本發(fā)明涉及一種用于渦輪發(fā)動機葉片的纖維預成形件，并且也涉及能夠由這種預成形件制成的單件葉片，轉(zhuǎn)子輪以及包括這種葉片的渦輪發(fā)動機。

這種預成形件可用于制造包括空氣動力平臺的單件葉片，在該空氣動力平臺中控制離心變形。這種葉片特別地可以是用于飛機渦輪噴氣發(fā)動機的風機葉片，僅舉一個例子。

背景技術(shù)：

為了減少飛機渦輪噴氣發(fā)動機的重量，并且因此減少這種渦輪噴氣發(fā)動機的燃料消耗，已經(jīng)知道由復合材料制造噴氣發(fā)動機的某些葉片，所述復合材料比迄今為止常規(guī)使用的金屬要輕得多。

為此，現(xiàn)在也已知使用三維(3d)編織技術(shù)來獲得導致質(zhì)量非常好的復合葉片的纖維預成形件。特別地，文獻wo2014/076408描述了一種編織翼型的預成形件的方法，其使得可以以單件方式獲得葉片，所述葉片包括壓力側(cè)平臺和吸力側(cè)平臺的兩個平臺，該平臺具有恒定的厚度。

然而，在對這種葉片進行的試驗和模擬期間，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在渦輪發(fā)動機運行的同時起作用的離心力的作用下，平臺的各個區(qū)域或多或少地變形。特別地，本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，該平臺的區(qū)域的變形隨著與翼型的偏移的增加而增加。

在這種情況下，在運行時，這些平臺呈現(xiàn)出可能擾亂空氣流，并因此影響渦輪發(fā)動機的效率的形狀不規(guī)則性。此外，本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，通常為較長平臺的吸力側(cè)平臺比壓力側(cè)平臺受到更大的彎曲，使得在兩個連續(xù)葉片的吸力側(cè)平臺與壓力側(cè)平臺之間的界面處出現(xiàn)不連續(xù)性，也存在壓力側(cè)平臺被相鄰的吸力側(cè)平臺重疊的風險。

因此，存在對于至少部分不存在已知系統(tǒng)固有的上述缺陷的纖維預成形件、葉片、轉(zhuǎn)子輪和渦輪發(fā)動機的真正需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種通過三維編織獲得的用于渦輪發(fā)動機葉片的纖維預成形件，所述預成形件包括：第一縱向段，所述第一縱向段適于形成葉片根部；第二縱向段，所述第二縱向段向上延伸第一縱向段，并適于形成翼型部分；第一橫向段，所述第一橫向段從第一縱向段與第二縱向段之間的接合處橫向延伸，并且適于形成第一平臺；以及第一加強筋條帶，所述第一加強筋從第一橫向部分的遠端邊緣向下延伸，并且適于形成第一平臺加強筋。

在本說明書中，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“底部”、“頂部”及其衍生詞相對于所考慮的葉片的主方向被定義，葉片根部位于這個參考系中的葉片的底部端部處；術(shù)語“軸向”、“徑向”、“切向”、“內(nèi)部”、“外部”及其衍生詞相對于承載葉片的轉(zhuǎn)子輪的主軸線，即通常為渦輪發(fā)動機的軸線而定義。術(shù)語“軸向平面”用于表示包括渦輪發(fā)動機主軸線的平面，術(shù)語“徑向平面”是垂直于主軸線的平面；術(shù)語“縱向平面”用于表示平行于葉片的主方向并垂直于葉片根部延伸的方向的平面：這種縱向平面因此是渦輪發(fā)動機的參考系中的徑向平面。此外，術(shù)語“上游”和“下游”是相對于通過渦輪發(fā)動機的空氣的流動來定義的。

通過這種預成形件，可以獲得單件葉片，所述單件葉片包括葉片根部、翼型部分和至少一個具有加強筋的平臺，該加強筋確保渦輪發(fā)動機正在運行的同時在離心力的作用下平臺的更規(guī)則的變形。

基本上徑向地延伸的該加強筋條帶的存在用于連接和加強平臺的各個區(qū)域，特別是平臺的遠端區(qū)域中的各個區(qū)域，從而趨于確保平臺端部處的變形更加均勻。因此平臺的變形可以平均化，也就是說，沿著向外方向，通常劇烈偏斜的區(qū)域拉動通常較少偏斜的區(qū)域，而較少偏斜的區(qū)域用于向內(nèi)部保持經(jīng)受高水平的離心力的區(qū)域。在這種情況下，在操作中，平臺保持相對規(guī)則的輪廓，并且?guī)缀趸蛏踔粮静桓蓴_空氣流的流動。

