CN112969568A - 风扇叶片的纤维增强体的纤维杂交 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮机的风扇(1)的叶片(3)，该叶片包括由复合材料制成的结构，该结构包括通过股线的三维编织获得的纤维增强体(4)和嵌入有纤维增强体(4)的基体。根据本发明，纤维增强体(4)包括形成前缘(8)的第一部分(13)和形成后缘(9)的全部或一部分的第二部分(15)，纤维增强体(4)的股线包括第一股线(12)和第二股线(14)，第一股线具有预先确定的断裂伸长率，第二股线具有比第一股线(12)的断裂伸长率更高的断裂伸长率，第一部分(13)包括第一股线(12)的全部或一部分，而第二部分(15)包括第二股线(14)的全部或一部分。

Description

风扇叶片的纤维增强体的纤维杂交
技术领域
本发明总体上涉及燃气涡轮发动机的领域，更具体地，涉及这些燃气涡轮发动机的风扇叶片及其制造方法的领域。
本发明特别适用于由复合材料制成的风扇叶片及其与主管道入口的相互作用。
背景技术
燃气涡轮发动机叶片(特别是风扇叶片)经受相当大的机械应力和热应力，并且必须满足严格的重量和空间要求。因此，已经提出使用由复合材料制成的叶片，该复合材料包括用聚合物基体致密化的纤维增强体，该叶片比具有同等推进特性的金属叶片轻，并且具有令人满意的耐热性。
在发动机的认证和使用寿命期间，风扇叶片会经受鸟和冰雹的摄入。然而，根据撞击叶片的物体的类型(特别是物体的尺寸和质量)和风扇的类型(旋转速度和叶片的数量)，用于损坏的引发和蔓延的优选区域是不同的。因此，风扇叶片的机械特性在叶片的设计阶段得到优化，以符合认证规则。
此外，当前的设计倾向于在前缘、后缘或实际上整个结构的区域中减小叶片的复合材料结构的厚度，以改善气动性能。因此，在等材料和等堆叠规律下，叶片的抗冲击能力降低。
发明内容
因此，本发明的目的是通过提出一种用于燃气涡轮发动机的具有改进的摄入特性的风扇叶片来弥补上述缺点。
为此，本发明提出了一种用于燃气涡轮发动机的风扇叶片，该风扇叶片包括复合材料结构，该复合材料结构包括通过股线的三维编织获得的纤维增强体和嵌入有纤维增强体的基体，
-该复合材料结构包括前缘和后缘，
-该纤维增强体包括形成前缘的第一部分和形成后缘的全部或一部分的第二部分，
-该纤维增强体的股线包括具有预定义的断裂伸长率的第一股线。
此外，纤维增强体的股线还包括具有比第一股线的断裂伸长率更高的断裂伸长率的第二股线，第一部分包括第一股线的全部或一部分，而第二部分包括第二股线的全部或一部分。
上述叶片的一些优选的但非限制性的特征如下，这些特征是单独或组合采用的：
-第一部分没有第二股线，第二部分包括经纱股线和纬纱股线，所述第二部分的经纱股线没有第一股线。
-第二部分从叶片的尖端延伸。
-叶片还包括翼型部、根部和柄部，该翼型部具有适于延伸到空气流中的空气动力学轮廓，该根部被构造成附接到风扇的盘，该柄部在根部与翼型部之间延伸，并且其中，第二部分在翼型部的高度的全部或一部分上形成后缘。
-第二部分在翼型部的高度的至少35％上延伸，例如在翼型部的高度的35％至100％之间延伸。
-第二部分不包括根部。
-第二部分在弦长的介于一厘米至十五厘米之间的一部分上延伸。
-纤维增强体还包括在第一部分与第二部分之间延伸的第三部分，第二股线的密度在第三部分中从第一部分朝向第二部分逐渐增加。
-第三部分在介于1厘米至10厘米之间的距离上延伸。
-第一股线和第二股线包括分布成形成经纱列的经纱股线，其中，插入在两个紧邻的经纱股线列之间的第二股线的、基于第三部分的经纱列中的经纱股线的总数的百分比至多等于30％，并且优选地介于5％至15％之间。
