CN113242784A - 包含纤维预制件的涡轮发动机部件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机部件的纤维预制件(1)，所述预制件具有由多条编织股线(3a)形成的三维织物，所述预制件的特征在于，在部件的剪切平面(P)内，存在于该平面内的所有或部分股线具有与其中心线(X)形成介于10°和50°之间的角度(α)的纤维(5)。

Description

包含纤维预制件的涡轮发动机部件

技术领域

本发明涉及一种由复合材料制成的涡轮发动机部件的纤维预制件，该预制件具有由多条编织股线形成的三维织物，这些编织股线的纤维相对于其中心线以特定方式定向。

背景技术

在编织纤维增强复合材料部件领域，为了获得所需的强度特性，用于编织的股线通常以优选方向定向。例如，为了在单轴拉伸应力下提供强度，其中一个编织方向与该应力方向共线定向。

如果目的是为零件提供剪切强度，那么就有必要以不同方式定向股线。这种为提高剪切强度而改变股线定向的做法会导致拉伸强度的显著降低。

同样已知的还有US2018/0119550，公开了一种带有平台的叶片，该平台具有加强肋，以及US2011/0311368，公开了一种复合材料涡轮发动机叶片及其制造方法。

仍然希望改善涡轮发动机部件的剪切强度。特别是，仍然希望涡轮发动机部件在不过度影响抗拉强度的情况下具有更好的剪切强度。

发明内容

根据第一方面，本发明的目的是一种涡轮发动机部件的纤维预制件，所述预制件具有由多条编织股线形成的三维织物，所述预制件的特征在于，在部件的剪切平面内，存在于该平面内的所有或部分股线具有与其中心线形成介于10°和50°之间的角度的纤维。

股线的中心线对应于其伸长方向。它由连接股线横截面的所有重心的线定义。

剪切平面是施加剪切力的平面。对于给定的涡轮发动机部件，本领域技术人员知道如何确定剪切平面，因为他或她知道该部件在涡轮发动机中的位置和功能，因此知道它所承受的应力。

本发明的基础是改变纤维在剪切平面中的股线内形成的角度，而不是改变预制件中股线的定向。发明人发现，如上所述那样定向股线内的纤维有利于提高组件的剪切强度。这种解决方案的优点是不影响编织股线的定向，因此，特别是避免了对部件的抗拉强度的过度影响。

在一个示例性的实施方式中，所述角度介于30°和50°之间。

纤维的这种定向有利地进一步提高了涡轮发动机部件的剪切强度。

该角度例如介于40°和50°之间或30°和45°之间，例如基本等于45°。

在一个示例性实施方式中，预制件包括存在于所述剪切平面中并沿部件的拉伸应力方向延伸的股线，所述股线具有与所述拉伸应力方向形成小于或等于15°的角度的纤维。

至于剪切平面，本领域技术人员能够在纤维预制件上确定该部件的拉伸应力方向。该拉伸应力方向可以是经向或纬向。

这样的特征通过使纤维更接近于拉伸应力方向，有利地优化了部件的拉伸强度。

特别是，其纤维如上所述相对于中心线定向的股线还可以沿着拉伸应力方向验证该纤维定向条件。或者，除上述纤维相对于中心线定向的股线以外的股线可以沿着拉伸应力方向验证该纤维定向条件。

在一个示例性实施方式中，在所述剪切平面的第一区域中存在第一组经向股线和相应纬向股线，所述第一组经向股线和相应纬向股线具有与其中心线形成介于10°和50°之间的第一角度的纤维，并且其中在所述剪切平面的与所述第一区域不同的第二区域中存在第二组经向股线和相应纬向股线，所述第二组经向股线和相应纬向股线具有与其中心线形成第二角度的纤维，所述第二角度不同于所述第一角度。

在该示例中，纤维相对于中心线的定向随纤维预制件中的位置而变化。当目的是为了在部件的不同位置承受不同类型的机械应力时，这样的示例使得以优化的方式设计部件成为可能。

在一个示例性的实施方式中，所述剪切平面对应于由三维织物的经向和纬向所限定的平面。剪切平面取决于所考虑的涡轮发动机部件。其他示例也是可能的，例如，剪切平面可以对应于由三维编织的经向和厚度方向限定的平面，或者对应于由三维织物的纬向方向和厚度方向限定的平面。

在一个示例性的实施方式中，编织股线由基本股线辫状物而成。其他示例也是可能的，这将在下面讨论。特别是，可以使用的股线可以通过加捻或缠绕或通过这些不同方法的组合获得。

在一个示例性的实施方式中，编织股线由碳纤维或不同于碳的陶瓷材料的纤维形成。在不同于碳的陶瓷材料的纤维的情况下，股线可以由碳化物或氧化物的纤维形成。特别地，纤维可以是碳化硅或氧化铝。编织股线也可以由玻璃纤维或聚合物纤维形成。