通過該預成形件，由此可以從三維編織單件葉片的優(yōu)點中獲益(節(jié)省重量；更少數(shù)量的零件；簡化的組裝和維修；等)，同時確?？諝饬髟诳諝鈩恿W上是規(guī)則的。

此外，在發(fā)生暴力沖擊的情況下，例如，由于攝入鳥類，則這種加強筋形成基臺，所述基臺防止平臺與相鄰葉片的平臺重疊。

在某些實施例中，第一加強筋條帶具有不同的寬度。以這種方式，可以考慮到平臺的形狀，以便以更優(yōu)化的方式補償平臺的變形。特別地，變化的寬度使得可以首先調(diào)節(jié)加強筋條帶的剛度，從而調(diào)節(jié)從平臺的一個區(qū)域到另一個區(qū)域的力的傳遞，其次調(diào)節(jié)局部地加在平臺上的重量，因此局部調(diào)節(jié)施加在平臺上的離心力。特別地，通過局部增加通常較少偏斜的平臺的區(qū)域的重量而增加該區(qū)域中的離心力的大小，使得其被稍微更多地偏斜，并且更容易地與自然地更大程度地偏斜的相鄰區(qū)域?qū)R。

在某些實施例中，第一加強筋條帶一直沿著第一橫向段的遠端邊緣延伸。以這種方式，總是沿著該平臺對離心力進行控制。

在某些實施例中，第一加強筋條帶具有其中第一橫向段的寬度為最大的最小寬度，即在其寬度最大的縱向平面中。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)平臺的寬度越大(并且因此是第一橫向段)，平臺所述區(qū)域受到徑向變形的程度越大。這可以通過以下事實來解釋：平臺越長，由離心力施加在所述區(qū)域的遠端部分上的彎矩越大，因為將該遠端部分連接到其中平臺連接到葉片根部的區(qū)域的杠桿臂較長。在這種情況下，在該實施例中，在自然地劇烈偏斜的該區(qū)域中增加僅僅一點重量，使得操作中的徑向變形很少或完全不會被惡化。

在某些實施例中，第一加強筋條帶具有其中第一橫向段的寬度為最小的最大寬度，或者更精確地在其寬度最小的縱向平面中。以這種方式，在自然地偏斜很小的區(qū)域中增加了更大的重量，使得該區(qū)域在操作中呈現(xiàn)更大的徑向變形，并且因此更容易地與自然地更大程度地偏斜的相鄰區(qū)域?qū)R。

在某些實施例中，當沿著第一橫向段的遠端邊緣前進時，第一加強筋條帶的寬度在第一橫向段的寬度減小的同時增加，并且在第一橫向段的寬度增加同時也減小。以這種方式，加強筋條帶的重量和剛度根據(jù)其形狀一直沿著平臺進行調(diào)節(jié)：這因此獲得了在一直沿著其長度而更規(guī)則的操作中的平臺變形。

在某些實施例中，給定縱向平面中的第一加強筋條帶的寬度與所述縱向平面中的第一橫向段的寬度成反比。發(fā)明人已經(jīng)觀察到，該關(guān)系確保了平臺變形的非常好的規(guī)則性，并且因此導致空氣流所受到的空氣動力學變形的顯著降低。

在某些實施例中，第一加強筋條帶具有恒定數(shù)量的紗線層。因此其厚度可以是恒定的。

在某些實施例中，第一加強筋條帶具有與第一橫向段的數(shù)量相同的紗線層。形成第一加強筋條帶的紗線層優(yōu)選地來自形成第一橫向段的紗線層。在這種情況下，第一加強筋條帶的厚度與第一橫向段的厚度相同。

在其它實施例中，第一加強筋條帶(或來自于其的加強筋)的厚度小于或大于第一橫向段(或其來源的平臺)的厚度。特別地，第一加強筋條帶(或來自于其的加強筋)的厚度可以沿其主要方向變化。

