CN115379945A - 用于复合材料制成的涡轮机叶片的纤维纺织结构 - Google Patents

用于复合材料制成的涡轮机叶片的纤维纺织结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维纺织结构(100)，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机(1)叶片(10)的纤维增强体，所述复合材料在由第一纤维制成的多根经纱或股线与由第一纤维制成的多根纬纱或股线之间具有三维编织，所述纺织结构包含叶片根部部分(110)、叶片翼型部分(120)和自由端(121)，所述纺织结构在对应于叶片前缘(13)的第一边缘(101)和对应于叶片后缘(14)的第二边缘(102)之间沿横向(T)延伸，其特征在于，叶片翼型部分(120)具有增强区(140)，所述增强区从自由端(121)沿纵向(L)在小于或等于在纵向上测量的纺织结构长度(L0)的20％的第一长度(L1)上延伸，并且从第二边缘(102)沿横向(T)在小于或等于在纺织结构自由端(121)处在横向上测量的纤维纺织结构宽度(L3)的75％的第二长度(L2)上延伸，所述增强区包含由不同于第一纤维的第二纤维(T1‑T4)制成的纬纱或股线，所述第二纤维的断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率。本发明还涉及一种涡轮机叶片和一种制造所述纺织结构的方法。

Description

用于复合材料制成的涡轮机叶片的纤维纺织结构
技术领域
本发明涉及用于航空的复合材料部件的一般领域。更具体地，本发明涉及一种纤维纺织结构(fibrous texture)，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强体。
背景技术
在航空涡轮机领域，无论是从这些部件的制造成本，还是从涡轮机的能源和环境效益来看，减少部件的质量都是一个主要问题。这个问题很快导致了对复合材料(特别是有机基质复合材料(OMC))所制成部件的研发，以取代涡轮喷气发动机不同部分的传统金属部件。
然而，有机基质复合材料制成的叶片的生产带来了一些问题，特别是在抗冲击方面。事实上，所述叶片的位置，例如在风扇或压缩机中，可能会使其暴露于各种物体(鸟、砾石、冰块、沙子等)的冲击下，随后OMC叶片会被损坏或侵蚀。
众所周知，可以将金属箔置于叶片的前缘，以保护前缘免受冲击，同时保持减小的质量。然而，为了解决空气动力的压力问题，风扇的复合材料叶片的主体可能有厚度小的区域，在受到冲击的情况下仍有可能损坏。
因此，需要一种质量减小并且抗冲击性更强的涡轮机叶片。
发明内容
为此，本发明提出了一种纤维纺织结构，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强体，所述复合材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述纺织结构是一体的，并且在沿纵向延伸的由第一纤维制成的多根经纱或股线与沿横向延伸的由第一纤维制成的多根纬纱或股线之间具有三维编织，所述纺织结构包含叶片根部部分和在叶片根部和纤维纺织结构的自由端之间延伸的叶片翼型部分，所述纺织结构在对应于叶片前缘的第一边缘和对应于叶片后缘的第二边缘之间沿横向延伸。所述纤维纺织结构的特征在于，叶片翼型部分具有增强区，所述增强区从纤维结构的自由端沿纵向在第一长度上延伸，并且从第二边缘沿横向在第二长度上延伸，所述第一长度小于或等于沿纵向测量的纺织结构长度的20％，优选小于或等于10％，所述第二长度小于或等于在纺织结构自由端处沿横向测量的纤维纺织结构宽度的75％，，所述增强区包含由不同于第一纤维的第二纤维制成的纬纱或股线，第二纤维的断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率，并且增强区中的第二纤维的第一体积率大于纤维纺织结构的叶片翼型部分的其余部分中的第二纤维的第二体积率。
换言之，增强区中的第二纤维多于叶片翼型部分的其他部分。特别地，第二纤维可以主要存在于增强区的纬纱中。
所谓"纺织结构部分的第二纤维的体积率"是指所述纤维所占的体积与该部分中所有纤维所占的总体积之间的比率。纱线或股线可以只由相同材料的纤维组成。应理解，所谓"三维编织"或"3D编织"是一种编织模式，通过这种模式，至少其中一些经纱在多个纬纱层上与纬纱相互连接(interlink)。在本文中，经和纬之间可以角色互换，而且必须视为同样被权利要求涵盖。
