專利名稱：用于制造具有內(nèi)部通道的復(fù)合材料葉片的方法及復(fù)合材料渦輪發(fā)動機(jī)葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有內(nèi)部通道的渦輪發(fā)動機(jī)葉片。
背景技術(shù)：
為降低噪音以及葉片根部的紊流，已知可以在葉片中形成內(nèi)部通道，這些通道在葉片的根部附近和頂部附近打開。這些內(nèi)部通道由此形成吸/吹裝置，該吸/吹裝置在與葉片根部同一水平處引入(吸入)空氣，并在與葉片頂部同一水平處將空氣排出(吹出)，由此使得轉(zhuǎn)子附近的邊界層的一部分能夠被吸收。具有這些吸/吹裝置的葉片通常由金屬材料制成，其中在葉片的整體上掏挖出內(nèi)部通道。
然而，在金屬材料葉片中加工內(nèi)部通道是很困難的，只有當(dāng)葉片形狀相對簡單時才可實(shí)現(xiàn)。特別地，在具有扭曲形狀的金屬葉片中不可能加工內(nèi)部通道。為獲得重量更輕的葉片，已知可以使用復(fù)合材料制造葉片，即，使得結(jié)構(gòu)的部件包括由基質(zhì)致密化的纖維增強(qiáng)材料。通常使用的技術(shù)包括形成一堆預(yù)浸潰的單向片材或者板材(覆蓋)，這些單向片材或板材置于模具中并且連續(xù)的板材朝向不同的方向，然后在高壓釜中進(jìn)行壓縮和聚合。在另一種更新的能提供更好性能的技術(shù)中，葉片通過先三維編織纖維預(yù)制件，然后使用基質(zhì)對預(yù)制件進(jìn)行致密化而制成。文件EP1526285描述了制造這種葉片的方法。然而，已知的復(fù)合材料葉片不包括內(nèi)部通道。在復(fù)合材料葉片中加工內(nèi)部通道會破壞葉片的性能和強(qiáng)度。鉆出一個或多個通道特別可能會導(dǎo)致某些增強(qiáng)紗線被破壞甚至折斷，由此打斷力傳遞路徑，損害纖維增強(qiáng)材料的內(nèi)聚力，這些路徑由增強(qiáng)紗線形成。雖然如此，復(fù)合材料葉片代表著未來的解決方案，特別是因?yàn)樗鼈兊闹亓枯p，并且機(jī)械性能優(yōu)良。

發(fā)明內(nèi)容
因此，希望渦輪發(fā)動機(jī)的渦輪和壓縮機(jī)能夠具有復(fù)合材料葉片，這些葉片包括一個或多個內(nèi)部通道，并同時具有所需要的機(jī)械性能。還希望這種葉片具有相對復(fù)雜的形狀，例如扭曲的形狀。為此，本發(fā)明提供了使用復(fù)合材料制造渦輪發(fā)動機(jī)葉片的方法，所述復(fù)合材料包括由基質(zhì)致密化的纖維增強(qiáng)材料，所述方法包括-通過將第一多個紗線和第二多個紗線編織在一起形成纖維毛坯，所述第一多個紗線中的紗線設(shè)置在連續(xù)層中并沿纖維毛坯的縱向方向延伸，該縱向方向?qū)?yīng)于將要制造的葉片的縱向方向；-成形所述纖維毛坯，以獲得將要制造的葉片的預(yù)制件；以及-通過將所述預(yù)制件浸潰在含有所述基質(zhì)的材料前體的液體組合物中使所述預(yù)制件致密化，以獲得具有纖維增強(qiáng)材料的葉片，所述纖維增強(qiáng)材料由所述預(yù)制件構(gòu)成，并通過所述基質(zhì)而被致密化。在所述方法中，位于所述纖維毛坯的內(nèi)部部分中的所述第一多個紗線中的至少一層紗線包括一個或多個犧牲材料的紗線，所述犧牲材料的紗線在所述預(yù)制件被致密化之后去除，以在所述葉片中形成一個或多個內(nèi)部通道。因此，通過本發(fā)明的方法，可以制造具有內(nèi)部通道的復(fù)合材料葉片，并同時保留葉片結(jié)構(gòu)的機(jī)械完整性。