CN114364881B - 用于复合叶片的预成型件 - Google Patents

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Abstract

用于复合叶片的纤维预成型件以及通过这种预成型件形成的复合叶片、转子和包括这种叶片的旋转机器，预成型件包括第一纵向区段(51)和第二纵向区段(52)，所述第一纵向区段被构造成用于形成叶片根部，所述第二纵向区段从第一纵向区段延伸，并且被构造成形成部分叶片的桨叶的一部分，其中，第一纵向区段(51)在其上端(53)处具有第一厚度，并且其中，第二纵向区段(52)包括至少一个回缩区域(56)，所述回缩区域在预成型件的侧面中形成凹部，并且具有至多是第一厚度三分之一的厚度，所述回缩区域(56)占据第二纵向区段(52)的至少50％。

Description

用于复合叶片的预成型件
技术领域
本发明涉及用于复合叶片的纤维预成型件，并且还涉及通过这种预成型件形成的复合叶片、转子以及包括这种叶片的旋转机器。
这种预成型件可以用于生产受益于减轻重量的大跨距叶片。例如，这种叶片可以特别地是飞行器的涡轮喷气发动机的螺旋桨或风扇叶片。
背景技术
在旁路涡轮喷气发动机中，在具有非涵道风扇(通常称为开放式转子)的涡轮喷气发动机中，或者在涡轮螺旋桨发动机中，发动机的推力和效率随着风扇或螺旋桨的直径而增加。因此，当前的趋势是尽可能多地增加该直径。
然而，应理解的是，转子的直径的这种增加机械地导致旋转机器的重量的增加，当然由于叶片的尺寸的增加，而且由于转子的所有机械结构以及(在适当情况下)在损坏的情况下旨在保持叶片的静子的结构的尺寸的增加。
此外，转子直径的这种增加导致显著的机械强度问题。特别地，增加叶片的跨距趋于降低这些叶片的固有频率，这需要显著地增加它们的厚度，以提高这些固有频率，进一步增加了叶片的重量。
导致用复合叶片替换旧金属叶片的技术转变已经有助于减轻涡轮喷气发动机的转子的重量；然而，考虑到特别地在消耗方面的日益严格的要求，期望更进一步地减轻这些叶片的重量。
因此，对用于复合叶片的纤维预成型件以及通过这种预成型件形成的复合叶片，转子以及包括这种叶片的旋转机器存在实际需求，其受益于进一步减轻的重量。
发明内容
本发明涉及用于复合叶片的预成型件，该预成型件通过三维编织获得，该预成型件包括第一纵向区段和第二纵向区段，所述第一纵向区段被构造成用于形成叶片根部，所述第二纵向区段从第一纵向区段延伸，被构造成用于形成翼型的一部分，其中，第一纵向区段在其上端处具有第一厚度，并且其中，第二纵向区段包括至少一个回缩区域，所述回缩区域的厚度至多是第一厚度的三分之一，该回缩区域的总表面占据第二纵向区段的表面的至少50％。
因此，预成型件具有结构根部以及在预成型件的侧表面中设置有凹部的翼型：然后，可以将具有比预成型件的密度甚至更低密度的材料添加到这个凹部中，以获得复合叶片，复合叶片的重量小于根据现有技术的类似叶片的重量。
特别地，发明人已经确定这种类型的大跨距叶片主要在弯曲中起作用，使得叶片的外壳(即，其最外部的部分)发挥比其芯部(即，其最内部的部分)更显著的机械作用。
因此，这种预成型件允许保持3D编织结构，在叶片的最机械地负载的区域(其根部、以及其外壳的至少一部分)中提供非常好的机械强度。相反地，这种预成型件允许将较轻的材料(通常地较低机械地抗性)放置在叶片的较低机械地负载的区域中：基本上其芯部和其外壳的少数部分。
因此，实践中，可以获得实际上更轻的叶片，而不削弱其机械强度。因此，可以生产非常大跨距的叶片，允许形成非常大直径的转子。
在一些实施方式中，回缩区域的厚度至多是第一厚度的三分之一，优选地至多是五分之一。所形成的凹部因此更大，这允许将最终叶片的重量减轻相同的重量。
