CN116457554A - 用于飞行器涡轮机的复合材料轮叶以及用于制造该复合材料轮叶的方法 - Google Patents

用于飞行器涡轮机的复合材料轮叶以及用于制造该复合材料轮叶的方法 Download PDF

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皮埃尔·格雷戈里·安东
西莉亚·伊格莱西亚斯·卡诺
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Abstract

公开了一种用于涡轮机，特别是飞行器的涡轮机的复合材料轮叶，该轮叶包括叶片(12)，该叶片包括通过前缘(12a)和后缘(12b)连接在一起的压力侧和吸力侧，该叶片由通过对纤维进行三维编织而获得的纤维预制件(2)形成，该纤维预制件嵌入在聚合物基质中，该轮叶还包括在叶片的前缘上并且沿着该叶片的前缘延伸的第一金属护罩(22)，该轮叶还包括在叶片的后缘上并且沿着该叶片的后缘延伸的至少一个覆盖元件(25)。

Description

用于飞行器涡轮机的复合材料轮叶以及用于制造该复合材料 轮叶的方法
技术领域
本发明涉及一种用于飞行器涡轮机的复合材料轮叶以及一种用于制造该轮叶的方法。
背景技术
现有技术特别是包括文献FR-A1-2 956 057、FR-A1-3 029 134、FR-A1-3 049002、FR-A1-3 076 851、EP-A1-2 843 192、FR-A1-3 012 515和FR-A1-3 051 386。
复合材料的使用在航空工业中是有利的，特别是因为这些材料对于相对低的质量具有令人感兴趣的机械性能。
本领域技术人员公知的一种用于制造航空工业的复合材料部件的方法是RTM成型方法，缩写RTM是指树脂转移模塑(Resin Transfer Molding)。
这是一种利用基于编织纤维和树脂的复合材料来制造部件的方法。例如，这种方法用于制造涡轮机轮叶。编织纤维可以是彼此覆盖的堆层(plis)或层(couches)的形式，或者可以是通过对纤维进行三维编织而获得的预制件的形式。本发明更具体地涉及通过这种预制件来制造轮叶。
所得到的纤维预制件被布置在热压模具中。如果编织纤维之前没有用树脂进行浸渍，则树脂被注射到该模具中。随后该预制件被加热以使树脂聚合并且形成最终部件，例如轮叶的叶片。该叶片包括从叶片的前缘延伸到后缘的压力侧和吸力侧。
复合材料的叶片相对脆弱，特别是对冲击敏感，并且已知通过装配和附接在叶片的前缘上的金属护罩来保护该复合材料的叶片。该护罩可以在树脂聚合之后被胶合，或者当预制件在聚合过程中循环时被共注射到模具中。该护罩可以保护前缘免受侵蚀，而且还可以提高轮叶抵御摄入(冰雹、砾石、碎片、飞鸟等)的强度。
三维编织预制件被设计成围绕其边缘具有死区，以确保在去除这些死区之后能够达到所需的机械和空间规格。因此，预制件被编织得比需要的宽度更宽，随后用水射流进行切割，最后在修整操作中用手进行修正，以获得最终形状并且去除切碎的纤维和多余的纤维。
尽管进行了这种切割和修整，纤维的体积比以及纤维在其端部处的去边框仍然难以控制，而这可能导致位于前缘和后缘处的纤维体积比不符合规格并且机械性能受到影响的区域的存在。
在前缘处，这是一个小问题，因为如上所述增加了金属护罩，并且由此机械地加强了前缘。随后可以根据前缘的最终形状(“净形状(net shape)”)进行编织。为了解决后缘处的问题，已知提供一种纤维预制件，该纤维预制件被构造为在模具出口处包括更长的后缘，即包括突起部(通常从特定位置以恒定厚度外推)的后缘。包括预设纤维体积比的该突起部被机加工以去除。
尽管这种做法使得能够获得具有所需纤维体积比的后缘，但这种方法也导致具有“正方形”突出边缘的后缘。正方形后缘会降低空气动力学特性，因为会出现被称为“尾部损失”的再循环区域。从性能的观点来看，具有圆形后缘确实是优选的，如在传统金属制造中的情况一样。与金属合金轮叶相比，空气动力学性能的这种变化降低了复合材料轮叶的质量增加的益处。
随后，复合材料部件的后缘可以被第二次机加工，以通过材料去除从正方形后缘变为圆形后缘，但是这种方法在轮叶制造方法中增加了额外的步骤，并且这样做的难度容易导致不合格品。然而，在这个接近制造的最后步骤，不合格品会导致高成本的报废，这增加了轮叶的平均成本。
