CN113227543A

CN113227543A - 具有增强抗振性的纤维增强复合部件

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Publication number: CN113227543A
Application number: CN201980085084.4A
Authority: CN
Inventors: B·J·G·达布莱恩; B·特兰夸特; D·M·C·库佩; M-A·柯罗特
Original assignee: Safran SA
Current assignee: Safran SA
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: FR3090462B1; CN113227543B; US20220074309A1; EP3899209A1; WO2020128367A1; FR3090462A1; EP3899209B1

Abstract

本发明涉及一种用于由复合材料制成的涡轮机(1)的部件(10)，包括具有三维编织物的纤维增强件(11)，三维编织物包括由第一材料制成的第一组纱线(12)，其特征在于，纤维增强件(11)包括由第二组纱线(14)形成的振动阻尼元件(13)，该第二组纱线(14)包括粘弹性且不同于第一材料的第二材料，第二组纱线(14)与第一组纱线(12)一起编织。

Description

具有增强抗振性的纤维增强复合部件

技术领域

本发明涉及涡轮机的一般领域，并且更具体地涉及用于飞行器的涡轮机。

背景技术

已知使用由具有纤维增强件的复合材料制成的涡轮机部件，该纤维增强件通过三维编织制作，特别是用于风扇叶片。

然而，在涡轮机操作期间，所述涡轮机的部件可能会经受振动。这些振动能够以所述部件的固有模式激发这些部件。然而，以其自身模式之一激发的部件有可能被损坏并损坏相邻部件。

因此，为了防止部件以其自身的模式之一被激励，已知的是调适所述部件的形状。例如，风扇叶片具有适于以它们的固有模式最小化所述风扇叶片的激励的形状。

然而，部件的优化形状、即使得能够改善部件性能的形状可以是在所述部件的操作期间激发部件的固有模式的形状。因此，当前的情况使得不能给予部件其优化的形状。例如，风扇叶片的空气动力学性能降低，以便给予所述风扇叶片限制所述叶片的固有模式的激发的形状。

发明内容

因此，本发明的主要目的是通过提出一种涡轮机部件来减轻这些缺点，该涡轮机部件具有用于阻尼所述部件所经受的振动的内部机构。因此，能够给予部件更优化的形状，特别是对于空气动力学部件，而不增加所述部件进入共振的风险。

根据第一方面，本发明提出了用于由复合材料制成的涡轮机的部件，包括具有三维编织物的纤维增强件，纤维增强件包括由第一材料制成的第一组纱线，其特征在于，纤维增强件包括由第二组纱线形成的振动阻尼元件，该第二组纱线包括粘弹性且不同于第一材料的第二材料，第二组纱线与第一组纱线一起编织。

