CN117529597A - 风扇叶片的纤维增强体的股线的差异化缩短率 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种涡轮机(15)的风扇叶片(3)，该风扇叶片包括由复合材料制成的结构(4)，该结构在叶片的根部(5)和/或支柱(6)内具有第一层(11)、第二层(12)和中间层(13)，第一层包括压力面(16)并具有介于总厚度(E)的10％至25％之间的第一厚度(E1)，第二层包括吸力面(17)并具有介于总厚度(E)的10％至25％之间的第二厚度(E2)，中间层在第一层(11)和第二层(12)之间延伸，第一层和第二层(11，12)中的经纱股线(9)的缩短率大于中间层(13)中的经纱股线(9)的缩短率。
Description
技术领域
本发明通常涉及涡轮机领域，更具体地涉及用于这些涡轮机的由复合材料制成的风扇叶片及其制造方法。
本发明更具体地适用于涵道式风扇叶片(特别是用于具有非常高的旁通比的涡轮机)以及可变桨距型非涵道式风扇叶片(或螺旋桨)或定子，例如USF(Unducted SingleFan，非涵道式单风扇)型涡轮机中的可变桨距定子，该USF型涡轮机具有转子和定子、或者与风扇模块叶片相当的带有两个转子的开放式转子。因此，除了开放式转子涡轮机风扇转子之外，本发明还可以适用于构成涡轮螺旋桨发动机中的风扇的螺旋桨。
背景技术
涡轮机叶片(特别是风扇叶片)经受巨大的机械应力和热应力，必须满足严格的重量和尺寸条件。因此，已经提出使用由复合材料制成的叶片，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体，该叶片比具有同等推进特性的金属叶片更轻，并且该叶片具有令人满意的耐热性。
叶片支柱区域(特别是在叶片与风扇盘的交界区域)在使用中受到很大的应力。风扇转子的旋转产生的离心力实际上损坏了该交界区域中的叶片。根据为该部件相对于盘的集成而选择的形状/设计，这可能导致平面外牵引型的局部多轴向应力(也就是说，沿大致垂直于压力面的方向的应力)和复合材料的不同层之间的平面外剪切应力。
为了防止这些多轴向应力过于局部化，建议将叶片根部向上游延伸。然而，这还涉及将风扇盘延伸，因此对风扇模块的总质量有负面影响。
发明内容
本发明的目的是通过提出一种用于涡轮机的风扇叶片来克服上述缺点，该风扇叶片包括由基质增强的复合材料，该风扇叶片(特别是在支柱区域)的抗损坏性得到了提高，而不产生脆弱区域或增加风扇部段的质量。
为此，根据第一方面，本发明提出了一种涡轮机的风扇叶片，该风扇叶片包括由复合材料制成的结构，该结构包括根部、轮叶和支柱，根部被构造成插入到风扇盘的空腔中，轮叶能够在空气流中延伸，支柱在根部和轮叶之间延伸。复合材料结构具有压力面、吸力面和支柱处的总厚度，该总厚度在垂直于叶片的堆叠轴线的平面中、在支柱部分中的压力面和吸力面之间测得。通过纬纱股线和经纱股线的三维编织来获得复合材料结构。
此外，复合材料结构在根部和/或支柱内具有第一层、第二层和中间层，第一层包括压力面并具有介于总厚度的10％至25％之间的第一厚度，第二层包括吸力面并具有介于总厚度的10％至25％之间的第二厚度，中间层在第一层和第二层之间延伸。第一层和第二层中的经纱股线的缩短率大于中间层中的经纱股线的缩短率。
以下是根据第一方面的风扇叶片的某些优选但非限制性的特征，单独地或组合地采用：
-复合材料结构内的经纱股线以预定的张力受力，中间层的经纱股线所经受的张力大于第一层和第二层中的经纱股线所经受的张力；
-复合材料结构内的纬纱股线以预定的张力受力，中间层的纬纱股线所经受的张力低于根部和/或支柱内的第一层和第二层中的纬纱股线所经受的张力；
-中间层的经纱股线所经受的张力比第一层和第二层中的经纱股线所经受的张力大至少100％(例如介于100％至200％之间)，和/或中间层的纬纱股线所经受的张力比第一层和第二层中的纬纱股线所经受的张力低至少100％(例如介于100％至200％之间)；
-第一层、第二层和中间层在支柱和根部内延伸；
-第一层、第二层和中间层在支柱内延伸至少等于总厚度的15％、优选地至少等于总厚度的20％的距离；
-第一厚度和第二厚度基本上相等；
