CN114096742A - 用于制造涡轮发动机的壳体的方法和实施该方法的工具 - Google Patents

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Abstract

一种用于制造飞行器涡轮发动机的壳体(3)的方法，所述壳体包括：●‑环形主体(30)，环形主体围绕轴线A延伸并且包括紧固凸缘(31，32)，紧固凸缘在环形主体的每个轴向端部处径向向外延伸，以及●‑耐磨层(4)，耐磨层布置在主体(30)的内部，方法包括将层(4)粘合到第一表面(36)的步骤b)，在步骤b)期间，借助于至少部分地存在于壳体(3)的内部的系统(19)加热和压缩壳体；方法包括，在步骤b)之前，在凸缘(31，32)之间安装至少两个工具(10)的步骤a)，每个工具位于主体(30)的外部的圆周区域(Z)中，以便在所述凸缘(31，32)上沿着相反的轴向方向施加承载力。

Description

用于制造涡轮发动机的壳体的方法和实施该方法的工具
技术领域
本发明涉及飞行器涡轮发动机的壳体的领域。
本发明特别涉及用于涡轮发动机，特别是用于飞行器的涡轮发动机的壳体的制造，以及用于实施该方法的工具。
背景技术
现有技术特别包括文献EP-A2-2 116 695。
图1是飞行器涡轮发动机的风扇的局部示意图。
以常规的方式，涡轮发动机从上游到下游(即，沿着气流的流动方向)包括风扇、一个或多个压缩机、燃烧室、一个或多个涡轮和用于喷射离开一个或多个涡轮的燃烧气体的喷嘴。
风扇1包括叶轮2，叶轮被风扇壳体3包围，风扇壳体也被称为保持壳体，因为风扇壳体的功能是在叶片破裂的情况下或者在碎片进入风扇的情况下保持叶片。
如图2所示，风扇壳体3通常包括大体圆筒形的主体30，大体圆筒形的主体围绕旋转轴线A并且围绕涡轮发动机的风扇叶片2延伸。壳体在其每个轴向端部处包括环形的紧固凸缘31、32。这些凸缘31、32用于将壳体3附接到涡轮发动机的机舱的环形壁。
图3是示出了根据现有技术的风扇壳体3的示意性截面。
风扇壳体3一方面被连接到进气管道5，另一方面被连接到中间壳体罩6。风扇壳体还带有上游隔音板7和下游隔音板8。风扇壳体3进一步包括耐磨的支撑层4，该耐磨的支撑层位于风扇壳体3的内表面34上，位于包括上游隔音板7的区域和包括下游隔音板8的区域之间。
除了保持功能以外，风扇壳体3还被设计为：
-确保进气管道5和中间壳体罩6之间的(力和力矩的)机械连续性；
-使得能够附接由耐磨的支撑层4、上游隔音板7的区域和下游隔音板8的区域界定的空气动力通路的面板，从而确保空气动力通路的连续性；
-使得能够附接已知的设备和支撑件；
-满足防火和泄漏管理的规范；
-使得电流能够连续，以抵抗雷击等。
已知风扇壳体的主体是由编织纤维的复合材料制成并且嵌入在聚合物树脂中，制造方法为“RTM”(Resin Transfer Molding，树脂传递模制)。
使用这种方法是特别有利的，因为该方法使得生产的部件的总质量能够低于由金属材料制造的相同部件的总质量，同时具有至少相当、甚至更好的机械强度。
然而，在模具的出口处，即，在取出制造的部件(壳体)时，可以观察到理论标称几何形状的变形。在是风扇壳体的环形紧固凸缘的情况下，可以观察到与理论圆形几何形状有关的缺陷，例如，当从模具中取出环形紧固凸缘时，该凸缘呈椭圆形。例如，图4示意性地示出了对应于紧固凸缘31、32的理论圆形几何形状的标称状态“En”和对应于紧固凸缘31’、32’在制造风扇壳体的模具出口处的曲率的变形状态。
这种缺陷特别可以通过以下事实来解释：在部件制造期间，在模具的内部，残余应力施加到部件上(例如，聚合梯度、复合材料制成的部件的缠绕张力)，并且当部件从模具中取出时释放残余应力，从而导致取出的部件的变形。
为了克服该缺点，已知使用至少一个模具，至少一个模具包括模具型腔，模具型腔的几何形状不对应于待制造的部件的标称几何形状，而是对应于已经考虑了变形的几何形状，使得当从模具中取出该部件时，能够最终获得该部件的标称几何形状。
这种方法当然可以补偿模具出口处旋转部分的变形。然而，在风扇壳体的制造期间，观察到的风扇壳体的变形不仅仅发生在从模具中取出风扇壳体的期间。壳体的制造涉及不同的连续操作，例如，机械加工操作(例如，修整、钻孔)和(例如，耐磨层或隔音板的)粘合操作。
