CN114364519B - 用于制造中空的部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造用于飞行器涡轮机的中空的部件的方法，该中空的部件由复合材料制成，其中：a)通过线的三维编织来制造预制件；b)预制件被切割以提供分隔部；c)切割的预制件变形以提供孔，该孔因此包括第一敞开端部和第二敞开端部(27a，27b)；d)将变形的预制件放置到注射模具中；e)注射树脂以浸渍整个变形的预制件；f)树脂聚合；以及g)从模具中抽取出复合部件；其特征在于：h)在注射步骤e)之前，具有预定形状的柔性芯轴(31)被布置在孔中；i)在步骤f)或脱模步骤g)之后，柔性芯轴(31)被移除，复合部件因此具有中空的芯部(25)。

Description

用于制造中空的部件的方法
技术领域
本发明涉及制造用于飞行器涡轮机的由复合材料制成的中空的部件的方法。本发明还涉及通过这种方法获得的叶片状轮廓的元件(例如定子桨叶)以及用于执行该方法的工具。
背景技术
现有技术特别包括文献US-A1-2016/082674、FR-A1-2 559 423以及FR-A1-3 013252A1。
传统的双流涡轮机可以有多种类型的定子。在主流管道中，双流涡轮机包括如下的定子：该定子的桨叶由于其减小的尺寸而以一体件或组装的金属元件的形式制造，桨叶通过铸造工艺制造。这些桨叶的刚性是由大量的金属或三维几何结构确保的，该几何结构被调整以赋予桨叶必要的刚性。
在位于涡轮机的次级流管道中的出口引导桨叶(OGV)的情况下问题是不同的，因为出口引导桨叶是大的桨叶，无法使用铸造工艺制造，原因在于随后将被使用的大量的金属将带给出口引导桨叶极高的质量，这会导致增加涡轮机的重量并且降低其空气动力学性能。还提出了具有中空的芯部的金属OGV，但这种OGV仍然有不令人满意的质量。
OGV也可以由复合材料制成。例如，OGV是通过以下方法制成的桨叶：围绕由泡沫或蜂窝型材料制成的中心芯部连续覆盖预浸渍的复合织物层，这些层随后经历聚合操作。桨叶也可以通过对碳纤维基织物预制件进行三维编织、然后将树脂注射到这些预制件中、再使这样浸渍的预制件聚合来制成。
这种复合结构提供了良好的机械强度/质量比，然而，这对于具有大的直径的涡轮机和因此非常大的OGV而言是不够的。事实上，超过涡轮机的某一直径，以这种方式制造的复合材料OGV的质量类似于中空金属OGV的质量。
因此，本发明旨在提出优化质量增益并且降低这种复合结构的制造成本的解决方案。
发明内容
为此，本发明涉及用于制造用于飞行器涡轮机的中空的部件的方法，该中空的部件由复合材料制成，该方法包括以下步骤：
a)通过线的三维编织来制造预制件；
b)所述编织的预制件被切割以提供内分隔部；
c)使所述切割的预制件变形以从所述内分隔部提供孔，变形的预制件因此包括第一敞开端部以及与第一端部相对的第二敞开端部；
d)将所述变形的预制件放置在注射模具中；
e)将包括树脂的粘合剂注射到所述注射模具中，以浸渍整个变形的预制件；
f)树脂聚合；以及
g)从模具中抽取出复合部件；
该方法的特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
h)在树脂注射步骤e)之前，从第一敞开端部和第二敞开端部中的一个敞开端部将具有预定形状的柔性芯轴布置在孔中，该孔被设置在变形的预制件中；
i)在树脂聚合步骤f)或脱模步骤g)之后，柔性芯轴从第一敞开端部和第二敞开端部中的一个敞开端部移除，复合部件因此具有中空的芯部。
因此，根据本发明的方法使得能够生产具有复合部件的全部性能及其优点的结构部件，同时与实心复合部件或甚至金属部件相比保证了更大的质量增益。此外，该方法使得能够获得中空部分更多的部件，这些部件的机械应力较小且反之亦然，以在最大应力区域优化部件的机械性能。