-叶片还具有与经纱列相交的多个经纱平面，每个经纱平面通过纬纱股线行与紧邻的经纱平面隔开，在位于中间的第三部分中，不超过30％的经纱股线在两个紧邻的经纱平面之间被修改，优选地，5％至15％的经纱股线在两个紧邻的经纱平面之间被修改。
-第一股线具有比第二股线的杨氏模量更高的杨氏模量。
-第二股线的断裂伸长率为第一股线的断裂伸长率的1.5倍至3倍。
-第一股线包括碳纤维或芳族聚酰胺纤维，该碳纤维或芳族聚酰胺纤维的杨氏模量大于250GPa，且该碳纤维或芳族聚酰胺纤维的断裂伸长率介于1.5％至2.5％之间。
-第二股线的断裂伸长率介于3％至6％之间，优选地介于4％至5％之间。
-第二股线包括玻璃纤维或玄武岩纤维。
-第二股线包括经纱股线。
根据第二方面，本发明还提出了一种用于燃气涡轮发动机的风扇，该风扇包括多个如上所述的叶片。
附图说明
通过阅读以下详细描述和通过非限制性示例给出的附图，本发明的其它特征、目的和优点变得更加清楚，在附图中：
图1是示出了根据实施例的用于风扇叶片的纤维增强体的第一示例的示意图，其中，在中间部分中第二股的引入和第一股的退出以及三个经纱平面已经被示意化。
图2是示出了用于风扇叶片的纤维增强体的第二示例的示意图。
图3a至图3c示意性地和部分地示出了图2中表示的三个经纱平面。
图4是包括根据本发明的叶片的风扇的示例性实施例的透视图。
具体实施方式
在本申请中，上游和下游是相对于风扇1中的通过燃气涡轮发动机的气体的正常流动方向而限定的。此外，燃气涡轮发动机风扇1的回转轴线被称为风扇1的径向对称轴线X。轴向方向对应于风扇1的轴线X的方向，径向方向是垂直于该轴线并穿过轴线的方向。最后，内部和外部将分别参照径向方向使用，使得元件的内部部分或内部面比同一元件的外部部分或外部面更接近轴线X。
燃气涡轮发动机的风扇1包括风扇1盘2，该风扇盘承载与叶片间平台相关联的多个风扇1叶片3。
每个叶片3包括复合材料结构，该复合材料结构包括通过三维编织(tissage)获得的纤维增强体4和嵌入有纤维增强体4的基体。
该复合材料结构包括根部5、柄部6和具有空气动力学轮廓的翼型部7。根部5旨在使叶片能够附接到风扇盘2，并且为此在形成于盘2中的腔的底部与该腔的支承表面的出口之间延伸。对于具有空气动力学轮廓的翼型部7，当燃气涡轮发动机运行时，其适于延伸到空气流中以产生提升力。最后，柄部6对应于翼型部7的在根部5与翼型部7之间延伸的区域，即在支承表面的出口与叶片间平台之间延伸的区域。
叶片3还以其本身已知的方式包括前缘8、后缘9、压力侧壁和吸力侧壁。前缘8被构造成与进入燃气涡轮发动机的气体流相反地延伸。前缘对应于翼型部的前部部分，该前部部分面向空气流并将空气流分成压力流和吸力流。后缘9转而对应于翼型部的后部部分，压力流和吸力流在在后部部分处汇合。
最后，该结构由从根部5沿堆叠轴线Z堆叠的多个叶片3部段形成，堆叠轴线相对于风扇1的回转轴线X径向地延伸。
在下文中，“高度”将用于指沿堆叠轴线Z的距离。
因此，翼型部7具有一高度h，该高度h对应于沿堆叠轴线Z介于其下边界10(在翼型部与柄部6的相交处)与其尖端11之间的距离。翼型部7的高度h例如可以在翼型部7的下边界10与后缘9之间的相交处测量。叶片3的高度H转而对应于沿该轴线Z介于根部5的下部面(被构造成面向风扇盘腔2的底部)与尖端11之间的距离，该距离在翼型部7的下边界10与后缘9之间的相交处测量。
纤维增强体4可以由单件纤维预制件形成，该单件纤维预制件通过具有演变厚度的三维或多层编织物获得。纤维增强体包括经纱股线和纬纱股线，经纱股线和纬纱股线尤其可以包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和/或芳纶纤维。该基体转而通常是聚合物基体，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。然后，叶片3通过使用树脂传递模塑(ResinTransfer Molding，RTM)或真空辅助树脂传递模塑(Vacuum Resin Transfer Molding，VARTM)类型的真空树脂注射工艺的模塑形成。