在一些实施方式中，回缩区域具有小于7.5mm、优选地小于6mm的厚度。发明人实际上已经确定，有可能将外壳的厚度减小到这种数值，同时保持最终叶片的令人满意的弯曲强度。
在一些实施方式中，回缩区域具有大于4.5mm的厚度。发明人实际上已经确定，这种最小厚度足以确保最终叶片的令人满意的弯曲强度。
在一些实施方式中，第一厚度大于35mm。还更优选地大于50mm。发明人实际上已经确定，这种回缩区域的益处主要来自于这种厚度。
在一些实施方式中，回缩区域的总表面占据第二纵向区段的表面的至少65％、优选地至少80％。所形成的凹部因此更大，这允许将最终叶片的重量减轻相同的量。
在一些实施方式中，回缩区域的下端被定位在距第一纵向区段与第二纵向区段之间的接合部的一距离处，所述距离大于第二纵向区段的高度的10％、优选地大于15％。发明人实际上已经确定，如果回缩区域定位成太靠近叶片根部，则最终叶片的频率行为会劣化。
在一些实施方式中，回缩区域延伸至第二纵向区段的上端。实际上，在所考虑的一些应用中，叶片顶端是轻负载的，并且因此可以承受其机械强度的降低。
在一些实施方式中，回缩区域的上端被定位在距第一纵向区段与该第二纵向区段之间的接合部的一距离处，所述距离小于第二纵向区段的高度的90％、优选地小于75％。实际上，在所考虑的一些应用中，优选地在叶片顶端处保持3D编织结构部分，以维持足够的机械强度。
在一些实施方式中，第二纵向区段包括前边缘和后边缘，所述前边缘被构造成用于形成翼型的前缘，并且所述后边缘被构造成用于形成翼型的后缘。
在一些实施方式中，回缩区域的前端被定位在距前边缘一距离处，所述距离大于将前边缘与后边缘分开的距离的15％、优选地大于25％。实际上，优选地将3D编织结构部分保持在叶片的前缘处，以能够经受住在例如，摄入鸟类的情况下抗潜在障碍物的冲击。
在一些实施方式中，回缩区域延伸至后边缘。实际上，在所考虑的一些应用中，叶片的后缘是轻负载的，并且因此可以承受其机械强度的降低。
在一些实施方式中，回缩区域的后端被定位在距前边缘的一距离处，所述距离小于将前边缘与后边缘分开的距离的95％。实际上，在所考虑的一些应用中，优选地将3D编织结构部分保持在叶片的后缘处，以在其中维持足够的机械强度。
在一些实施方式中，第二纵向区段包括过渡区域，所述过渡区域设置在第一纵向区段与回缩区域之间，过渡区域具有在回缩区域的方向上减小的厚度。这种过渡区域允许逐渐地减小预成型件在第一纵向区段(在此其通常是最厚的)与回缩区域之间的厚度：这允许在这两个区域之间更好地传递力，并且简化编织的策略。
在一些实施方式中，过渡区域具有大于3层离开/100mm、优选大于5层离开/100mm的层离开速率。实际上，这种层离开速率允许在第一纵向区段与回缩区域之间足够快速的厚度过渡。
在一些实施方式中，过渡区域具有小于7层离开/100mm的层离开速率。这允许在叶片根部与其叶片的桨叶之间的界面处保持力的良好传递。
在一些实施方式中，在第二纵向区段的同一侧上进行过渡区域内至少75％、优选地至少90％的层离开。这允许将3D编织的结构外壳保持在叶片的至少一侧的表面上。
在一些实施方式中，在预成型件的下表面侧上(即，在被构造成用于形成叶片的下表面侧的侧上)进行层离开。实际上，上表面通常地比下表面更弯曲：结果，保持在上表面侧上的3D编织的外壳是弯曲的，这对这个外壳的纤维形成了预应力，导致更大的弯曲刚度。尽管如此，还可以在预成型件的上表面侧上进行层离开。
在一些实施方式中，过渡区域包括来自第一纵向区段的横向方向上不同区域的纱线层。换言之，层离开保留了第一纵向区段的一些层，然后使用层交叉将这些层带回到回缩区域。因此，增强了回缩区域与第一纵向区段的机械连接，这增强了最终叶片的机械强度。
