燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇復(fù)合容納外殼及制作方法
【專利摘要】一種容納外殼包括具有外表面和內(nèi)表面的復(fù)合芯、連結(jié)于復(fù)合芯的內(nèi)表面的至少一個(gè)抗擊穿層，以及連結(jié)于復(fù)合芯的外表面的至少一個(gè)能量捕獲層?？箵舸泳哂袥_擊下的高貫穿厚度抗剪強(qiáng)度和高層間韌性。能量捕獲層具有沖擊下的高平面內(nèi)抗拉強(qiáng)度和對(duì)分層和纖維基質(zhì)剝離的低阻力。一種制造容納外殼的方法包括以下步驟：將一層或更多層抗擊穿材料設(shè)置在鋪設(shè)心軸上，將一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)置在抗擊穿材料的外表面上，將一層或更多層能量捕獲材料設(shè)置在結(jié)構(gòu)材料的外表面上，以及使多個(gè)層中的樹脂固化。
【專利說明】燃?xì)鉁u輪風(fēng)扇復(fù)合容納外殼及制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體上涉及容納外殼，并且更具體地涉及具有加強(qiáng)的抗沖擊性的容納外 殼。

【背景技術(shù)】
[0002] 燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)廣泛用于推進(jìn)飛行器。典型的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包括置于發(fā)動(dòng)機(jī)的前部 處的較大的導(dǎo)管風(fēng)扇。風(fēng)扇用于產(chǎn)生更大的推力并且減小比燃料消耗。在此類發(fā)動(dòng)機(jī)操作 期間，存在外來物體（諸如鳥）可沖擊（多個(gè)）風(fēng)扇并且引起嚴(yán)重風(fēng)扇損壞的極小可能性。 該損壞可導(dǎo)致部分或所有風(fēng)扇葉片變?yōu)榕c轂分開，并且沖擊風(fēng)扇外殼或殼。此類分開的風(fēng) 扇葉片如果不由風(fēng)扇外殼容納，則可對(duì)由發(fā)動(dòng)機(jī)供能的飛行器引起相當(dāng)大的損壞。如果風(fēng) 扇葉片由于疲勞而遭受故障，則也可導(dǎo)致類似的損壞。為了防止此類損壞，已經(jīng)使用了各種 容納系統(tǒng)。常規(guī)的容納外殼或殼典型地由固體金屬形成，該固體金屬具有足以耐受風(fēng)扇的 平面內(nèi)的風(fēng)扇葉片的沖擊的厚度。然而，由這些方法實(shí)現(xiàn)的葉片容納大體上招致了顯著的 附加重量。
[0003] 正在評(píng)估復(fù)合材料在容納外殼中的使用，并且復(fù)合材料將提供相當(dāng)大的重量益 處。然而，復(fù)合物可在容納外殼的內(nèi)表面處經(jīng)受擊穿。具體而言，復(fù)合葉片容納外殼易受由 于尖銳物體沖擊而產(chǎn)生的損壞。因此，將有利的是提供具有改進(jìn)的抗沖擊性的葉片容納外 殼。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)一個(gè)不例性實(shí)施例，公開了一種葉片容納外殼。葉片容納外殼包括具有內(nèi)表 面和外表面的復(fù)合芯、至少一個(gè)抗擊穿層，以及至少一個(gè)能量捕獲層。至少一個(gè)抗擊穿層與 復(fù)合芯集成，并且包括用以將至少一個(gè)抗擊穿層連結(jié)于復(fù)合芯的內(nèi)表面的樹脂。至少一個(gè) 能量捕獲層與復(fù)合芯集成，并且包括用以將至少一個(gè)能量捕獲層連結(jié)于復(fù)合芯的外表面的 樹脂。
[0005] 根據(jù)另一個(gè)不例性實(shí)施例，公開了一種容納外殼，其包括具有內(nèi)表面和外表面的 復(fù)合芯、設(shè)置在主沖擊地帶中并且與復(fù)合芯集成的至少一個(gè)抗擊穿層，以及設(shè)置在主沖擊 地帶中并且與復(fù)合芯集成的至少一個(gè)能量捕獲層。至少一個(gè)抗擊穿層構(gòu)造成與一定長(zhǎng)度的 復(fù)合芯共同延伸，并且包括用以將至少一個(gè)抗擊穿層連結(jié)于復(fù)合芯的內(nèi)表面的樹脂。至少 一個(gè)抗擊穿層的特征在于沖擊下的高貫穿厚度抗剪強(qiáng)度和高層間韌性。至少一個(gè)能量捕獲 層構(gòu)造成與一定長(zhǎng)度的復(fù)合芯共同延伸，并且包括用以將至少一個(gè)能量捕獲層連結(jié)于復(fù)合 芯的外表面的樹脂。至少一個(gè)能量捕獲層的特征在于沖擊下的高平面內(nèi)抗拉強(qiáng)度和對(duì)分層 和纖維基質(zhì)剝離的低阻力。
[0006] 根據(jù)另一個(gè)示例性實(shí)施例，公開了一種制造容納外殼的方法。該方法包括以下步 驟：將一層或更多層抗擊穿材料設(shè)置在鋪設(shè)心軸上、將一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)置在 抗擊穿材料的外表面上，將一層或更多層能量捕獲材料設(shè)置在結(jié)構(gòu)材料的外表面上，以及 使復(fù)合芯、一層或更多層抗擊穿材料和一層或更多層能量捕獲材料中的樹脂固化。