机械加工操作导致物理应力的释放，从而导致壳体的变形。粘合操作通常在高压釜中进行。这些粘合操作涉及加热和加压壳体的步骤，然后是冷却壳体的步骤。所有这些步骤也导致了应力的出现，应力作用在壳体的凸缘，导致变形。因此，壳体的不同变形可以在其整个制造过程中发生，并且趋于累积。现有技术似乎不足以抵消风扇壳体在其制造期间的变形，因为该变形的出现不仅发生在从风扇壳体的模具型腔中取出风扇壳体的期间，而且还发生在机械加工和粘合步骤期间。
本发明提供了一种解决方案，以限制在耐磨环形层的粘合期间风扇壳体的紧固凸缘发生变形的风险。
在该操作期间，壳体被容置在高压釜中，并且加压系统的一部分被安装在壳体内部，用于从内部到外部径向地向耐磨层施加压力。该系统相对笨重，并且阻止了现有技术中已知的解决方案的使用(例如，文献FR-A1-3 060 438的解决方案)，该解决方案由在壳体内部提供的多个环形部件(轮缘、砂箱、滚筒、囊状件等)构成，这些部件占据了壳体中的所有空间。
本发明为该问题提供了一种简单、有效并且经济的解决方案。
发明内容
因此，本发明提出了一种用于制造用于飞行器涡轮发动机的壳体的方法，该壳体包括：
-环形主体，环形主体围绕轴线A延伸并且由复合材料制成，复合材料包括嵌入到树脂中的编织的纤维，所述主体包括环形紧固凸缘，环形紧固凸缘在主体的每个轴向端部处径向向外延伸，以及
-耐磨材料的环形层，耐磨材料的环形层布置在所述主体的内部，并且覆盖所述主体的中间部段的第一内环形表面，
所述方法包括将层粘合到第一表面的步骤b)，在步骤b)期间，借助于至少部分地存在于壳体内部的系统来加热和压缩壳体。
根据本发明的方法包括，在加热和压缩壳体的步骤b)之前，在凸缘之间安装至少两个成形工具的步骤a)，每个工具位于壳体的环形主体的外部的圆周区域中，以便在这些凸缘上沿着相反的轴向方向施加承载力。
由工具施加到凸缘上的承载力旨在使至少一个凸缘弹性变形，以便由此获得的位移来补偿将在粘合步骤b)期间施加的变形。这些变形被称为校正变形，校正变形仅将凸缘重新定位到它们原来的位置和形状。有利地，工具尽可能不太大，并且工具布置在壳体的外表面上。一方面这使得能够在壳体的环形主体的圆周区域之间容易地操作和移动每个工具，另一方面，这使得能够不干扰粘合操作，在粘合操作期间，在步骤b)期间加热和/或加压壳体所需的系统的一部分可以横穿环形主体。
根据本发明的方法可以包括以下特征中的一个或多个特征，这些特征可以单独考虑或彼此组合考虑：
-在方法的步骤a)中，每个工具包括第一板、第二板和杆，第一板抵靠凸缘中的一个凸缘的径向面，第二板抵靠面对的另一凸缘的径向面，杆用于连接所述板，杆的长度增加以在凸缘上施加所述力；
-通过带有旋钮调节器和/或滑块的手动系统调节杆的长度；
-在所述步骤a)中，所述第一板和所述第二板通常呈弯曲的形状，并且所述板布置在环形主体上，使得板的凹面朝向轴线A；
-在所述步骤a)中，所述第一板和所述第二板中的至少一个包括接合在凸缘的孔口中的销；
-在所述步骤b)中，将壳体放入高压釜中，并且经受25℃至300℃的温度和1巴至10巴的压力，持续60分钟至500分钟的时间；
-在所述步骤b)中，壳体经受80℃至200℃的温度和2巴至6巴的压力，持续180分钟至300分钟的时间；
-工具的数量至少等于三个，这些工具围绕轴线A规律地分布；
-方法包括：在加热和压缩壳体的步骤b)之后，进行拆卸和移除工具的步骤c)。
本发明进一步涉及被构造为用于实施根据本发明的任何特征的方法的工具，每个工具包括：
-第一板，第一板被构造为抵靠凸缘中的一个凸缘的径向面，
-第二板，第二板被构造为抵靠面对的另一凸缘中的径向面，
-杆，杆用于连接板，杆的长度能够调节，以调节板间距离，
-每个板块通常呈细长和弯曲的形状。
根据本发明的每个成形工具可以包括以下特征中的一个或多个特征，这些特征可以单独使用或彼此组合使用：
-所述工具是能够拆卸的；
-板中的一个板的杆大体从所述板的内壁径向延伸，以互补的方式连接到另一个板的杆中；
-板中的一个板的杆通过带有旋钮调节器和/或滑块的手动系统相互连接；
-每个板块通常呈弯曲的形状；
-每个板(相对于轴线A)的圆周范围介于5°至45°之间，优选地，介于5°至10°之间；
-第一板和杆中的一个杆是一体的；以及
-第二板和杆中的一个杆是一体的。
附图说明
