具有燕尾根部的編織動葉和靜葉的制作方法
【專利摘要】本發明涉及具有燕尾根部的編織動葉和靜葉。一種燃氣渦輪發動機復合物品，其具有復合物品翼型件，該復合物品翼型件向外延伸到物品根部直到物品翼型件末梢。在該物品翼型件內的是芯，該芯包括芯翼型件，該芯翼型件附接于包括芯燕尾件的芯根部。包括編織復合材料絲束的連續外三維編織層編織在該芯上且該編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。該芯可以是可膨脹芯棒或由復合材料制成的復合芯。該芯可以包括加強件，諸如工字梁或中空矩形截面箱形梁。用于制造此種物品的方法包括在芯上編織包含編織復合材料絲束的連續外三維編織層，包括用該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。
【專利說明】
具有燕尾根部的編織動葉和靜葉
技術領域
[0001]本發明涉及燃氣渦輪發動機復合動葉和靜葉，且具體而言，涉及用于制造具有翼型件和燕尾根部的此種動葉和靜葉及由此的物品的方法。
【背景技術】
[0002]渦輪風扇型的旁通燃氣渦輪發動機通常包括前部風扇和增壓壓縮機、中間核心發動機和尾部低壓動力渦輪。低壓渦輪通過低壓軸可旋轉地驅動風扇和增壓壓縮機，這些都形成低壓轉子。已經為此種風扇和增壓器或低壓壓縮機中的動葉和固定靜葉研發了復合翼型件且已用在其中。此種動葉和靜葉通常具有連接到燕尾根部的翼型件以分別安裝到燃氣渦輪發動機的轉子或定子部分。
[0003]三維(3D)編織是一種用于通過纖維的連續編結形成纖維預制件的已知工藝。在3D編織工藝期間，處于矩陣陣列形式的多個纖維搬運器同時移動跨過搬運器表面。在它們同時移動時，纖維從各搬運器部件伸出且與來自其他搬運器部件的纖維編結。通過合適的方法在搬運器表面上方聚集這些纖維。3D編織工藝的特征在于，當預制件浸漬有樹脂(例如環氧樹脂)、金屬或其他已知基質材料時，在預制件中沒有分層平面，且得到堅韌的、抗裂縫生長的復合物品。1969年2月11日出版的Bluck的美國專利號N0.3，426，804和1982年I月26日出版的Florentine的美國專利號N0.4，312，761例示了用于以矩形、行列矩陣或圓形、同軸環矩陣形式使用纖維搬運器編織3D物品預制件的機器。
[0004]已知由復合材料制造飛行器燃氣渦輪發動機動葉和靜葉，它們具有連接到燕尾根部的翼型件。復合動葉和靜葉提供了重量的減輕，這是極其合乎需要的。期望通過用于制造3D編織預制件的工藝來具有堅固的動葉或靜葉，它們具有翼型件和一體的燕尾根部。
[0005]極其期望具有一種帶有至少一個一體的復合翼型件的復合動葉或靜葉和包括編織材料外層的靜葉。極其期望具有一種帶有編織材料外層的復合動葉或靜葉預制件。極其期望具有一種方法，其用于制造在翼型件和燕尾件上具有編織材料連續外層的復合動葉或靜葉預制件，其中，該編織工藝是自動的，并且，該燕尾件通過用于高應力應用的附加特征。
【發明內容】
[0006]—種燃氣渦輪發動機復合物品包括復合物品翼型件，所述復合物品翼型件附接于物品根部且具有沿翼展方向向外從物品翼型件基部或物品根部延伸到物品翼型件末梢的物品動葉壓力側和吸力側。復合物品翼型件在弦向間隔開的物品前緣與后緣之間眼神，且物品根部包括一體的物品燕尾件。芯包括芯翼型件，該芯翼型件附接于包括芯燕尾件的芯根部，且該芯翼型件包括沿翼展方向向外從芯翼型件基部或芯根部延伸到芯末梢的芯壓力側和吸力側，且位于復合物品翼型件內。包含編織復合材料絲束的連續外三維(3D)編織層編織在芯上且覆蓋整個芯翼型件和芯根部。
[0007]該芯可包括可膨脹芯棒。該芯可以是由復合材料制成的復合芯。襯墊或插入層片可配置在編織層的內側。該芯可包括加強件，加強件具有工字梁或中空矩形截面箱形梁。梁與動葉復合芯的殼之間的中空空間可以填充有輕質填料或泡沫。