在本發(fā)明的方法中，通道的形成不破壞通道附近的增強(qiáng)紗線的連續(xù)性。此外，由于犧牲紗線在對纖維毛坯成形之前就包括在增強(qiáng)材料中，可以制造同樣包括內(nèi)部通道的具有復(fù)雜形狀的葉片，特別是具有扭曲形狀的葉片。特別地，但是非唯一地，犧牲材料可以選自下列材料中的至少一種熱熔材料，如聚醋酸乙烯酯或聚乙烯；及 適于被溶劑(水，醇，等)溶解的材料，如可溶聚合物，例如聚乙烯醇(PVA)。在本發(fā)明的一個方面，纖維毛坯通過在多個層上三維編織至少與第一多個紗線中的紗線連接在一起的第二多個紗線中的紗線制成。三維編織可以為多層編織，編織類型選自以下編織法中的至少一種緞織、多層緞織、多層平織及兩面編織。特別地，第一多個紗線中除了犧牲材料的紗線之外的紗線以及第二多個紗線中的紗線可以為陶瓷紗線或碳紗線。犧牲材料的紗線的重量根據(jù)將要在葉片中制造的內(nèi)部通道的尺寸決定。本發(fā)明還提供由包含纖維增強(qiáng)材料的復(fù)合材料制成的渦輪發(fā)動機(jī)葉片，該纖維增強(qiáng)材料通過將第一多個紗線和第二多個紗線編織在一起而獲得，所述第一多個紗線中的紗線設(shè)置在連續(xù)層中并沿纖維毛坯的縱向方向延伸，該縱向方向?qū)?yīng)于將要制造的葉片的縱向方向，所述增強(qiáng)材料通過基質(zhì)被致密化，葉片包括一個或多個沿所述葉片的縱向方向延伸的內(nèi)部通道。特別地，葉片可以具有扭曲的形狀。在本發(fā)明的一個方面，葉片由具有有機(jī)基質(zhì)的復(fù)合材料制成。葉片的翼面也可以具有厚度可變的剖面。本發(fā)明還提供渦輪發(fā)動機(jī)，其安裝有本發(fā)明的葉片，或使用如上限定的方法制造的葉片。


通過參照以下參照附圖進(jìn)行的非限制性說明，可以更好地理解本發(fā)明。圖I為由復(fù)合材料制成并包括內(nèi)部通道的渦輪發(fā)動機(jī)葉片的透視圖；圖2為在制造用于如圖I所示葉片的纖維預(yù)制件中所用的三維編織的纖維毛坯的詳細(xì)示意圖；圖3和4示出了從圖2所示的纖維毛坯開始制造用于如圖I所示葉片的纖維預(yù)制件的連續(xù)步驟；圖5為如圖2所示的葉片的展開平置的截面圖，表示葉片的外形；圖6為能夠獲得圖5所示類型的剖面的一組經(jīng)紗層的截面圖；和圖7A和7B為經(jīng)向截面圖，不出了用于編織圖2所不纖維毛還的一種方式。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明適用于各種類型的渦輪發(fā)動機(jī)葉片，特別是各種燃?xì)鉁u輪軸的壓縮機(jī)葉片和渦輪葉片，如低壓(LP)渦輪的轉(zhuǎn)子葉輪葉片，例如圖I中所示的葉片。圖I中的葉片10以公知的方式包括翼面20，由更大厚度部分形成的根部30，例如，根部30具有球莖形狀的截面，并且根部30由柄腳32延伸。翼面20沿縱向方向從根部30延伸至頂部20c，并在橫截面上呈現(xiàn)出在其前緣20a至其后緣20b之間具有變化厚度的彎曲剖面。通過將根部30接合在形成于渦輪轉(zhuǎn)子(未示出)邊緣處的具有互補(bǔ)形狀的殼體中，葉片10安裝在渦輪轉(zhuǎn)子上。根據(jù)本發(fā)明，葉片10還包括三個內(nèi)部通道21，22，23，這些通道用于通過根部30吸 入空氣，并通過翼面20的頂部20c將空氣吹出。圖2為纖維毛坯100的詳細(xì)示意圖，葉片纖維預(yù)制件可以從纖維毛坯100中成形，由此，在預(yù)制件被基質(zhì)致密化后，可選地，對葉片進(jìn)行加工，可以獲得如圖I所示的復(fù)合材料葉片。