CN104471195B - 从复合材料制造涡轮机组壳体的方法和相关的壳体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从复合材料制造涡轮机组壳体的方法和相关的壳体，所述方法包括下列连续的步骤：-从干燥的玻璃纤维产生半刚性的保护层，其保护防止原电池腐蚀，-通过应用保护层靠着芯轴的环形径向法兰，布置保护层在轮廓的芯轴上，-当覆盖保护层时在芯轴上形成和致密纤维加强件。

Description

从复合材料制造涡轮机组壳体的方法和相关的壳体

本发明通常涉及燃气涡轮机壳体，并且更特别地涉及用于航空发动机燃气涡轮机风扇的保持壳体，其由包括纤维加强件的复合材料制造，该纤维加强件由基质加固，以及涉及它的相关的制造方法。

燃气涡轮机航空发动机的风扇壳体可以执行几种功能。它限定进入发动机中的进气流，支撑相对于风扇叶片顶端的耐磨材料，支撑结构，通常是吸音板形式，用于减弱在发动机进口处的声波，以及包括或支撑护罩，该护罩用于保持所抛出的碎片靠着壳体的内面，诸如吸入的物体或来自于损坏的叶片的碎片。

常规地，风扇壳体包括限定进气流的相对薄的壁。壳体特别地可以由金属或由复合材料所制造。例如，在文献FR2913053中建议了通过形成纤维加强件和用基质致密纤维加强件，制造具有可变厚度的复合材料的风扇壳体。通过在芯轴上缠绕由三维编织所获得的具有变化厚度的纤维织物的叠置层形成纤维加强件，以通过厚度的简单增加与保持护罩形成整体。

纤维加强件包括纤维，特别地碳、玻璃、芳族聚酰胺或陶瓷的纤维。对于基质，它通常是聚合物基质，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。

壳体可以制造成单件和在其轴向端包括法兰。第一或上游法兰允许进气套连接到壳体，而第二或下游法兰允许通过螺母-和-螺栓类型的连接构件的风扇壳体与中间壳体的连接，同时插入应用于下游法兰的下游面的环形凸缘。这里，上游和下游定义为涡轮机组中气体流动的方向。中间壳体由钛金属、钛基金属合金或铝制造，与环形凸缘和进气套相同。

然而，当特别地接触风扇壳体的部件由铝制造，以减少涡轮机的总质量时，并且风扇壳体由碳纤维制造时，风扇壳体的纤维和部件的铝之间原电池腐蚀类型化学反应导致它们快速和提前损坏。

因此，文献EP2434105描述由复合材料制造的涡轮机组的风扇的保持壳体，包括通常圆柱形主体和上游法兰。通过防止原电池腐蚀的保护层和粘合剂，金属板连接到上游法兰的下游面。原电池保护层制造后，组装在由复合材料制造的壳体上。

对于文献US2012/099981，它描述了由复合材料所制造的涡轮机组风扇的保持壳体，包括通常圆柱形的主体、上游法兰和下游法兰。壳体包括应用于下游法兰的上游面的环形相对板，和固定到壳体的内面的至少一个环形凸缘。凸缘可以由金属材料制造。在这种情况下，在形成纤维预制件之前，由玻璃纤维制造的原电池绝缘层例如，插入在凸缘和壳体的复合材料之间。然而，证明将原电池保护层固定到壳体的纤维织物上和控制它的尺寸是困难的。

最后，文献US2012/148392描述了由复合材料制造的涡轮机组的风扇保持壳体，包括通常圆柱形主体和上游凸缘。

这些文献中没有一篇文献描述由复合材料制造的壳体，该复合材料能够抗由于固定壳体到金属部件的上游和下游，即，进气套和中间壳体所引起的原电池腐蚀现象。而且，已知的用于应用保护层的方法难以实施和要求尺寸调整。

因此，本发明的一个目的是提出用于制造包含碳基纤维加强件的复合材料的涡轮机组的风扇壳体的方法，该复合材料能够抗由于固定壳体到涡轮机组的上游和下游金属部件所引起的原电池腐蚀现象，方法实施简单，并且可以控制其最终尺寸。