在一些实施方式中，回缩区域包括来自第一纵向区段的整个厚度的纱线层。因此，回缩区域被机械地连接到第一纵向区段的整个厚度上，这确保了最终叶片的非常好的机械强度。
在一些实施方式中，位于回缩区域的表面上的至少一层纱线还位于第一纵向区段的表面上。优选地，这适用于预成型件的两个侧表面。因此，确保了在第一纵向区段与回缩区域之间的表面连续性，并且因此确保了增强的机械强度。
在一些实施方式中，第二纵向区段是弯曲的。如所解释的，一方面，这允许形成最终叶片的曲率，并且另一方面，允许增强最终叶片的弯曲强度。
在一些实施方式中，回缩区域是唯一的。预成型件因此包括单个的凹部。此外，第二纵向区段是实心的，特别地没有内室。
在一些实施方式中，用于编织预成型件的纱线是碳纤维。然而，它可以是任何其他类型的纱线，例如玻璃纤维或凯夫拉尔纤维(Kevlar)。
在一些实施方式中，用于预成型件的三维编织的编织可以是3D互锁类型。然而，预成型件的外表面的编织可以基本上是二维的，例如缎纹型的编织。
本发明还涉及复合叶片，该复合叶片包括主要部分以及填充块，所述主要部分通过预成型件由复合材料制成，所述预成型件具有第一纵向区段和第二纵向区段，所述第二纵向区段包括在主要部分中形成凹部的回缩区域，所述填充块被附接在主要部分的凹部中，并且其密度严格地低于主要部分的密度。
特别地，这个叶片的预成型件可以对应于先前实施方式中的任何实施方式，叶片因此受益于上述相应的技术优点和效果。优选地，所述预成型件已经在模具中成形并且嵌入基质中。
在一些实施方式中，填充块的密度至多是主要部分的密度的十分之一。这允许将叶片的重量减轻相同的量。
在一些实施方式中，填充块由泡沫制成，例如聚酰亚胺或者聚甲基丙烯酰亚胺(特别地Rohacell 110XT–HT)支成。实际上，泡沫受益于减小的密度。
在一些实施方式中，叶片包括翼型，所述翼型包括前缘、后缘、上表面和下表面，
在一些实施方式中，由主要部分形成整个上表面。这里，这是指上表面的结构，而不考虑沉积或添加到上表面的表面上的任何表面涂层。如所解释的，这确保了良好的机械弯曲强度。然而，在其他实施方式中，主要部分可形成整个下表面。
在一些实施方式中，由主要部分形成整个前缘。在此，这指的是前缘的结构，而不考虑沉积或添加到前缘的表面上的任何表面涂层或增强。如所解释的，这确保了在与障碍物碰撞的情况下(例如，当摄入鸟时)的良好的机械强度。
在一些实施方式中，由主要部分形成整个后缘。在此，这是指后缘的结构，而不考虑沉积或添加到后缘的表面上的任何表面涂层或增强。如所解释的，这确保了在前缘处的良好机械强度，根据意图的应用，这可能是所希望的。
在一些实施方式中，填充块被胶合到主要部分的凹部中。然而，可以使用其他技术附接它，例如通过注射和/或模制附接它。
在一些实施方式中，至少一个浸渍的织构折叠部被至少部分地附接至填充块。它可以是单个折叠部或折叠部的覆盖，每个折叠部优选地是二维的。优选地，折叠部完全地覆盖填充块。这种折叠部允许保护填充块，并且加强在操作中其强度。
在一些实施方式中，金属型材附接至前缘和/或后缘。这允许加强叶片的这些部件，特别地抵抗冲击。
在一些实施方式中，例如，由聚氨酯制成的聚合物膜被附接到翼型的至少一部分。这允许保护翼型免受某些环境条件的影响。
在一些实施方式中，叶片的长度大于900mm。甚至更优选地，大于1200mm。
在一些实施方式中，在叶片颈部处的最大厚度大于35mm。甚至更优选地大于50mm。
在一些实施方式中，叶片是转子叶片，例如风扇或螺旋桨叶片类型的转子叶片。然而，它还可以是静子叶片，例如去旋流器类型的静子叶片。
在一些实施方式中，该基质是有机类型的。它可以特别地是环氧树脂。