通过以下以非限制性示例的方式以及参照附图进行的描述，将更好地理解本发明，并且本发明的其他细节、特征和优点将变得明显，在附图中：
[图1]图1是根据现有技术的飞行器涡轮发动机的风扇的轴向半截面的局部示意图；
[图2]图2是根据现有技术的风扇壳体的示意性透视图；
[图3]图3是根据现有技术的壳体的示意性横截面视图；
[图4a]图4a是非常示意性的侧视图，示出了在粘合操作后壳体的紧固凸缘的标称状态；
[图4b]图4b是非常示意性的侧视图，示出了在粘合操作期间，在现有技术中发现的壳体的紧固凸缘的变形状态；
[图5]图5是类似于图4的视图，并且非常示意性地示出了按照根据本发明的方法施加到壳体以补偿变形的影响的弹性变形；
[图6]图6是用于实施根据本发明的方法的工具的示意性透视图；
[图7]图7是根据本发明的壳体的示意性透视图，该壳体配备有图6的多个工具；
[图8]图8是在根据本发明的方法的粘合步骤b)期间配备有图7的工具的壳体的示意性透视图。
具体实施方式
按照本申请中的惯例，术语“内”和“外”以及“内部”和“外部”参考相对于涡轮发动机的旋转轴线A的定位使用。因此，沿着发动机的轴线A延伸的汽缸包括内表面和外表面，内表面指向发动机的轴线，外表面与其内表面相对。“纵向”或“纵向地”被定义为平行于轴线A的任何方向，“横向地”或“横向”被定义为垂直于轴线A的任何方向。类似地，术语“上游”和“下游”是相对于涡轮发动机中的气流的方向定义的。
图1至图3示出了飞行器涡轮发动机(例如，涡轮喷气发动机或涡轮螺旋桨发动机)的风扇壳体3，如先前在本申请的背景技术中所描述的。
在以下的描述中，本发明应用到如图2和图3所示的现有技术的风扇壳体3。然而，本发明不限于该类型的壳体，并且可以应用到涡轮发动机的其他壳体。
应用根据本发明的方法的该壳体3包括环形主体30，环形主体围转轴线A延伸。壳体3包括环形紧固凸缘，环形紧固凸缘分别为上游凸缘31和下游凸缘32，环形紧固凸缘在壳体的环形主体30的每个轴向端部处径向向外延伸。
在所示的示例中，壳体3进一步包括耐磨材料的环形层4，耐磨材料的环形层布置在主体30内，并且覆盖主体30的中间部段33的第一内环形表面34。
壳体的主体30可以由包括编织纤维并且嵌入树脂中的复合材料制成。
环形层4被构造为通过粘合而附接到壳体的主体30的第一内表面34。如上所述，在该粘合步骤期间，壳体3被加热和压缩，并且可能导致凸缘31、32的变形。凸缘31、32通常朝向主体30倾斜，主体是壳体3的最大质量元件。例如，上游凸缘31的变形表现为凸缘31的外周朝向下游倾斜，而下游凸缘32的外周朝向上游倾斜(图4)。
为了避免该变形，本发明提出了一种特定的工具10，该工具布置在壳体3的外部，并且使得在粘合操作期间能够对壳体3进行成形，在粘合操作期间，壳体3在压力下经受热处理。实际上，工具10使得能够通过在壳体的加热和压缩操作之前，在凸缘31、32上施加沿着相反轴向方向定向的承载力(图5中的双箭头)来补偿这些变形。这些力产生弹性变形，使得能够至少部分地校正凸缘31、32的变形。
图6示出了该工具10的实施例，工具包括两个同轴的板11、12和板11、12的连接杆13，连接杆13的长度是能够修改的，从而可以调节板间距离。
板11、12通常呈细长和大体弯曲的形状。板11、12被布置在主体30上，使得它们的凹面朝向轴线A定向。特别地，这些板11、12被构造为抵靠凸缘31、32的径向面。优选地，板11、12具有彼此相同或相似的圆周范围。板11、12相对于轴线A的圆周范围可以介于5°至45°之间，优选地，介于10°至20°之间。
每个板11、12连接到至少两个连接杆13、14。在图6中，杆13、14的数量为三个，并且沿着板的纵向或圆周范围均匀分布。杆13和第一板11优选地为一体，并且杆14和第二板优选地为一体。杆13可伸缩地安装在杆14中。每个杆13、14大体在平面P中延伸。平面P大体平行于轴线A。因此，第一板11的杆13各自都沿着滑动轴线可伸缩地滑入第二板12的杆14中。该滑动轴线大体沿着平面P穿过。例如，至少一个板的杆是管状的，使得另一个板的杆接合到这些管状的杆的管状开口中。在图6中，杆13至少部分地插入到第二板12的杆14中。在未示出的实施例中，杆的端部可以带螺纹，使得与另一个板的杆进行螺纹连接。
