CN104040056B - 用于由复合材料制成且具有集成平台的涡轮发动机叶片的纤维预成型件及其制造方法 - Google Patents

用于由复合材料制成且具有集成平台的涡轮发动机叶片的纤维预成型件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于由复合材料制成的涡轮发动机叶片的纤维预成型件的制造方法，该方法包括通过使用纵向纱线层与横向纱线层相互连接来进行三维编织以制造单件的纤维毛坯，并且对该纤维毛坯进行加工成型来获得具有形成机翼预成型件部分和形成至少一个平台预成型件部分的单件的纤维预成型件。在编织中，纵向纱线的第一组的纱线从该毛坯的一个侧面的一侧抽出以形成与叶片平台预成型件相对应的部分，纵向纱线的第二组的纱线以第一组纱线和第二组纱线的相互交叉方式被插入至纤维毛坯中。本发明也提供一种依据本方法获得的预成型件。

Description

用于由复合材料制成且具有集成平台的涡轮发动机叶片的纤维预成型件及其制造方法
背景技术
本发明涉及制造具有至少一个平台的叶片的纤维预成型件，该叶片的纤维预成型件尤其用于制造由复合材料制成的涡轮发动机叶片。
参考已经提出制造由复合材料制成的用于涡轮发动机的叶片。例如，参考文件EP1526285，该文件描述了一种由三维编织制成一个纤维预成型件并通过有机基质致密化该纤维预成型件的制造风扇叶片的方法。
而且，涡轮发动机风扇包括布置在叶片之间的平台，以限定风扇中环形空气进入通道，通道外部由壳体来限定。这些平台可以被单独添加或者可以与风扇叶片的位于其机翼和延伸其根部的柄脚之间的基体直接结合。本发明尤其涉及形成第二种类部件的叶片，即集成有一个或多个平台的叶片。
发明内容
因此，需要一种具有一个或多个集成平台且由复合材料(尤其但不仅仅是有机基质复合(OMC)材料)制成的涡轮发动机叶片。
为此，本发明提供一种用于制造由复合材料制成的涡轮发动机叶片的纤维预成型件的制造方法，该叶片具有沿纵向延伸的机翼、两个相反的侧面和至少一个沿侧面延伸的平台，所述制造方法包括：
通过使用多个纵向纱线进行三维编织来制造单件的纤维毛坯，所述多个纵向纱线沿与待制造的所述叶片的纵向相对应的方向延伸且与多个横向纱线层的纱线相互连接；
成型所述纤维毛坯以获得单件的纤维预成型件，该纤维预成型件具有形成机翼预成型件的第一部分和至少一个形成平台预成型件的第二部分；并且
在所述纤维毛坯的编织过程中，从所述纤维毛坯的所述侧面中的至少一者的一侧从所述纤维毛坯中抽出第一组纵向纱线的纱线，以形成所述毛坯的与叶片平台预成型件对应的部分，并且将第二组纵向纱线的纱线插入到所述纤维毛坯中，同时使所述第一组纵向纱线的所述纱线与所述第二组纵向纱线的所述纱线相互交叉。
在编织过程中，通过使从纤维毛坯中抽出的纱线与插入到纤维毛坯的纱线交叉，使得能够通过形成机翼预成型件的一部分和形成平台预成型件的另一部分进行三维编织来获得单件的纤维预成型件，尽管抽出了第一组纱线，但仍能保持纤维毛坯内部的纤维密度是恒定的。
这也保证了在形成机翼预成型件的部分和形成平台预成型件的部分之间的纤维的连续性，因此，使得具有集成平台的叶片能够具有所需要的机械性质。
根据所述方法的一个特征，所述第一组纱线和所述第二组纱线的交叉发生在邻近所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分和所述毛坯的与所述机翼预成型件对应的部分的连接处的位置。
优选地，插入到所述纤维毛坯的所述第二组纱线中的所述纱线来自预先从所述纤维毛坯中抽取的纵向纱线层，以使所述毛坯的厚度在所述毛坯的宽度方向上减小。纱线层可以取自所述毛坯，以使得机翼轮廓厚度减少(从叶根到叶的顶端)。因为其避免了浪费纱线，因此使用它们来制作所述平台尤为有利。
在这种情况下，优选地，纤维毛坯成型步骤包括：切除所述第二组纱线的位于以下区域的所述纱线的部分：所述区域位于从所述纤维毛坯抽出纱线的区域和插入纱线到所述纤维毛坯中的区域之间。而且，所述第二组纱线中的至少一部分纱线取自位于所述纱线插入到所述纤维毛坯的区域的下游的所述纤维毛坯，以使所述毛坯的厚度从所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分的下游在所述毛坯的宽度方向上减小。
