本发明涉及燃气轮机壳体，并且更具体地但不限于涉及制造用于航空发动机的燃气轮机风扇。
在燃气轮机航空发动机中，风扇壳体具有多种功能。其限定了进入发动机的进气通道，支撑了面对扇叶尖端的可磨损材料，支撑了在发动机入口处进行声学处理的可选声波吸收器结构，并且其还包含或支撑保留护罩。保留护罩构成用于保留碎片(如吸入物体或通过离心而投射出(project)的受损叶片碎屑)的碎片捕集器，以防止它们穿过壳体并到达航空器的其他部分。
壳体(例如风扇壳体)过去由金属材料制成，但是它们现在由复合材料制成，即由用通过有机基质致密化的纤维预制件制成，这使得可以制造这样的部件：其总体重量低于由金属材料制成时的相同部件，同时仍然具有至少等同的机械强度(如果不是具有更大的机械强度)。
在文献us2013/082417中具体描述了由有机基质复合材料制造风扇壳体。在文献us2013/082417中公开的壳体中，保留护罩由在壳体的纤维增强体中所获得的较厚部分构成，所述增强体具有变化的厚度。纤维增强体通过卷绕3d编织纤维织构体获得，其中，通过改变经纱或股线的尺寸来获得厚度逐渐增加。
图8显示出由复合材料制成的风扇壳体50，其包括由壳体的较大厚度部分构成的保留护罩(retentionshield)或区域51，在该部分中，纤维增强体包括较大直径的经纱或股线。保留区域(retentionzone)50被两个相邻的过渡区域52和53包围，所述过渡区域52和53包括如部分51中的大直径的经纱或股线，并且还包括较小直径的经纱或股线。在接近保留区域51时，部分52和53中经纱或股线的比例逐渐增加。最后，壳体50包括进一步远离保留区域51并且仅具有小直径经纱或股线的部分54和55。
尽管如此，通过该制造技术，在保留区域中纤维增强体的变厚程度首先受限于具有过大(或过小)直径的股线的织构体可织性(3d编织织物的可织性限制)，其次受限于最大可接受的经纬比(wwr)。关于wwr，例如在制造壳体时，纬纱是连续的，使得一旦经纱的尺寸或数量改变，wwr就自动改变。
发明目的和概述
因此期望具有一种用于提供复合材料壳体的解决方案，所述复合材料壳体具有保留区域，在该保留区域中，额外厚度的最大幅度不是由可织性限制确定的，并且其中，可以控制经纬比以避免超过已确定的最大阈值。
为此，本发明提出一种制造用于燃气轮机的厚度变化的复合材料壳体的方法，所述方法包括以下步骤：
-使用三维或多层编织以制造条形式的纤维织构体；
-将作为多个叠加层的纤维织构体卷绕到具有对应于待制造的壳体轮廓的轮廓的心轴上，以获得形状对应于待制造的壳体形状的纤维预制件；以及
-用基质使得纤维预制件致密化；
所述方法的特征在于，在将纤维织构体卷绕在心轴上的过程中，织物条或充气材料插入纤维织构体的相邻圈(turn)之间，织物条或充气材料呈现的宽度小于纤维织构体的宽度并且织物条或充气材料限定了壳体的保留区域。
以该方式在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间插入织物层，可以在壳体内形成具有所需额外厚度的部分，其适用于构成保留护罩或区域，同时还以避免超过预定值的方式控制预制件该部分中的经纬比。具体来说，由于织物条与纤维织构体相互独立，调整其中的经纬比就足以在预制件中获得预期的总体经纬比。当使用上述现有技术方法制造壳体时，在预制件的整个宽度(连续纬线)上存在一定量的纬纱，使得增加纬线的尺寸或数量对经纬比有直接影响。采用本发明的方法，加入独立的织物条，并由此加入经纱和纬纱两者，从而可以增加所获得的预制件的厚度而不改变经纬比。这是因为插入在卷绕的纤维织构体之间的织物条的宽度小于所述织构体的宽度，因此可以具有在整个宽度上变化的纬纱的“量”，同时尽管增加了经纱但仍保持相对稳定的wwr。
与其中较厚部分通过增大经纱或股线尺寸制造的壳体相比，本发明的方法还可以在壳体中待形成的保留区域中获得大量的厚度变化，从而使得所获得的壳体的总体重量最小化。