毛坯100通過三維編織或多層編織獲得，在成形之后構(gòu)成葉片的翼面和根部的預(yù)制件。毛坯100以條帶的形式制成，該條帶基本上沿方向X延伸，方向X對應(yīng)于將要制造的葉片的縱向方向。毛坯100的厚度可變，并根據(jù)將要制造的葉片的翼面外形的厚度確定。在將要形成根部預(yù)制件的部分，纖維毛坯具有額外厚度103，該額外厚度根據(jù)將要制造的葉片的根部的厚度確定。毛坯100具有寬度1，該寬度根據(jù)將要制造的葉片的翼面剖面以及根部的展開(平置)長度進(jìn)行選擇。以下詳細(xì)描述三維編織纖維毛坯100的一種方式。假定使用沿毛坯的縱向方向X，即，將要制造的葉片的縱向方向延伸的經(jīng)紗進(jìn)行編織，可以看出使用沿該方向延伸的緯紗進(jìn)行編織也是可行的。通過使用不同重量的經(jīng)紗，可以獲得增大部分102，該增大部分在毛坯100的寬度上提供厚度的變化。在一變體中，或此外，可以改變經(jīng)紗的計數(shù)(在緯向上每一單元長度中紗線的數(shù)量)，更小的計數(shù)可以在對預(yù)制件進(jìn)行模塑成形時獲得更薄的厚度。因此，如圖6所示，為獲得如圖5所示平面投影的葉片翼面外形，可以使用不同重量和不同計數(shù)的三層經(jīng)紗。在一實(shí)施方式中，除了通過下述方式形成內(nèi)部通道的紗線，所使用的紗線可以是由碳或碳化硅(SiC)制成的，例如，重量(細(xì)絲的數(shù)量)為0.5K(500根細(xì)絲)的紗線。為形成厚度變化102，使用更大重量的紗線，例如，重量為IK的紗線。如果沒有IK的紗線，可以通過將兩根0. 5K的紗線纏繞在一起來獲得。當(dāng)然，取決于可用紗線的重量，對于將要獲得的外形，可以采用各種紗線層數(shù)以及計數(shù)變化和重量變化的組合。圖7A和7B為經(jīng)向截面圖，示出了可用于編織纖維毛坯100的織物的兩個連續(xù)平面。纖維毛坯100的條帶包括一組經(jīng)紗層，在該實(shí)施例中，層數(shù)為三(層Cn，C12, C13)。通過三維編織，經(jīng)紗被緯紗tl連接在一起。
在所示的實(shí)施例中，編織方式為使用緞織或多層緞織類型編織進(jìn)行的多層編織。可以使用其它類型的三維編織，例如，使用多層平織或“兩面編織”進(jìn)行的多層編織。此處所用術(shù)語“兩面編織”是指這樣的一種編織方式每個緯紗層連接多個經(jīng)紗層，在給定緯列中的所有紗線在編織平面中具有相同的移動。W02006/136755特別描述了進(jìn)行三維編織的各種方式，其內(nèi)容通過引用并入這里。根據(jù)本發(fā)明，層C12(即，位于經(jīng)紗層C11和C13之間的內(nèi)部經(jīng)紗層)的三根IK紗線
由犧牲材料或臨時材料(即，適于通過蒸發(fā)或溶解這樣的方式在預(yù)制件致密化之后被去除的材料)制成。根據(jù)將要在葉片中形成的內(nèi)部通道的尺寸，紗線匕，&2和匕3可以具有不同的重量。當(dāng)然，取決于想要獲得的厚度和機(jī)械性能，經(jīng)紗層的數(shù)量可以更大。不管纖維毛坯中的經(jīng)紗層的數(shù)量是多少(大于或等于3)，犧牲紗線可以插入位于將要形成葉片表面的兩個表面經(jīng)紗層之間的任何經(jīng)紗層中。 特別地，紗線Fa，F(xiàn)cjPFra可以由以下犧牲材料形成-熱熔材料，如聚醋酸乙烯酯或聚乙烯；或-適于被溶劑(水，醇，等)溶解的材料，如可溶聚合物，例如PVA。