[0007] 這些和其它優(yōu)點(diǎn)和特征將從結(jié)合附圖提供的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下詳細(xì)描 述中更好地理解。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 當(dāng)參照附圖閱讀如下詳細(xì)描述時(shí)，公開實(shí)施例的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將 變得更好理解，在該附圖中，相似標(biāo)記遍及附圖表示相似零件，其中： 圖1為示出并入根據(jù)實(shí)施例的葉片容納系統(tǒng)的示例性燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的縱截面視圖； 圖2為示出圖1中所示的葉片容納外殼的放大片段縱向示意性截面視圖； 圖3為示出根據(jù)實(shí)施例的圖2中所示的葉片容納外殼的一部分的進(jìn)一步放大的片段縱 截面視圖； 圖4為示出根據(jù)實(shí)施例的圖3中所示的葉片容納外殼的一部分的進(jìn)一步放大的片段縱 截面視圖； 圖5為示出根據(jù)實(shí)施例的葉片容納外殼的一部分的進(jìn)一步放大的片段縱截面視圖； 圖6為示出根據(jù)實(shí)施例的圖2中所示的葉片容納外殼的放大片段縱截面視圖； 圖7為示出根據(jù)實(shí)施例的圖7中所示的葉片容納外殼的一部分的示意性截面視圖； 圖8為示出根據(jù)實(shí)施例的圖7中所示的葉片容納外殼的一部分的示意性截面視圖； 圖9為根據(jù)實(shí)施例的制造葉片容納外殼的方法的流程圖；以及 圖10為根據(jù)實(shí)施例的制造葉片容納外殼的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0009] 在以下描述中，相似的附圖標(biāo)記遍及附圖中所示的若干視圖指示相似或?qū)?yīng)的零 件。還理解的是用語（諸如〃頂部〃、〃底部〃、〃向外〃、〃向內(nèi)〃、〃第一〃、〃第二〃等） 是方便的詞語，并且將不看作是限制用語。此外，每當(dāng)本發(fā)明的特定方面被說成包括或包含 其集合和組合的一定數(shù)量的元件中的至少一個(gè)時(shí)，理解的是，方面可包括或包含單獨(dú)的或 與該集合的其它元件中的任一個(gè)組合的、集合的元件中的任一個(gè)。
[0010] 大體上參照附圖，將理解的是，示圖出于描述本文中公開的葉片容納外殼、系統(tǒng)和 方法的特定實(shí)施例的目的，并且不旨在限制。
[0011] 下面詳細(xì)描述了用于燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片容納外殼。圖1示意性地示出了燃?xì)?渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)10。公開的實(shí)施例不限于在特定燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)中使用，并且圖1中所示的發(fā) 動(dòng)機(jī)僅出于說明性的目的。燃?xì)鉁u輪10包括風(fēng)扇組件12和芯發(fā)動(dòng)機(jī)13,芯發(fā)動(dòng)機(jī)13包括 高壓壓縮機(jī)14、燃燒器16、高壓渦輪18、低壓渦輪20和增壓器22。風(fēng)扇組件12由葉片容 納外殼23包繞，并且包括從轉(zhuǎn)子盤26沿徑向向外延伸的風(fēng)扇葉片陣列24。發(fā)動(dòng)機(jī)10具有 進(jìn)氣側(cè)28和排氣側(cè)30。風(fēng)扇組件12和低壓渦輪20由第一轉(zhuǎn)子軸31聯(lián)接，并且壓縮機(jī)14 和高壓渦輪18由第二轉(zhuǎn)子軸32聯(lián)接。
[0012] 在操作期間，空氣沿中心軸線34流過風(fēng)扇組件12,并且壓縮空氣供應(yīng)至高壓壓縮 機(jī)14。高度壓縮的空氣輸送至燃燒器16。來自燃燒器16的空氣流（圖1中未不出）經(jīng)由 第一轉(zhuǎn)子軸31驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇組件12。
[0013] 圖2為示出大體上類似于圖1的葉片容納外殼23的葉片容納外殼40的放大片段 縱向示意性截面視圖。圖3和圖4為進(jìn)一步示出大體上類似于圖1的葉片容納外殼23的 葉片容納外殼50的進(jìn)一步放大的片段縱向示意性截面視圖。更具體參照?qǐng)D2,在示例性實(shí) 施例中，葉片容納外殼40為硬壁容納系統(tǒng)，其包括近似等于風(fēng)扇組件長(zhǎng)度44的長(zhǎng)度42。更 具體而言，長(zhǎng)度42界定風(fēng)扇組件12的主沖擊區(qū)46。如本文中限定的〃主沖擊區(qū)〃意指圍 繞復(fù)合芯的內(nèi)表面沿軸向和沿周向兩者延伸的區(qū)，其中，風(fēng)扇葉片很有可能從風(fēng)扇組件彈 射出。下文將詳細(xì)描述葉片容納外殼40的細(xì)節(jié)。
