CN115485116A - 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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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：‑具有主轴线(θ)的芯轴(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(3a、3b)，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(2)上的纤维预制件；其特征在于，在每个角扇区(3a、3b)之间设置有平面密封件(5)，所述平面密封件(5)具有沿所述主轴线(θ)定向的主延伸轴线(β)，所述平面密封件(5)在两个相邻的角扇区(3a、3b)间压紧：第一角扇区(3a)，包括在所述平面密封件(5)的下表面下方通过的密封部分(30a)；第二角扇区(3b)，包括在所述平面密封件(5)的上表面上方通过的密封部分(30b)。

Description

用复合材料制造涡轮发动机风扇外壳的模具
技术领域
本发明涉及制造涡轮发动机风扇外壳的一般领域，更具体地涉及用于保持航空发动机的燃气涡轮风扇的外壳。
背景技术
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。一旦纤维预制件被致密化，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，该风扇外壳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。
这种类型的解决方案的缺点是需要很长的处理时间，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：
-主轴线芯轴，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，在每个角扇区之间设置有平面密封件，所述平面密封件具有沿所述主轴线定向的主延伸轴线，所述平面密封件在两个相邻的角扇区间压紧：第一角扇区，包括在所述平面密封件的下表面下方通过的密封部分；第二角扇区，包括在所述平面密封件的上表面上方通过的密封部分。
根据一个可能的特征，所述平面密封件围绕其主延伸轴线倾斜，使得所述平面密封件的上表面指向所述第二角扇区。
根据一个可能的特征，所述平面密封件的上表面平行于所述第二角扇区的密封部分。
根据一个可能的特征，所述芯轴包括上游法兰和下游法兰，第一环形密封件设置在所述上游法兰周围，第二环形密封件设置在所述下游法兰周围，所述平面密封件的下表面与所述第一环形密封件和所述第二环形密封件重叠。
根据一个可能的特征，径向向外突出的突起成角度地分布在所述上游法兰和下游法兰上，所述上游法兰的突起与所述下游法兰的突起轴向对齐，所述突起包括两个平坦面和两个平坦面之间接合处的峰部，所述第一角扇区的密封部分与所述上游法兰的突起的平坦面和所述下游法兰的突起的平坦面形成平坦表面，所述平面密封件设置在所述平坦表面上。
根据一种可能的特征，所述突起的形状像槽(slot)，或者所述突起的形状像齿。
根据一个可能的特征，由所述第一扇区的密封部分、所述上游法兰的突起的平坦面和所述下游法兰的突起的平坦面形成的所述平坦表面垂直于所述第二角扇区与所述芯轴的连接方向。
根据一个可能的特征，所述突起的两个平坦面具有彼此不同的斜率。
根据一个可能的特征，所述第一角扇区直接附接到所述第二角扇区。
根据一个可能的特征，所述平面密封件由弹性体制成。
根据第二方面，本发明涉及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；
-通过将第一角扇区设置在芯轴的外轮廓上，然后将平面密封件设置在所述第一角扇区的密封部分上，然后通过将第二角扇区的密封部分放置在平面密封件上而将第二角扇区设置在芯轴上，从而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
下面给出的描述将结合附图揭示本发明的其他特征和优点，附图说明了本发明的一个实施例，但没有任何限制性特征。
图1示意性地显示了根据第一实施例的用于制造由复合材料制成的风扇外壳的模具。
图2示意性地显示了图1中没有角扇区的模具的芯轴。
图3示意性地显示了图2芯轴上第一角扇区的定位，以及第一角扇区与平面密封件和第二角扇区的配合。
图4在剖面图中示意性地显示了第一角扇区、第二角扇区和压在两个角扇区之间的平面密封件之间的配合。
图5示意性地显示了根据第二实施例的模具。
图6示意性地显示了制造复合材料风扇外壳方法的不同步骤。
图7示意性地显示了第一角扇区在两个相邻的第二角扇区上的安装方向。
具体实施方式
如图1至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。芯轴2为圆柱形，具有主轴线θ。
模具1旨在用于使用RTM(“树脂传递模塑”)类型的方法浸渍纤维预制件。
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。
