CN107530909B - 装配有包括支腿的平台的叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮发动机叶片的预制件，该预制件通过三维编织获得，并包括第一纵向段(31)，适于形成至少一部分的叶片根；向上延伸第一纵向段的第二纵向段(32)，适于形成支柱部分的至少一部分；向上延伸第二纵向段的第三纵向段(33)，适于形成翼型部分；从第二和第三纵向段之间结合部横向延伸的第一横向段(34)，适于形成第一平台；以及从第一和第二纵向段之间结合部延伸到第一横向段的第一倾斜段(36)，适于形成用于第一平台的支腿(26)。

Description

装配有包括支腿的平台的叶片

技术领域

本发明涉及用于涡轮发动机叶片的预制件，还涉及可以由该预制件形成的单片叶片，叶轮，还涉及包括所述叶片的涡轮发动机。

该预制件可以用来制造具有空气动力平台的叶片，该平台设有支腿。只是提一个实施例，这些叶片尤其可以作为飞机涡轮喷气发动机的风机叶片。

背景技术

为了减小飞机涡轮喷气发动机的重量，从而减小此种涡轮喷气发动机的消耗，目前已知的是制造一些由复合材料制成的喷气发动机叶片，这些叶片比过去常用的金属叶片轻得多。

为此，目前同样已知的是使用三维编织技术来获得高质量的复合材料叶片的纤维预制件。文件WO2014/076408特别描述了一种编织纤维预制件的方法，该方法能够获得单片式叶片，该单片式叶片具有压力侧平台和吸入侧平台，这些平台的厚度固定。

然而，这些平台需要满足大量的需求并执行许多功能。主要地，这些平台需要执行限定和引导流过涡轮发动机的空气流的空气动力学功能。然而，它们还需要提供保证全部飞行阶段的机械强度，它们还必须在发动机环境中提供连贯的一体化，特别要避免在空气流中引入下游干扰。因此，与飞行的阶段无关，在发动机的整个运行中，平台的形状需要精确控制。

不幸的是，特别是在这些叶片上进行测试和模拟期间，发明人已经发现，在涡轮发动机运行时的离心力作用下，由3D编织得到的这些平台的各个区域出现了大或者小的变形。特别是，发明人已经观察到，平台的区域的变形随着该区域与翼型距离的增加而增加。

在这种情况下，这些平台在运行中表现出形状不规则性，这可以干扰空气流，从而影响了涡轮发动机的效率。此外，发明人已经观察到，除去其他方面，弯曲取决于悬臂长度。因此，由于在两个连续叶片的压力侧和吸入侧平台之间的悬臂长度不同，在该界面处存在弯曲的不连续性，这将导致平台重叠的风险。

因此，存在对于预制件、叶片、叶轮以及涡轮发动机的至少在一定程度上避免上述已知系统固有缺点的实际需求。

发明内容

本发明提供了一种用于涡轮发动机叶片的预制件，该预制件通过三维编织获得，它包括适于形成至少一部分叶片根的第一纵向段，向上延伸了第一纵向段并适于形成至少一部分支柱部分的第二纵向段，向上延伸了第二纵向段并适于形成翼型部分的第三纵向段，从第二和第三纵向段之间的结合部横向延伸并适于形成第一平台的第一横向段，从第一和第二纵向段之间的结合部延伸到第一横向段并适于形成第一平台支腿的第一倾斜段。

通过这样的预制件，有可能获得单片式叶片，它包括叶片根、支柱部分、翼型部分，以及至少一个具有支腿的平台，当涡轮机发动机运转时该支腿用于保持平台抵抗离心力。这加固了平台，减小了在运行中其变形的程度。

具体地，作用在平台上的离心力由支腿承受并传递到叶片根或叶片的支柱部分，也就是叶片的结构部分上。因此，该平台和支腿形成了一种减小平台悬臂影响的箱部。在这种情况下，平台在运行中保持了相对规则的轮廓，从而很少有或杜绝了空气流流动的干扰。

