形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的渦輪發(fā)動機(jī)部件以及制造其的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及渦輪發(fā)動機(jī)部件，其形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴并且包括內(nèi)罩、外罩、以及在內(nèi)罩和外罩之間基本上徑向地延伸和與后者剛性地連接的葉片。該部件由復(fù)合材料制造，該復(fù)合材料通過用基質(zhì)致密纖維預(yù)制件而產(chǎn)生。纖維預(yù)制件包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑縱向地延伸通過至少兩個(gè)連續(xù)的葉片的預(yù)制件部分（242）和通過內(nèi)罩的預(yù)制件部分（220）和外罩的預(yù)制件部分（260），并且編織的纖維加強(qiáng)紗線沿著內(nèi)罩段和外罩段在圓周方向上連續(xù)地延伸，連續(xù)的葉片在內(nèi)罩段和外罩段之間延伸。
【專利說明】形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的渦輪發(fā)動機(jī)部件以及制造其的方法
[0001]發(fā)明背景
[0002]本發(fā)明涉及形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的渦輪發(fā)動機(jī)部件。本發(fā)明的應(yīng)用領(lǐng)域特別地是航空發(fā)動機(jī)領(lǐng)域。然而，本發(fā)明也適用于其它的渦輪發(fā)動機(jī)，例如工業(yè)燃?xì)鉁u輪機(jī)。
[0003]在渦輪發(fā)動機(jī)中，壓氣機(jī)和渦輪機(jī)組件包括壓氣機(jī)中與定子交替的或在渦輪機(jī)中與噴嘴交替的旋轉(zhuǎn)輪。
[0004]廣泛使用的傳統(tǒng)壓氣機(jī)定子包括多個(gè)導(dǎo)向葉片，例如其通過焊接固定到外環(huán)，該外環(huán)具有結(jié)構(gòu)功能和限定氣流通道的外側(cè)。在內(nèi)側(cè)上，非結(jié)構(gòu)的內(nèi)罩限定氣流通道。外環(huán)，葉片和內(nèi)罩通常由金屬制造。
[0005]常規(guī)的渦輪機(jī)噴嘴通常地由多個(gè)金屬扇體組成，通過鑄造獲得作為單件的每個(gè)金屬扇體，并且每個(gè)金屬扇體包括限定氣流通道外側(cè)的外罩扇體，限定氣流通道內(nèi)側(cè)的內(nèi)罩扇體，以及將外罩扇體和內(nèi)罩扇體連接在一起的葉片。
[0006]包括基質(zhì)所致密的纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料材料的使用已經(jīng)被提出用于各種渦輪發(fā)動機(jī)部件，并且特別地旋轉(zhuǎn)輪翼型、渦輪機(jī)翼、渦輪機(jī)噴嘴元件或后體元件。對于運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)暴露在高溫下的部件，推薦使用陶瓷基質(zhì)復(fù)合(CMC)材料。這種部件的制造包括制造纖維預(yù)制件，該纖維預(yù)制件形成復(fù)合材料的纖維加強(qiáng)和具有接近待要被制造的部件形狀的形狀，然后用基質(zhì)致密纖維預(yù)制件。使用各種紡織方法，特別地成形通過多層或三維編織制造的纖維坯體，可以獲得纖維預(yù)制件。
[0007]這種復(fù)合材料部件是顯著的，因?yàn)樗鼈兙哂辛己玫臋C(jī)械性能，至少比得上相似金屬部件的機(jī)械性能，但是使用CMC材料時(shí)卻涉及更低的重量，這些部件在非常高的溫度保持它們的機(jī)械性能，并且它們由此適于當(dāng)期望達(dá)到渦輪發(fā)動機(jī)的最高可能運(yùn)轉(zhuǎn)溫度時(shí)使用，以改善效率和減少污染排放。
[0008]因此，文獻(xiàn)EP1526285描述了通過用有機(jī)基質(zhì)致密由三維編織所獲得的纖維預(yù)制件來制造風(fēng)扇葉片。文獻(xiàn)W02010/061140和W02010/103213分別地描述了使用由多層編織所制造的纖維坯體來制造具有由CMC材料所制造的接合的內(nèi)和/或外平臺的葉片和渦輪機(jī)環(huán)扇體。
[0009]文獻(xiàn)W02010/146288描述了 CMC渦輪機(jī)噴嘴組件，其由內(nèi)罩扇體和外罩扇體以及在扇體之間延伸的葉片組成，并且通過多層編織的纖維坯體獲得，該纖維坯體在噴嘴組件的整個(gè)體積上具有纖維加強(qiáng)的連續(xù)性。纖維加強(qiáng)包括借由穿過內(nèi)罩扇體或外罩扇體，沿著兩個(gè)葉片連續(xù)地延伸的紗線，但是所述紗線隨后被中斷。此外，在沿著內(nèi)罩和外罩扇體中每個(gè)扇體的圓周方向上，沒有纖維加強(qiáng)紗線的連續(xù)。
[0010]文獻(xiàn)W091/15357描述了折疊編織的纖維坯體伸縮方式以制造具有多個(gè)葉片的噴嘴扇體。然而，這種折疊同樣地不可能確保沿著外罩扇體和沿著內(nèi)罩扇體的圓周方向上纖維加強(qiáng)的連續(xù)。