涡轮机部件还可以包括以下特征，这些特征可以根据技术可能性单独或组合提取：

-第二材料由粘弹性材料制成，在-50℃至120℃之间的温度范围内具有大于或等于0.2的剪切损失系数，通过施加频率等于100Hz的正弦剪切应力来确定剪切损失系数；

-第一组纱线以三维的第一编织图案编织，第二组纱线以与第一编织图案不同的第二编织图案编织；

-第一组纱线具有第一经纱皱缩角(embuvage)，而第二组纱线具有第二经纱皱缩角，第一经纱皱缩角与第二经纱皱缩角不同；

-第二经纱皱缩角大于第一经纱皱缩角；

-纤维增强件包括由第一组纱线组成的至少第一部分，以及至少第二部分，在第二部分上，纤维增强件的经纱和/或纬纱由第二组纱线的纱线形成；

-第二材料是弹性体；

-第二组纱线包括由第二材料构成的纱线；

-第二组纱线包括具有由第二材料制成的涂层的纱线；

-第二组纱线包括由第二材料制成的纤维和由另一种材料制成的纤维形成的纱线；

-部件是叶片；

-叶片是风扇叶片；

-纤维增强件的编织图案选自以下编织物之一：互锁、多帆布、多缎纹和多斜纹；

-第一组纱线的第一材料选自以下材料：碳纱、玻璃纱、芳纶纱；

-该部件包括由第三材料制成的第三组纱线，所述第三组纱线形成围绕第一组纱线和第二组纱线的层。

根据第二方面，本发明提出一种涡轮机，该涡轮机包括根据前述特征中的任一个要求保护的部件。

附图说明

参考附图，本发明的其它特征和优点将从以下给出的描述中变得显而易见，附图示出了本发明的示例性实施例而没有任何限制。

[图1]图1示出了涡轮机的示意图。

[图2]图2示出由X射线产生的根据本发明的变型的部件的剖视图。

[图3]图3示出了图2的第一组纱线和第二组纱线的经纱皱缩角的详细视图。

[图4]图4示出了互锁三维编织物的平面图。

[图5]图5示出了多帆布三维编织物的平面图。

[图6]图6示出了多缎纹三维编织物的平面图。

[图7]图7示出了多斜纹三维编织物的平面图。

具体实施方式

如图1所示，沿着气流的循环方向，涡轮机1包括风扇2、低压压缩机3、高压压缩机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。

此外，涡轮机1包括不同的壳体，比如围绕风扇2的风扇壳体8，风扇壳体8围绕所述涡轮机1的不同元件。

另外，涡轮机1可以是具有减速齿轮的涡轮机，使得能够将风扇2和低压涡轮7脱开，或者风扇2能够直接联接到低压轴，低压轴由低压涡轮7旋转地驱动。

本发明可应用于涡轮机1的经受振动并因此易于进入共振的各种部件，并且特别是所述涡轮机的叶片。事实上，涡轮机的叶片是特别经受振动的元件。

特别地，本发明适用于特别地经受振动的风扇2的叶片，例如当风扇2经受侧风时。

如能在图2中看出的，根据本发明的部件10是由复合材料制成的部件，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强件11。基质例如可以是聚合物基质，特别是环氧树脂基质或者碳基质。纤维增强件11具有三维的编织物。

图2是涡轮机1的部件10的截面的X射线视图(μCT视图)。纱线之间的颜色差异表示不同纱线的组成材料之间的密度差异。

纤维增强件11包括第一组纱线12。第一组纱线12根据三维的第一编织图案编织。第一组纱线12的功能是为纤维增强件赋予其机械强度特性。

术语“三维编织”或“3D编织”在此应理解为意指一种编织方法，通过该编织方法，至少一些经纱在若干纬纱层上链接纬纱。

通过3D编织生产纤维结构使其能够在单次纺织操作中获得层之间的链接，并因此获得纤维结构和所获得的复合材料部件的良好机械强度。

纤维增强件11的三维编织图案可以选自以下编织中的一种：互锁、多帆布、多缎纹和多斜纹。因此，第一编织图案可以选自以下编织中的一种：互锁、多帆布、多缎纹和多斜纹。

术语“互锁编织物或织物”在此应理解为意指三维编织物，其中每根经纱链接若干层纬纱，其中同一经纱列的所有纱线在编织平面中具有相同的运动。图4是具有7层经纱C1和8层CT1纬纱T1的互锁编织物的8个平面的视图。在所示的互锁编织物中，纬纱T1的一层CT1由在经纱方向上彼此偏移的两个相邻的半层ct1形成。因此，具有以交错图案定位的16个半层纬纱。每根经纱C1链接3个半层的纬纱。人们还可以选择非交错的纬纱布置，两个相邻纬纱层的纬纱对齐在同一列上。

术语“多帆布编织物或织物”在此表示具有若干层纬纱的3D编织物，其中，每层的基础编织物相当于传统帆布类型的编织物，但具有将纬纱层链接到彼此的编织物的某些针脚(point)。图5示出了多帆布织物平面，其中经纱C2偶尔从与纬纱层CT2相关联的其传统的2D帆布轨迹偏转，以抓持相邻层的纬纱T2并形成链接两层相邻的纬纱的特定帆布针脚PT。在特定帆布针脚PT的水平处，经纱C2绕过位于两个相邻纬纱层CT2中的同一列上的两根纬纱T2。