由于该预制件，因此可以得益于3D编织单片式叶片的优点(减重；部件少；简化组装和维护等等)，同时确保空气流的空气动力学规则性。

此外，该构造还使得可以减少在相邻平台之间界面处，在运行中经常观察到的不连续性。此外，支腿还用来减少一个平台重叠到相邻平台上的任何风险，例如在吸入飞鸟的情况下。

在本说明书中，术语“纵向”，“横向”，“底”，“顶”以及它们的衍生词都是相对于所考虑的叶片的主方向定义的，叶片根位于该参考框架内的叶片的底端；术语“近”，“远”以及它们的衍生词都是相对于叶片翼型定义的；术语“轴向”，“径向”，“切向”以及它们的衍生词都是相对于具有这些叶片的轮的主轴线定义的，即，一般也就是涡轮发动机的轴线。术语“轴向平面”表示包含涡轮发动机主轴线的平面，术语“径向平面”表示与主轴线垂直的平面；术语“纵向平面”表示平行于叶片的主方向并垂直于叶片根延伸的方向的平面；因此该纵向平面为涡轮发动机参考框架中的径向平面。此外，术语“上游”和“下游”都是相对于通过涡轮发动机的空气流定义的。

最后，术语“三维编织”用于表示纬纱在经纱阵列中移动的编织技术，该技术在三维编织中形成了三维网格：因此这样的纤维结构中的所有纱线层在三维织机中的单个编织步骤期间编织而成。

在某些实施方式中，第一倾斜段从预制件的上游端到下游端都是连续的。因此，平台保持了其整体长度，从而更有效地减小了其变形。

在其它实施方式中，第一倾斜段包括从上游到下游隔开的多个突片。该构造能够减小预制件的重量，因此减小最终叶片的重量。本发明还使得预制件固化后更容易将叶片脱模。

在某些实施方式中，第一倾斜段的远端沿第一横向段的远端行进。以这样的方式，离心力在其达到最大的平台处被承受，也就是说平台偏离翼型部分最远。

在某些实施方式中，第一倾斜段的远端连接到第一横向段。这使得更容易成型用于固化的预制件，其目的在于获得平台和支腿间彼此固定的最终叶片。可以通过任何紧固设备，例如缝合、粘合、铆接来获得这种紧固，或者实际上用销钉紧固。

在某些实施方式中，第一倾斜面是基本上平面。这有助于将力传递到叶片根或支柱部分。

在某些实施方式中，第一纵向段具有从预制件的上游端到下游端的基本不变的长度。这有助于制造非连接部分，该非连接部分用于分开第二纵向段和第一倾斜段。

在某些实施方式中，第二纵向段的长度从预制件的上游端到下游端增加。这对于风机叶片特别有用，以便保证在较小直径的上游壳体和较大直径的下游辊筒之间空气流的连续性。

在某些实施方式中，预制件包括从第二和第三纵向段之间的结合部横向延伸的第二横向段，与第一横向段保持水平与其远离，适于形成第二平台，预制件还包括从第一和第二纵向段之间的结合部延伸到第二横向段的第二倾斜段，适于形成用于第二平台的支腿。

自然可以理解上述关于第一横向段和第一倾斜段的所有特征可以被转换到第二横向段和第二倾斜段。

在其它实施方式中，纤维预制件仅有一个横向段和一个倾斜段。在这种情况下，最终叶片具有适合延伸远至相邻叶片的单个平台，从而提高了两个相邻叶片之间空气流的规则性。在这种情况下，所述平台优先设置在吸入侧上：这有助于成型，然后有助于在预制件固化后叶片的脱模。

在某些实施方式中，所述预制件包括设在第二和第三纵向段之间的结合处，在远离第一横向段的其表面上的接口元件。该接口元件用于与相邻叶片的重合平台配合。依靠其配置，该接口元件因此可以在碰撞相邻叶片的情况下，例如在吸入飞鸟的情况下，保护来自于预制件的叶片，和/或该接口元件可以阻挡相邻叶片的平台的位置而抵御离心力。在某些实施方式中，接口元件为装配的金属带。作为实施例，该金属带可以在与预制件共注塑之前紧固到预制件上。

