包括交錯式附連突緣的用於氣體渦輪發動機的複合材料制導向葉片的製作方法

2023-12-11 01:19:27

發明背景

本發明涉及用於氣體渦輪航空發動機的導向葉片的通用領域。

本發明的應用示例具體地包括用於航空渦輪發動機的出口導向葉片(ogv)、進口導向葉片(igv)以及可變定子葉片(vsv)。

通常，氣體渦輪航空發動機的每個導向葉片均具有翼型，該翼型在每個徑向端部處藉助緊固突緣緊固於護罩。此種導向葉片形成成排定子葉片，該成排定子葉片用於引導流過發動機的氣體流，以賦予該氣體流合適的速度和角度。

導向葉片通常由金屬製成，但正變得越來越普遍的是，使得這些導向葉片由複合材料製成，從而具體地是減小這些導向葉片的重量。具體地說，已知使得導向葉片由通過三維編織獲得的纖維增強物製成，並且翼型和緊固突緣形成單件。為此，這些緊固突緣通常通過非互連的方式形成在主要預製件(構成翼型預製件)中，以形成兩個部分的部分，其中一個部分構成用於壓力側上的緊固突緣(即，朝向翼型的壓力側表面摺疊的突緣)的預製件，而另一部分構成用於抽吸側的緊固突緣(即，朝向翼型的抽吸側表面摺疊的突緣)的預製件。

此種製造方法具有某些缺點。具體地說，該方法引起主要的編織限制，因為該方法需要具有一定程度上最少層數的線股，以使得可產生非互連的部分。此外，難以管理纖維預製件的厚度中的變化。確切地說，具有兩個非互連部分意味著在這些非互連區域中、僅有一半層數的線股可用於產生厚度的回歸，這會在各層的出口處引起較大的運動或者會需要藉助編織藝術(例如，複製線股)來平順這些厚度變化。最後，該製造方法需要使用經特殊編織的填料來接納在非互連的開口中，以填充到空隙中並且減小非互連的端部處的應力。

發明目的及

技術實現要素：

因此，本發明的主要目的是提供一種沒有上述缺點的導向葉片。

根據本發明，上述目的通過一種用於氣體渦輪發動機的複合材料導向葉片來實現，該複合材料包括由基質緻密化的纖維增強物，該纖維增強物通過三維編織形成為單件並且包括翼型和至少兩個緊固突緣，這些緊固突緣從葉片的徑向端部朝向該翼型的相對兩個側表面延伸，且所述緊固突緣相對於彼此軸向地偏移。

本發明的導向葉片的特徵在於，該導向葉片具有相對於彼此軸向地偏移的緊固突緣。採用此種體系結構，無需在纖維預製件中提供非互連以獲得緊固突緣。因此，可避免需藉助使用非互連來形成緊固突緣的製造方法所固有的缺點。此外，與上述製造方法相比，此種導向葉片的製造需要較少層數的線股，這在重量和製造成本方面具有顯著的節省。最後，此種製造方法無需編入任何填料。

該導向葉片可包括兩對緊固突緣，這兩對緊固突緣從翼型的徑向外端部延伸出並且相對於彼此軸向地偏移。

該導向葉片可等同地包括兩個緊固突緣，這兩個緊固突緣在翼型的前緣旁邊、從該葉片的徑向內端部延伸出。在這些情形下，該導向葉片還可進一步包括兩個其它緊固突緣，這些緊固突緣在翼型的尾緣旁邊從該葉片的徑向內端部延伸出並且彼此軸向地齊平。

該導向葉片在每個徑向端部處還可包括位於翼型的前緣旁邊並且朝向該翼型的一個側表面延伸的緊固突緣以及位於翼型的尾緣旁邊並且朝向該翼型的相對側表面延伸的緊固突緣。

本發明還提供一種製造上文所限定的導向葉片的方法，該方法按序地包括：使用三維編織來製備單件式纖維預製件，該纖維預製件構成翼型的預製件和緊固突緣的預製件；切割出該纖維預製件，以賦予該纖維預製件構成翼型和緊固突緣的各部分的輪廓；通過將構成緊固突緣的各部分摺疊來使得所切割出的預製件成形；在模具中使預製件成形；以及利用樹脂來使得預製件緻密化。

本發明還提供一種渦輪發動機，該渦輪發動機包括至少一個如上所述的導向葉片。

附圖簡述

本發明的其它特徵和優點從參照附圖的以下描述中顯而易見，這些附圖示出了具有非限制特徵的實施例。在附圖中：

圖1和圖2是本發明導向葉片的示意圖；

圖3是用於製造圖1和2的導向葉片的纖維預製件的平面圖；以及

圖4是本發明的變型實施例中的導向葉片的示意圖。

具體實施方式

本發明適用於製造用於氣體渦輪航空發動機的導向葉片。

此類導向葉片的非限制示例具體地包括出口導向葉片(ogv)、進口導向葉片(igv)以及可變定子葉片(vsv)等等。

圖1和圖2是本發明的此種導向葉片10的示意立體圖。

根據本發明，該導向葉片10由複合材料製成，該複合材料具有由基質緻密化的纖維增強物，該纖維增強物形成為三維編織的單件並且包括翼型12和至少兩個緊固突緣(或凸片)14a和14b，用以使得該導向葉片能緊固於護罩(內護罩和/或外護罩)。