术语“多缎纹编织物或织物”在此表示具有若干层纬纱的3D编织物，其中，每层的基础编织物相当于传统缎纹类型的编织物，但具有将纬纱层链接到彼此的编织物的某些针脚。图6示出了多缎纹织物的平面，其中，除了位于纹理表面处的经纱，每根经纱C3在一个方向和另一个方向上交替偏转，以便从纬纱CT3的第一层的n根纬纱中抓持一根纬纱T3，并且从邻近第一层的纬纱CT3的第二层的n根纬纱中抓持一根纬纱T3，n是大于2的整数，从而在两层之间产生链接。

术语“多斜纹编织物或织物”在此表示具有若干层纬纱的3D编织物，其中，每层的基础编织物相当于传统斜纹类型的编织物，但具有将纬纱层链接到彼此的编织物的某些针脚。图7示出了多斜纹织物的平面，其中，除了位于纹理表面处的经纱外，每根经纱C4都被偏转，以便从纬纱层CT4或纬纱的若干相邻层CT4的一些纬纱T4中以2根纬纱抓持。

为了阻尼振动，部件10的纤维增强件11还包括振动阻尼元件13，该振动阻尼元件13由从第一组纱线12编织的第二组纱线14形成。第二组纱线14包括不同于第一材料的第二材料，所述第二材料是粘弹性材料。第二组纱线14与第一组纱线12编织的事实使得能够防止阻尼元件13变为与部件10的其余部分分离。

由于通过粘弹性材料的变形阻尼了部分能量，特别是当粘弹性材料受到剪切应力时，第二组纱线14包括粘弹性材料的事实使得能够阻尼部件10的振动。

振动阻尼元件13在部件10中的位置使得能够选择所述振动阻尼元件13阻尼变形的固有模式。振动阻尼元件13可以例如位于部件10的在所述部件10的固有模式中变形最大的区域上。

因此，能够为部件10选择形状，其中所述部件10具有在涡轮机1操作期间易于被激发的固有模式，但所述部件10具有更好的性能(特别是空气动力学性能)，振动阻尼元件13适于阻尼这些固有模式。

在-50℃至120℃之间的温度范围内，第二材料可以具有大于或等于0.2的剪切损失因子，剪切损失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，材料的剪切损失因子是其复数剪切模量的虚部与其复数剪切模量的实部之间的比率。剪切损失因子对应于第二材料所经受的变形相对于剪切应力的相移的正切，该因子量化所述材料在其在该应力下变形时吸收的能量的大小。这样的特征有利地使得能够进一步消散振动能量。

第二材料的剪切损失因子尤其可以大于或等于0.4。

第二材料可以是弹性体。第二材料例如可以是天然橡胶(NR)、合成橡胶(IR)、聚丁二烯(BR)、苯乙烯-丁二烯(SBR)、丁二烯-丙烯腈(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、氯磺化聚乙烯(CSM)、环氧氯丙烷(CO/ECO)、丁腈橡胶(NBR)、环氧端接丁腈橡胶(ETBN)、羧化聚丁二烯(CTBN)、或者胺端接丁腈橡胶(ATBN)。第二材料可以是热塑性塑料，或者第二材料可以是热固性材料。第二材料也可以例如由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚醚醚酮(PEEK)、或聚醚酰亚胺(PEI)制成。

第一材料可以例如选自以下材料：碳纱、玻璃纱或芳纶纱(特别是凯夫拉尔(Kevlar))。

根据若干可能的变型，振动阻尼元件13可以结合到部件10中。

根据第一变型，振动阻尼元件13通过产生纤维增强件11而结合到部件10中，使得它包括以三维的第一编织图案编织的第一组纱线12，以及以不同于第一编织图案的第二编织图案编织的第二组纱线14。