形成纤维增强体4的股线包括具有预定的断裂伸长率的第一股线12和具有比第一股线12的断裂伸长率更高的断裂伸长率的第二股线14。因此，纤维增强体4通过使构成纤维增强体的股线杂交而得到，以根据叶片3的面积和应力的类型最佳地利用每个股线的机械性能。
第一股线12优选地具有高的杨氏模量(例如大于250GPa)，并且具有使叶片3的设计标准(特别是叶片3的频率状态)得到满足的功能。因此，这些第一股线12用于纤维增强体4的编织，以形成增强体4的一部分(或第一部分13)，该部分整体上包括叶片3的较低和较厚的部分，使得叶片3的固有频率较高。这使得可以限制或至少避开(d’éloigner)叶片3的第一能量正常模式与马达谐波之间的频率交叉。该较低和较厚的部分在此包括叶片3的根部5、柄部6、翼型部7的下部部分和前缘8。在实施例中，在编织第一部分13时，仅将第一股线12用作经纱股线和纬纱股线。
第二股线14的断裂强度大于第一股线12的断裂强度，它们的作用是当物体(特别是鸟)被摄入时，限制对叶片3的损坏的引发和蔓延。因此，这些第二股线14用于纤维增强体4的编织以形成增强体4的包括后缘9的全部或一部分的部分(或第二部分15)，因为该区域在物体被摄入的情况下受到高应力。优选地，第二股线14的断裂伸长率为第一股线12的断裂伸长率的1.5倍至3倍。在实施例中，在编织第二部分15时，仅将第二股线14用作经纱股线和/或纬纱股线。
为了优化叶片3对物体冲击的抵抗力，第二股线14是增强体4的经纱股线(即，沿叶片3部段的堆叠轴线Z延伸的股线)。此外，第二部分15优选地从叶片3的下部区域(将在下面的描述中详细描述该下部区域)延伸到叶片3的尖端11。
增强体4还包括在第一部分13与第二部分15之间延伸的中间部分16，该中间部分由第一股线12和第二股线14两者形成。在实施例中，在编织中间部分16时，仅将第一股线和第二股线14用作经纱股线和纬纱股线。
该中间部分16被构造成用作第一部分13与第二部分15之间的界面，以限制由于材料不连续性而产生的脆性。当纤维增强体4在叶片3的第一部分13中仅包括第一股线12并且在叶片3的第二部分15中仅包括第二股线14，并且第一部分13和第二部分15在增强体4中首尾相连时，所得到的叶片3有效地防止在包括第二股线14的区域中对叶片3的损坏。然而，申请人认识到，在没有中间部分16的情况下，即通过在纤维增强体4的第一部分13和第二部分15之间的界面处突然引入第二股线14并同时移除第一股线12，所获得的叶片3在发生冲击时在该界面处有被严重损坏的风险，因为增强体4的两个部分11、12之间的界面通过材料特性的强烈不连续性削弱。
因此，中间部分16提供了第一部分13的材料特性与第二部分15的材料特性之间的过渡。为此，第二股线14的密度在中间部分16内从第一部分13到第二部分15逐渐增加。更确切地说，在第一部分13与中间部分16之间的界面14处，第二股线14的密度很低，而第一股线12的密度很高。相反，在中间部分16与第二部分15之间的界面15处，第二股线14的密度很高，而第一股线12的密度很低。
第二部分15在叶片3的堆叠轴线Z上的任一点处在弦长的介于1厘米至15厘米之间的一部分L上延伸。如本文所使用的，对于叶片3的给定部段(并因此对于堆叠轴线Z的给定点)，弦被定义为连接叶片3的前缘8至后缘9的直线段。
中间部分16的高度h’根据叶片3的尺寸来确定的，从而根据风扇1的类型来确定的，更一般地根据燃气涡轮发动机的类型来确定，该风扇旨在整合到燃气涡轮发动机中。
