CN107075959A - 包括配备有加强筋的平台的复合叶片 - Google Patents

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Abstract

一种用于涡轮机叶片的纤维预成形件和由该预成形件形成的单块叶片，包括这种叶片的叶片盘和涡轮机；该纤维预成形件通过三维编织获得，并包括：第一纵向部分，所述第一纵向部分能够形成叶片根部(21)；第二纵向部分，所述第二纵向部分向上延伸该第一纵向部分，并能够形成翼型部分(22)；第一横向部分，所述第一横向部分从在该第一纵向部分与该第二纵向部分之间的连接部横向地延伸，并能够形成第一平台(23)；以及第一加强条带，所述第一加强条带从第一横向部分的远端向下延伸，并能够形成第一平台加强筋。

Description

包括配备有加强筋的平台的复合叶片
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮发动机叶片的纤维预成形件，并且也涉及能够由这种预成形件制成的单件叶片，转子轮以及包括这种叶片的涡轮发动机。
这种预成形件可用于制造包括空气动力平台的单件叶片，在该空气动力平台中控制离心变形。这种叶片特别地可以是用于飞机涡轮喷气发动机的风机叶片，仅举一个例子。
背景技术
为了减少飞机涡轮喷气发动机的重量，并且因此减少这种涡轮喷气发动机的燃料消耗，已经知道由复合材料制造喷气发动机的某些叶片，所述复合材料比迄今为止常规使用的金属要轻得多。
为此，现在也已知使用三维(3D)编织技术来获得导致质量非常好的复合叶片的纤维预成形件。特别地，文献WO 2014/076408描述了一种编织翼型的预成形件的方法，其使得可以以单件方式获得叶片，所述叶片包括压力侧平台和吸力侧平台的两个平台，该平台具有恒定的厚度。
然而，在对这种叶片进行的试验和模拟期间，本发明人已经发现，在涡轮发动机运行的同时起作用的离心力的作用下，平台的各个区域或多或少地变形。特别地，本发明人已经观察到，该平台的区域的变形随着与翼型的偏移的增加而增加。
在这种情况下，在运行时，这些平台呈现出可能扰乱空气流，并因此影响涡轮发动机的效率的形状不规则性。此外，本发明人已经观察到，通常为较长平台的吸力侧平台比压力侧平台受到更大的弯曲，使得在两个连续叶片的吸力侧平台与压力侧平台之间的界面处出现不连续性，也存在压力侧平台被相邻的吸力侧平台重叠的风险。
因此，存在对于至少部分不存在已知系统固有的上述缺陷的纤维预成形件、叶片、转子轮和涡轮发动机的真正需要。
发明内容
本发明涉及一种通过三维编织获得的用于涡轮发动机叶片的纤维预成形件，所述预成形件包括：第一纵向段，所述第一纵向段适于形成叶片根部；第二纵向段，所述第二纵向段向上延伸第一纵向段，并适于形成翼型部分；第一横向段，所述第一横向段从第一纵向段与第二纵向段之间的接合处横向延伸，并且适于形成第一平台；以及第一加强筋条带，所述第一加强筋从第一横向部分的远端边缘向下延伸，并且适于形成第一平台加强筋。
在本说明书中，术语“纵向”、“横向”、“底部”、“顶部”及其衍生词相对于所考虑的叶片的主方向被定义，叶片根部位于这个参考系中的叶片的底部端部处；术语“轴向”、“径向”、“切向”、“内部”、“外部”及其衍生词相对于承载叶片的转子轮的主轴线，即通常为涡轮发动机的轴线而定义。术语“轴向平面”用于表示包括涡轮发动机主轴线的平面，术语“径向平面”是垂直于主轴线的平面；术语“纵向平面”用于表示平行于叶片的主方向并垂直于叶片根部延伸的方向的平面：这种纵向平面因此是涡轮发动机的参考系中的径向平面。此外，术语“上游”和“下游”是相对于通过涡轮发动机的空气的流动来定义的。