具有该纤维纺织结构，就有可能生产出能够更好地抵御物体(尤其像小型或中型鸟类)冲击的叶片，所述物体的冲击可以在机翼尖端的后缘水平和横向方向上造成可观察到的局部损坏。位于增强区的第二纤维的断裂伸长率较大，使得包含所述纤维结构作为增强体的叶片能够承受所述冲击，而不会使其质量明显增加(第二纤维的质量通常大于第一纤维的质量)。使用第二纤维作为纬纱或股线使得制造所述纤维纺织结构变得容易，因为在织机上编织时，只需用第二纤维制成的纬纱或股线替换用第一纤维制成的纬纱或股线即可，如后文详述。
在一个示例性的实施方式中，所述叶片翼型部分可以进一步包含与增强区沿横向相邻的过渡区，其中，由第二纤维制成的纬纱或股线被由第一纤维制成的纬纱或股线取代，由第二纤维制成的纬纱或股线在沿横向的偏移的位置处逐渐离开过渡区的纤维纺织结构，所述由第二纤维制成的纬纱或股线在由第二纤维制成的纬纱或股线的偏移的离开位置水平处逐渐被由第一纤维制成的纬纱或股线取代。
所述的排布使得对包含该纺织结构作为增强体的叶片的损伤沿着横向方向逐渐分散，而不是集中在同一个纵向平面(经线平面)，这使得在受到冲击时仍能提高叶片的抗冲击性。
在一个示例性的实施方式中，所述过渡区沿横向在10mm至100mm的长度上延伸。
在一个示例性的实施方式中，其中增强区中第二纤维的体积可以随着沿纵向移动远离纤维纺织结构的自由端而减小。所述的排布可以允许沿着纵向方向的刚度(stiffness)逐渐过渡区，从而允许进一步提高抗冲击性。
在一个示例性的实施方式中，所述第一长度小于或等于100mm。
在一个示例性的实施方式中，所述第二长度小于或等于在纺织结构的自由端水平处沿横向测量的纤维纺织结构宽度的50％。
在一个示例性的实施方式中，第一纤维由碳制成，第二纤维由选自如下的材料制成：玻璃、玄武岩、芳纶或聚酯。
在一个示例性的实施方式中，第一体积率可以至少为30％，优选为30％至90％
本发明还涉及一种由复合材料制成的风扇叶片(10)，所述材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述叶片的纤维增强体包含如上文所述的纤维纺织结构(100)。
本发明还涉及一种包含风扇的航空涡轮机，所述风扇包括旋转盘和安装在旋转盘上的如上文所述的多个叶片。
最后，本发明涉及一种纤维纺织结构的制造方法，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机叶片的纤维增强体，所述复合材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述纺织结构是一体的，并且通过在沿纵向延伸的由第一纤维制成的多根经纱或股线与沿横向延伸的由第一纤维制成的多根纬纱或股线之间的三维编织获得，所述纺织结构包含叶片根部部分和在叶片根部和纤维纺织结构的自由端之间延伸的叶片翼型部分，所述纺织结构在对应于叶片前缘的第一边缘和对应于叶片后缘的第二边缘之间沿横向延伸。所述方法的特征在于，叶片翼型部分具有增强区，所述增强区从纤维织物的自由端沿纵向在第一长度上延伸，并且从第二边缘沿横向在第二长度上延伸，所述第一长度小于或等于沿纵向测量的纤维织物的长度的20％，优选小于或等于10％，所述第二长度小于或等于在纤维织物自由端水平处横向测量的宽度的75％，所述增强区包含由不同于第一纤维的第二纤维制成的纬纱或股线，第二纤维的断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率，并且增强区中的第二纤维的第一体积率大于纤维纺织结构的叶片翼型部分的其余部分中的第二纤维的第二体积率。
在一个示例性的实施方式中，所述叶片翼型部分可以进一步包含与增强区沿横向相邻的过渡区，其中由第二纤维制成的纬纱或股线被由第一纤维制成的纬纱或股线取代，过渡区中由第二纤维制成的纬纱或股线沿横向在的偏移的位置处逐渐离开纤维纺织结构，所述由第二纤维制成的纬纱或股线在由第二纤维制成的纬纱或股线的偏移的离开位置水平处逐渐被由第一纤维制成的纬纱或股线取代。