在一个示例性的实施方式中，预制件是涡轮发动机叶片预制件。预制件可以是转子叶片或定子叶片预制件。预制件可以是风扇叶片或涡轮叶片预制件。

在一个示例性的实施方式中，预制件是涡轮发动机壳体预制件。预制件可以是风扇壳体预制件、中间壳体预制件或排气壳体预制件。

预制件还可以是涡轮或分配器环段预制件。

本发明还涉及一种由复合材料制成的涡轮发动机部件，包括由如上所述的纤维预制件形成的纤维增强件和使纤维增强件致密化的基质。部件可以是飞机涡轮发动机部件。

本发明还涉及一种用于制造上述纤维预制件的方法，至少包括：

通过使每条股线的组成纤维与所述股线的中心线成10°至50°的角度来获得多条股线，以及

使用由此获得的股线对预制件进行三维编织。

在一个示例性的实施方式中，股线是通过以下至少一种方法获得的：编织基本股线为辫状、加捻基本股线或加捻纤维束。这些方法可以结合起来，以获得要编织的股线，因此，例如加捻的基本股线或辫状的基本股线。举例来说，在编织中使用的股线的纤维体积率可以在40％至85％之间，例如在50％至75％之间。

附图说明

图1示意性且部分地示出了根据本发明的纤维预制件的实例；

图2示意性地部分地示出了根据本发明的替代纤维预制件；

图3示意性地部分地示出了根据本发明的另一种替代纤维预制件；

图4示意性地说明了可用于本发明情况中的股线的实例；

图5示意性地说明了可用于本发明情况中的替代股线的实例；

图6示意性地说明了可用于本发明的情况中的另一种替代股线；

图7示出了根据本发明的风扇叶片；和

图8示出了根据本发明的涡轮发动机壳体。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的预制件1的示例。纤维预制件1由多条股线3a的三维织物3形成。每条股线3a由多条纤维5相互结合形成。这些纤维5以特定方式相对于每条股线3a的中心线X定向。“三维编织”或“3D编织”被理解为一种编织方法，通过这种方法，至少一些纬向股线在几层经向股线上连接经向股线，反之亦然。在本文本中，经向和纬向之间的角色互换是可能的，并且也应被视为权利要求所涵盖。纤维预制件可具有互锁编织。这里所说的“互锁”编织是指每层纬向股线将几层经向股线相互连接的编织模式，单个纬向列中的所有股线在编织平面上的运动相同。可以想象其他编织模式。纤维预制件1可以由对应于三维编织的单一织物形成。因此，可以不使用与3D织物相连接的额外纹理来形成纤维预制件1。

剪切平面P对应于图1所示的平面(片状平面)，由经向CH和纬向TR限定。剪切平面P包含剪切力的应用方向，在图1中用箭头C表示。织物3包括在经向CH延伸的股线3a以及在纬向TR延伸的股线3a，这些股线与在经向CH延伸的股线3a正交。在所示的示例中，织物3包括与施加剪切力的方向C相平行的股线和与这些方向C正交的股线。

在图1所示的示例中，存在于剪切平面P中的所有股线3a相对于其中心线X具有相同的纤维定向。在该示例中，每条经向股线或纬向股线3a的组成纤维5沿图1中纬向股线的Y轴所表示的方向延伸，该方向与所述股线的平均方向X形成介于10°到50°之间的角度α。例如，该角度α可以介于30°和50°之间，例如，可以基本等于45°。图1中还显示了由箭头T标记的拉伸应力方向。在图示的示例中，为了优化拉伸强度特性，部分股线(这里是经向股线)与拉伸应力方向T共线。另一部分股线(这里是纬向股线)与拉伸应力方向T正交。

在刚才结合图1描述的示例中，经向股线和纬向股线都具有与其中心线X形成介于10°到50°之间的角度的纤维5。在图1的示例中，纤维相对于中心线形成的角度对于经向股线和纬向股线是相同的。

图2示意性地部分示出了根据本发明的替代纤维预制件10，其不同于图1中所示的示例，因为纬向股线3a的纤维相对于中心线的定向与经向股线3b的纤维不同。

在图2的织物30中，经向股线3b的纤维5与拉伸应力方向T形成小于或等于15°的角度β，在这里，拉伸应力方向T沿着经向CH定向。角度β可以小于或等于10°，例如，介于5°和10°之间。至少10％，例如至少25％，例如至少50％，例如至少75％，例如所有的经向股线3b可以具有与拉伸应力方向T形成小于或等于15°的角度β的纤维。

在这种结构中，纬向股线3a的纤维与纬向股线3a的中心线形成介于10°至50°之间的角度，从而提高了部件的剪切强度。此外，在这种结构中，经向股线3b的纤维靠近拉伸应力方向T，以优化部件的拉伸强度。因此，这种结构在优化抗拉强度的同时提供了良好的剪切强度。