本发明还涉及转子，该转子包括根据前述实施方式中任一项所述的复合叶片。特别地，它可以是有涵道或无涵道的风扇，或者螺旋桨。优选地，转子被构造成以旋转速度旋转，使得叶片的端部的速度不超过用于开放式转子类型的涡轮螺旋桨发动机或者发动机螺旋桨的常规地已知的速度。
本发明还涉及一种旋转机器，包括根据前述实施方式中任一项所述的复合叶片或转子。
在本发明中，相对于叶片的主方向定义术语“纵向的”、“横向的”、“下部的”、“上部的”以及它们的派生词；相对于涡轮机的主轴线定义术语“轴向的”、“径向的”、“切向的”、“内部的”、“外部的”以及它们的派生词；“轴向平面”意指穿过涡轮机的主轴线的平面，并且“径向平面”意指垂直于这个主轴线的平面；最后，相对于涡轮机中空气的循环定义术语“上游”和“下游”。
“三维编织”意指一种编织技术，其中纬纱线在经纱线矩阵内循环，以根据三维编织形成纱线的三维网络：然后，在三维织机内的相同的编织步骤期间编织这种纤维结构的所有纱线层。
在本发明中，除非另外说明，表述“小于”和“大于”在广义上被理解，也就是说包括其中所考虑的两个值相等的情况的含义。
在阅读预成型件和复合叶片的所提出的示范性实施方式的以下详细说明时，上述特征和优点以及其他特征和优点将显现。该详细说明参考附图。
附图说明
附图是示意性的，并且首先旨在示例本发明的原理。
在这些图中，从一个图到另一个图，相同的元件(或元件的部分)由相同的附图标记进行标识。此外，属于不同示范性实施方式但具有相似功能的元件(或元件的部分)在附图中由以100、200等递增的数字标号标记。
图1是根据说明书的涡轮机的截面图。
图2是根据第一实施例的复合叶片的侧视图。
图3是根据第一实施例的复合叶片的截面图。
图4示意性地示出了对应于这个第一实施例的预成型件。
图5是根据第二实施例的复合叶片的截面图。
具体实施方式
为了使描述更加具体，参考附图，下面详细描述复合材料预成型件和叶片的实施例。记住本发明不限于这些实施例。
图1以沿经过其主轴线A的垂直平面的截面示出了根据本发明的旁路涡轮喷气发动机1。根据空气流的循环，从上游到下游，它包括风扇2、低压压气机3、高压压气机4、燃烧室5、高压涡轮6和低压涡轮7。
风扇2包括多个风扇叶片20。如图2和图3中所示，每个风扇叶片包括根部21和翼型22。
根部21具有鸠尾榫形状，所述鸠尾榫形状允许它接合在被紧固到涡轮机的旋转轴上的风扇盘的单元之一中，以将风扇叶片20固定在风扇盘上。因此，风扇盘和多个风扇叶片20形成了由涡轮6、7之一(通常是低压涡轮7)驱动的转子。
翼型22进而在根部21的接合部23与叶片的上端24(也称为叶片顶端)之间延伸：它具有前缘25、后缘26、弯曲的上表面27、以及下表面28，所述下表面28实质上比上表面27弯曲的少。
在第一实施例中，每个风扇叶片20由主要部分30和填充块40形成。主要部分30一体的包括：第一纵向区段31，所述第一纵向区段形成叶片20的根部21，以及第二纵向区段32，所述第二纵向区段仅形成叶片20的翼型22的一部分。
更具体地，第二纵向区段32具有沿着叶片20的根部21与翼型22之间的接合部23的第一实心部分33，沿着叶片20的前缘25的第二实心部分34，以及壁35，所述壁从第一实心部分33延伸到叶片20的顶端24，并且从第二实心部分34延伸到叶片20的后缘26，其外表面形成叶片的上表面27，并且其内表面形成凹部36，填充块40被附接在凹部36中。
由来自三维织造的预成型件50的复合材料制成主要部分30。在图4中示意性地示出这个预成型件50，仅示出了几个纬纱线58、59。将在编织方向T上从上游到下游(即，从图4的底部到顶部)描述预成型件50。然而，不言而喻，可以从其它端，并且在其它方向上进行编织。
在这个示例性实施方式中，根据3D互锁编织，由碳纤维三维地编织预成型件50。根据缎纹型编织，二维地编织仅预成型件50的表面。