如前所述，第二部分15延伸到叶片3的尖端11。理想地，为了优化叶片3对鸟撞击的抵抗力，第二部分15基本上在叶片3的整个高度H上延伸，即，沿着后缘9从叶片3的根部5或从柄部6(参见图2)延伸到尖端11。
在替代实施例中，为了简化叶片3的根部5/柄部6区域的认证并为了制造约束，第二部分15仅在翼型部7的一部分上延伸(参见图1和图2)，特别是从叶片的尖端11延伸。
特别地，在第一实施例中(参见图1)，第二部分15与中间部分16之间的界面可位于距翼型部7的下边界10一距离处(沿叶片3的堆叠轴线Z)，该距离介于翼型部7的高度h的0％(第二部分15在整个翼型部7上延伸的情况)至65％之间。因此，第二部分15的高度h介于翼型部7的高度h的35％至100％之间。
该第一实施例确实使得后缘9相对于所有类型的物体(重型鸟、中型鸟和轻型鸟)的摄入的特性得到改善。
在第二实施例中，叶片3的下边界10与界面(沿叶片3的堆叠轴线Z)之间的距离大于翼型部7的高度h的65％。因此，第二部分15的高度h小于翼型部7的高度h的35％。
该第二实施例便于制造并限制了由第二股线14具有比第一股线12低的杨氏模量这一事实引起的额外的松开。然而，与第一实施例相比，对于中型鸟和轻型鸟类型的物体的摄入，后缘9的特性改进较少。
因此，叶片3的尺寸使得能够确定该距离，从该距离将第二股线14引入到纤维增强体4中，以结合频率状态(第一股线12)所需的刚度和用于抵抗摄入的断裂伸长率(第二股线14)。
中间部分16的高度h’(沿堆叠轴线Z的尺寸)介于叶片3的高度h的5％至30％之间。因此，中间部分16的高度h’可以在一厘米至十厘米之间。
图1和图2示意性地示出叶片3，在树脂注射或由基体致密化和可能的机加工之前，该叶片的纤维增强体4已经由三维编织纤维预制件成形，以获得根据本发明的由复合材料制成的风扇1叶片3。三维编织意味着经纱股线遵循曲折的路径，以将属于不同纬纱股线层的纬纱股线相互连结(解开的情况除外)，应注意的是，三维编织(特别是互锁编织)可包括2D表面编织。如特别在文献WO 2006/136755中描述的，可以使用不同的三维编织，例如互锁编织、多缎纹编织或多片编织。
图1示出了三个经纱平面C1、C2、C3。经纱平面C1、C2、C3是纤维预制件沿垂直于堆叠轴线Z的平面的横截面图。在纤维增强体4中，每个经纱平面C1、C2、C3通过纬纱股线的行与紧邻的经纱平面隔开。
此外，图3a至图3b是图1的经纱平面C1、C2、C3的顶视图，其中仅示出了经纱股线(即，纤维增强体4的沿着部段的堆叠方向延伸的股线)，为了简化图的阅读，省略了纬纱股线。这些图示意性地示出了通过在第一部分13和中间部分16之间的竖直界面17(即，基本上平行于后缘9的界面)和水平界面18(即，基本上平行于叶片根部5并且相对于中间部分16径向向内定位的界面)处沿经纱方向插入第二股线14而使股线杂交的示例。
如在图3a中可见的，作为纤维增强体4的第一部分13的一部分的第一经纱平面C1仅包括第一股线12。
第二经纱平面C2(图3b)是在水平界面18与第一部分13之间的、纤维增强体5的中间部分16的一部分。该第二经纱平面C2示出了在竖直界面17与后缘9之间以及在第二部分15的下边界与水平界面16之间(沿堆叠方向Z)，中间部分16中的第二股线14的密度的逐渐增加。通过在构成中间部分16的不同经纱平面处连续地将第一股线12从预制件编织物中取出，并在注射前在预制件表面处切割第一股线，同时在这些经纱平面之间引入第二股线14，可以实现第二股线14的密度从水平界面增加(参见图1)。这样，第一部分13、第二部分15和中间部分16在编织过程中形成为一体。