通过这种预成形件，可以获得单件叶片，所述单件叶片包括叶片根部、翼型部分和至少一个具有加强筋的平台，该加强筋确保涡轮发动机正在运行的同时在离心力的作用下平台的更规则的变形。
基本上径向地延伸的该加强筋条带的存在用于连接和加强平台的各个区域，特别是平台的远端区域中的各个区域，从而趋于确保平台端部处的变形更加均匀。因此平台的变形可以平均化，也就是说，沿着向外方向，通常剧烈偏斜的区域拉动通常较少偏斜的区域，而较少偏斜的区域用于向内部保持经受高水平的离心力的区域。在这种情况下，在操作中，平台保持相对规则的轮廓，并且几乎或甚至根本不干扰空气流的流动。
通过该预成形件，由此可以从三维编织单件叶片的优点中获益(节省重量；更少数量的零件；简化的组装和维修；等)，同时确保空气流在空气动力学上是规则的。
此外，在发生暴力冲击的情况下，例如，由于摄入鸟类，则这种加强筋形成基台，所述基台防止平台与相邻叶片的平台重叠。
在某些实施例中，第一加强筋条带具有不同的宽度。以这种方式，可以考虑到平台的形状，以便以更优化的方式补偿平台的变形。特别地，变化的宽度使得可以首先调节加强筋条带的刚度，从而调节从平台的一个区域到另一个区域的力的传递，其次调节局部地加在平台上的重量，因此局部调节施加在平台上的离心力。特别地，通过局部增加通常较少偏斜的平台的区域的重量而增加该区域中的离心力的大小，使得其被稍微更多地偏斜，并且更容易地与自然地更大程度地偏斜的相邻区域对齐。
在某些实施例中，第一加强筋条带一直沿着第一横向段的远端边缘延伸。以这种方式，总是沿着该平台对离心力进行控制。
在某些实施例中，第一加强筋条带具有其中第一横向段的宽度为最大的最小宽度，即在其宽度最大的纵向平面中。发明人已经发现平台的宽度越大(并且因此是第一横向段)，平台所述区域受到径向变形的程度越大。这可以通过以下事实来解释：平台越长，由离心力施加在所述区域的远端部分上的弯矩越大，因为将该远端部分连接到其中平台连接到叶片根部的区域的杠杆臂较长。在这种情况下，在该实施例中，在自然地剧烈偏斜的该区域中增加仅仅一点重量，使得操作中的径向变形很少或完全不会被恶化。
在某些实施例中，第一加强筋条带具有其中第一横向段的宽度为最小的最大宽度，或者更精确地在其宽度最小的纵向平面中。以这种方式，在自然地偏斜很小的区域中增加了更大的重量，使得该区域在操作中呈现更大的径向变形，并且因此更容易地与自然地更大程度地偏斜的相邻区域对齐。
在某些实施例中，当沿着第一横向段的远端边缘前进时，第一加强筋条带的宽度在第一横向段的宽度减小的同时增加，并且在第一横向段的宽度增加同时也减小。以这种方式，加强筋条带的重量和刚度根据其形状一直沿着平台进行调节：这因此获得了在一直沿着其长度而更规则的操作中的平台变形。
在某些实施例中，给定纵向平面中的第一加强筋条带的宽度与所述纵向平面中的第一横向段的宽度成反比。发明人已经观察到，该关系确保了平台变形的非常好的规则性，并且因此导致空气流所受到的空气动力学变形的显著降低。
在某些实施例中，第一加强筋条带具有恒定数量的纱线层。因此其厚度可以是恒定的。
在某些实施例中，第一加强筋条带具有与第一横向段的数量相同的纱线层。形成第一加强筋条带的纱线层优选地来自形成第一横向段的纱线层。在这种情况下，第一加强筋条带的厚度与第一横向段的厚度相同。
在其它实施例中，第一加强筋条带(或来自于其的加强筋)的厚度小于或大于第一横向段(或其来源的平台)的厚度。特别地，第一加强筋条带(或来自于其的加强筋)的厚度可以沿其主要方向变化。