此外，这种方法还对后缘施加了几何约束。事实上，为了在单次工序中执行机加工操作，必须使用具有单一形状的铣刀，这导致后缘在叶片的整个高度上具有恒定的厚度和不太扭曲(或不太三维)的形状。一种替代方式是在多次工序中和用多个铣刀进行该机加工步骤，但是这使得机加工操作变得相当复杂和昂贵。
此外，在处理了可能的聚氨酯侵蚀保护膜和/或使得能够对轮叶施加表面处理的可能的膜之后，很难进行这种机加工(简单或复杂)。此外，在复杂机加工的情况下，即不是单一形状的铣刀(具有可变厚度和/或复杂形状的后缘)，存在机加工工具被聚氨酯膜堵塞的风险。
最后，在机加工步骤和使得能够实现更好性能的非常薄的后缘之间将存在潜在的不匹配(对薄的几何形状进行机加工确实可能很复杂)。
特别地，本发明旨在特别是解决上述问题中的一些或全部问题。
发明内容
为此，本发明提出了一种用于涡轮机，特别是飞行器的涡轮机的复合材料轮叶，所述轮叶包括叶片，所述叶片包括通过前缘和后缘连接在一起的压力侧和吸力侧，所述叶片由通过对纤维进行三维编织而获得的纤维预制件形成，所述纤维预制件嵌入在聚合物基质中，所述轮叶包括在所述叶片的所述前缘上并且沿着所述叶片的所述前缘延伸的第一金属护罩，所述轮叶还包括在所述叶片的所述后缘上并且沿着所述叶片的所述后缘延伸的至少一个覆盖元件，其特征在于，所述覆盖元件由热塑性复合材料制成并且包括至少一个纤维织物，所述至少一个纤维织物覆盖在所述压力侧的至少一部分和所述吸力侧的至少一部分上，并且所述至少一个纤维织物在所述叶片的所述后缘和所述前缘上并且沿着所述叶片的所述后缘和所述前缘延伸，所述织物插入所述第一护罩和所述前缘之间，并且所述织物包括与所述预制件的所述纤维不同的纤维。
在后缘处延伸的覆盖元件可以覆盖和容纳后缘处的具有较低纤维体积比的松散/切碎的纤维，并且由此实现所需的机械特性和更令人满意的美学外观。本发明还使得能够获得圆形的并且特别是复杂形状的后缘，从而优化轮叶的性能。此外，后缘直接在模具的出口处以其最终几何形状获得，这避免了包括对复合材料进行机加工的附加步骤，并且由此避免了与先前提出的该步骤相关联的缺点，特别是附加的时间和成本以及对后缘的最终形状的限制。
根据本发明的轮叶可以是定子轮叶或转子轮叶。
根据本发明的轮叶可以包括以下特征中的被单独使用或被彼此组合使用的一个或多个特征：
-所述轮叶包括在所述叶片的所述后缘上并且沿着所述叶片的所述后缘延伸的第二金属护罩，所述织物插入所述第二护罩和所述后缘之间；
-所述第二护罩由与所述第一护罩的金属合金不同的金属合金制成；
--例如，所述第二护罩可以由不锈钢或钴-镍合金(类型的钴-镍合金)制成；
--所述第二护罩由热塑性复合材料制成；
-所述织物由玻璃纤维制成；
-所述织物在所述叶片的整个所述压力侧和所述吸力侧上延伸；
-所述预制件的所述纤维包括碳纤维；
-所述织物包括位于所述第一护罩或所述第二护罩下方的两个相邻的边缘。
本发明还涉及一种用于制造如上所述的轮叶的方法。
根据本发明，所述制造方法包括以下步骤：
a)将所述第一护罩和所述至少一个覆盖元件定位在所述叶片的纤维预制件上，
b)将由此形成的组件布置到压实模具的空腔中，
c)将所述模具关闭并且将所述组件压实。
d)将所述组件转移到聚合模具中，以对树脂进行聚合，所述树脂被注射到该模具的所述空腔中或者先前存在于所述预制件的所述纤维上，以确保所述第一护罩与所述叶片以及所述至少一个覆盖元件与所述叶片的同时固定。
所述方法的步骤a)还可以包括：将第二护罩定位在所述叶片的所述后缘上。随后，所述第二护罩被共注射。替代地，所述第二护罩可以被胶合。
所述方法的所述步骤a)可以包括：用粘性喷雾喷涂所述织物，以便于所述织物粘合到所述预制件上。
附图说明
通过以下详细说明并且为了理解该说明对附图进行参照，本发明的其它特征和优点将变得明显，在附图中：
[图1]图1是复合材料飞行器涡轮机轮叶的示意性透视图；
[图2]图2是复合材料飞行器涡轮机轮叶的变型的示意性透视图；
[图3]图3是根据本发明的叶片的示意性横截面视图，该叶片具有装配到前缘的第一护罩和装配到后缘的第二护罩；