有利地，该方法包括用液体脱模剂处理柔性芯轴的初步步骤。
这促进了在移除步骤i)中柔性芯轴的脱模。
优选地，在使切割的预制件变形的步骤c)之后，该方法进一步包括：将间隙填充部布置在第一敞开端部和第二敞开端部中的另一个敞开端部处的步骤c')、布置柔性芯轴的步骤h)、以及通过相对的敞开端部移除柔性芯轴的步骤i)。
该间隙填充部使得能够填充在第一敞开端部和第二敞开端部中的另一个敞开端部处的开口以确保另一个敞开端部的密封。
优选地并且有利地，在将间隙填充部布置在第一敞开端部和第二敞开端部中的另一个敞开端部处的步骤c’)之后，该方法进一步包括：将对面板布置在第一敞开端部和第二敞开端部中的另一个敞开端部处的步骤c”)。
有利地，该方法包括使中空的复合部件的第一敞开端部和第二敞开端部中的一个敞开端部闭合以保证这样形成的中空的部件的密封的步骤j)。
根据实施例的一个示例，使中空的部件的第一敞开端部和第二敞开端部中的一个敞开端部闭合的步骤j)是通过用冷却的树脂进行堵塞来执行的。
根据实施例的另一个示例，使所述中空的部件的第一敞开端部和第二敞开端部中的一个敞开端部闭合的步骤j)是通过粘合预成型的复合对面板来执行的。
本发明还涉及用于推进组件的叶片状轮廓的元件，例如定子桨叶，其特征在于，该叶片状轮廓的元件是根据具有上述特征中的任一项特征的方法获得的。
与现有技术的实心的叶片状元件相比，这种叶片状元件具有更优化的机械强度/质量比。
本发明还涉及用于制造用于飞行器涡轮机的中空的部件的工具，该中空的部件由复合材料制成，其特征在于，该工具包括柔性芯轴，该柔性芯轴例如由硅树脂制成，该柔性芯轴被构造成用于执行根据本发明的方法。
通过这种柔性芯轴，该工具具有有趣的优点，即，使得能够制造具有中空的芯部和复杂形状(例如压力侧和吸力侧)以赋予叶片状元件以空气动力学形状并且具有薄的壁的部件，对于这种部件，不能使用刚性的插入件，因为刚性的插入件是不可拆卸的。
有利地，该工具还包括插入件，该插入件被构造成确保在注射时柔性芯轴所具有的额外长度的密封，使得在布置步骤h)和移除步骤i)中额外长度能够被夹持。
这样，芯轴的额外长度在注射步骤e)期间不被树脂浸渍，这使得芯轴在步骤i)期间能够容易地移除。
附图说明
通过以下详细描述并且为了理解该描述对附图进行参照，本发明的进一步的特征和优点将变得明显，在附图中：
图1是推进组件的纵向截面的示意图；
图2是推进组件的中间壳体的桨叶的透视图，该桨叶包括叶片；
图3是根据本发明的叶片的示意性横截面视图；
图4a是示出了三维预制件的类似于图3的视图；
图4b是示出了具有内分隔部的三维预制件的类似于图4a的视图；
图4c是示出了在变形过程中的三维预制件的类似于图4a的视图；
图5是芯轴插入其中的根据本发明的桨叶的纵向截面示意图；
图6是芯轴插入到其中的根据本发明的桨叶的径向截面示意图；
图7是示出了正在退出的芯轴的类似于图8的视图；
图8是根据本发明的桨叶和工具的详细视图。
具体实施方式
图1示出了特别地用于飞行器的推进组件1，该推进组件包括集成在环形外壳体3中的双流涡轮机2。涡轮机2在气体流动的方向上从上游到下游包括风扇4和气体发生器5，该气体发生器包括一个或多个压缩机级(低压压缩机6和高压压缩机7)、燃烧腔室8、一个或多个涡轮级(高压涡轮9和低压涡轮10)以及排气喷管。涡轮机2的转子能围绕涡轮机2的纵向轴线X旋转移动。
在本示例中，外壳体3特别包括风扇壳体、中间壳体11以及机舱。
根据在本申请中的惯例，在本申请中，根据惯例，“纵向地”或“纵向的”是指平行于轴线X的任何方向，“径向地”或“径向的”是指垂直于轴线X的任何方向。类似地，在本申请中，根据惯例，术语“内”和“外”是相对于轴线X径向地限定的。
由风扇4驱动的空气流被分成主空气流F1和次级空气流F2，主空气流进入涡轮机2的气体发生器5，次级空气流主要贡献于由涡轮机2提供的推力。次级空气流F2在次级管道12中围绕气体发生器5流动。