[0011]發(fā)明的目的和概述[0012] 本發(fā)明的目的是提供形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的渦輪發(fā)動機(jī)部件，該部件由復(fù)合材料制造和具有良好的機(jī)械性能。
[0013]通過下面的部件達(dá)到該目的，該部件包括內(nèi)罩、外罩、以及在內(nèi)罩和外罩之間基本上徑向地延伸和與其固定的葉片，其中部件的內(nèi)罩、外罩和葉片由復(fù)合材料制造，該復(fù)合材料具有基質(zhì)所致密的編織的纖維加強(qiáng)，并且纖維加強(qiáng)包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑縱向地行進(jìn)通過至少兩個(gè)連續(xù)的葉片和通過內(nèi)罩和外罩，所述至少兩個(gè)連續(xù)的葉片在內(nèi)罩段和外罩段之間延伸，具有沿著內(nèi)罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線和具有沿著外罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線。
[0014]纖維加強(qiáng)可以包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑縱向地通過至少三個(gè)連續(xù)的葉片和交替地通過內(nèi)罩和外罩，所述至少三個(gè)連續(xù)的葉片在內(nèi)罩段和外罩段之間延伸，具有沿著內(nèi)罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線和具有沿著外罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線。
[0015]纖維加強(qiáng)的紗線的連續(xù)有助于賦予良好的機(jī)械性能。根據(jù)使用條件，部件可以由有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料或者由CMC材料制造。
[0016]有利地，內(nèi)罩、外罩和葉片形成由復(fù)合材料所制造的單件。
[0017]在這種情況下，纖維加強(qiáng)包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑沿著內(nèi)罩和外罩之一沿著其圓周通過，然后接連地通過所有葉片，然后沿著內(nèi)罩和外罩中另一個(gè)沿著其圓周通過。
[0018]在變化形式中，渦輪發(fā)動機(jī)部件由多個(gè)扇體組成，每個(gè)扇體形成復(fù)合材料的單件，該單件具有內(nèi)罩扇體、外罩扇體、以及在罩扇體之間延伸和與其固定的至少兩個(gè)葉片，或者實(shí)際上至少三個(gè)葉片。
[0019]在特定的實(shí)施方式中，渦輪發(fā)動機(jī)部件可以包括至少一個(gè)凸緣，該凸緣固定于外罩和由其徑向地向外延伸。
[0020]根據(jù)另一個(gè)實(shí)施方式特征，渦輪發(fā)動機(jī)部件可以包括壁部分，該壁部分固定于內(nèi)罩和在其內(nèi)側(cè)上限定朝向內(nèi)側(cè)打開的基本上通道截面的凹部。
[0021]本發(fā)明也尋求提出由單件纖維預(yù)制件實(shí)現(xiàn)制造這種渦輪發(fā)動機(jī)部件的方法。
[0022]通過下面的方法達(dá)到該目的，該方法包括:
[0023].制造包括第一組紗線的編織的纖維預(yù)制件，該第一組紗線沿著形成內(nèi)罩預(yù)制件的第一預(yù)制件部分的圓周連續(xù)地通過，然后接連地沿著形成葉片預(yù)制件的第二預(yù)制件部分，在縱向方向上通過，并且也圓周地沿著形成外罩預(yù)制件的第三預(yù)制件部分通過，第一組紗線的紗線借由從一個(gè)第二預(yù)制件部分到下一個(gè)交替地通過第一預(yù)制件部分和通過第三預(yù)制件部分，沿著所述第二預(yù)制件部分連續(xù)地通過；和
[0024].用基質(zhì)致密纖維預(yù)制件。
[0025]在該方法的特定的實(shí)施中，纖維預(yù)制件的制造包括:
[0026]I)編織具有第一組紗線和第二組紗線的纖維條帶，所述第一組紗線在條帶的縱向方向上連續(xù)地延伸和包括多層平行紗線，用第一組紗線沿著纖維條帶的編織段編織第二組紗線，第一組紗線和第二組紗線通過非編織段互相分離開，纖維條帶包括:
[0027]?第一纖維條帶部分，其在對應(yīng)于第一預(yù)制件部分長度的長度上延伸，第一纖維條帶部分由與非編織段交替的編織段組成；[0028]?第二纖維條帶部分，其緊鄰第一部分之后和由與非編織段交替的編織段組成，該第二纖維條帶部分的編織段對應(yīng)于第二預(yù)制件部分和具有對應(yīng)于葉片的縱向尺寸的長度，并且第二纖維條帶部分的非編織段形成連續(xù)的葉片預(yù)制件之間的連接部分；和
[0029].第三纖維條帶部分，其緊鄰第二部分之后和在對應(yīng)于第三預(yù)制件部分長度的長度上延伸，該第三纖維條帶部分由與非編織段交替的編織段所組成；
[0030]?第一和第三部分的每個(gè)中編織和非編織段的總數(shù)量等于葉片的數(shù)量。
[0031]2)成形纖維條帶，包括:
[0032].卷起第一纖維條帶部分；
[0033].折疊第二纖維條帶部分，以相對于卷起的第一纖維條帶部分基本上徑向地放置其編織段；和
[0034].卷起第三纖維條帶部分；