此外，工具10包括使得能够调节板11、12之间的杆13、14的长度的系统15。系统15可以包括板中的一个板的杆(特别是包括图6中的第二板12的杆14)，以及将杆连接在一起的部件151。部件151包括锁定和/或滑动连接旋钮调节器150。因此，该系统15可以手动或通过滑动来实现调节。在第一种情况下，通过手动移动杆13朝向或远离第二板12的杆14来调节杆的长度，然后使用旋钮150将调节后的杆锁定到所需的长度(图6)。在第二种情况下(图中未示出)，通过滑动杆来调节杆的长度，并且将杆锁定到所需的长度，杆通过滑动连接相互连接。调节系统15可以装配或集成到板中的一个板的杆中。
有利地，板11、12中的至少一个板包括销16。销16可以装配到板11、12上，或者可以在板的机械加工期间与板11、12形成为一体。这些销16被构造为与凸缘31、32中的孔口37接合，以便沿着圆周方向将工具10固定到壳体的主体30。根据图中未示出的实施例，销16可以由杆13、14的穿过板11、12的端部形成，并且可以插入凸缘31、32的孔口37中。这些预先存在的孔口37有利地是旨在接收用于将叶轮2附接到涡轮发动机的另一定子元件的螺钉的那些孔口37。本发明使用这些孔口37中的一些孔口来暂时地将工具10连接到壳体3的凸缘上。
本发明的工具10可以由金属合金(例如，钢)制成。
参照图7至图8描述根据本发明的制造方法的步骤。
为了执行本发明的制造方法的步骤，本发明使用了壳体3、根据本发明的成形工具10、高压釜9和加压系统19。
实际上，在粘合操作期间，将壳体3放入高压釜9中，使其轴线A竖直定向。系统19安装在壳体3的内部，并且占据壳体3的内部空间的一部分，系统19在图9中示意性地示出。工具10被设计为考虑到该约束。
因此，本发明的方法的第一步骤a)在于在凸缘31、32之间将工具10安装到壳体3的主体30的外周表面上。为此，至少两个工具10均匀地分布在主体30的外部的圆周区域Z(在图7中可见)中，以便使凸缘周围的承载力均匀化。在所示的示例中，工具10的数量是三个。
每个工具10的第一板11抵靠凸缘31的径向面，第二板12抵靠面对的另一凸缘32的径向面。为此，每个工具10都由操作者操纵，以便增加杆13、14的长度，以便在凸缘31、32上施加必要的承载力，如前所述。通过带有旋钮调节器150和/或滑块的手动系统15可以调节杆13、14的长度。
为了保证工具10在壳体3上的精确定位，还可以使凸缘31、32的预先存在的孔口37与工具10的销16对准。
最后，板11、12的销16接合在凸缘31、32的孔口37中，以便至少暂时地将工具组件锁定到壳体。
在本发明的实施方式的特定示例中，装备在壳体3上的工具10的组件的总重量介于8kg至15kg之间。
本发明的方法的第二步骤b)在于将耐磨层4粘合到壳体3的中间部段33的内表面34。在此步骤b)期间，将壳体3放入高压釜9中，并且将系统19的一部分安装到壳体内部(图8)。步骤b)中的壳体3可以经受1巴到10巴之间的压力，优选地，经受2巴到6巴之间的压力。该加压可以通过使壳体处于真空来实现，例如，在分别布置在耐磨层内部和壳体外部的两个环形元件之间形成真空。壳体3可以经受25℃至300℃之间的温度，优选地，经受80℃至200℃之间的温度。该操作可以在持续60分钟至500分钟的循环期间实现，优选地，在持续180分钟至300分钟的循环期间实现。
在该步骤b)结束时，降低壳体3所经受的温度和压力。在壳体3完全冷却后，耐磨层4粘合并且附接到内表面34，并且工具10可以被拆卸和移除。
本发明在多个层面上带来了优势。从技术角度来看，不再需要根据壳体的凸缘的变形状态来进行整体研究，以匹配其在涡轮发动机中的最终的标称运行状态。从工业的角度来看，不再需要对凸缘的面进行定制的机械加工，也不再需要在过度变形的情况下进行返工。简化了壳体的制造和装配，也简化了壳体的三维控制。因此，本发明使得能够改进壳体的机械和空气动力学特性及其制造方法，并且获得总循环时间。

Claims (14)

1.一种用于制造飞行器涡轮发动机的壳体(3)的方法，所述壳体包括：
-环形主体(30)，所述环形主体围绕轴线A延伸并且由复合材料制成，所述复合材料包括嵌入到树脂中的编织的纤维，所述主体(30)包括环形紧固凸缘(31，32)，所述环形紧固凸缘在所述主体的每个轴向端部处径向向外延伸，以及
-耐磨材料的环形层(4)，所述耐磨材料的环形层布置在所述主体(30)的内部，并且覆盖所述主体(30)的中间部段(33)的第一内环形表面(36)，