[0014] 在圖3和圖4中所示的示例性實(shí)施例中，葉片容納外殼50包括具有內(nèi)表面54和 外表面56的復(fù)合芯52。如圖3和圖4中指不的，至少一個(gè)抗擊穿層58在其內(nèi)表面54上與 復(fù)合芯52集成。至少一個(gè)抗擊穿層58以樹脂60連結(jié)于復(fù)合芯52的內(nèi)表面54。有益地， (多個(gè)）抗擊穿層58將減少其中葉片容納外殼50在風(fēng)扇葉片故障期間被擊穿的情況。此 夕卜，至少一個(gè)能量捕獲層62在其外表面56上與復(fù)合芯52集成。至少一個(gè)能量捕獲層62 以樹脂64連結(jié)于復(fù)合芯52的外表面56。有益地，（多個(gè)）外能量捕獲層62將提供由于高 抗拉和分層性質(zhì)引起的葉片容納外殼50的變形。對(duì)于所示的實(shí)施例，（多個(gè)）抗擊穿層58 和（多個(gè)）能量捕獲層62與一定長(zhǎng)度的復(fù)合芯52共同延伸。然而，在其它實(shí)施例中，（多 個(gè)）層58和62中的一個(gè)或兩者可局部地設(shè)置。例如，（多個(gè)）抗擊穿層58可構(gòu)造成鄰近 (多個(gè)）風(fēng)扇葉片的前緣，以提供局部的加強(qiáng)的抗沖擊性。
[0015] 利用多個(gè)材料層或地帶，并且更具體是與復(fù)合芯52組合來利用（多個(gè)）抗擊穿層 58和（多個(gè)）能量捕獲層62,對(duì)于葉片容納，基于不同材料層的不同沖擊失效機(jī)制和不同 材料的能力提供了抗沖擊性的優(yōu)化。在尖銳物體沖擊區(qū)（諸如主沖擊區(qū)46)處，葉片容納 外殼50的沖擊內(nèi)層經(jīng)受貫穿厚度剪切顯著的負(fù)載，而外層經(jīng)受張力顯著的負(fù)載。具有對(duì)葉 片容納外殼50的內(nèi)表面處的貫穿厚度剪切和分層兩者的較大阻力和對(duì)葉片容納外殼50的 外表面處的張力和易于分層的較大阻力的材料系統(tǒng)將提供有益的抗沖擊質(zhì)量。
[0016] 因此，在許多應(yīng)用中，（多個(gè)）抗擊穿層58包括纖維/樹脂材料，其具有沖擊下的 高貫穿厚度抗剪強(qiáng)度和高層間韌性。更具體而言，在實(shí)施例中，（多個(gè)）抗擊穿層58可包 括纖維（其包括S2玻璃、E-玻璃、石英、礬土、硅石、氧化硼），或碳纖維，以及韌化的樹脂， 諸如具有高斷裂韌度的二環(huán)戊二烯（DCPD)或其它樹脂（具有或沒有納米顆粒和樹脂增韌 劑）、陶瓷材料、紡織物架構(gòu)，或具有高貫穿厚度抗剪能力的其它材料或架構(gòu)。
[0017] 纖維66可包括可用的各種纖維架構(gòu)中的任一個(gè)。在所示的實(shí)施例中，（多個(gè)）抗 擊穿層58可包括S2玻璃纖維66,其可包括切短纖維、連續(xù)單絲、絲束、紗，或由大量單絲構(gòu) 成的粗紗，或可由較短纖維制成并且織造或編織成織物的連續(xù)纖維絲束或紗。本領(lǐng)域的技 術(shù)人員將取決于最終使用要求來選定特定的纖維架構(gòu)。更具體而言，纖維架構(gòu)的選定可取 決于若干因素。這些因素包括纖維66將經(jīng)受的應(yīng)力的方向性，以及各種其它因素。玻璃 纖維66可形成織造織物、非織造物、外罩、覆蓋層、卷繞物、針織物、粗梳非織造織物或編織 物。
[0018] 任何適合的增強(qiáng)織物（諸如陶瓷織物或非陶瓷織物）可用于復(fù)合芯52中。非 陶瓷織物的一些實(shí)例包括但不限于碳纖維、石墨纖維、聚酰亞胺纖維或芳族聚酰胺纖維、 超高分子量聚乙烯以及它們的組合。超高分子量聚乙烯提供了相對(duì)高的能量吸收，并 且例如在商標(biāo) Spectra? 和 Dyneema? 下出售。Spectra? 纖維由 Honeywell Specialty Materials(Mor;ris Newjersey)出售。Dyneema? 纖維由荷蘭的 Dutch State Mines(DSM) 出售。在示例性實(shí)施例中，非陶瓷織物包括碳纖維，其提供較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度。
[0019] 在許多應(yīng)用中，（多個(gè)）能量捕獲層62可包括具有沖擊下的高平面內(nèi)抗拉強(qiáng)度和 對(duì)分層和纖維基質(zhì)剝離的低阻力的纖維/樹脂材料。纖維可包括可用的各種纖維架構(gòu)中的 任一個(gè)。更具體而言，在實(shí)施例中，（多個(gè)）能量捕獲層62可包括纖維（其包括石墨、碳、 聚酰亞胺、芳族聚酰胺或超高分子量聚乙烯），以及樹脂（諸如，二環(huán)戊二烯（CDTO))或與纖 維連結(jié)并不良好以便于分層的其它樹脂、帶架構(gòu)或具有高平面內(nèi)抗拉能力的其它材料或架 構(gòu)。此外，在實(shí)施例，纖維涂料和/或表面處理可用于保持纖維與樹脂連結(jié)。在所示的實(shí)施 例中，（多個(gè)）能量捕獲層62可包括碳纖維68,其可包括切短纖維、連續(xù)單絲、絲束、紗，或 由大量單絲構(gòu)成的粗紗，或可由較短纖維制成并且織造成織物的連續(xù)纖維絲束或紗。本領(lǐng) 域的技術(shù)人員將取決于最終使用要求來選定特定的纖維架構(gòu)。更具體而言，纖維架構(gòu)的選 定可取決于若干因素。這些因素包括纖維將經(jīng)受的應(yīng)力的方向性，以及各種其它因素。碳 纖維可形成織造織物、非織造物、外罩、覆蓋層、卷繞物、針織物、粗梳非織造織物或編織物。