[0008]該復合物品翼型件可沿翼展方向向外從物品內根部延伸到物品翼型件末梢處的物品外根部，該芯可以包括與芯翼型件一體地形成的芯內和外根部，且該連續外三維(3D)編織層可覆蓋整個芯翼型件和芯內和外根部。
[0009]—種用于制造燃氣渦輪發動機復合物品的方法包括在芯上編織包含編織復合材料絲束的連續外三維(3D)編織層，該芯包括附接于芯根部的芯翼型件，且該芯根部包括芯燕尾件。該芯翼型件包括沿翼展方向向外從芯翼型件基部或芯根部延伸到芯末梢的芯壓力和吸力側，且位于復合物品翼型件內。該編織包括用連續外三維(3D)編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。
[00?0] 該編織可包括過編織(over-braiding)，以用于制造連續外編織層的頂部和底部過編織部分。該方法還可包括修剪掉頂部和底部過編織部分，然后在編織層中注入樹脂，且然后使該復合物品固化。該芯可在固化之前或之后移除，或者保留在零件內。
[0011 ]技術方案I: 一種燃氣禍輪發動機復合物品，其包括:
[0012]復合物品翼型件，其附接于物品根部，
[0013]復合物品翼型件包括沿翼展方向向外從物品翼型件基部或物品根部延伸到物品翼型件末梢的物品動葉壓力和吸力側，
[0014]復合物品翼型件在弦向間隔開的物品前緣與后緣之間延伸，
[00?5 ]物品根部包括一體的物品燕尾件，
[0016]芯，其包括芯翼型件，該芯翼型件附接于包括芯燕尾件的芯根部，
[0017]該芯翼型件包括沿翼展方向向外從芯翼型件基部或芯根部延伸到芯末梢的芯壓力和吸力側，且位于該復合物品翼型件內，
[0018]連續外三維編織層，其包括編織在芯上的編織復合材料絲束，且
[0019]該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。
[0020]技術方案2:根據技術方案I所述的物品，其特征在于，還包括該芯包括可膨脹芯棒。
[0021]技術方案3:根據技術方案I所述的物品，其特征在于，還包括該芯是由復合材料制成的復合芯。
[0022]技術方案4:根據技術方案3所述的物品，其特征在于，還包括襯墊或者插入層片配置在該編織層的內側。
[0023]技術方案5:根據技術方案3所述的物品，其特征在于，還包括該芯包括加強件。
[0024]技術方案6:根據技術方案5所述的物品，其特征在于，還包括加強件，所述加強件包括工字梁或中空矩形截面箱形梁。
[0025]技術方案7:根據技術方案6所述的物品，其特征在于，還包括梁與動葉復合芯的殼之間的填充有填料或泡沫的中空空間。
[0026]技術方案8:根據技術方案6所述的物品，其特征在于，還包括:
[0027]該復合物品翼型件，其附接于物品內和外根部，其中，物品內根部是物品根部，
[0028]該復合物品翼型件沿翼展方向向外從物品內根部延伸到物品翼型件末梢處的物品外根部，
[0029]該芯包括與該芯翼型件一體地形成的芯內和外根部，其中，芯內根部是芯根部，且
[0030]該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和內和外根部。
[0031 ]技術方案9:根據技術方案8所述的物品，其特征在于，還包括:
[0032]該芯是由復合材料制成的復合芯，
[0033]該芯包括加強件，且
[0034]該加強件包括工字梁或中空矩形截面箱形梁。
[0035]技術方案10:根據技術方案9所述的物品，其特征在于，還包括梁與動葉復合芯的殼之間的填充有填料或泡沫的中空空間。
[0036]技術方案11:一種用于制造燃氣渦輪發動機復合物品的方法，該方法包括:
[0037]在芯上編織包括編織復合材料絲束的連續外三維編織層，
[0038]該芯包括附接于芯根部的芯翼型件，且該芯根部包括芯燕尾件，
