ES2832613T3 - Perfil alar compuesto - Google Patents

Abstract

Un perfil alar compuesto (6), teniendo el perfil alar un borde de ataque (2), un borde de salida (4), un lado de presión (6) y un lado de succión (8) y comprendiendo una capa externa de protección frente a la erosión (22) a lo largo de uno o ambos del lado de presión o lado de succión, un núcleo estructural (30) que tiene una pluralidad de capas de fibras unidireccionales impregnadas con resina, y caracterizado por que entre la capa externa de protección frente a la erosión y el núcleo estructural hay un material compuesto tejido (26) impregnado con una resina que tiene un módulo de elasticidad menor que el de la resina que impregna las capas en el núcleo estructural.

Description

DESCRIPCIÓN

Perfil alar compuesto

La presente invención se refiere a perfiles alares compuestos y, en particular, a perfiles alares compuestos para aviones y a perfiles alares particulares en un motor de turbina.

Los componentes compuestos aeroespaciales tienden a construirse a partir de fibra de carbono unidireccional colocada capa por capa para formar un laminado y las capas se unen entre sí con una resina. La resina puede inyectarse para obtener una preforma en un proceso conocido como moldeo por transferencia de resina (RTM) o ya puede estar presente en las capas, suministrándose las capas como material preimpregnado o pre-preg. El material compuesto pasa entonces por una serie de procesos adicionales que incluyen un ciclo de calor para curar la resina.

Los materiales compuestos aeroespaciales pueden utilizarse para formar perfiles alares como palas o paletas en un motor o los componentes del fuselaje como alas, puntales, timones, etc. Todo componente aeroespacial compuesto expuesto puede estar sujeto a daños por objetos extraños (FOD). Se trata generalmente de proyectiles de masa pequeña (por ejemplo, grava, pernos, etc.) que se desplazan a velocidades relativamente altas (100-500 m/s). El daño característico que se produce tras estos eventos es localizado y depende de la gravedad del impacto. Las bajas energías pueden dar lugar a daños menores en la matriz adyacente al lugar del impacto. A medida que la energía aumenta, este daño se hace más generalizado. Los aumentos adicionales pueden dar lugar a que este daño se fusione y a que se formen delaminaciones. También puede haber daños localizados en las fibras en la superficie proximal y desprendimientos cerca de la superficie distal.

Un objetivo de la invención es proporcionar un perfil alar que ofrezca ventajas.

El documento US 4.006.999 da a conocer una estructura compuesta de filamentos laminada, tal como un perfil alar que puede someterse a un impacto por objetos extraños, dotada de una protección mejorada del borde de ataque. Una capa fina de malla de alambre está unida parcialmente dentro de la estructura compuesta a lo largo de su eje de flexión neutro. La malla de alambre está revestida con un metal tal como níquel para proporcionar un dispositivo de protección de borde de ataque anclado firmemente dentro de la estructura compuesta.

El documento DE4443440 da a conocer una capa de protección frente al desgaste (principalmente la erosión y cavitación) para componentes de materiales inorgánicos, no metálicos, metálicos y/u orgánicos, especialmente componentes expuestos a un desgaste por impacto y erosión. La capa de protección frente al desgaste consiste en: (a) una capa de metal duro o metal adherente, compacta con una dureza de 1000-3000 HV, que se une de manera adhesiva, se aplica mediante deposición de vapor, galvanoplastia o se pulveriza sobre (b) una capa elástica de grosor uniforme o variable según el contorno de superficie del componente. La capa elástica tiene un grosor de 0,5-3 mm y una dureza Shore A de A10 a A90.

El documento US 3.892.612 da a conocer una pala de compresor compuesta de filamentos dotada de una capa de subsuperficie de malla de alambre fina alrededor de su borde de ataque, revestida con níquel. En la pala también se incorporan capas de malla internas.

Según la invención se proporciona un perfil alar compuesto según la reivindicación 1, teniendo el perfil alar un borde de ataque, un borde de salida, un lado de presión y un lado de succión y comprendiendo una capa externa de protección frente a la erosión a lo largo de uno o ambos del lado de presión o lado de succión, un núcleo estructural que tiene una pluralidad de capas de fibras unidireccionales impregnadas con resina, y entre la capa externa de protección frente a la erosión y el núcleo estructural un material compuesto tejido impregnado con una resina que tiene un módulo de elasticidad menor que el de la resina que impregna las capas en el núcleo estructural.