以此方式形成的保留区域还可靠地发挥了其功能，即，保留了在发动机入口处所吸入的或者由风扇叶片损坏并通过风扇旋转而径向投射向壳体所获得的碎片、微粒或物体。
类似地，通过在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间插入充气材料，可以在壳体中形成适于构成保留护罩或区域的较厚部分，同时与其中较厚部分仅由如现有技术那样具有厚度变化的纤维织构体制成的壳体相比，本发明其使得所获得壳体的总体重量最小化。
以此方式形成的保留区域还可靠地发挥了其功能，即，保留了在发动机入口处所吸入的或者由风扇叶片损坏并通过风扇旋转而径向投射所获得的碎片、微粒或物体。具体来说，通过在用基质使得纤维织构体层致密化的该示例中所形成的掩护层与充气材料层交替，采用弹道原理(ballisticprinciple)，由此相对较薄且间隔开的多个掩护层具有与较大厚度的单个屏蔽层一样好或甚至更好的性能。该原理是基于以下事实：抛射体所到达的第一掩护层将抛射体分解成容易被后续掩护层阻挡并保留的许多能量较小的小抛射体。充气材料也可以在较小程度上有助于减弱小抛射体的能量。
根据本发明方法的一具体特性，纤维可以是选自以下类型中的至少一种：碳；玻璃；芳族聚酰胺；和陶瓷。根据本发明方法的另一具体特性，所述织物条由类型与纤维织构体的纤维相同的纤维制成。这使得能够在纤维织构体和织物条之间具有更好的内聚性和更好的机械性，同时简化了将要注入预制件的基质前体的选择。
根据本发明方法的另一具体特性，所述织物条用三维编织制成，所述三维编织具有与纤维织构体的三维编织相同的织法。这使得可以确保力在纤维织构体层和插入的织物条层之间有效且均匀地传输，而没有应力或变形集中的区域。
根据本发明的另一具体特性，所述织物条的经纬比基本等于纤维织构体的经纬比。在这种情况下，纤维预制件的较厚部分具有类似存在于预制件其他部分中经纬比的经纬比。
根据本发明方法的另一具体特性，充气材料由泡沫制成，所述泡沫优选适用于经受约200℃的温度和约1兆帕(mpa)的压力。
根据本发明方法的另一具体特性，充气材料由多孔结构制成，所述多孔结构可以特别由铝或芳族聚酰胺制成。
根据本发明方法的另一具体特性，在卷绕步骤之后，纤维预制件包含对应于所述纤维织构体的n圈卷绕圈数的n层纤维织构体，以及对应于所述充气材料的n-1圈卷绕圈数的n-1层充气材料。
本发明还提供一种厚度变化的燃气轮机风扇壳体，其由具有纤维增强体的复合材料制成，所述纤维增强体包括呈三维或多层编织的条形式的纤维织构体的多个叠加层，所述纤维增强体通过基质进行致密化；
所述壳体的特征在于，织物条插入纤维织构体的两个相邻层之间，织物条呈现的宽度小于纤维织构体的宽度并且织物条限定了壳体的保留区域。
根据本发明壳体的一具体特性，所述纤维织构体的纤维和所述织物条的纤维选自以下类型的至少一种：碳；玻璃；芳族聚酰胺；和陶瓷。
根据本发明壳体的一具体特性，所述织物条由类型与纤维织构体的纤维相同的纤维制成。
根据本发明壳体的另一具体特性，所述织物条具有三维编织，所述三维编织具有与纤维织构体的三维编织相同的织法。
根据本发明壳体的另一具体特性，所述织物条的经纬比基本等于纤维织构体的经纬比。
根据本发明壳体的另一具体特性，纤维增强件包含对应于所述纤维织构体的n圈卷绕圈数的n层纤维织构体，以及对应于所述织物条的n-1圈卷绕圈数的n-1层织物条。
根据本发明壳体的另一具体特性，充气材料由泡沫制成，所述泡沫优选适用于经受约200℃的温度和约1兆帕的压力。
根据本发明壳体的另一具体特性，充气材料由多孔结构制成，所述多孔结构可以特别由铝或芳族聚酰胺制成。
根据本发明壳体的另一具体特性，纤维增强体包含对应于所述纤维织构体的n圈卷绕圈数的n层纤维织构体，以及对应于所述充气材料的n-1圈卷绕圈数的n-1层充气材料。