“三维编织”或“3D编织”，甚至“多层编织”应理解为一种编织模式，其中至少一些纬纱在多个经纱层上将经纱连接，或者相反，在与编织图案相对应的编织中，所述编织图案可以选自以下图案之一：互锁、多网(multi-web)、多缎纹(multi-satin)和多卷曲(multi-crimped)。
“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经纱的一侧穿过到另一侧。
纤维预制件可以使用碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维甚至陶瓷纤维制成。
纤维预制件围绕其卷绕的芯轴2的外壁20具有与待制造风扇外壳的轮廓相对应的轮廓。
模具1还包括多个成角度的反模具角扇区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并压缩纤维预制件。
一方面，通过角扇区3对纤维预制件的压缩能够迫使纤维预制件采用芯轴2的外表面20的轮廓，另一方面能够在风扇外壳中获得所需的纤维密度和厚度。
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，另一方面包括构造成与下游法兰22配合的后法兰。
在图1至图4所示的变体中，角扇区3的前法兰和后法兰通过螺栓连接分别附接到上游法兰21和下游法兰22，螺栓连接布置在角扇区3的前法兰和后法兰以及芯轴2的上游法兰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直接附接到与其相邻的两个角扇区3。角扇区3彼此附接的事实能够增加模具1的刚度。此外，角扇区直接彼此固定的事实能够通过省去现有技术中使用的T形部件来简化模具1。为此，每个角扇区3可以在其每个横向端部处包括法兰，从而相邻的角扇区3在它们的横向端部处通过它们的法兰附接。相邻角扇区3的横向端部的法兰的附接可以通过螺栓连接来完成。
如图2所示，第一环形密封件41布置在芯轴2的上游法兰21周围，第二环形密封件42布置在芯轴2的下游法兰22周围。第一环形密封件41和第二环形密封件42各自布置在形成于芯轴2的上游法兰21和下游法兰22中的凹部中。第一环形密封件41和第二环形密封件42被扇区3的前法兰31和后法兰32压紧，从而提高了模具1的密封性。
另外，为了提高模具1的密封性，在各角扇区3之间设置有平面密封件5。模具1因此包括多个平面密封件5，每个平面密封件5位于两个相邻的角扇区3之间。
平面密封件5由诸如弹性体之类的不可渗透材料条形成。
平面密封件5的布置如图3所示。为简化起见，图3中仅示出了单个平面密封件5和仅第一角扇区3a和第二角扇区3b，然而模具1包括多个第一角扇区3a、多个第二角扇区3b，以及多个平面密封件5。
如图3中可见，平面密封件5与芯轴2的主轴线θ对齐，换言之，平面密封件5包括平行于主轴线θ的主延伸轴线β。
平面密封件5被压在第一角扇区3a的密封部分30a与第二角扇区3b的密封部分30b之间。为此，第一角扇区3a的密封部分30a形成平坦表面，该平坦表面从平面密封件的下表面下方通过并且平面密封件5布置在该平坦表面上，并且第二角扇区3b的密封部分30b形成平坦表面，其与第一角扇区部3a的密封部分30a互补并且在平面密封件的上表面上方通过，从而将平面密封件5压靠在第一角扇区3a的密封部分30a上。调整第一角扇区3a的密封部分30a的形状和第二角扇区3b的密封部分30b的形状，以考虑平面密封件5的厚度，两个密封部分30a和30b彼此不接触，从而为平面密封件5留出足够的空间。
平面密封件5可以围绕其主延伸轴线β倾斜，使得平面密封件5的上表面指向第二角扇区30b，而平面密封件5的下表面指向第一角扇区3a。在该变体中，密封部分30a和密封部分30b分别形成倾斜的平坦表面。平面密封件5的上表面平行于第二角扇区3b的密封部分30b。
此外，平面密封件5与第一环形密封件41重叠并且与第二环形密封件42重叠，从而能够在第一角扇区3a和第二角扇区3b之间的连接处提供密封连续性。
如图3中特别可见，上游法兰21和下游法兰22包括多个向外突出的突起23。突起沿上游法兰21和下游法兰22成角度分布，突起23与主轴线θ对齐。突起23各自包括两个平坦面231，这两个平坦面231被峰部232分开。第一环形密封件41和第二环形密封件42沿突起23延伸。
平面密封件5设置成覆盖两个平坦面231：第一平坦面231位于上游法兰21上，第二平坦面231位于下游法兰22上，沿θ与第一平坦面231轴向对齐。当第一扇区3a安装在芯轴2上时，第一扇区3a的密封区30a位于第一平坦面231和第二平坦面231之间，以便与所述平坦面231形成平坦表面，密封件5安装在该平坦表面上。
第一角扇区3a在其两端各具有密封部分30a，其构造成接收平面密封件5，并且第二角形扇区3b在其两端各具有密封部分30b，其构造成将平面密封件5压靠在第一角扇区3a的密封部分30a上。
第一角扇区3a被两个第二角扇区3b包围，第二角扇区3b被两个第一角扇区3a包围。
优选地，为了限制平面密封件5被剪切的风险，由第一扇区3a的密封区30a、第一平坦面231和第二平坦面231形成的平面垂直于芯轴2上第二角扇区3b的连接方向。如图7所示，第二扇区3b通过行车(traveling crane)垂直安装，所述第二扇区3b安装在第一相邻扇区3a上，安装方向遵循芯轴2的中心C和位于第二扇区3b中间的点M之间形成的半径R。如图7所示，平面密封件5垂直于半径R，因此，由第一扇区3a的密封区30a、第一平坦面231和第二平坦面231形成的平坦表面也是如此。
