CN115461528A - 用复合材料制造涡轮发动机风扇外壳的模具 - Google Patents

用复合材料制造涡轮发动机风扇外壳的模具 Download PDF

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拉乌尔·焦索
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Abstract

本发明涉及一种用于制造由复合材料制成的涡轮发动机风扇外壳的模具(1)，包括：‑芯轴(2)，风扇外壳的纤维预制件将缠绕在所述主轴芯轴上；‑多个反模具角扇区(3)，组装在所述芯轴的外轮廓上，用于闭合模具(1)并压紧缠绕在所述芯轴(2)上的纤维预制件；其特征在于，每个角扇区(3)一方面包括位于所述角扇区(3)第一端的第一侧法兰(33)，另一方面包括位于所述角扇区(3)第二端且与所述第一端相对的第二侧法兰(34)，所述第一侧法兰(33)和第二侧法兰(34)被配置为分别与相邻角扇区(3)的第二侧法兰(34)和第一侧法兰(33)配合；至少一个角扇区(3)包括形成在所述第一侧法兰(33)和第二侧法兰(34)中的至少一个中的第一凹槽(36)，第一密封件(5)位于所述第一凹槽(36)中，所述第一密封件(5)被配置为被压紧在两个相邻角扇区(3)的第一侧法兰(33)与第二侧法兰(34)之间。

Description

用复合材料制造涡轮发动机风扇外壳的模具
发明背景
本发明涉及涡轮发动机外壳制造的一般领域，尤其涉及航空发动机燃气涡轮风扇的保持外壳(containment casing)。
在航空涡轮发动机中，风扇外壳具有多种功能。风扇外壳限定涡轮发动机的进气流，支撑面向风扇叶片尖端的可磨损材料，支撑用于在涡轮发动机入口处进行声学处理的可能的声波吸收结构，并结合或支撑保持护罩。
保持护罩形成一个捕捉器，保留碎片，例如被吸入的物体或在离心力的影响下投射的受损叶片的碎片，以避免这些碎片通过外壳并到达飞行器的其他部分。
已知用复合材料，尤其是有机基复合材料，制造风扇外壳。为此，将纤维织构缠绕在芯轴上以形成具有待制造的外壳形状的纤维预制件。然后通过基质使纤维预制件致密。
为了实现基质对纤维预制件的致密化，将所述纤维预制件缠绕在浸渍芯轴上，然后在浸渍芯轴周围设置反模具角扇区以形成注塑模具。然后将基质的前体材料注入模具中，以便用所述基质的前体材料使纤维预制件致密。一旦纤维基质被致密化，前体材料就被聚合。
例如已知文件WO2017/089680，其描述了一种用于制造由复合材料制成的风扇外壳的注塑模具，该注塑模具包括围绕浸渍芯轴布置的多个角扇区。
在文件WO2017/089680中，不同角扇区之间的密封由T形部件提供，T形部件通过螺栓附接在每个角扇区之间并且每个都压缩与两个相邻角扇区重叠的平面密封件。
这种解决方案的缺点是需要相当长的处理时间，特别是在拧紧或拧下将T形部件附接到角扇区的螺栓时。
此外，这种类型的注塑模具可能会遇到刚度问题，尤其是角扇区之间连接处的刚度问题。
发明内容
因此，本发明的主要目的是减弱这种类型的缺点，根据本发明的第一方面，提出了一种用于制造由复合材料，更确切地说，由有机基复合材料制成的涡轮发动机风扇外壳的模具，其包括：
-芯轴，风扇外壳的纤维预制件将缠绕在所述主轴芯轴上；
-多个反模具角扇区，组装在所述芯轴的外轮廓上，用于闭合模具并压紧缠绕在所述芯轴上的纤维预制件；
其特征在于，每个角扇区一方面包括位于角扇区第一端的第一侧法兰，另一方面包括位于角扇区第二端且与所述第一端相对的第二侧法兰，所述第一侧法兰和第二侧法兰被配置为分别与相邻角扇区的第二侧法兰和第一侧法兰配合，
