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CN111051585B - 用于形成壳体预制件的编织纤维结构 - Google Patents

用于形成壳体预制件的编织纤维结构 Download PDF

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CN111051585B CN201880056793.5A CN201880056793A CN111051585B CN 111051585 B CN111051585 B CN 111051585B CN 201880056793 A CN201880056793 A CN 201880056793A CN 111051585 B CN111051585 B CN 111051585B
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Abstract

本发明涉及一种呈带的形式的纤维结构(100)，该纤维结构在近侧部件(110)和远侧部件(120)之间纵向(X)地延伸给定长度(L100)，而在第一侧边缘(101)和第二侧边缘(102)之间侧向(Y)地延伸给定长度(I100)，所述纤维结构包括纵向延伸的多层经纱或股线和侧向延伸的多层纬纱或股线的多层或三维编织，其特征在于，纤维结构的第一部分(P1)在纤维结构的近侧部件(110)和中间部件之间包括碳纤维纬纱或股线，并且其中，纤维结构的第二部分(P2)在中间部件和远侧部件之间包括玻璃纤维纬纱或股线。

Description

用于形成壳体预制件的编织纤维结构
技术领域
本发明涉及一种用于制造纤维结构(texture)的工艺，该工艺可以特别地但非排它性地用于形成由复合材料制成的航空发动机风扇壳体的纤维增强件。
背景技术
复合材料壳体的制造始于生产带状的纤维结构，该纤维结构通过在多层经纱和多层纬纱之间进行三维编织而产生。将由此获得的纤维结构在具有要制造的壳体形状的模具或工具上缠绕若干圈，并保持在模具和形成反模具的部段之间，以获得纤维预制件。
一旦已经产生了纤维预制件，即，在缠绕纤维结构的最后，通过反模具闭合承载纤维预制件的工具，然后将其运送到烘箱或烤炉中，其中，通过基质对预制件进行致密化，尤其能够通过将树脂注入和聚合到纤维预制件中以获得该基质。
壳体必须通过捕获摄取在发动机内部的碎屑或离心投射的叶片或叶片碎片来提供保持功能，以防止它们穿过壳体并到达飞行器的其它部件。
现有技术的壳体通常令人满意地执行该功能。然而，某些壳体在叶片脱离并投射到壳体中时对叶片冲击的机械阻力方面仍然有进一步改善的空间。
发明内容
根据第一方面，本发明涉及一种具有带的形式的纤维结构，该纤维结构在近侧部件和远侧部件之间纵向地延伸给定长度，而在第一侧边缘和第二侧边缘之间侧向地延伸给定宽度，该纤维结构具有在纵向延伸的多层经纱或股线和侧向延伸的多层纬纱或股线之间的三维或多层编织，
其特征在于，在纤维结构的近侧部件和中间部件之间存在的纤维结构的第一部分包括碳纤维纬纱或股线，并且其中，在中间部件和远侧部件之间存在的纤维结构的第二部分包括玻璃纤维纬纱或股线。
纤维结构的第一部分是刚性的，而纤维结构的第二部分是弹性可变形的。术语“刚性”和“弹性可变形”应当以相对的方式理解，即，第一部分比第二部分更刚性，并且相关地第二部分比第一部分更弹性可变形。换言之，第一部分所具有的硬度高于第二部分，硬度的差异是由更软玻璃纤维的存在和更硬的碳纤维的存在而产生的。玻璃纤维通常具有比碳纤维更高的断裂伸长率：对于玻璃纤维小于2％，而对于碳纤维大于3％。
在一个示例性实施例中，纤维结构的第二部分可包括比第一部分更多的玻璃纤维纱线或股线。换言之，第二部分中的玻璃纤维纱线或股线的体积比可以大于第一部分中的玻璃纤维纱线或股线的体积比(相对于在所考虑的部分中所有纱线或股线所占据的体积来定义该体积比)。纤维结构的第一部分可包括比第二部分更多的碳纤维纱线或股线。换言之，第一部分中的碳纤维的纱线或股线的体积比可以大于第二部分中的碳纤维的纱线或股线的体积比。仅纤维结构的第二部分可以包括玻璃纤维或股线。