本发明还提供具有本发明风扇壳体的燃气轮机航空发动机。
附图的简要说明
本发明的其它特点和优势通过下文关于本发明具体实施方案和实施方式的描述并参照附图而显见，所述具体实施方式以非限制示例的形式给出，附图中：
-图1是在本发明实施方式中装备有由复合材料制成的风扇壳体的航空发动机的局部剖面透视图；
-图2是图1壳体的平面ii-ii上的截面图；
-图3是织机的示意透视图，显示了编织用于形成图1和图2壳体的纤维增强体的纤维织构体；
-图4是一个透视图，显示了为了形成图1和图2的风扇壳体的增强体而成形的纤维织构体和织物条；
-图5是显示图4的纤维结构和织物条同时卷绕的示意图；
-图6是显示在卷绕图4和图5的纤维结构和织物条之后获得的纤维预制件的轮廓截面图；
-图7是显示用基质使得图6的纤维预制件致密化的工具的示意图；
-图8是由复合材料制成的现有技术壳体的示意性截面图；
-图9是是根据本发明另一实施方式由复合材料制成的风扇壳体的截面图；以及
-图10是显示在卷绕纤维结构和充气材料之后获得的纤维预制件的轮廓的截面图。
实施方案和实施方式的详述
本发明将在其应用于燃气轮机航空发动机风扇壳体的情况下进行描述。
如图1中非常示意性显示的该发动机在气流的流动方向上从上游到下游包括：设置在发动机入口的风扇1；压缩机2；燃烧室3；高压涡轮4；以及低压涡轮5。
发动机容纳在壳体中，所述壳体包括对应于发动机的不同元件的多个部分。因此，风扇1被风扇壳体100包围。
图2是是根据本方法可以获得的复合材料风扇壳体100的轮廓图。壳体的内表面101限定了进气通道。可以设置有与风扇叶片的尖端所遵循路径对准的一层可磨损材料102，一个叶片13部分地以高度示意性的方式显示。因此，可磨损涂层范围仅在壳体长度(轴向方向上)的一部分上。声学处理涂层(未显示)也可以设置在内表面101上，特别是可磨损涂层102的上游。
壳体100可以在其上游端和下游端设置有外凸缘104和105，以使其能够安装并连接到其他元件。在其上游端和下游端之间，壳体100具有变化的厚度，壳体具有厚度大于端部120和130且与所述端部120和130渐次连接的较厚部分110。
较厚部分110在风扇位置的上游和下游两侧上延伸，以形成保留护罩或区域，所述保留护罩或区域能够保留吸入发动机入口中的或者来自风扇叶片损坏并通过风扇旋转径向投射出来的碎屑、微粒或物体，以防止它们穿过壳体并损坏航空器的其他部分。
壳体100由复合材料制成，所述复合材料具有用基质致密化的纤维增强体。增强体由纤维制成，所述纤维可以是例如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维或陶瓷纤维，并且基质由聚合物制成，例如，环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺聚合物，或由碳或陶瓷制成。
纤维增强体通过将用三维编织制成的纤维织构体卷绕到心轴上来形成，该织构体具有变化的厚度并且心轴具有对应于待制造壳体轮廓的轮廓。有利地，纤维增强体构成与对应于凸缘104和105的增强部分一体地制成的壳体100的完整管状纤维预制件。
根据本发明，壳体100的纤维增强体由呈现三维或多层编织的条形式的纤维织构体140的多个叠加层141至144构成，层141至144各自对应于纤维织构体140的一个卷绕圈(在图2中，层141至144用基质致密化)。此外，织物条150插入纤维织构体的两个相邻层之间，织物条呈现的宽度l150小于纤维织构体140的宽度l140(图4)并且织物条限定了壳体100的保留区域。在目前描述的示例中，织物条150的三层151至153插入纤维织构体140的叠加层141至144之间，层151至153各自对应于织物条150的一个卷绕圈。更一般地说，对于各自对应于所述纤维织构体的一圈卷绕圈的n层叠置的纤维织构体，存在各自对应于所述织物条的一圈卷绕圈的n-1层织物条。