在刚才结合图1和图2描述的示例中，经向股线中的纤维形成的角度在整个剪切平面P上是均匀的，纬向股线中的纤维形成的角度在整个剪切平面P上是均匀的。现在将描述一个替代实施方式，其中经向股线或纬向股线中的纤维的角度随着纤维预制件中的位置而变化。

图3说明了另一种纤维预制件100，其中剪切平面P有不同的区域，这些区域具有纤维相对于其中心线定向各异的股线。更具体地，在所示的示例中，剪切平面P包括第一区域Z1，其具有第一组经向股线，所述经向股线具有与其中心线成介于10°和50°之间的第一角度的纤维。剪切平面P还包括第二区域Z2，其具有第二组经向股线，所述经向股线具有与其中心线形成不同于第一角度的第二角度的纤维。在所示的示例中，第一区域Z1位于两个第二区域Z2之间。

例如，第一区域Z1和第二区域Z2可以沿纤维预制件100的厚度错开。例如，第二区域Z2可以具有纤维接近拉伸应力方向T的经向股线。根据该示例，第一区域Z1中的经向股线有助于提高剪切强度，第二区域Z2中的经向股线有助于提高拉伸强度。这种结构对于承受弯曲和扭转的部件来说是有意义的。通过以上述方式相对于中心线定向股线内的纤维，由第一区域Z1标记的材料的芯部具有很强的抗剪切性。通过将股线内的纤维定向为使得后者与拉伸应力方向T形成的角度最小化，由第二区域Z2标记的表皮又非常耐牵引，这对弯曲是必要的。

对于图1至图3所示的非限制性示例，其他替代方案是可能的。例如，可以对图2进行修改，保留纬向股线3a中的纤维定向，但对经向股线3b使用纤维束，其纤维与方向T共线(角度β＝0°)。因此，有可能只有纬向股线(或经向股线)的纤维在股内定向。

已经描述了在纤维预制件内的股线纤维定向的各种可能性。现在将描述可在本发明的上下文中使用的各种类型的股线，其中纤维相对于中心线X倾斜。

3D编织中使用的股线可以编织成辫状。这种可能性在图4中示出，其图示了由基本股线13a-13c的辫状物形成的股线13。已经示出了通过编织三条基本股线13a-13c辫状形成的股线13，但是如果股线是通过编织不同数量的基本股线成辫状形成的，则不超出本发明的范围。在辫状物的情况下，基本股线13a-13c彼此交织以构成待编织以形成纤维预制件的股线13。

在图5所示的替代方案中，股线23可以通过加捻基本股线23a-23g来制备。在辫状物的情况下，加捻的基本股线的数量可以变化并且不限于所示的示例。加捻导致基本股线23a-23g的螺旋组合形式以形成待编织以形成纤维预制件的股线23。

在如图6所示的另一个替代方案中，股线33可以通过加捻一束纤维来制备。在这种情况下，单个纤维束绕其中心线X加捻，使纤维相对于该线X具有所需的方向。

编织成辫状物、加捻和缠绕(twining)技术本身是已知的，并且使用它们来实现股线内纤维的所需定向在本领域技术人员的一般知识范围内。然而，技术人员将认识到，可以考虑其他方法来相对于其中心线定向股线的纤维。编织成辫状物、加捻和缠绕的方法仅作为可以使用的方法的示例提供。如上所述，可以将这些方法结合起来生产待编织的股线。

不管所考虑的实施方式如何，用于编织纤维预制件的股线可由碳纤维或不同于碳的陶瓷材料的纤维形成，例如碳化硅或氧化铝，或由玻璃纤维或聚合物纤维形成。

本发明基于在部件的剪切平面中具有一组股线，其中每条股线具有与所述股线的中心线形成介于在10°和50°之间的角度的纤维。不管所考虑的实施方式如何，至少10％，例如至少25％，例如至少50％，例如至少75％，例如存在于剪切平面中的所有股线具有与其中心线形成介于10°和50°之间的角度的纤维。

已经描述了纤维预制件和构成它的股线的不同结构。现在将描述涡轮发动机部件制造方法的其余部分，包括通过基质对获得的纤维预制件进行致密化。

基质可以根据液体工艺以本身已知的方式获得。液体工艺包括用包含基质材料的有机前体的液体组合物浸渍预制件。有机前体通常为聚合物形式，例如树脂，任选地在溶剂中稀释。将纤维预制件放置在可密封模具中，该模具的外壳具有最终模制部件的形状。