在某些實施例中，當沿著第一橫向段的遠端邊緣行進時，第一加強筋條帶的給定長度的段的重量在第一橫向段的寬度減小的同時增加，且在第一橫向段的寬度增加的同時減少。

在某些實施例中，第一加強筋條帶的給定段的重量與包括該段的縱向橫向平面中的第一加強筋條帶的長度成反比。

在某些實施例中，第一加強筋條帶與第一橫向段形成一角度，該角度在60°至89°的范圍內(nèi)，優(yōu)選在75°至85°的范圍內(nèi)。以這種方式，當兩個葉片連續(xù)地安裝在相同的轉(zhuǎn)子輪上時，相對于彼此具有一定的傾斜角度，它們的平臺可以一直沿著進一步有助于減少徑向變形的大區(qū)域的接觸表面連續(xù)地設置，它們的加強筋彼此壓靠，忽略操作間隙(如果有的話)。相反，可以觀察到，在90°的結(jié)構(gòu)中，兩個連續(xù)平臺的加強筋彼此阻礙，使平臺處于應力狀態(tài)，并且在加強筋之間僅提供一接觸線，從而極大地影響平臺的機械性能。

在某些實施例中，預成形件包括第二橫向段和第二加強筋條帶，所述第二橫向段從在第一縱向段與第二縱向段之間的接合部橫向延伸，并且適于形成第二平臺，該第二橫向段與第一橫向段對齊并遠離第一橫向段，所述第二加強筋條帶從第二橫向段的遠端邊緣向下延伸，且適于形成第二平臺加強筋。因此，可以獲得具有壓力側(cè)平臺和吸力側(cè)平臺兩者的單件葉片，各所述平臺均設有相應的加強筋。

自然會理解，第一加強筋條帶和/或第一橫向段的關(guān)于該主題的上述所有特征可以分別轉(zhuǎn)置到第二加強筋條帶或第二橫向段。

在某些實施例中，適于形成吸力側(cè)平臺的加強筋的第一加強筋條帶的寬度在其中間區(qū)域比在其上游端和下游端處的寬度大。這個特征符合上述的平衡邏輯，因為吸力側(cè)平臺在端部通常比在其中間部寬。

在某些實施例中，適于形成壓力側(cè)平臺的加強筋的第二加強筋條帶在其中間區(qū)域的寬度小于在其上游端和下游端處的寬度。該特征符合上述平衡邏輯，因為壓力側(cè)平臺在其中間通常比在其端部寬。

在某些實施例中，用于編織預成形件的紗線由碳纖維制成。然而，可以使用任何其他類型，例如由玻璃纖維或凱夫拉爾(kevlar)制成的紗線。

在某些實施例中，用于預成形件的三維編織的編法可以是三維互鎖型編法。然而，預成形件的外表面可以例如使用緞紋型編法，基本上以二維(2d)方式編織。

本說明書還涉及一種渦輪發(fā)動機葉片，所述葉片包括葉片根部和從葉片根部向上延伸的翼型部分，從在葉片根部與翼型部分之間的連接部處從翼型橫向延伸的平臺，以及沿著平臺的遠端邊緣向下延伸，采取條帶的形狀的加強筋?？梢岳斫?，該葉片對應于可以使用上述預成形件而獲得的葉片。然而，設置有這種加強筋的這種葉片同樣可以很好地使用不利用3d編織的一些其他方法獲得，或者其可以使用不是復合材料的其他材料制成：葉片可以例如由金屬制成，并通過鑄造獲得。

在這種情況下，上述加強筋條帶的所有特征和優(yōu)點可以直接轉(zhuǎn)移到加強筋，而不管其制造的材料或用于獲得加強筋的技術(shù)如何。特別地，其寬度可以變化；其可以一直沿著平臺延伸；其寬度可以特別地以與平臺的寬度成反比的方式根據(jù)平臺的寬度沿著平臺的邊緣而變化；其可相對于平臺形成90°以外的一角度，等等。

在某些實施例中，通過根據(jù)任何一項前述實施例，通過纖維預成形件將葉片制成復合材料制成的單件，所述預成形件已經(jīng)在模具中成型并嵌入基質(zhì)中。

在某些實施例中，基質(zhì)是有機類型的。特別地，其可以由環(huán)氧樹脂制成。

在其它實施例中，基質(zhì)是陶瓷型的。

在其他實施例中，葉片由金屬材料制成，例如通過鑄造優(yōu)選地為單件。

本說明書還提供了一種用于渦輪發(fā)動機的葉輪，該輪包括多個根據(jù)任何一項上述實施例的葉片。

優(yōu)選地，其可以是轉(zhuǎn)子輪，其中葉片圍繞旋轉(zhuǎn)輪轂成角度地布置在該轉(zhuǎn)子輪中。然而，其也可以是定子輪，其中葉片(在這種情況下，為定子葉片)成角度地設置在固定護罩內(nèi)。