在某些实施例中，当沿着第一横向段的远端边缘行进时，第一加强筋条带的给定长度的段的重量在第一横向段的宽度减小的同时增加，且在第一横向段的宽度增加的同时减少。
在某些实施例中，第一加强筋条带的给定段的重量与包括该段的纵向横向平面中的第一加强筋条带的长度成反比。
在某些实施例中，第一加强筋条带与第一横向段形成一角度，该角度在60°至89°的范围内，优选在75°至85°的范围内。以这种方式，当两个叶片连续地安装在相同的转子轮上时，相对于彼此具有一定的倾斜角度，它们的平台可以一直沿着进一步有助于减少径向变形的大区域的接触表面连续地设置，它们的加强筋彼此压靠，忽略操作间隙(如果有的话)。相反，可以观察到，在90°的结构中，两个连续平台的加强筋彼此阻碍，使平台处于应力状态，并且在加强筋之间仅提供一接触线，从而极大地影响平台的机械性能。
在某些实施例中，预成形件包括第二横向段和第二加强筋条带，所述第二横向段从在第一纵向段与第二纵向段之间的接合部横向延伸，并且适于形成第二平台，该第二横向段与第一横向段对齐并远离第一横向段，所述第二加强筋条带从第二横向段的远端边缘向下延伸，且适于形成第二平台加强筋。因此，可以获得具有压力侧平台和吸力侧平台两者的单件叶片，各所述平台均设有相应的加强筋。
自然会理解，第一加强筋条带和/或第一横向段的关于该主题的上述所有特征可以分别转置到第二加强筋条带或第二横向段。
在某些实施例中，适于形成吸力侧平台的加强筋的第一加强筋条带的宽度在其中间区域比在其上游端和下游端处的宽度大。这个特征符合上述的平衡逻辑，因为吸力侧平台在端部通常比在其中间部宽。
在某些实施例中，适于形成压力侧平台的加强筋的第二加强筋条带在其中间区域的宽度小于在其上游端和下游端处的宽度。该特征符合上述平衡逻辑，因为压力侧平台在其中间通常比在其端部宽。
在某些实施例中，用于编织预成形件的纱线由碳纤维制成。然而，可以使用任何其他类型，例如由玻璃纤维或凯夫拉尔(Kevlar)制成的纱线。
在某些实施例中，用于预成形件的三维编织的编法可以是三维互锁型编法。然而，预成形件的外表面可以例如使用缎纹型编法，基本上以二维(2D)方式编织。
本说明书还涉及一种涡轮发动机叶片，所述叶片包括叶片根部和从叶片根部向上延伸的翼型部分，从在叶片根部与翼型部分之间的连接部处从翼型横向延伸的平台，以及沿着平台的远端边缘向下延伸，采取条带的形状的加强筋。可以理解，该叶片对应于可以使用上述预成形件而获得的叶片。然而，设置有这种加强筋的这种叶片同样可以很好地使用不利用3D编织的一些其他方法获得，或者其可以使用不是复合材料的其他材料制成：叶片可以例如由金属制成，并通过铸造获得。
在这种情况下，上述加强筋条带的所有特征和优点可以直接转移到加强筋，而不管其制造的材料或用于获得加强筋的技术如何。特别地，其宽度可以变化；其可以一直沿着平台延伸；其宽度可以特别地以与平台的宽度成反比的方式根据平台的宽度沿着平台的边缘而变化；其可相对于平台形成90°以外的一角度，等等。
在某些实施例中，通过根据任何一项前述实施例，通过纤维预成形件将叶片制成复合材料制成的单件，所述预成形件已经在模具中成型并嵌入基质中。
在某些实施例中，基质是有机类型的。特别地，其可以由环氧树脂制成。
在其它实施例中，基质是陶瓷型的。
在其他实施例中，叶片由金属材料制成，例如通过铸造优选地为单件。
本说明书还提供了一种用于涡轮发动机的叶轮，该轮包括多个根据任何一项上述实施例的叶片。
优选地，其可以是转子轮，其中叶片围绕旋转轮毂成角度地布置在该转子轮中。然而，其也可以是定子轮，其中叶片(在这种情况下，为定子叶片)成角度地设置在固定护罩内。
本说明书还涉及一种涡轮发动机，所述涡轮发动机包括根据上述实施例中任一项所述的至少一个叶片或至少一个叶轮。