中间壳体11纵向地位于低压压缩机6和高压压缩机7之间，该壳体11包括内护罩13和外护罩14，外护罩围绕内护罩13延伸并且与内护罩形成次级管道12的一部分32。外护罩14通过以均匀的方式分布的臂15刚性地连接到内护罩13，这些臂相对于涡轮机2的纵向轴线X基本上是径向的，并且在臂之间存在被称为OGV(表示“出口引导桨叶(Outlet GuideVane)”)的引导桨叶16。
如在图2中示出，OGV桨叶16包括具有空气动力学轮廓的伸长的形状的叶片17，该叶片由在中间壳体11中布置在气体的流动方向的上游的前缘18和与前缘18相对的后缘19纵向地界定。叶片17进一步在内平台20和外平台21之间被径向地界定。更确切地，内平台20和外平台21分别旨在安装在中间壳体11的内护罩13和外护罩14上。叶片17由压力侧面22和吸力侧面23横向地界定，这些压力侧面22和吸力侧面23连接前缘18和后缘19。压力侧面22和吸力侧面23是弯曲的，并且分别是凹陷的和凸起的。
叶片17在结构上包括由成形的复合材料制成的壳部24和内部中空的芯部25，内部中空的芯部具有伸长的形状，并且基本上复制了壳部24的形状。由于具有空气动力学功能的外表面(压力侧22和吸力侧23)，因此将在桨叶16中形成的中空的芯部25可能具有复杂的三维形状。中空的芯部25还能够吸收壳部24的厚度的变化，以在壳部24的壁(压力侧22和吸力侧23)上保持基本恒定的厚度。
根据所示的示例，本发明适用于OGV桨叶16，但本发明可以适用于包括在推进组件1中的(转子或定子的)各种叶片状轮廓的元件或适用于包括具有复杂形状的外壳部和中空的芯部的任何复合部件。
现在将参照图4a至图8描述制造OGV桨叶16的方法。
根据本发明的方法从预制件30a开始执行，预制件例如由例如按照FR 2 861143进行的三维编织得到。因此，该方法的第一步骤a)包括通过编织来制造包括经线和纬线的这种三维预制件30a(在图4a中以横截面的方式示出)。在这两组线中，提供了示踪线，示踪线在视觉上能与其他线区别，并且规律地至少布置在预制件的表面上。有利地，所述预制件由经线和纬线形成，经线的方向形成预制件的纵向方向，所述预制件至少包括：第一部分，第一部分形成桨叶16的叶片17；第二部分，第二部分形成桨叶16的内平台20；以及第三部分，第三部分形成桨叶16的外平台21。
编制纱线属于包括以下各项的组：碳纤维、玻璃纤维、二氧化硅纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维、芳纶纤维以及芳香聚酰胺纤维。
然后按照根据本发明的方法的步骤b)切割该一体的编织的预制件30a。更确切地，该编织的预制件30a被切割以提供内分隔部26。这种切割可以通过任何本身已知的方式(例如激光切割)进行。结果是在图4b中以横截面的方式示出的切割的预制件30b。
在根据本发明的方法的步骤c)中，该内分隔部26使得切割的预制件30b能够变形以提供孔27，即，桨叶16的中空的芯部25的开始。该孔27纵向地穿过，以在内平台20的水平处形成第一敞开端部27a以及与第一端部相对(换言之，在外平台21的水平处)的第二敞开端部27b。这导致了在图4c中以横截面的方式示出的变形的预制件30c。
有利地，可以填充在内平台20处的第一敞开端部27a。因此，根据本发明的方法在使切割的预制件30b变形以获得变形的预制件30c的步骤c)之后可以包括将间隙填充部28布置在第一敞开端部27a处的步骤c’)。该间隙填充部28为碳编织物的形式，并使得第一敞开端部27a能够密封。
此外，由于内平台20的机械应力最大，使用对面板29以增加其机械强度可能是有利的。因此，根据本发明的方法在将间隙填充部28布置在第一敞开端部27a处的步骤C’)之后仍然可以包括将对面板29抵靠内平台20的内表面20a布置在该第一敞开端部27a处的步骤C”)。
