CN116917202A - 包括由复合材料制成的结构的叶片及相关的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶片(7)，该叶片包括：空气动力学轮廓结构(20)，该空气动力学轮廓结构包括彼此面对的两个壳层(22)；以及‑翼梁(21)，该翼梁包括通过三维编织获得并通过基体致密化的纤维增强件，该翼梁(21)包括延伸到空气动力学轮廓结构(20)外部的叶片根部部分(24)和被布置在空气动力学轮廓结构(20)内部、所述两个壳层(22)之间的翼型部分(25)。此外，在叶片根部部分(24)内，翼梁(21)的纤维增强件(26)包括互连区域(27)和至少两个非互连区域(28)，至少两个非互连区域从互连区域(27)径向地延伸，以形成至少四个不同的分支(29)。

Description

包括由复合材料制成的结构的叶片及相关的制造方法
技术领域
本发明涉及一种包括由复合材料制成的结构的叶片。
本发明更特别地但不排他地涉及一种旨在用于飞行器发动机(例如，即具有无导管的风扇和具有两个旋转螺旋桨的“开式转子”类型的发动机、或具有可移动叶片和固定叶片的无导管单风扇(Unducted Single Fan，USF)类型的发动机、或具有单个螺旋桨的架构的涡轮螺旋桨发动机)的无导管风扇中的叶片或用于风力涡轮转子中的叶片。
背景技术
风扇叶片的设计需要考虑相互冲突的限制因素。
一方面，这些叶片的尺寸必须使得能够具有最佳的空气动力学性能(使效率最大化并提供推力，同时使损失最小化)。由于风扇的空气动力学性能的改进倾向于增加膨胀比(taux de dilution，BPR)，这体现在外径的增加，以及这些叶片的跨度的增加。
另一方面，还需要保证抵抗可能施加到这些叶片的机械限制，同时还限制这些叶片的声学特征。
具有无导管风扇的发动机的优点是风扇的直径不受导管存在的限制，因此可以设计具有高膨胀比的发动机，从而降低燃料消耗。
因此，在这种类型的发动机中，风扇的叶片可以具有大的跨度。
已经提出了用金属材料制造这些叶片。尽管由金属材料制成的叶片具有良好的机械抵抗力，但是该叶片具有质量相对较大的缺点。
为了减少该质量，希望能够用复合材料制造这些叶片。
此外，这些发动机通常包括使得能够对叶片的设定角度进行改变的机构，以根据不同的飞行阶段来调整由风扇产生的推力。
此外，在无导管风扇架构上，发动机的启动通常是在非常开放的设定下“顺桨”完成的。这是因为非常开放的设定使得能够通过扭矩消耗功率，这确保了机器的安全性，同时保证了低的风扇额定值。
然而，在非常开放的设定下，叶片经历湍流空气动力学流动，这产生了宽频带的振动激励。特别地在具有宽弦和大跨度的叶片上，即使发动机的额定值没有达到最大值，弯曲力也很强。
为了避免在启动时或在“螺旋桨自转”情况下产生涡流的这种情况，在文献FR3080322中特别提出了生产由复合材料制成的叶片，该叶片包括插入叶片根部紧固件中的叶片根部部分。叶片根部部分包括如下两个部分和角度形状的锁定部分，这两个部分通过在纤维增强件中形成非互连部而获得，该角度形状的锁定部分被定位成保持上述两个部分彼此分开以防止叶片根部部分从紧固件中退出。
然而，这些叶片所承受的强烈空气动力学力有在将根部连接到叶片的支柱处损坏叶片和/或在这些叶片和风扇转子的毂部之间的界面区域中损坏毂部的风险。具体地，由于发动机安装在飞行器上的影响以及无限上游流的方向，强烈的振动激励也可以发生在比无导管结构高得多的旋转额定值下。具体地，无导管发动机受到地面和机身的影响，这导致对螺旋桨的供应(以一流速)沿发动机方位发生畸变。这导致叶片特别地在第一发动机级1N、2N和3N上的振动响应。此外，在没有进气管道的情况下，空气流过叶片的方向不平行于发动机轴线。该外侧滑角产生所谓的“1P”力，这导致叶片在发动机级1N上的振动响应。类似地，这些1P力也可以在飞行器的爬升或进近阶段期间出现，因为空气以入射角流过翼型部。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种包括复合材料的叶片，该叶片适于与可变设定机构一起使用并且在“开式转子”类型的环境中使用，即使在叶片具有宽弦和大跨度的情况下，该叶片限制或甚至消除了在容易激发叶片的振动模式的所有飞行阶段期间使叶片旋转的风险。
本发明的另一个目的是提供一种包括复合材料的叶片，该叶片适于与可变设定机构一起使用并且在“开式转子”类型的环境中使用，同时能够在有限体积和最小质量的限制下抵抗强烈的空气动力学力。
本发明的又一个目的是提供一种包括复合材料的叶片，该叶片适于与可变设定机构一起使用并且在“开式转子”类型的环境中使用，与现有技术的复合材料叶片相比，该叶片的毂部比降低，同时能够抵抗强烈的空气动力学力。