上述特征和优点等在阅读所提出的预成形件、叶片、中间壳体和涡轮发动机的实施例的以下详细描述之后显而易见。该详细描述参照附图。
附图说明
附图是示意性的，并且首先寻求示出本发明的原理。
在附图中，从一个图到另一个图中，相同的元件(或元件的部分)由相同的附图标记标识。
图1是本发明的涡轮发动机的轴向剖视图。
图2是本发明的转子轮的不完整的径向剖视图。
图3是一个实施例中的叶片的立体图。
图4是图3的叶片的压力侧的局部视图。
图5是图3的叶片的吸力侧的局部视图。
图6是表示在成形之前对应于叶片的该实施例的预成形件的视图。
图7是表示在其成形后对应于叶片的该实施例的预成形件的视图。
具体实施方式
为了使本发明更具体，下面参照附图详细描述实施例。应当理解，本发明不限于这些实施例。
图1是包括本发明的旁路涡轮喷气发动机1的主轴线A的垂直平面的截面图。沿着空气流的流动方向从上游到下游，其包括风机2、低压压气机3、高压压气机4、燃烧室5、高压涡轮机6和低压涡轮机7。
如图2所示，风机2具有多个风机叶片10，风机叶片10围绕轴线A成角度地安装在盘11上，所述盘11连接到涡轮发动机1的低压轴。
这种风机叶片如图3所示。其具有燕尾形状的叶片根部21，叶片根部21被构造成接合在盘11中的狭槽12中，以将其紧固到盘11。叶片根部21通过具有吸力侧面22e和压力侧面22i的翼型22向外延伸，各侧面在前缘22a与后缘22f之间从上游延伸到下游。
叶片10还具有吸力侧平台23和压力侧平台24，吸力侧平台23从叶片根部21与翼型22之间的连接部在叶片的吸力侧之间横向延伸，压力侧平台24从在叶片根部21和翼型件2之间的连接部在叶片的压力侧旁横向延伸。
根据本发明，各平台23，24还设置有加强筋25，26。如在图4和5中可以更清楚地看到的，这些加强筋中的每一个均采取由条带或边缘构成的凸缘的形式，所述条带或边缘一直沿着相应的平台23，24的远端边缘径向地延伸；更准确地说，各加强筋25，26从其平台23，24的远端边缘向内延伸，即其在叶片的参考系中向下延伸，相对于平台23，24形成一角度λ；可以在加强筋25，26和平台23，24之间设置圆形连接。
如图2所示，该角度λ基本上等于在转子轮2内的两个叶片10之间的角度差μ的一半。作为例子，如果轮2每20°具有一个叶片10，则加强筋25，26相对于平台23，24形成10°的角度λ。这样，当叶片10安装在转子轮2的盘11上时，每个连续对的叶片的吸力侧平台和压力侧平台23和24以连续的方式彼此跟随，并且它们的加强筋25和26在所有或几乎所有它们的表面区域上彼此抵靠，忽略操作间隙。
此外，如图4和图5所示，各加强筋25，26的宽度L5和L6根据平台的宽度L3，L4沿其平台23，24变化。更准确地说，在给定的纵向平面中，平台23，24越宽，其加强筋25，26就越窄。更确切地说，给定的加强筋25，26的宽度沿相应平台23，24的远端边缘以与平台23，24的宽度成反比的方式变化。
如图4所示，由于叶片10的吸力侧面的凹的曲面，吸力侧平台24具有一宽度L4，宽度L4从上游到下游增加至翼型22的大致中间区域，然后向下减小到后缘22f：在这种情况下，加强筋26的宽度L6从其上游边缘减小到该中间区域，然后再次增加到其下游端。
相反，如图5所示，由于叶片10的吸力侧面的凸的曲面，吸力侧平台23具有一宽度L3，宽度L3从上游到下游减小到翼型22的大致中间区域，然后增加到后缘22f：在这种情况下，加强筋25的宽度L5从其上游端增加到该中间区域，然后再减小到其下游端，其中，考虑到吸力侧平台23的大宽度，其变为零或几乎为零。