本說明書還涉及一種渦輪發(fā)動機，所述渦輪發(fā)動機包括根據(jù)上述實施例中任一項所述的至少一個葉片或至少一個葉輪。

上述特征和優(yōu)點等在閱讀所提出的預成形件、葉片、中間殼體和渦輪發(fā)動機的實施例的以下詳細描述之后顯而易見。該詳細描述參照附圖。

附圖說明

附圖是示意性的，并且首先尋求示出本發(fā)明的原理。

在附圖中，從一個圖到另一個圖中，相同的元件(或元件的部分)由相同的附圖標記標識。

圖1是本發(fā)明的渦輪發(fā)動機的軸向剖視圖。

圖2是本發(fā)明的轉(zhuǎn)子輪的不完整的徑向剖視圖。

圖3是一個實施例中的葉片的立體圖。

圖4是圖3的葉片的壓力側(cè)的局部視圖。

圖5是圖3的葉片的吸力側(cè)的局部視圖。

圖6是表示在成形之前對應于葉片的該實施例的預成形件的視圖。

圖7是表示在其成形后對應于葉片的該實施例的預成形件的視圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明更具體，下面參照附圖詳細描述實施例。應當理解，本發(fā)明不限于這些實施例。

圖1是包括本發(fā)明的旁路渦輪噴氣發(fā)動機1的主軸線a的垂直平面的截面圖。沿著空氣流的流動方向從上游到下游，其包括風機2、低壓壓氣機3、高壓壓氣機4、燃燒室5、高壓渦輪機6和低壓渦輪機7。

如圖2所示，風機2具有多個風機葉片10，風機葉片10圍繞軸線a成角度地安裝在盤11上，所述盤11連接到渦輪發(fā)動機1的低壓軸。

這種風機葉片如圖3所示。其具有燕尾形狀的葉片根部21，葉片根部21被構(gòu)造成接合在盤11中的狹槽12中，以將其緊固到盤11。葉片根部21通過具有吸力側(cè)面22e和壓力側(cè)面22i的翼型22向外延伸，各側(cè)面在前緣22a與后緣22f之間從上游延伸到下游。

葉片10還具有吸力側(cè)平臺23和壓力側(cè)平臺24，吸力側(cè)平臺23從葉片根部21與翼型22之間的連接部在葉片的吸力側(cè)之間橫向延伸，壓力側(cè)平臺24從在葉片根部21和翼型件2之間的連接部在葉片的壓力側(cè)旁橫向延伸。

根據(jù)本發(fā)明，各平臺23，24還設置有加強筋25，26。如在圖4和5中可以更清楚地看到的，這些加強筋中的每一個均采取由條帶或邊緣構(gòu)成的凸緣的形式，所述條帶或邊緣一直沿著相應的平臺23，24的遠端邊緣徑向地延伸；更準確地說，各加強筋25，26從其平臺23，24的遠端邊緣向內(nèi)延伸，即其在葉片的參考系中向下延伸，相對于平臺23，24形成一角度λ；可以在加強筋25，26和平臺23，24之間設置圓形連接。

如圖2所示，該角度λ基本上等于在轉(zhuǎn)子輪2內(nèi)的兩個葉片10之間的角度差μ的一半。作為例子，如果輪2每20°具有一個葉片10，則加強筋25，26相對于平臺23，24形成10°的角度λ。這樣，當葉片10安裝在轉(zhuǎn)子輪2的盤11上時，每個連續(xù)對的葉片的吸力側(cè)平臺和壓力側(cè)平臺23和24以連續(xù)的方式彼此跟隨，并且它們的加強筋25和26在所有或幾乎所有它們的表面區(qū)域上彼此抵靠，忽略操作間隙。

此外，如圖4和圖5所示，各加強筋25，26的寬度l5和l6根據(jù)平臺的寬度l3，l4沿其平臺23，24變化。更準確地說，在給定的縱向平面中，平臺23，24越寬，其加強筋25，26就越窄。更確切地說，給定的加強筋25，26的寬度沿相應平臺23，24的遠端邊緣以與平臺23，24的寬度成反比的方式變化。

如圖4所示，由于葉片10的吸力側(cè)面的凹的曲面，吸力側(cè)平臺24具有一寬度l4，寬度l4從上游到下游增加至翼型22的大致中間區(qū)域，然后向下減小到后緣22f：在這種情況下，加強筋26的寬度l6從其上游邊緣減小到該中間區(qū)域，然后再次增加到其下游端。