在某些实施方式中，接口元件为从第二和第三纵向段之间的结合处延伸的编织带。

在某些实施方式中，用于编织预制件的纱线是碳纤维。然而，它们可以是任何其它类型的纱线，例如玻璃纤维或者凯夫拉(Kevlar)纤维。

在某些实施方式中，用于预制件的三维编织的编织物是3D互锁类型。然而，预制件的外表面基本上可以由二维编织制成，例如缎纹类型的二维编织。

本发明还提供了一种涡轮发动机叶片，它包括叶片根，从叶片根向上延伸的支柱部分，从支柱部分向上延伸的翼型部分，从支柱部分和翼型部分之间的结合部横向地延伸至翼型部分的平台，以及在一端的根或支柱部分和另一端的平台之间延伸的支腿。

可以理解该叶片对应于从上述预制件可以获得的叶片。然而，这样的叶片也可以同样用一些其它方法获得并可以由一些其它材料制成：举例来说，这样的叶片应当使用适当的铸造方法由金属制成。无论哪种方式，上文所描述的全部特征和优点可以直接转换到该叶片上，而不考虑获得它所采用的技术。

在某些实施方式中，叶片由复合材料以单片式用前述任意实施方式中的预制件制成，所述预制件在模具中成型并嵌入到基体中。

在某些实施方式中，所述基体为有机类型。特别地，它可以是环氧树脂。

本发明还涉及一种用于涡轮发动机的叶轮，并且具有多个根据前述任意实施方式的叶片。

所述叶轮可以是转子轮，例如风机，其中叶片围绕转毂呈角度设置；或者可以是定子轮，其中叶片是以一定角度设置在固定环内的叶片。

本发明还提供了一种涡轮发动机，包括至少一个叶片或者至少一个根据前述实施方式的叶轮。

上述特征和优点以及其他内容，在阅读所提出的预制件、叶片、叶轮以及涡轮发动机实施方式的下文细节描述中得到体现。具体描述参考附图。

附图说明

附图为图解，并全部用来说明本发明的原理。

在附图中，从一个到另一个图中，相同的元件(或者元件的部分)采用了相同的附图标记来表示。此外，属于不同的实施方式但具有类似功能的元件(或者元件的部分)在附图中通过增加100、200等等的数字标记来表示。

图1是本发明的涡轮发动机的轴向剖视图。

图2是本发明的叶轮的局部径向截面图。

图3是构成实施方式的叶片的局部透视图。

图4是从另一角度观察的图3叶片的局部透视图。

图5是成型之前对应叶片该实施方式的预制件的示意图。

图6是表示对应于成型之后的叶片的预制件的图。

图7A是表示在成型之前的第二实施方式的图。

图7B是表示在成型之后的第二实施方式的平台的图。

具体实施方式

为了使本发明更加具体，下面参照附图详细描述实施方式。应当理解，本发明不限于这些实施方式。

图1是本发明的旁路涡轮喷气发动机1的截面图，截面位于包含喷气发动机的主轴线a的垂直平面上。在空气流的流动方向上从上游走到下游行进，它包括风机2，低压压气机3，高压压气机4，燃烧室5，高压涡轮6，以及低压涡轮7。

如图2所示，风机2具有围绕轴线A呈角度地安装在盘11上的多个风机叶片10，所述盘11连接到涡轮发动机1的低压轴上。

图3和图4中示出了这样的风机叶片。它包括鸽尾形的配置接合到盘11的槽12的叶片根21，以便将其固定到盘11上。叶片根21通过支柱部分22向上延伸，接着为翼型23，该翼型23具有吸入侧面23e和压力侧面23i，二者都在前缘233a和尾缘23f之间从上游行进到下游。

叶片10还具有从支柱部分22和翼型23之间的结合部，从叶片吸入侧横向延伸的吸入侧平台24，以及从支柱部分22和翼型23之间的结合部从叶片压力侧横向延伸的压力侧平台25。

