专利名称：飞行器转子的叶片和相关形成方法
技术领域：
本发明涉及飞行器(aircraft，飞机，航空器)转子的叶片和相关形成方法。本发明特别有利地用于能够盘旋的飞行器，诸如下文描述的仅作为例子参考的直升机，或者垂直升降飞机，但并不局限于此。
背景技术：
由复合材料制成的直升机转子叶片是已知的。在下文说明书和权利要求中，“复合材料(composite material)”意思是通过将热定形树脂基体和包括加固(例如玻璃、碳或石墨)纤维的分散相进行组合而产生的非金属材料。复合材料具有优于传统金属材料的许多优点:关于多功能性、耐久性和通常低于金属材料的比重，它们具有极好的机械特性；它们对疲劳和腐蚀有高度抵抗力；以及它们的结构更可靠，即由于裂纹形成导致的故障需要相对长时间，因而使得更易于检测异常。已知的叶片通常包括:根部部分(root portion,根部),其被连接至转子毂；以及，主要部分，其限定叶片本身的本体。通常，这种叶片通过在连续的一些阶段中成形主要结构而制成，该主要结构包括通过粘合剂结合的许多复合材料组分，并且其可能为结构性组分或填料，即低机械性能组分。通过沉积一层或更多层预浸树脂的连续(长)织物纤维，例如碳或玻璃纤维制成该结构性组分；而在填料组分中，纤维不连续(短)。所有组分都在各个聚合阶段单独地制成，并且然后使用粘合剂结合，以形成主要结构。
然后，以另外的多层复合材料(通常是预浸树脂的玻璃纤维)覆盖该主要结构，以形成叶片的外部蒙皮(outer skin，外皮)；并且然后将如此形成的整体在模具中聚合至最终构造。在关于制造的方案中有一种需求，通过其降低在叶片根部的局部故障的风险，上述局部故障快速地传播到周围区域并且导致叶片从转子完全脱离。
发明内容
本发明的目标是提供一种经设计以满足该需求的简单、低成本飞行器转子的叶片。根据本发明，提供一种飞行器转子的叶片，包括:根部部分，该根部部分具有贯穿座(through seat)并且被设计用于连接至转子；以及主要部分，该主要部分从所述根部部分延伸；所述叶片通过使组件(assembly)聚合(polymerizing)而产生,该组件包括复合材料的主要结构以及限定叶片的外部表面的复合材料覆盖物；叶片特征在于，在所述根部部分处，所述主要结构包括:带轮廓的块(contoured block,成型块)；以及薄片构件(laminamember,薄板构件,层状构件),该薄片构件在所述块的至少部分周围延伸，并且具有附着至(adhering to,粘附至)所述块的第一外围部分的第一部分(part,部件)，以及与该块的第二外围部分间隔开并且与其面对以形成所述贯穿座的第二部分；所述薄片构件包括连续单向纤维(continuous unidirectional fibres)的预浸料(pre-preg,预浸料还，预浸溃制品)。根据本发明，也提供一种形成飞行器转子的叶片的方法；所述叶片包括:根部部分，该根部部分具有贯穿座并且经设计用于连接至转子；以及主要部分，该主要部分从所述根部部分延伸；所述方法包括使组件聚合的步骤，该组件包括复合材料的主要结构以及限定叶片的外部表面的复合材料覆盖物；所述方法的特征在于，在所述根部部分处，所述主要结构通过下列方式形成:-形成带轮廓的块；-将至少部分所述块封入(enclosing,装入,封闭)在薄片构件中，以便所述薄片构件的第一部分附着至所述块的第一外围部分，以及薄片构件的第二部分与所述块的第二外围部分间隔开并且面对该第二外围部分以形成所述贯穿座；所述薄片构件包括连续单向纤维的预浸料。
将参照附图，通过例子的方式描述本发明的优选实施例，在附图中:图1示出根据本发明教导的飞行器(尤其是直升机)的转子叶片的透视图；图2示出图1叶片的根部部分的主要结构的透视图；图3示出图2叶片根部部分的主要结构的透视分解图；图4示出第一形成步骤后，图2叶片根部部分的主要结构的组成部分的透视图；图5和图6示出通过其产生图4组件的工具的两幅透视图，为了清晰起见移除一些部分；图7示出图2叶片根部部分的主要结构的基础产品的透视图；图8-图10示出通过其形成图7基础产品的工具的三幅透视图，为了清晰起见移除一些部分；图11示出图7基础产品被加工为其最终形状的透视图。
具体实施例方式图1中的数字I从整体上指示飞行器的已知转子(未示出)的叶片，飞行器尤其是能够盘旋的飞行器，诸如已知的直升机(未示出)。叶片I基本包括:根部部分2，其具有贯穿座3并且经设计用于连接至已知转子毂(未示出)；以及主要部分4，其主要在纵向方向A上从根部部分2延伸并且限定叶片I的本体。贯穿座3具有垂直于方向A的轴线B。叶片I通过使用根据本发明的形成方法由复合材料制成。更特别地，通过使下列组件聚合而产生叶片1，该组件包括复合材料的主要结构5(图2和图3)，以及限定叶片I的蒙皮或外部表面7的复合材料覆盖物6 (图1)。如下生产主要结构5。首先，使用如图5和6中所示的工具9通过聚合制成复合材料的带轮廓的块8(图4)。更特别地，工具9限定内部腔10，其中布置树脂和纤维的预浸料的连续层或薄片。在所示例子中，纤维是连续的，并且在各个层中以不同的预定编织图样编织，并且优选地为
