CN115298444B - 用于制造由复合材料制成的风扇叶片的纤维织构 - Google Patents

用于制造由复合材料制成的风扇叶片的纤维织构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维织构(10)，该纤维织构用于形成由复合材料形成的涡轮发动机叶片的纤维增强件，包括刚性降低区(24)，刚性降低区具有由第二纤维制成的纬线，其具有大于第一伸长率的断裂伸长率，刚性降低区沿纵向方向(DL)从支柱区延伸并直至小于或等于高度的30％的高度，沿横向方向(DT)在第一区(23)和第二区(25)之间延伸，第一区从织构的意图形成前缘的边缘(16)延伸一长度(21)，第二区从织构的意图形成后缘的边缘(17)延伸第二长度(22)。

Description

用于制造由复合材料制成的风扇叶片的纤维织构
技术领域
本发明涉及航空涡轮机的一般领域，更具体地，涉及意图形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强件的纤维织构。这样的叶片可用于航空涡轮机风扇。
背景技术
先前由金属材料制成的风扇叶片现在由复合材料制成，即，由有机基质致密化的纤维预制件制成，这允许所制作的部件的总质量低于当同一部件由金属材料制成时的总质量，同时若不具有更大的机械强度，则至少具有相当的机械强度。
在运行中，风扇叶片可能承受物体的冲击，特别是鸟类。在这种冲击下，特别是在吸入大型鸟类时，叶片通常在其中间断裂。然而，在叶片的支柱处也观察到临界损伤。重要的是，这种临界损伤的特征是一种称为“切屑”的损伤，这种损伤在压缩过程中开始，在表面上产生股线断裂，并在剪切过程中传播，在部件厚度范围内的基质中产生强脱粘，而不会导致叶片在其支柱处断裂。事实上，这种断裂会由于涡轮机中重量的过大不对称而产生比叶片中间断裂更大的不平衡，这将损害发动机及其性能。
因此，需要一种解决方案，以确保叶片在与异物碰撞的情况下不会在其支柱区域断裂。
发明内容
为此，本发明提出了一种纤维织构，其意图形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强件，该涡轮机叶片包括由基质致密化的纤维增强件，该纤维织构为单件，并且在多根经纱或线与多根纬纱或线之间具有三维编织，经纱或线由具有第一断裂伸长率并沿纵向方向延伸的至少第一纤维制成，纬纱或线由沿横向方向延伸的第一纤维制成，该织构沿纵向方向包括叶片根部部分、叶片翼面部分和叶片在根部部分与叶片翼面部分之间的叶片支柱部分。
根据本发明，纤维织构包括刚度降低区，该刚度降低区包括由第二纤维制成的经纱或线，第二纤维具有大于第一断裂伸长率的第二断裂伸长率，该刚度降低区沿纵向方向从支柱区延伸，并且其高度小于或等于叶片高度的30％，该刚度降低区沿横向方向在第一区和第二区之间延伸，第一区从意图形成前缘的织构的第一边缘延伸第一长度，而第二区从意图形成后缘的织构的第二边缘延伸第二长度。
刚度降低区的存在允许更好地适应在吸入大型鸟类时可能形成切屑的区的水平高度处的应力。因此，刚度降低区允许避免切屑的形成，或者至少使其比不存在该区时更不显著。
此外，仅将刚度降低区的存在限制在可能形成切屑的区允许叶片的其余部分与前述叶片保持一致，从而能够对叶片的其余部分使用已知的制造方法。
如上所述，刚度降低区延伸直至小于或等于叶片高度的30％的高度。这样的特性允许仅将刚度降低区限制在可能形成切屑的区，因此不会更改叶片的其它部分。
应当理解，“叶片高度”是由其边界限定的长度测量值，即叶片气动流路底部处为0％，而流路顶部处为100％。换言之，叶片气动流路的底部和顶部之间的总高度被调整为称为叶片高度的百分比。
根据该限定，叶片气动流路底部下方的叶片部分，也称为支柱部分，由负叶片高度表示。换言之，支柱区可以限定为叶片根部和叶片高度的0％之间的区。
在一个实施例中，刚度降低区在叶片高度大于或等于叶片高度的-2％和叶片高度小于或等于叶片高度的30％之间延伸。
在一个实施例中，刚度降低区在叶片高度的-2％和叶片高度的30％之间延伸。在另一实施例中，其在叶片高度的0％和30％之间延伸。