-第一厚度和第二厚度介于总厚度的20％至25％；和/或
-第一层中的和第二层中的纬纱股线和/或经纱股线具有介于150GPa至190GPa之间的弹性模量，并且可以包括玻璃纤维或玄武岩纤维，中间层中的纬纱股线和/或经纱股线具有介于240GPa至350GPa之间，优选地大于或等于250GPa的弹性模量，并且可以包括碳纤维。
根据第二方面，本发明涉及一种用于涡轮机的风扇，该风扇包括多个根据第一方面的风扇叶片。
根据第三方面，本发明提出了一种包括这种风扇的涡轮机和包括该涡轮机的飞行器。
根据第四方面，本发明提出了一种包括至少一个根据第三方面的涡轮机的飞行器。
根据第五方面，本发明提出了一种织机，该织机被构造成编织根据第一方面的叶片的复合材料结构，织机的特征在于，施加到中间层的经纱股线的张力大于施加到第一层和第二层中的经纱股线的张力。
附图说明
本发明的其他特征、目的和优点将从以下描述中显现，以下描述纯粹是说明性的而非限制性的，并且必须参照附图来阅读，在附图中：
图1示出了根据本发明的一个实施例的风扇的示例；
图2是根据本发明的一个实施例的可以包括至少一个涡轮机的飞行器的示例的示意图；
图3是根据本发明的一个实施例的风扇叶片的示例的示意图；以及
图4是风扇叶片的复合材料结构的局部剖视图，图3非常示意性地示出了根据本发明的一个实施例的在第一层、第二层和中间层中的经纱股线和纬纱股线。
在所有附图中，相似的元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
在本申请中，上游和下游是相对于风扇1中的气体通过涡轮机15的正常流动方向来限定的。此外，风扇1的旋转轴线被称为风扇1的径向对称轴线X。轴向方向对应于风扇1的轴线X的方向，径向方向是垂直于该轴线并穿过该轴线的方向。
涡轮机15(例如飞行器100的涡轮机15)的风扇1包括风扇1的盘2，该盘承载风扇1的与叶片间平台相关联的多个叶片3。盘可以包括风扇型转子中的任何轮叶支撑件，例如限定出单元的实心盘或包括在转子中的叶片支撑件，其中，叶片通过具有允许可变桨距的支撑件而为可变桨距叶片。这些盘是已知的，这里将不再对它们进行进一步描述。
每个叶片3包括复合材料结构4，该复合材料结构包括通过三维编织获得的纤维增强体和嵌入在纤维增强体中的基质。
该复合材料结构4包括根部5、支柱6和具有空气动力学轮廓的轮叶7。根部5旨在使得叶片3能够固定到风扇盘2，并且为此目的在形成在盘2中的腔的底部和腔的支承件的出口14之间延伸。具有空气动力学轮廓的轮叶7适于在涡轮机15运行时布置在空气流中，以产生升力。最后，支柱6对应于轮叶7的在根部5和轮叶7之间(也就是说，在支承件的出口14(叶片与盘的接触区域)和叶片间平台(其在内部界定出次级流动路径)之间)延伸的区域。因此，支柱6被构造成不在空气流中延伸。
叶片3还以本身已知的方式包括前缘、后缘、压力面16和吸力面17。前缘被构造成面向进入涡轮机15的气流延伸。前缘对应于空气动力学轮廓的前部，面向空气流并将空气流分成压力面流和吸力面流。后缘则对应于空气动力学轮廓的压力面流和吸力面流相遇的后部。
最后，该结构由多个叶片部段形成，多个叶片部段沿着相对于风扇1的旋转轴线X径向延伸的堆叠轴线Y从根部5堆叠。
在下文中，“高度”将表示沿着堆叠轴线Y的距离。因此，叶片根部5和支柱6的高度对应于沿着堆叠轴线Y在叶片根部5的下限10和支柱6的上限(在与轮叶的相交处)之间的距离。“厚度”也将表示在垂直于堆叠轴线Y的平面中并沿着在压力面壁16和吸力面壁17之间延伸的轴线的距离，该轴线与堆叠轴线Y相交。
复合材料结构4的纤维增强体可以由单件纤维预制件形成，该单件纤维预制件通过三维或多层编织获得，并具有逐渐变化的厚度。单件纤维预制件包括经纱9(也就是说，沿着叶片部段3的堆叠轴线Y延伸的股线)和纬纱(也就是说，沿着叶片3的弦延伸的股线)股线，股线可以特别地包括由碳、玻璃、玄武岩和/或芳族聚酰胺制成的纤维。而基质通常为聚合物基质，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。然后通过使用RTM(Resin TransferMolding，树脂传递模塑)或VARTM(Vacuum Resin Transfer Molding，真空树脂传递模塑)型的真空树脂注射工艺进行模塑来形成叶片3。