在该实施例中，通过三维编织纤维预成形件30，以及通过使用本领域技术人员已知的树脂传递模塑(RTM)方法注入有机树脂，获得作为单件的叶片10。
图6示出了适于制造叶片10的该实施例的该三维编织预成形件30。图7示出了在其成形之后相同的预成形件30。从底部到顶部，即从编织方向T的上游到下游描述预成形件30。然而，应当理解，可以从另一端开始并沿相反的方向进行编织。
在该实施例中，预成形件30使用三维互锁编法由碳纤维三维编织。只有预成形件30的表面使用缎纹型编法进行二维编织。
在底端，通过制造将形成叶片10的根部21的第一纵向段31开始编织。
在该第一纵向段31的上方，开始非互连D的区域，其中第一自由翼片33a、第二纵向段32和第二自由翼片34a以非互连的方式与相应的非互连平面43和44共同地编织。使该非互连成为可能的编织方法现在在三维编织领域中被广为人知。
也可以在第二纵向段32和每个自由翼34a，34b之间沿着编织方向T形成层出口，以便细化第二纵向段32和因此未来的翼型22。使该层出口能够被设置的编织方法在当今三维编织领域中被广为人知。
一旦编织完成，自由翼片33a和34a按尺寸被切割，使得第一翼片形成第一横向段33和第一加强筋条35，该第一横向段33将形成叶片10的吸力侧平台23和第一加强筋条35将形成吸力侧加强筋25，并且第二翼片形成第二横向段34和第二加强筋条36，该第二横向段34将形成叶片10的压力侧平台24和该第二加强筋条36将形成压力侧加强筋26。
在这一点应该观察到，术语“横向”和“纵向”相对于所考虑的段的最终位置给出，横向段在横向折叠之前必须纵向编织。
一旦自由翼片33a和34a已经按尺寸被切割，由层出口产生的浮动纱线是可获得的并且可被剃掉，所述层出口位于第二纵向段32的表面中。
预成形件30可以被润湿以使其更加柔韧，并且以便使其更容易将纤维移出计数器。然后将预型件放置在具有内部空间的成型模具中，该内部空间形状与预成形件30所需的形状相匹配。
然后将预成形件30干燥，使得其变硬，从而使成形过程中施加的形状成块状。最后，将预型件30放置在具有最终叶片10所需尺寸的注射模具中，并且将基质注入该模具中，特别地注入环氧树脂。例如，可以使用已知的RTM方法进行该注入。
在该步骤结束时，获得由复合材料制成的叶片10，所述复合材料包括由嵌入在环氧基质中的碳纤维编织而成的预成形件30。可以可选地使用加工步骤来完成该方法并获得最终的叶片10。
当然，上述编织例子仅仅是本领域技术人员容易识别的许多其它可能性中的一个例子。特别地，可以想象其他非互连的区域或者使用其他编织技术，例如交叉层、层出口或厚度过渡，以便获得类似形状的预成形件。本领域技术人员将特别在文献WO 2014/076408中找到许多编织的例子。
在本说明书中描述的实施例通过非限制性示例给出，并且根据本说明书，本领域技术人员可以容易地修改这些实施例，或者可以设想其他实施例，同时保持在本发明的范围内。
此外，这些实施例的各种特征可以单独使用或者彼此组合使用。当它们组合时，这些特征可以如上所述或以其他方式组合，本发明不限于在本说明书中描述的具体组合。特别地，除非有相反指定，参考一个特定实施例描述的特征可以通过相似的方式应用于一些其它实施例。

Claims (13)

1.一种通过三维编织获得的用于涡轮发动机叶片的纤维预成形件，所述预成形件包括：
第一纵向段(31)，所述第一纵向段(31)适于形成叶片根部(21)；
第二纵向段(32)，所述第二纵向段(32)向上延伸所述第一纵向段(31)，并适于形成翼型部分(22)；
第一横向段(33)，所述第一横向段(33)从所述第一纵向段(31)和第二纵向段(32)之间的接合部处横向延伸，并适于形成第一平台(23)；以及