一方面，第二组纱线14具有与第一组纱线12的第一编织图案不同的第二编织图案，并且另一方面，所述第二组纱线14包括是粘弹性材料的第二材料的事实，使得当部件以固有模式变形以阻尼所述部件10的振动时，能够增强第二组纱线14经受的剪切应力的事实。

该第一变型的优点在于，振动阻尼元件13的结合不会改变第一组纱线12，因此简化了部件10的制造。具体地，第二组纱线14设置在由第一组纱线12形成的孔隙中，其形成纤维增强件11的经纱和纬纱，因此仅代替部件10的基质的一部分。

如能在图3中看出的，第一组纱线12具有第一纱线皱缩角Δ，而第二组纱线14具有第二纱线皱缩角θ。

为了增加第一组纱线12和第二组纱线14之间的变形差异，从而增加所述第二组纱线14上的剪切应力，第一纱线皱缩角Δ和第二纱线皱缩角θ是不同的。

经纱皱缩角对应于所述线被编织时的纱线长度与所述线被拉紧时的长度之间的差。因此，经纱皱缩角越高，当所述纱线被编织时，纱线越遵循弯曲轨迹，并且经纱皱缩角越小，当所述纱线被编织时，纱线越遵循拉紧路径。

第一组纱线12和第二组纱线14之间的经纱皱缩角的差异可以通过穿过的经纱或纬纱的层数的不同来实现。

较佳地，第二经纱皱缩角θ大于第一经纱皱缩角Δ，因此当部件10以固有模式变形时能够进一步增加施加到第二组纱线14的剪切应力。

根据第二可能的变型，振动阻尼元件13被结合到部件10中，不是像第一变型中的情况那样，通过在由第一组纱线12形成的纤维增强件11的编织物的经纱和纬纱之间添加第二组纱线14的纱线，而是用第二组纱线14的纱线局部替代纤维增强件11的编织物的经纱和/或纬纱，或者通过用第二组纱线14的纱线来局部添加纤维增强件11的编织物的经纱和/或纬纱。

因此，根据第二变型，纤维增强件11包括至少由第一组纱线12的纱线组成的第一部分，以及至少第二部分，其上的纤维增强件11的经纱和/或纬纱由第二组纱线14的纱线形成。纤维增强件11的第一部分和第二部分的数量和位置根据人们希望阻尼的固有模式来调节。

在第一部分上，纤维增强件11没有第二组纱线14，经纱和纬纱仅由第一材料的第一组纱线12的纱线形成。在第二部分上，在纤维增强件11的编织物的至少部分(和接近所有)经纱和/或纬纱由第二组纱线14的纱线、即包括第二材料的纱线形成。

因此，在第二变型中，第一组纱线12和第二组纱线14以相同的三维编织图案编织，该图案是纤维增强件11的编织。

根据可能的实施例，第二组纱线14的纱线由第二材料构成。因此，根据可能的实施例，第二组纱线14可以由弹性体纱线构成。

根据另一个可能的实施例，第二组纱线14的纱线可以包括由第二材料制成的涂层。在该变型中，第二组纱线14的纱线包括由第三材料制成的芯部，该芯部被由第二材料制成的涂层包围，所述第三材料不同于第二材料。第三材料可以与第一材料相同。第三材料例如可以由碳制成。因此，根据可能的实施例，第二组纱线14可以包括纱线，该纱线包括被由弹性体制成的涂层包围的碳芯。

根据另一个可能的实施例，第二组纱线14的纱线可以包括由第二材料制成的纤维。因此，第二组纱线14的纱线可以是通过编织由第二材料制成的纤维和由第四材料制成的纤维形成的混合纱线，所述第四材料不同于第二材料。第四材料可以与第一材料相同。第四材料例如可以由碳制成。因此，根据可能的实施例，第二组纱线14可以包括通过编织碳纤维和弹性体纤维形成的纱线。