[0020] 任何適合的樹脂可用于使（多個(gè)）抗擊穿層58與復(fù)合芯52連結(jié)，以及使（多個(gè)） 能量捕獲層62與復(fù)合芯52連結(jié)。連同（多個(gè)）抗擊穿層58使用的示例性樹脂包括二環(huán) 戊二烯（DCPD)或具有高斷裂韌度的其它樹脂，其能夠與（多個(gè)）抗擊穿層58中利用的纖 維良好粘合，諸如但不限于環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺和聚酰亞胺。在備選實(shí)施例中，（多個(gè)） 抗擊穿層58可包括樹脂增韌劑，諸如讓與同一受讓人的美國(guó)專利8, 017, 188中公開的，并 且該專利通過該引用并入本文中。連同（多個(gè)）能量捕獲層62使用的示例性樹脂包括雙 環(huán)戊二烯（DCPD)、脆性樹脂或其它樹脂，其包括與（多個(gè)）能量捕獲層62中利用的纖維較 弱粘合的性質(zhì)，諸如但不限于，環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺、聚酰亞胺、聚酯和乙烯基酯。
[0021] 葉片容納外殼的各種層的厚度、成分和位置可基于所需的物理性能和最終使用應(yīng) 用來設(shè)計(jì)。圖4示意性地示出了圖3中所示的葉片容納外殼50的一部分的截面，其中如圖 4中所示，至少一個(gè)（多個(gè)）抗擊穿層58設(shè)置在復(fù)合芯52的內(nèi)表面54上，并且至少一個(gè) (多個(gè)）能量捕獲層62設(shè)置在復(fù)合芯52的外表面56上。在以上實(shí)施例中，各種層的厚度 可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，并且取決于使用的材料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)廣泛地變化。典型地，（多個(gè)）抗擊穿 層58在復(fù)合芯52的內(nèi)表面54的主沖擊區(qū)46 (圖2)上延伸，并且沿一定長(zhǎng)度的復(fù)合芯52 延伸。此外，典型地，（多個(gè)）能量捕獲層62在復(fù)合芯52的外表面56的主沖擊區(qū)46 (圖 2)上延伸，并且沿一定長(zhǎng)度的復(fù)合芯52延伸。有益地，（多個(gè)）抗擊穿層58、復(fù)合芯52和 (多個(gè)）能量捕獲層62的使用可減少重量和/或成本，同時(shí)提供葉片容納。
[0022] 有益地，通過使（多個(gè)）抗擊穿層58和（多個(gè)）能量捕獲層62與復(fù)合芯52集成， 消除了與已知的容納外殼構(gòu)造相關(guān)聯(lián)的上述問題。以該方式，容納外殼50接收（多個(gè)）抗 擊穿層58和（多個(gè)）能量捕獲層62在沖擊地帶處的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的益處，以便硬 物體在沖擊下偏離外殼，而不擊穿葉片容納外殼。由于（多個(gè)）抗擊穿層58與復(fù)合芯52 集成，故它們不經(jīng)受沖擊下的破碎。
[0023] 在優(yōu)選實(shí)施例中，（多個(gè)）抗擊穿層58和（多個(gè)）能量捕獲層62可便于制造恒 定厚度的復(fù)合芯52。圖5示意性地示出了包括恒定厚度的復(fù)合芯52的葉片容納外殼70的 實(shí)施例。在此類實(shí)施例中，復(fù)合芯52的特征在于在包括主沖擊區(qū)46和根部沖擊區(qū)72的復(fù) 合芯52的軸向長(zhǎng)度上的大致一致的厚度。類似于前述實(shí)施例，葉片容納外殼70包括（多 個(gè)）抗擊穿層58和（多個(gè)）能量捕獲層62的抗剪強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的益處。