第三经纱平面C3与中间部分16和第二部分15相交，因此该平面C3延伸超过中间部分16的相对于第二部分15径向向内的部分。在该经纱平面C3处，作为纤维增强体4的第一部分13的一部分的前两列经纱股线仅包括第一股线12。该前两列经纱股线位于竖直界面17附近。第三列和第四列经纱股线是纤维增强体4的中间部分16的、靠近其竖直界面17的一部分。这些经纱股线列包括两个第二股线14(其表现为88％的第一股线12和12％的第二股线14)。随后的经纱股线列各自包括更大百分比的第二股线14(相对于第一股线12的百分比)，直到第十四经纱股线列和随后的经纱股线列，第十四经纱股线列和随后的经纱股线列仅包括第二股线14，因此形成增强体4的第二部分15的一部分。
通常，为了确保在竖直界面17处增强体4的第一部分13和第二部分15之间的机械性能的过渡，在中间部分16的两个紧邻的经纱股线列之间引入的第二股线14的百分比(基于该列中经纱股线的总数)至多等于30％。优选地，该百分比介于5％至15％之间。
在从水平界面18延伸的中间部分的一部分中，至多30％的经纱股线在两个紧邻的经纱平面(即，仅由一行纬纱股线分开)之间进行修改。因此，在纤维增强体4中的两个连续的(且紧邻的)经纱平面之间，至多30％的第一股线12从形成纤维增强体4的纤维预制件中被取出并在表面处被切割，并且一样多的第二股线14从表面被引入到纤维预制件中以替换取出的第一股线12。优选地，在中间部分16的这一部分中，5％至15％的经纱股线在两个紧邻的平面之间被修改。
在实施例中，第一股线12具有高的杨氏模量E，即大于250GPa，优选地大于270GPa。此外，第一股线的断裂伸长率A介于1.5％至2.5％之间。
例如，第一股线12可包括碳纤维，通常为HS*T300(E＝284GPa，A＝1.5％)、HSTR30S(E＝356GPa，A＝1.9％)或HS T700(E＝395GPa，A＝2.1％)碳纤维或杜邦凯夫拉尔49(Dupont Kevlar 49)型的高模量芳族聚酰胺纤维(E＝302GPa，A＝2.4％)。
然后，第二股线14的断裂伸长率可介于3％至6％之间，优选地介于4％至5％之间。例如，第二股线14可以包括玻璃纤维，通常是E-玻璃(E-GLASS)型玻璃纤维(E＝165GPa，A＝4.4％)或S-2玻璃型玻璃纤维(E＝267GPa，A＝5.2％)，或玄武岩纤维(E＝227GPa，A＝3％)或聚酯纤维(E＝268GPa，A＝3.5％)。
通常，所描述的构造对于其风扇可以具有1.8米至3米量级的外径的发动机是有效的。风扇叶片的数量可以等于16个或18个。无论风扇的直径如何，扇叶的数量都会尽可能的减少。在各种标准中，参数(特别是距离h1)的选择将更具体地取决于风扇叶片的特性和“摄入频率/尺寸”的组合。实际上，对于同一发动机目标，可以在不同的摄入情况下选择频率特性或频率响应的不同策略，例如通过避免与发动机的高能谐波发生振动交叉来反推叶片和叶片响应。例如，可以做出选择，以在瞬时发动机速度下定位这些交叉。
由于在机械强度方面的附加贡献，纤维增强体4的股线的杂交也开拓了设计领域。例如，与仅包括第一股线12(具有高杨氏模量)的叶片3相比，可以在预制件4的前缘处或在预制件4的后缘处或在预制件的整个高度h上完善叶片3的轮廓，这使得能够优化叶片3的质量和风扇1的空气动力学性能(通过获得更薄的轮廓或通过减小轮毂比，轮毂比与由叶片3的质量引起的离心力的减小相关联)。

Claims (19)

1.燃气涡轮发动机的风扇(1)的叶片(3)，所述叶片包括复合材料结构，所述复合材料结构包括通过股线的三维编织获得的纤维增强体(4)和嵌入有所述纤维增强体(4)的基体，
所述复合材料结构包括前缘(8)和后缘(9)，
所述纤维增强体(4)包括形成所述前缘(8)的第一部分(13)和形成所述后缘(9)的全部或一部分的第二部分(15)，
所述纤维增强体(4)的股线包括具有预定义的断裂伸长率的第一股线(12)，