在图1至图3所示的第一实施例中，突起23为槽形。然而，其他形式也是可能的，例如突起23可以具有如图5所示的齿形，图5示出了第二实施例。槽形突起23具有表面峰232，而齿形突起23具有线性峰232。
在突起23为槽形的第一实施例中，第一角扇区3a与突起23具有相同的长度，使得第一角扇区3位于突起23上，而第二角扇区3b位于突起23之间。
在第二实施例中，突起23为齿形，扇区3设置在两个突起23之间。
根据可能的变体，突起23的两个平坦面231具有不同的斜率。特别地，平面密封件5所抵靠的平坦面231可以具有比另一个平坦面231更大的斜率。因此，平面密封件5所抵靠的平坦面231具有根据第一角扇区3a的闭合方向确定的斜率，并且另一个平坦面231可以具有任何斜率。
如图6所示，用模具1制造由复合材料制成的风扇外壳的方法包括以下步骤：
-E1：将风扇外壳的纤维预制件缠绕在芯轴2周围；
-E2：通过在芯轴2的外轮廓上装配多个反模具角扇区3，关闭模具1。角扇区3的组装是通过在芯轴2上布置第一个角扇区3a，在第一个角扇3a的密封部分30a上布置平密封件5，然后在芯轴2上布置第二角扇区2b，将第二角扇区3b的密封部分30b放置在所述平密封件5上而进行的。
-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：聚合前体材料以获得复合材料的基质。
-E5：抽出角扇区3，以打开模具1。
-E6：将风扇外壳从模具1中抽出，进行脱模。
根据一个可能的变体，步骤E2是通过首先将所有第一角扇区3a安装在芯轴2上，然后在第一角扇区3a的密封部分30a上布置平面密封件，然后通过按压平面密封件5安装所有第二角扇区3b来完成的。

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：
-主轴线(θ)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、3a、3b)，其组装在所述芯轴(2)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，在每个角扇区(3、3a、3b)之间设置有平面密封件(5)，所述平面密封件(5)具有沿所述主轴线(θ)定向的主延伸轴线(β)，所述平面密封件(5)在两个相邻的角扇区(3、3a、3b)间压紧：第一角扇区(3a)，包括在所述平面密封件(5)的下表面下方通过的密封部分(30a)；第二角扇区(3b)，包括在所述平面密封件(5)的上表面上方通过的密封部分(30b)。
2.根据权利要求1所述的模具(1)，其中，所述平面密封件(5)围绕其主延伸轴线(β)倾斜，使得所述平面密封件(5)的上表面指向所述第二角扇区(3b)。
3.根据权利要求1或2所述的模具(1)，其中，所述芯轴(2)包括上游法兰(21)和下游法兰(22)，第一环形密封件(41)设置在所述上游法兰(21)周围，第二环形密封件(42)设置在所述下游法兰(22)周围，所述平面密封件(5)的下表面与所述第一环形密封件(41)和所述第二环形密封件(42)重叠。
4.根据权利要求3和2所述的模具(1)，其中，径向向外突出的突起(23)成角度地分布在所述上游法兰(21)和下游法兰(22)上，所述上游法兰(21)的突起(23)与所述下游法兰(22)的突起(23)轴向对齐，所述突起(23)包括两个平坦面(231)和所述两个平坦面(231)之间接合处的峰部(232)，所述第一角扇区(3a)的密封部分(30a)与所述上游法兰(21)的突起(23)的平坦面(231)和所述下游法兰(22)的突起(23)的平坦面(231)形成平坦表面，所述平面密封件(5)设置在所述平坦表面上。
5.根据权利要求4所述的模具(1)，其中，所述突起(23)为槽形，或所述突起(23)为齿形。
6.根据权利要求4或5所述的模具(1)，其中，由所述第一扇区(3a)的密封部分(30a)、所述上游法兰(21)的突起(23)的平坦面(231)和所述下游法兰(22)的突起(23)的平坦面(231)形成的所述平坦表面垂直于所述第二角扇区(3b)与所述芯轴(2)的连接方向。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的模具(1)，其中，所述第一角扇区(3a)直接附接到所述第二角扇区(3b)。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的模具(1)，其中，所述突起(23)的两个平坦面(231)具有彼此不同的斜率。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的模具(1)，其中，所述平面密封件(5)由弹性体制成。
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)：通过将第一角扇区(3a)设置在芯轴(2)的外轮廓上，然后将平面密封件(5)设置在所述第一角扇区(3a)的密封部分(30a)上，然后通过将第二角扇区(3b)的密封部分(30b)放置在平面密封件(5)上而将所述第二角扇区(3b)设置在芯轴上(2)，从而在所述芯轴(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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