为此，本发明提出由包括被基质加固的纤维加强件的复合材料制造的涡轮机组壳体的制造方法，包括下列连续步骤：

-从干燥的玻璃纤维编织物、干燥的玻璃纤维的条带或捻合的干燥的玻璃纤维制造防止原电池腐蚀的保持层，以获得防止原电池腐蚀的半刚性保护层，

-通过应用保护层靠着芯轴的环形径向法兰，在芯轴上定位防止原电池腐蚀的保护层，该芯轴的轮廓对应于待要被制造的壳体的轮廓和该芯轴包括径向环形法兰，

-通过覆盖保护层在芯轴上形成纤维加强件，和

-使用基质致密纤维加强件。

上述方法的一些优选的但是非限制性特征如下：

-根据芯轴和环形径向法兰的尺寸，预先形成防止原电池腐蚀的保护层，

-用粘合剂加强防止原电池腐蚀的保护层，

-在纤维加强件形成期间，通过连接到芯轴的环形径向法兰的圆周的固定构件，保持防止原电池腐蚀的保护层在适当位置，和

-根据保护层厚度可调整保持构件。

本发明也提出了由根据上述方法所获得的包括基质加固的纤维加强件的复合材料制造的涡轮机组壳体，包括具有沿着纵向轴线延伸的主方向的通常圆柱形主体，和至少一个法兰，该法兰相对于纵向轴线，从主体的自由端径向地延伸。壳体也包括防止原电池腐蚀的包括玻璃纤维的保护层，该保护层定位靠着环形法兰的径向表面和延伸对齐主体的内壁。

壳体的一些优选的但是非限制性特征如下：

-它包括分别地从主体的上游和下游自由端，相对于纵向轴线径向地延伸的上游法兰和下游法兰，并且其中上游法兰和下游法兰分别包括防止原电池腐蚀的保护层，该保护层定位靠着所述上游和下游法兰的径向表面和对齐主体的内壁延伸。

-防止原电池腐蚀的保护层也包括粘合剂，和

-防止原电池腐蚀的保护层具有L形纵向截面，以及包括定位靠着法兰的径向表面的径向环形部分，和定位靠着主体内壁的轴向环形部分。

一旦阅读下面通过非限制性实施例方式所给出的参考附图进行的详细描述，其它特征、目的和优点将更明显。

图1是符合本发明的风扇壳体的实施例的部分截面图。

图2a和2b示例了制造图1的风扇壳体的步骤，和

图3是组织流程图，表示符合本发明的壳体的制造方法的实施方式的不同步骤。

燃气涡轮发动机在气体流动方向上从上游到下游通常包括风扇、一个或多个压气级，例如低压压气机和高压压气机、燃烧室、一个或多个涡轮机级，例如高压涡轮机和低压涡轮机和排气喷嘴。

涡轮机通过各自的同轴的轴联结到压气机和风扇。

发动机安装在壳体内，壳体包括对应于发动机不同构件的几个部分。因此，风扇由例如，风扇壳体10所围绕，风扇壳体10上游连接到进气套和下游连接到中间壳体的环形凸缘。

风扇壳体10包括通常圆柱形主体12，其具有沿着基本上平行于气体流的纵向轴线X的主方向。壳体的主体12可以具有可变的厚度，如在申请FR2913053中所示，并且在其上游端和下游端可以装配有外法兰14，以允许它与其它金属部件的组装和连接，其它金属部件包括进气套、中间壳体和环形凸缘。

这里，风扇壳体10由复合材料制造，该复合材料具有用基质加固的纤维加强件。纤维加强件由纤维制造，和特别地包括碳纤维，并且基质由聚合物制造，例如环氧树脂、双马来酸酯或聚酰亚胺。

按照申请FR2913053的描述，通过在芯轴上缠绕通过三维编织制造的具有可变厚度的纤维织物16可以形成加强件，然后，纤维加强件构成风扇壳体10的完整纤维预制件，其形成为单件，带有对应于法兰14的加强件部分。

芯轴30包括外表面，该外表面的轮廓对应于待要被制造的壳体10的内表面的轮廓，以及从其自由端径向地延伸的两个法兰32，设计为形成壳体10的上游和下游法兰14。通过将纤维织物16缠绕到芯轴30上，然后，纤维织物16呈现芯轴30的轮廓，这样通过停靠在法兰32上，它的端部分形成对应于壳体10的法兰14的预制件的部分。