另一个目的是提供一种包括复合材料的叶片，该叶片适于与可变设定机构一起使用并且在“开式转子”类型的环境中使用，该叶片可以简单地且快速地生产，而不需要大量的操作。
为此，根据本发明的第一方面，提供了一种包括由复合材料制成的结构的叶片，该叶片包括：
-空气动力学轮廓结构，该空气动力学轮廓结构包括彼此面对的两个壳层，壳层包括通过基体致密化的第一纤维增强件；以及
-翼梁，该翼梁包括通过三维编织获得并通过基体致密化的第二纤维增强件，所述翼梁包括延伸到空气动力学轮廓结构外部的叶片根部部分和被布置在空气动力学轮廓结构内部、两个壳层之间的翼型部分。
此外，在叶片根部部分内，第二纤维增强件包括互连区域和至少两个非互连区域，至少两个非互连区域从互连区域径向地延伸，以形成至少四个不同的分支。
应注意到，基体可以在同一步骤期间或在两个连续的步骤期间注射到第一纤维增强件和第二纤维增强件中。
根据第一方面的叶片的一些优选但非限制性的特征是被单独采用或组合采用的以下特征：
-在叶片根部部分内，非互连区域的分支整体地包含在以叶片的设定轴线为中心的圆中；
-在叶片根部部分内，分支的自由端部是大致圆形的，例如以遵循圆或直线的曲率；
-叶片还包括紧固件，该紧固件包括界定出空腔的壁，该空腔被构造成至少部分地接纳叶片根部部分，该紧固件能够是金属的，并且该紧固件的壁包括至少四个凹部，至少四个凹部被构造成在调节的情况下各自接纳第二纤维增强件的分支；
-在叶片根部部分的从紧固件突出的一部分中，圆的直径在翼型部分的方向上减小；
-在叶片根部部分内，互连区域具有沿与叶片的弦大致平行的轴线的第一尺寸，该第一尺寸在叶片根部部分的高度上是恒定的；
-在叶片根部部分内，互连区域具有沿与叶片的弦大致垂直的切向轴线的第二尺寸，该第二尺寸在叶片根部部分的高度上是恒定的；
-翼型部分具有与叶片根部部分相邻的下部分，第二纤维增强件的非互连区域和互连区域一直延伸到下部分中，叶片还包括由包括内空腔的材料制成的至少两个填充件，每个填充件被安装在对应的非互连区域内；
-互连区域具有沿与叶片的弦大致平行的轴线的第一尺寸，翼型部分的下部分中的第一尺寸大于叶片根部部分中的第一尺寸；
-第一尺寸在翼型部分的下部分内在叶片的尖端的方向上逐渐增大；
-在翼型部分的下部分内，互连区域具有沿与叶片的弦大致垂直的切向轴线的第二尺寸，该第二尺寸在叶片的尖端的方向上减小；
-翼型部分的下部分还包括由包括内空腔的材料制成的至少两个附加填充件，每个附加填充件被安装在互连区域和对应的壳层之间；
-翼型部分内的互连区域一直延伸到壳层的限定了叶片的前缘和/或后缘的一部分；
-翼型部分还具有包括叶片的尖端的上部分，翼型部分的上部分还包括由包括内空腔的材料制成的至少一个附加填充件，翼型部分的上部分没有任何第二纤维增强件；和/或
-翼型部分还具有包括叶片的尖端的上部分，翼型部分的上部分仅包括第二纤维增强件。
根据第二方面，本发明提供了一种用于制造根据第一方面的叶片的方法，该方法包括以下步骤：
S1：对翼梁的包括至少两个非互连区域和互连区域的第二纤维增强件进行三维编织；
S2：例如通过三维编织生产空气动力学轮廓结构的第一纤维增强件；
S4：将第二纤维增强件插入第一纤维增强件中，使得叶片根部部分位于第一纤维增强件的外部，翼型部分位于第一纤维增强件的内部；以及
S5：将由第一纤维增强件和第二纤维增强件形成的组件布置到模具中，并且将基体注射到组件中，以获得叶片。
根据第二方面的制造方法的一些优选但非限制性的特征是被单独采用或组合采用的以下特征：
-该方法在步骤S4之前还包括以下步骤：将由包括内空腔的材料制成的至少一个填充件相对于第一纤维增强件定位；和/或
-该方法在步骤S6之后还包括以下步骤：将紧固件附接到叶片根部部分上。
根据第三方面，本发明提供了一种用于飞行器的包括风扇的燃气涡轮发动机，风扇包括毂部和从毂部径向延伸的叶片，叶片是根据第一方面的叶片，每个叶片相对于毂部围绕相应的设定轴线可旋转地安装，该发动机还包括其自身的致动机构，该致动机构能够被控制以使叶片围绕其设定轴线转动，从而改变叶片的设定角度。
根据第四方面，本发明提供了一种包括根据第二方面的燃气涡轮发动机的飞行器。
附图说明
根据以下完全是说明性的和非限制性的并且必须参照附图进行阅读的说明，本发明的其它特征、目的和优点将变得显而易见，在附图中：
图1示意性地示出了包括无导管风扇的发动机的示例。
图2示意性地示出了风扇叶片和使得能够对风扇的叶片的设定角度进行改变的致动机构。
图3是根据本发明的实施例的叶片的示例性实施例的侧视图；
图4a是根据第一实施例的沿着图3的截面A-A的截面视图；
图4b是根据第一实施例的沿着图3的截面B-B的截面视图；
图4c是根据第一实施例的沿着图3的截面C-C的截面视图；
