CN107002497B - 包括交错式附连突缘的用于气体涡轮发动机的复合材料制导向叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于气体涡轮发动机的复合材料导向叶片(10)，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强物，该纤维增强物通过三维编织形成为单件并且包括翼型(12),至少两个紧固突缘(14a、14b、24a、24b、26a)从叶片的径向端部(16、18)朝向该翼型的相对两个侧表面(12a、12b)延伸，且所述紧固突缘相对于彼此轴向地偏移。本发明还涉及一种制造此种叶片的方法。

Description

包括交错式附连突缘的用于气体涡轮发动机的复合材料制导 向叶片
发明背景
本发明涉及用于气体涡轮航空发动机的导向叶片的通用领域。
本发明的应用示例具体地包括用于航空涡轮发动机的出口导向叶片(OGV)、进口导向叶片(IGV)以及可变定子叶片(VSV)。
通常，气体涡轮航空发动机的每个导向叶片均具有翼型，该翼型在每个径向端部处借助紧固突缘紧固于护罩。此种导向叶片形成成排定子叶片，该成排定子叶片用于引导流过发动机的气体流，以赋予该气体流合适的速度和角度。
导向叶片通常由金属制成，但正变得越来越普遍的是，使得这些导向叶片由复合材料制成，从而具体地是减小这些导向叶片的重量。具体地说，已知使得导向叶片由通过三维编织获得的纤维增强物制成，并且翼型和紧固突缘形成单件。为此，这些紧固突缘通常通过非互连的方式形成在主要预制件(构成翼型预制件)中，以形成两个部分的部分，其中一个部分构成用于压力侧上的紧固突缘(即，朝向翼型的压力侧表面折叠的突缘)的预制件，而另一部分构成用于抽吸侧的紧固突缘(即，朝向翼型的抽吸侧表面折叠的突缘)的预制件。
此种制造方法具有某些缺点。具体地说，该方法引起主要的编织限制，因为该方法需要具有一定程度上最少层数的线股，以使得可产生非互连的部分。此外，难以管理纤维预制件的厚度中的变化。确切地说，具有两个非互连部分意味着在这些非互连区域中、仅有一半层数的线股可用于产生厚度的回归，这会在各层的出口处引起较大的运动或者会需要借助编织艺术(例如，复制线股)来平顺这些厚度变化。最后，该制造方法需要使用经特殊编织的填料来接纳在非互连的开口中，以填充到空隙中并且减小非互连的端部处的应力。
发明目的及发明内容
因此，本发明的主要目的是提供一种没有上述缺点的导向叶片。
根据本发明，上述目的通过一种用于气体涡轮发动机的复合材料导向叶片来实现，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强物，该纤维增强物通过三维编织形成为单件并且包括翼型和至少两个紧固突缘，这些紧固突缘从叶片的径向端部朝向该翼型的相对两个侧表面延伸，且所述紧固突缘相对于彼此轴向地偏移。
本发明的导向叶片的特征在于，该导向叶片具有相对于彼此轴向地偏移的紧固突缘。采用此种体系结构，无需在纤维预制件中提供非互连以获得紧固突缘。因此，可避免需借助使用非互连来形成紧固突缘的制造方法所固有的缺点。此外，与上述制造方法相比，此种导向叶片的制造需要较少层数的线股，这在重量和制造成本方面具有显著的节省。最后，此种制造方法无需编入任何填料。
该导向叶片可包括两对紧固突缘，这两对紧固突缘从翼型的径向外端部延伸出并且相对于彼此轴向地偏移。
该导向叶片可等同地包括两个紧固突缘，这两个紧固突缘在翼型的前缘旁边、从该叶片的径向内端部延伸出。在这些情形下，该导向叶片还可进一步包括两个其它紧固突缘，这些紧固突缘在翼型的尾缘旁边从该叶片的径向内端部延伸出并且彼此轴向地齐平。
该导向叶片在每个径向端部处还可包括位于翼型的前缘旁边并且朝向该翼型的一个侧表面延伸的紧固突缘以及位于翼型的尾缘旁边并且朝向该翼型的相对侧表面延伸的紧固突缘。
本发明还提供一种制造上文所限定的导向叶片的方法，该方法按序地包括：使用三维编织来制备单件式纤维预制件，该纤维预制件构成翼型的预制件和紧固突缘的预制件；切割出该纤维预制件，以赋予该纤维预制件构成翼型和紧固突缘的各部分的轮廓；通过将构成紧固突缘的各部分折叠来使得所切割出的预制件成形；在模具中使预制件成形；以及利用树脂来使得预制件致密化。