當(dāng)利用陶瓷纖維形成纖維增強(qiáng)材料及利用液體浸潰形成基質(zhì)時，可以將硅酮用于犧牲紗線，所述硅酮通過蒸發(fā)去除。額外厚度103可以通過使用更大重量的緯紗和附加緯紗層獲得，三根經(jīng)紗Fa，F(xiàn)c2和Fra也位于額外厚度103中并位于內(nèi)部緯紗層中。當(dāng)然，可以采用各種緯紗數(shù)量和緯紗重量的組合來形成額外厚度103。圖3和4非常詳細(xì)地示出了如何從纖維毛坯100中獲得形狀與將要制造的葉片的形狀相似的纖維預(yù)制件。在圖3中，纖維毛坯100 —端經(jīng)過額外厚度103切斷，另一端也切斷，以形成條帶120，該條帶的長度對應(yīng)于將要制造的葉片的縱向尺寸，額外厚度103的一部分形成增大部分130，增大部分130位于與將要制造的葉片的根部的位置相對應(yīng)的位置。如圖4所示，接著通過模塑條帶102，同時使條帶變形以再制造葉片翼面的彎曲且扭曲的外形，獲得將要制造的葉片的纖維預(yù)制件200。這樣就制成了具有翼面預(yù)制件部分220和根部預(yù)制件部分230 (其包括柄腳預(yù)制件部分)的預(yù)制件。更確切地，纖維預(yù)制件200通過利用基質(zhì)對纖維毛坯100進(jìn)行致密化獲得。纖維毛坯的致密化在于使用構(gòu)成基質(zhì)的材料填充毛坯的整個或部分體積中的孔隙。構(gòu)成葉片的復(fù)合材料的基質(zhì)可以使用液體技術(shù)以公知的方式獲得。液體技術(shù)為使用液體組合物浸潰纖維毛坯，液體組合物含有基質(zhì)材料的有機(jī)前體。有機(jī)前體通常的形式為聚合物，如熱塑或熱固樹脂，可能在溶劑中稀釋過。毛坯置于以密封方式閉合的模具中，該模具具有凹槽，該凹槽具有模制部件的最終形狀，該凹槽特別地能夠呈現(xiàn)扭曲的形狀，該扭曲的形狀對應(yīng)于葉片的最終形狀。此后，閉合模具并注射基質(zhì)(如樹脂)的液體前體來填充整個凹槽，以浸潰預(yù)制件的所有纖維部分。在去除任何溶劑并固化聚合物之后，通常通過加熱模具進(jìn)行熱處理，前體轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)基質(zhì)，即，前體被聚合，預(yù)制件持續(xù)保持在模具中，模具的形狀對應(yīng)于葉片的形狀。有機(jī)基質(zhì)特別地可以從環(huán)氧樹脂(例如由供應(yīng)商Cytec出售的PR520高性能環(huán)氧樹脂)，或者碳或陶瓷基質(zhì)的液體前體獲得。在這種情況下，如果犧牲紗線Fa，F(xiàn)e2，和Fra由熱熔材料制成，該材料選擇為在高于聚合熱處理所用溫度的溫度熔化，該溫度范圍一般為大約180°C至200。。?；|(zhì)也可以是使用陶瓷前體樹脂浸潰纖維毛坯所獲得的陶瓷基質(zhì)，例如，陶瓷前體樹脂可以是作為碳化硅(SiC)的前體的聚碳硅烷樹脂，或作為SiCO的前體的聚硅氧烷樹月旨，或作為SiCNB的前體的聚硼硅氮烷樹脂，或作為SiCN的前體的聚硅氮烷樹脂。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，纖維毛坯可以通過公知的樹脂傳遞模塑成型(RTM)法致密化。在RTM法中，纖維毛坯100置于具有葉片的外部形狀的模具中。熱固樹脂注入到包含纖維毛坯的模具的內(nèi)部空間中。壓力梯度通常建立在樹脂注入位置和樹脂排出孔口之間內(nèi)部空間中，以控制和優(yōu)化使用樹脂對毛坯進(jìn)行的浸潰。舉例來說，使用的樹脂可以為環(huán)氧樹脂。適用于RTM法的樹脂是公知的。這些樹脂優(yōu)選具有低粘度，以更容易在纖維之間注入。樹脂的溫度等級/或化學(xué)性質(zhì)根據(jù)部件所 要承受的熱機(jī)械應(yīng)力確定。一旦樹脂注入整個增強(qiáng)材料，其根據(jù)RTM法通過熱處理而被聚