旨在缠绕该纤维结构若干圈以形成由复合材料制成的壳体的纤维增强件。第一部分旨在形成该纤维增强件的径向内部部分(绕组的第一圈)。第二部分旨在形成该纤维增强件的径向外部部分(绕组的最后圈)。
发明人发现，能够通过给予该壳体的纤维增强件的第一圈显著的刚度以及给予该增强件的最后圈可变形性来提高壳体对被脱离的叶片的冲击的抵抗力，这些最后圈在冲击期间在变形方面承受最大的压力。
因此，根据本发明的纤维结构在第一部分中包括碳纬纱或股线，旨在形成卷绕的起点并且位于与被叶片冲击的一侧上，以便赋予该第一部分高的刚度。另外，根据本发明的纤维结构在第二部分中包括玻璃纬纱或股线，其旨在形成绕组的一个或多个外层，以便赋予该第二部分显著的弹性变形能力，并因此能够通过变形吸收叶片冲击的能量，并且然后能够通过恢复到其初始形状来将该能量归还至叶片。
本发明因此基于使用两种不同的材料，即碳和玻璃，它们位于纤维增强件的特定区域中，以便在叶片损失情况期间最佳地响应壳体的应力，同时限制壳体的质量。
在示例性实施例中，第二部分中的玻璃纤维纬纱或股线存在于该结构的外表面的侧部上。
一旦已经将纤维结构缠绕成壳体的纤维增强件，则该外表面旨在形成纤维结构的径向外表面。
发明人发现，在给定的卷绕圈数内，该结构的在外表面侧的部件在由脱离的叶片冲击时在变形中受应力最大。
因此，将玻璃纬纱或股线定位在该外表面的侧部上进一步提高壳体对由脱离的叶片冲击所施加的变形的抵抗力。
在示例性实施例中，第二部分的仅部分纬纱或股线由玻璃纤维制成，第二部分的其它纬纱或股线由碳纤维制成。
在第二部分中具有玻璃纬纱或股线与碳纬纱或股线的混合存在的事实有利地进一步提高壳体对脱离的叶片冲击的抵抗力。
在示例性实施例中，纤维结构还包括存在于纤维结构的一个外表面的侧部上的玻璃纤维经纱或股线，纤维结构的其它经纱或股线是碳纤维。
玻璃经纱或股线的添加进一步提高壳体对由脱离的叶片冲击所施加的变形的抵抗力。玻璃经纱或股线在此位于构成经受变形应力的区域的外表面的侧部上，并且其余的经纱或股线由碳制成。这进一步改善可变形性，同时在纤维增强件中保持令人满意的硬度水平。
具体地，玻璃纤维经纱或股线可存在于从第一侧边缘和第二侧边缘侧向缩进的中心区域中，并且其在给定的宽度上延伸，该宽度小于所述纤维结构的宽度。
中心区域旨在与叶片相对地存在，并且限定了待获得的壳体的保持区域。该壳体保持区域的功能是保留在发动机进口处摄取的碎屑、颗粒或物体，或者通过离心力径向地脱离并透射抵靠壳体的叶片或叶片碎片。
在后一种情况下，玻璃经纱或股线位于高变形应力的区域中，即在外侧上和中心区域中，并且其余的经纱或股线由碳制成。这进一步改善可变形性，同时在纤维增强件中保持令人满意的硬度水平。
在示例性实施例中，纤维结构中的碳纤维经纱或股线以及玻璃纤维经纱或股线具有相似的支数(titre)。
这种特征是有利的，因为通过在结构中使用类似尺寸的纱线或股线，织物织构基本上未改变，从而在复合壳体中维持相似的芯吸(embuvage)和相似的基质囊袋尺寸。
本发明还涉及一种用于飞行器壳体的纤维预制件，包括如上所述的纤维结构的多圈绕组，第一部分位于预制件的径向内表面的侧部上，而第二部分位于预制件的径向外表面的侧部上。
本发明还涉及一种由复合材料制成的燃气涡轮机壳体，包括由如上所述的纤维预制件构成的纤维增强件以及使纤维增强件致密的基质。
在示例性实施例中，所述壳体是燃气涡轮风扇壳体。
本发明还涉及一种具有如上所述的壳体的燃气涡轮飞行器发动机。
附图说明
本发明的其它特征和优点将从以下参照附图的非限制性描述中变得显而易见，在附图中：
-图1是织机的示意性立体图，示出了纤维结构的三维编织，
-图2是根据本发明的实施例的纤维结构的示意性立体图，
-图3是在图2的纤维结构的第一部分处截取的横截面，并且示出了编织平面，
-图4是在图2的纤维结构的第二部分处截取的横截面，并且示出了编织平面，
-图5是示出了纤维结构在成形工具上的缠绕的示意性立体图，
-图6是通过缠绕如图5所示的纤维结构而获得的壳体预制件的轴向截面的半视图，