至少一个角扇区，包括形成在第一侧法兰和第二侧法兰中的至少一个中的第一凹槽，第一密封件位于所述第一凹槽中，所述第一密封件被配置为被压紧在两个相邻角扇区的第一侧法兰与第二侧法兰之间。
模具还可以包括以下附加特征，这些特征可以单独使用，也可以根据技术上可能的组合组合使用：
-每个角扇区包括被配置为分别与芯轴的上游法兰和下游法兰配合的前法兰和后法兰，所述上游法兰和下游法兰分别包括第二凹槽和第三凹槽，第二密封件和第三密封件分别位于所述第二凹槽和第三凹槽中，所述第二密封件被配置为被压紧在芯轴的上游法兰和角扇区的前法兰之间，所述第三密封件被配置为被压紧在芯轴的下游法兰和角扇区的后法兰之间，所述第一凹槽一方面通向所述第二凹槽，另一方面通向所述第三凹槽；
-所述模具包括第一组角扇区，其中所述第一凹槽形成在所述第一侧法兰和所述第二侧法兰上；以及第二组角扇区，其中所述第一侧法兰与第二侧法兰是光滑的，所述第一组的一个角扇区位于所述第二组的两个角扇区之间；
-所述第一凹槽形成在每个角扇区的第一法兰上；
-所述第一凹槽具有波状形状；
-所述第一凹槽呈锯齿状(crenelated)，所述第一凹槽一方面包括多个径向向内的槽，另一方面包括多个径向向外的槽；
-所述角扇区的第一法兰和第二法兰包括孔，每个角扇区通过螺栓连接到相邻角扇区，所述螺栓连接一方面位于所述角扇区的第一侧法兰的孔中，另一方面位于相邻角扇区的第二侧法兰的孔中；
-所述径向向外的槽位于两个孔之间；
-所述第一密封件由弹性体制成，例如冷硫化弹性体。
根据第二方面，本发明提出一种使用根据前述特征中任一项所述的模具制造由复合材料制成的涡轮发动机风扇外壳的方法，所述方法包括以下步骤：
-将风扇外壳的纤维预制件缠绕在芯轴周围；
-通过将所述角扇区的第一侧法兰连接到相邻角扇区的第二侧法兰，在所述芯轴的外轮廓上组装多个反模具角扇区；
-通过将复合材料基质的前体材料注入模具中来使所述纤维预制件致密化；
-聚合所述前体材料以获得复合材料的基质；
-移除所述多个角扇区；
-将所述风扇外壳脱模。
附图说明
本发明的其他特征和优点将通过下面给出的描述并参考附图来揭示，这些附图示出了示例性实施例，不存在任何限制性特征。在这些附图中：
-图1是用于制造复合材料涡轮发动机风扇外壳的模具的示意图；
-图2为图1模具的相邻角扇区之间的配合示意图；
-图3a是图2的区域A的更精确视图，未显示密封件；
-图3b是图2的区域B的更精确视图，未显示密封件；
-图4示意性地显示了复合材料风扇外壳的制造方法的不同步骤。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，用于制造由复合材料制成的涡轮发动机风扇外壳的模具1包括芯轴2，风扇外壳的纤维预制件缠绕在芯轴2上。
该模具1用于通过RTM(“树脂转移成型”)类型的工艺对纤维状预制件进行浸渍。
纤维预制件可以通过纤维的二维编织(2D编织)或优选地通过纤维的三维编织(3D编织)制成。
这里所说的“三维编织”或“3D编织”，甚至“多层编织”是一种编织模式，其中至少一些纬纱在多个经纱层上连接经纱，或者相反，根据与编织图案相对应的编织，所述编织图案尤其可以选自以下图案之一：互锁、多平纹、多缎纹和多斜纹。
“二维编织”或“2D编织”应理解为传统的编织模式，其中每根经纱从单层纬纱的一侧穿到另一侧。
纤维预制件可以由碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维甚至陶瓷纤维制成。