当抵靠内平台20的内表面20a布置对面板29时，布置成与内平台20的内表面20a齐平的间隙填充部28提供了基本平坦的表面。
然后，在步骤d)中，由此在第一开口端部27a处设置有间隙填充部28和对面板29的变形的预制件30c被放置在注射模具中。
变形的预制件30c通过任何本身已知的方法保持在注射模具中。
然后，在步骤h)中，具有预定形状的柔性芯轴31被布置在变形的预制件30c中的孔27中。柔性芯轴31从与第一敞开端部27a相对的第二敞开端部27b插入到孔27中。
有利地，柔性芯轴31具有与将在桨叶16内形成的中空的芯部25的形状基本相同的形状。桨叶16的复杂形状和桨叶16的壳部24的壁的厚度导致柔性芯轴31的使用，因为刚性的这种芯轴由于其形状也是复杂的而无法拆卸(在下文描述的柔性芯轴的移除的步骤i)期间)。
柔性芯轴31还被构造成压实变形的预制件30c，柔性芯轴在变形的预制件内被插入到预定厚度。特别地，预制件在刚性的外模具和位于中心的硅树脂芯部之间压实。
在步骤e)中，包括树脂的粘合剂被注射到包括变形的预制件30c的注射模具中，以浸渍整个变形的预制件30c，其中，柔性芯轴31被插入在该变形的预制件中。该粘合剂例如从内平台20注射到注射模具中。
如果对面板29抵靠桨叶16的内平台20的内表面20a布置，那么在步骤e)中该对面板也被共同注射有粘合剂。
间隙填充部28的存在确保了在注射步骤e)中桨叶16在内平台20处的密封功能。在通过树脂传递模塑(RTM)制造由复合材料制成的部件的过程中，该注射步骤本身是已知的。然后，在步骤f)中，注射的粘合剂以本身已知的方式聚合。
在注射步骤e)和粘合剂聚合步骤f)期间，柔性芯轴31在变形的预制件30c内部保持就位。有利地，柔性芯轴31被构造成承受在步骤e)中注射的粘合剂的注射压力。柔性芯轴31例如由硅树脂制成。
在聚合步骤f)之后，在步骤g)中，复合桨叶16从注射模具中移除。
在步骤i)期间的柔性芯轴31的移除可以：
-在树脂的聚合的步骤f)之后进行，
-或者在桨叶16的脱模的步骤g)之后进行。
在移除柔性芯轴31的该步骤i)之后，复合桨叶16具有中空的芯部25。
柔性芯轴31从与第一敞开端部27a相对的第二敞开端部27b从中空的芯部25退出，该退出移动在图7中用箭头示出。柔性芯轴31被进一步构造成具有拉伸性能以在移除步骤i)脱模操作期间提供必要的撕裂强度。
在移除步骤i)期间为了便于柔性芯轴31的脱模，有利地，在步骤e)中，预先用液体脱模剂处理柔性芯轴31，以避免柔性芯轴31与注射的树脂之间的任何粘连。
柔性芯轴31的柔性使得柔性芯轴能够容易地从中空的芯部25移除，即使中空的芯部具有复杂的形状。
有利地，柔性芯轴31可以具有特别地在移除步骤i)期间有利于持握柔性芯轴31的额外长度31a。
因此，如在图8中所示，用于实施根据本发明的方法的注射模具可以有利地包括插入件32，该插入件被构造成布置在第二敞开端部27b处且面对平台21的外表面21a，使得当柔性芯轴31被布置在变形的预制件30c的孔27内时包围额外长度31a。插入件32在注射时为柔性芯轴31的额外长度31a提供密封。因此，在注射步骤e)期间，额外长度31a不被粘合剂浸渍，使得对于移除步骤i)柔性芯轴31易于接近。
根据未示出的实施例，插入件32包括用于在注射步骤e)中将粘合剂注射到注射模具中的通道。
最后，在步骤j)中，桨叶16的第二敞开端部27b被闭合，以确保这样形成的中空的桨叶16的密封。例如，这种闭合可以通过用冷却的树脂进行堵塞而实现，或者通过将预成形的复合对面板(未示出)固定(例如通过胶合)在内平台20的外表面21a上来实现。
根据另一实施例，对面板29不能与变形的预制件30一起插入到注射模具中，但是可以在制造桨叶16之后添加。因此，复合对面板(已经注射有粘合剂)可以以本身已知的方式(例如通过胶合)固定在内平台20的内表面20a上。