-图7是示出注射扇区在图6中的壳体的预制件上的定位的截面图，
-图8是根据本发明的实施例的飞行器发动机的立体图，
-图9是在根据本发明的纤维结构的变型的第一部分处截取的横截面，并且示出了编织平面，以及
-图10是在该纤维结构的变型的第二部分处截取的横截面，并且示出了编织平面。
具体实施方式
本发明通常适用于用于制造复合材料壳体的纤维结构，这些壳体包括在其端部处具有环形凸缘的筒体或外壳。
如图1所示，通过使用提花型织机5的编织以已知的方式生产纤维结构100，在该织机上将一束经纱或股线20布置成多层，经纱通过纬纱或股线30连结。
纤维结构通过三维编织实现。术语“三维编织”或“3D编织”在此用于描述一种编织方法，其中，至少一些纬纱将经纱结合到若干层经纱，反之亦然。纤维结构可以具有互锁编织。“互锁”编织是一种织法，其中每一层纬纱结合若干层经纱，相同纬纱柱的所有纱线在编织平面内具有相同的运动。其它织法也是可能的。
如图2中所示，纤维结构100具有带的形状，其在与经纱或股线20的行进方向相对应的纵向方向X上纵向地延伸，并且在侧向方向Y上在第一侧边缘101和第二侧边缘102之间沿宽度方向或横向方向延伸，侧向方向Y对应于纬纱或股线30的方向。纤维结构在近侧部件110和远侧部件120之间的方向X上纵向地延伸预定的长度L100，近侧部件110用于在成形工具上形成纤维预制件的缠绕的起点，远侧部件120用于形成纤维预制件的缠绕的终点。
纤维结构另外具有在Y方向上延伸给定的宽度l130的中心区域130，该中心区域130旨在形成壳体的筒体或外壳。中心区域130旨在与叶片相对地存在，并且限定了待获得的壳体的保持区域。中心区域130从第一侧边缘101和第二侧边缘102缩进，并在给定的宽度l130上延伸，该宽度l130小于结构l100的宽度。中心区域130在第一侧边缘101和第二侧边缘102之间的中间位置处。中心区域130在两个侧向区域140和150之间界定，两个侧向区域140和150在方向Y上各自延伸给定的宽度l140和l150。第一侧向区域140在第一侧边缘101和中心区域130之间延伸。第二侧向区域150在第二侧边缘102和中心区域130之间延伸。侧区域140和150中的每个旨在至少部分地形成壳体的环形凸缘。
纤维结构100的长度L100根据成形工具或模具的周长确定，使得可以实现某些数量的纤维结构的匝数，例如四匝。
纤维结构100包括存在于纤维结构的近侧部件110和中间部件PI之间的第一部分P1(该中间部件PI在图7中可见)。第一部分P1旨在形成绕组的形成壳体的纤维增强件的第一部件(该绕组的径向内部部件，参见示出了径向方向R的图7)。例如，中间部件PI可以位于沿着纤维结构100长度的中间，或更一般地，在纤维结构100的长度的四分之一至四分之三之间。
纤维结构100还包括与第一部分P1不同并且存在于中间部件PI和远侧部件120之间的第二部分P2。第二部分P2旨在形成绕组的形成壳体的纤维增强件的第二部件(此绕组的径向外部部件)。
图3和4各自示出了分别位于第一部分P1和第二部分P2处的纤维结构100的互锁编织的平面。
图3和4所示的编织设计的示例包括7层纬纱和8层经纱。在所示的互锁编织中，经纱层由在纬纱方向上彼此偏移的两个相邻经纱半层形成。因此，存在定位在交错行中的16个经纱半层。每个纬纱层链接3个经纱半层。替代地，可以采用非交错布置，其中，两个相邻经纱层的经纱在相同列上对齐。在文献WO 2006/136755中描述了可以使用的互锁编织。
如图3所示，第一部分P1包括碳纤维纬纱或股线，表示为Tc。第一部分P1的所有纬纱或股线可以由碳纤维制成。
在所示的示例中，纤维结构包括玻璃纤维经纱或股线，用Cv表示，以及碳纤维的经纱或股线，用Cc表示。
玻璃纤维经纱或股线Cv存在于纤维结构的外表面F1的侧部上。一旦已经将该结构缠绕起来，则该外表面F1旨在形成纤维预制件的径向外表面(见图7)。具体地，玻璃纤维经纱或股线Cv存在于纤维结构的外表面F1上。玻璃纤维经纱或股线Cv可至少存在于中心区域130中，该中心区域在由脱离的叶片冲击时是受最大机械应力的区域，以使该区域具有最佳的可变形性。玻璃纤维经纱或股线Cv可以仅存在于该中心区域130中。替代地，玻璃纤维经纱或股线Cv可以存在于该中心区域130以及侧区域140和150中。