在模拟吸入大型鸟类的大量试验中，确实观察到切屑型缺陷出现在该区。
因此，刚度降低区不必延伸过叶片的整个支柱部分，并且从大于或等于-2％的叶片高度开始的刚度降低区允许减少切屑的形成。
在一个实施例中，第二纤维的经纱或线在编织支柱部分期间被引入预制件中。有利地，在对应于预制件加厚的叶片高度处引入第二纤维的纱或线。用于制造这样的叶片的方法便利，因为随后可以将第二纤维的纱或线引入预制件中，而不必替换掉第一纤维的纱或线。
在另一实施例中，刚度降低区可以从叶片根部部分延伸并直至小于或等于叶片高度的30％的高度。
该实施例允许促进纤维预制件的编织，因为包括在刚度降低区中的第二纤维的纱或线可以从其编织开始就引入预制件中。
在一个实施例中，特别有利的是具有延伸直至小于或等于叶片高度的30％的高度的刚度降低区，因为实际上，在这种叶片高度处，叶片的厚度减小，使得可以在该位置处从预制件中提取包括在刚度降低区中的第二纤维的纱或线，以降低叶片的厚度，而不必通过插入第一纤维来进行替换。这导致了用于制备这种特别便利的织构的方法。
在一个实施例中，刚度降低区具有25％和75％之间的第二纤维体积率。
本发明人不希望受理论的限制，认为满足所述条件的第二纤维的体积率允许有效地提高叶片在吸入大型鸟类的情况下对形成切屑的阻力，同时避免可能削弱叶片的刚度过度突然变化。
织构部分中包含给定纤维的纱或线的体积率是指由包含所述纤维的纱或线所占据的体积与该部分中所有纱或线所占据的总体积之间的比率。纱或线可以仅由相同材料的纤维制成。“三维编织”或“3D编织”意指编织模式，其中至少一些经纱在若干纬纱层上结合纬纱。
如上所述，刚度降低区包括在分别延伸第一长度和第二长度的第一区和第二区之间。
在一个实施例中，第一长度包括在沿横向方向测量的预制件长度的2％和10％之间，并且较佳地包括在沿横向方向测量的预制件长度的5％和10％之间。
在一个实施例中，第二长度包括在沿横向方向测量的叶片长度的2％和40％之间。例如，第二长度包括在沿横向方向测量的预制件长度的5％和35％之间。
此处使用“横向”和“纵向”这两个表达的通常含义。纵向方向对应于将预制件的意图形成叶片根部的部分连接到预制件的意图形成叶片头部的部分的方向，而横向方向连接预制件的意图形成叶片前缘的部分和预制件的意图形成叶片后缘的部分。
具体地，可以注意到，纬纱沿横向方向延伸，而经纱沿纵向方向延伸。当纬纱或经纱不严格地与上述方向对齐时，也不偏离本发明的框架。
在这样的实施例中，刚度降低区同时远离叶片的前缘和后缘。
第一区和第二区的存在允许确保意图形成叶片的前缘和后缘的区在纵向方向上具有沿着后缘或前缘的均匀机械性能。如果叶片的机械特性在前缘或后缘的纵向方向上发生变化，确实会对叶片造成损害，而第一区和第二区正好可以避免这种情况。
此外，第一长度包括在沿横向方向测量的预制件长度的2％至10％之间，而第二长度包括在沿横向方向测量的预制件长度的2％至40％之间，允许确保第一区和第二区足够宽，而不会承受过度的应力集中，过度的应力集中可能损害叶片在其使用情况下的机械强度。此外，第一长度和第二长度的最大值允许确保刚度降低区足够宽，以有效防止在吸入大型鸟类的情况下出现切屑。
在一个实施例中，较佳地，刚度降低区仅存在于预制件的厚度降低位置和其表皮上。事实上，发明人已经观察到，在吸入大型鸟类期间形成的切屑通常位于叶片的表面层上。
在一个实施例中，刚度降低区可以呈现在预制件厚度的10％至50％之间，较佳地在预制件的厚度的10％和30％之间。
在一个实施例中，刚度降低区位于预制件的表面上，并且存在于预制件的意图作为叶片的外弧面侧的侧面上。
在一个实施例中，刚度降低区呈现在预制件厚度的10％和50％之间，并且位于预制件的表面上，并且存在于预制件意图作为叶片的外弧面侧的侧面上。
这种实施例允许将刚度降低区定位在存在导致切屑型缺陷形成或传播的应力的精确位置处。这样的设置还允许在不影响质量的情况下，通过使用叶片其余部分中的第一纤维的更大刚度来保持叶片厚度中的足够刚度。
在一个实施例中，在刚度降低区之外，第一纤维的体积率大于或等于80％，较佳地大于或等于95％。