Claims (9)

1.用于制造用于飞行器涡轮机的中空的部件的方法，所述中空的部件由复合材料制成，所述方法包括以下步骤：
a）通过线的三维编织来制造预制件（30a）；
b）编织的所述预制件（30a）被切割以提供内分隔部（26）；
c）使切割的预制件（30b）变形以从所述内分隔部（26）提供孔（27），变形的预制件（30c）因此包括第一敞开端部（27a）以及与所述第一敞开端部（27a）相对的第二敞开端部（27b）；
d）将所述变形的预制件（30c）布置在注射模具中；
e）将包括树脂的粘合剂注射到所述注射模具中，以浸渍整个所述变形的预制件（30c）；
f）所述树脂聚合；以及
g）从所述模具中抽取出复合部件；
该方法的特征在于，所述方法进一步包括以下步骤：
h）在树脂注射步骤e）之前，从所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的一个敞开端部将具有预定形状的柔性芯轴（31）布置在所述孔（27）中，所述孔被设置在所述变形的预制件（30c）中；
i）在树脂聚合步骤f）或脱模步骤g）之后，所述柔性芯轴（31）从所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的一个敞开端部移除，所述复合部件因此具有中空的芯部（25）。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括用液体脱模剂处理所述柔性芯轴（31）的初步步骤。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在使所述切割的预制件（30b）变形的步骤c）之后，所述方法进一步包括：将间隙填充部（28）布置在所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的另一个敞开端部处的步骤c’）、布置所述柔性芯轴（31）的步骤h）、以及通过相对的敞开端部移除所述柔性芯轴（31）的步骤i）。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在将间隙填充部（28）布置在所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的所述另一个敞开端部处的所述步骤c’）之后，所述方法进一步包括：将对面板（29）布置在所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的所述另一个敞开端部处的步骤c’’）。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法包括使中空的部件的所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的一个敞开端部闭合的步骤j）。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，使所述中空的部件的所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的一个敞开端部闭合的步骤j）是通过用冷却的树脂进行堵塞来执行的。
7.根据权利要求5所述方法，其中，使所述中空的部件的所述第一敞开端部和所述第二敞开端部中的一个敞开端部闭合的步骤j）是通过粘合预成型的复合对面板来执行的。
8.用于推进组件（1）的叶片状轮廓的元件，其特征在于，所述叶片状轮廓的元件是根据权利要求1至7中任一项所述的方法获得的。
9.根据权利要求8所述的叶片状轮廓的元件，所述叶片状轮廓的元件为定子桨叶。
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