八
口 o在注入和聚合之后，部件去模。最后，對部件進(jìn)行修整以除去多余的樹脂，并且對部件的倒角進(jìn)行加工。不需要其它的加工，因?yàn)橐阎考槟Ｖ撇考錆M足所需要的尺寸。一旦完成致密化，經(jīng)紗Fa，F(xiàn)e2，和匕被去除。去除這些紗線所采用的處理取決于構(gòu)成紗線Fa，F(xiàn)e2，和Fra的犧牲材料。舉例來說，去除處理可以對應(yīng)于熱處理，該熱處理的溫度高于或等于材料的蒸發(fā)溫度，或者對應(yīng)于將預(yù)制件浸泡在溶液中，該溶液用于溶解將要去除的紗線的材料。在去除紗線Fa，F(xiàn)e2，和Fra之后，獲得圖I所示的葉片10，S卩，具有扭曲的形狀并包括三個內(nèi)部通道21到23的葉片，當(dāng)葉片安裝到渦輪發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子(未示出)時，這些內(nèi)部通道構(gòu)成吸/吹裝置。
權(quán)利要求
1.使用復(fù)合材料制造渦輪發(fā)動機(jī)葉片(10)的方法，所述復(fù)合材料包括由基質(zhì)致密化的纖維增強(qiáng)材料，所述方法包括 -通過將第一多個紗線和第二多個紗線編織在一起制造纖維毛坯(100)，所述第一多個紗線中的紗線設(shè)置在連續(xù)層(Cn、C12、C13)中并沿所述纖維毛坯的縱向方向延伸，該縱向方向?qū)?yīng)于將要制造的葉片(10)的縱向方向； -成形所述纖維毛坯(100)，以獲得將要制造的葉片(10)的預(yù)制件(200);以及 -通過將所述預(yù)制件浸潰在含有所述基質(zhì)的材料前體的液體組合物中使所述預(yù)制件(200)致密化，以獲得具有纖維增強(qiáng)材料的葉片(10)，所述纖維增強(qiáng)材料由所述預(yù)制件構(gòu)成，并通過所述基質(zhì)而被致密化。
所述方法特征在于位于所述纖維毛坯的內(nèi)部部分中的所述第一多個紗線中的至少一層紗線(C12)包括一個或多個犧牲材料的紗線(Fa、Fe2和Fra)，該方法還包括在所述預(yù)制件(200)被致密化之后去除所述犧牲材料的紗線(&1、匕2和匕3)，以在所述葉片中形成一個或多個內(nèi)部通道(21、22、23)。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述犧牲材料選自下列材料中的至少一種 -熱溶材料；及 -適于被溶劑溶解的材料。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述犧牲材料的紗線通過熱處理或應(yīng)用溶劑去除。
4.如權(quán)利要求I至3中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述纖維毛坯(200)通過在多個層上三維編織至少與所述第一多個紗線中的紗線連接在一起的所述第二多個紗線中的紗線制成。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于所述三維編織為多層編織，使用的編織類型為選自以下編織法中的至少一種緞織、多層緞織、多層平織及兩面編織。