La capa externa de protección frente a la erosión puede tener una dureza entre Shore A50 y Shore D 60. Preferiblemente la dureza es Shore A 90. La capa externa de protección frente a la erosión puede ser de poliuretano.

La resina que impregna el núcleo estructural puede ser una resina epoxídica.

La resina que impregna el material compuesto tejido puede ser un adhesivo fenólico de nitrilo termoestable.

Según un segundo aspecto de la invención se proporciona un procedimiento de fabricación de un perfil alar compuesto según la reivindicación 8, que comprende las etapas de proporcionar un núcleo estructural que tiene una pluralidad de capas de fibras unidireccionales impregnadas con resina, teniendo la resina dentro de las capas un módulo de elasticidad predeterminado; proporcionar un material compuesto tejido impregnado con una resina que tiene un módulo de elasticidad menor que el de la resina que impregna las capas en el núcleo estructural; y consolidar el núcleo estructural y la capa tejida poniéndolos en contacto y aplicando calor.

El procedimiento puede comprender además la etapa de una capa de protección frente a la erosión a la capa tejida.

A continuación, se describirá la invención a modo de ejemplo solamente y con referencia a las figuras adjuntas en las que:

la figura 1 ilustra un perfil alar según la presente invención;

la figura 2 ilustra una sección cordal del perfil alar de la figura 1 tomada a lo largo de la sección A-A de la figura 1;

la figura 3 ilustra una vista ampliada del rectángulo 20 con líneas discontinuas de la figura 2 que muestra capas representativas de material compuesto dentro del perfil alar.

La figura 1 ilustra una forma exterior a modo de ejemplo de un perfil alar 1 según la presente invención que puede utilizarse en un motor de turbina de gas axial. La figura 2 es una sección transversal del perfil alar 1 tomada a través de la sección A-A de la figura 1. El perfil alar tiene un borde de ataque 2 axialmente hacia delante y un borde de salida 4 axialmente hacia atrás. La periferia del perfil alar comprende flancos o lados que se extienden entre el borde de ataque y el borde de salida: un flanco de presión 6 que se extiende a lo largo de un lado y un lado de succión 8 que se extiende a lo largo del otro lado. Las superficies del perfil alar también se extienden desde la plataforma de perfil alar 12 hasta la punta del perfil alar 10. El perfil alar está dispuesto dentro del motor de turbina de gas para girar sobre el eje del motor 14 en el sentido de la flecha 16.

La figura 3 es una sección del rectángulo 20 de la figura 2 que muestra parte de la estructura interna del perfil alar 1. La estructura se proporciona por una pluralidad de capas relativamente diferenciadas que se describirán a su vez a partir de la capa externa 22 que proporciona la superficie de presión 6 hasta el núcleo de pala 30.

La capa externa 22 de la pala compuesta a modo de ejemplo es una capa de protección frente a la erosión con un grosor entre 0,1 y 0,5 mm de un material con una dureza entre Shore A 50 y Shore D 60. Una dureza preferida es de aproximadamente Shore A 90 que posiblemente se proporciona por un material tal como poliuretano. La capa externa puede aplicarse mediante cualquier procedimiento adecuado tal como pulverización o inmersión o aplicación como una película. La capa externa puede reducir la fuerza de contacto pico de cualquier objeto extraño (FO) que impacte con la pala y disminuir el daño localizado producido por el FO. Se ha encontrado que la probabilidad de daño viene dictaminada al menos en parte por la fuerza de contacto pico.

Se utiliza una capa adhesiva 24 con un grosor de aproximadamente 0,1 mm para conectar la capa de protección frente a la erosión de poliuretano al resto de la pala. Los adhesivos preferidos tienen una resistencia al desprendimiento elevada, buena flexibilidad, resistencia al cizallamiento y tienen una adhesión excelente a la resina epoxídica, al poliuretano y opcionalmente al titanio. Dos adhesivos a modo de ejemplo que pueden utilizarse son resina fenólica de nitrilo que se proporciona en forma de líquido o de película y se conoce como AF32™ y AF500™, estando disponibles ambas de 3M™ como adhesivo de película termoestable, sin soporte. AF32 tiene una OLS (Over-Lap Shear, cizalla por solapamiento) a 75°F (24°C) de 3500 psi (24,1 MPa) y una resistencia al desprendimiento medida por un rodillo flotante de metal/metal de 55 piw (9,6 N/mm). AF500 tiene una OLS a 75°F (24°C) de 6000 psi (41,4 MPa) y una resistencia al desprendimiento de 77 piw (343 N/25mm) medida por un rodillo flotante de metal/metal. Puede utilizarse una tela metálica para controlar el grosor de la unión.