[0039]該芯翼型件包括沿翼展方向向外從芯翼型件基部或芯根部延伸到芯末梢的芯壓力和吸力側，且位于復合物品翼型件內，且
[0040]該編織包括用該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。
[0041 ]技術方案12:根據技術方案11所述的方法，其特征在于，還包括該編織包括過編織，以用于制造連續外編織層的頂部和底部過編織部分。
[0042]技術方案13:根據技術方案11所述的方法，其特征在于，還包括修剪掉該頂部和底部過編織部分，然后在編織層中注入樹脂，且然后使該復合物品固化。
[0043]技術方案14:根據技術方案13所述的方法，其特征在于，還包括在固化之前或之后移除芯。
【附圖說明】
[0044]下面描述中解釋本發明的前述方面和其他特征，參考附圖，其中:
[0045]圖1是復合動葉的立體圖例示，該復合動葉具有帶連續外編織層的一體翼型件和燕尾根部。
[0046]圖2是用于編織用于圖1所示的一體翼型件和燕尾根部的連續外編織層的復合芯或芯棒的剖視圖例示。
[0047]圖3是用于制造圖1所示的復合動葉的預制件的剖視圖例示。
[0048]圖4是沿圖3的4-4截取的預制件的翼型件區段的剖視圖例示。
[0049]圖5是沿圖3的5-5截取的預制件的根部區段的剖視圖例示。
[0050]圖6是編織芯棒以形成圖3所示的預制件的編織機和方法的概略立體圖例示。
[0051]圖6A是圖6所示的纖維絲束的三軸向織物的放大概略立體圖例示。
[0052]圖7是預制件的剖視圖例示，該預制件具有用于制造圖1所示的復合動葉的第一備選芯。
[0053]圖8是預制件的剖視圖例示，該預制件具有用于制造圖1所示的復合動葉的第二備選芯。
[0054]圖9是復合動葉或靜葉的立體圖例示，其帶有內和外燕尾根部。
[0055]圖10是用于制造圖9所示復合靜葉或動葉的芯的剖視圖例示。
【具體實施方式】
[0056]圖1中示出的是一種燃氣渦輪發動機可旋轉動葉10，其具有與動葉根部20—體地形成的復合動葉翼型件12。動葉根部20可包括復合動葉翼型件12與動葉根部20之間的動葉柄部21。動葉10具有連續的外三維(3D)編織層14，該編織層14至少部分地通過在芯24上編織復合材料絲束126而制成，該芯24可為可膨脹的芯棒18或動葉復合芯30，如圖6所示。在圖6中例示編織。注意，在本文中描述了動葉和用于制造該動葉的方法，然而物品和用于制造該物品的方法也適用于具有與根部一體地形成的復合翼型件的靜葉。
[0057]參照圖1，動葉翼型件12包括動葉壓力和吸力側41、43，它們沿翼展方向S向外從動葉翼型件基部19或動葉根部20沿翼展S延伸到動葉翼型件末梢47。本文中例示出的示范動葉壓力和吸力側41、43分別是凹形和凸形的。動葉翼型件12沿弦C在弦向間隔開的動葉前緣和后緣LE、TE之間延伸。動葉翼型件12的厚度T在弦向和翼展方向C、S二者上變化，且在動葉壓力和吸力側41、43之間延伸。動葉根部20包括一體的動葉燕尾件28，其用于將動葉10安裝到燃氣渦輪發動機轉子盤或鼓。
[0058]動葉燕尾件28包括燕尾件壓力和吸力側141、143，它們對應于動葉壓力和吸力側41、43。動葉燕尾件28還包括燕尾件前緣和后緣DLE、DTE，它們分別對應于動葉前緣和后緣LE、TE。
[0059]圖2-4中示出的是芯24(其可為動葉復合芯30)，該芯24在用在制造動葉的方法期間操作為芯棒18且代表芯棒18。在動葉復合芯30的情況下，當過程或方法完成時，其可以保留在動葉1內側。在此種實施例中，在圖6示出的編織過程期間，動葉復合芯30用作芯棒18。芯24包括芯翼型件22，芯翼型件22具有芯壓力和吸力側31、33，芯壓力和吸力側31、33沿翼展方向向外從芯翼型件基部39或芯根部40沿芯翼展S延伸到芯末梢36。芯根部40包括芯燕尾形件38。本文中例示的示范芯壓力和吸力側31、33分別是凹形和凸形的。芯翼型件22沿弦C在弦向間隔開的芯前緣和后緣MLE、MTE之間延伸。芯翼型件22的厚度T在弦向和翼展方向C、S二者上變化，且在芯壓力和吸力側31、33之間延伸。