[图4a-图4c]图4a、图4b和图4c是：未注射树脂并且用于形成叶片的纤维预制件的示意性横截面视图(图4a)、由纤维织物包围的该同一预制件的示意性横截面视图(图4b)、以及由纤维织物包围的在前缘处具有第一护罩的该同一预制件的示意性横截面视图(图4c)；以及
[图5]图5是根据本发明的由纤维织物包围的未注射树脂的纤维预制件的示意性横截面视图，该纤维预制件具有前缘处的第一护罩和后缘处的第二护罩。
具体实施方式
首先参照图1和图2，图1和图2示出了用于飞行器涡轮机，特别是用于涡轮风扇的复合材料轮叶10。图1中的轮叶10例如是涡轮机风扇的可移动轮叶10(转子轮叶)。图2中的轮叶10是涡轮机的次级管道的矫直机轮叶10(定子叶片)，被称为出口导向轮叶(OutletGuide Vane，OGV)。然而，本发明适用于由三维编织预制件获得的任何类型的复合材料轮叶。
在图1的情况下，复合材料轮叶10包括叶片12，该叶片通过支撑部14连接到根部16，该根部例如具有燕尾形状，并且成形为接合在转子盘中的互补形状的单元中，以便将轮叶10保持在该盘上。
在图2的情况下，复合材料轮叶10包括在两个平台16a、16b之间延伸的叶片12。
图1和图2的轮叶10的叶片12包括流体(例如气体)流入涡轮机的前缘12a和后缘12b。前缘12a是流体通过其首先与叶片12接触的边缘。后缘12b是流体通过其最后与叶片12接触的边缘。叶片12具有弯曲或扭曲的空气动力学轮廓，并且包括在前缘12a和后边缘12b之间延伸的压力侧18和吸力侧20。
叶片12由纤维预制件2制成，该纤维预制件嵌入在聚合物基质中并且通过对纤维(例如碳)进行三维编织而获得。
轮叶10还包括第一金属护罩22，该第一金属护罩被构造为对叶片12的前缘12a进行加强和保护。第一护罩22在叶片12的前缘12a上并且沿着叶片12的前缘12a延伸。第一护罩22例如由钛或者基于镍和钴的合金制成。第一护罩22例如通过电镀制造，电镀能够实现更复杂的几何形状。钛或者基于镍和钴的合金之间的选择取决于轮叶10的作用。在转子轮叶10的情况下，钛可以是优选的。相反，在定子轮叶10的情况下，基于镍和钴的合金可以是优选的。
如图3至图5所示，本发明提出在叶片12上添加至少一个覆盖元件25，至少一个覆盖元件在后缘12b上并且沿着后缘12b延伸。
根据第一实施例，如图3所示，覆盖元件25例如包括第二护罩24，该第二护罩在叶片12的后缘12b上并且沿着叶片12的后缘12b延伸。该第二护罩24具有比前缘12a的第一护罩22较简单的几何形状和机械要求。这是因为后缘12b没有位于叶片12的力路径中，并且在操作期间将承受较小的机械应力。该优点使得第二护罩24能够由较便宜的材料，特别是模制的热塑性复合材料或金属合金(特别是与用于第一护罩22的合金不同的金属合金)制成。第二护罩24例如由金属合金(诸如不锈钢、(例如通过增材制造))或铝制成。第二护罩24特别是通过电镀制造。此外，对于相对直的后缘12b，例如可以通过使金属板(特别是钢、/>或铝)弯曲来制造第二护罩24，金属板弯曲方法比电镀方法更便宜。替代地，特别是如果需要更好的机械强度，第二护罩24可以使用与第一金属护罩22相同的材料。
根据第二实施例，覆盖元件25例如包括如图4b和图4c所示的至少一个纤维织物26，至少一个纤维织物从压力侧18的至少一部分到吸力侧20的至少一部分覆盖(drapé)在后缘12b上，并且例如在叶片12的整个压力侧18和吸力侧20上延伸。在至少一个纤维织物在叶片12的整个压力侧18和吸力侧20上延伸的情况下，织物26完全包围纤维预制件2。该织物26的纤维例如与预制件2的纤维不同，并且特别是由玻璃纤维制成。
纤维织物26例如是干燥的。随后可能需要在纤维织物26上添加粘性喷雾(增粘剂)，以便于该纤维织物与纤维预制件2的粘合。
为了获得根据该实施例的轮叶，特别是对未注射有树脂的纤维形式进行编织，随后进行切割，以获得纤维预制件2，如图4a所示。该预制件2的将形成叶片12的前缘12a和后缘12b的松散端部通常分别具有切碎区域23a、23b，切碎区域的纤维体积比低于预制件2的其余部分的纤维体积比。如图4b所示，该预制件2随后被纤维织物26包围，从而使得能够容纳后缘12b的切碎区域23b和例如前缘12a的切碎区域23a的切碎纤维，特别是以对这些区域23a、23b进行加强。随后，第一金属护罩22布置在前缘12a上，并且沿着前缘12a布置，如图4c所示。随后，覆盖叶片12的前缘12a的织物26插入前缘12a和第一护罩22之间。下一步骤是将组件布置在热压模具中，以便注射树脂并且加热组件，以获得最终部件。