翼型12在徑向外端部16和徑向內端部18之間徑向地延伸，以及在前緣20和尾緣22之間軸向地延伸。

更精確地說，緊固突緣14a、14b從葉片16、18的其中一個徑向端部朝向翼型的相對兩個側表面(即翼型12的壓力側表面12a和抽吸側表面12b)延伸。

因此，在圖1和2的示例中，緊固突緣14a(稱為壓力側突緣)在翼型的壓力側12a上延伸，而緊固突緣14b(稱為抽吸側突緣)在翼型的抽吸側12b上延伸。

此外，這些緊固突緣14a和14b相對於彼此軸向地偏移，即這些緊固突緣在軸向方向(翼型在該翼型的前緣20和該翼型的尾緣22之間延伸的方向)上並不彼此齊平。

此外，在圖1和2的實施例中，導向葉片10在翼型的徑向外端部16處具有兩對緊固突緣14a、14b，這些成對緊固突緣相對於彼此軸向地偏移並且在這些成對緊固突緣的每對緊固突緣中的緊固突緣也相對於彼此軸向地偏移。這些緊固突緣14a、14b和24a、24b用於使得導向葉片能緊固於外護罩。

類似地，在導向葉片10的徑向內端部18處，該導向葉片10還具有兩個其它的緊固突緣26a和26b，這些緊固突緣朝向翼型的壓力側和抽吸側表面12a和12b延伸。這些緊固突緣26a、26b位於翼型的前緣20旁邊並且用於使得導向葉片能緊固於內護罩。

在圖1和2中示出的實施例中，在該內徑向端部18處，導向葉片10還具有兩個軸向的緊固突緣28a和28b，這些緊固突緣位於翼型的尾緣22旁邊並且彼此軸向地齊平(不同於緊固突緣26a和26b)。這些軸向的緊固突緣28a和28b還用於將導向葉片緊固於內護罩。

下文是對製造此種導向葉片的示例方法的描述。

該製造方法的第一步驟在於使用三維(3d)編織來製備單件式纖維預製件，該單件式纖維預製件構成用於翼型和用於與該翼型相關聯的緊固突緣(即，在該示例中，緊固突緣14a、14b、24a、24b、26a、26b以及28a、28b)的預製件，此種纖維預製件的輪廓在圖3中以虛線示出。

術語「3d編織」應理解成，經紗遵循彎曲的路徑，以與歸屬於不同的經紗層的緯紗互連，應理解的是，具體地使用互連編織的3d編織可在表面處包括2d編織。可使用各種3d編織，例如互連、多緞紋或多平紋編織，例如具體地在文獻wo2006/136755中所描述地那樣。

該方法的以下步驟在於切割出纖維預製件，以賦予該纖維預製件構成翼型和緊固突緣的各部分的輪廓。藉助示例，此種切割使用水柱來執行並且所獲得結果通過在圖3中以實線繪製的所切割出預製件100來表示。

因此，所切割出的預製件100具有構成翼型預製件的部分102、在構成該翼型預製件的部分102的徑向外端部102a處構成緊固突緣預製件的四個部分104以及在該部分102的徑向內端部102b處構成緊固突緣預製件的兩個部分106和構成用於軸向緊固突緣的預製件的一個部分108。

這些所切割出的預製件則具體地通過摺疊構成緊固突緣的各部分104和106而成形。因此，這些部分朝向壓力側以及朝向構成翼型預製件的部分102的側部交替地摺疊。構成用於軸向緊固突緣的預製件的部分108一開始是在纖維預製件的編織期間的非互連主體，以使得該部分能通過將兩個非互連部分分別折向構成翼型預製件的部分102的壓力側和抽吸側而成形。

以此方式獲得的纖維預製件然後在注塑模具中得以乾燥和布置就位。用於形成圖1和2中示出的複合材料導向葉片的基質沉積在纖維預製件中，同時將該預製件維持在模具中，至少直到該預製件已變得剛性(或固結)為止。

根據期望的應用來選擇基質的性質，例如具體地從樹脂獲得的有機基質，該樹脂是諸如環氧樹脂、雙馬來醯亞胺或聚醯亞胺樹脂之類的聚合物材料的前體或者是碳基質或陶瓷基質的前體。對於有機基質，纖維預製件可在模具中成形之前或者在成形之後、浸漬有含有基質前體樹脂的組合物，在該情形中，浸漬藉助示例通過注入或者通過樹脂傳遞模塑(rtm)類型的工藝執行。對於碳基質或陶瓷基質，緻密化可通過化學氣相滲透(cvi)或者通過浸漬有含有碳或陶瓷前體樹脂的液體組合物並且執行熱處理來使得前體熱解或陶瓷化來執行，這些方法本身是眾所周知的。

圖4示出本發明導向葉片10'的變型實施例。

此種導向葉片10'與上述葉片的不同之處在於，在該導向葉片的徑向外端部16處，該導向葉片僅僅具有兩個緊固突緣14'a和14'b，這些緊固突緣相對於彼此軸向地偏移，即：位於翼型的前緣20旁邊並且朝向該翼型的壓力側表面12a延伸的緊固突緣14'a，以及位於翼型的尾緣22旁邊並且朝向該翼型的抽吸側表面12b延伸的緊固突緣14'b。

在該導向葉片10'的徑向內端部18處，該導向葉片還具有兩個緊固突緣26'a和26'b，這些緊固突緣相對於彼此軸向地偏移，即：位於翼型的前緣20旁邊並且朝向該翼型的壓力側表面12a延伸的緊固突緣26'a，以及位於翼型的尾緣22旁邊並且朝向該翼型的抽吸側表面12b延伸的緊固突緣26'b。

最後，應觀察到的是，該導向葉片10'並不具有任何彼此軸向對準的緊固突緣。