纤维预制件围绕其缠绕的芯轴2的外壁具有与待制造风扇外壳的轮廓相对应的轮廓。
模具1还包括多个反模具角扇区3，它们可拆卸地组装在芯轴2的外轮廓上。一旦组装在芯轴2的外轮廓上，角扇区3闭合模具1并压紧纤维预制件。
通过角扇区3压紧纤维预制件，可将预制件压缩至所需厚度，并在风扇外壳中获得所需的纤维体积密度。
为了将角扇区3附接到芯轴2，芯轴2包括位于芯轴2前端的上游法兰21和位于芯轴2后端的下游法兰22，并且每个角扇区3一方面包括构造成与上游法兰21配合的前法兰31，另一方面包括构造成与下游法兰22配合的后法兰32。
在图1至图4所示的变体中，角扇区3的前法兰31和后法兰32通过螺栓连接分别附接到上游法兰21和下游法兰22，螺栓连接布置在前法兰31、后法兰32、上游法兰21与下游法兰22中形成的孔中。
此外，角扇区3彼此附接，每个角扇区3附接到与其相邻的两个角扇区。
每个角扇区3包括位于角扇区3的第一端的第一侧法兰33和位于所述角扇区3的第二端的第二侧法兰34，第二端与第一端相对。
对于每个角扇区3，第一侧法兰33配置为与相邻角扇区的第二侧法兰34配合，因此第二侧法兰34配置为与其他相邻角扇区3的第一侧法兰33配合。
因此，为了将多个角扇区3连接到芯轴2的轮廓上，每个角扇区2连接到以下元件：
-角扇区3的前法兰31连接到芯轴2的上游法兰21；
-角扇区3的后法兰32连接到芯轴的下游法兰22；
-角扇区3的第一侧法兰33连接到第一相邻角扇区3的第二侧法兰34；
-角扇区3的第二侧法兰34连接到第二相邻角扇区3的第一侧法兰33。
角扇区3相互直接连接在一起，而不是在每个角扇区之间放置中间零件，这一事实能够在角扇区3之间连接处加强模具1的刚度，从而限制模具在角度扇区3之间连接处的变形。
为了连接第一侧法兰33和第二侧法兰34，所述第一侧法兰33和第三侧法兰34包括孔35，允许螺栓通过。
为了确保不同角度扇区3之间的密封，在第一侧法兰33和第二侧法兰34中的至少一个中形成第一凹槽36。
更准确地说，第一凹槽36形成在第一侧法兰33和/或第二侧法兰34的平坦部分中，该平坦部分支撑在第二侧法兰34或相邻角扇区3的第一侧法兰33的互补平坦部分上。
第一密封件5位于第一凹槽36内，所述第一密封件5因此被压紧在第一侧法兰33和第二侧法兰34之间，从而能够密封角扇区3之间的连接。图3a和3b中未显示第一密封件5，以使第一凹槽36可见。
第一密封件5可以由适合第一密封件5所遇到的应力的弹性体制成，特别是冷硫化(或室温硫化(RTV))弹性体，例如冷硫化硅酮，从而对第一密封件5所受到的应力具有良好的抵抗力，并且使用简单。
在图2所示的变体实施例中，第一凹槽36不是在所有角扇区3上形成的，而是仅在所述角扇区的一部分上形成的。
更准确地说，在图2所示的变体中，模具1一方面包括第一组角扇区3，其中第一凹槽36在第一侧法兰33和第二侧法兰34上形成，另一方面包括第二组角扇区3，第一侧法兰33和第二侧法兰34是光滑的，即，第一侧法兰33和第二侧法兰34没有第一凹槽36。
第一组的一个角扇区3位于第二组的两个角扇区3之间。因此，在该变体中，不同角扇区3之间的密封通过以下方式获得：
-位于第一组角扇区3的第一侧法兰33中形成的第一凹槽36中的第一密封件5被压紧在第一组角扇区3的第一侧法兰33和第二组角扇区3的第二侧法兰34之间；
-位于第一组角扇区3的第二侧法兰34中形成的第一凹槽36中的第一密封件5被压紧在第一组角扇区3的第二侧法兰34和第二组角扇区3的第一侧法兰33之间。