根据第三实施例，覆盖元件例如包括叶片12的后缘12b上的至少所述第二护罩24以及至少所述织物26，如图5所示。随后，该织物26插入后缘12b和第二护罩24之间。
该实施例的叶片12以与第二实施例的叶片类似的方式制成，除了第二护罩24被添加在后缘12b上并且沿着后缘12b添加，例如正好在第一护罩22被添加在前缘12a上并且沿着前缘12a添加之前或之后。随后，覆盖叶片12的前缘12a的织物26插入前缘12a和第一护罩22之间以及后缘12b和第二护罩之间。
因此，根据所选择的实施例，纤维织物26在叶片12上的多种布置是可能的，并且特别是如下：
-纤维织物26没有完全包围叶片12。在这种情况下，纤维织物26特别是在吸力侧20的后段开始，绕过后缘12b并且优选地在压力侧18的后段结束。
-纤维织物26完全包围叶片12，并且只有前缘12a上的第一护罩22(即，没有后缘12b上的第二护罩24)。在这种情况下，纤维织物26的两个端部特别地位于第一护罩22的下方。
-纤维织物26完全包围叶片12，并且存在第一护罩22以及第二护罩24。在这种情况下，纤维织物26的两个端部特别地位于第二护罩24的下方，或者替代地位于第一护罩22的下方。
无论本发明的实施例是什么，一旦覆盖元件25和第一护罩22已经被定位，下一步骤是将组件布置在热压模具中，以便注射树脂并且加热组件，以获得最终部件，即轮叶10的叶片12，而不执行任何附加步骤。
因此，由于本发明，可以根据最终形状(“净形状”)(即圆形且可能复杂形状的最终形状)直接进行后缘12b的编织，从而避免了现有技术的机加工、通过水射流切割或甚至调整的附加步骤。
围绕叶片10添加织物26提供了以下优点：除了改善与切碎区域23b的切碎纤维的含量相关的机械特性和美学方面之外，还获得相对于空气动力学规格有利的良好表面条件，特别是在表面的粗糙度和起伏方面的良好表面条件。围绕叶片添加织物还通过保护叶片免受侵蚀来改善机械质量，并且便于第一护罩22和第二护罩24(当存在第二护罩24时)的修复和去除，特别是因为织物26在剥离操作期间使位于下层的复合材料的拉出最小化。出于同样的原因，该织物26在被磨损(例如，通过腐蚀被磨损)时也可以容易地更换。
织物26可以被共注射到预制件上，即，织物26与复合材料叶片之间的连接将在织物和复合材料叶片注射到包含纤维预制件的模具中的过程中形成，从而使得能够减少制造操作(特别是喷涂)的数量，这特别地使得能够增加生产率并且降低部件的成本。
包括第二护罩24的实施例还具有许多优点。实际上，在轮叶的制造、组装和修复期间，第二护罩24保护潜在的薄的后缘12b免受冲击和工具撞击。
此外，第二护罩的材料的特性使得该第二护罩不会降低部件的使用寿命或对极限应力和振动的抵抗力。
第二护罩24可以被胶合或共注射到后缘12b上，即，第二护罩24和复合材料叶片之间的连接将在第二护罩和复合材料叶片注射到包含纤维预制件的模具中的过程中进行。该第二解决方案是优选的，因为该解决方案使得能够改善轮叶的最终几何形状(包括复合材料和第二护罩之间的非常平滑的过渡部)，同时减少旨在使后缘呈圆形的机加工操作的偏离公差的风险。也减少了制造操作(包括一次或多次机加工，以及胶合和高压灭菌)的数量，从而导致较高的生产率和较低的部件成本。
因此，覆盖元件25(即织物26和/或第二护罩24)使得能够减少现有技术方法中发现的不合格品的数量，现有技术方法包括使后缘的突起部去除的机加工步骤和可选地使后缘12b呈圆形的机加工步骤。特别地，不合格品的减少特别地使得能够减少对毁损和不良品的处理。此外，在小批量生产中，导致不良品的初始差错具有高的成本，这突出了本发明的经济优势。
因此，尽管第二护罩24的解决方案乍看起来可能比现有技术的机加工更昂贵，但以上示出的优点表明，本发明的轮叶的平均成本相反地是降低的，特别是在小批量生产的情况下是降低的。
本发明还涉及一种制造如上所述的轮叶10的方法。该方法包括以下步骤：