6.如權(quán)利要求I至4中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述第一多個紗線中的除了所述犧牲材料所制成的紗線之外的紗線以及所述第二多個紗線中的紗線由陶瓷材料或碳材料制成。
7.如權(quán)利要求I至6中任一權(quán)利要求所述的方法，其特征在于所述犧牲材料的紗線(FC1, Fc2和Fra)的重量根據(jù)將要在所述葉片中形成的所述內(nèi)部通道的尺寸確定。
8.由包括纖維增強(qiáng)材料(200)的復(fù)合材料制成的渦輪發(fā)動機(jī)葉片(10)，所述纖維增強(qiáng)材料通過將第一多個紗線和第二多個紗線編織在一起而獲得，所述第一多個紗線中的紗線設(shè)置在連續(xù)層(Cn、C12和C13)中并沿所述纖維毛坯(200)的縱向方向延伸，該縱向方向?qū)?yīng)于葉片(10)的縱向方向，所述增強(qiáng)材料通過基質(zhì)被致密化，所述葉片特征在于其包括一個或多個沿所述葉片的縱向方向延伸的內(nèi)部通道(21、22、23)。
9.如權(quán)利要求8所述的葉片，其特征在于所述纖維增強(qiáng)材料(200)通過在多個層上三維編織至少與所述第一多個紗線中的紗線連接在一起的所述第二多個紗線中的紗線制成。
10.如權(quán)利要求9所述的葉片，其特征在于所述三維編織為多層編織，使用的編織類型為選自以下編織法中的至少一種緞織、多層緞織、多層平織及兩面編織或多層編織。
11.如權(quán)利要求8至10中任一權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于所述第一多個紗線中的紗線以及所述第二多個紗線中的紗線由陶瓷材料或碳材料制成。
12.如權(quán)利要求8至11中任一權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于所述葉片具有扭曲的形狀。
13.如權(quán)利要求8至12中任一權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于所述葉片由有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料制成。
14.如權(quán)利要求8至13中任一權(quán)利要求所述的葉片，其特征在于所述葉片的翼面具有厚度可變的外形。
15.渦輪發(fā)動機(jī)，其安裝有如權(quán)利要求8至14中任一權(quán)利要求所述的葉片，或安裝有使用如權(quán)利要求I至7中任一權(quán)利要求所述的方法制造的葉片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種由復(fù)合材料制成的渦輪發(fā)動機(jī)葉片(10)，該復(fù)合材料包括通過將第一多個紗線和第二多個紗線編織在一起形成的纖維增強(qiáng)材料，所述第一多個紗線中的紗線設(shè)置在連續(xù)層中并沿纖維毛坯的縱向方向延伸，該縱向方向?qū)?yīng)于葉片(10)的縱向方向，所述纖維增強(qiáng)材料由基質(zhì)致密化。葉片包括沿其縱向方向延伸的一個或多個內(nèi)部通道(21、22、23)。
文檔編號B29C70/48GK102741043SQ201180007349
公開日2012年10月17日 申請日期2011年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月26日
發(fā)明者吉恩-諾爾·馬修, 多米尼克·庫珀, 布魯諾·杰克斯·杰拉德·達(dá)姆布瑞恩 申請人:斯奈克瑪