Unida a la capa adhesiva 24 hay una capa compuesta tejida 26 con un grosor de referencia de 1 capa (aproximadamente 0,25 mm) aunque pueden añadirse otras capas adicionales. El tejido se proporciona por fibras de carbono o de vidrio dispuestas en un patrón apropiado, por ejemplo, tejido liso, satén de 8 arneses, satén de 4 arneses o sarga de 2 x 2, dependiendo de la propiedad deseada del tejido. El tejido se infunde con el mismo adhesivo que une el tejido a la capa de superficie 22. Este adhesivo es más flexible que las resinas utilizadas convencionalmente para infundir materiales compuestos y que tiene un módulo de elasticidad inferior al de la resina utilizada para formar el núcleo estructural 30 del perfil alar.

La infusión del tejido con el material adhesivo mejora significativamente la tolerancia al daño de la estructura. En el caso de que un FO impacte en el perfil alar con una fuerza pico suficiente para romper la capa de superficie, entonces la capa tejida infundida evita que el daño se propague hacia el núcleo estructural 30. Cuando existe una concentración significativa del estrés en la interfaz entre la capa de superficie tejida y las capas estructurales unidireccionales subyacentes, cuando la estructura se somete a una flexión pueden desprenderse las capas de superficie.

El daño tiende a propagarse por la vía más fácil y la previsión de la capa tejida infundida con el adhesivo tiende a dirigir cualquier delaminación lejos del núcleo estructural 30 y a limitarla a una zona menos perjudicial.

El adhesivo resiliente es más resistente y duro que una resina optimizada como un material de matriz. Esto mejora la resistencia de interfaz con respecto a un material de matriz de resina y reduce la probabilidad de que la capa tejida se desprenda con una flexión del perfil alar y de cualquier propagación de fisuras al núcleo estructural.

Una ventaja adicional de tener una capa tejida impregnada con el adhesivo situado entre la capa de erosión 22 y el núcleo 30 la introduce un amortiguador de capa limitada. Aunque los materiales compuestos tienen niveles de amortiguación inherente relativamente elevados, reducciones adicionales en la respuesta de la pala permiten una reducción del grosor y por tanto, una mejora en cuanto al peso y al rendimiento aerodinámico. La capa tejida refuerza el adhesivo de modo que bajo el punto de impacto el material adhesivo resiliente se hace más delgado y se expande debido a la relación de Poisson del material, pero la presencia de la capa tejida controla la expansión y se extiende y disipa la energía y por tanto reduce las amplitudes de vibración. Se mejora la eficiencia de este sistema de amortiguación basado en la tensión cuando la capa de poliuretano de material rígido se coloca sobre la parte superior del elastómero, aumentando la tensión de corte en la capa de amortiguación cuando se dobla el sustrato.

Añadiendo una amortiguación a la pala es posible reducir los niveles de respuesta a la vibración de la pala y, de manera correspondiente, bien mejorar la resistencia a la fatiga de la pala o bien reducir el grosor del componente para una resistencia a la fatiga dada.

Una capa adhesiva 28 con un grosor de menos de 0,5 mm conecta la capa tejida 26 con el núcleo estructural 30. El adhesivo es preferiblemente del mismo material que el utilizado en la capa 24 y que el material infundido en la capa compuesta tejida. El uso del adhesivo en la capa compuesta tejida puede tener una adhesión suficiente para hacer que la capa de pegamento 28 sea redundante, lo que de manera ventajosa puede reducir el grosor global del perfil alar.

El núcleo estructural 30 lo proporcionan una pluralidad de capas de fibras de carbono unidireccionales impregnadas con una resina epoxídica. La resina es significativamente más rígida que el adhesivo que impregna la capa tejida y se ha encontrado que pegar un recubrimiento externo de poliuretano directamente a una capa de material compuesto impregnada con resina epoxídica puede producir una delaminación debido a las diferencias relativamente grandes en la rigidez entre la capa de PU y la resina epoxídica. El uso de un adhesivo con un material compuesto tejido de relleno de rigidez intermedia entre las dos medias las diferencias y reduce la posibilidad de delaminación.