[0060]參照圖2-5，芯燕尾件38包括芯燕尾件壓力和吸力側131、133，它們分別對應于芯壓力和吸力側31、33。芯燕尾件38還包括芯燕尾件前緣和后緣⑶LE、CDTE，它們分別對應于芯前緣和后緣MLE、MTE。芯燕尾件38包括芯燕尾件底部42。
[0061]圖3-5中例示出的是通過圖6例示的編織過程形成的預制件80。芯24(其可以是芯棒18或動葉復合芯30)以虛線示為配置在預制件80內以用于對比。預制件80包括預制件翼型件82，其具有預制件壓力和吸力側81、83，預制件壓力和吸力側81、83沿翼展方向向外從預制件翼型件基部89或預制件根部90沿預制件翼展S延伸到預制件末梢86。預制件根部90包括預制件燕尾件98。本文中例示出的示范預制件壓力和吸力側81、83分別是凹形和凸形的。預制件翼型件82沿弦C在弦向間隔開的預制件前緣和后緣PLE、PTE之間延伸。預制件翼型件82的厚度T在弦向和翼展方向C、S二者上變化，且在預制件壓力和吸力側81、83之間延伸。編織工藝包括過編織，以用于制造連續外編織層14的頂部和底部過編織部分100、102，它們可在利用樹脂注入之前從預制件80的其余部分修剪掉。兩個示范注入過程可以是樹脂傳遞模制RTM或真空輔助樹脂傳遞模制VARTM或其他樹脂注入過程。在注入之后，諸如通過壓煮、熱壓或另一固化工藝使預制件80固化。
[0062]圖4-5中示出的是預制件80，其中實心動葉復合芯30配置在預制件80內且由連續的外編織層14包圍。圖4是沿動葉翼型件12和復合芯翼型件22的弦向延伸平面截取的，其在圖4-5中示為實心的。圖5示出預制件根部90為實心的且實心動葉復合芯30的一部分配置在預制件80內且由連續的外編織層14包圍。圖5還示出底部過編織部分102和預制件根部90和預制件燕尾件98。實心動葉復合芯30可由單向帶(unitape)或fabrix制成。
[0063]單向帶是單向的帶材料和環氧樹脂基質。該材料和其他合適的材料的論述可以在ASM INTERNAT1NAL,1987 1989或更新版本的 “Engineering Materials Handbook” 中找至1J。本文中論述的復合材料是由非金屬類型制成的，由包含埋在樹脂材料(例如Epoxy、PMR15、BM1、PEEU、Silicon等)中的纖維(例如含碳、石英、金屬、金屬氧化物或陶瓷纖維)的材料制成。這些纖維在帶中單向地對齊，該帶浸漬有樹脂且形成為零件形狀。隨后，其通過熱煮過程或沖壓模制而固化，以形成輕質、剛性、相對均質的物品，其內具有疊層或層片。這些層片通常都由單向纖維細絲層片材料制成，優選為帶，因為它通常被認為按照翼展次序布置且用于形成芯翼型件22。5，375，978中公開的層片鋪疊被認為是標準準各向同性的鋪疊順序，其為O度、+45度、O度、45度纖維定向，其中層片具有多種層片形狀。
[0064]圖7-8中分別例示出用于動葉復合芯30的第一和第二備選構造。圖7-8例示的動葉復合芯30是中空的且具有加強件110。圖7例示的加強件是工字梁112，且圖8所示的加強件包括中空方形或矩形截面箱形梁114。梁與動葉復合芯30的殼120之間的中空空間118可填充填料，諸如通常用在復合物品(諸如動葉和靜葉)中的泡沫。
[0065]動葉復合芯30可包括但不限于清洗材料或飛離復合材料、或預固化復合材料。清洗材料從動葉或預制件化學地移除。飛離材料當動葉制造完成且安裝在發動機中時保留在動葉中，在發動機處，其在發動機操作期間保留。如果芯24是可膨脹的芯棒，那么該可膨脹的芯棒可在固化之前或之后被移除。動葉可包括附加的非編織特征，諸如，襯墊或插入層片或加強元件，它們配置在編織層的內側。插入層片可用來增大芯與編織層之間的根部面積。
