CN113227477B - 编织纤维织构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种旨在形成涡轮发动机部件的纤维增强件的纤维织构(1)，包括与第二纱线结合的第一纱线，所述织构的特征在于，其包括至少一个粘弹性材料的振动阻尼元件(3)，所述粘弹性材料的振动阻尼元件存在于由第二剥离区限定的凹槽(5)中，所述剥离区在所述织构的一部分(P)上将所述织构的第一表面部分(7)与由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的三维织物形成的所述织构的第二部分(9)分开，所述织构的第一表面部分由所述第一纱线的单维层形成，或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的二维织物形成。

Description

编织纤维织构
技术领域
本发明涉及一种编织纤维织构，其包括至少一个粘弹性材料的阻尼元件，以及包含该纤维织构的复合材料的涡轮发动机部件。
背景技术
结构阻尼始终是涡轮发动机，特别是旋转部件的关注点。
风扇叶片，不管是复合材料还是其他材料，都会受到发动机的激励。在频率重合期间，振动应力水平可能会导致叶片尺寸的调整，往往会损害性能。
增加结构中的振动阻尼可以提高总体性能，尤其是空气动力性能(泵送裕度、浮动)和机械性能(高周疲劳)。
增加振动阻尼所采用的解决方案最好不影响结构质量。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种旨在形成涡轮发动机部件的纤维增强件的纤维织构，包括与第二纱线结合的第一纱线，所述织构的特征在于，其包括至少一个粘弹性材料的振动阻尼元件，所述粘弹性材料的振动阻尼元件存在于由剥离区限定的凹槽中，所述剥离区在所述织构的一部分上将所述织构的第一表面部分与由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的三维织物形成的所述织构的第二部分分开，所述织构的第一表面部分由所述第一纱线的单维层形成，或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的二维织物形成。
第一部分的刚度大于所述织构的三维织物的第二部分所表现的刚度。粘弹性材料的阻尼元件插入这两个具有不同刚度的部分之间的事实使得剪切该元件成为可能，从而增加所考虑的织构部分的耗散并引起阻尼的增加。因此，该解决方案可以在不影响织构质量的情况下耗散振动能量。
在实施方式的一个示例中，织构还包括第二粘弹性材料的第二振动阻尼元件，所述第二振动阻尼元件存在于由第二剥离区限定的第二凹槽中，所述第二剥离区在所述织构的第二部分上将所述织构的第三表面部分与由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的第二三维织物形成的所述织构的第四部分分开，所述织构的第三表面部分由所述第一纱线的第二单维层形成，或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的第二二维织物形成。
当希望在织构的不同部分耗散振动能量时，这种特性是有利的。
在实施方式的一个示例中，每个阻尼元件在介于–50℃和120℃之间的温度范围内表现出大于或等于0.2的剪切损耗因子，该剪切损耗因子通过施加频率等于100Hz的正弦剪切应力来确定。以本身已知的方式，材料的剪切损耗因子是其复剪切模量的虚部与其复剪切模量的实部之间的比率。剪切损耗因子对应于材料所经历的变形相对于剪切应力的相移的切线，该因子量化了材料在该应力下变形时吸收的能量。
这种特性使得可以进一步耗散振动能量。
每个阻尼元件的剪切损耗因子尤其可以大于或等于0.4。