[0035]?通過在卷起的第一纖維條帶部分中和在卷起的第三纖維條帶部分中交替的非編織段，接合形成連續(xù)的葉片預(yù)制件之間連接部分的第二纖維條帶部分的非編織段。
[0036]在這種情況下，通過第一或第三纖維部分的非編織段接合形成兩個(gè)連續(xù)的葉片預(yù)制件之間連接部分的第二纖維條帶部分的非編織段之后，可以準(zhǔn)備編織所述第二纖維預(yù)制件部分的非編織段。
[0037]用所述第二纖維預(yù)制件部分的非編織段中第一組紗線的紗線互連所述第一或第三預(yù)制件部分的非編織段中第一組紗線的紗線，可以進(jìn)行另外的編織。
[0038]根據(jù)該方法的特 征，在遠(yuǎn)離鄰近第二纖維條帶部分的其端部的它的端部，第一纖維條帶部分延伸有在其整個(gè)長度上編織的第四纖維條帶部分，這樣卷起后，它形成內(nèi)罩的內(nèi)襯套。
[0039]在這種情況下，可以準(zhǔn)備制造纖維預(yù)制件以包括所述內(nèi)襯套的向內(nèi)折疊的側(cè)部分，以給予向該處的基本上通道形狀的截面。
[0040]根據(jù)該方法的另一個(gè)特征，在遠(yuǎn)離鄰近第二纖維條帶部分的其端部的它的端部，第三纖維條帶部分延伸有沿著其整個(gè)長度上編織的第五纖維條帶部分，這樣卷起后，它形成外罩的外襯套。
[0041]在這種情況下，可以準(zhǔn)備第五纖維條帶部分，其寬度大于第三部分的寬度，并且可以準(zhǔn)備制造纖維預(yù)制件，以包括向外地折疊的至少一部分所述外襯套，該外襯套相對于第三纖維條帶部分側(cè)向地突出。
[0042]附圖的簡要說明
[0043]通過閱讀下面參考附圖的非限制性表示所給出的說明，可以更好地理解本發(fā)明，其中:
[0044]圖1是渦輪發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)的詳細(xì)地示意的局部視圖。
[0045]圖2是渦輪發(fā)動機(jī)的低壓渦輪機(jī)的詳細(xì)地示意的局部視圖。
[0046]圖3是在本發(fā)明實(shí)施方式中，在制造壓氣機(jī)定子的纖維預(yù)制件中使用的編織纖維條帶的簡化平面圖。
[0047]圖4和圖5是在圖3的平面IV-1V和V-V上簡化的截面圖。
[0048]圖6至圖12是示意圖，表示在成形圖3的編織條帶以獲得壓氣機(jī)定子的纖維預(yù)制件中的連續(xù)步驟。[0049]圖13是在制造圖12的壓氣機(jī)定子預(yù)制件的階段，詳細(xì)地示意的徑向半截面圖。
[0050]圖14是從圖3的編織條帶最后獲得的壓氣機(jī)定子預(yù)制件的詳細(xì)地示意的徑向半截面圖。
[0051]圖15是本發(fā)明的實(shí)施方式中單件渦輪機(jī)定子預(yù)制件的詳細(xì)地示意的徑向半截面圖。
[0052]圖16表示用于由有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料制造壓氣機(jī)定子的本發(fā)明方法的連續(xù)步驟，該有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料具有纖維預(yù)制件所構(gòu)成的纖維加強(qiáng)，諸如，例如在圖14中所示；和
[0053]圖17表示由CMC制造壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的方法的連續(xù)步驟，該CMC具有通過纖維預(yù)制件所形成的纖維加強(qiáng)，諸如，例如在圖14或圖15中所示。
[0054]本發(fā)明實(shí)施方式的詳細(xì)描述
[0055]圖1是詳細(xì)地示意的局部軸向半截面視圖，表示渦輪發(fā)動機(jī)的多級壓氣機(jī)。壓氣機(jī)包括與旋轉(zhuǎn)輪20交替的固定定子10。
[0056]每個(gè)定子10包括內(nèi)罩12，多個(gè)葉片或翼型14和外罩16。葉片14在內(nèi)罩12和外罩16之間基本上徑向地延伸，并且以規(guī)律的方式成角度地分布。在它們的內(nèi)和外徑向端部，葉片14分別地固定于罩12和16。在內(nèi)側(cè)上，內(nèi)罩12帶有耐磨層11。在外側(cè)上,夕卜罩16固定于凸緣17以連接壓氣機(jī)殼體，例如，在其下游端部附近。相對于通過壓氣機(jī)的空氣流動方向使用術(shù)語“下游”。
[0057]每個(gè)旋轉(zhuǎn)輪20具有帶內(nèi)平臺22的葉片24。在內(nèi)平臺22下，每個(gè)葉片延伸有根部23，該根部23接合在轉(zhuǎn)子25的凹部中。轉(zhuǎn)子25也帶有面對相鄰定子的耐磨層11的刮擦件21。在它們的外端部，葉片24也可以具有面對耐磨層的刮擦件(未示出)，由壓氣機(jī)殼體所支撐的環(huán)19帶有該耐磨層。
[0058]定子10的內(nèi)罩12和旋轉(zhuǎn)輪20的葉片的內(nèi)平臺23的外面，以及定子10的外罩16和環(huán)19的內(nèi)面限定通過壓氣機(jī)的氣流通道，刮擦件與相關(guān)的耐磨層配合以提供在內(nèi)側(cè)上和在旋轉(zhuǎn)輪20的葉片的頂端的密封。
[0059]如上所簡要地描述的壓氣機(jī)布置是公知的。
[0060]圖2是示意的局部軸向半截面視圖，表示渦輪發(fā)動機(jī)的多級低壓渦輪機(jī)。渦輪機(jī)包括與旋轉(zhuǎn)輪40交替的固定噴嘴30。