[0024] 現(xiàn)在參照?qǐng)D6-8,在實(shí)施例中，大體上類似于圖3-5的復(fù)合芯52的復(fù)合芯91還可 包括增強(qiáng)縫合，以通過保持任何當(dāng)前的分層免于擴(kuò)散到主沖擊區(qū)92外來控制沖擊時(shí)的分 層。更具體參照?qǐng)D6,以示意性截面視圖示出了葉片容納外殼90的一部分（并且更具體示 出了復(fù)合芯52)，其構(gòu)造成大體上類似于本文所述的圖3和圖4的葉片容納外殼50。為了 圖示清楚，注意的是，（多個(gè)）抗擊穿層58和（多個(gè)）能量捕獲層62未在圖6中示出。葉 片容納外殼90包括主沖擊區(qū)92、前縫合地帶94和后縫合地帶96。前縫合地帶94和后縫 合地帶96的合并防止了由沖擊引起的分層擴(kuò)散到主沖擊地帶92外并且朝前端凸緣98和 后緣凸緣100,它們是主結(jié)構(gòu)附件。參照?qǐng)D7,示出了復(fù)合芯91的一部分。復(fù)合芯91可包 括多個(gè)復(fù)合材料層102,并且包括貫穿厚度縫合104。貫穿厚度縫合104位于前縫合地帶94 和/或后縫合地帶96中。在備選實(shí)施例中并且如圖8中最佳不出，貫芽厚度銷106可設(shè)在 前縫合地帶94和/或后縫合地帶96中，并且/或者與前縫合地帶96和/或后縫合地帶98 中的一個(gè)的貫穿厚度縫合104(圖7)組合。
[0025] 上述葉片容納外殼具有優(yōu)異的抗沖擊性和損壞忍受性質(zhì)，并且相比于常規(guī)金屬外 殼提供了顯著的重量節(jié)省。如公開的葉片容納外殼便于在葉片在操作期間從發(fā)動(dòng)機(jī)釋放 的情況下將釋放的葉片或葉片部分容納在容納外殼內(nèi)，并且有效地保護(hù)了發(fā)動(dòng)機(jī)的其它部 分。
[0026] 參照?qǐng)D9描述了用于制造葉片容納外殼的方法。任何期望形狀的容納外殼可由任 何適合的形成技術(shù)形成，諸如，樹脂傳遞模制（RTM)、真空協(xié)助樹脂傳遞模制（VARTM)、樹脂 膜浸透、熱成形，以及真空成形，諸如真空浸透或壓力噴射，以及其它技術(shù)。例如，如圖9中 指示的，方法120包括在步驟122中使用卷繞或纖維放置工藝來將一層或更多層抗擊穿材 料設(shè)置在鋪設(shè)心軸上。在步驟124處，使用卷繞或纖維放置工藝將一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合 材料設(shè)置在抗擊穿材料的外表面上。在步驟126處，使用卷繞或纖維放置工藝將一層或更 多層能量捕獲材料設(shè)置在結(jié)構(gòu)材料的外表面上。在步驟128處，在利用未浸漬的材料層的 情況下，復(fù)合材料、抗擊穿材料和能量捕獲材料浸透有樹脂。在備選方法中，具有在材料沉 積之前施加于纖維的樹脂的預(yù)浸漬帶可在步驟122, 124和126中沉積，從而消除對(duì)步驟128 的需要。樹脂在步驟130中固化。
[0027] 更具體而言，公開了用于制造本文中公開的葉片容納外殼的備選方法。在第一方 法中，預(yù)浸漬帶（在材料沉積之前樹脂施加于纖維）用作輸入材料。首先，一層或更多層抗 擊穿材料使用卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在鋪設(shè)心軸上。這些層將僅位于葉片容納外殼的中 間區(qū)中，并且因此不在工具的整個(gè)范圍上延伸。為了實(shí)現(xiàn)高抗沖擊性，特殊卷繞圖案可用 于提供大量纖維聯(lián)鎖（關(guān)于包括此類卷繞圖案的附加信息可由讓與同一受讓人的美國(guó)專 利第7, 713, 021號(hào)提供，并且該專利通過該引用并入本文中）。接下來，一層或更多層結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料使用卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在抗擊穿材料的上表面上。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層中的至 少一些將延伸至容納外殼的前緣和后緣。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層可利用常規(guī)卷繞途徑，其中不包 括纖維的聯(lián)鎖，因此向操作和振動(dòng)負(fù)載提供了較高的強(qiáng)度。在設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層之后，一 層或更多層能量捕獲材料使用卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的上表面上。（多 個(gè)）能量捕獲材料層將典型地僅位于葉片容納外殼的中間區(qū)中。在實(shí)施例中，（多個(gè)）能 量捕獲材料層可不與（多個(gè)）抗沖擊材料層對(duì)齊。在實(shí)施例中，（多個(gè)）能量捕獲材料層 可構(gòu)造成包括高度聯(lián)鎖的布置，諸如讓與同一受讓人的美國(guó)專利第7, 713, 021號(hào)中所述， 并且該專利通過該引用并入本文中。固化過程典型地在熱和壓力下可提供成使預(yù)浸漬材料 層固化。
