CN104812950A - 用于制造复合材料的涡轮发动机叶片根部的方法以及通过这种方法获得的叶片根部 - Google Patents

用于制造复合材料的涡轮发动机叶片根部的方法以及通过这种方法获得的叶片根部 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种由复合材料制作涡轮发动机叶片根部的方法，该复合材料包括由基质致密的纤维增强件，该方法包括由通过三维编织互连的三组纱线层(c1到c19)制成一个中心纤维带(102)和两个外纤维带，使该两个外带穿过该中心带，该两个外带在该中心带内侧相互交叉，通过切割移除位于所述中心带外侧的两个外带的部分；使该纤维坯件成型以获得纤维预制件，该纤维预制件具有与形成承压板预制件的两个次级部分(104a,106a)一体地形成的形成叶片根部预制件的主要部分；以及致密该预制件。本发明还提供了一种通过这种方法获得的叶片根部。

Description

用于制造复合材料的涡轮发动机叶片根部的方法以及通过这种方法获得的叶片根部
发明背景
本发明涉及由复合材料制成用于涡轮发动机转子轮的叶片的通用领域。本发明更特别地涉及制作这种叶片的根部。
所针对的领域是航空发动机或工业涡轮机的燃气涡轮转子叶片。
已经提出建议由复合材料制成涡轮发动机的叶片，并且特别地由陶瓷基复合(CMC)材料。可以特别地参考文献FR 2 939 129，其描述了由复合材料制作涡轮发动机叶片，该复合材料包括由基质致密的纤维增强件。对于这种方法，由此产生的叶片特别地呈现由纤维带形成的根部，该纤维带沿对应于叶片纵向方向的方向延伸。
此外，为了在转子盘上安装这种叶片，已知的是为叶片根部赋予球形物形状。带有球形物形状的叶片根部与在转子盘的外围中形成的互补形状的狭槽配合，从而通过鸠尾式连接件将该叶片径向地保持在该盘上。
当叶片由复合材料制成时，通常在纤维坯件的编织过程中获得该球形物形状的叶片根部，该纤维坯件通过在叶片根部形成额外厚度用于构成叶片，该额外厚度随后被加工成球形物的最终形状。实际上，通常通过在编织该纤维坯件时添加插入件获得该额外厚度。
然而，这种由复合材料制作带有球形物形状根部的叶片的方法存在许多缺点。制造该插入件并在编织该叶片的纤维坯件的过程中将其插入到适当位置是非常困难的操作。此外，叶片的连接存在机械强度困难，并且通过氧化变得疲劳退化。
从文献FR 2 941 487同样已知的是一种用于将复合材料叶片安装在转子盘上的解决方案，其中该叶片根部被夹持在通过焊接销连接在一起的金属板之间。至于该解决方案，将叶片保持在转子盘上的主要力通过销中的剪切以及通过在复合材料中孔上的压缩被吸收。然而，如果连接是刚性的，板的金属与根部的复合材料之间的膨胀差将导致热剪切应力，或者如果该连接设置有间隙时，导致承载板定位的不确定性。
发明目的和内容
因此，本发明的主要目的是通过提出一种由复合材料制成的叶片根部来减少这种缺点，在该叶片根部中通过鸠尾式连接件与转子盘的连接不存在上述缺点。
通过一种由复合材料制作涡轮发动机叶片根部的方法实现该目的，所述复合材料包括由基质致密的纤维增强件，所述方法包括通过三维编织互连的三组纱线层制成中心纤维带和两个外纤维带，所述纤维带沿与被制作的所述叶片根部的纵向方向相应的共同方向延伸以及所述纱线层组的纱线在各种纤维带之间不互连，使所述两个外带穿过所述中心带，所述两个外带在所述中心带内侧相互交叉，通过切割移除位于所述中心带外侧的所述两个外带的部分，从而形成叶片根部的纤维坯件，使所述纤维坯件成型以获得纤维预制件，该纤维预制件具有与形成承压板预制件的两个次级部分一体地形成的形成叶片根部预制件的主要部分，以及用基质致密所述纤维预制件，从而获得由具有纤维增强件的复合材料制成的叶片根部，该纤维增强件由所述预制件构成并由所述基质致密。
这种制造方法能够获得具有承载板的叶片根部，所述承载板能够承受带有较小变形的沉重负荷。所述转子盘作用在这些承载板上的力沿构成所述承载板的所述纤维带部分的纱线的方向。特别地，这些力并不导致纱线层被压平。对于给定尺寸增加了所述叶片根部的寿命。
此外，所述制作方法避免了在编织所述纤维坯件时求助于使用插入件，以为所述根部赋予球形物形状的目的。这简化了该方法，达到了更大的鲁棒性，可以致密该预制件而不明显地超过所述中心带的厚度，并且实现了制造周期和成本方面的节省。
有利地，所述两个外带沿以下方向穿过所述中心带，所述方向相对于所述中心带的方向形成位于15°-75°范围中的角度，并且优选地等于45°。
所述中心带也可用于制成叶片翼型的纤维预制件。同样，所述外带的至少一个也可用于制造用于内和/或外叶片平台的纤维预制件。
所述纤维带可以用它们的纵向方向编织，所述纵向方向对应于沿经线方向延伸的被制作的叶片根部的方向。另外，所述纤维带可以用它们的纵向方向编织，所述纵向方向对应于沿纬线方向延伸的被制作的叶片根部的方向。
相应地，本发明提供了一种由复合材料制成的涡轮发动机叶片根部，所述复合材料包括由基质致密的纤维增强件，所述叶片根部的特征在于，它包括与两个承载板构成部分整体形成的叶片根部构成部分，所述两个承载板构成部分穿过所述叶片根部构成部分，所述承载板构成部分在所述叶片根部构成部分内交叉。
所述叶片根部可由陶瓷基复合材料制成。
