混雜的連續纖維短切纖維聚合物復合結構的制作方法
【專利說明】混雜的連續纖維短切纖維聚合物復合結構
【背景技術】
[0001] 公開的實施例大體涉及飛機發動機零件。更具體地，但非限制性地，本實施例涉及 混雜復合材料所形成的、以形成更為復雜的幾何形狀的飛機發動機零件。
[0002] -種典型的燃氣渦輪發動機通常擁有前端和后端、及其軸向定位在這兩者之間的 幾個核心或推進部件。空氣進口或進氣口位于發動機的前端。在按順序朝向后端移動的情 況下，進氣口后面為壓縮機、燃燒室、渦輪機、以及位于發動機的后端處的噴嘴。所屬領域中 的技術人員將容易地清楚，另外部件例如像低壓和高壓壓縮機以及高壓和低壓渦輪機也可 被包括在發動機中。然而，這并未詳盡地列出。通常，發動機還具有沿發動機中心縱軸線來 軸向設置的內軸。內軸被連接至渦輪機和空氣壓縮機，使得渦輪機向空氣壓縮機提供旋轉 輸入以驅動壓縮機葉片。
[0003] 在操作中，空氣在壓縮機中被加壓，并且在燃燒室中與燃料混合以產生向下游流 過渦輪機級的熱燃燒氣體。這些渦輪機級從燃燒氣體中提取能量。高壓渦輪機首先接收來 自燃燒器的熱燃燒氣體，并且包括定子噴嘴組件，所述定子噴嘴組件將燃燒氣體向下游引 導通過從支撐轉子盤徑向向外延伸的一排高壓渦輪機轉子葉片。在兩級渦輪機中，第二級 定子噴嘴組件定位在第一級葉片下游，繼而接著是從第二支撐轉子盤徑向向外延伸的一排 第二級轉子葉片。渦輪機將燃燒氣體能量轉換成機械能。
[0004] 通常，期望減在航空工業中利用的燃氣渦輪發動機的重量。這種重量減少導致發 動機更高的效率，這為操作者減少了成本。在嘗試達到此目標的過程中，設計者已轉向在生 產零件過程中的替代材料。在溫度降低區域中，發動機設計者已經嘗試利用由聚合物復合 材料形成的零件。這已造成待克服的至少兩個設計問題。
[0005] 第一，設計者期望于形成可承受高速飛機發動機操作的強直（rigid)的零件或部 件。第二，設計者受將要形成的零件的形狀和幾何結構限制，如與對那些零件的強度和性能 要求有關。復雜幾何結構難以通過更高強度應用所要求的具有連續纖維增強的復合材料來 形成。總之，難以制造具有較高負載能力和復雜形狀的飛機發動機復合材料部件。
[0006] 如從前述內容可見，將期望克服燃氣渦輪發動機部件的這些和其他缺陷。
【發明內容】
[0007] 根據本方面，公開一種混雜復合結構，所述混雜復合結構實現了具有復雜第二特 征的高性能單塊結構零件的設計和制造。值得注意，但非限制性地，此類實例包括導流罩錐 (spinner cone)和后支撐環，但也可形成各種其它零件。
[0008] 根據本發明的一些方面，可生產展示出適合用于飛機應用中的機械、化學和熱特 性（包括強度、抗疲勞性、最大耐溫能力以及化學/流體阻力）的發動機部件。
[0009] 根據本發明的一些方面，聚合物復合材料飛機零件可由通過連續纖維增強所形成 的第一部分與短切纖維所形成的第二部分來構造。
[0010] 根據至少一些實施例，一種飛機發動機部件包括單塊復合主體，所述主體具有連 續纖維部分、短切纖維部分、包含在所述連續纖維部分和所述短切纖維部分兩者中且在所 述連續纖維部分與所述短切纖維部分之間的熱塑性聚合物。所述飛機發動機部件中，所述 熱塑性聚合物為PEEK、PPS、PEKK和PEI中的一種。所述飛機發動機部件中，所述纖維為碳 纖維、玻璃纖維以及所述碳纖維與所述玻璃纖維的混合物中的一種。所述飛機發動機部件 中，所述連續纖維為編織物、編織纖維和單向帶中的一種。所述飛機發動機部件中，所述短 切纖維組分是由單向預浸漬帶形成。所述飛機發動機部件中，所述短切纖維長度小于1英 寸（1"）。