[0061]每個(gè)噴嘴10具有內(nèi)罩32，多個(gè)葉片或翼型34和外罩36。葉片34在內(nèi)罩32和外罩36之間徑向地延伸，并且它們以規(guī)律的方式成角度地分布。在它們的內(nèi)和外端部，葉片34分別地固定于罩32和36。在內(nèi)側(cè)上，內(nèi)罩32帶有耐磨層31。在外側(cè)上,夕卜罩36固定于凸緣37以例如，在外罩36的下游端部的附近，連接渦輪機(jī)殼體39，并且外罩36固定于部件38，后者在上游端部附近形成中心帶。
[0062]每個(gè)旋轉(zhuǎn)輪40都具有葉片44，該葉片44帶有內(nèi)平臺42和外平臺44。在內(nèi)平臺下，每個(gè)葉片延伸有根部，該根部接合在圓盤43的凹部中。圓盤43帶有面對相鄰噴嘴的耐磨層31的刮擦件41。在外側(cè)，外平臺44帶有面對耐磨層的刮擦件，由渦輪機(jī)殼體所支撐的環(huán)39帶有該耐磨層。
[0063]噴嘴30的內(nèi)罩32和旋轉(zhuǎn)輪40的葉片的內(nèi)平臺42的外面，以及噴嘴30的外罩36和旋轉(zhuǎn)輪40的葉片的外平臺46的內(nèi)面限定通過渦輪機(jī)的氣流通道，刮擦件與相關(guān)的耐磨層配合以提供在內(nèi)側(cè)上和在旋轉(zhuǎn)輪40的葉片的頂端的密封。[0064]如上所簡要地描述的低壓渦輪機(jī)布置是公知的。
[0065]形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴和適于在壓氣機(jī)或渦輪機(jī)中使用的渦輪發(fā)動機(jī)部件，諸如圖1和2中所述的那些部件，例如，可以由帶有纖維加強(qiáng)的復(fù)合材料制造，該復(fù)合材料包括借由通過內(nèi)和外罩連續(xù)地延伸經(jīng)過多個(gè)連續(xù)葉片的紗線。
[0066]下面描述用于這種渦輪發(fā)動機(jī)部件，例如形狀與圖1的定子10類似的壓氣機(jī)定子的纖維預(yù)制件的實(shí)施方式，通過用基質(zhì)致密纖維預(yù)制件獲得最終部件。
[0067]參考附圖4至13描述獲得(下面所詳細(xì)地描述的)如圖14中所示的纖維預(yù)制件100的各個(gè)操作。
[0068]圖3是編織纖維條帶200的平面圖，該編織纖維條帶200可以在各種成形階段后獲得期望的纖維預(yù)制件100。在該實(shí)施例中，在經(jīng)線方向上(箭頭C)縱向地編織條帶200。用緯紗線(箭頭T)所編織的部分表示為柵格。在沒有被編織的其它部分中，只是示出了經(jīng)紗線。
[0069]條帶200包括用于形成內(nèi)罩預(yù)制件部分的第一部分220、用于形成葉片預(yù)制件部分的第二部分240和用于形成外罩預(yù)制件部分的第三部分260，部分240緊鄰地延伸部分220，而部分260緊鄰地延伸部分240。部分220在遠(yuǎn)離鄰近部分240的其端部的它的縱向端部，部分220可以緊鄰地延伸有部分210，該部分210用于形成內(nèi)部地襯套內(nèi)罩的預(yù)制件部分。以相似的方式，部分260在遠(yuǎn)離鄰近部分240的其端部的它的縱向端部，部分260可以緊鄰地延伸有部分270，該部分270用于形成預(yù)制件部分，該預(yù)制件用于提供外罩的外襯套。
[0070]由部分210、220、240、260和270所組成的條帶200，并且一旦通過下述方式已經(jīng)成形它，該條帶200將構(gòu)成纖維預(yù)制件100。自然地，可以連續(xù)地編織多個(gè)條帶200，然后，隨后單獨(dú)地切割分離，以形成預(yù)制件100。
[0071]部分210和270在它們的整個(gè)長度上編織，沒有任何編織的中斷。
[0072]部分220由與非編織段224 (即，只有經(jīng)紗線的段)交替的編織段222組成，并且它具有對應(yīng)于待要被制造的定子內(nèi)罩圓周的長度。段222和224的總數(shù)量對應(yīng)于待要制造的定子葉片的數(shù)量。編織段222都具有相同的長度。同樣地，非編織段224都具有相同的長度，段224的長度基本上等于或稍微大于段222的長度，如下面所解釋的。
[0073]部分240由與非編織段交替的編織段242組成，編織段242它們本身在段244a和244b之間交替。段242將要構(gòu)造葉片預(yù)制件部分。它們的數(shù)量等于待要被制造的壓氣機(jī)中定子葉片的數(shù)量以及它們具有基本上等于葉片徑向尺寸的長度L。段244a都具有相同的長度λ?，該長度λ I對應(yīng)于通過內(nèi)罩的鄰近葉片的兩個(gè)內(nèi)端部之間連接的距離，如下面所解釋的。段244b具有相同的長度λ 2，該長度λ 2對應(yīng)于通過外罩的鄰近葉片的兩個(gè)外端部之間連接的距離，如下面所解釋的。
[0074]部分260由與非編織的段264交替的編織段262制成，并且它具有對應(yīng)于待要被制造的定子的外罩長度的長度。段262和264的總數(shù)量對應(yīng)于待要被制造的定子中葉片的數(shù)量。段262都具有相同的長度。同樣地，段264都具有相同的長度，段264的長度基本上等于或稍微大于段262的長度，如下面所解釋的。
[0075]部分220的寬度對應(yīng)于內(nèi)罩的軸向尺寸，而部分260的寬度對應(yīng)于外罩的軸向尺寸，在所考慮的實(shí)施例中這兩個(gè)尺寸基本上相等。[0076]部分240中編織段242的寬度對應(yīng)于當(dāng)葉片平投影時(shí)葉片的最大寬度。在該實(shí)施例中，它小于部分220和260的寬度，這樣鄰近條帶200的部分240的縱向邊緣的經(jīng)紗線由此不被編織。