本发明还提供了一种涡轮发动机叶片，所述涡轮发动机叶片具有如上所限定的或使用如上所限定方法制作的叶片根部。本发明还提供了一种装配有至少一个这种叶片的涡轮发动机。
附图简要说明
从参考附图进行的以下描述中，本发明的其它特征和优点显而易见，附图示出了一种没有限制性特征的实施方式。在附图中：
·图1是安装在转子盘上的本发明的叶片根部的视图；
·图2是示出用于制成纤维坯件的三个纤维带的布置的高度图解视图，从而制作图1的叶片根部；以及
·图3是通过图2的布置所获得的纤维坯件的图解视图。
具体实施方式
本发明适用于由复合材料制成的涡轮发动机的各种叶片，特别地涉及燃气涡轮发动机的各个线轴的压缩机和涡轮机叶片，例如涉及低压涡轮机的叶片，如图1局部所示的叶片。
以已知的方式，在该附图中叶片10包括翼型12，根部14，以及位于根部14和翼型12之间的平台16。该叶片在其自由端(或顶端)附近也可具有外部平台(未示出)。
所述叶片的翼型12具有从平台16到其顶端(沿纵向方向)延伸的曲线气动轮廓。所述轮廓具有不同的厚度并形成有压力侧表面和抽吸侧表面，所述压力侧表面和抽吸侧表面经由前缘以及经由后缘横向地连接在一起(未示出)。
在该示例中，所述叶片的根部14为球形物形状，并安装在狭槽18中，所述狭槽经由鸠尾式连接件形成在转子盘20的外围中。
所述叶片10及其根部14由复合材料制成，并且优选地由陶瓷基复合(CMC)材料制成。例如，参考国际专利申请WO 2010/061140，其描述了一种通过依靠三维编织以及依靠用基质致密所述预制件制成翼型预制件来制作涡轮发动机叶片的示例。
更特别地，所述方法提供了使用三维编织以制成单件纤维坯件，使所述纤维坯件成形以获得单件纤维预制件，所述单件纤维预制件具有形成叶片翼型和部根预制件的第一部分，以及形成用于所述叶片的内或外平台的预制件的至少一个第二部分，然后用基质致密所述预制件。所述方法从而能够获得一种由复合材料制成的叶片，所述复合材料具有由所述预制件构成的以及由所述基质致密的纤维增强件，并且与结合在其中的至少一个平台一起形成单件。
图2和图3是高度图解视图并示出了如何制成纤维坯件，叶片根部的纤维预制件100能够由该纤维坯件成形，使得在被致密以及可能也被加工后，获得一个用于如图1所示类型叶片的根部。
该坯件由三个纤维带制成，每个通过三维编织或多层编织获得，即中心带102由两个外带104和106围绕。这三个纤维带通常沿与被制作根部的纵向方向对应的X方向延伸。
在该示例中，假定用沿被制作根部的X方向延伸的经纱线实施纤维带102、104和106的编织，需要观察到的是，用沿该方向延伸的纬纱线编织也是可能的。
此外，在图2的示例中，中心带102包括一组经纱层，这些层的数目在该示例中等于9(c1到c9层)。至于外带104和106，它们每个都包括一组等于五层的经纱层(外带104为层c10到c14，外带106为层c15到c19)。
通过三维编织使用给出相应标记t1、t2和t3的相应纬纱使形成中心带102和这两个外带104和106的该组纱线层的经纱互连。可以使用各类三维编织。特别地，可以参考文献WO 2006/136755，其给出了不同的示例。
当使用文献WO 2010/061140中描述的方法制造叶片时，中心带102有利地用于制成以下的部分，该部分在成型后用于构成与翼型预制件对应的叶片预制件部分。同样，这两个外带之一可以有利地用于制成以下部分，该部分成型后用于构成与平台预制件对应的叶片预制件部分。
在超出中心带102的部分之外，该部分在成形后用于构成对应于翼型预制件的叶片预制件部分，外带104和106的每一个都穿过中心带102，从而从与它们插入的侧面相对的中心带的侧面出现。此外，在穿过中心带的该运动中，这些外带在中心带内侧相互交叉。
这产生了两个外带104和106在中心带102内的X形交叉，外带在超出对应于它们穿过中心带的纤维坯件区域以外互换。
应该观察到的是，组成中心带102和两个外带104和106的各种纱线组的纱线在纤维坯件区域之前或超出纤维坯件区域不互连，所述纤维坯件区域对应于穿过中心带的这两个带。
两个外带104和106沿相对于该中心带的方向X形成一定角度α的方向穿过中心带102，该角度α位于15°-75°的范围中。优选地，该角度α等于45°。
然后如下切割纤维带。在对应于彼此交叉的两个外带的区域之外将中心带102切割一点。外带104和106首先被切割成与中心带的相应表面齐平，外带104和106在交叉后通过该相应表面出现(中心带的外部被切割)，其次在对应于穿过中心带的区域之前，从而使带段104a和106a保持在中心带的每一侧上(图3)。
然后通过成型获得了被制作的叶片根部的纤维预制件100，以形成预制件，该预制件具有与两个次级部分一体地形成的形成叶片根部预制件的主要部分，这两个次级部分对应于带段104a和106a并形成承载板预制件。在成型后，带段104a和106a相对于叶片的纵向方向形成位于15°-75°范围中的角度。
在加工后，当必要时，用基质致密该叶片根部的预制件，从而获得由具有纤维增强件的复合材料制成的叶片根部，该纤维增强加由该预制件构成并由该基质致密。
在使用文献WO 2010/061140中描述的方法制作叶片的上下文中，应该观察到的是，叶片根部100的预制件有利地与对应于翼型预制件的预制件部分一起形成为单件。