图4d是根据第一实施例的沿着图3的截面D-D的截面视图；
图4e是根据第一实施例的沿着图3的截面E-E的截面视图；
图4f是根据第一实施例的沿着图3的截面G-G的截面视图；
图5a是根据第二实施例的沿着图3的截面C-C的截面视图；
图5b是根据第二实施例的沿着图3的截面D-D的截面视图；
图5c是根据第二实施例的沿着图3的截面E-E的截面视图；
图5d是根据第二实施例的沿着图3的截面F-F的截面视图；
图6a是示出根据本发明的实施例在互连区域的两侧在纤维预制件中生产两个非互连部的示意图；
图6b是图3的叶片根部部分在截面A-A和B-B之间的截面的示意图；
图7是根据本发明的实施例用于制造叶片的方法的步骤的流程图；
图8a示出了根据实施例的纤维预制件的示例，该纤维预制件旨在在修整和成型之前形成叶片的翼梁的纤维增强件，其中预制件的修整用虚线表示；以及
图8b示出了图8a的纤维预制件的组装和纤维预制件的示例，该纤维预制件旨在形成空气动力学结构的纤维增强件，填充件已经预先插入该纤维增强件中。
图9示出了根据本发明的实施例的包括发动机的飞行器的示例。
在所有的图中，类似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
在图1中，所示的发动机1是“开式转子”类型的发动机，该发动机的构型目前被称为“推动器”(即，无导管风扇被布置在电力发电机的后方，空气入口位于图1的右边的一侧)。
发动机包括机舱2和无导管风扇3(或螺旋桨)，该机舱旨在被附接到飞行器的机身。风扇3包括两个反向旋转的风扇转子4和5。换句话说，当发动机1运行时，转子4和5相对于机舱2围绕同一旋转轴线X(该旋转轴线与发动机的中心线重合)在相反的方向上旋转地驱动。
在图1所示的示例中，发动机1是“推动器”构型的“开式转子”类型的发动机，该发动机具有反向旋转的风扇转子。然而，本发明不限于该构型。本发明还适用于“牵拉器”构型的“开式转子”类型的发动机(即，风扇被布置在电力发电机的上游，空气入口位于两个风扇转子的前方、之间或后方)。
此外，本发明还适用于具有不同架构的发动机，不同架构例如为包括风扇转子(包括可移动叶片)和风扇定子(包括固定叶片)，或者包括单个风扇转子的架构。
本发明适用于涡轮螺旋桨发动机类型(包括单个风扇转子)的架构，也适用于风力涡轮转子。
在本申请中，轴线X用于指代风扇转子(或螺旋桨)的旋转轴线。轴向方向对应于轴线X的方向，径向方向是垂直于该轴线X并穿过该轴线的方向。此外，周向(或切向)方向对应于垂直于轴线X但不穿过该轴线的方向。
因此，叶片将相对于转子的轴线X来限定，该叶片旨在安装在该转子上。最后，叶片的给定部段(以及堆叠轴线Z上的给定点)将被理解为指代将叶片的前缘连接到叶片的后缘的大致轴向的线段。
在图1中，每个风扇转子4、5包括相对于机舱2可旋转地安装的毂部6(或叶片毂部)和被附接到毂部6的多个叶片7。叶片7相对于转子的旋转轴线X大致径向地延伸。
如图2所示，风扇3还包括致动机构8，该致动机构使得能够对转子的叶片7的设定角度进行共同修改，以将发动机的性能调整到不同的飞行阶段。为此，每个叶片7包括被布置在叶片根部7处的紧固件9(或叶片毂部)。紧固件9围绕设定轴线Y相对于毂部6可旋转地安装。更确切地，紧固件9通过滚珠11或其他滚动元件可旋转地安装在形成在毂部6中的容纳部10的内部。
紧固件9包括具有外表面的壁，该外表面具有旋转形状。外表面具有其自身的两个圆形凹槽，这两个圆形凹槽适于形成滚珠轴承或其他滚动元件的滚动路径。
致动机构8例如包括致动器12，该致动器包括被附接到毂部6的主体13和适于相对于主体12平移地驱动的杆14。致动机构8还包括与杆14作为单个部件安装的环形滑块15和与紧固件9作为单个部件安装的销16。销16适于在滑块15中滑动并相对于滑块15转动，使得将杆14的平移运动转换为紧固件9的旋转运动，从而转换为叶片7围绕其设定轴线Y相对于毂部6的旋转运动。
叶片7包括空气动力学轮廓结构20以及翼梁21，该空气动力学轮廓结构适于在发动机1运行时被布置在空气流中以产生升力。
空气动力学轮廓结构20包括两个壳层22，这两个壳层彼此连接并且彼此相对地整体延伸。壳层22被成形为例如一起限定压力面I、吸力面E、前缘18和后缘19。以本身已知的方式，前缘18被构造成面向进入发动机1的气体流延伸。前缘对应于具有空气动力学轮廓的前部，该前部面向空气流并且将该空气流分成压力面流和吸力面流。同时，后缘19对应于具有空气动力学轮廓的后部，压力面流和吸力面流在该后部处交汇。
空气动力学轮廓结构20的壳层22由复合材料制成，该复合材料包括通过基体致密化的纤维增强件(以下被称为壳层增强件23)。因此，壳层是整体的，并且根据非限制性实施例被制成为单个部件。在未示出的变型中，可以考虑将一种纤维增强件用于压力面，而将另一种纤维增强件用于吸力面。