[0077]部分210的寬度基本上等于部分220和260的寬度。
[0078]部分270的寬度大于部分260的寬度，根據(jù)用條帶部分270所待要被制造的預(yù)制件部分的輪廓，通過在條帶200的一側(cè)或兩側(cè)上添加經(jīng)紗線獲得部分270。在所示實(shí)施例中，經(jīng)紗線只添加在一側(cè)上。
[0079]條帶200的編織部分中的編織是具有多層經(jīng)紗線和多層緯紗線的三維編織或多層編織，以及具有在給定層的緯紗線中緯紗線互連多層經(jīng)紗線的經(jīng)紗線。
[0080]可以使用聯(lián)鎖 類型的織法進(jìn)行編織，如圖4和圖5中所示，其表示分別在編織段222和在編織段242中的編織平面?？梢赃x擇其它多層織法，例如，多層緞織、多層斜織或多層平織類型織法?？梢詤⒖嘉墨I(xiàn)W02006/136755，其內(nèi)容在這里以參考文獻(xiàn)的形式并入。應(yīng)該觀察到也可以使用多種不同織法進(jìn)行編織，特別是在經(jīng)紗線的外層中，至少在部分240中使用緞織類型兩維織法，以給出葉片預(yù)制件部分的平滑表面外觀。
[0081]在所示的實(shí)施例中，用四層經(jīng)紗線C1、C2、C3和C4和用三層緯紗線T1、T2和T3編織第一條帶200。自然地，根據(jù)給定重量紗線的條帶200的期望厚度，經(jīng)紗線層的數(shù)量和緯紗線層的相應(yīng)數(shù)量可以具有其它數(shù)值。纖維條帶200的厚度對應(yīng)于待要被制造的預(yù)制件部分厚度中的最大厚度。對于優(yōu)選地具有小于其它部分厚度的厚度的部分，例如，葉片預(yù)制件部分，可以在更少數(shù)量的經(jīng)紗線上進(jìn)行條帶200的相應(yīng)部分240的編織。在已經(jīng)編織條帶200以后和成形它之前，可以排除沿著沒有被編織的部分240的整個(gè)長度，沿著其縱向邊緣(圖5)和可能地也橫穿其厚度的經(jīng)紗線的段。
[0082]下面參考圖6至12描述從編織的條帶200制造預(yù)制件100。
[0083]第一步驟(圖6)包括在整個(gè)圓周上纏繞部分220，同時(shí)卷起部分210備用。
[0084]在第二步驟中(圖7)，部分240都繞著纏繞的部分220的軸線蛇腹樣折疊，同時(shí)編織段242徑向地延伸，并且非編織段244a穿過非編織段224，以從編織的部分220內(nèi)側(cè)突出。編織段242用于形成葉片預(yù)制件部分。
[0085]在第三步驟中(圖8)，形成在內(nèi)側(cè)上段242之間連接的非編織段244a被編織，以相對于纏繞的部分220將它們固定在適當(dāng)位置。使用緯紗線進(jìn)行該另外的編織(用圓點(diǎn)表示)，而使用三維或多層織法添加緯紗線。有利地，進(jìn)行編織確保非編織段244a中各個(gè)經(jīng)紗線層的經(jīng)紗線被互連以及確保非編織段244a的經(jīng)紗線層的經(jīng)紗線和非編織段224的經(jīng)紗線層的經(jīng)紗線被互連，以固定編織段242的內(nèi)端部到部分220上，即，以固定葉片預(yù)制件部分到內(nèi)罩預(yù)制件部分。應(yīng)該觀察到卷起的部分220被與部分240的第一非編織段244?穿插的(在經(jīng)線方向上)部分220的第一非編織段221所終止，也對段221和244?進(jìn)行另外的編織。
[0086]在所示的實(shí)施例中，非編織段244a完全地整合在非編織段224中。這種整合可以僅僅是部分的，其中段244a的部分在內(nèi)側(cè)上從部分220突出。
[0087]在部分240已經(jīng)被完全地折疊后可以進(jìn)行段244a的另外的編織，或者正在進(jìn)行折疊時(shí)逐漸地進(jìn)行段244a的另外的編織。
[0088]在第四步驟中(圖9)，沿著完整的圓周纏繞部分260，同時(shí)卷起部分270備用。通過使部分240的非編織段244b穿過非編織段264進(jìn)行部分260的纏繞，以從纏繞的部分260的外側(cè)突出。
[0089]在第五步驟中(圖10)，形成外側(cè)上段242之間連接的非編織段244b被編織以相對于纏繞的部分260將它們固定在適當(dāng)位置。在變化形式中，當(dāng)纏繞部分260時(shí)可以逐漸地進(jìn)行該編織。使用三維或多層織法，用另外的緯紗線進(jìn)行該另外的編織。有利地，進(jìn)行編織確保非編織段244b中各個(gè)經(jīng)紗線層的經(jīng)紗線被互連以及確保非編織段244b中經(jīng)紗線層的經(jīng)紗線和非編織段264的經(jīng)紗線段的經(jīng)紗線被互連，以固定編織段222的外端部到部分260上，S卩，以固定葉片預(yù)制件部分到外罩預(yù)制件部分。應(yīng)該觀察到卷起的部分260被與部分260的最后非編織段264n穿插的部分240的最后非編織段224bn所終止，也對這兩段進(jìn)行另外的編織。在所示的實(shí)施例中，非編織段244b完全地整合在非編織段264中。這種整合可以僅僅是部分的，其中段244b的部分在部分260的外側(cè)上突出。
[0090]可以人工地進(jìn)行第三和第五步驟中另外的編織。
[0091]在第六步驟中(圖11)，沿著接觸纏繞部分220的完整圓周纏繞部分210，以形成構(gòu)造用于內(nèi)罩的內(nèi)襯套的預(yù)制件部分。