为了保护防止原电池腐蚀现象，接触风扇壳体10的金属部件(进气套、中间壳体、环形凸缘)，它们通常地由铝制造，保护层20也定位靠着设计为接触铝壳体的壳体10的部分，即，壳体的上游和下游法兰14。

例如，保护层20可以定位在设计为接触金属部件的法兰14的表面之间，即，靠着法兰14的径向表面14a，其对齐风扇壳体10的内壁13延伸。对于上游法兰14，这因此是它的上游表面，而对于下游法兰14，它是它的下游表面。

通过这种方式，保护层20可以避免铝和风扇壳体10的纤维加强件之间的接触，因此避免原电池腐蚀现象，不需要风扇壳体10和金属部件的另外的改变。而且，它简化了风扇壳体10的最终尺寸的控制，以及最后工序，形成另外厚度的保护层20可以容易地被机械加工，由此不会影响上游或下游法兰14。

例如，保护层20可以包括玻璃纤维，可能地由粘合剂加强。然后选择粘合剂，以与基质相容和以在纤维加强件的致密期间在其中溶解。它可以例如，是与聚环氧化物相容的聚合物基质。因此，由此所获得的保护层20的重量是适合的。

保护层20可以具有直的截面和形成平的环形部分22，这样它只覆盖(但是完全地)相应法兰14的径向表面14a。因此，可以避免与金属部件的任何直接接触。

作为变化形式，如图1中所示例的，保护层可以具有L形截面和形成弯曲环，除了设计为覆盖环形法兰14的径向表面14a的径向环形部分22，还包括径向环形部分24，其定位靠着风扇壳体10的内壁13。

现在将描述风扇壳体10的一个实施方式100，该风扇壳体包括防止原电池腐蚀的保护层20，其中防止原电池腐蚀的保持层20在纤维织物致密之前结合到风扇壳体10的纤维织物16中。

为此，保护层20应用120于芯轴30，同时覆盖法兰32和芯轴30的整体，该法兰32设计为形成风扇壳体10的法兰14。

根据一个实施方式，根据芯轴和法兰32的尺寸实施保护层20。因此，它形成环，该环内直径基本上等于芯轴的外直径，并且其径向尺寸最多等于法兰32的径向尺寸。保护层20例如可以由编织物、干燥的玻璃纤维的条带或捻合的干燥的玻璃纤维制造(步骤110)，可能地用粘合剂加强，然后被半刚性化，这有利于其放置在芯轴30上以及允许其尺寸(厚度、直径等)和其质量的简单和快速控制。而且，半刚性保护层20的实施可以在它随后缠绕在芯轴30上，特别地第一圈期间保持纤维织物16在原位。然后，当用基质加固风扇壳体10的纤维织物16时，刚性化该半刚性的保护层20。

作为变化形式，保护层20可以由用聚合树脂加强的玻璃纤维制造。然后，当保护层20放置在芯轴30上时，保护层20比在第一变化形式的实施方式中更具有刚性。

保持层20然后具有环形形状，对应于芯轴20的法兰32的环形形状，具有平的或L形的截面。

在保护层20具有直的截面的情况下，平的环被应用于芯轴30的法兰32的每个法兰的径向表面32a，因此一旦制造风扇壳体10，只有延伸对齐风扇壳体10的内壁13的法兰14的表面由保护层20覆盖。

在保护层20具有L形截面的情况下，弯曲的环应用于法兰32的每个法兰的径向表面32a，停靠于芯轴30的本体。因此，一旦制造风扇壳体10，风扇壳体10的内壁13的轴向端也被保护层20覆盖。该实施方式可以更好地保持纤维织物16在适当位置以避免与邻接的金属部件完全直接接触，和以避免由碳纤维与法兰14上所保留的水的接触引起的原电池腐蚀现象，因为该法兰14的轴向环形部分24引起其上保留的水。

根据例如，文献FR2913053中所描述的，通过在芯轴30上缠绕纤维织物16，壳体的主体12然后由复合材料制造(步骤140)。

为了保持保护层20在适当位置和为了避免在缠绕期间让它滑动，特别地，使用保持构件34，可以将它连接到芯轴30的本体和/或连接到法兰32(步骤130)。这些特别地可以是沿着相应法兰32的圆周上分布的夹具或回形针。保持构件34的数量取决于风扇壳体10的直径和由预制件所施加的力，并且可以是2到10个数量级。