翼梁21包括延伸到空气动力学轮廓结构20外部的叶片根部部分24和被布置在空气动力学轮廓结构20内部、两个壳层22之间的翼型部分25。翼梁还包括通过三维编织获得并通过基体致密化的纤维增强件(以下被称为翼梁增强件26)，因此，叶片根部部分24和翼型部分25是整体的，并且被制成为单个部件。
壳层23和翼梁增强件26可以各自基于纤维预制件形成，该纤维预制件被制成为具有变化厚度的单个部件。每个基体通常包括有机材料(热固性、热塑性或弹性体)或碳基体。例如，每个基体包括塑料材料，通常是聚合物(例如环氧化物、双马来酰亚胺或聚酰亚胺)。纤维增强件的纤维包括以下材料中的至少一种：碳、玻璃、芳纶、聚丙烯和/或陶瓷。形成壳层增强件23和翼梁增强件26的复合材料的基体和纤维可以相同或不同。优选地，形成壳层增强件和翼梁增强件的复合材料的基体和纤维相同。
翼梁增强件26包括三维编织的纤维增强件。此外，该翼梁增强件被编织成使得翼梁增强件包括经纱线，经纱线在具有空气动力学轮廓的翼型部分25的内部和叶片根部部分24的内部连续地延伸。
壳层增强件23可以包括编织纤维的(二维的或三维的)、纺织的、针织的或层压的布置。
即使在叶片7具有宽弦和大跨度的情况下，为了限制或甚至消除在容易激发叶片7的振动模式的所有飞行阶段期间使叶片7旋转的风险，叶片根部部分24内的翼梁增强件26包括互连区域27和至少两个非互连区域28，至少两个非互连区域从互连区域27径向地延伸，以形成至少四个不同的分支29(纤维加强体的每个非互连区域28包含两个分支29)。当翼梁增强件26确切地包括两个非互连区域28时，因此叶片根部部分24在垂直于设定轴线Y的平面(该平面相对于轴线X整体地相切)中具有十字形截面，十字部的中心由互连区域27形成。然而，注意，这绝不是限制性的，翼梁增强件26能够包括更多数量的非互连区域28(在翼梁增强件26的平面中(沿着设定轴线Y)或在翼梁增强件26的厚度内包括更多数量的非互连区域)，更多数量的非互连区域限定更多数量的分支29。
术语“非互连区域28”在此应该理解为，在翼梁增强件26的编织期间，在纤维坯料的内部、在从互连区域27(该互连区域没有任何非互连，或至少没有任何贯穿的非互连)一直到分支29的端部30的两个连续经纱层之间形成非互连，以形成翼梁增强件26的非互连区域28。特别地，如图6a和图6b所示，两个连续层的经纱丝束在非互连区域28处不被纬纱丝束连接，从而形成(中心)互连区域27和可以打开以形成十字部的四个“非互连”分支29。因此，每个非互连区域28可以将纤维增强件分成两个部分，两个部分旨在各自形成一个分支29。作为示例，读者可以参考申请人名下的文献EP2588758，以获得关于产生非互连的更多细节。
具有叶片根部部分24的至少四个分支29的这种构型确保了承受由施加到整个叶片7的空气动力学力和离心力产生的机械作用，同时使得叶片7能够具有可变的设定。
优选地，互连区域27在叶片7的高度的任何点处整体地居中于叶片的弦的中间。然而，将该互连区域27在设定轴线Y上居中或以任何其他堆叠顺序居中也可能是有益的。
在实施例中，紧固件9的壁界定了空腔，该空腔被构造成容纳翼梁21的叶片根部部分24。壁具有与壁所接纳的叶片根部部分24互补的形状，以通过调节和拧紧来接纳该叶片根部部分。在叶片根部部分24具有十字形形状的所示构型中，空腔因此具有四个凹部，四个凹部的尺寸(四个凹部在径向于设定轴线Y并且沿着设定轴线Y的平面中的尺寸)大致等于叶片根部部分24的分支29的尺寸。
紧固件9由金属(例如马氏体钢)成形。
在实施例中，在叶片根部部分24内，由非互连区域28限定的分支29整体地包含在以叶片7的设定轴线Y为中心的圆C中。术语“包含在圆C中”在此应当理解为指分支29的自由端部30在至少一个点处与圆C相交。互连区域27优选地相对于圆C居中，使得分支29的长度(分支沿着穿过圆C的中心的径向方向的长度)大致相等。
可选地，分支29的自由端部30是大致弯曲的，并且可以遵循圆C的曲率。因此，分支29的自由端部30沿着线与圆C相交。在变型中，分支29的自由端部30可以是直的或具有任何其他合适的形状。
图3示出了根据本发明的实施例的叶片7的示例。在此，翼梁增强件26包括两个非互连区域28，然而，如上所述，这不是限制性的。在对应于第一实施例的图4a至图4f和对应于第二实施例的图5a至图5d中示出了各自在与叶片7的设定轴线Y垂直的平面中截取的截面A-A、B-B、…、G-G。截面A-A、B-B等各自体现在叶片7的不同高度处。
截面A-A与叶片根部部分24的被构造成容纳在紧固件9中的下部分相交。在叶片根部部分24中，翼梁增强件26包括互连区域27和两个非互连区域28，互连区域和两个非互连区域一起形成包括四个分支29的十字部。分支29的自由端部30是圆形的，使得十字部包含在严格意义上的圆C中。