根据另一种可能的变体，第一凹槽36可以形成在每个角扇区3的第一侧法兰33上，从而使第一密封件5被压紧在第一侧法兰33和第二侧法兰34之间，第二侧法兰34对于其本身而言是光滑的。应该注意的是，同样地，第一凹槽36可以形成在每个角扇区3的第二侧法兰34中，而第一侧法兰33是光滑的。这里所说的“光滑”也可以理解为，第一侧法兰33或第二侧法兰34没有第一凹槽36。
为了确保芯轴2和角扇区3之间的密封，芯轴2的上游法兰21包括第二凹槽23，芯轴2中的下游法兰22包括第三凹槽24。
第二凹槽23是一个环形凹槽，它位于上游法兰21的轮廓上，更确切地说，位于上游法兰21中与角扇区3的前法兰31的互补平坦表面接触的平坦表面上。
第三凹槽24也是一个环形凹槽，它位于下游法兰22的轮廓上，更确切地说，位于下游法兰22中与角扇区3的后法兰32的互补平坦表面接触的平坦表面上。
第二密封件6位于第二凹槽23内，第三密封件7位于第三凹槽24内。
第二密封件6被配置为被压紧在芯轴2的上游法兰21和角扇区3的前法兰31之间，从而确保芯轴2的上游法兰21与角扇区3的前法兰31之间连接的密封。
第三密封件7被配置为被压紧在芯轴2的下游法兰22和角扇区3的后法兰32之间，从而确保芯轴2的下上游法兰22与角扇区3的后法兰32之间连接的密封。
第二密封件6和第三密封件7可以由弹性体制成，这是一种适合第二密封件6和第三密封件7所遇到的应力的材料。第二密封件6和第三密封件7可以由冷硫化(或室温硫化(RTV))弹性体，尤其是冷硫化硅酮制成。
如图3a和3b所示，当角扇区3连接到芯轴2时，在第一侧法兰34中形成的第一凹槽36一方面通向上游法兰21中形成的第三凹槽23，另一方面通向下游法兰22中形成的第三凹槽24。
第一凹槽36通向第二凹槽23和第三凹槽24，这样可以确保密封的连续性。
此外，如图2所示，第一凹槽36具有波状形状，从而可以限制第一密封件5离开所述第一凹槽36的风险。
第一凹槽36的波状形状有利地为锯齿形，所述第一凹槽36包括径向向内的槽和径向向外的槽。这种类型的锯齿状能够限制第一密封件5离开第一凹槽36的风险。
这里可以理解，径向向内的槽是指第一凹槽36中第一凹槽36接近芯轴2的一部分，径向向外的槽是表示第一凹槽36中第一凹槽36离开芯轴2的一部分。
如图2所示，从第一凹槽36径向向外的槽可以有利地定位在两个孔35之间。
模具1可用于实施如图4所示的复合材料风扇外壳的制造方法，该方法包括以下步骤：
-E1：将风扇外壳纤维预制件缠绕在芯轴2周围；
-E2：通过将角扇区3的第一侧法兰33连接到相邻角扇区3的第二侧法兰34，在所述芯轴的外轮廓上组装多个反模具角扇3。通过将扇区3的前法兰31和后法兰32连接到芯轴2的上游法兰21和下游法兰22，角扇区3也连接到芯轴2；
-E3：通过将复合材料基质的前体材料注入模具1中来使所述纤维预制件致密化，所述模具1包括用于注射所述前体材料的注射开口；
-E4：聚合所述前体材料以获得复合材料的基质；
-E5移除所述多个角扇区3，该步骤通过将第一侧法兰33与第二侧法兰34分离，将前法兰31与上游法兰21分离，以及将后法兰32与下游法兰32分离来完成；
-E6：将所述风扇外壳脱模。

Claims (10)

1.一种用于制造由复合材料制成的涡轮发动机风扇外壳的模具(1)，包括：
-芯轴(2)，风扇外壳的纤维预制件将缠绕在所述主轴芯轴上；
-多个反模具角扇区(3)，组装在所述芯轴的外轮廓上，用于闭合模具(1)并压紧缠绕在所述芯轴(2)上的纤维预制件；
其特征在于，每个角扇区(3)一方面包括位于所述角扇区(3)第一端的第一侧法兰(33)，另一方面包括位于所述角扇区(3)第二端且与所述第一端相对的第二侧法兰(34)，所述第一侧法兰(33)和第二侧法兰(34)被配置为分别与相邻角扇区的第二侧法兰(34)和第一侧法兰(33)配合，