Para ensamblar el artículo compuesto, inicialmente se coloca el núcleo estructural y se fabrica a partir de una serie de cintas unidireccionales preimpregnadas con resina epoxídica. Las cintas y, por tanto, las fibras se disponen en una serie de capas, siendo diferente la alineación de las fibras en las capas adyacentes. Las alineaciones que pueden utilizarse son 45°, -45° y 0°, midiéndose los ángulos desde la distancia radial de la pala que se extiende desde la plataforma hasta la punta de la pala.

La capa tejida se fabrica por separado. Durante las etapas iniciales de fabricación se reduce la viscosidad del adhesivo mediante la adición de un disolvente adecuado, controlando la cantidad de reticulación en el adhesivo o cambiando la viscosidad de la resina mediante una activación adecuada que permita la impregnación de la capa tejida. A continuación, se coloca el adhesivo sobre una superficie de herramienta y se le aplica la capa tejida. Para consolidar el conjunto se mantiene a una temperatura elevada y se crea una presión diferencial entre la herramienta y la capa tejida. La presión diferencial hace que el adhesivo fluya hacia los intersticios dentro del material compuesto. Después de la impregnación, aumenta la densidad de reticulación del adhesivo o se evapora el disolvente para convertir el material a un estado más pegajoso para proporcionar un conjunto que pueda eliminarse de la superficie de herramienta.

Tras el ensamblaje del núcleo estructural y de la capa tejida, ambos se consolidan poniéndolos en contacto directo, posiblemente con una capa de adhesivo entre los mismos y se calientan para curar la resina epoxídica con el núcleo estructural y el adhesivo dentro del material compuesto tejido y unir las dos partes entre sí.

En un proceso de fabricación alternativo, primero se forma la capa tejida y las capas preimpregnadas del núcleo estructural se colocan sobre la capa tejida y posteriormente se curan y consolidan.

Se apreciará que la invención descrita en esta solicitud ofrece varias ventajas, incluyendo: mejor resistencia al daño y tolerancia al impacto por cuerpos duros, mejor protección de la capa de protección frente a la erosión local al lugar del impacto para el impacto por cuerpos blandos, mejor funcionalidad de amortiguación, se mejora la integridad de la capa de superficie durante la flexión bruta del perfil alar y, debido a la amortiguación y a la resistencia al daño, es posible un perfil alar más delgado para un impacto dado por objetos extraños.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Un perfil alar compuesto (6), teniendo el perfil alar un borde de ataque (2), un borde de salida (4), un lado de presión (6) y un lado de succión (8) y comprendiendo una capa externa de protección frente a la erosión (22) a lo largo de uno o ambos del lado de presión o lado de succión,

un núcleo estructural (30) que tiene una pluralidad de capas de fibras unidireccionales impregnadas con resina, y caracterizado por que

entre la capa externa de protección frente a la erosión y el núcleo estructural hay un material compuesto tejido (26) impregnado con una resina que tiene un módulo de elasticidad menor que el de la resina que impregna las capas en el núcleo estructural.

2. Un perfil alar compuesto según la reivindicación 1, en el que la capa externa de protección frente a la erosión tiene una dureza entre Shore A50 y Shore D 60.

3. Un perfil alar compuesto según la reivindicación 2, en el que la dureza es Shore A 90.

4. Un perfil alar compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la capa externa de protección frente a la erosión es de poliuretano.

5. Un perfil alar compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la resina que impregna el núcleo estructural es una resina epoxídica.

6. Un perfil alar compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que la resina que impregna el material compuesto tejido es un adhesivo fenólico de nitrilo termoestable.

7. Un perfil alar compuesto según cualquier reivindicación anterior, en el que el material compuesto tejido comprende fibras de vidrio o de carbono.

8. Un procedimiento de fabricación de un perfil alar compuesto según la reivindicación 1, que comprende las etapas de proporcionar el núcleo estructural (30) que tiene una pluralidad de capas de fibras unidireccionales impregnadas con resina, teniendo la resina dentro de las capas un módulo de elasticidad predeterminado; proporcionar un material compuesto tejido (26) impregnado con una resina que tiene un módulo de elasticidad menor que el de la resina que impregna las capas en el núcleo estructural; y consolidar el núcleo estructural y la capa tejida poniéndolos en contacto y aplicando calor.

9. Un procedimiento según la reivindicación 8, que comprende además la etapa de fijar una capa de protección frente a la erosión a la capa tejida.