[0066]圖6和6A例示出編織設備104和用于制造非均勻厚度復合動葉預制件(例如圖3-5所示的預制件80)的方法。編織設備在Wybrow的美國專利號N0.8，061，253中公開，其于2011年11月22日出版，題為“Composite Spars”，且其通過引用而整體并入本文中。設備104包括編織機121、可變位置梭142和非圓柱形芯棒140，諸如上述可膨脹芯棒或芯。示范編織機是能夠從Herzog Maschinenfabrik GmbH & C0.KG,Am Alexanderhaus 160，D_26127，Oldenburg ,Germany [9]獲得的Herzog.TM.RFl/192-100編織機。
[0067]編織機121包括可旋轉鼓122，在該可旋轉鼓122上安裝有多個線軸124。為了清楚起見，僅示出8個此種線軸124。然而在實踐中，可提供許多更多的此種線軸。在操作中，可旋轉鼓122被控制器/驅動器裝置130驅動以繞圓柱形軸線144旋轉，控制器/驅動器裝置130可包括在計算機化控制系統(未示出)的控制下操作的電動馬達。線軸124在搬運器上以S形樣式圍繞芯24的周圍從一個搬運器到下一個獨立地移動。線軸124裝載有各種含纖維的絲束126，這些絲束被編織以制成非均勻厚度復合構件152，諸如圖3-5中例示的復合預制件80。
[0068]纖維絲束126被貫穿通過編織引導件128且臨時地附于非圓柱形芯棒140或芯24。非圓柱形芯棒140或芯24聯接到可變位置梭142，使得當可變位置梭142被操作時，非圓柱形芯棒140或芯的相對位置相對于編織機121沿軸線144的方向側向地移動。梭142附接于芯燕尾件底部42。非圓柱形芯棒140或芯由適當地輕且剛性的材料制成，使得它能夠可在各端部受到支撐而不彎曲。
[0069]在操作期間，在可旋轉鼓122旋轉時，非圓柱形芯棒140或芯24沿圓柱形軸線144側向地移動，且纖維絲束126在非圓柱形芯棒140或芯24的表面上方編織在一起，以形成編織層片150而形成編織層14。該過程可通過過編織動葉編織層片層的一個或更多個附加層而重復，例如，同時沿相反方向移動非圓柱形芯棒140或芯24。通過移動非圓柱形芯棒，例如以恒定速度沿圓柱形軸線144，同時也以恒定速度堆積纖維絲束126，由于非圓柱形芯棒的徑向尺寸的變化，動葉編織層片150在圓柱形軸線144的方向上沿其長度被賦予變化的厚度。這允許制造非均勻厚度動葉編織層片150。
[0070]編織層片可包括三軸向織物156，如圖6A所示，其中，纖維絲束126相對于圓柱形軸線144以編織角度+P、0和-P度(諸如+45度，O度和-45度)布置，以提供最優的抗扭強度。
[0071]連續的外三維(3D)編織層14通過在芯24上編織復合材料絲束126而敷設，芯24包括整個芯翼型件22及其芯壓力和吸力側31、33，下至芯根部40且涵蓋芯燕尾件壓力和吸力偵打31、133和芯燕尾件前緣和后緣⑶LE、CDTE。該編織包括在頂部和底部上過編織，以形成頂部和底部過編織部分100和102。
[0072]圖9示出復合飛行器燃氣渦輪發動機靜葉或可旋轉動葉210，其具有與動葉內和外根部220、222—體地形成的復合動葉翼型件212。靜葉或動葉210具有連續的外三維(3D)編織層214，該連續的外三維(3D)編織層214部分地通過在復合芯上編織復合材料絲束來形成，如圖6所示。動葉翼型件212包括動葉壓力和吸力側241、243，它們沿翼展方向向外從動葉翼型件基部219或動葉內根部220沿翼展S延伸到動葉翼型件末梢247或動葉翼型件末梢247處的動葉外根部222。本文中例示出的示范動葉壓力和吸力側241、243分別是凹形和凸形的。翼型件212沿弦C在弦向間隔開的靜葉或動葉前緣和后緣LE、TE之間延伸。翼型件212的厚度T在弦向和翼展方向C、S二者上變化，且在壓力和吸力側241、243之間延伸。內和外根部220、222中的各個包括一體的動葉燕尾件28，其使靜葉或動葉能夠安裝到燃氣渦輪發動機轉子盤或鼓，或者在靜葉的情況下安裝到發動機的靜止結構。