第一加强筋条带(35)，所述第一加强筋条带(35)从所述第一横向部分(33)的远端边缘向下延伸，并且适于形成第一平台加强筋(25)。
2.根据权利要求1所述的预成形件，其中，所述第一加强筋条带(35)具有变化的宽度(L5)。
3.根据权利要求1或2所述的预成形件，其中，所述第一加强筋条带(35)一直沿着所述第一横向段(33)的远端边缘延伸。
4.根据权利要求3所述的预成形件，其中，所述第一加强筋条带(35)在所述第一横向段(33)的宽度(L3)最大处具有最小宽度(L5)；以及
所述第一加强筋条带(35)在所述第一横向段(33)的宽度(L3)最小处具有最大宽度(L5)。
5.根据权利要求3或4所述的预成形件，其中，当沿着所述第一横向段(33)的远端边缘行进时，所述第一加强筋条带(35)的宽度(L5)在所述第一横向段(33)的宽度(L3)减小的同时增加，并且在所述第一横向段(33)的宽度(L3)增加的同时而减小。
6.根据权利要求5所述的预成形件，其中，在给定纵向平面中的所述第一加强筋条带(35)的宽度(L5)与所述纵向平面中的所述第一横向段(33)的宽度(L3)成反比。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的预成形件，其中，所述第一加强筋条带(35)与所述第一横向段(33)形成一角度(λ)，所述角度(λ)在60°至89°的范围内，优选在75°至85°的范围内。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的预成形件，其包括：第二横向段(34)，所述第二横向段(34)从所述第一纵向段(31)与所述第二纵向段(32)之间的接合部处横向地延伸，并且适于形成第二平台(24)，所述第二横向段(34)与所述第一横向段(33)对齐并远离所述第一横向段(33)，以及
第二加强筋条带(36)，所述第二加强筋条带(36)从所述第二横向段(34)的远端边缘向下延伸，并适于形成第二平台加强筋(26)。
9.根据权利要求8所述的预成形件，其中，所述第一横向段(33)适于形成所述叶片(10)的吸力侧平台(23)，并且所述第二横向段(34)适于形成所述叶片(10)的压力侧平台(24)；
其中，适于形成所述吸力侧平台(23)的加强筋(25)的所述第一加强筋条带(35)的宽度(L5)在其中间区域处比在其上游端和下游端处更大；以及
其中，适于形成所述压力侧平台(24)的加强筋(26)的所述第二加强筋条带(36)的宽度(L6)在其中间区域处比在其上游端和下游端更小。
10.一种涡轮发动机叶片，其包括：
叶片根部(21)；以及
翼型部分(22)，所述翼型部分(22)从所述叶片根部向上延伸；
平台(23)，所述平台(23)在所述叶片根部(21)和所述翼型部分(22)之间的接合部处从所述翼型(22)横向地延伸；以及
加强筋(25)，所述加强筋(25)采取条带的形式，所述条带沿着所述平台(23)的远端边缘向下延伸。
11.根据权利要求10所述的叶片，其通过根据权利要求1至9中任一项所述的纤维预成形件(30)制成复合材料的单件，所述预成形件(30)已经在模具中成型并嵌入在基质中，优选为有机类型的基质。
12.一种用于涡轮发动机的叶轮，其包括根据权利要求11所述的多个叶片(10)。
13.一种涡轮发动机，其包括根据权利要求11所述的至少一个叶片(10)或根据权利要求12所述的至少一个叶轮(2)。
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