[0092]在第七步驟中(圖12)沿著接觸纏繞部分260的完整圓周纏繞部分270，以形成構(gòu)造用于外罩的外襯套的預(yù)制件部分?？蛇x地，可以進(jìn)行纏繞部分210和220之間以及同樣地纏繞部分270和260之間的接合，例如通過縫合的接合。
[0093]圖13是在制造纖維預(yù)制件100這個(gè)階段的徑向半截面圖。
[0094]應(yīng)該觀察到可以在支撐工具，例如包括桿的支撐工具的幫助下進(jìn)行纖維條帶的成形，當(dāng)折疊部分240時(shí)，非編織段244a、244b通過桿，移除桿以能夠在第三和第四步驟期間對這些非編織段進(jìn)行另外的編織。
[0095]將要構(gòu)造葉片預(yù)制件部分的編織部分242在它們內(nèi)端部和外端部是等距離的。因此，部分220的非編織段224可以稍微比編織段222長，以適應(yīng)纖維條帶200的厚度。同樣地，在部分260中，非編織段264可以稍微比編織段262長，以適應(yīng)編織條帶200的厚度。也可以使具有編織段的部分220和260與非編織段具有基本上相同的長度，編織部分220和260，它們具有的長度比纏繞后它們的最終圓周短一點(diǎn)，并且用向外所施加的張力纏繞部分220 和 260。
[0096]隨后，在成形機(jī)工具中進(jìn)行成形以獲得預(yù)制件100(圖14)，該預(yù)制件100形狀接近待要被制造的定子的形狀。在該成形期間，給予對應(yīng)于編織部分242的葉片預(yù)制件140期望的輪廓，成形內(nèi)襯套210以給它用于獲得預(yù)制件部分110的通道截面，該預(yù)制件部分110限定內(nèi)罩的預(yù)制件部分120內(nèi)側(cè)上用于耐磨材料的凹部，以及成形外襯套270以獲得用于在外罩的預(yù)制件部分160外側(cè)上緊固件凸緣的預(yù)制件部分170。
[0097]根據(jù)期望用于預(yù)制件部分211的尺寸選擇編織部分210的寬度。在該實(shí)施例中，它等于部件220的寬度。在該實(shí)施例中，部分270的寬度大于部分260的寬度，以能夠形成凸緣預(yù)制件部分170。
[0098]圖15表示用于渦輪機(jī)噴嘴的纖維預(yù)制件300，例如，其形狀類似于如圖2中所示噴嘴30的形狀。通過與上述參考圖3至14的方法相似的方法獲得預(yù)制件300。預(yù)制件300包括將要形成耐磨層凹部的預(yù)制件部分310、內(nèi)罩預(yù)制件部分320、噴嘴葉片預(yù)制件部分342、外罩預(yù)制件部分360和用于外罩外側(cè)上緊固件凸緣和中心帶的預(yù)制件部分370和380。[0099]通過用基質(zhì)致密預(yù)制件100或300最終獲得由復(fù)合材料所制造的壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴。根據(jù)使用情況，選擇構(gòu)成纖維預(yù)制件的纖維和構(gòu)成基質(zhì)的材料。在壓氣機(jī)定子中，至少在壓氣機(jī)的上游第一級，可以使用由碳或玻璃纖維和有機(jī)基質(zhì)(聚合物基質(zhì))所制造的復(fù)合材料。當(dāng)使用溫度高時(shí)，特別地用于壓氣機(jī)的下游級中渦輪機(jī)噴嘴或用于壓氣機(jī)定子，使用帶有碳或陶瓷纖維和陶瓷基質(zhì)的陶瓷基質(zhì)復(fù)合(CMC)材料。
[0100]用由有機(jī)基質(zhì)復(fù)合材料所制造的部件時(shí)(圖16)，纖維條帶200在其成型機(jī)工具中被成形(步驟502)，通過注射或通過浸泡用樹脂浸潰所得到的預(yù)制件(步驟504)，以及進(jìn)行樹脂固化熱處理(步驟506)。此后，特別地在內(nèi)罩和外罩上，在用于耐磨材料的凹部上，在緊固件凸緣上以及在中心帶上可以進(jìn)行精加工。例如，樹脂是聚合物基質(zhì)前體樹脂，諸如環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺樹脂或聚酰亞胺樹脂。
[0101]對于由CMC所制造的部件(圖17)，成形前，在編織的纖維條帶200的纖維上形成用于CMC材料去脆化的薄第一相間涂層(步驟602)。通過化學(xué)蒸汽滲透形成例如，熱解碳(PyC)、氮化硼(BN)或硼摻雜碳(BC)的相間涂層，其厚度相對較小，例如，不大于100納米，以保持纖維條帶被變形的能力。
[0102]使用成形機(jī)工具成形設(shè)有第一相間涂層的纖維條帶200 (步驟604)以獲得預(yù)制件，諸如100或300。固結(jié)預(yù)制件的形狀(步驟606)，同時(shí)其被固定在成型機(jī)工具中。使用碳前體樹脂，例如酚醛樹脂或陶瓷樹脂，或者陶瓷前體樹脂，例如聚硅氨烷樹脂或聚硅氧烷樹脂作為碳化硅SiC的前體，通過浸潰、通過滲透或通過注射進(jìn)行固結(jié)。樹脂已經(jīng)固化和熱解后，可以從成型機(jī)工具中移除固結(jié)的預(yù)制件。選擇固結(jié)樹脂的量，這樣熱解殘留物足夠，優(yōu)選地僅僅剛好足夠?qū)㈩A(yù)制件的纖維粘合在一起，這樣可以處理預(yù)制件，同時(shí)在沒有支撐工具的幫助下保持其形狀。
[0103]固結(jié)后，通過CVI可以形成第二相間涂層(步驟608)以獲得全部的纖維-基質(zhì)中間相，其具有足夠的厚度以能夠進(jìn)行CMC材料的去脆化功能，例如，通過PyC、BN或BC構(gòu)造第二相間涂層，并且其厚度優(yōu)選地小于100納米。
