的连续线），致密辊支撑浸渍芯轴的外表面28，并且致密轮支撑形成在浸渍芯轴的外表面和侧板之间的角，在升高位置（图2中的虚线），致密辊和致密轮从浸渍芯轴上分立出来。

致密设备紧固在缠绕机器上用于支撑收线芯轴和浸渍芯轴的支撑结构12上。更准确地，致密设备的框架102具有臂108，该臂108可绕水平轴线110旋转地安装在支撑结构的一端。具有紧固在支撑结构上的本体和紧固在框架上的杆的促动器112用于使致密设备绕水平轴线110（见图2）枢转，因此能够从工作位置升高致密设备。

致密设备还具有用于赋予该致密辊和致密轮振动的装置。例如，这些装置可以由安装在框架上的两个电动振动器112构成。这些振动器实现了其公知的功能，并且他们产生了从框架传播给致密辊和致密轮的振动。该振动器随后转换为对缠绕时的纤维结构层进行微敲，这些微敲能够增强预成型坯的致密效果。

下面描述致密设备的致密辊的各种优势配置。

根据一个这些优势配置，能够调节致密辊相对于框架的位置，以能够精确地调节致密辊在缠绕在浸渍芯轴上预成型坯上的位置。

为此，致密辊104旋转地安装在两个板114之间，该两个板114固定在致密设备的框架102上。更准确地，每个板具有通过齿轮116而驱动枢转的端部，该齿轮116能够围绕水平轴118相对于框架其他部分枢转。为了每个板114，适于由手轮122操纵的蜗杆120用于使齿轮116继而使得板围绕水平轴线118旋转，因此使得致密辊相对于框架枢转。

因此，如图7A和图7B所示，当其中一个手轮122转动时，固定在其上的蜗杆120能够引起相关联的板围绕水平轴线118枢转。这使得致密辊104的相对应的端部相对于框架移动。通过操纵两个手轮，能够由此调节致密轮相对于框架的位置。

根据另一个优势配置，致密辊104的外表面的轮廓与浸渍芯轴16外表面28的轮廓相一致，当致密设备位于其工作位置时，致密辊104的外表面支撑在浸渍芯轴的外表面上。

而且，如图4所示，致密辊104优选地具有多个纵向辊段104a、104b、104c等，这些纵向辊端能够相互独立地旋转。通常地，保留壳体的直径在其两端之间变化。因此，具有纵向段的辊能够相互之间自由地旋转，从而使得各段之间能够适应不同的转速，以能够使得致密辊辊压浸渍芯轴的所有点。

下面描述致密设备的致密轮的各种优势配置。

至于致密辊，其优势在于能够调节致密轮相对于框架的位置。

为此，每个致密轮106安装在轮支撑件124上，该轮支撑件124具有形成夹子的第一部件126和形成滑块的第二部件128。

如图8A和8B所示，轮支撑件124的第一部件136适于在紧固于框架102上的纵向杆130上滑动，该滑动能够调节致密轮相对于框架在纵向上的位置。

轮支撑件的第二部件128紧固在第一部件上，并且适于相对于第一部件在径向上滑动，以能够调节致密轮在径向上相对于框架的位置。

为此，每个致密轮的两个部件之间的紧固可通过包括蜗杆和螺母的连接形式实现：以一个方向或另一个方向旋拧，固定在第一部件的蜗杆132用于使第二部件沿第一部件的导轨134滑动，该导轨134沿径向延伸。换言之，以一个方向或另一个方向旋拧蜗杆，能够使得轮支撑件的第二部件相对于保持固定的第一部件径向移动。围绕蜗杆132并且在轮支撑件的两部件的板之间安装有弹簧136，该弹簧136用于首先调节致密轮施加在预成型坯上的压紧力，其次用于吸收预成型坯形状上的不规则之处。

下面描述致密设备的其他优势配置。

特别地，致密辊104和致密轮106可以由弹性材料制成的蒙皮覆盖。这种蒙皮用于使致密轮和致密辊的轮廓精确地与缠绕在浸渍芯轴上的预成型坯的轮廓相适应，从而保证能够在预成型坯的外表面上所有的点施加一致的压力。