当叶片的机翼的轮廓在从叶片的根部和尖端之间没有呈现任何厚度的减少，或者当该减少的厚度不足以使得大量足够的纱线被获得到来形成叶片平台，可以插入到纤维毛坯中的第二组纱线中的至少一部分纱线可以来自另外的纵向纱线层。
根据本方法的另一特征，在所述纤维毛坯的每个侧面上从所述纤维毛坯中抽出所述纱线并且将该纱线插入到所述纤维毛坯中，以形成所述毛坯的与两个叶片平台预成型件对应的部分。在这种情况下，制造的叶片因此具有两个平台，每一侧(压力侧和吸力侧)上具有一个平台。
根据本方法的还另一特征，纤维毛坯的成型包括：切削所述毛坯的与所述叶片预成型件对应的部分，以具有需要的尺寸，并且沿与所述毛坯的侧面大体正交的方向展开所述毛坯的所述部分。
沿与待制造的叶片的纵向相对应的方向延伸的所述纵向纱线可以为经纱。可选择地，沿与待制造的叶片的纵向相对应的方向延伸的所述纵向纱线可以为纬纱。
本发明还提供一种用于涡轮发动机叶片的纤维预成型件，该叶片具有沿纵向方向延伸的机翼、两个相反的侧面以及至少一个沿侧面延伸的平台；所述预成型件包括通过使用多个纵向纱线进行三维编织单件的纤维毛坯，所述多个纵向纱线沿与待制造的叶片的纵向相对应的方向延伸且与多个横向纱线层的纱线相互连接，其中，根据本发明，从所述纤维毛坯的所述侧面中的至少一者的一侧抽出第一组纵向纱线的纱线，以形成所述毛坯的与叶片平台预成型件对应的部分，并且将第二组纵向纱线的纱线插入到所述纤维毛坯中，同时使所述第一组纵向纱线的所述纱线与所述第二组纵向纱线的所述纱线相互交叉。
本发明也提供一种由复合材料制成且包括如上所述的通过基体致密化的纤维预成型件的涡轮发动机风扇叶片。本发明也提供一种包括至少一个所述叶片的涡轮发动机风扇。
附图说明
通过以下参考附图的描述将显现出本发明的其他特征和优点，附图显示具有非限制性特征的实施方式。在附图中：
图1为集成有两个平台的涡轮发动机叶片的透视图；
图2为在用于制造图1所示的风扇叶片的三维编织的纤维毛坯中的纱线层的布置的示意图；
图3为显示一种编织图2的纤维毛坯的方法的经平面的示意图；以及
图4为显示另一种编织本发明的变型实施例的纤维毛坯的方法的经平面的示意图。
具体实施方式
本发明适于制造任何具有由复合材料制成的集成平台的涡轮发动机叶片，并且本发明尤其适于但不限于适于如图1所示叶片的风扇叶片。
在以已知的方式中，图1中的叶片10包括机翼20、由柄脚32延伸出的厚度较大的部分形成的根部30(例如具有灯泡状截面)、和位于柄脚32和机翼20之间的两个平台40。
所述机翼20在平台40和叶片的顶端22之间沿纵向延伸，并且其厚度的横截面呈现弯曲轮廓，机翼20的厚度在两个相反的侧面(即其前边缘24和后边缘26)之间变化。
在其内径向端部，叶片20通过其外表面连接至平台40，所述外表面用于限定空气进入风扇的环形进入通道的内侧，所述通道的外侧通过壳体(未示出)限定。
在图1的实施例中，叶片10具有两个平台40，该两个平台40从叶片的侧面20(其压力侧面20a和其吸力侧面20b)延伸。当然，本发明也适于仅具有一个平台(例如从叶片的吸力侧面延伸的平台，而压力侧面没有平台)的叶片。
附图2显示在用于制造如图1所示的风扇叶片的三维编织的纤维毛坯100中的纱线层的布置。
该纤维毛坯100包括中心部110和两个侧部120，中心部110形成用于所述机翼和用于所述根部的预成型件，两个侧部120在加工成型后将形成平台的预成型件。所述毛坯的这些部分110和120大体沿与待制造的叶片的纵向相对应的X方向延伸。在该图中，仅仅显示出这两个部分的包迹线(envelope)。中间部110具有两个相反的侧面110a和110b，两个侧部120从两个相反的侧面110a和110b延伸。当制造具有单一平台的风扇叶片时，仅设置这些侧部中的一个。
在中心部110的将形成根部预成型件的部分112中，中心部110具有额外的厚度(在侧面110a和110b之间)，该额外的厚度由待制造的叶片的根部的厚度决定。在中心部110的将形成机翼预成型件的部分114中，中心部110具有变化的厚度，该变化的厚度由待制造的叶片的机翼轮廓的厚度决定。