在实施方式的一个示例中，每个振动阻尼元件包括弹性体材料。弹性体材料可以填充，也可以不填充，例如用碳填充。根据一个示例，填充或未填充的弹性体材料可用作阻尼元件，由纤维结构支撑，例如单维纱线层或织物，所述层或所述织物例如为碳纱线的层或织物。这样的特性使得操纵阻尼元件并将其插入纤维织构中变得更容易。作为非限制性示例，弹性体材料可以例如是交联弹性体、天然橡胶(NR)、合成橡胶(IR)、聚丁二烯(BR)、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丙烯腈-丁二烯(NBR)、乙烯-丙烯-二烯(EPDM)、聚氨酯(PU/EU)、聚氯丁二烯(CR)、异丁烯-异戊二烯(IIR)、有机硅(聚硅氧烷)(SI)、含氟弹性体(FKM/FPM)、全氟弹性体(FFKM)、氟硅氧烷、氯磺化聚乙烯(CSM)、环氧氯丙烷(CO/ECO)、丁腈橡胶(NBR)、端环氧基丁腈橡胶(ETBN)、羧化聚丁二烯(CTBN)或端氨基丁腈橡胶(ATBN)。弹性材料还可以是丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酰亚胺(PEI)。
在实施方式的一个示例中，每个振动阻尼元件具有扁平形状。
在一个实施方式的一个示例中，织构表面的第一表面部分由第一纱线的单维层形成，该单维层的第一纱线由保持元件保持就位。
当使用单维层作为第一表面部分以避免第一纱线偏离其期望应力方向的任何风险时，使用这种保持元件是有利的。这赋予第一部分最大刚度，以优化振动能量的耗散。
保持元件可以是热熔元件或粘合剂。粘合剂可以通过涂抹器沉积在第一部分的纱线上，也可以喷涂在这些纱线上。在热熔材料的情况下，通过熔化热熔材料以用熔化的材料浸渍纱线，然后使该材料固化以粘合浸渍的纱线并将它们保持就位，单维层的纱线被保持就位。所述热熔元件可以是粉末组合物、材料网或多条纱线的形式。热熔元件可包括例如热塑性聚合物。在织构表面的第三部分由第一纱线的第二单维层形成的情况下，这些纱线可以由保持元件保持，类似于刚刚描述的情况。
在一个实施方式的示例中，第一纱线和第二纱线是碳纤维的。
本发明还涉及一种由复合材料形成的涡轮发动机的部件，其包括如上所述的织构形成的纤维增强件和使所述纤维增强件致密化的基质。
在一个实施方式的示例中，该基质是一种有机基质。
在一个实施方式的示例中，该部件是航空发动机风扇部件。特别是该部件可以是航空发动机风扇叶片或航空发动机风扇外壳。
本发明还涉及一种包括如上所述的部件的涡轮发动机。
附图说明
图1是根据本发明的纤维织构的第一示例的局部截面示意图。
图2是根据图1的织构示例的照片，示出了部分插入由剥离区限定的凹槽中的阻尼元件。
图3是根据图1的织构示例的照片，示出了完全插入由剥离区限定的凹槽中的阻尼元件。
图4是根据本发明的纤维织构的第二示例的局部截面示意图。
图5是根据本发明的一个实施方式的航空发动机的透视图。
具体实施方式
在下文中，为简洁起见，“振动阻尼元件”将被表述为“阻尼元件”。
图1显示了根据本发明的编织纤维织构1的第一示例。该纤维织构1被编织成单件并且包括与第二纱线编织在一起的第一纱线。
第一纱线可以是经纱并且第二纱线可以是纬纱，或者相反地，第一纱线可以是纬纱并且第二纱线可以是经纱。出于所有有用的目的，规定除非另有说明，经线和纬线的作用在本文中可以颠倒，并且应当被认为也被权利要求所涵盖。
纤维织构1包括粘弹性材料的阻尼元件3，其存在于由织构1的剥离区限定的凹槽5中。
限定凹槽5的剥离区对应于由第一剥离界限5a和第二剥离界限5b限定的区域。剥离区在位于织构1的上游部分4a和织构1的下游部分4b之间的部分P上延伸。
剥离区在织构1的部分P上将织构的第一表面部分7与由其中第一纱线与第二纱线编织的三维织物形成的织构的第二部分9分开。织构表面的第一表面部分由第一纱线的单维层或由其中第一纱线与第二纱线结合的二维织物形成。
“三维织物”应理解为一种编织方法，通过该方法，至少一些第一纱线将属于不同第二纱线层的第二纱线结合在一起。如文件WO2006/136755中特别描述的，三维织物可以是互锁编织、多缎纹或多平纹。
该部分涉及其中第一表面部分7由第一纱线的单维层形成的替代方案。在这种情况下，第一表面部分7中的第一纱线不与第二纱线编织在一起。第一表面部分7仅包括基本沿相同方向延伸的第一纱线。第一表面部分7包括单层第一纱线。第一表面部分7不包括第二纱线。如上所述，在这种情况下，例如可以通过热熔元件将第一纱线保持就位。