在上游端，编织开始生产旨在用于形成叶片20的主要部分30的第一纵向区段31(也就是说叶片20的根部21)的第一纵向区段51。第一纵向区段51是预成型件50的具有最多的粘合纱线层，并且因此具有最大厚度的区段。这个厚度向下游逐渐减小，以形成鸠尾榫，直到它到达颈部53a，所述颈部53a标记第一纵向区段51的上端。
在第一纵向区段51的下游，然后开始第二纵向区段52，该第二纵向区段旨在用于形成叶片20的主要部分30的第二纵向区段32，所述第二纵向区段延伸至预成型件50的下游端。第二纵向区段52的高度因此对应于将第一纵向区段51与第二纵向区段52之间的接合部53与预成型件50的上端分开的距离。
在从第一纵向区段51与第二纵向区段52之间的接合部53起的第一区域54或支撑区域中，预成型件50的厚度保持基本上恒定。这个支撑区域54旨在用于形成主要部分30的第一实心部分33。
然后，在第二区域55或过渡区域中，沿着编织T逐渐地产生层离开，以在这个过渡区域55中逐渐地减小预成型件50的厚度。更具体地，选择纬纱线58的一些层，并且从预成型件50逐渐地从下表面朝向上表面取出，并且规则地闲置纬纱线59的一些层，然后使用层交叉将这些层带回到上表面侧。
现在，允许这种层离开的编织方法在3D编织领域中是熟知的。具体地，使得相关的纬纱线58离开一些经纱线游离，称为“浮纱”，所述“浮纱”与任何纬纱线分离，“漂浮”并且因此可以稍后通过削剃而被消除：因此可以消除整个或部分层，这允许减小预成型件的一些区域的厚度。
现在，允许这种层交叉的编织方法在3D编织领域中是熟知的。在层交叉区域中，横向地转向与给定层的经纱线连接的第一给定的纬纱线，以在层交叉区域的下游连接相邻层的经纱线，而在相反方向上转向来自所述相邻层的第二纬纱线，以占据被第一纬纱线丢弃的经纱线层。因此，两个纬纱线在层交叉区域交叉。因此，单独或成组地，纬纱线可以偏离一个或多个纬纱线层一次或几次。
最后，一旦已经实现期望的厚度减小，就在预成型件50的下游端(即，其上端)制成第三区域56或回缩区域。这个回缩区域56具有比第一纵向区段51在其与第二纵向区段52的接合部53处的厚度小得多的厚度。这个回缩区域56旨在用于形成叶片20的主要部分30的凹部36。
就这方面而言，应注意，图4示出在凹部36的平面中预成型件50的编织策略，并且因此具有回缩区域56；然而，自然应理解，预成型件50不具有沿着对应于叶片20的前缘25的其前边缘(即，在对应于叶片20的主要部分30的第二大质量部分34的区域中)的这种回缩区域。
一旦完成编织，削剃来自层离开的浮丝。然后，润湿预成型件50，以使预成型件更柔软，并且允许纤维更容易地脱框。然后，将它引入到成型模具中，所述成型模具的内部空间被调节至预成型件50的期望几何形状。
然后，预成型件50被干燥，使其硬化，因此模块化在成形过程中施加的几何形状。预成型件50最终地被设置在具有期望的主要部分30的尺寸的注射模具中，基质(这里是环氧树脂)被注射至注射模具中。例如，可以通过已知的RTM(“树脂传递模塑”)方法进行这种注射。在这个步骤结束时，然后获得复合材料主要部分30，该复合材料主要部分由预成型件50构成，所述预成型件50从嵌入在环氧基质中的碳纤维进行编织而成。机加工步骤可以可选地完成这个方法来完成主要部分30。
填充块40进而由泡沫，例如聚酰亚胺或聚甲基丙烯酰亚胺制成，在主要部分30的凹部36侧面被机加工。填充块40然后通过胶合附接在凹部36内，以便在可能的最后机加工之后获得最终叶片20。
图5示例了风扇叶片120的第二示例性实施方式，该第二实施方式完全类似于第一实施例，除了进一步包括附接至叶片120的下表面128上以便完全地覆盖填充块140的织物折叠部141的堆叠。