在一个实施例中，在刚度降低区之外，第二纤维的体积率小于或等于20％，较佳地小于或等于5％。
在一个实施例中，除了在刚度降低区的水平高度处，纤维织构仅包括由第一纤维制成的纱或线。
在一个实施例中，刚度降低区不包含除第一纤维和第二纤维之外的纤维。
在一个实施例中，第一纤维的材料可以是碳。
在一个实施例中，第二纤维的材料可以选自：玻璃、玄武岩、芳纶、聚酯或这些材料的组合物。较佳地，第二纤维的材料是玻璃。
在一个实施例中，第一纤维的材料是碳，而第二纤维的材料选自：玻璃、玄武岩、芳纶、聚酯或这些材料的组合。
根据本发明的另一方面，本发明涉及一种由复合材料制成的风扇叶片，该风扇叶片包括由基质致密化的纤维增强件，该叶片的纤维增强件由如上所述的纤维织构构成。
根据本发明的另一方面，本发明涉及一种航空涡轮机，其包括设有多个如上所述的风扇叶片的风扇。
一种用于制造由如上所述的复合材料制成并且包括由基质致密化的纤维增强件的风扇叶片的方法，该方法可以包括以下步骤：制作如上所述的纤维织构，将所述织整形以获得叶片预制件，并且在预制件的孔隙中形成基质以获得叶片。通过三维编织获得纤维织构，三维编织可以例如具有互锁型编织。基质可以是有机基质并由树脂获得。因此，可以通过树脂注射模制(RTM或树脂传递模制工艺)形成基质。
附图说明
[图1]图1是意图形成涡轮机叶片的纤维增强件的纤维织构的示意图。
[图2]图2示意性地示出了本发明第一实施例。
[图3]图3示意性地示出了本发明另一实施例。
[图4]图4示意性地示出了根据本发明一个实施例的航空涡轮机。
具体实施方式
图1示出了纤维织构10的示意图，该纤维织构意图形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强件，该复合材料包括由基质致密化的纤维增强件。可以例如通过在提花型织机中对纤维坯料进行三维编织并从编织的纤维坯料中切割多余的纱来获得该纤维织构。
纤维织构10可以具有三维编织，并且例如主要包括互锁编织或多层编织。“互锁编织”是指一种三维编织，其纬纱中的每层结合经纱中的若干层，并且相同纬纱柱的所有纱在编织平面内具有相同的运动。文件WO2006/136755描述了这种编织的生产。如后所述，这种纤维织构可以整形，然后致密化以获得风扇叶片。
纤维织构10在叶片根部部分11、叶片翼面部分13和叶片顶部15之间沿纵向方向DL延伸。叶片支柱部分12存在于叶片根部部分11和叶片翼面部分13之间。通常，叶片根部部分11比叶片支柱部分12厚，并且叶片翼面部分13的厚度是可变的。纤维织构10在意图形成叶片前缘的第一边缘16和意图形成叶片后缘的第二边缘17之间沿横向方向DT延伸。
叶片支柱部分12确保叶片根部部分11和叶片翼面部分13之间的厚度过渡。在所示的示例中，叶片支柱部分12在沿纵向方向测量的距离上延伸，该距离在第一边缘16的水平高度处比在第二边缘17的水平高度处要小。
根据本发明，如图1所示，叶片支柱部分12包括第一区23和第二区25，第一区23在第一边缘16和刚度降低区24之间沿横向方向延伸第一长度21，而第二区24在第二边缘17和刚度降低区24之间沿横向方向延伸第二长度22。换言之，刚度降低区24沿横向方向定位在第一区23和第二区25之间。
在一个实施例中，第一区23和第二区25包括体积率相等的第一纤维。
根据本发明，刚度降低区24包括由不同于第一纤维的第二纤维制成的经纱或线，第二纤维具有严格大于第一纤维的断裂伸长率。
在一个实施例中，刚度降低区24具有由第二纤维制成的纱或线的第一体积率，第一体积率严格大于在第一区23和第二区25中由第二纤维制成的纱或线的体积率，无论它们是否相等。换言之，与纱或线的总数相比，刚度降低区24中具有比第一区23或第二区25中更多的由第二纤维制成的经纱或线。
在一个实施例中，第一区23和第二区25包括相等的第二纤维的体积率，并且较佳地小于20％，甚至小于5％。
在一个实施例中，设置了未示出的第一过渡区，该第一过渡区沿横向方向在第一区23和刚度降低区24之间延伸，并且包含包括在第一区23和刚度降低区24之间的第二纤维的体积率。