在所示的示例中，纤维结构的其它经纱或股线由碳纤维制成，并表示为Cc。这些碳纤维经纱或股线Cc特别存在于纤维结构的内表面F2的侧部上。一旦已经将该结构缠绕起来，则该内表面F2旨在形成纤维预制件的径向内表面(见图7)。具体地，碳纤维经纱或股线Cc存在于纤维结构的内表面F2的侧部上。在该示例中，碳纤维经纱或股线另外存在于侧区域140和150中。
如图4所示，第二部分P2包括玻璃纤维纬纱或股线，表示为Tv，以及碳纤维纬纱或股线Tc。因此，在所示的示例中，第二部分P2的仅部分纬纱或股线由玻璃纤维制成，第二部分P2的其它纬纱或股线由碳纤维制成。然而，当第二部分的所有纬纱或股线由玻璃纤维制成时，这也不超出本发明的范围。玻璃纤维纬纱或股线Tv存在于纤维结构的外表面F1的侧部上。具体地，玻璃纤维纬纱或股线Tv存在于纤维结构的外表面F1上。碳纤维纬纱或股线Tc特别存在于纤维结构的内表面F2的侧部上。
因此，当沿着纤维结构100的纵向方向X移动时，纬纱或股线的性质发生演变。
刚刚已经描述了其中纤维结构具有带有7层纬纱和8层经纱的互锁编织的示例。然而，当纬纱层和经纱层的数量不同时，或者当纤维结构具有不同于互锁编织的织法时，也不超出本发明的范围。
如上所述，对于存在于纤维结构中的碳纤维纱线或股线以及玻璃纤维纱线或股线具有相似的支数也是有利的。比率|T2-T1|/T1可以例如小于或等于10％，其中T1表示碳纤维纱线或股线的支数，T2表示玻璃纤维纱线或股线的支数，并且|.|表示绝对值。
如图5所示，通过在先前描述的纤维结构100的心轴50上缠绕而形成用于壳体的纤维增强件，该纤维增强件构成用于一件式壳体的完整的管状纤维预制件。为此目的，心轴50具有外表面51，该外表面的轮廓对应于待生产的壳体的内表面。心轴50还具有两个凸缘52和53，以形成与壳体的凸缘相对应的纤维预制件部件62和63(凸缘62和63在图6中可见)。预制件的径向内侧的一圈或多圈对应于纤维结构的第一部分P1，并且预制件的径向外侧的一圈或多圈对应于纤维结构的第二部分P2。
图6示出了将纤维结构100在心轴50上缠绕若干层之后获得的纤维预制件60的截面图。层数或圈数取决于纤维结构的厚度和期望厚度。较佳地至少等于2。在此处描述的示例中，预制件60具有4层纤维结构100。
然后，利用基质使纤维预制件60致密化。
纤维预制件的致密化在于用构成基质的材料填充其全部或部分体积的预制件的孔隙率。
可以通过液体工艺以本身已知的方式获得基质。液体工艺包括用包含基质材料的有机前体的液体组合物浸渍预制件。有机前体通常为聚合物形式，比如树脂，可能稀释在溶剂中。将纤维预制件放置在可密封的模具中，该模具具有呈最终成型部件的形状的容纳部。如图7所示，在此将纤维预制件60放置在形成反模具的多个扇区54和形成支承件的心轴50之间，这些元件分别具有待生产的壳体的外部形状和内部形状。然后将液体基质前体(例如树脂)注入整个容纳部中以浸渍预制件。
在去除了任何溶剂并进行了聚合物的交联之后，前体向有机基质的转化(即其聚合)是通过热处理、通常是通过加热模具进行的，预制件始终保持在模具中，其形状对应于待制作的部件的形状。该有机基质可以特别地由环氧树脂、例如出售的高性能环氧树脂获得，或者由碳或陶瓷基质的液体前体获得。
在形成碳或陶瓷基质的情况下，取决于所使用的前体和热解条件，热处理包括有机前体的热解，以将有机基质转化为碳或陶瓷基质。作为示例，液态碳前体可以是相对高焦炭含量树脂，比如酚醛树脂，而液态陶瓷前体(特别是SiC)可以是聚碳硅烷(PCS)、含钛聚碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)树脂。从浸渍到热处理，可以执行若干连续的循环，以实现期望的致密化程度。