一种由复合材料制成的风扇叶片的制造方法，所述材料包含由基质致密化的纤维增强体，可包含以下步骤：生产如上所述的纤维纺织结构，使所述纺织结构进行成型以获得叶片预制件，并在预制件的孔隙中形成基质以获得所述叶片。纤维纺织结构是通过三维编织获得的，例如可以是互锁型(interlock–type)编织。所述基质可以是有机基质，并由树脂获得。因此，所述基质可以通过树脂注塑成型(RTM或树脂转移模塑成型方法)形成。
附图简要说明
[图1]图1是航空涡轮机的示意性纵向剖视图。
[图2]图2显示了根据本发明的一个实施方式的航空涡轮机风扇叶片。
[图3]图3显示了根据本发明的一个实施方式的纤维纺织结构。
[图4]图4显示了图3的纤维纺织结构在其自由端水平处的放大示意图，其中，可以看到一些纬纱的路径。
[图5]图5显示了纤维纺织结构在其自由端水平的增强区的纵向剖视图。
实施方式的描述
图1显示了航空涡轮机1的示意性纵向剖视图，此处是以A-A轴为中心的涡轮风扇发动机。其在涡轮机中沿气流方向F从上游到下游包括：风扇2，低压压缩机3，高压压缩机4，燃烧室5，高压涡轮6和低压涡轮7。
风扇2特别包含旋转盘8，其上安装有多个风扇叶片10，其中一个叶片显示在图2中。
所述风扇叶片10沿纵向L在根部11和自由端12之间延伸，并且沿横向T在前缘13和后缘14之间延伸。在根部11和自由端12之间，所述叶片包括支撑体15和位于支撑体(stilt)15和自由端12之间的翼型体16。风扇叶片10是由复合材料制成的，包含由基质致密化的纤维增强体。
在图示的示例中，叶片10具有金属前缘17，例如金属箔的形式的金属前缘。所述金属前缘17可以在获得叶片10后固定，或者在其制造方法期间用已知的方式集成到叶片10中。
图3显示了纤维纺织结构100的示意图，所述纤维纺织结构旨在形成如图2的涡轮机叶片的纤维增强体。所述纤维纺织结构100可以通过如下过程获得：在提花型织机上对纤维坯料进行三维编织，并从编织的纤维坯料上切割多余的纱线。
纤维纺织结构100可以具有三维编织，例如主要包含互锁或多层编织。所谓"互锁编织"是指一种三维编织，其中，各层经纱与多层纬纱相互连接，同一经列(warp column)中的所有纱线在编织平面上具有相同的位移。文件WO2006/136755描述了这种编织的生产。正如下文所描述的，所述纤维纺织结构可以成型，然后致密化，以获得如图2中所示的风扇叶片10。
所述纤维纺织结构100沿纵向L在叶片根部部分110和叶片翼型部分120之间延伸。所述纺织结构100具有位于与叶片根部110相对的叶片翼面部分120的末端处的自由端121。在叶片根部部分110和叶片翼型部分120之间有叶片支撑部分130。一般地，叶片根部部分110比叶片支撑部分130厚，而叶片翼型部分120的厚度是可变的。纤维纺织结构100沿横向T在旨在形成叶片10前缘13的第一边缘101和旨在形成叶片10后缘14的第二边缘102之间延伸。
在图示的示例中，纵向L也对应于纤维纺织结构100中经纱沿其延伸的一般方向，而横向T对应于纬纱沿其延伸的一般方向。需注意，在全文中，经和纬可以互换。
纤维纺织结构100在由第一纤维制成的多根经纱和由第一纤维制成的多根纬纱之间具有三维或多层编织(weaving)。根据本发明，纤维纺织结构100还具有由第二纤维制成的纬纱，所述第二纤维与第一纤维不同，其断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率。更具体地，纤维纺织结构100具有包含由第二纤维制成的纬纱的增强区140。增强区140从纤维纺织结构的自由端121沿纵向L在第一长度L1上延伸，并且从第二边缘102沿横向T在第二长度L2上延伸，所述第一长度L1小于或等于纤维纺织结构100沿纵向L测量的长度L0的20％，优选小于或等于10％，所述第二长度L2小于或等于在纤维纺织结构100的自由端121水平上沿横向T测量的宽度L3的75％。例如，长度L1可以小于或等于100mm。例如，长度L2可以小于或等于宽度L3的50％。
增强区140中第二纤维的第一体积率大于叶片翼型部分120其余部分中第二纤维的第二体积率。换言之，第二纤维主要存在于叶片翼型部分120的增强区140中。第二纤维主要位于所述区140的纬纱中。第一体积率可以是至少30％，优选是30％至90％。
第一纤维的材料可以是碳。第二纤维的材料可以选自以下材料：玻璃、玄武岩、芳纶、聚酯，或其组合。下表给出了可以使用的几种纤维的一般断裂伸长率。
[表1]
Figure BDA0003867371010000061