[0028] 在另一種公開的方法中，未浸漬材料和更具體是干織造材料、編織材料或已經(jīng)有 粘性的獨(dú)立纖維絲束用作輸入材料。首先，一層或更多層抗擊穿材料（例如，編織物或織造 物）使用包覆、卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在鋪設(shè)心軸上。類似于先前公開的方法，這些層將 僅位于葉片容納外殼的中間區(qū)中，并且因此將不在工具的整個(gè)范圍上延伸。類似地，為了實(shí) 現(xiàn)高抗擊穿性，特殊卷繞圖案可用于提供大量纖維聯(lián)鎖。接下來，一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材 料使用包覆、卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在抗擊穿材料的上表面上。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層中的至 少一些將延伸至容納外殼的前緣和后緣。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層可包括織造圖案，其具有非常小 的纖維起伏，或者使用卷繞或纖維放置工藝設(shè)置來放置干纖維絲束。在實(shí)施例中，纖維絲束 可具有與樹脂的略微的粘性，以提供充分的粘合，但不完全浸漬有樹脂。不同類型的增粘劑 和施加方法是本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，并且此處不重復(fù)。在設(shè)置結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層之后，一 層或更多層能量捕獲材料（例如，編織物或織造物）使用包覆、卷繞或纖維放置工藝設(shè)置在 復(fù)合結(jié)構(gòu)材料的上表面上。（多個(gè)）能量捕獲材料層將典型地僅位于葉片容納外殼的中間 區(qū)中，并且可不與（多個(gè)）抗擊穿材料層對(duì)齊。接下來，（多個(gè)）結(jié)構(gòu)復(fù)合材料層、（多個(gè)） 抗擊穿材料層和（多個(gè)）能量捕獲材料層浸透有樹脂（例如，環(huán)氧樹脂、DCPD)。固化過程 典型地在熱和壓力下可隨后提供成使現(xiàn)在浸漬的材料層固化。
[0029] 關(guān)于步驟122, 124和126,各種材料層的數(shù)量和位置取決于復(fù)合外殼的期望構(gòu)造。 在備選實(shí)施例中，這些材料層可設(shè)在模具中。模具的形狀、尺寸和構(gòu)造可部分地取決于待制 作的復(fù)合外殼的形狀和尺寸。模具和相關(guān)聯(lián)的零件是本領(lǐng)域中已知的，并且在本文中不詳 細(xì)描述。
[0030] 關(guān)于步驟128,對(duì)于樹脂傳遞過程，樹脂的浸透可由壓力梯度控制。壓力梯度和樹 脂注入的來源的數(shù)量和位置部分地取決于特殊系統(tǒng)設(shè)計(jì)和樹脂制品構(gòu)造。各個(gè)樹脂和真空 源可使用閥或停止材料流動(dòng)的其它器件來獨(dú)立地控制。當(dāng)足夠的樹脂已經(jīng)進(jìn)入層時(shí)，樹脂 流動(dòng)可停止。流動(dòng)可通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整樹脂膠凝時(shí)間和/或測(cè)量已經(jīng)進(jìn)入層的樹脂的量和在 預(yù)先計(jì)量的量的樹脂已經(jīng)浸透層時(shí)停止樹脂流動(dòng)來控制，或者使用傳感器來控制樹脂的流 動(dòng)。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將能夠基于特定要求控制樹脂的浸透。
[0031] 關(guān)于步驟130,樹脂可為了高溫固化或室溫固化和為了各種固化時(shí)間來催化，如與 工藝要求相容。樹脂可在注入到纖維預(yù)型件中之前適當(dāng)?shù)卮呋兔摎?。多種可用的樹脂和 制備樹脂的方法所有都是本領(lǐng)域中公知的。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將知道如何選擇適合的樹脂 并且取決于最終使用應(yīng)用來對(duì)其處理。
[0032] 在又一個(gè)備選方法中，（多個(gè)）能量捕獲材料層中的樹脂可形成為具有異常高水 平的多孔性，以便便于纖維與包括（多個(gè)）材料層的樹脂之間的剝離，并且促進(jìn)（多個(gè)）材 料層之間的分層。在典型的結(jié)構(gòu)復(fù)合物中，努力保持多孔性水平低于總復(fù)合物體積的大約 2%。在其中（多個(gè)）能量捕獲層中的樹脂形成為具有異常高水平的多孔性的實(shí)施例中，多 孔性水平可大于5%，并且在示例性實(shí)施例中，大于20%。
[0033] 因此，參照?qǐng)D10描述了用于制造葉片容納外殼的方法，其中（多個(gè)）能量捕獲層 中的樹脂可形成為具有異常高水平的多孔性。類似于先前限定的（多種）方法，容納外殼 可具有任何期望形狀并且由任何適合的形成技術(shù)形成，諸如樹脂傳遞模制（RTM)、真空協(xié)助 樹脂傳遞模制（VARTM)、樹脂膜浸透、熱成形，以及真空成形，諸如真空浸透或壓力噴射，以 及其它技術(shù)。例如，如圖10中指示的，方法150包括在步驟152中使用卷繞或纖維放置工 藝來將一層或更多層抗擊穿材料設(shè)置在鋪設(shè)心軸上。在步驟154處，使用卷繞或纖維放置 工藝將一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)置在抗擊穿材料的外表面上。在步驟156處，并且相 比于其中使用未浸漬的材料層的（多種）前述方法，復(fù)合材料和抗擊穿材料在能量捕獲材 料沉積之前浸透有樹脂。在備選方法中，具有在材料沉積之前施加于纖維的樹脂的預(yù)浸漬 帶可在步驟152和154中沉積，從而消除對(duì)步驟156的需要。接下來，在步驟158處，復(fù)合 材料和抗擊穿材料部分地或完全地固化。復(fù)合材料和抗擊穿材料中的樹脂的完全或部分固 化將增大樹脂的粘性，并且阻止樹脂在隨后處理下流入能量捕獲層中。