截面B-B在紧固件9的出口处(即在紧固件9的开口处)与叶片根部部分24相交，叶片根部部分24通过该开口从紧固件9突出。因此，该截面B-B标志着叶片根部部分24的嵌入的结束。
在实施例中，截面B-B中的圆C的直径小于截面A-A中的圆C的直径。换句话说，叶片根部部分24的与截面B-B相交的截面的面积小于叶片根部部分24的与截面A-A相交的截面的面积。这特别地使得通过限制紧固件9内部的截面来确保叶片根部部分24的保持。优选地，圆C的直径在叶片根部部分24内沿翼型部分25的方向(即从截面A-A沿截面B-B的方向)逐渐减小(可选地，线性地逐渐减小)。
互连区域27沿弦方向的长度L1和互连区域27沿垂直于弦方向的方向的厚度L2(长度L1和厚度L2是在垂直于设定轴线Y的平面中测量的)优选地在截面A-A和B-B之间是恒定的。换句话说，分支29的长度在截面A-A和B-B之间减小，而互连区域27保持不变。以这种方式，互连区域27能够承受离心力和由位于分支29的自由端部30处的表面上的空气动力学力产生的弯曲力矩，该表面相对于设定轴线Y倾斜一角度α(其中，该角度α对应于形成在设定轴线和叶片根部部分24的在分支29的端部30处的径向表面之间的角度-参见图3)。因此，复合材料在纬纱方向上工作，而不是在平面外方向上工作，平面外方向的刚度(raide)较低。作为补充，叶片根部部分24的在两个相邻分支29之间形成中空部的外表面确保了承受由施加到叶片7的空气动力学力产生的扭矩。在截面B-B处，离心力和弯曲力矩在经纱丝束中产生牵引/压缩应力，而扭矩产生剪切。
在变型实施例中，叶片根部部分24的截面面积在截面B-B和截面A-A之间的减小可以通过改变长度L1和/或厚度L2和/或分支29的厚度来体现，长度和/或厚度和/或分支的厚度可以是变化的。在这种情况下，离心力不再仅仅通过纬纱丝束的压缩而作用在分支29的端部30的表面上，而且通过分支29和/或互连区域27的平面外压缩而作用在其他表面上。
无论变型实施例如何，叶片根部部分24的在嵌入部分的出口处的分支构型29(例如形成十字部或在适用的情况下形成具有至少六个分支29的星形部)使得能够显著地增加相对于包含在同一直径的圆C内部的矩形截面的二次力矩的值。特别是在弯曲整体地围绕弦方向的情况下，这特别地使得能够显著地减小支柱区域(即叶片根部部分24的位于紧固件的出口和翼型部分25之间的区域)中的应力。
截面C-C位于叶片根部部分24和翼型部分25之间的界面处。因此，叶片7的支柱从截面B-B延伸到截面C-C，并且使得能够在叶片根部部分24和翼型部分25之间进行过渡。
为了限制毂部比，支柱的高度较小。为此，通过从截面B-B到截面C-C在非互连区域28处关闭相邻分支29的角度来快速地减小支柱的厚度。可选地，翼梁增强件26的互连区域27的厚度L2也可以减小。另一方面，互连区域27的长度L1增加，以在截面C-C处保持足够大的截面。
有利的是，小的毂部比导致发动机的紧凑性和风扇质量的增加。特别地，在空气流路径的内限部处的毂部的直径越小，对于给定的外转子叶片直径，可获得的空气动力学工作空间就越大。因此，叶片7的厚度的转变在支柱的区域中必须非常快。这使得能够正确地向低压压缩机(或增压器)供应进气管道，并且避免远程扇形管道的使用。
该实施例比传统方法更简单，并且可以实现高得多的厚度梯度，其中厚度的变化通过添加或去除经纱层来获得，经纱层必须在纤维增强件的整个长度上编织并且在支柱的区域中切割，因为经纱层在该区域中未被使用，并且通常受到编织方法的应力的限制。
翼型部分25包括与叶片根部部分24相邻的下部分，该下部分的径向下限部由截面C-C限定。翼梁增强件26的非互连区域28和互连区域27一直延伸到翼型部分25中。
此外，叶片7还包括由包括内空腔的材料制成的至少两个填充件31，每个填充件31被安装在对应的非互连区域28内。填充件31优选地具有例如约为100kg/m3的低密度以及约为100MPa的刚度。填充件31可以特别地包括泡沫(例如有机来源(聚甲基丙烯酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚乙烯、碳、聚异氰脲酸酯、聚氨酯等)的泡沫或金属(特别地由铝合金制成)的泡沫)，或由凯夫拉尔、玻璃纤维或铝制成的类型(包括压延成薄片并用酚醛树脂覆盖的芳族聚酰胺纤维)的蜂窝部。
优选地，填充件31不完全通向翼梁增强件26的翼型部分25的下表面(即，翼型部分25的与支柱相邻的自由表面)，以在注射时形成由树脂填充的小空间，从而确保容纳填充件31的空腔的密封。