但简而言之，可以按照如下步骤从所述纤维毛坯100中获得具有与待制造的叶片的形状接近的形状的纤维预成型件。在控制质量后，纤维毛坯100被削平，以从织物中去除所有的额外长度，从而使部件具有与注塑模具相匹配的尺寸。切削步骤(cutting-outstep)尤其适用于所述毛坯的将形成根部预成型件的部分112、所述前边缘、所述后边缘、形成叶片预成型件的中心部110的顶端、和将形成平台预成型件的侧部120的端部。
一旦完成切削，所述毛坯通过将其摊平并抬起一个侧部成型，以使得该一个侧部相对于中心部的侧面成90°延伸。这种状态被锁定并且翻转所述预成型件。然后，使所述毛坯的中心部变形以重新生成所述叶片的弯曲轮廓。之后，相对于所述中心部的对应的侧面成90°展开所述侧部。这样产生具有形成用于机翼与根部的预成型件的一个部分和形成用于平台的预成型件的两个部分的单件纤维预成型件。然后，使产生的纤维预成型件变干，并将其放置于注塑模具中。
通过将预成型件保持在模具中至少直至预成型件已经硬化(或者固化)以使基质(matrix)沉积在纤维预成型件中。基质的特性是依据需要的应用来选择的，例如尤其从树脂中获取的有机基质，树脂为聚合物基质的前体，例如环氧基树脂，双马来酰亚胺树脂，或聚酰亚胺树脂，或碳基质，或陶瓷基质。对于有机基质，在在模具中成型之前，用包含基质前体树脂的组合物浸渍所述纤维预成型件，或在成型后，再执行浸渍，例如通过注入或者树脂传递成型(RTM)方法。对于碳基质或陶瓷基质，可以通过化学气相渗透法(CVT)或用包含有树脂的液体组合物浸渍来执行硬化，该树脂为碳或陶瓷的前体，且然后对该前体运用热解或陶瓷化加热处理，这些方法本身是公知的。
将在以下详细描述能够三维地编织纤维毛坯100的方法。
假设用沿所述毛坯的纵向X延伸的经纱来进行编织，可以理解的是，也可以用沿着该方向延伸的纬纱来进行编织。
附图3为用于制造如图2所示的纤维预成型件的三维的纤维毛坯100的经平面。此处使用的术语“经”平面指代所述纤维毛坯中的沿垂直于纬纱的方向延伸的平面，并且该“经”平面包含一列经纱(在图2中，连续的线代表经纱)。
例如，在将形成根部预成型件的部分112中，在所述纤维毛坯的相反的侧面110a和110b之间，所述纤维毛坯可以包括24层经纱C1到C24和同样层数的纬纱t1到t24。在该部分112中，编织为互锁型编织同时在与相反的侧面110a和110b邻近的部分中的经纱C1到C24采用缎纹型编织。具有位于其芯部的互锁型编织和位于其表面的二维或三维缎纹型编织的纤维结构的三维编织是已知的。可以参考文件WO2006/136755。
在形成机翼预成型件的部分114中，纤维毛坯的厚度在其侧面110a和110b之间变化。因此，为了考虑使待制造叶片的轮廓变薄，逐渐从所述纤维毛坯中取出经纱层和相应数目的纬纱层。在图3的实施例中，经纱C2、C3和C4依次从侧面110a一侧取出，并且经纱C23、C22和C21依次从相反的侧面110b一侧退出。这种包括退出编织在纤维毛坯的织物中的纱线的操作是已知的。可以参考文件EP1528285。
在纤维毛坯的部分114的区域116中，形成有编织的侧部120，该编织的侧部120将形成平台预成型件。为了实现该目的，从纤维毛坯的每个侧面的一侧退出经纱层，并且将该经纱层与特定的纬纱层进行编织。在图3的实施例中，邻近的经纱C5至C7从侧面110a一侧退出，并且与纬纱t1至t3进行编织来形成一个侧部120。类似地，邻近的经纱C18至C20从其它侧面110b一侧退出，并且与纬纱t22至t24进行编织来形成另一个侧部120。非相互连接的区域布置在形成部分120的经纱层和将形成机翼预成型件的部分114的经纱层之间。
此外，尽管退出这些经纱以形成侧部120，但是为了保证纤维毛坯中纤维密度恒定，从所述纤维毛坯中退出的用于使所述叶片的轮廓的厚度逐渐减小的经纱中的至少一部分插入到所述纤维毛坯的部分114的区域116中(这里，在侧面110a一侧的经纱C3和C4以及在侧面110b一侧的C21、C22和C23)。因此，这些经纱穿过经纱C5至C7(在侧面110a一侧)和经纱C18至C20(在侧面110b一侧)，优选地，处于部分114和侧部120的连接处，部分114与机翼预成型件相对应，侧部120与平台预成型件相对应。