而且，这些保持构件34可以根据保护层20的厚度可调整。

然后，纤维织物16缠绕在芯轴30和法兰32上，在保护层20之上，同时避免覆盖固定构件34，以在保护层20和织物16之间不产生间隔。然后，纤维预制件覆盖保护层20，保护层20的周缘处的窄的边缘除外，该窄的边缘对应于与保持构件34接触的区域。

在最后的步骤(步骤150)期间，根据文献FR2913053的描述，然后，通过基质注射，加固纤维预制件16，以及保护层20。由此所获得的风扇壳体10然后，可以经历最后的步骤，特别地在法兰14处，该法兰14结合了防止原电池腐蚀的保护层20。特别地，简化了风扇壳体的法兰14的机械加工，因为保护层20构成了牺牲的另外厚度，可以机械加工它，而不会结构地损坏风扇壳体10的纤维加强件。风扇壳体10的结构因此保持完整。

而且，更好地控制风扇壳体10的最终尺寸。

Claims (9)

1.一种用于制造由复合材料所制造的涡轮机组壳体(10)的方法(100)，该复合材料包括使用基质所加固的纤维加强件，该方法包括下列连续的步骤：

-从干燥的玻璃纤维编织物、干燥的玻璃纤维的条带或捻合的干燥的玻璃纤维制造(110)防止原电池腐蚀的保持层(20)，以获得防止原电池腐蚀的半刚性保护层，

-通过应用保护层(20)靠着芯轴(30)的径向环形法兰(32)，在芯轴(30)上放置(120)防止原电池腐蚀的保护层(20)，该芯轴(30)的轮廓对应于待要被制造的壳体(10)的轮廓和该芯轴(30)包括径向环形法兰(32)，

-当覆盖保护层(20)防止原电池腐蚀时，在芯轴(30)上形成(140)纤维加强件(16)，和

-使用基质致密(150)纤维加强件(16)。

2.根据权利要求1所述的用于制造由复合材料所制造的涡轮机组壳体(10)的方法(100)，其中根据芯轴(30)和径向环形法兰(32)的尺寸实施防止原电池腐蚀的保护层(20)。

3.根据权利要求2所述的用于制造由复合材料所制造的涡轮机组壳体(10)的方法(100)，其中用粘合剂加强防止原电池腐蚀的保护层(20)。

4.根据权利要求1至3中一个权利要求所述的用于制造由复合材料所制造的涡轮机组壳体(10)的方法(100)，其中在纤维加强件(140)的形成期间，通过固定到芯轴(30)的径向环形法兰(32)的圆周的保持构件(34)，防止原电池腐蚀的保护层(20)被保持在芯轴(30)上适当位置中。

5.根据权利要求4所述的用于制造由复合材料所制造的涡轮机组壳体(10)的方法(100)，其中根据保护层(20)的厚度调整保持构件(34)。

6.由包括被基质加固的纤维加强件的复合材料制造的涡轮机组壳体(10)，包括具有沿着纵向轴线(X)延伸的主方向的通常圆柱形主体(12)，和至少一个法兰(14)，该法兰(14)相对于纵向轴线，从主体(12)的自由端径向地延伸；

其特征在于：壳体包括防止原电池腐蚀的包括玻璃纤维的保护层(20)，该保护层(20)定位靠着环形法兰(14)的径向表面(14a)和延伸对齐主体(12)的内壁(13)；以及通过根据权利要求1至5中一个权利要求所述的方法(100)获得该壳体。

7.根据权利要求6所述的壳体(10)，包括分别地从主体(12)的上游自由端和下游自由端，相对于纵向轴线(X)径向地延伸的上游法兰(14)和下游法兰(14)，并且其中上游法兰(14)和下游法兰(14)分别包括防止原电池腐蚀的保护层(20)，该保护层(20)定位靠着所述上游法兰和下游法兰(14)的径向表面(14a)和对齐主体(12)的内壁(13)延伸。

8.根据权利要求6所述的壳体(10)，其中防止原电池腐蚀的保护层(20)还包括粘合剂。

9.根据权利要求6所述的壳体(10)，其中防止原电池腐蚀的保护层(20)具有L形截面，以及包括定位靠着法兰(14)的径向表面(14a)的径向环形部分(22)，和定位靠着主体(12)的内壁(13)的轴向环形部分(24)。