图3示意性地示出了叶片3，叶片的纤维增强体在注射树脂或通过基质致密化和可能的机械加工之前由三维编织纤维预制件成形，以获得根据本发明的由复合材料制成的风扇叶片3。通过三维编织，可以理解，经纱股线9沿着弯曲的路径，以将属于不同纬纱股线10的层的纬纱股线10结合在一起，应当注意的是，三维编织(特别是具有互锁图案的)可以包括2D表面编织。可以使用不同的三维编织图案，诸如互锁图案、多缎图案或多纱线图案，例如，如文献WO 2006/136755中所特别描述的。
在编织过程中，向经纱股线9和纬纱股线10施加张力，以使它们具有不同的刚度，从而相应地产生预定的缩短率。通过缩短股线，这里指的是给定的股线完全是直的时的长度与该股线的实际长度(在纤维增强体中)之间的差异，这是由于该股线为了与其他股线结合而进行的交织，该交织限定了通常所说的纤维增强体的编织图案。缩短率通常以百分比表示，因此表征了股线的起伏。以本身已知的方式，当给定的股线是直的时，股线的缩短率等于0％；股线的起伏越大，股线的缩短率就越高。
复合材料结构4在根部5和/或支柱6内具有第一层11、第二层12和中间层13，第一层包括压力面16并具有厚度介于总厚度E的10％至25％之间的第一厚度E1，第二层包括吸力面17并具有厚度介于总厚度E的10％至25％之间的第二厚度E2，中间层在第一层11和第二层12之间延伸。因此，第一层11和第二层12形成叶片3的表层，而中间层13处于芯部。
总厚度E在这里指的是在支柱6的中间高度、在前缘处测量的复合材料结构4的厚度。
为了提高风扇叶片3的抗损坏性，在支柱6和/或根部5中，布置在表层中(也就是说，布置在第一层和第二层11、12中)的经纱股线9具有比布置在芯部处(也就是说，布置在中间层13中)的经纱股线9更大的缩短率。因此，复合材料结构4在表层中更柔韧，在芯部处更坚硬，这降低了在表层附近的离心电荷的集中。
优选地，第一厚度E1和第二厚度E2介于20％至25％之间。第一厚度E1和第二厚度E2可以基本相等，在5％以内。
通过在用于生产纤维增强体的织机中对经纱股线9和/或纬纱股线10施加不同的张力，使得经纱股线9在芯部处(在中间层13中)经受的张力大于经纱股线9在表层附近(在第一层和第二层11、12中)经受的张力和/或纬纱股线10在芯部处经受的张力低于纬纱股线10在表层附近经受的张力，可以获得经纱股线9的缩短率的差异。
实际上，申请人注意到，风扇叶片3的损坏通常位于叶片3的表层处，更准确地，位于支承件的出口14附近，并且第一层和第二层11、12中的经纱股线9比中间层13中的经纱股线9经受更大的载荷。纤维增强体的第一层和第二层11、12中的经纱股线9的缩短率的增加(和/或中间层13中的经纱股线9的缩短率的减小)因此使得能够使表层中的经纱股线9比芯部中的经纱股线9更柔韧，并且使得能够更好地分配由经纱股线9在支柱6和根部5内承受的载荷。
在第一实施例中，通过增加施加到中间层13中的经纱股线9的张力和/或通过减小施加到第一层和第二层11、12中的经纱股线9的张力，可以获得由中间层13中的经纱股线9和第一层和第二层11、12中的经纱股线9所经受的张力差。例如，中间层13的经纱股线9所经受的张力比第一层和第二层11、12中的经纱股线9所经受的张力大至少100％(例如高于100％至200％之间)。
在可以与第一实施例相结合的第二实施例中，通过减小施加到中间层13中的纬纱股线10的张力和/或通过增加施加到第一层和第二层11、12中的纬纱股线10的张力，可以获得中间层13中以及第一层和第二层11、12中的经纱股线9的缩短率的差异。施加到纬纱股线10的张力的改变实际上对经纱股线9在它们的界面附近所经受的张力具有直接影响，从而对经纱股线的缩短率和刚度具有直接影响。例如，中间层13的纬纱股线10所经受的张力比第一层和第二层11、12中的纬纱股线10所经受的张力低至少100％(例如高于100％至200％之间)。然而，应当注意的是，纬纱股线10经受较小的摩擦，因为纬纱股线在织机的底部处直接与经纱股线9接触。因此，施加到纬纱股线10的张力可以低于施加到经纱股线9的张力，以达到缩短经纱股线9的同等效果。