因此，位于侧面110a一侧的经纱C3和C4以及位于侧面110b一侧的经纱C21、C22和C23在它们离开所述纤维毛坯的部分114的区域和它们重新插入的区域116之间浮动(即，它们保持在纤维毛坯的表面上，而不与纬纱相互连接)。如果需要使机翼轮廓的厚度逐渐减少，可以在所述纤维毛坯的部分114的更下游再次抽取这些经纱中的至少一部分。例如，在图3中，其适用于经纱C3、C21、C22和C23。在随后的纤维毛坯成型步骤中，这些位于其从纤维毛坯中退出和被重新插入的位置之间的经纱C3，C21，C22和C23部分被切除。
附图3显示在区域116中重新插入所述纤维毛坯的部分114中的经纱与从区域116中抽出的经纱相互交叉，以编织将形成所述平台预成型件的侧部120的实施例。当然，可以使用其他已知类型的交叉，尤其是为了避免太过突然的交叉。
附图4显示用于制造涡轮发动机风扇叶片的纤维毛坯的纤维毛坯100′的纬平面，其是以不同方式编织的。
在这种实施方式中，待制造叶片的机翼的轮廓的厚度不会逐渐减小，至少从平台到叶片底部不会逐渐减小(即厚度保恒定)。
在将形成根部预成型件的部分112′中，并且位于相反的侧面100′a和100′b之间，该纤维毛坯100′包括24层经纱C1到C24和同样层数的纬纱t1到t24。在该部分112′中，编织为互锁型编织同时在与相反侧面相邻近的部分中对经纱C1到C24采用缎纹型编织。
在将形成机翼平台的部分114′中，纤维毛坯的厚度在其侧面100′a和100′b之间保持恒定，因此没有经纱层被抽取。
如上所述的实施方式中，在纤维毛坯的部分114′的区域116′中，编织有将形成平台预成型件的侧部120′。为了实现该目的，在图4的实施例中，临近的经纱C5至C7从侧面110′a的一侧退出，并且与纬纱t1至t3进行编织来形成一个侧部120′。类似地，邻近的经纱C18至C20从侧面110′b一侧退出，并且与纬纱t22至t24进行编织来形成另一个侧部120′。
尽管退出了将形成侧部120′的经纱，然而为了保证纤维密度恒定，增加的经纱C1′至C3′和C21′至C23′被引入到纤维毛坯的部分114′的区域116′中。因此，这些经纱与经纱C5至C7(在侧面100′a一侧)和经纱C18至C20(在侧面100′b一侧)交叉，优选地，在与机翼预成型件相对应的部分114′和与平台预成型件相对应的侧部120′连接的位置交叉。
可以想像其他不同的编织本发明纤维预成型件的变型方式。
尤其地，当待制造的叶片仅有一个平台时，抽取用于编织其预成型件的纱线层就只能从该纤维预成型件的一个侧面的一侧进行抽取。如果仅有少量纱线层能够用于编织平台预成型件，这种方案能够获得更大的灵活性。
同样能够制造具有用于从其侧面延伸的半个平台的预成型件的纤维预成型件。由该预成型件制造出的叶片的半个平台就不能全部覆盖两个邻近叶片之间的空间，且必须使缺失的半个平台独立。然而，由于其编织不需要考虑机翼的曲率，因此相对容易实现。
在图3中的编织的替代方式中，待制造的叶片的机翼的厚度可以通过使用重量可变化的纬纱来改变。这种替代方式能够避免从纤维毛坯中抽取纱线层然后在稍微下游处将它们重新插入。
在编织该纤维毛坯的另一种替代方式中，能够对折构成平台预成型件的经纱并将其一起进行编织，这样做是为了使在定位该平台的特定位置处从纤维毛坯中抽取纤维更容易。

Claims (15)

1.一种纤维预成型件的制造方法，该纤维预成型件用于制造由复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述叶片(10)具有沿纵向延伸的机翼(20)并且具有两个相反的侧面(24、26)和至少一个从侧面延伸的平台(40)，所述方法包括：
通过使用多个纵向纱线(C1至C24)进行三维编织制造单件的纤维毛坯(100；100′)，所述多个纵向纱线沿与待制造的所述叶片的纵向相对应的方向延伸且与多个横向纱线层(t1至t24)的纱线相互连接；
成型所述纤维毛坯以获得单件的纤维预成型件，该纤维预成型件具有形成机翼预成型件的第一部分和至少一个形成平台预成型件的第二部分；