本发明还提供一种涡轮发动机，该涡轮发动机包括至少一个如上所述的导向叶片。
附图简述
本发明的其它特征和优点从参照附图的以下描述中显而易见，这些附图示出了具有非限制特征的实施例。在附图中：
图1和图2是本发明导向叶片的示意图；
图3是用于制造图1和2的导向叶片的纤维预制件的平面图；以及
图4是本发明的变型实施例中的导向叶片的示意图。
具体实施方式
本发明适用于制造用于气体涡轮航空发动机的导向叶片。
此类导向叶片的非限制示例具体地包括出口导向叶片(OGV)、进口导向叶片(IGV)以及可变定子叶片(VSV)等等。
图1和图2是本发明的此种导向叶片10的示意立体图。
根据本发明，该导向叶片10由复合材料制成，该复合材料具有由基质致密化的纤维增强物，该纤维增强物形成为三维编织的单件并且包括翼型12和至少两个紧固突缘(或凸片)14a和14b，用以使得该导向叶片能紧固于护罩(内护罩和/或外护罩)。
翼型12在径向外端部16和径向内端部18之间径向地延伸，以及在前缘20和尾缘22之间轴向地延伸。
更精确地说，紧固突缘14a、14b从叶片16、18的其中一个径向端部朝向翼型的相对两个侧表面(即翼型12的压力侧表面12a和抽吸侧表面12b)延伸。
因此，在图1和2的示例中，紧固突缘14a(称为压力侧突缘)在翼型的压力侧12a上延伸，而紧固突缘14b(称为抽吸侧突缘)在翼型的抽吸侧12b上延伸。
此外，这些紧固突缘14a和14b相对于彼此轴向地偏移，即这些紧固突缘在轴向方向(翼型在该翼型的前缘20和该翼型的尾缘22之间延伸的方向)上并不彼此齐平。
此外，在图1和2的实施例中，导向叶片10在翼型的径向外端部16处具有两对紧固突缘14a、14b，这些成对紧固突缘相对于彼此轴向地偏移并且在这些成对紧固突缘的每对紧固突缘中的紧固突缘也相对于彼此轴向地偏移。这些紧固突缘14a、14b和24a、24b用于使得导向叶片能紧固于外护罩。
类似地，在导向叶片10的径向内端部18处，该导向叶片10还具有两个其它的紧固突缘26a和26b，这些紧固突缘朝向翼型的压力侧和抽吸侧表面12a和12b延伸。这些紧固突缘26a、26b位于翼型的前缘20旁边并且用于使得导向叶片能紧固于内护罩。
在图1和2中示出的实施例中，在该内径向端部18处，导向叶片10还具有两个轴向的紧固突缘28a和28b，这些紧固突缘位于翼型的尾缘22旁边并且彼此轴向地齐平(不同于紧固突缘26a和26b)。这些轴向的紧固突缘28a和28b还用于将导向叶片紧固于内护罩。
下文是对制造此种导向叶片的示例方法的描述。
该制造方法的第一步骤在于使用三维(3D)编织来制备单件式纤维预制件，该单件式纤维预制件构成用于翼型和用于与该翼型相关联的紧固突缘(即，在该示例中，紧固突缘14a、14b、24a、24b、26a、26b以及28a、28b)的预制件，此种纤维预制件的轮廓在图3中以虚线示出。
术语“3D编织”应理解成，经纱遵循弯曲的路径，以与归属于不同的经纱层的纬纱互连，应理解的是，具体地使用互连编织的3D编织可在表面处包括2D编织。可使用各种3D编织，例如互连、多缎纹或多平纹编织，例如具体地在文献WO 2006/136755中所描述地那样。
该方法的以下步骤在于切割出纤维预制件，以赋予该纤维预制件构成翼型和紧固突缘的各部分的轮廓。借助示例，此种切割使用水柱来执行并且所获得结果通过在图3中以实线绘制的所切割出预制件100来表示。
因此，所切割出的预制件100具有构成翼型预制件的部分102、在构成该翼型预制件的部分102的径向外端部102a处构成紧固突缘预制件的四个部分104以及在该部分102的径向内端部102b处构成紧固突缘预制件的两个部分106和构成用于轴向紧固突缘的预制件的一个部分108。
这些所切割出的预制件则具体地通过折叠构成紧固突缘的各部分104和106而成形。因此，这些部分朝向压力侧以及朝向构成翼型预制件的部分102的侧部交替地折叠。构成用于轴向紧固突缘的预制件的部分108一开始是在纤维预制件的编织期间的非互连主体，以使得该部分能通过将两个非互连部分分别折向构成翼型预制件的部分102的压力侧和抽吸侧而成形。