在实施例中，分支29的自由端部30分别在前缘18和后缘19附近成对相交，从而捕获填充件31。可选地，翼梁增强件26的非互连部分分别一直延伸到叶片7的前缘18和后缘19。
优选地，翼梁增强件26的外表面与面向翼型部分25的壳层22直接接触。就壳层22被布置在叶片7的表面处以保护该叶片免受冲击和侵蚀而言，空气动力学轮廓结构20的壳层22优选地沿着大的表面与形成叶片7的结构框架的翼梁增强件26直接接触。然后，壳层增强件23和翼梁增强件26在壳层增强件和翼梁增强件的界面处通过树脂的内聚力而连接，当同一基体用于翼梁增强件26和壳层增强件23的致密化时，所述内聚力被进一步提高。在图4c至图4e所示的实施例的第一形式中，由非互连区域28形成的分支29的表面与壳层增强件23连续接触。在变型中，在图5a至图5d所示的实施例的第二形式中，仅位于后缘19附近的分支29与壳层增强件23连续接触，位于前缘18附近的分支29与壳层增强件23不连续接触。更确切地，位于前缘18附近的分支29可以与垂直于前缘18的壳层增强件23接触，以及位于前缘附近的分支在与互连区域27相邻的区域中，但是不在该区域与该互连区域之间，从而使得空腔形成在前缘18侧、在分支29和壳层增强件23之间。然后，填充件34可以容纳在每个空腔中(例如参见图5a至图5d)、位于前缘18侧的自由端部30的两侧。
在变型中，空腔形成在后缘侧19，位于前缘18附近的分支29连续地接触，或者在另一变型中，空腔形成在后缘19侧和前缘18侧，然后这些空腔被填充件34填充。
在适用的情况下，分支29的自由端部30可能不与垂直于前缘18和/或后缘19的壳层22接触，然后填充件也被插入前缘18和/或后缘19与分支29的自由端部30之间。
截面D-D位于介于空气动力学轮廓结构20的高度(所述高度通过投影到设定轴线Y上来测量并且从叶片根部部分24和翼型部分25之间的界面一直延伸到叶片7的尖端)的5％至30％之间的高度处。
返回到叶片7的尖端，叶片7的内部结构必须失去刚度，以遵循逐渐变细的空气动力学轮廓，但也在发生冲击的情况下保持可接受的应力等级。这需要减小分支29的厚度，但也减小厚度L2。这就是为什么从截面D-D开始，至少两个附加填充件32被布置在翼梁增强件26和每个相对的壳层22之间、在叶片7的压力面I和吸力面E处。此外，互连区域27的长度L1在截面C-C和D-D之间增加，以通过截面的限制在离心力下保持填充件31。
截面F-F位于介于空气动力学轮廓结构20的高度的60％至85％之间的高度处。
在截面D-D和截面F-F之间(图4c、图4d和图4e)，叶片7的总体结构不变。仅几何尺寸变化。由于已经描述的原因，所有尺寸(特别是长度L1、厚度L2或者弦)沿着截面D-D的径向方向在截面F-F的方向上逐渐地减小。
在截面F-F之外，从等于空气动力学轮廓结构20的高度的约85％的下限部开始并且一直到叶片7的尖端，叶片7可以没有任何翼梁增强件26。然后，由翼梁增强件26(径向下限部)、壳层22和叶片7的尖端界定的空腔可以由附加填充件33填充，该附加填充件可以包括上述为填充件31列出的材料之一。优选地，附加填充件23不完全通向叶片7的尖端(在叶片7的尖端处不与壳层22完全接触)，以在注射时形成由树脂填充的小空间，从而保空腔的密封。
因此，图4a至图4f和5a至图5d示出了叶片7的截面，该叶片包括四种类型的构型，第一构型在叶片根部部分24中(在截面A-A和B-B之间)，第二构型在翼型部分25的下部分中(在截面C-C和D-D之间，包括填充件31)，第三构型在翼型部分25的中心部分中(在截面D-D和F-F之间，还包括附加填充件32)，以及第四构型在叶片7的尖端处(在截面F-F之外，包括附加填充件33)。然而，这不是限制性的，叶片7能够在其整个高度上仅包括第一构型和第二构型，或者仅包括第一构型、第二构型或第三构型。
例如，可以省去叶片7的尖端处的附加填充件33，并且使翼梁增强件26回到叶片7的尖端，或者在一变型中，停止与截面F-F的非互连水平，并且继续使用在截面F-F和叶片7的尖端之间没有任何非互连的纤维增强件。
根据又一变型，翼型部分25可以仅包括对应于C-C、D-D或G-G类型截面的单一构型。
图7、图8a和图8b示出了根据本发明的可能实施例的用于制造风扇叶片7的方法S的步骤。
在步骤S1中，通过在提花型织机上进行三维编织来生产翼梁增强件26。在编织期间，成束的经纱丝束(或经纱丝束)被布置成多层，每层几百根丝束。纬纱丝束T与经纱丝束C交织，使得经纱丝束C的不同层彼此连接。
翼梁增强件26被编织成平整的。
在所示的示例中，三维编织是“互锁”编织。术语“互锁”是指一种编织，其中，每层纬纱丝束将多层经纱丝束相互连接，同一纬纱柱的所有丝束在编织平面上具有相同的运动。
可以使用其它已知类型的三维编织，特别是在文献WO 2006/136755中描述的那些三维编织。