[0104]此后，用陶瓷基質(zhì)進(jìn)行致密?？梢酝ㄟ^CVI進(jìn)行致密。舉例說明，由SiC可以制造基質(zhì)，或者基質(zhì)可以是自固化基質(zhì)，例如，包括三元S1-B-C系統(tǒng)或碳化硼B(yǎng)4C的基質(zhì)相。文獻(xiàn)US5246736和US5965266描述了 CVI如何可以用于獲得這種固化基質(zhì)?？梢栽谟刹襟E612所分開的兩個(gè)循環(huán)610和614中進(jìn)行CVI致密，步驟612是對部件進(jìn)行精加工。
[0105]上述類型參考圖17的方法本身是已知的?？梢詤⒖嘉墨I(xiàn)US2010/0015428，其內(nèi)容在這里通過參考文獻(xiàn)被并入為，并且可以參考文獻(xiàn)W02010/103213，其描述了用于制造由CMC所制成渦輪機(jī)環(huán)組件的方法。
[0106]致密后所獲得的單件部件可以用作，諸如完整的壓氣機(jī)定子或用作完整的渦輪機(jī)噴嘴。在變化形式中，特別地用于渦輪機(jī)噴嘴，部件可以被切割成扇體，每個(gè)扇體包括內(nèi)罩扇體、外罩扇體和至少兩個(gè)葉片，或者可能地至少三個(gè)葉片，當(dāng)需要這樣時(shí)特別地方便組裝。
[0107]因此，使用單件部件或使用扇體，本發(fā)明是顯著的，因?yàn)橹圃祛A(yù)制件的方式使得纖維加強(qiáng)紗線能夠沿著路徑連續(xù)，該路徑通過穿過內(nèi)罩和外罩，縱向地穿過至少兩個(gè)連續(xù)的葉片，或者通過交替地穿過罩和外罩，縱向地通過至少三個(gè)連續(xù)的葉片，同時(shí)這種連續(xù)性有助于賦予高度的機(jī)械強(qiáng)度。在沿著內(nèi)罩和外罩段也存在纖維加強(qiáng)紗線的連續(xù)，其中至少兩個(gè)或至少三個(gè)連續(xù)的葉片在這兩段之間延伸。
[0108]對于形成單件壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的部件，纖維加強(qiáng)包括沿著部件連續(xù)地延伸的紗線，該紗線沿著內(nèi)罩或外罩之一繞著其圓周延伸，然后連續(xù)地通過所有的葉片，從一個(gè)到另一個(gè)交替地穿過外罩和內(nèi)罩，以及然后沿著另一個(gè)罩行進(jìn)。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪發(fā)動機(jī)部件，其形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴并且包括內(nèi)罩、外罩、以及在內(nèi)罩和外罩之間基本上徑向地延伸和與其固定的葉片，其中部件的內(nèi)罩、外罩和葉片由復(fù)合材料制造，該復(fù)合材料具有由基質(zhì)所致密的編織的纖維加強(qiáng)，并且纖維加強(qiáng)包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑縱向地行進(jìn)通過至少兩個(gè)連續(xù)的葉片和通過內(nèi)罩和外罩，所述至少兩個(gè)連續(xù)的葉片在內(nèi)罩段和外罩段之間延伸，具有沿著內(nèi)罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線和具有沿著外罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的渦輪發(fā)動機(jī)部件，其中纖維加強(qiáng)包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑縱向地通過至少三個(gè)連續(xù)的葉片和交替地通過內(nèi)罩和外罩，所述至少三個(gè)連續(xù)的葉片在內(nèi)罩段和外罩段之間延伸，具有沿著內(nèi)罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線和具有沿著外罩段的圓周方向上連續(xù)地延伸的編織的纖維加強(qiáng)的紗線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的渦輪發(fā)動機(jī)部件，其中內(nèi)罩、外罩和葉片形成由復(fù)合材料所制造的單件。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的渦輪發(fā)動機(jī)部件，其中纖維加強(qiáng)包括沿著路徑連續(xù)地延伸的一組紗線，該路徑沿著內(nèi)罩和外罩之一沿著其圓周通過，然后接連地通過所有葉片，然后沿著內(nèi)罩和外罩中另一個(gè)沿著其圓周通過。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2的渦輪發(fā)動機(jī)部件，渦輪發(fā)動機(jī)部件由多個(gè)扇體組成，每個(gè)扇體形成復(fù)合材料的單件，該單件具有內(nèi)罩扇體、外罩扇體、以及在罩扇體之間延伸和與其固定的至少兩個(gè)葉片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2的渦輪發(fā)動機(jī)部件，渦輪發(fā)動機(jī)部件由多個(gè)扇體組成，每個(gè)扇體形成復(fù)合材料的單件，該單件具有內(nèi)罩扇體、外罩扇體、以及在罩扇體之間延伸和與其固定的至少三個(gè)葉片。