所述方法包括将层(4)粘合到第一表面(36)的步骤b)，在步骤b)期间，通过至少部分地存在于所述壳体(3)的内部的系统(18)来加热和压缩所述壳体(3)，
其特征在于，所述方法包括，在加热和压缩所述壳体(3)的所述步骤b)之前，在凸缘(31，32)之间安装至少两个成形工具(10)的步骤a)，每个工具(10)位于所述主体(30)的外部的圆周区域(Z)中，以便在这些凸缘(31，32)上沿着相反的轴向方向施加承载力。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述方法的所述步骤a)中，每个工具(10)包括第一板(11)、第二板(12)和杆(13，14)，所述第一板抵靠凸缘中的一个凸缘(31)的径向面，所述第二板抵靠面对的另一凸缘(32)的径向面，所述杆用于连接所述板，所述杆的长度增加以在凸缘上施加所述力。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述杆(13，14)的长度由带有旋钮调节器(150)和/或滑块的手动系统(15)调节。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，所述第一板(11)和所述第二板(12)通常呈弯曲的形状，并且所述板安装在所述环形主体(3)上，使得所述板的凹面朝向所述轴线(A)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤a)中，所述第一板,和所述第二板(11，12)中的至少一个包括销(16)，所述销接合在凸缘(31，32)的孔口(37)中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)中，将所述壳体(3)放入高压釜(9)中，并且经受25℃至300℃的温度和1巴至10巴的压力，持续60分钟至500分钟的时间。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在所述步骤b)中，将所述壳体(3)放入高压釜(9)中，并且经受80℃至200℃的温度和2巴至6巴的压力，持续180分钟至300分钟的时间。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于，所述工具(10)的数量至少等于三个，这些工具(10)围绕所述轴线(A)规律地分布。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在加热和压缩所述壳体(3)的所述步骤b)之后，进行拆卸和移除所述工具(10)的步骤c)。
10.一种工具(10)，所述工具被构造为用于实施根据权利要求1至9中任一项所述的方法，所述工具(10)中的每个工具包括：
-第一板(11)，所述第一板被构造为抵靠凸缘中的一个凸缘(31)的径向面，
-第二板(12)，所述第二板被构造为抵靠面对的另一凸缘(32)的径向面，
-杆(13，14)，所述杆用于连接板(11，12)，所述杆的长度能够调节，使得能够调节板间距离，其特征在于，每个板(11，12)呈细长和弯曲的形状。
11.根据权利要求10所述的工具(26)，其特征在于，板(11，12)中的一个板的杆(13，14)可滑动地安装到另一个板(11，12)的另一个杆(13，14)中。
12.根据权利要求10或11所述的工具(26)，其特征在于，板(11，12)中的一个板的杆(13、14)通过带有旋钮调节器(150)和/或滑块的手动系统(15)彼此连接。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的工具(26)，其特征在于，每个板(11，12)的圆周范围介于5°至45°之间，优选地，介于10°至20°之间。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的工具(26)，其特征在于，所述第一板(11)和所述杆中的一个杆(13)是一体的，和/或所述第二板(12)和所述杆中的一个杆(14)是一体的。
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