[0034] 步驟160包括使用卷繞或纖維放置工藝將一層或更多層能量捕獲材料設(shè)置在結(jié) 構(gòu)材料的外表面上?？墒褂妙A(yù)浸漬或"干"材料，如先前提到的。如果使用"干"材料，則 纖維可與少量樹脂粘結(jié)，以允許它們附連于復(fù)合材料。如果期望（多個(gè)）能量捕獲材料層 中的較高水平的多孔性，則進(jìn)一步的樹脂浸透可不為必要的。如果期望附加的樹脂，則其可 在單獨(dú)的浸透步驟中使用處理?xiàng)l件來添加于能量捕獲材料，這將促進(jìn)高多孔性，諸如低浸 透壓力。更具體而言，在步驟162處，在利用未浸漬的材料層的情況下，（多個(gè)）能量捕獲 材料層可浸透有樹脂。最后，整個(gè)組件在步驟164處經(jīng)受固化周期，以固化（多個(gè)）能量捕 獲材料層中的樹脂，并且如果需要，則完成（多個(gè)）復(fù)合芯材料層和（多個(gè)）抗擊穿材料層 中的樹脂的固化?？稍谠撝芷谥衅谕凸袒瘔毫σ员阌谀芰坎东@層中的高多孔性。
[0035] 對(duì)于所示的（多種）方法，（多個(gè)）抗擊穿層和（多個(gè)）能量捕獲層可包括任何 適合的材料，包括上文參照復(fù)合外殼實(shí)施例列出的材料和織物。
[0036] 盡管本文已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的僅某些特征，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員將想到許 多改型和變化。因此，將理解的是，所附權(quán)利要求旨在涵蓋落入本發(fā)明的真正精神內(nèi)的所有 此類改型和變化。應(yīng)當(dāng)理解的是，盡管以上實(shí)施例參照用于渦輪機(jī)器的容納外殼論述，但本 發(fā)明的實(shí)施例可在其中需要類似保護(hù)的其它應(yīng)用中利用。
【權(quán)利要求】
1. 一種容納外殼，包括： 具有內(nèi)表面和外表面的復(fù)合芯； 與所述復(fù)合芯集成的至少一個(gè)抗擊穿層，其中所述至少一個(gè)抗擊穿層包括用以將所述 至少一個(gè)抗擊穿層連結(jié)于所述復(fù)合芯的內(nèi)表面的樹脂；以及 與所述復(fù)合芯集成的至少一個(gè)能量捕獲層，其中所述至少一個(gè)能量捕獲層包括用以將 所述至少一個(gè)能量捕獲層連結(jié)于所述復(fù)合芯的外表面的樹脂。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括具有沖 擊下的高貫穿厚度抗剪強(qiáng)度和高層間韌性的纖維和樹脂材料。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括非織造 織物、外罩、覆蓋層、卷繞物、織造織物、針織物、粗梳非織造織物或編織物中的至少一個(gè)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括纖維以 及具有高斷裂韌度的樹脂，所述纖維包括S2玻璃、E玻璃、石英、礬土、硅石、氧化硼或碳中 的至少一個(gè)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括S2玻璃 纖維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括具有 高平面內(nèi)抗拉強(qiáng)度和對(duì)分層和纖維基質(zhì)剝離的低阻力的纖維和樹脂材料。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括非織 造織物、外罩、覆蓋層、卷繞物、織造織物、針織物、粗梳非織造織物或編織物中的至少一個(gè)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括纖維 以及樹脂，所述纖維包括石墨、碳、聚酰亞胺、芳族聚酰胺或超高分子量聚乙烯中的至少一 個(gè)，所述樹脂未與所述纖維良好連結(jié)以便于分層和纖維基質(zhì)剝離。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層還包括纖 維涂料或表面處理中的至少一個(gè)，用于最小化纖維與樹脂的粘合。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括碳纖 維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括S2玻 璃纖維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂，而所述至少一個(gè)能量捕獲層包括碳纖維和雙環(huán)戊二烯 (DCPD)樹脂。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的容納外殼，其特征在于，所述復(fù)合芯包括增強(qiáng)織物。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的容納外殼，其特征在于，所述復(fù)合芯還包括用以在沖擊時(shí) 控制分層的增強(qiáng)縫合。