根据变型，第一表面部分7包括第一纱线和第二纱线，这些第一纱线和第二纱线根据第一表面部分7中的二维编织图案编织在一起。
第一表面部分7在第一界限5a和第二界限5b之间延伸。第一表面部分7、剥离区和第二部分9可以沿纤维织构1的厚度重叠。
在上游部分4a中，第一纱线以三维编织图案(例如互锁编织、多缎纹或多平纹)结合第二纱线。在下游部分4b中，第一纱线以三维编织图案(例如互锁编织、多缎纹或多平纹)结合第二纱线。上游部分4a和下游部分4b的编织图案不一定相同。在部分P中，第一纱线被分成两个子集：第一纱线的第一子集存在于第一表面部分7中，而第一纱线的第二子集与第二部分9中的第二纱线编织在一起。将第一纱线分成这两个子集的这种分离在第一剥离界限5a处开始并且在第二剥离界限5b处终止。
沿该部分中第一纱线的延伸轴线测量的第一表面部分7的刚度可以大于或等于75GPa，例如大于或等于150GPa。除非另有说明，刚度值均在20℃的温度下获得。
沿该部分中第一纱线的延伸轴线测量的第二部分9的刚度可以小于或等于110GPa。第二部分9的厚度大于第一表面部分7的厚度，例如大于或等于第一表面部分7的厚度的5倍。
阻尼元件3位于第一表面部分7和第二部分9之间。阻尼元件3可以与第一表面部分7和第二部分9接触。阻尼元件3夹在第一表面部分7和第二部分9之间。阻尼元件的厚度e可以大于或等于0.1mm，例如介于0.1mm和2mm之间。在将织构成形为部件的形状之前，阻尼元件3可以具有平坦的形状。阻尼元件3可以是贴片的形式。阻尼元件可以包括如上所述的弹性体材料。
阻尼元件3可以存在于凹槽5的较大尺寸的至少四分之一，或甚至至少一半，并且例如至少四分之三上。
根据实施方式的一个示例，可以使用阻尼元件3，其包括弹性体并且在碳纤维织构1内具有等于0.2mm的厚度，第一表面部分7的刚度等于190GPa，第二部分9的刚度等于90GPa。
图2和3是根据图1的织构的照片，示出了插入第一和第二织构部分之间的阻尼元件(白色)。图2显示了部分在凹槽之外的阻尼元件，而图3显示了完全位于凹槽内的阻尼元件。
我们现在将描述图1的织构1的示例的制造步骤，以及包含这种织构的复合材料的部件。应当理解，该制造描述经必要的修改后适用于将在下面结合图4描述的织构10的示例。
纤维织构首先通过编织产生。在编织织构1时，第一纱线的一部分和第二纱线之间的编织可以从第一界限5a中断，或被修改以形成第一表面部分7。该第一纱线部分和第二纱线之间的编织然后可以从第二界限5b恢复。
因此，在编织期间将存在于织构1的上游部分4a中的第一纱线组从第一界限5a开始被分成两个第一纱线子集。第一纱线的第一子集存在于第一表面部分7中，而第一纱线的第二子集在第二部分9中结合第二纱线。第一纱线的第一子集在部分P中可以不与第二纱线结合，或者作为变型，与第二纱线结合以形成二维织物。超过第二界限5b，第一子集的第一纱线在下游部分4b中与第二纱线结合。
这种剥离允许限定位于第一界限5a和第二界限5b之间的凹槽，该凹槽将第一表面部分7与第二部分9分开。然后将阻尼元件3插入由此获得的凹槽5中，位于第一表面部分7和第二部分9之间。
然后，如果需要，执行成形具有阻尼元件3的织构1的步骤。作为变型，该成形步骤被省略，织构1被直接编织成所需的形式。
然后在织构1的孔隙中形成基质，任选地成形，以致密化并获得复合材料部件。
以本身已知的方式在纤维织构1的孔隙中形成基质。
根据所考虑的应用选择基质的性质。基质可以是有机基质，尤其是从前体树脂如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺树脂，或碳基质或陶瓷基质获得的有机基质。在有机基质的情况下，纤维织构被基质前体树脂浸渍；这种浸渍可以通过注射进行，例如通过树脂传递模塑(RTM)。
在碳或陶瓷基质的情况下，可以通过化学气相渗透(CVI)或通过用含有碳或陶瓷前体树脂的液体组合物浸渍和热处理以热解前体来进行致密化，这些方法是已知的。
图4示出了根据本发明的织构10的第二个例子，其包括多个粘弹性材料的阻尼元件3和13，每个阻尼元件3和13位于单独的凹槽5或15中。