纤维预制件的致密化可以通过众所周知的树脂传递模制(RTM)工艺实现。根据RTM工艺，将纤维预制件放置在具有待生产的壳体形状的模具中。将热固性树脂注入到在刚性材料部件和模具之间界定的内部空间中，该内部空间包括纤维预制件。通常在树脂注射部位和树脂出口之间的内部空间中建立压力梯度，以控制和优化预制件的树脂浸渍。
所使用的树脂可以是例如环氧树脂。适用于RTM工艺的树脂是众所周知的。它们较佳地具有低粘度以促进其注入纤维中。根据部件要经受的热机械应力来确定树脂的温度等级和/或化学性质的选择。一旦已经将树脂注入所有增强件后，即可根据RTM工艺通过热处理使其硬化。
在注射和聚合之后，将部件脱模。最后，修整该部件以去除多余的树脂并机加工倒角以获得如图8所示的具有旋转形状的壳体810。
图8所示的壳体810是用于燃气涡轮航空发动机风扇的壳体80。如图8中非常示意性地示出的，这种发动机在气流的方向上从上游到下游包括：布置在发动机入口处的风扇81、压缩机82、燃烧室83、高压涡轮84和低压涡轮85。发动机容纳在壳体内部，壳体包括对应于不同发动机组件的若干部件。因此，风扇81被壳体810包围。
图9和图10示出了根据本发明的纤维结构的变型，其中，所有经纱或股线均由碳制成(经纱或股线Cc)。
纤维结构在其第二部分P2中包括玻璃纬纱或股线Tv，如在先前描述的实施例中那样，后者位于该结构的外表面F1的侧部上。根据该示出的示例，纤维结构还包括在第一部分P1和第二部分P2中的碳纬纱或股线Tc。根据该示例，第一部分P1的所有纬纱或股线由碳制成。

Claims (10)

1.一种具有带的形式的纤维结构(100)，所述纤维结构在近侧部件(110)和远侧部件(120)之间在纵向方向(X)上延伸给定长度(L100)，而在第一侧边缘(101)和第二侧边缘(102)之间在侧向方向(Y)上延伸给定宽度(l100)，所述纤维结构具有在纵向延伸的多层经纱或股线(20)和侧向延伸的多层纬纱或股线(30)之间的三维或多层编织，
其特征在于，在所述纤维结构的所述近侧部件(110)和中间部件(PI)之间存在的所述纤维结构的第一刚性部分(P1)包括碳纤维纬纱或股线(Tc)，并且其中，在所述中间部件和所述远侧部件之间存在的所述纤维结构的第二弹性可变形部分(P2)包括玻璃纤维纬纱或股线(Tv)。
2.如权利要求1所述的纤维结构(100)，其特征在于，在所述第二弹性可变形部分(P2)中的所述玻璃纤维纬纱或股线(Tv)存在于所述纤维结构的外表面(F1)的侧部上。
3.如权利要求1所述的纤维结构(100)，其特征在于，所述第二弹性可变形部分(P2)的仅部分纬纱或股线由玻璃纤维制成，所述第二弹性可变形部分的其它纬纱或股线由碳纤维制成。
4.如权利要求1所述的纤维结构(100)，其特征在于，还包括存在于所述纤维结构的外表面(F1)的侧部上的玻璃纤维经纱或股线(Cv)，所述纤维结构的其它经纱或股线是碳纤维的。
5.如权利要求4所述的纤维结构(100)，其特征在于，所述玻璃纤维经纱或股线(Cv)存在于从所述第一侧边缘(101)和所述第二侧边缘(102)侧向缩进的中心区域(130)中，并且其在给定的宽度(l130)上延伸，所述宽度(l130)小于所述纤维结构的宽度(l100)。
6.如权利要求1所述的纤维结构(100)，其特征在于，存在于所述纤维结构中的所述碳纤维纱线或股线(Cc；Tc)和玻璃纤维纱线或股线(Cv；Tv)具有相似的支数。
7.一种用于飞行器壳体(810)的纤维预制件(60)，包括如权利要求1所述的纤维结构(100)的多圈绕组，所述第一刚性部分(P1)位于所述纤维预制件的径向内表面(F2)的侧部上，而所述第二弹性可变形部分(P2)位于所述纤维预制件的径向外表面(F1)的侧部上。
8.一种复合材料的燃气涡轮机壳体(810)，包括由如权利要求7所述的纤维预制件(60)构成的纤维增强件和使所述纤维增强件致密的基质。
9.如权利要求8所述的壳体(810)，其特征在于，所述壳体是燃气涡轮风扇壳体。
10.一种具有如权利要求8所述的壳体(810)的飞行器燃气涡轮发动机(80)。
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