通过在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间插入织物条层，可以在壳体中形成适于构成保留护罩或区域的较厚部分，同时与其中仅由其中纱线或股线尺寸增加以形成较厚部分的纤维织构体制成的壳体相比，其使得所获得壳体的总体重量最小化。如下文详述，本发明的壳体可以比其中可变厚度仅通过引起纱线或股线尺寸变化的纤维织构体所获得的壳体更经济地制造。具体来说，在该情况下，需要使用不同类型的纱线(不同重量的纱线或股线)，由此增加了供应纱线的成本。通过使用相同类型的纱线或股线，本发明的方法因此减少了供应成本，同时简化了编织和卷绕所需的设备。此外，本发明的方法可以获得更复杂的壳体形状，特别是在厚度比方面，因为改变厚度不会导致经纬比(wwr)的任何显著变化，因为经纱和纬纱可以在整个纤维织构体和织物条中具有相同的尺寸。
在较厚部分之外，本发明壳体的设计也可以获得比用现有技术复合材料壳体所获得部分显著更薄的部分。具体而言，在现有技术的壳体中，与较厚部分相邻的部分对应于其中纱线或股线的尺寸逐渐增大的过渡区域，由此导致这些部分的厚度增加以及所获得壳体中的总体重量增加。
优选但非唯一地，织物条可以由类型与用于制造纤维织构体相同的纤维制成，从而可以在纤维织构体和织物条之间获得一致的机械性能，同时还简化了待注入到预制件中的基质前体的选择。优选但不是唯一的，织物条具有与纤维织构体相同的三维编织，因此使得力可以在纤维织构体层和所插入的织物条层之间有效且均匀地传递，而不具有应力或变形集中区域。因此，织物条层跟随纤维织构体层运动而不会妨碍纤维织构体层，即，不会产生额外的应力，这对于用织法不同于纤维结构的织物条来说将更难实现。
更优选但不是唯一地，织物条和纤维织构体呈现出与纤维织构体基本相似的经纬比(wwr)。纤维织构体与织物条之间的war变化百分比优选为±10％，优选为±5％，并且特别优选为±2％。壳体的纤维增强体中的总体wwr优选在35％至85％的范围内。
接下来描述制造风扇壳体100的方法。
如图3所示，纤维织构体140以常规方式通过使用具有一束经纱或股线20的提花织机(jacquardtypeloom)以多个层进行编织来制造，经纱通过纬纱或股线30相互连接。纤维织构体通过三维或多层编织制成。
本文使用的术语“三维编织”或“3d编织”是指一种编织技术，其中，至少部分纬纱与经纱在多层纬纱层上互相连接，或正好相反。三维编织的示例用所谓的“互锁”编织进行编织。本文中使用术语"互锁编织"指的是一种织法，其中各经纱层与多层纬纱层互相连接，并且给定经列中的所有纱线在编织平面中同样地移动。
本文所用术语“多层”编织是指使用多层纬层的3d编织，其中各层的基本织法等同于常规2d织法(例如，平针型织法、缎纹型织法、斜纹型织法)，但是编织的某些点与纬层相互连接。
通过3d编织或多层编织制造纤维织构体能够在进行单个纺织操作的同时获得层之间的连接，并由此对于纤维结构和对于所获得复合材料部件具有良好机械强度。
3d编织或的多层编织可以特别对应于从以下织法中选择的织法：互锁织法(interlock)、多平纹织法(multi-plain)、多缎纹织法(multi-satin)和多斜纹织法(multi-twill)。
本文所用术语"多平纹织法"指的是使用多层纬纱的3d编织，其中，各层的基本织法(baseweave)等同于常规的平纹型织法，但是编织的某些点与纬纱层相互连接。
本文所用术语"多缎纹织法"指的是使用多层纬纱的3d编织，其中，各层的基本织法等同于常规的缎纹型织法，但是编织的某些点与纬纱层相互连接。
本文所用术语"多斜纹织法"指的是使用多层纬纱的3d编织，其中，各层的基本织法等同于常规的斜纹型织法，但是编织的某些点与纬纱层相互连接。