这种第一过渡区的机械性能介于第一区23和刚度降低区24的机械性能之间，从而避免了机械性能的突然变化，机械性能的突然变化可能产生刚度变化过大的区，这会损害叶片的完整性。
类似地，可以布置未示出的第二过渡区，该第二过渡区在刚度降低区24和第二区25之间沿横向方向延伸，并包含包括在刚度降低区24和第一区25的第二纤维体积率之间的第二纤维体积率，具有与上述优点相同的优点。
在一个实施例中，布置如上限定的第一过渡区和第二过渡区。
例如，过渡区的第二纤维体积率可以是两个相邻区的第二纤维体积率的算术平均值。
在此处未示出的一个实施例中，刚度降低区可能仅存在于预制件的表皮上，代表预制件厚度的一部分。在这种情况下，类似于刚刚描述的横向方向，过渡区可以布置在预制件的厚度中。例如，在一个实施例中，包括在意图为叶片外弧面侧的预制件的表面和包括在预制件厚度的10％和30％之间的深度之间的厚度可以包括与刚度降低区的第二纤维体积率一致的第二纤维体积率。则与第一厚度接触并且呈现在预制件厚度的10％和30％之间的第二厚度可以包括这样的第二纤维体积率，其包括在刚度降低区24和第一区23或第二区25的第二纤维体积率之间。预制件的其余厚度，即，预制件在意图为内弧面的表面和第二厚度之间的整个厚度可以包括与第一区23或第二区25的纤维体积率一致的纤维体积率。
下表给出了可使用的几种纤维的常见断裂伸长率。
[表1]
例如，第一纤维可以选择碳，而第二纤维可以选择玻璃。使用若干类型的经纱或线也是可行的，其包括断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率的不同纤维。应当注意，第一纤维和第二纤维的材料可以相同。例如，第一纤维和第二纤维可以由碳制成，只要两者的断裂伸长率不同。例如，选择由IM7(由Hexcel公司销售)制成的第一碳纤维和由T1100(由东丽公司销售)制成的第二碳纤维是可行的。
第一纤维的断裂伸长率可以例如小于或等于2.1％，而第二纤维的断裂伸长可以大于或等于2.4％。
如图1所示，刚度降低区24的几何形状可以是任何几何形状。事实上，如上所限定的，刚度降低区24允许在可能形成切屑的区中更改叶片的机械性能。因此，可基于试验或模拟选择刚度降低区24的几何形状，这些试验或模拟允许识别所述纤维织构最有可能形成切屑的区。
如上所述，刚度降低区24从支柱区沿纵向方向延伸到小于或等于叶片高度的30％的高度。
图1示意性地示出了叶片高度为0％的点101，其对应于叶片气动流路的底部；以及叶片高度为100％的点102，其对应于叶片沿纵向方向DL的最高点。
对于任何几何形状的刚度区24，诸如图1所示的那个，可为刚度降低区的最低点104计算刚度降低区的最小高度，以及类似地，从刚度降低区的最高点103计算刚度降低区的最大高度。
图2和图3示意性地示出了本发明的两个实施例。
为了便于表示，图2和图3中仅示意性地表示了第二纤维的一些经纱31，以帮助理解所示出的实施例。本发明不应被认为限于这些示意性实施例。
在图2所示的实施例中，从编织开始引入第二纤维31的经纱或线。在这种情况下，部分根部可包含由第二纤维31制成的经纱或线。这导致了更易于制造的织构，因为实际上，由第二纤维制成的经纱或线在编织叶片11根部时直接存在，并且因此存在于支柱区12的编织。因此，刚度降低区24可以延伸过叶片12的整个支柱区，而不需要移除由形成叶片11根部的第一纤维制成的经纱或线以引入由第二纤维制成的新经纱或线。
在图3所示的另一实施例中，由第二纤维制成的经纱或线可以在其编织过程中插入到纤维织构中。通过这种方式，能够具有刚度降低区，该刚度降低区仅从为由第二纤维32制成的经纱或线选择的插入叶片的高度处存在。换言之，在本实施例中，精确地选择刚度降低区24的开始位置是可行的。
在一个实施例中，第二纤维的在预制件的编织期间插入并包括在刚度降低区24中的所有经纱或线可以对应于引入纤维织构中的经纱或线，目的是增加纤维织构的厚度。实际上，在织构的编织期间，经纱或线的数量可以根据叶片高度而变化，特别是为了更改织构的厚度。因此，在织构的编织期间必须引入经纱或线以增加其厚度，并且以这种方式引入第二纤维的经纱或线是特别有利的，因为这样就不需要移除第一纤维的经纱或线以将其替换成第二纤维的经纱或线。