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的渦輪發(fā)動機(jī)部件，進(jìn)一步包括至少一個(gè)凸緣，該凸緣固定于外罩和由其徑向地向外延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一權(quán)利要求所述的渦輪發(fā)動機(jī)部件，進(jìn)一步包括固定于內(nèi)罩的部分，該部分在其內(nèi)側(cè)上限定朝向內(nèi)側(cè)打開的基本上通道截面的凹部。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的渦輪發(fā)動機(jī)部件，其由陶瓷基質(zhì)復(fù)合材料所制造。
10.一種制造形成壓氣機(jī)定子或渦輪機(jī)噴嘴的渦輪發(fā)動機(jī)部件的方法，該部件具有內(nèi)罩、外罩、以及在內(nèi)罩和外罩之間基本上徑向地延伸和與其固定的葉片，該方法包括: ?制造包括第一組紗線的編織的纖維預(yù)制件，該第一組紗線沿著形成內(nèi)罩預(yù)制件的第一預(yù)制件部分的圓周連續(xù)地通過，然后接連地沿著形成葉片預(yù)制件的第二預(yù)制件部分，在縱向方向上通過，并且也圓周地沿著形成外罩預(yù)制件的第三預(yù)制件部分通過，第一組紗線的紗線借由從一個(gè)第二預(yù)制件部分到下一個(gè)交替地通過第一預(yù)制件部分和通過第三預(yù)制件部分，沿著所述第二預(yù)制件部分連續(xù)地通過；和 ?用基質(zhì)致密纖維預(yù)制件。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中纖維預(yù)制件的制造包括: I)編織具有第一組紗線和第二組紗線的纖維條帶，所述第一組紗線在條帶的縱向方向上連續(xù)地延伸和包括多層平行紗線，用第一組紗線沿著纖維條帶的編織段編織第二組紗線，第一組紗線和第二組紗線通過非編織段互相分離開，纖維條帶包括: ?第一纖維條帶部分，其在對應(yīng)于第一預(yù)制件部分長度的長度上延伸，第一纖維條帶部分由與非編織段交替的編織段組成； ?第二纖維條帶部分，其緊鄰第一部分之后和由與非編織段交替的編織段組成，該第二纖維條帶部分的編織段對應(yīng)于第二預(yù)制件部分和具有對應(yīng)于葉片的縱向尺寸的長度，并且第二纖維條帶部分的非編織段形成連續(xù)的葉片預(yù)制件之間的連接部分；和 ?第三纖維條帶部分，其緊鄰第二部分之后和在對應(yīng)于第三預(yù)制件部分長度的長度上延伸，該第三纖維條帶部分由與非編織段交替的編織段所組成； ?第一和第三部分的每個(gè)中編織和非編織段的總數(shù)量等于葉片的數(shù)量；和 2)成形纖維條帶，包括: ?卷起第一纖維條帶部分； ?折疊第二纖維條帶部分，以相對于卷起的第一纖維條帶部分基本上徑向地放置其編織段；和 ?卷起第三纖維條帶部分； ?通過在卷起的第一纖維條帶部分中和在卷起的第三纖維條帶部分中交替的非編織段，接合形成連續(xù)的葉片預(yù)制件之間連接部分的第二纖維條帶部分的非編織段。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中通過第一或第三纖維部分的非編織段接合形成兩個(gè)連續(xù)的葉片預(yù)制件之間連接部分的第二纖維條帶部分的非編織段之后，編織所述第二纖維預(yù)制件部分的非編織段。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中用所述第二纖維預(yù)制件部分的非編織段中第一組紗線的紗線互連所述第一或第三預(yù)制件部分的非編織段中第一組紗線的紗線，進(jìn)行編織。
14.根據(jù)權(quán)利要求9至11中任一權(quán)利要求所述的方法，其中在遠(yuǎn)離鄰近第二纖維條帶部分的其端部的它的端部，第一纖維條帶部分延伸有在其整個(gè)長度上編織的第四纖維條帶部分，這樣卷起后，它形成內(nèi)罩的內(nèi)襯套。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中纖維預(yù)制件的制造包括所述向內(nèi)折疊所述內(nèi)襯套的側(cè)部分，以給予向該處的基本上通道形狀的截面。
16.根據(jù)權(quán)利要求11至15中任一權(quán)利要求所述的方法，其中在遠(yuǎn)離鄰近第二纖維條帶部分的其端部的它的端部，第三纖維條帶部分延伸有沿著其整個(gè)長度上編織的第五纖維條帶部分，這樣卷起后，它形成外罩的外襯套。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的 方法，其中第五纖維條帶部分的寬度大于第三部分的寬度，并且纖維預(yù)制件的制造包括向外地折疊至少一部分所述外襯套，該外襯套相對于第三纖維條帶部分側(cè)向地突出。
【文檔編號】F01D5/28GK103620164SQ201280030786
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2012年6月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月21日
【發(fā)明者】奧利維爾·貝爾蒙特, 朱利安·福爾 申請人:斯奈克瑪