如图3和4所示，纤维织构体140是条形式，该条在与经纱或股线20的行进方向相对应的方向x上纵向延伸，并且在与纬纱或股线30的方向相对应的方向y上在宽度方向上延伸或横向地延伸。
纤维结构特别可以使用由以下类型的纤维制成的纱线进行编织：碳；陶瓷，例如，碳化硅；玻璃；或实际上是芳族聚酰胺。
织物条150单独使用如上所述提花织机进行编织。织物条通过三维或多层编织制成，任选地使用与纤维织构体中相同类型的纤维、与纤维织构体中相同的三维编织、以及基本上等于纤维织构体经纬比的经纬比。
将纤维织构体和织物条储存在卷轴或卷筒上，它们在张力作用下共同卷绕到成形工具上的同时从卷轴或卷筒上展开。
如图4所示，纤维预制件通过将由三维编织制成的纤维织构体140卷绕到轮廓对应于待制造壳体轮廓的心轴200上而形成。根据本发明，织物条150与纤维织构体140一起卷绕，条150位于卷绕在心轴200上的织构体140的第一层141上，以在较大宽度的两个相邻纤维织构体层之间插入较小宽度的织物条层150，所述较大宽度的两个相邻纤维织构体层对应于纤维织构体140的两个卷绕圈。条150位于纤维织构体140上的一个位置，该位置对应于壳体中的待形成的保留区域。
有利地，纤维预制件构成壳体100的完整管状纤维增强体，构成具有与壳体的保留区域相对应的较厚部分的单一部件。
为此目的，心轴200具有与待制造壳体的内表面相对应轮廓的外表面201。通过卷绕到心轴200上，纤维织构体140紧密贴合其轮廓。心轴200还具有用于形成与壳体100的凸缘104和105相对应的纤维预制件部分的两个颊板220和230。
当纤维预制件通过卷绕成形时，纤维织构体140和织物条150分别从储存它们的卷筒60和70中取出，并且如图5所示。
图6是在将纤维织构体140和织物条150作为多个层卷绕在心轴200上之后获得的纤维预制件300的截面图。层数或圈数是所需厚度和纤维织构体的厚度的函数。其最好不少于两个。在前述的示例中，预制件300包括纤维织构体140的四个层141至144和分别插入以下相邻层之间的织物条150的三个层151至153：141和142；142和143；以及143和144。
获得了具有较厚部分310的纤维预制件300，所述较厚部分310通过将织物条150的层151至153插入纤维织构体140的叠加层141至144之间来形成。纤维预制件300还具有对应于壳体端部120和130的端部320和330。
之后，纤维预制件300用基质致密化。
使纤维预成形件致密化包括用构成基质的材料填充预制件的孔的所有或部分体积。
该基质可以使用液体技术以已知的方式获得。
液体技术用含有基质材料的有机前体的液体组合物浸渍所述预制件。有机前体通常是聚合物形式，例如树脂，其能够在溶剂中稀释。将纤维预制件放置在模具中，该模具可以用最终模制部件形状的凹部以密封方式闭合。如图7所示，该示例中的纤维预制件300放置在形成模具盖的多个区(secor)240与形成支撑件的心轴200之间，这些元件分别具有待制造壳体的外部形状和内部形状。随后，将液体基质前体(例如，树脂)注入整个凹部中以浸渍预制件的所有纤维部分。
通常在消除任何溶剂并清除聚合物之后，在预制件继续保持在形状与待制造的部件的形状相匹配的模具中的情况下，通过热处理(通常通过对模具进行加热)，将前体转化成有机基质，即，其进行了聚合。有机基质可以特别适用环氧树脂获得，例如，市售可获得的高性能环氧树脂，或由碳或陶瓷基质的液态前体获得。
当形成碳或陶瓷基质时，所述热处理包括对有机前体进行热解以根据所用前体和热解条件将有机基质转变成碳或陶瓷基质。例如，碳的液态前体可以是相对高焦炭含量的树脂，例如酚型树脂，而陶瓷(尤其是sic)的液态前体可以是聚碳硅烷(pcs)型、或含钛聚碳硅烷(ptcs)型、或聚硅氮烷(psz)型的树脂。可以进行从浸渍到热处理的多个连续循环，以实现所需的致密化程度。