类似地，可以从纤维织构中去除经纱或线，以减小其厚度。如上所述，如图2和图3所示，可选择刚度降低区24的最大高度，使得其包含的第二纤维的经纱或线对应于从预制件中提取的经纱，以减少纤维织构的厚度。
在该实施例中，省去在刚度降低区24的端部处用由第一纤维制成的经纱或线替换由第二纤维制成的经纱或线的任何操作是可行的。
在一个未示出的实施例中，在不同高度处从纤维织构10中移除由第二纤维制成的经纱或线是可行的，以便能够控制纤维织构10沿横向方向T的厚度。
为了获得风扇叶片，通过三维编织制成纤维织构10，整形所述织构以获得具有适当几何形状的叶片预制件，例如以获得具有向上游移位的后缘的叶片，并且在预制件的孔隙中形成基质以获得叶片。风扇叶片可以通过树脂传递模制(RTM)工艺制造，其中预制件被放置在具有叶片形状的模具中，将树脂注入该模具中，然后使其聚合。在该背景下，基质可以是有机基质，并由环氧型树脂获得。
图4示出了航空涡轮机200。这种涡轮机200包括设置在发动机入口处的风扇210，风扇210配装有多个叶片211。此处叶片211由复合材料制成，该复合材料具有由基质致密化的纤维增强件。可以通过上述方法从根据本发明的纤维织构10获得这种叶片211。

Claims (10)

1.一种纤维织构(10)，所述纤维织构意图形成由复合材料制成的涡轮机叶片(211)的纤维增强件，所述涡轮机叶片包括由基质致密化的纤维增强件，所述纤维织构为单个预制件，并且具有在多根经纱或线与多根纬纱或线之间的三维编织，所述经纱或线由具有第一断裂伸长率并沿纵向方向(DL)延伸的至少第一纤维制成，而所述纬纱或线由沿横向方向(DT)延伸的第一纤维制成，所述织构沿所述纵向方向包括叶片根部部分(11)、叶片翼面部分(13)和在所述叶片根部部分与所述叶片翼面部分之间的叶片支柱部分(12)，
其特征在于，所述纤维织构包括刚度降低区(24)，所述刚度降低区包括由第二纤维制成的经纱或线，所述第二纤维具有大于所述第一断裂伸长率的第二断裂伸长率，所述刚度降低区沿所述纵向方向从所述支柱部分延伸直至小于或等于叶片高度的30％的高度，所述刚度降低区沿所述横向方向在第一区(23)和第二区(25)之间延伸，所述第一区从所述织构的意图形成前缘的第一边缘(16)延伸第一长度(21)，而所述第二区从所述织构的意图形成后缘的第二边缘(17)延伸第二长度(22)。
2.根据权利要求1所述的纤维织构，其特征在于，所述刚度降低区具有25％和75％之间的第二纤维体积率。
3.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，在所述刚度降低区之外，所述第一纤维体积率大于或等于80％。
4.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，在所述刚度降低区之外，所述第二纤维体积率小于或等于20％。
5.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，所述第一长度包括在沿所述横向方向测量的所述预制件的长度的2％和10％之间。
6.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，所述第二长度包括在沿所述横向方向测量的所述预制件的长度的2％和40％之间。
7.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，所述第一纤维的材料是碳。
8.根据权利要求1或2所述的纤维织构，其特征在于，所述刚度降低区的厚度呈现在所述叶片的厚度的10％和50％之间。
9.一种由复合材料制成的风扇叶片，所述风扇叶片包括由基质致密化的纤维增强件，所述叶片的纤维增强件由根据权利要求1至8中任一项所述的纤维织构构成。
10.一种航空涡轮机(200)，所述航空涡轮机包括设有多个根据权利要求9所述的风扇叶片的风扇。
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