所述叶片(3)的特征在于，所述纤维增强体(4)的股线还包括具有比所述第一股线(12)的断裂伸长率更高的断裂伸长率的第二股线(14)，所述第一部分(13)包括所述第一股线(12)的全部或一部分，而所述第二部分(15)包括所述第二股线(14)的全部或一部分，并且所述第一部分(13)没有第二股线(14)。
2.如权利要求1所述的叶片(3)，其特征在于，所述第二部分(15)包括经纱股线和纬纱股线，所述第二部分(15)的经纱股线没有第一股线(12)。
3.如权利要求1或2所述叶片，其特征在于，所述第二部分(15)从所述叶片的尖端(11)延伸。
4.如权利要求1至3中任一项所述的叶片(3)，其中，所述叶片还包括翼型部(7)、根部(5)和柄部(6)，所述翼型部具有适于延伸到空气流中的空气动力学轮廓，所述根部被构造成固定到所述风扇的盘(2)，所述柄部在所述根部(5)与所述翼型部(7)之间延伸，并且其中，所述第二部分(15)在所述翼型部(7)的高度(h)的全部或一部分上形成所述后缘(9)。
5.如权利要求4所述的叶片，其中，所述第二部分(15)在所述翼型部(7)的高度(h)的至少35％上延伸，例如所述第二部分在所述翼型部(7)的高度(h)的35％至100％之间延伸。
6.如权利要求4或5所述的叶片，其中，所述第二部分(15)不包括所述根部(5)。
7.如权利要求4或5所述的叶片，其中，所述第二部分(15)包括所述根部(5)。
8.如权利要求1至7中任一项所述的叶片，其中，所述第二部分(15)在弦长的介于1厘米至15厘米之间的一部分(L)上延伸。
9.如权利要求1至8中任一项所述的叶片(3)，其中，所述纤维增强体(4)还包括在所述第一部分(13)与所述第二部分(15)之间延伸的第三部分(16)，所述第二股线(14)的密度在所述第三部分(16)中从所述第一部分(13)朝向所述第二部分(15)逐渐增加。
10.如权利要求9所述的叶片(3)，其中，所述第三部分(16)在1厘米至10厘米之间的距离上延伸。
11.如权利要求9或10所述的叶片(3)，其中，所述第一股线和所述第二股线(12，14)包括分布成形成经纱列的经纱股线，插入在两个紧邻的经纱股线列之间的第二股线(14)的、基于所述第三部分(16)的经纱列中的经纱股线的总数的百分比至多等于30％，且优选地介于5％至15％之间。
12.如权利要求11所述的叶片，所述叶片还包括与所述经纱列相交的多个经纱平面(C1，C2，C3)，每个经纱平面通过纬纱股线行与紧邻的经纱平面隔开，在位于中间的所述第三部分(16)中，不超过30％的经纱股线在两个紧邻的经纱平面之间被修改，优选地，5％至15％的经纱股线在两个紧邻的经纱平面之间被修改。
13.如权利要求1至12中任一项所述的叶片(3)，其中，所述第一股线(12)具有比所述第二股线(14)的杨氏模量更高的杨氏模量。
14.如权利要求1至13中任一项所述的叶片(3)，其中，所述第二股线(14)的断裂伸长率为所述第一股线(12)的断裂伸长率的1.5倍至3倍。
15.如权利要求1至4中任一项所述的叶片(3)，其中，所述第一股线(12)包括碳纤维或芳族聚酰胺纤维，所述碳纤维或芳族聚酰胺纤维的杨氏模量大于250GPa，且所述碳纤维或芳族聚酰胺纤维的断裂伸长率介于1.5％至2.5％之间。
16.如权利要求1至15中任一项所述的叶片(3)，其中，所述第二股线(14)的断裂伸长率介于3％至6％之间，优选地，所述第二股线的断裂伸长率介于4％至5％之间。
17.如权利要求16所述的叶片(3)，其中，所述第二股线(14)包括玻璃纤维或玄武岩纤维。
18.如权利要求1至17中任一项所述的叶片(3)，其中，所述第二股线(14)包括经纱股线。
19.用于燃气涡轮发动机的风扇(1)，所述风扇包括多个如权利要求1至18中任一项所述的叶片(3)。
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