在本发明的一个方面中，纤维预制件可以通过已知的树脂传递模塑(rtm)法进行致密化。在rtm法中，纤维预制件放置在具有待制造壳体形状的模具中。将热固型树脂注入限定在心轴200和模具盖240之间且含有纤维预制件的内部空间中。大体在树脂注入和树脂排放孔的位置之间的内部空间中建立压力梯度，以及控制并优化用树脂对预制件的浸渍。
例如，所用树脂可以是环氧树脂。适用于rtm方法的树脂是人们熟知的。它们优选具有低粘度以便于注入纤维之间。树脂的温度等级和/或化学性质根据部件所要承受的热机械应力进行选择。一旦树脂注入整个增强体，则其按照rtm方法通过热处理进行聚合。
在注入和聚合后，部件进行脱模。部件最后进行修整以去除多余的树脂，并且机械加工倒角以获得如图1和图2所示的壳体100。
在本发明的变体实施方式中，在纤维织构体卷绕在心轴上的同时，将充气材料插入纤维织构体的相邻圈之间。如图9所示，其可以获得壳体200，其中，增强体通过呈现三维或多层编织的条形式的纤维织构体240的多个叠加层241至244构成，层141至244各自对应于纤维织构体240的一个卷绕圈，并且充气材料250在该示例中以条的形式插入纤维织构体的两个相邻层之间。此外，充气材料条250呈现的宽度l250小于纤维织构体240的宽度l240，并且其限定了壳体200的保留区域。在前面所述的示例中，充气材料250的三层251至253插入纤维织构体240的叠加层241至244之间，层251至253各自对应于充气材料条250的一个卷绕圈。一般来说，对于n层纤维织构体(各自对应于所述纤维织构体的一圈卷绕圈)，存在n-1层充气材料(各自对应于所述织物条的一圈卷绕圈)。
通过在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间以此方式插入一层充气材料层，可以在壳体中形成适于构成保留护罩或区域的较厚部分，同时与其中较厚部分仅由具有厚度变化的纤维织构体制成的壳体(如文献ep1961923)相比，其使得所获得壳体的总体重量最小化。
充气材料可以具有各种不同形式，例如，连续条或卷绕前进时首尾相连加上的多个段。其还可以具有多种形状。特别是，在其整个宽度上，可以存在厚度变化的轮廓，使得可以限定较厚部分在纤维增强体宽度方向上变化的厚度。
充气材料可以特别由泡沫或蜂窝型多孔结构制成。在前述示例中，充气材料250由泡沫条构成。
对于泡沫，其优选具有相对较小的压缩比，使得在用纤维织构体卷绕期间不会过度平化，由此确保形成较厚部分。所用泡沫优选适用于保持其完整性和性能，特别是其在约200℃的温度和约1mpa的压力下(对应于制造复合材料壳体的条件)的压缩性能，即，其适合承受所述温度和压力。
作为非限制性示例，
如上所述，还可以使用多孔结构，因为该结构是易于卷绕的，并且具有承受压缩的良好能力。多孔结构可以具体是来自hexcel的nomex蜂窝体。
制造风扇壳体200的方法对应于制造壳体100的上述方法，差异仅在于将一层充气材料替代织物条插入纤维织构体的相邻圈之间。
图10是在将纤维织构体240和充气材料条250作为多个层卷绕在心轴200上之后获得的纤维预制件400的截面图。层数或圈数是所需厚度和纤维织构体的厚度的函数。其最好不少于两个。在前述的示例中，预制件400包括纤维织构体240的四个层241至244和分别插入以下相邻层之间的充气材料条250的三个层251至253：241和242；242和243；以及243和244。
获得了具有较厚部分310的纤维预制件400，所述较厚部分310通过将充气材料条250的层251至253插入纤维织构体240的叠加层241至244之间来形成。纤维预制件400还具有对应于壳体凸缘204和205的端部420、430(图9)。
随后，纤维预制件400以预制件300所述的相同方法用基质进行致密化。
在注入和聚合后，部件进行脱模。最后，部件进行修整以去除多余的树脂，并且机械加工倒角以获得如图9所示的壳体200。