前驱体转化为基质是通过热处理进行的，通常是通过加热模具，在去除可能的溶剂和聚合物交联后，预制件始终保持在模具中，其形状与待制造部件的形状相对应。

可使用环氧树脂获得有机基质。在形成碳或陶瓷基质的情况下，热处理包括热解有机前驱体，以根据所使用的前驱体和热解条件将有机基质转化为碳或陶瓷基质。举例来说，液态碳前体可以是具有较高焦炭含量的树脂，例如酚醛树脂，而液态陶瓷前体，特别是SiC，可以是聚碳硅烷(PCS)、聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)型树脂。从浸渍到热处理，可以进行几个连续的循环以获得所需的致密化程度。

可以考虑其他方法来形成基质，例如化学蒸汽渗透或熔体渗透。当然，这些不同的技术可以组合起来以形成基质。

涡轮发动机部件可以是由有机碳基复合材料或不同于碳的陶瓷材料制成的部件，例如碳化物或氧化物。例如，基质可以由碳化硅或氧化铝制成。

现在将描述可以结合上述纤维预制件作为纤维增强件的涡轮发动机部件的两个示例。

图7示出了结合了上述纤维预制件的风扇叶片40。叶片40包括在根部44和尖端部46之间延伸的叶片主体42。叶片40具有前缘BA和后缘BF。风扇叶片40的剪切平面P已被示出。该平面P对应于由叶片的高度和宽度限定的平面。在所示的示例中，平面P由经向CH和纬向TR限定。经向CH沿叶片40的高度定向，纬向TR沿叶片40的宽度定向。存在其他剪切平面，例如高度/厚度(经向/厚度)和宽度/厚度(纬向/厚度)平面。

图8示出了由燃气涡轮飞行器发动机的风扇壳体50构成的替代涡轮发动机部件。如图8示意性所示，这种发动机从上游到下游沿气流方向包括布置在发动机进口的包括风扇壳体50的风扇、压缩机52、燃烧室54、高压涡轮56和低压涡轮58。在该示例中，剪切平面P由风扇壳体50的周向C和轴向A限定。

根据替代方案，涡轮发动机部件可以是中间壳体，即位于风扇壳体和排气壳体之间的壳体，或排气壳体。

实施例

进行了数值模拟，以评估三维编织纤维预制件的机械性能，该预制件由基本股编织成辫状物而成的股线互锁编织而成。每条股线的组成纤维与所述股线的中心线形成30°的角度。所用的基本股线是由T-650碳纤维制成的。模拟结果显示，与纤维预制件由与中心线形成0°角的无定向纤维束构成的情况相比，编织平面(经/纬平面)的剪切模量有非常明显的增长，超过了200％。所考虑的股线中的纤维体积率为72％。

“介于......和......之间”的表述应理解为包括边界。

Claims (11)

1.一种由复合材料制成的涡轮机部件(40；50)，包括由纤维预制件(1；10；100)形成的纤维增强件，以及使所述纤维增强件致密的基质，所述纤维预制件具有由多条编织股线(3a；3b；13；23；33)形成的三维织物；

所述部件的特征在于，在所述部件的剪切平面(P)中，存在于所述平面中的所有或部分股线具有与其中心线(X)形成介于10°和50°之间的角度(α)的纤维(5)。

2.根据权利要求1所述的部件，其中所述角度(α)介于30°和50°之间。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的部件，其中所述部件包括存在于所述剪切平面(P)中并沿所述部件的拉伸应力方向(T)延伸的股线(3b)，所述股线具有与所述拉伸应力方向形成小于或等于15°的角度的纤维。

4.根据权利要求1或3中任一项所述的部件，其中在所述剪切平面(P)的第一区域(Z1)中存在第一组经向股线和相应纬向股线，所述第一组经向股线和相应纬向股线具有与其中心线形成介于10°和50°之间的第一角度的纤维，并且其中在所述剪切平面(P)的与所述第一区域不同的第二区域(Z2)中存在第二组经向股线和相应纬向股线，所述第二组经向股线和相应纬向股线具有与其中心线形成第二角度的纤维，所述第二角度不同于所述第一角度。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的部件，其中所述剪切平面(P)对应于由所述三维织物的经向(CH)和纬向(TR)限定的平面。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的部件，其中所述编织股线(13)由基本股线(13a-13c)的辫状物构成。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的部件，其中所述编织股线(3a；3b；13；23；33)由碳纤维或不同于碳的陶瓷材料的纤维形成。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的部件，其中所述部件是涡轮发动机叶片(40)。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的部件，其中所述部件是涡轮发动机壳体(50)。

10.一种用于制造根据权利要求1至9中任一项所述的部件的方法，至少包括：

通过使每条股线的组成纤维(5)与所述股线的中心线(X)成10°至50°的角度来获得多条股线(3a；3b；13；23；33)，

使用由此获得的股线对预制件进行三维编织，以及

通过基质对获得的预制件进行致密化。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述股线是通过以下至少一种方法获得的：编织基本股线(13a-13c)为辫状、加捻基本股线(23a-23c)或加捻纤维束。

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