部件10通常可以是涡轮机1的转子的叶片，并且特别是涡轮机1的风扇2的叶片。部件10也可以是涡轮机1的壳体，例如风扇2的壳体。

此外，如图2所示，部件10还可以包括由第三材料构成的第三组纱线15，该第三材料可以不同于第一材料和第二材料，或者可以与第一材料相同。第三组纱线15在部件10的外壁上形成层，所述第三组纱线15因此围绕第一组纱线12和第二组纱线14。

在叶片的情况下，第三组纱线15可以例如在所述叶片的抽吸面上形成层并且在所述叶片的压力面上形成层。在壳体的情况下，第三组纱线15可以例如相对于涡轮机1的轴在所述壳体的外部面上形成层并且在所述壳体的内部面上形成层。

第三组纱线15可以以二维编织来编织，或者通过堆叠单向层形成。

术语“二维编织”或“2D编织”在此应理解为意指常规编织方法，通过该方法每根经纱从单个纬纱层的各纱线的一侧穿过到另一侧。

术语“单向层”或“UD层”在此应理解为意指由一组全部在同一方向上延伸的纱线形成的非织造纱线层。

第三组纱线15的第三材料例如可以是碳纤维、玻璃纤维或例如芳族聚酰胺纤维(并且特别是凯夫拉)。

Claims

1.一种用于由复合材料制成的涡轮机(1)的部件(10)，所述部件包括具有三维编织物的纤维增强件(11)，所述三维编织物包括由第一材料制成的第一组纱线(12)，其特征在于，所述纤维增强件(11)包括由第二组纱线(14)形成的振动阻尼元件(13)，所述第二组纱线(14)包括粘弹性且不同于所述第一材料的第二材料，所述第二组纱线(14)与所述第一组纱线(12)一起编织。

2.如权利要求1所述的部件(10)，其特征在于，所述第二材料由粘弹性材料制成，所述粘弹性材料在-50℃至120℃之间的温度范围内具有大于或等于0.2的剪切损失系数，通过施加频率等于100Hz的正弦剪切应力来确定所述剪切损失系数。

3.如权利要求1或2中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第一组纱线(12)以三维的第一编织图案编织，所述第二组纱线(14)以与所述第一编织图案不同的第二编织图案编织。

4.如权利要求3所述的部件(10)，其特征在于，所述第一组纱线(12)具有第一纱线皱缩角(Δ)，而所述第二组纱线(14)具有第二纱线皱缩角(θ)，所述第一纱线皱缩角(Δ)与所述第二纱线皱缩角(θ)不同。

5.如权利要求4所述的部件(10)，其特征在于，所述第二纱线皱缩角(θ)大于所述第一纱线皱缩角(Δ)。

6.如权利要求1或2中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述纤维增强件(11)包括由所述第一组纱线(12)构成的至少第一部分，以及至少第二部分，其上的所述纤维增强件(11)的经纱和/或纬纱由所述第二组纱线(14)的纱线形成。

7.如权利要求1至6中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第二材料是弹性体。

8.如权利要求1至7中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第二组纱线(14)包括由所述第二材料构成的纱线。

9.如权利要求1至7中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第二组纱线(14)包括具有由所述第二材料制成的涂层的纱线。

10.如权利要求1至7中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第二组纱线(14)包括由第二材料制成的纤维和由另一种材料制成的纤维形成的纱线。

11.如权利要求1至10中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述部件(10)是叶片。

12.如权利要求11所述的部件(10)，其特征在于，所述叶片是风扇叶片(2)。

13.如权利要求1至12中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述纤维增强件(11)的编织图案选自以下编织之一：互锁、多帆布、多缎纹和多斜纹。

14.如权利要求1至13中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述第一组纱线(12)的所述第一材料选自以下材料：碳纱、玻璃纱、芳纶纱。

15.如权利要求1至14中任一项所述的部件(10)，其特征在于，所述部件(10)包括由第三材料制成的第三组纱线(15)，所述第三组纱线(15)形成围绕所述第一组纱线(12)和所述第二组纱线(14)的层。

16.一种包括如权利要求1至15中任一项所述的部件(10)的涡轮机(1)。