对粗制的翼梁增强件26(或纤维预制件)进行编织的步骤依次包括临时纤维增强件部分35(该临时纤维增强件部分在制造方法期间稍后将被移除)的编织、叶片根部部分24的编织和翼型部分25的编织。临时纤维增强体部分35通过将用于生产翼梁增强件26所需的所有经纱丝束C交织而进行编织。一旦纬纱柱达到预定宽度，则对翼型部分25进行编织。这样，叶片根部部分24包括延伸到翼型部分25内部的经纱线。
为了形成非互连区域28，两个连续层的经纱丝束在两个不同且分离的位置不通过纬纱丝束连接(纬纱丝束将形成互连区域27)，如图6a所示。由此获得中心互连区域27和形成四个分支29的两个非互连区域28。然后，这四个分支29可以进一步分开，以在叶片根部部分24中形成肋部(图6b)。
因此，叶片根部部分24的实施例明智地使用了编织且互锁的纤维预制件的非互连的可能性。因此，与需要逐层铺层的层压复合材料的使用相比，该制造方法需要很少的操作。此外，互锁编织复合材料的使用还可以避免翼型结构部分中的弱界面的存在，从而使由于剥落损坏的风险最小化。
然后，对临时纤维增强部分35进行切割以将其去除(图8a)。叶片根部部分24和翼型部分25的修整和切割可以通过加压水射流来完成。
然后，对翼梁增强件26进行成形(三维变形以使该翼梁增强件具有螺旋形，这将是该翼梁增强件的最终形状)(参见图8b中左侧的翼梁增强件26)。
在步骤S2期间(该步骤可以与步骤S1是同时的、连续的或在步骤S1之前)，生产壳层增强件23。如上所述，壳层增强件23可以包括编织的、纺织的、针织的或层压纤维的布置。
在步骤S3期间，将翼梁增强件26和填充件31相对于彼此定位(图8b的右侧部分)。在适用的情况下，临时填充件36特别地由泡沫制成，并且通过化学处理(脱模产品)和/或在表面添加特氟隆而变得不具有粘附性，该临时填充件也可以被布置就位，以简化注射模具的形状和/或便于脱模操作。这种填充件36特别地可以用于根部部分、每个非互连区域28中。这些临时填充件36在注射后被移除。
在步骤S4期间，将壳层增强件23围绕翼梁增强件26、填充件31以及在适用的情况下临时填充件36布置，使得叶片根部部分24位于壳层增强件23的外部，而翼型部分25位于壳层增强件23的内部。
在步骤S5期间，将由此获得的由翼梁增强件26、壳层增强件23和填充件31、32、33和/或34形成的组件布置在具有模制最终部件(即叶片7)形状的空腔的模具中，并且将塑料(空气动力学轮廓结构20和翼梁21的“基体”)注射到模具中以浸渍两个纤维增强件。塑料的注射可以通过RTM或VARRTM类型的注射技术来完成。注射的塑料例如是包含基体材料的有机前体的热固性液体组合物。有机前体通常采用聚合物(例如树脂)的形式，在适用的情况下，该聚合物在溶剂中稀释。
以本身已知的方式，塑料被加热以例如通过交联使塑料固化。为此，模具被布置在烤炉中。然后，对所获得的部件进行脱模，可选地通过机械加工对所获得的部件进行修整，以去除多余的长度并获得具有所需形状的部件，尽管在塑料的固化期间增强件的纤维有任何可能的收缩。
可选地，然后临时填充件36被移除。
在步骤S6期间，将紧固件9添加在翼梁增强件26上并附接到该翼梁增强件。紧固件特别地可以通过机械加工来获得以形成空腔，空腔的形状和尺寸是叶片根部部分24的形状和尺寸。
可选地，紧固件9可以由两部分制成，以能够使用两个专用衬套例如通过过盈配合、螺纹连接、焊接或使用夹具将紧固件添加在叶片根部部分24上并围绕该叶片根部部分附接。因此，对紧固件9进行附接的步骤S6可以在注射之前或之后完成(步骤S5)。当紧固件9在注射之前附接到叶片根部部分24时，在叶片7根部处不需要临时填充件36。
然后，可以在叶片7上执行常规的加工结束操作，例如机械加工润色、抗摩擦条的粘合、除冰系统的插入或者金属前缘屏蔽件18的添加。

Claims (15)

1.一种包括由复合材料制成的结构的叶片(7)，所述叶片包括：
-空气动力学轮廓结构(20)，所述空气动力学轮廓结构包括彼此面对的两个壳层(22)，所述壳层(22)包括通过基体致密化的第一纤维增强件(23)；以及
-翼梁(21)，所述翼梁包括通过三维编织获得并通过所述基体致密化的第二纤维增强件(26)，所述翼梁(21)包括延伸到所述空气动力学轮廓结构(20)外部的叶片根部部分(24)和被布置在所述空气动力学轮廓结构(20)内部、所述两个壳层(22)之间的翼型部分(25)；
所述叶片(7)的特征在于，在所述叶片根部部分(24)内，所述第二纤维增强件(26)包括互连区域(27)和至少两个非互连区域(28)，所述至少两个非互连区域从所述互连区域(27)径向地延伸，以形成至少四个不同的分支(29)。