至少一个角扇区(3)，包括形成在所述第一侧法兰(33)和第二侧法兰(34)中的至少一个中的第一凹槽(36)，第一密封件(5)位于所述第一凹槽(36)中，所述第一密封件(5)被配置为被压紧在两个相邻角扇区(3)的第一侧法兰(33)与第二侧法兰(34)之间。
2.根据权利要求1所述的模具(1)，其中，每个角扇区(3)包括被配置为分别与所述芯轴(2)的上游法兰(21)和下游法(22)兰配合的前法兰(31)和后法兰(32)，所述上游法兰(21)和下游法兰(22)分别包括第二凹槽(23)和第三凹槽(24)，第二密封件(6)和第三密封件(7)分别位于所述第二凹槽(23)和第三凹槽(24)中，所述第二密封件(6)被配置为被压紧在所述芯轴(2)的上游法兰(21)和所述角扇区(3)的前法兰(31)之间，所述第三密封件(7)被配置为被压紧在所述芯轴(2)的下游法兰(22)和所述角扇区(3)的后法兰(32)之间，所述第一凹槽(36)一方面通向所述第二凹槽(23)，另一方面通向所述第三凹槽(24)。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的模具(1)，其中，所述模具(1)包括第一组角扇区(3)，其中所述第一凹槽(36)形成在所述第一侧法兰(33)和所述第二侧法兰(34)上，以及第二组角扇区(3)，其中所述第一侧法兰(33)与第二侧法兰(34)是光滑的，所述第一组的一个角扇区(3)位于所述第二组的两个角扇区(3)之间。
4.根据权利要求1到2中任一项所述的模具(1)，其中，所述第一凹槽(36)形成于每个角扇区(3)的第一侧法兰(33)上。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的模具(1)，其中，所述第一凹槽(36)具有波状形状。
6.根据权利要求5所述的模具(1)，其中，所述第一凹槽(36)呈锯齿状，所述第一凹槽(36)一方面包括多个径向向内的槽，另一方面包括多个径向向外的槽。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的模具(1)，其中，所述角扇区(3)的第一法兰和第二法兰包括孔(35)，每个角扇区(3)通过螺栓连接到相邻角扇区(3)，所述螺栓连接一方面位于所述角扇区(3)的第一侧法兰(33)的孔中，另一方面位于相邻角扇区(3)的第二侧法兰(34)的孔(35)中；
8.根据权利要求7结合权利要求6所述的模具(1)，其中，所述径向向外的槽位于两个孔(35)之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的模具(1)，其中，所述第一密封件(5)由弹性体制成，例如冷硫化弹性体。
10.一种使用根据权利要求1至9任一项所述的模具(1)制造复合材料涡轮发动机风扇外壳的方法，所述方法包括以下步骤：
-(E1)：将风扇外壳的纤维预制件缠绕在芯轴(2)周围；
-(E2)：通过将角扇区(3)的第一侧法兰(33)连接到相邻角扇区(3)的第二侧法兰(34)，在所述芯轴(2)的外轮廓上组装多个反模具角扇区(3)；
-(E3)：通过将复合材料基质的前体材料注入模具(1)中来使所述纤维预制件致密化；
-(E4)：聚合所述前体材料以获得复合材料的基质；
-(E5)：移除所述多个角扇区(3)；
-(E6)：将所述风扇外壳脱模。
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