14. 一種容納外殼，包括： 具有內(nèi)表面和外表面的復(fù)合芯； 設(shè)置在主沖擊地帶中并且與所述復(fù)合芯集成的至少一個(gè)抗擊穿層，其中所述至少一個(gè) 抗擊穿層構(gòu)造成與一定長(zhǎng)度的所述復(fù)合芯共同延伸，并且包括用以將所述至少一個(gè)抗擊穿 層連結(jié)于所述復(fù)合芯的內(nèi)表面的樹脂，所述至少一個(gè)抗擊穿層的特征在于沖擊下的高貫穿 厚度抗剪強(qiáng)度和高層間韌性；以及 設(shè)置在主沖擊地帶中并且與所述復(fù)合芯集成的至少一個(gè)能量捕獲層，其中所述至少一 個(gè)能量捕獲層構(gòu)造成與一定長(zhǎng)度的所述復(fù)合芯共同延伸，并且包括用以將所述至少一個(gè)能 量捕獲層連結(jié)于所述復(fù)合芯的外表面的樹脂，所述至少一個(gè)能量捕獲層的特征在于沖擊下 的高平面內(nèi)抗拉強(qiáng)度和對(duì)分層和纖維基質(zhì)剝離的低阻力。
15. 據(jù)權(quán)利要求14所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括纖維以 及具有高斷裂韌度的樹脂，所述纖維包括S2玻璃、E玻璃、石英、礬土、硅石、氧化硼或碳纖 維。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括S2玻 璃纖維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂。
17. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括纖 維以及樹脂，所述纖維包括石墨、碳、聚酰亞胺、芳族聚酰胺或超高分子量聚乙烯中的至少 一個(gè)，所述樹脂未與所述纖維良好連結(jié)以便于分層和纖維基質(zhì)剝離。
18. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)能量捕獲層包括碳 纖維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂。
19. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的容納外殼，其特征在于，所述至少一個(gè)抗擊穿層包括S2玻 璃纖維和雙環(huán)戊二烯（DCPD)樹脂，而所述至少一個(gè)能量捕獲層包括碳纖維和雙環(huán)戊二烯 (DCPD)樹脂。
20. -種制造容納外殼的方法，所述方法包括： 將一層或更多層抗擊穿材料設(shè)置在鋪設(shè)心軸上； 將一層或更多層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)置在所述抗擊穿材料的外表面上； 將一層或更多層能量捕獲材料設(shè)置在所述結(jié)構(gòu)材料的外表面上；以及 固化所述復(fù)合芯、所述一層或更多層抗擊穿材料和所述一層或更多層能量捕獲材料中 的樹脂。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括以樹脂浸透所述復(fù)合芯、所述一 層或更多層抗擊穿材料和所述一層或更多層能量捕獲材料。
22. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，所述一層或更多層抗擊穿材料包括纖 維以及具有高斷裂韌度的樹脂，所述纖維包括S2玻璃、E玻璃、石英、礬土、硅石、氧化硼或 碳纖維。
23. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，所述一層或更多層能量捕獲材料包括 纖維以及樹脂，所述纖維包括石墨、碳、聚酰亞胺、芳族聚酰胺或超高分子量聚乙烯中的至 少一個(gè)，所述樹脂未與所述纖維良好連結(jié)以便于分層和纖維基質(zhì)剝離。
24. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，還包括在將一層或更多層能量捕獲材 料設(shè)置在所述結(jié)構(gòu)材料的外表面上之前至少部分地固化所述復(fù)合芯和所述一層或更多層 抗擊穿材料中的樹脂的步驟。
【文檔編號(hào)】F01D25/24GK104105848SQ201280069831
【公開日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】祝綺, S.R.芬 申請(qǐng)人:通用電氣公司