例如，可以选择碳作为第一纤维，选择玻璃作为第二纤维。也可以使用多种类型的纬纱或纱线，其包含断裂伸长率大于第一纤维的不同纤维。需注意，第一和第二纤维的材料可以是相同的。例如，第一和第二纤维可以由碳制成，只要其断裂伸长率不同即可。例如，可以选择由
Figure BDA0003867371010000062
IM7(由赫氏(Hexcel)公司销售)制成的第一种碳纤维，以及由
Figure BDA0003867371010000063
T1100(由东丽公司销售)制成的第二种碳纤维。
第一纤维的断裂伸长率例如可以小于或等于2.1％，而第二纤维的断裂伸长率可以大于或等于2.4％。
纤维纺织结构100还包含过渡区150，所述过渡区与增强区140沿横向T相邻，其中由第二纤维制成的纬纱被由第一纤维制成的纬纱所取代。所述过渡区150将用图4进行更详细的描述。
图4示意性地表示了在增强区140中编织的四根由第二纤维制成的纬纱T1、T2、T3和T4的路径。纬纱T1至T4通过第二边缘102插入纤维纺织结构100，然后在增强区140中与经纱(未表示)编织，最后在过渡区150中离开纤维纺织结构100。在该示例中，由第二纤维制成的纬纱T1至T4沿横向T在偏移的位置上逐渐离开纤维纺织结构100，换言之，纬纱T1至T4在不同的横向平面或经线平面P1、P2、P3和P4的水平上离开纤维纺织结构100。更具体地，在该示例中，最靠近纤维纺织结构100的自由端121的纬纱T1在位于比纬纱T2离开的经线平面P2更靠近第一边缘101的经线平面P1的水平处离开，而纱线T2比纬纱T1离自由端121更远。这同样适用于在沿横向方向偏移的经线平面P3和P4水平处离开的纱线T3和T4。
纬纱T1至T4随后在过渡区150中被第一纤维制成的纬纱T5、T6、T7和T8所取代，这些纬纱分别位于纱线T1、T2、T3和T4的偏移离开位置的水平处或紧邻位置。因此，将纬纱T5、T6、T7和T8插入过渡区150的纤维纺织结构100中，然后在纤维纺织结构100的剩余部分上正常编织。该排布允许使第一纤维和第二纤维之间的刚度变化位置分布在多个经线平面上，以进一步提高抗冲击性。例如，所述过渡区150在10mm至100mm的长度L4上延伸。
图5显示了增强区140中的纤维纺织结构100的纵向剖视图，显示了增强区140中第二纤维的体积率随着沿纵向L移动远离纤维纺织结构的自由端121而减少的特性。由第一纤维制成的纬纱以浅色表示，由第二纤维制成的纬纱以黑色表示。可以看出，在每一列纬纱中由第二纤维制成的纬纱的比例随着移动远离自由端121而减少。所述排布能够确保增强区140和纤维纺织结构100的翼型部分120的其余部分之间在纵向L上有刚度逐渐过渡区，以便在发生冲击时进一步增加抗冲击性。图5所示的示例显示了增强区的纵向剖面，其厚度的递减对应于纵向上纱线数量的减少。根据一个实施方式变体，存在于增强区的纱线数量在纵向上是恒定的。
为了获得如图2所示的风扇叶片10，通过三维编织产生纤维纺织结构100，使所述纺织结构成型以获得具有适当几何形状的叶片预制件，并在预制件的孔隙中形成基质以获得该叶片。在编织过程中，可以在上述纤维纺织结构的增强区140中用第二纤维制成的纬纱取代第一纤维制成的纬纱。
风扇叶片10可以通过树脂传递模塑成型(RTM)方法生产，其中，将所述预制件置于具有叶片形状的模具中，在其中注入树脂，然后进行聚合。在这种情况下，所述基质可以是有机基质，并由环氧型树脂获得。

Claims (12)

1.一种纤维纺织结构(100)，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机(1)叶片(10)的纤维增强体，所述复合材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述纺织结构是一体的并且在沿纵向(L)延伸的由第一纤维制成的多根经纱或股线与沿横向(T)延伸的由第一纤维制成的多根纬纱或股线之间具有三维编织，所述纺织结构包含叶片根部部分(110)和在纤维纺织结构的自由端(121)和叶片根部之间延伸的叶片翼型部分(120)，所述纺织结构在对应于叶片前缘(13)的第一边缘(101)和对应于叶片后缘(14)的第二边缘(102)之间沿横向(T)延伸，