[0073]參照圖10，復合飛行器燃氣渦輪發動機靜葉或可旋轉動葉210包括芯24和芯翼型件22，如上所述，但是具有與芯翼型件22—體地形成或附接于其的芯內和外根部230、232。芯內和外根部230、232中的各個包括芯燕尾件38。芯外根部232的芯燕尾件38位于動葉翼型件末梢247處。芯內根部220的芯燕尾件38位于基部芯翼型件22的芯翼型件基部39處且包括芯燕尾件底部42，梭可連接到該芯燕尾件底部42。
[0074]已經以例示的方式描述了本發明。應理解的是，已使用的術語意圖具有說明而非限制的詞語的意思。雖然在本文中已描述了視為本發明的優選和示范實施例的那些實施例，但對于本領域技術人員來說，根據本文的教導，本發明的其他改型應是顯而易見的，因此，期望在所附權利要求中保護落入本發明的真實精神和范圍內的所有此種改型。
[0075]因此，期望通過美國專利證書來保護的是在下列權利要求中限定和推斷的發明。
【主權項】
1.一種燃氣渦輪發動機復合物品，其包括: 復合物品翼型件，其附接于物品根部， 復合物品翼型件包括沿翼展方向向外從物品翼型件基部或物品根部延伸到物品翼型件末梢的物品動葉壓力和吸力側， 復合物品翼型件在弦向間隔開的物品前緣與后緣之間延伸， 物品根部包括一體的物品燕尾件， 芯，其包括芯翼型件，該芯翼型件附接于包括芯燕尾件的芯根部， 該芯翼型件包括沿翼展方向向外從芯翼型件基部或芯根部延伸到芯末梢的芯壓力和吸力側，且位于該復合物品翼型件內， 連續外三維編織層，其包括編織在芯上的編織復合材料絲束，且 該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和芯根部。2.根據權利要求1所述的物品，其特征在于，還包括該芯包括可膨脹芯棒。3.根據權利要求1所述的物品，其特征在于，還包括該芯是由復合材料制成的復合芯。4.根據權利要求3所述的物品，其特征在于，還包括襯墊或者插入層片配置在該編織層的內偵U。5.根據權利要求3所述的物品，其特征在于，還包括該芯包括加強件。6.根據權利要求5所述的物品，其特征在于，還包括加強件，所述加強件包括工字梁或中空矩形截面箱形梁。7.根據權利要求6所述的物品，其特征在于，還包括梁與動葉復合芯的殼之間的填充有填料或泡沫的中空空間。8.根據權利要求6所述的物品，其特征在于，還包括: 該復合物品翼型件，其附接于物品內和外根部，其中，物品內根部是物品根部， 該復合物品翼型件沿翼展方向向外從物品內根部延伸到物品翼型件末梢處的物品外根部， 該芯包括與該芯翼型件一體地形成的芯內和外根部，其中，芯內根部是芯根部，且 該連續外三維編織層覆蓋整個芯翼型件和內和外根部。9.根據權利要求8所述的物品，其特征在于，還包括: 該芯是由復合材料制成的復合芯， 該芯包括加強件，且 該加強件包括工字梁或中空矩形截面箱形梁。10.根據權利要求9所述的物品，其特征在于，還包括梁與動葉復合芯的殼之間的填充有填料或泡沫的中空空間。
【文檔編號】F01D9/02GK105937412SQ201510859750
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2015年9月23日
【發明人】N·J·克雷, 方笑梅, C·梅森, I·F·普倫蒂斯, S·謝爾, D-J·辛, D·D·沃德
【申請人】通用電氣公司