其特征在于，在所述纤维毛坯的编织过程中，在所述纤维毛坯的侧面(110a，110b)中的至少一者的一侧从所述纤维毛坯中抽出第一组纵向纱线的纱线(C5至C7、C18至C20)，以形成所述毛坯的与叶片平台预成型件对应的部分(120)，将第二组纵向纱线的纱线(C3、C4、C21、C22和C23；C1′至C3′)插入到所述纤维毛坯中，并且使所述第一组纵向纱线的纱线与所述第二组纵向纱线的纱线相互交叉。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一组纵向纱线的纱线和所述第二组纵向纱线的纱线的交叉发生在邻近所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分和所述毛坯的与所述机翼预成型件对应的部分的连接处的位置。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，插入到所述纤维毛坯的所述第二组纵向纱线的纱线来自预先从所述纤维毛坯中抽出的纵向纱线层，以使所述毛坯的厚度在所述毛坯的宽度方向上减小。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述纤维毛坯的成型包括：切除所述第二组纵向纱线的纱线的位于所述纤维毛坯的抽出纱线的区域和纱线插入所述纤维毛坯的区域之间的纱线部分。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述第二组纵向纱线的纱线中的至少一部分纱线从位于所述纱线插入到所述纤维毛坯的区域的下游的所述纤维毛坯抽出，以使所述毛坯的厚度从所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分的下游在所述毛坯的宽度方向上减小。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，插入到所述纤维毛坯中的所述第二组纵向纱线的纱线的至少一部分纱线来自另外的纵向纱线层。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在所述纤维毛坯的每个侧面上从所述纤维毛坯中抽出纱线并且将该纱线插入到所述纤维毛坯中，以形成所述毛坯的与两个叶片平台预成型件对应的部分。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述纤维毛坯的成型包括：切削所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分，以具有需要的尺寸，并且沿与所述毛坯的侧面大体正交的方向展开所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，沿与待制造的叶片的纵向相对应的方向延伸的所述纵向纱线为经纱。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，沿与待制造的叶片的纵向相对应的方向延伸的所述纵向纱线为纬纱。
11.一种用于涡轮发动机叶片(10)的纤维预成型件，所述叶片具有沿纵向延伸的机翼(20)、两个相反的侧面(24、26)以及至少一个从侧面延伸的平台(40)，所述预成型件包括编织为单件的纤维毛坯，该纤维毛坯通过使用多个纵向纱线(C1至C24)进行三维编织而编织成，所述多个纵向纱线沿与待制造的所述叶片的纵向相对应的方向延伸且与多个横向纱线层(t1至t24)的纱线相互连接，其特征在于，在所述纤维毛坯的侧面(110a、110b)中的至少一者的一侧从所述纤维毛坯中抽出第一组纵向纱线的纱线(C5至C7、C18至C20)，以形成所述毛坯的与叶片平台预成型件对应的部分(120)，将第二组纵向纱线的纱线(C3、C4、C21、C22和C23；C1′至C3′)插入到所述纤维毛坯中，并且使所述第一组纵向纱线的纱线与所述第二组纵向纱线的纱线相互交叉。
12.根据权利要求11所述的预成型件，其中，所述第一组纵向纱线的纱线和所述第二组纵向纱线的纱线的交叉发生在邻近所述毛坯的与所述叶片平台预成型件对应的部分和所述毛坯的与所述机翼预成型件对应的部分的连接处的位置。
13.根据权利要求11或12所述的预成型件，其中，在所述纤维毛坯的每个侧面上从所述纤维毛坯中抽出纱线并且将该纱线插入到所述纤维毛坯中，以形成所述毛坯的与两个叶片平台预成型件对应的部分。
14.一种涡轮发动机叶片，该涡轮发动机叶片由复合材料制成且包括通过基质硬化的根据权利要求11至13中的任一项所述的纤维预成型件。
15.一种涡轮发动机风扇，该涡轮发动机风扇包括至少一个根据权利要求14所述的叶片。
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