应当注意的是，在编织过程中施加到股线9、10的张力水平对股线的缩短率具有直接的影响，从而对沿股线方向的机械性能具有直接的影响。因此，通过减小纬纱股线10中的张力或通过增加经纱股线9中的张力，可以减小经纱股线9的缩短率(并因此增加经纱股线的刚度和抗断裂性)。如上所述，纬纱股线10的张力的减小和经纱股线9的张力的增加可以以联接或分离的方式进行，以获得期望的缩短率减小。减少一个方向(例如沿经纱股线)的缩短率对于沿正交方向(沿纬纱股线10)的缩短率具有相反的效果。
由织机施加到经纱股线9和/或纬纱股线10的张力的变化可以通过任何合适的方式获得，原理是直接在卷绕股线的线圈的输出处施加拉紧张力。以本身已知的方式，这种张力可以通过拉动每根经纱股线9的弹簧系统来施加，或者使用位于线圈的经纱股线9的出口和织机综线的孔眼之间的重物来施加。此外，市场上可以买到使得能够控制所施加的张力的线圈。最后，施加到纬纱股线10的张力可以以与经纱股线9类似的方式来控制，和/或通过使用夹具来控制，夹具夹住纬纱股线10的端部并将纬纱股线拉过梭口(经纱的交织)，然后一旦织机的打纬已经进入下一序列，就释放纬纱股线10。这些用于向(经纱9或纬纱10)股线施加张力的方式本身是已知的，这里将不再进一步详述。
优选地，第一层11、第二层12和中间层13延伸到复合材料结构4的根部5和支柱6中。实际上，这些是叶片3的在运行中容易因离心载荷而损坏的部分。
当通过对中间层13的纬纱股线10和对第一层和第二层11、12的纬纱股线10施加不同的张力而获得张力差时，第一层11、第二层12和中间层13可以仅在叶片3的高度的一部分上延伸。在这种情况下，三个层11、12、13在支承件的出口14附近延伸到支柱6中，并且在适当的情况下，延伸到根部5中。在一个实施例中，三个层11、12、13在支承件的出口14的两侧延伸，例如沿着根部5延伸的高度h1和沿着支柱6延伸的高度h2介于总厚度E的15％至25％之间，优选地介于总厚度E的20％至25％之间(也就是说，总高度h1+h2介于总厚度E的30％至50％之间)。
当通过对中间层13的经纱股线9和对第一层和第二层11、12的经纱股线9施加不同的张力而获得张力差时，第一层11、第二层12和中间层13可以延伸过叶片3的整个高度。替代性地，第一层和第二层11、12中的经纱股线9可以在适当的情况下在第一层和第二层11、12的上限处(距支承件的出口14的距离介于总厚度E的15％至25％之间，优选地介于总厚度E的20％至25％之间)从纤维增强体中逐渐移除，并且由尽可能多的经纱股线9(其经受与中间层13中的经纱股线9的张力相等的张力)代替，以限制能够削弱叶片3的复合材料结构中的性能变化梯度(刚度和断裂强度)。
应当注意的是，第一层11(分别地，第二层12)和中间层13之间的厚度过渡可以是渐进的，也就是说，施加到经纱股线9的张力和/或经受更大张力的经纱股线9的密度从第一层11(分别地，从第二层12)向中间层13逐渐增加。例如，可以在总厚度E的2％至8％之间的厚度上产生经纱股线9的从第一层11(分别地，第二层12)向中间层13的这种性能过渡。
为了进一步提高复合材料结构4在表层附近的柔韧性，第一层11和第二层12中的纬纱股线10和/或经纱股线9可以由弹性模量低于中间层13中的纬纱股线10和/或经纱股线的弹性模量的材料制成。例如，第一层和第二层11、12中的股线9和/或10可以具有介于150GPa至190GPa之间的弹性模量，并且可以包括玻璃纤维或玄武岩纤维。中间层13中的股线9和/或10可以具有介于240GPa至350GPa之间、优选地大于或等于250GPa的弹性模量，并且可以包括碳纤维。以这种方式，芯部股线9、10确保了叶片3的足够刚度，从而使得能够遵从设计标准并保证其频率状态，而表层股线9、10限制了对叶片3的损坏的开始和传播。
通常，所描述的构型对于其风扇1可以具有1.8米至3米的外直径的涡轮机15是有效的。风扇1的叶片3的数量可以等于16或18。不管风扇1的直径如何，风扇叶片3的数量将尽可能地减少。
Claims (12)