叶片10还具有从叶片根21和支柱部分22之间的结合部延伸到吸入侧平台24远端的吸入侧支腿26，并且以类似的方式，还具有从叶片根21和支柱部分22之间的结合部延伸到吸入侧平台25远端的压力侧支腿27。因此，在叶片10的两侧，每个平台24,25与其支腿26,27以及支柱部分22配合，来形成具有大致三角形轮廓的箱部29。

如图3和图4所示，叶片根21和支柱部分22之间的结合部区域位于沿叶片10从上游到下游基本恒定的高度处。相反，支柱部分22的高度从上游到下游增长，于是箱部29呈漏斗状，扩口朝向叶片10的下游端。

在该实施例中，叶片10以单片方式通过3D编织纤维预制件30，成型预制件30，以及使用本领域技术人员已知的树脂传递模塑成型方法注入有机树脂来获得。

图5展示了适于制造叶片10的实施方式的预制件30的三围编织坯件30‵。图6展示了坯件30‵切割和成型后的最终预制件30。预制件坯件30‵从底到顶，也就是说在编织方向T上从上游到下游进行描述。然而，自然可以理解，所述编织可以从另一端并在相反方向完成。

在该实施方式中，将碳纤维使用3D互锁编织来三维编织得到预制件30。只有预制件30的表面用带有缎纹类型编织的二维编织进行编织。

在底端，通过制造第一纵向段31开始编织，该第一纵向段31来形成叶片10的根21。

在该第一纵向段31的上方，开始非互连第一区域D1，其中第一自由带36a，第二纵向段32，以及第二自由带37a以非互连的方式与非互连平面38一起编织。能够实现这种非互连的编织方法现在3D编织领域广泛公知的。这些第一和第二自由带优选地具有两层或三层纱线的厚度，也就是约2毫米或者3毫米的厚度。该非互连的第一区域可以在沿着将来支柱部分的任意高度开始。

在第二纵向段32的上方，开始非互连第二区域D2，其中第一自由带36a，第三自由带34a，第三纵向段33，第四自由带35a，以及第二自由带37a的其余部分以非互连的方式除了继续与非互连第一平面38之外还与两个非互连新平面39一起编织。

一旦编织已经结束，切割第三和第四自由带34a和35a来形成第一横向段34和第二横向段35，该第一横向段34形成叶片10的吸入侧平台24，该第二横向段35形成叶片10的压力侧平台25。

第一和第二自由带36a和37a还被切割来形成第一倾斜段36和第二倾斜段37，该第一倾斜段36形成叶片10的吸入侧支腿26，该第二倾斜段37形成叶片10的支腿27。

在这点上应该注意到，限制“倾斜”、“横向”、“纵向”在考虑预制件的情况下根据所述段的最终位置使用，所述横向和倾斜段必然在分别地横向或倾斜折叠之前被纵向地编织。

然后还可以湿润坯件30‵使其软化，使得纤维更容易从寄存器中移出来。然后将坯件30‵放入成型模具中，该模具具有与预制件30所需形状相匹配的内部空间。

然后将干燥预制件30使其变硬，从而在成型期间锁定施加的形状。如图6所示，然后，每个倾斜段36，37的远端沿对应的横向段34,35的远端延伸。这些段的端部可以缝合在一起，以便使它们相互固定。

以这种方式成型的预制件30最终被置于具有所需最终叶片10尺寸的注射模具中。插入件也被插入由横向和倾斜段34,35和36,37所形成的箱部中，从而保持这些箱部的形状，并保护基体免于内部体积的填充。随后，基体被注入；具体为环氧树脂。该注入例如可以由已知的RTM方法执行。在该固化结束时，所述插入件从箱部29中移除，以获得所需的叶片10。

自然地，上述编织实施例仅是许多其他可能的实施例中的一个，本领域技术人员可以轻易地识别出这些实施例。特别地，可以设想其他非互连设置以及使用诸如交叉层、提取层或者厚度的过渡这样的其他编织技术，以获得类似的预制件形状。特别地，本领域技术人员将在文件WO2014/076408中找到许多编织例子。