这些二维折叠部141优选地由与预成型件相同的材料制成，在此由碳纤维制成。使用聚合物基质，优选地与浸渍预成型件的聚合物基质相同的聚合物基质(这里是环氧树脂)预浸渍它们。
在制造叶片120的主要部分130之后，并且在将填充块140放置在凹部136内之后，附接这些折叠部141。
虽然已经参照具体实施方式描述了本发明，但显然的是，在不脱离由权利要求限定的本发明的一般范围的情况下，可以对这些实施例进行修改和改变。特别地，可以在其他实施方式中组合不同示例的/提及的实施方式的单独特征。相应地，应该以示例性而非限制性的意义来考虑说明书和附图。
还显而易见的是，参考一种方法所描述的所有特征可以单独地或组合地调换到一种装置，并且相反地，参考一种装置所描述的所有特征可以单独地或组合地调换到一种方法。

Claims (13)

1.一种用于复合叶片的预成型件，通过三维编织获得所述预成型件，包括：
第一纵向区段(51)和第二纵向区段(52)，所述第一纵向区段被构造成用于形成叶片根部(21)，所述第二纵向区段从所述第一纵向区段(51)延伸和被构造成用于形成翼型(22)的一部分，
其中，第一纵向区段(51)在其上端(24)处具有第一厚度，以及，
其中，第二纵向区段(52)包括至少一个回缩区域(56)，所述回缩区域在预成型件的侧表面中形成凹部，所述回缩区域具有至多是第一厚度三分之一的厚度，所述回缩区域(56)的总表面占据第二纵向区段(52)的表面的至少50％。
2.根据权利要求1所述的预成型件，其中，回缩区域(56)具有小于7.5mm的厚度。
3.根据权利要求1所述的预成型件，其中，回缩区域(56)具有小于6mm的厚度。
4.根据权利要求1所述的预成型件，其中，回缩区域(56)的下端被定位在距第一纵向区段(51)与第二纵向区段(52)之间的接合部(53)一距离处，所述距离大于第二纵向区段(52)的高度的10％。
5.根据权利要求1所述的预成型件，其中，第二纵向区段(52)包括前边缘和后边缘，所述前边缘被构造成用于形成翼型(22)的前缘(25)，并且所述后边缘被构造成用于形成翼型(22)的后缘(26)部分，
其中，回缩区域(56)的前端被定位在距前边缘一距离处，所述距离大于将前边缘与后边缘分开的距离的15％。
6.根据权利要求1所述的预成型件，其中，第二纵向区段(52)包括过渡区域(55)，设置在第一纵向区段(51)与所述回缩区域(56)之间，过渡区域(55)具有在回缩区域(56)的方向上减小的厚度，并且
其中，过渡区域(55)具有大于3层离开/每100mm的层离开速率。
7.根据权利要求6所述的预成型件，其中，在第二纵向区段(52)的相同侧上进行在过渡区域(55)内的至少75％的层离开。
8.根据权利要求1所述的预成型件，其中，回缩区域(56)包括来自第一纵向区段(51)的横向方向上的不同区域的纱线层。
9.一种复合叶片，包括：
主要部分(30)，其通过根据权利要求1所述的预成型件(50)由复合材料制成，预成型件(50)的所述回缩区域(56)在主要部分(30)中形成凹部(36)，以及
填充块(40、140)，所述填充块被附接在主要部分(30)的凹部(36)中，并且其密度严格地低于该主要部分(30)的密度。
10.根据权利要求9所述的复合叶片，其中，填充块(40、140)由泡沫制成，所述泡沫是聚酰亚胺或者聚甲基丙烯酰亚胺。
11.根据权利要求9所述的复合叶片，其中，至少一个浸渍的织物折叠部(141)至少部分地被附接至填充块(40、140)。
12.一种转子，包括根据权利要求9所述的复合叶片(20)。
13.一种旋转机器，包括根据权利要求9所述的复合叶片(20)或者根据权利要求12所述的转子。
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