Claims (13)

1.一种由复合材料制作涡轮发动机叶片根部的方法，所述复合材料包括由基质致密的纤维增强件，所述方法包括：
·由通过三维编织互连的三组纱线层(c1到c9，c10到c14，c15到c19)制成中心纤维带(102)和两个外纤维带(104、106)，所述纤维带沿与被制作的所述叶片根部的纵向方向相应的共同方向延伸以及所述纱线层组的纱线在各种纤维带之间不互连；
·使所述两个外带穿过所述中心带，所述两个外带在所述中心带内侧相互交叉；
·通过切割它们移除位于所述中心带外侧的所述两个外带的部分，从而形成叶片根部的纤维坯件；
·使所述纤维坯件成型以获得纤维预制件，该纤维预制件具有与形成承压板预制件的两个次级部分(104a,106a)一体地形成的形成叶片根部预制件的主要部分；以及
·用基质致密所述纤维预制件，从而获得由具有纤维增强件的复合材料制成的叶片根部，该纤维增强件由所述预制件构成并由所述基质致密。
2.根据权利要求1的方法，其中，所述两个外带沿以下方向穿过所述中心带，所述方向相对于所述中心带的方向形成位于15°-75°范围中的角度(α)。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述两个外带沿相对于所述中心带的方向形成45°的角度(α)的方向穿过所述中心带。
4.根据权利要求1到3任一所述的方法，其中，所述中心带也用于制备叶片翼型的纤维预制件。
5.根据权利要求1到4任一所述的方法，其中，所述外带的至少一个也用于制备叶片平台的纤维预制件。
6.根据权利要求1到5任一所述的方法，其中，所述纤维带以它们的纵向方向(X)编织，所述纵向方向对应于沿经线方向延伸的被制作的叶片根部的方向。
7.根据权利要求1到5任一所述的方法，其中，所述纤维带以它们的纵向方向(X)编织，所述纵向方向对应于沿纬线方向延伸的被制作的叶片根部的方向。
8.一种由复合材料制备的涡轮发动机叶片根部(14)，所述复合材料包括由基质致密的纤维增强件，所述叶片根部的特征在于，它包括与两个承载板构成部分整体形成的叶片根部构成部分，所述两个承载板构成部分穿过所述叶片根部构成部分，所述承载板构成部分在所述叶片根部构成部分内交叉。
9.根据权利要求8所述的叶片根部，其中，所述两个承载板构成部分与所述叶片根部构成部分一起形成位于15°-75°范围内的角度。
10.根据权利要求9所述的叶片根部，其中，所述两个承载板构成部分与所述叶片根部构成部分一起形成45°的角度。
11.根据权利要求8到10任一所述的叶片根部，其中，所述叶片根部由陶瓷基复合材料制成。
12.一种涡轮发动机叶片(10)，其具有根据权利要求8到11任任意一项所述的叶片根部(14)或使用权利要求1到7任意一项所述的方法制作的叶片根部(14)。
13.一种涡轮发动机，其具有至少一个根据权利要求12所述的叶片根部(10)。
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