其特征在于，叶片翼型部分(120)具有增强区(140)，所述增强区从纤维结构的自由端(121)沿纵向(L)在第一长度(L1)上延伸，并且从第二边缘(102)沿横向(T)在第二长度(L2)上延伸，所述第一长度(L1)小于或等于沿纵向测量的纺织结构长度(L0)的20％，所述第二长度(L2)小于或等于在纺织结构自由端(121)处沿横向测量的纤维纺织结构宽度(L3)的75％，所述增强区包含由不同于第一纤维的第二纤维制成的纬纱或股线(T1–T4)，第二纤维的断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率，并且增强区(140)中的第二纤维的第一体积率大于纤维纺织结构的叶片翼型部分(120)的其余部分中的第二纤维的第二体积率。
2.如权利要求1所述的纤维纺织结构，其中，叶片翼型部分(120)进一步包含与增强区(140)沿横向(T)相邻的过渡区(150)，由第二纤维制成的纬纱或股线(T1-T4)被由第一纤维制成的纬纱或股线(T5-T8)取代，过渡区中由第二纤维制成的纬纱或股线(T1-T4)沿横向(T)在的偏移位置处逐渐离开纤维纺织结构，所述由第二纤维制成的纬纱或股线在由第二纤维制成的纬纱或股线的偏移的离开位置水平处逐渐被由第一纤维制成的纬纱或股线(T5-T8)取代。
3.如权利要求2所述的纤维纺织结构，其中，所述过渡区(150)沿横向在10mm至100mm的长度(L4)上延伸。
4.如权利要求1至3中任一项所述的纤维纺织结构，其中，所述增强区(140)中第二纤维的体积率随着沿纵向(L)移动远离纤维纺织结构的自由端(121)而减小。
5.如权利要求1至4中任一项所述的纤维纺织结构，其中，所述第一长度(L1)小于或等于100mm。
6.如权利要求1至5中任一项所述的纤维纺织结构，其中，所述第二长度(L2)小于或等于在纺织结构的自由端(121)水平处沿横向(T)测量的纤维纺织结构宽度(L3)的50％。
7.如权利要求1至6中任一项所述的纤维纺织结构，其中，所述第一纤维由碳制成，第二纤维由选自下列材料的材料制成：玻璃、玄武岩、芳纶或聚酯。
8.如权利要求1至7中任一项所述的纤维纺织结构，其中，所述第一体积率至少为30％。
9.一种由复合材料制成的风扇叶片(10)，所述复合材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述叶片的纤维增强体包含如权利要求1至8中任一项所述的纤维纺织结构(100)。
10.一种包含风扇(2)的航空涡轮机(1)，所述风扇包括旋转盘(8)和安装在旋转盘上的如权利要求9所述的多个叶片(10)。
11.一种纤维纺织结构(100)的制造方法，其旨在形成由复合材料制成的涡轮机(1)叶片(10)的纤维增强体，所述复合材料包含由基质致密化的纤维增强体，所述纺织结构是一体的，并且通过在沿纵向(L)延伸的由第一纤维制成的多根经纱或股线与沿横向(T)延伸的由第一纤维制成的多根纬纱或股线之间的三维编织获得，所述纺织结构包含叶片根部部分(110)和在叶片根部和纤维纺织结构的自由端(121)之间延伸的叶片翼型部分(120)，所述纺织结构沿横向(T)在对应于叶片前缘(13)的第一边缘(101)和对应于叶片后缘(14)的第二边缘(102)之间延伸，
其特征在于，叶片翼型部分(120)具有增强区(140)，所述增强区从纤维结构的自由端(121)沿纵向(L)在第一长度(L1)上延伸，并且从第二边缘(102)沿横向(T)在第二长度(L2)上延伸，所述第一长度(L1)小于或等于沿纵向测量的纺织结构长度(L0)的20％，所述第二长度(L2)小于或等于在纺织结构自由端(121)处沿横向测量的纤维纺织结构宽度(L3)的75％，所述增强区包含由不同于第一纤维的第二纤维制成的纬纱或股线(T1–T4)，第二纤维的断裂伸长率大于第一纤维的断裂伸长率，并且，增强区(140)中的第二纤维的第一体积率大于纤维纺织结构的叶片翼型部分(120)的其余部分中的第二纤维的第二体积率。
12.如权利要求11所述的纤维纺织结构，其中，叶片翼型部分(120)进一步包含与增强区(140)沿横向(T)相邻的过渡区(150)，其中，由第二纤维制成的纬纱或股线(T1-T4)被由第一纤维制成的纬纱或股线(T5-T8)取代，所述方法包括由第二纤维制成的纬纱或股线(T1-T4)沿横向(T)在偏移位置上逐渐离开过渡区，以及在由第二纤维制成的纬纱或股线的偏移的离开位置水平上插入第一纤维制成的纬纱或股线(T5-T8)作为由第二纤维制成的纬纱或股线的替代。
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