并且，如图2所示，在工作位置位于浸渍芯轴16上时，致密设备100有角度地布置，这种布置使致密辊104的轴线相对于包含芯轴的旋转中心的垂直平面P以约20°的角度的方式设置，然后致密轮106的轴线以30°至45°的角β远离所述平面p。

需要注意的是，相对于浸渍芯轴的纤维结构的向前方向，位于图2中工作位置的致密轮106位于致密辊104的后方。自然地，这是能够想到的相反布置形式。

Claims (12)

1.一种用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器的致密设备（100），该设备包括框架（102），该框架（102）具有致密辊（104）和两个致密轮（106）；所述致密辊（104）安装于所述框架（102）上，并用于支撑缠绕机器（10）的浸渍芯轴（16）的外表面（28），每个所述致密轮（102）设计为支撑形成于所述浸渍芯轴的所述外表面和侧板（30）之间的角。

2.根据权利要求1所述的设备，还包括用于对所述致密辊和所述致密轮施加振动的装置（112）。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述用于对所述致密辊和所述致密轮施加振动的装置包括至少一个电动振动器（112），该至少一个电动振动器安装在所述框架上。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的设备，还包括用于调节所述致密辊相对于所述框架的位置的装置。

5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述致密辊（104）可旋转地安装在固定于所述框架的两个板（114）之间，每个所述板具有通过齿轮（116）而枢动的一端，该齿轮（116）适于通过与蜗杆（120）的啮合围绕水平轴线（118）枢转，以能够调节所述致密辊相对于所述框架的位置。

6.根据上述权利要求1-5中任意一项所述的设备，其中，所述致密辊的外表面的轮廓与其支撑的所述浸渍芯轴的所述外表面的轮廓相一致。

7.根据上述权利要求1-6中任意一项所述的设备，其中，所述致密辊（104）包括多个纵向辊段（104a、104b、104c、...），这些纵向辊段能够相互独立地旋转。

8.根据上述权利要求1-7中任意一项所述的设备，还包括用于调节所述致密轮相对于所述框架的位置的装置。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，每个所述致密轮（106）安装在具有第一部件（126）和第二部件（128）的轮支撑件（124）上，所述第一部件（126）形成为适于在所述框架的固定纵向杆（130）上滑动的夹子，以能够沿纵向调节所述致密轮相对于所述框架的位置，所述第二部件形成为安装在所述第一部件上的滑块，并且适于在径向相对于所述第一部件滑动，以能够沿所述径向调节所述致密轮相对于所述框架的位置。

10.根据上述权利要求1-9中任意一项所述的设备，其中，所述致密辊和所述致密轮由弹性材料制成的蒙皮覆盖。

11.一种用于将纤维结构缠绕到浸渍芯轴上的机器（10），该机器包括：

收线芯轴（14），通过三维编织法获得的纤维结构（18）存储在该收线芯轴（14）上，所述收线芯轴具有大致水平的旋转轴线（20）；

浸渍芯轴（16），存储在所述收线芯轴上的所述纤维结构的叠层缠绕到所述浸渍芯轴（16）上，该浸渍芯轴具有大致水平且平行于所述收线芯轴的所述旋转轴线的旋转轴线；

电机（22、34），该电机用于驱动所述芯轴围绕他们各自的旋转轴线旋转；

控制单元（36），该控制单元用于控制驱动所述芯轴旋转的所述电机；

致密设备（100），该致密设备为根据权利要求1-10中任意一项所述的致密设备。

12.根据权利要求11所述的机器，还包括支撑结构（12）和至少一个促动器（112）；该支撑结构（12）使所述致密设备（100）围绕大致水平的轴线（110）枢转地安装于其上，所述促动器（112）具有本体和杆件，所述本体紧固在所述支撑结构上，所述杆件紧固在所述设备的所述框架上，以使得所述致密设备能够围绕所述水平轴线枢转。

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