具体地，在实施方式的变体中，第一和第二自由带36a和37a在第一和第二纵向段之间结合部区域的某些位置被切割。在这种情况下，所得到的倾斜段36，37实际上由彼此隔开的多个突片构成。

图7A和7B展示了第二预制件实施方式130。在第二实施方式中，预制件130仅具有设在吸入侧的一个横向段134和一个倾斜段136。因此，由该预制件130获得的叶片仅有一个设置在其吸入侧的平台。因此，该平台和其支腿长度更长，以便占据风机内两个连续叶片之间的全部空间。

因此，该预制件130的坯件130‵的编织方法与第一实施方式中的方法完全类似，除了只有第一和第三自由带136a和134a被编织，以便传送纵向段132和133以及坯件130‵。此外，以更高的高度切割这些自由带134a和136a，以便提供长度更长的横向和倾斜段134和136。

在该第二实施方式中，金属带141沿着预制件130，安装在第二和第三纵向段132和133之间的结合部处与横向段134相反的侧面上，并上。当基体被注入时，金属带141保持固定在叶片表面上，因此形成了适于与相邻叶片平台的远端配合的接口元件。

在本说明书中所描述的实施方式或实现作为非限定性说明给出，并且本领域技术人员可以轻易在说明书的指导下修改这些实施方式或者实现，或者可以在本发明范围内的其余内容中作其它设想。

此外，这些实施方式或实现的各种特征可以单独使用或彼此组合使用。当它们组合使用时，特征可如上文或以其他方式组合，本发明不局限于前述中的具体组合。特别地，除非另有说明，参考任意实施方式或实现所描述的特征可以以类似的方式应用到另一实施方式或实现。

Claims (11)

1.用于涡轮发动机叶片的预制件，该预制件通过三维编织获得，并且包括：

适于形成叶片根的至少一部分的第一纵向段；

向上延伸第一纵向段的第二纵向段，其适于形成支柱部分的至少一部分；

向上延伸第二纵向段的第三纵向段，其适于形成翼型部分；

从第二和第三纵向段之间的结合部横向延伸的第一横向段，其适于形成第一平台；以及

从第一和第二纵向段之间的结合部延伸到第一横向段的第一倾斜段，其适于形成用于第一平台的支腿。

2.根据权利要求1所述的预制件，其中第一倾斜段的远端沿第一横向段的远端行进。

3.根据权利要求1所述的预制件，其中第一倾斜段的远端连接到第一横向段。

4.根据权利要求1所述的预制件，其中第一纵向段具有从预制件上游端到下游端基本恒定的长度；以及

其中第二纵向段的长度从预制件的上游端到下游端增加。

5.根据权利要求1所述的预制件，其包括：

从第二和第三纵向段之间的结合部横向延伸的第二横向段，与第一横向段水平并与其远离，并适于形成第二平台；并且

从第一和第二纵向段之间的结合部延伸到第二横向段的第二倾斜段，并适于形成用于第二平台的支腿。

6.根据权利要求1所述的预制件，包括设置在第二和第三纵向段之间的结合部与第一横向段相反的预制件表面上的接口元件。

7.根据权利要求6所述的预制件，其中接口元件为装配的金属带。

8.由权利要求1所述的用于涡轮发动机叶片的预制件制造的涡轮发动机叶片，包括：

叶片根；

从叶片根向上延伸的支柱部分；

从支柱部分向上延伸的翼型部分；

从支柱部分和翼型部分之间结合部横向延伸到翼型部分的平台；

在根或支柱部分的一端和平台的另一端之间延伸的支腿。

9.根据权利要求8所述的叶片，用根据权利要求1所述的预制件由复合材料以单片方式制成，所述预制件在模具中成型并嵌入基体中。

10.用于涡轮发动机的叶轮，并包括多个根据权利要求8所述的叶片。

11.涡轮发动机，其包括至少一个根据权利要求8所述的叶片，或者根据权利要求10所述的叶轮。

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