根据图4的示例，第一阻尼元件3存在于织构10的第一部分P1上并且第二阻尼元件13存在于织构10的第二部分P2上，与第一部分P1隔开。第一部分P1和第二部分P2在此不相交。第一阻尼元件3可以与第二阻尼元件13相同。作为变型，第一阻尼元件和第二阻尼元件3和13可以至少在它们的材料、尺寸和/或形状方面不同。
第二阻尼元件13存在于由织构10的第二剥离区限定的第二凹槽15中，所述第二剥离区在织构10的第二部分P2上将织构10的第三表面部分17与由其中第一纱线与第二纱线编织的三维织物形成的所述织构的第四部分19分开，所述织构的第三表面部分由所述第一纱线的第二单维层形成，或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的第二二维织物形成。
刚刚结合图1描述的特征仍然适用于图4示例的凹槽5和15，第一表面部分7、第二部分9、第三表面部分17和第四部分19以及阻尼元件3和13。
图5示出了航空燃气涡轮发动机20的透视图。如图5非常示意性地所示，这种发动机在气流方向上包括位于发动机入口处的风扇21、压缩机22、燃烧室23、高压涡轮24和低压涡轮25。风扇21包括由外壳211包围的多个风扇叶片210。
根据一个实施方式，包含上述纤维织构1或10的涡轮发动机部件可以构成外壳211和/或风扇叶片210。
“介于...和...之间”的表述应理解为包括边界。

Claims (13)

1.一种旨在形成涡轮发动机部件的纤维增强件的编织纤维织构，包括与第二纱线结合的第一纱线，所述织构的特征在于，其包括至少一个粘弹性材料的振动阻尼元件，所述粘弹性材料的振动阻尼元件存在于由剥离区限定的凹槽中，所述剥离区在所述织构的一部分上将所述织构的第一表面部分与由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的三维织物形成的所述织构的第二部分分开，所述织构的第一表面部分由所述第一纱线的单维层形成或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的二维织物形成，所述单维层仅包括基本沿相同方向延伸的第一纱线。
2.根据权利要求1所述的织构，其中所述织构还包括第二粘弹性材料的第二振动阻尼元件，所述第二振动阻尼元件存在于由第二剥离区限定的第二凹槽中，所述第二剥离区在所述织构的第二部分上将所述织构的第三表面部分与由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的三维织物形成的所述织构的第四部分分开，所述织构的第三表面部分由所述第一纱线的第二单维层形成或由其中所述第一纱线与所述第二纱线结合的第二二维织物形成，所述第二单维层仅包括基本沿相同方向延伸的第一纱线。
3.根据权利要求1所述的织构，其中每个阻尼元件在介于–50℃和120℃之间的温度范围内表现出大于或等于0.2的剪切损耗因子，所述剪切损耗因子通过施加频率等于100Hz的正弦剪切应力来确定。
4.据权利要求1所述的织构，其中每个振动阻尼元件包括弹性体材料。
5.据权利要求4所述的织构，其中每个振动阻尼元件是由纤维结构支撑的弹性体材料。
6.根据权利要求1所述的织构，其中每个振动阻尼元件具有平坦形状。
7.根据权利要求1所述的织构，其中织构表面的第一表面部分由第一纱线的单维层形成，并且其中所述单维层的第一纱线由保持元件保持就位。
8.根据权利要求7所述的织构，其中所述保持元件可以是热熔的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的织构，其中所述第一纱线和所述第二纱线是碳纤维的纱线。
10.一种复合材料的涡轮发动机部件，包括由根据权利要求1至9中任一项所述的织构形成的纤维增强件和使所述纤维增强件致密化的基质。
11.根据权利要求10的部件，其中所述基质是有机基质。
12.根据权利要求10或11所述的部件，其中所述部件是航空发动机的风扇部件。
13.一种涡轮发动机，包括根据权利要求10至12中任一项所述的部件。
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