1.一种涡轮机(15)的风扇叶片(3)，所述风扇叶片包括由复合材料制成的结构(4)，所述结构包括根部(5)、轮叶(7)和支柱(6)，所述根部被构造成插入到风扇盘的腔中，所述轮叶被构造成在空气流中延伸，所述支柱在所述根部(5)和所述轮叶(7)之间延伸；
其中，复合材料结构(4)具有压力面(16)、吸力面(17)和所述支柱(6)处的总厚度(E)，所述总厚度(E)在垂直于所述叶片的堆叠轴线(Y)的平面中、在支柱部分(6)中的所述压力面(16)和所述吸力面(17)之间测得；
其中，通过纬纱股线(10)和经纱股线(9)的三维编织来获得所述复合材料结构(4)；
所述风扇叶片(3)的特征在于，所述复合材料结构(4)在所述根部(5)和/或所述支柱(6)内具有第一层(11)、第二层(12)和中间层(13)，所述第一层包括所述压力面(16)并具有介于所述总厚度(E)的10％至25％之间的第一厚度(E1)，所述第二层包括所述吸力面(17)并具有介于所述总厚度(E)的10％至25％之间的第二厚度(E2)，所述中间层在所述第一层(11)和所述第二层(12)之间延伸，所述第一层和所述第二层(11，12)中的所述经纱股线(9)的缩短率大于所述中间层(13)中的所述经纱股线(9)的缩短率。
2.根据权利要求1所述的风扇叶片，其中，所述复合材料结构(4)内的所述经纱股线(9)以预定的张力受力，所述中间层(13)的所述经纱股线(9)所经受的张力大于所述第一层和所述第二层(11，12)中的所述经纱股线(9)所经受的张力。
3.根据权利要求1和2所述的风扇叶片(3)，其中，所述复合材料结构(4)内的所述纬纱股线(10)以预定的张力受力，所述中间层(13)的所述纬纱股线(10)所经受的张力低于所述根部(5)和/或所述支柱(6)内的所述第一层和所述第二层(12)中的所述纬纱股线(10)所经受的张力。
4.根据权利要求2或3所述的风扇叶片(3)，其中，所述中间层(13)的所述经纱股线(9)所经受的张力比所述第一层和所述第二层(12)中的所述经纱股线(9)所经受的张力大至少100％，例如介于100％至200％之间，和/或所述中间层(13)的所述纬纱股线(10)所经受的张力比所述第一层和所述第二层(12)中的所述纬纱股线(10)所经受的张力低至少100％，例如介于100％至200％之间。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的风扇叶片(3)，其中，所述第一层(11)、所述第二层(12)和所述中间层(13)在所述支柱(6)和所述根部(5)内延伸。
6.根据权利要求5所述的风扇叶片(3)，其中，所述第一层(11)、所述第二层(12)和所述中间层(13)在所述支柱(6)内延伸至少等于所述总厚度(E)的15％、优选地至少等于所述总厚度(E)的20％的距离(D)。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的风扇叶片(3)，其中，所述第一厚度(E1)和所述第二厚度(E2)基本上相等。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的风扇叶片(3)，其中，所述第一厚度(E1)和所述第二厚度(E2)介于所述总厚度(E)的20％至25％之间。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的风扇叶片(3)，其中，所述第一层(11)中的和所述第二层(12)中的所述纬纱股线(10)和/或所述经纱股线(9)具有介于150GPa至190GPa之间的弹性模量，并且可以包括玻璃纤维或玄武岩纤维，所述中间层(13)中的所述纬纱股线和/或所述经纱股线具有介于240GPa至350GPa之间、优选地大于或等于250GPa的弹性模量，并且可以包括碳纤维。
10.一种风扇(1)，所述风扇包括多个根据权利要求1至9中任一项所述的风扇叶片(3)。
11.一种涡轮机(15)，所述涡轮机包括根据权利要求10所述的风扇(1)。
12.一种飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求11所述的涡轮机。
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