以此方式获得的纤维预制件然后在注塑模具中得以干燥和布置就位。用于形成图1和2中示出的复合材料导向叶片的基质沉积在纤维预制件中，同时将该预制件维持在模具中，至少直到该预制件已变得刚性(或固结)为止。
根据期望的应用来选择基质的性质，例如具体地从树脂获得的有机基质，该树脂是诸如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺树脂之类的聚合物材料的前体或者是碳基质或陶瓷基质的前体。对于有机基质，纤维预制件可在模具中成形之前或者在成形之后、浸渍有含有基质前体树脂的组合物，在该情形中，浸渍借助示例通过注入或者通过树脂传递模塑(RTM)类型的工艺执行。对于碳基质或陶瓷基质，致密化可通过化学气相渗透(CVI)或者通过浸渍有含有碳或陶瓷前体树脂的液体组合物并且执行热处理来使得前体热解或陶瓷化来执行，这些方法本身是众所周知的。
图4示出本发明导向叶片10'的变型实施例。
此种导向叶片10'与上述叶片的不同之处在于，在该导向叶片的径向外端部16处，该导向叶片仅仅具有两个紧固突缘14'a和14'b，这些紧固突缘相对于彼此轴向地偏移，即：位于翼型的前缘20旁边并且朝向该翼型的压力侧表面12a延伸的紧固突缘14'a，以及位于翼型的尾缘22旁边并且朝向该翼型的抽吸侧表面12b延伸的紧固突缘14'b。
在该导向叶片10'的径向内端部18处，该导向叶片还具有两个紧固突缘26'a和26'b，这些紧固突缘相对于彼此轴向地偏移，即：位于翼型的前缘20旁边并且朝向该翼型的压力侧表面12a延伸的紧固突缘26'a，以及位于翼型的尾缘22旁边并且朝向该翼型的抽吸侧表面12b延伸的紧固突缘26'b。
最后，应观察到的是，该导向叶片10'并不具有任何彼此轴向对准的紧固突缘。

Claims (6)

1.一种用于气体涡轮发动机的复合材料导向叶片，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强物，所述纤维增强物通过三维编织形成为单件并且包括翼型和至少两个第一紧固突缘，所述第一紧固突缘从所述导向叶片的径向端部朝向所述翼型的相对两个侧表面延伸，且所述第一紧固突缘相对于彼此轴向地偏移；其特征在于，所述导向叶片还包括两个第二紧固突缘，所述两个第二紧固突缘在所述翼型的前缘旁边从所述导向叶片的径向内端部延伸出并且伸向所述翼型的相对两个侧表面，所述两个第二紧固突缘在轴向方向上并不彼此齐平，而是相对于彼此轴向地偏移。
2.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，所述至少两个第一紧固突缘包括两对第一紧固突缘，所述两对第一紧固突缘从所述翼型的径向外端部延伸出并且相对于彼此轴向地偏移。
3.如权利要求1所述的导向叶片，其特征在于，进一步包括两个第三紧固突缘，所述两个第三紧固突缘在尾缘旁边从所述导向叶片的径向内端部延伸出并且相对于彼此轴向地齐平。
4.一种用于气体涡轮发动机的复合材料导向叶片，所述复合材料包括由基质致密化的纤维增强物，所述纤维增强物通过三维编织形成为单件并且包括翼型和在每个径向端部处位于所述翼型的前缘旁边并且朝向所述翼型的一个侧表面延伸的紧固突缘，以及位于所述翼型的尾缘旁边并且朝向所述翼型的另一侧表面延伸的紧固突缘。
5.一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括至少一个如权利要求1至4中任一项所述的导向叶片。
6.一种制造如权利要求1至4中任一项所述的导向叶片的方法，所述方法按序地包括：
使用三维编织来制备单件式纤维预制件，所述纤维预制件构成所述翼型的预制件和各个所述紧固突缘的预制件；
切割出所述纤维预制件，以赋予所述纤维预制件构成所述翼型和各个所述紧固突缘的部分的轮廓；
通过折叠构成各个所述紧固突缘的部分来使得所切割出的纤维预制件成形；
使得所述纤维预制件在模具中成形；以及
用树脂将所述纤维预制件致密化。
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