相反，如圖5所示，由于葉片10的吸力側(cè)面的凸的曲面，吸力側(cè)平臺23具有一寬度l3，寬度l3從上游到下游減小到翼型22的大致中間區(qū)域，然后增加到后緣22f：在這種情況下，加強筋25的寬度l5從其上游端增加到該中間區(qū)域，然后再減小到其下游端，其中，考慮到吸力側(cè)平臺23的大寬度，其變?yōu)榱慊驇缀鯙榱恪?/p>

在該實施例中，通過三維編織纖維預成形件30，以及通過使用本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的樹脂傳遞模塑(rtm)方法注入有機樹脂，獲得作為單件的葉片10。

圖6示出了適于制造葉片10的該實施例的該三維編織預成形件30。圖7示出了在其成形之后相同的預成形件30。從底部到頂部，即從編織方向t的上游到下游描述預成形件30。然而，應當理解，可以從另一端開始并沿相反的方向進行編織。

在該實施例中，預成形件30使用三維互鎖編法由碳纖維三維編織。只有預成形件30的表面使用緞紋型編法進行二維編織。

在底端，通過制造將形成葉片10的根部21的第一縱向段31開始編織。

在該第一縱向段31的上方，開始非互連d的區(qū)域，其中第一自由翼片33a、第二縱向段32和第二自由翼片34a以非互連的方式與相應的非互連平面43和44共同地編織。使該非互連成為可能的編織方法現(xiàn)在在三維編織領(lǐng)域中被廣為人知。

也可以在第二縱向段32和每個自由翼34a，34b之間沿著編織方向t形成層出口，以便細化第二縱向段32和因此未來的翼型22。使該層出口能夠被設置的編織方法在當今三維編織領(lǐng)域中被廣為人知。

一旦編織完成，自由翼片33a和34a按尺寸被切割，使得第一翼片形成第一橫向段33和第一加強筋條35，該第一橫向段33將形成葉片10的吸力側(cè)平臺23和第一加強筋條35將形成吸力側(cè)加強筋25，并且第二翼片形成第二橫向段34和第二加強筋條36，該第二橫向段34將形成葉片10的壓力側(cè)平臺24和該第二加強筋條36將形成壓力側(cè)加強筋26。

在這一點應該觀察到，術(shù)語“橫向”和“縱向”相對于所考慮的段的最終位置給出，橫向段在橫向折疊之前必須縱向編織。

一旦自由翼片33a和34a已經(jīng)按尺寸被切割，由層出口產(chǎn)生的浮動紗線是可獲得的并且可被剃掉，所述層出口位于第二縱向段32的表面中。

預成形件30可以被潤濕以使其更加柔韌，并且以便使其更容易將纖維移出計數(shù)器。然后將預型件放置在具有內(nèi)部空間的成型模具中，該內(nèi)部空間形狀與預成形件30所需的形狀相匹配。

然后將預成形件30干燥，使得其變硬，從而使成形過程中施加的形狀成塊狀。最后，將預型件30放置在具有最終葉片10所需尺寸的注射模具中，并且將基質(zhì)注入該模具中，特別地注入環(huán)氧樹脂。例如，可以使用已知的rtm方法進行該注入。

在該步驟結(jié)束時，獲得由復合材料制成的葉片10，所述復合材料包括由嵌入在環(huán)氧基質(zhì)中的碳纖維編織而成的預成形件30。可以可選地使用加工步驟來完成該方法并獲得最終的葉片10。

當然，上述編織例子僅僅是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易識別的許多其它可能性中的一個例子。特別地，可以想象其他非互連的區(qū)域或者使用其他編織技術(shù)，例如交叉層、層出口或厚度過渡，以便獲得類似形狀的預成形件。本領(lǐng)域技術(shù)人員將特別在文獻wo2014/076408中找到許多編織的例子。

在本說明書中描述的實施例通過非限制性示例給出，并且根據(jù)本說明書，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以容易地修改這些實施例，或者可以設想其他實施例，同時保持在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

此外，這些實施例的各種特征可以單獨使用或者彼此組合使用。當它們組合時，這些特征可以如上所述或以其他方式組合，本發(fā)明不限于在本說明書中描述的具體組合。特別地，除非有相反指定，參考一個特定實施例描述的特征可以通過相似的方式應用于一些其它實施例。