2.根据权利要求1所述的叶片(7)，其中，在所述叶片根部部分(24)内，所述非互连区域(28)的分支(29)整体地包含在以所述叶片(7)的设定轴线(Y)为中心的圆(C)中。
3.根据权利要求1或2所述的叶片(7)，所述叶片还包括紧固件(9)，所述紧固件包括界定出空腔的壁，所述空腔被构造成至少部分地接纳所述叶片根部部分(24)，所述紧固件(9)可选地是金属的，并且所述紧固件(9)的所述壁包括至少四个凹部，所述至少四个凹部被构造成在调节的情况下各自接纳所述第二纤维增强件(26)的分支(29)。
4.根据权利要求2所述的叶片(7)，其中，在所述叶片根部部分(24)的从所述紧固件(9)突出的一部分中，所述圆(C)的直径在所述翼型部分(25)的方向上减小。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(7)，其中，在所述叶片根部部分(24)内，所述互连区域(27)具有沿与所述叶片(7)的弦大致平行的轴线的第一尺寸(L1)和沿与所述叶片(7)的弦大致垂直的切向轴线的第二尺寸(L2)，所述第一尺寸在所述叶片根部部分(24)的高度上是恒定的，所述第二尺寸在所述叶片根部部分(24)的高度上是恒定的。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(7)，其中，所述翼型部分(25)具有与所述叶片根部部分(24)相邻的下部分，所述第二纤维增强件(26)的所述非互连区域(28)和所述互连区域(27)一直延伸到所述下部分中，所述叶片(7)还包括由包括内空腔的材料制成的至少两个填充件(31)，每个填充件(31)被安装在对应的非互连区域(28)内。
7.根据权利要求6所述的叶片(7)，其中，所述互连区域(27)具有沿与所述叶片(7)的弦大致平行的轴线的第一尺寸(L1)，所述翼型部分(25)的所述下部分中的所述第一尺寸大于所述叶片根部部分(24)中的所述第一尺寸。
8.根据权利要求7所述的叶片(7)，其中，所述第一尺寸(L1)在所述翼型部分(25)的所述下部分内朝向所述叶片(7)的尖端逐渐增大，并且其中，在所述翼型部分(25)的所述下部分内，所述互连区域(27)具有沿与所述叶片(7)的弦大致垂直的切向轴线的第二尺寸(L2)，所述第二尺寸朝向所述叶片(7)的尖端减小。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的叶片(7)，其中，所述翼型部分的所述下部分还包括由包括内空腔的材料制成的至少两个附加填充件(32)，每个附加填充件(32)被安装在所述互连区域(27)和对应的壳层(22)之间。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的叶片(7)，其中，所述翼型部分(25)内的所述互连区域(28)一直延伸到所述壳层(22)的限定了所述叶片(7)的前缘(18)和/或后缘(19)的一部分。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的叶片(7)，其中，所述翼型部分(25)还包括具有所述叶片(7)的尖端的上部分，所述翼型部分的所述上部分还包括由包括内空腔的材料制成的至少一个附加填充件(33)，所述翼型部分(25)的所述上部分没有任何第二纤维增强件(26)。
12.根据权利要求6至11中任一项所述的叶片(7)，其中，所述翼型部分(25)还包括具有所述叶片(7)的尖端的上部分，所述翼型部分(25)的所述上部分仅包括所述第二纤维增强件(26)。
13.一种用于制造根据权利要求1至12中任一项所述的叶片(7)的方法，所述方法包括以下步骤：
S1：对所述翼梁(21)的包括所述至少两个非互连区域(28)和所述互连区域(27)的所述第二纤维增强件(26)进行三维编织；
S2：例如通过三维编织生产所述空气动力学轮廓结构(20)的所述第一纤维增强件(23)；
S4：将所述第二纤维增强件(26)插入所述第一纤维增强件(23)中，使得所述叶片根部部分(24)位于所述第一纤维增强件(23)的外部，所述翼型部分(25)位于所述第一纤维增强件(23)的内部；以及
S5：将由所述第一纤维增强件(23)和所述第二纤维增强件26)形成的组件布置到模具中，并且将基体注射到所述组件中，以获得所述叶片(7)。
14.根据权利要求13所述的方法，所述方法在所述步骤S4之前还包括以下步骤(S3)：将由包括内空腔的材料制成的至少一个填充件(31，32，33)相对于所述第一纤维增强件(23)定位。
15.一种风扇(3)，所述风扇包括风扇盘和根据权利要求1至12中任一项所述的叶片。
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