所述飛機發動機部件還包括一個或多個共模制的金屬特征。所述飛機發動機部 件中，所述共模制的金屬特征為凸緣、套管和螺紋插件中的一個。所述飛機發動機部件中， 所述復合主體的所述連續纖維是承載環向負載（hoop load)。所述飛機發動機部件中，所述 連續纖維為包含碳纖維、玻璃纖維和熱塑性纖維中至少一種的編織預成型件。所述飛機發 動機部件中，所述纖維中的所述至少一種為干燥的碳纖維和熱塑性纖維。所述飛機發動機 部件中，所述纖維中的至少一種為干燥的碳纖維、玻璃纖維和熱塑性纖維。所述飛機發動機 部件中，所述短切纖維部分無法承載結構負載。所述飛機發動機部件中，所述短切纖維部分 與發動機空氣流路相鄰。所述飛機發動機部件還包括位于所述短切纖維部分的最外表面上 的防腐蝕層。所述飛機發動機部件中，所述部件為旋轉部分。所述飛機發動機部件中，所述 旋轉部分為導流罩頭錐。所述飛機發動機部件中，所述旋轉部分為導流罩支撐環。
[0011] 以上所概述的所有特征應理解為僅是示例性的，并且可從本說明書中的公開內容 獲得本發明的更多的特征和目標。因此，應當理解，在沒有進一步閱讀整個說明書、權利要 求書、以及本說明書中包括的附圖的情況下，不應對本
【發明內容】
作出任何限制性的解釋。
【附圖說明】
[0012] 本發明的各實施例在以下附圖中示出。
[0013] 圖1為燃氣渦輪發動機的側截面圖。
[0014] 圖2為示例性復合材料部件的等距視圖。
[0015] 圖3為第二示例性復合部件的等距視圖。
[0016] 圖4為包括圖3的部件的示例性實施例的側截面圖。
[0017] 圖5為圖4的部件的氣動特征的截面圖。
【具體實施方式】
[0018] 現將詳細參考所提供的各實施例，附圖中將示出本發明的實施例的一個或多個實 例。每個實例用以解釋而非限制公開的實施例。事實上，在不脫離本公開的范圍或精神的 情況下，所屬領域的技術人員可對本實施例做出各種修改和變化。例如，作為一個實施例的 一部分說明或描述的特征可用于另一個實施例中，從而得到另外的實施例。因此，本發明應 涵蓋所有屬于所附權利要求書及其等效物的范圍內的修改和變化。
[0019] 參考圖1-5,教導了由聚合物基質復合（PMC)材料和工藝來構造的結構的各種實 施例。更具體地，示出了用于飛機發動機應用的混雜的連續纖維-短切纖維聚合物復合結 構，并且其被描述為能夠在廣泛范圍的應用中使用，例如飛機發動機部件、以及更具體地是 燃氣渦輪發動機的風扇區域和旁通部分。混雜的聚合物復合結構適合用于各種位置，并且 根據非限制性實例，被利用于其中溫度和負載要求可通過使用復合結構來滿足的區域。混 雜的聚合物復合結構為單塊的，并且可由連續纖維和短切纖維這兩者形成，其中連續纖維 可鋪設成屬于較為簡單的幾何形狀的形狀，而不易用連續纖維復合材料形成的更復雜的幾 何結構用短切纖維復合材料形成。術語"單塊"用來表示相同的聚合物用于連續纖維增強 區段和短切纖維增強區段中。因此，兩種纖維類型由對兩種纖維類型公用的聚合物如熱塑 性樹脂聯結。
[0020] 如本說明書中使用，術語"軸向的"或"軸向地"是指沿發動機的縱向軸線的維度。 與"軸向的"或"軸向地"結合使用的術語"向前"是指在朝發動機入口或朝比另一部件相 對更靠近于發動機入口的某一部件的方向上移動。與"軸向的"或"軸向地"結合使用的術 語"向后"是指在朝發動機噴嘴或朝比另一部件相對更靠近于發動機噴嘴的某一部件的方 向上移動。
[0021] 如本說明書中使用，術語"徑向的"或"徑向地"是指延伸在發動機中心縱向軸線 與發動機外圓周之間的維度。術語"近側的"或"近側地"的使用（無論是單獨使用還是與 術語"徑向的"或"徑向地"結合使用）是指在朝中心縱向軸線或朝比另一部件