a)将第一护罩22和所述至少一个覆盖元件25定位在叶片12的纤维预制件2上，
b)将由此形成的组件布置到压实模具的空腔中，
c)将模具关闭并且将组件压实；以及
d)将组件转移到聚合模具中，以对树脂进行聚合。树脂先前存在于预制件2的纤维上，以确保第一护罩22与叶片12以及所述至少一个覆盖元件25与叶片12的同时固定，或者树脂直接被注射到压实模具的空腔中。
在这两种情况下，这使得覆盖元件25能够与纤维预制件2共注射，并且产生上述优点。

Claims (10)

1.一种用于涡轮机，特别是飞行器的涡轮机的复合材料轮叶(10)，所述轮叶(10)包括叶片(12)，所述叶片包括通过前缘(12a)和后缘(12b)连接在一起的压力侧(18)和吸力侧(20)，所述叶片(12)由通过对纤维进行三维编织而获得的纤维预制件(2)形成，所述纤维预制件嵌入在聚合物基质中，所述轮叶(10)包括在所述叶片(12)的所述前缘(12a)上并且沿着所述叶片的所述前缘延伸的第一金属护罩(22)，所述轮叶还包括在所述叶片(12)的所述后缘(12b)上并且沿着所述叶片的所述后缘延伸的至少一个覆盖元件(25)，其特征在于，所述覆盖元件(25)由热塑性复合材料制成并且包括至少一个纤维织物(26)，所述至少一个纤维织物覆盖在所述压力侧(18)的至少一部分和所述吸力侧(20)的至少一部分上，并且所述至少一个纤维织物在所述叶片的所述后缘(12b)和所述前缘(12a)上并且沿着所述叶片的所述后缘和所述前缘延伸，所述织物(26)插入所述第一护罩(22)和所述前缘(12a)之间，并且所述织物包括与所述预制件(2)的纤维不同的纤维。
2.根据权利要求1所述的轮叶(10)，其中，所述轮叶还包括在所述叶片(12)的所述后缘(12b)上并且沿着所述叶片的所述后缘延伸的第二金属护罩(24)，所述织物(26)插入所述第二护罩(24)和所述后缘(12b)之间。
3.根据权利要求2所述的轮叶(10)，其中，所述第二护罩(24)由与所述第一护罩(22)的金属合金不同的金属合金制成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶(10)，其中，所述织物(26)由玻璃纤维制成。
5.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶(10)，其中，所述织物(26)在所述叶片(12)的整个所述压力侧(18)和所述吸力侧(20)上延伸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶(10)，其中，所述预制件(2)的纤维包括碳纤维。
7.根据前述权利要求中任一项所述的轮叶(10)，其中，所述织物(26)包括位于所述第一护罩(22)或所述第二护罩(24)下方的两个相邻的边缘。
8.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的轮叶(10)的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
a)将所述第一护罩(22)和所述至少一个覆盖元件(25)，特别是将所述第一护罩和所述织物定位在所述叶片(12)的纤维预制件(2)上，
b)将由此形成的组件布置到压实模具的空腔中，以及
c)将所述模具关闭并且将所述组件压实，
d)将所述组件转移到聚合模具中，以对树脂进行聚合，所述树脂被注射到所述模具的所述空腔中或者先前存在于所述预制件(2)的纤维上，以确保所述第一护罩(22)与所述叶片(12)以及所述至少一个覆盖元件(25)与所述叶片的同时固定。
9.根据前一项权利要求所述的方法，其中，所述轮叶(10)是如权利要求2所限定的，所述步骤a)还包括：将第二护罩(24)定位在所述叶片的所述后缘(12b)上。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述步骤a)包括：将粘性喷雾喷涂到所述织物(26)上，以便于所述织物粘合到所述预制件(2)上。
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