石墨纤维。如图6中所示， 工具9的腔10被设计成同时产生四个相同的块8，每个块都通过下列方式产生，即以每两个相邻层之间的中间粘合剂层叠合许多预浸料的层。一旦将这些预浸料层布置在腔10内部，就通过盖子11 (图5)将其在顶部封入，并且以预定温度和压力聚合这些层。这得到一个基本棱形块8，该块在侧面上由弯曲、基本C形的第一外围表面12界定，以及由横向地连接外围表面12的相对自由端边缘的平坦第二外围表面13界定，并且通过各个相对平坦面14和15在顶部和底部处界定。如图4和图7中所示，块8从外围表面13渐缩。在这点上，整体上以16指示(图2、图3、图7、图8、图9、图11)的复合材料的薄片
构件绕块8缠绕。优选地，薄片构件16为环形。在本说明书和附加的权利要求中，使用术语“环形(annular)”的最宽含义，以指示无端(endless)的外形(profiIe,轮廓)，并且因此不仅包括圆形,而且也包括卵形、椭圆形和任何形状的无端的外形。薄片构件16被定位成:第一部分17附着至块8的外围表面12，以及第二部分18与块8的外围表面13间隔开并且与其面对以形成叶片I的根部部分2的座3。在所示例子中，部分17和18都是以它们的凹部面对的C形。通过粘合剂将薄片构件16的部分17固定至块8的外围表面12。使用工具20 (图8-图10)将薄片构件16围绕块8进行缠绕，工具20基本包括块8定位于其上的支撑板21以及成形组件22。如图9中所示，成形组件22包括许多金属内部成型构件23，这些金属内部成型构件邻接块8而固定至板21，以与块8形成一种模具24，绕该模具缠绕薄片构件16。换句话说，成型构件23被成型以整体上形成为薄片构件16的部分18的内部外形。为了缠绕在薄片构件上，板21被固定到从板21的一侧垂直突出的心轴25。心轴25的旋转使模具24旋转，因而将薄片构件16进给缠绕到模具24上。工具20也包括:绕薄片构件16固定至板21的许多外部成型构件26 (图10)，以形成薄片构件16的外部外形；以及覆盖板27 (图8和图10)，其被平行于并且面对板21地固定至成型构件26。有利地，薄片构件16由树脂和连续单向的优选为石墨纤维的预浸料制成。一旦在板21、成型构件23和26、以及覆盖板27之间封入，就以预定温度和压力聚合块8和薄片构件16。结果是在图7中以30整体指示的产品。在这点上，产品30经受进一步的形成操作，以相对于块8的高度降低薄片构件16的高度，并且在块8的两个相对面14和15的相对侧上形成各自的阶梯31，如图11中所示。限定叶片I的根部部分2的最终产品30被固定至在方向A中延伸的已知纵向构件32 (仅在图3中部分不出)。
更特别地,通过图3中34指示的短纤维复合材料的插入(interposition),将纵向构件32的一端33在块8的相对侧上固定至薄片构件16的部分17。在所示例子中，材料34为树脂和短玻璃纤维的预浸料。
然后，将如此形成的组件在相对两侧上安装底部箍35和顶部箍36 (图2和图3)，底部箍和顶部箍都由复合材料制成，在所示例子中为树脂和长(优选石墨)纤维的预浸料制成。更特别地，每个箍35、36都包括条状主要部分37，主要部分在一端处终止为限定贯通开口 39的环形部分38。箍35、36被定位成:主要部分37附着至纵向构件32的相对两侧，以及环形部分38接合产品30的各自阶梯31并且与薄片构件16同轴，以便限定座3。换句话说，薄片构件16被夹在箍35和36之间。这完成了主要结构5，向主要结构施加长纤维预浸料(优选树脂和长玻璃纤维的预浸料)的连续多层以形成覆盖件6，并且聚合该整体，以获得最终叶片I。通过上述描述，根据本发明教导的叶片I和相关形成方法的优点将显而易见。具体地，在由连续单向纤维的预浸料制成的薄片构件16中封入块8最小化任一箍35、36故障的情况下，叶片I从转子毂脱离的风险。实际上，在该事件发生的情况下，负荷将被传递到经设计以抵抗应力的薄片构件16。块8也经设计，以与薄片构件16协作,从而抵抗任一箍35、36故障导致的应力。换句话说，对叶片I的根部部分2设计的新型方案提供根部部分区域的“结构冗余(structural redundancy)”,而不明显增加重量。通过由石墨纤维的预浸料制作箍35、36实现进一步结构冗余,其比已知的方案更耐应力。
然而，显而易见的是，在不偏离附加权利要求限定的保护范围的情况下，可对本文所述和示出的叶片I和相关形成方法做出改变。例如，薄片构件16不必为环形，即可为U形外形，通过相对两端部分附着至块8。块8甚至可由短纤维复合材料制成。最后，块8和薄片构件16甚至可由不同的(例如碳或玻璃)纤维制成。
权利要求
1.一种飞行器转子的叶片(1)，所述叶片包括:根部部分(2)，所述根部分具有贯穿座(3)并且被设计用于连接至所述转子；以及主要部分(4)，所述主要部分从所述根部部分(2)延伸；所述叶片(I)通过使组件聚合而产生，所述组件包括:复合材料的主要结构(5)、以及复合材料覆盖物(6)，所述复合材料覆盖物限定所述叶片(I)的外部表面(7)； 所述叶片的特征在于，在所述根部部分(2)处，所述主要结构(5)包括:带轮廓的块(8);以及薄片构件(16)，所述薄片构件围绕所述块(8)的至少部分延伸，并且具有第一部分(17)和第二部分(18)，所述第一部分附着至所述块(8)的第一外围部分(12)，所述第二部分与所述块(8)的第二外围部分(13)间隔开且面对所述第二外围部分以形成所述座(3)；所述薄片构件(16)包括连续单向纤维的预浸料。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述薄片构件(16)具有限定环形无端路径的外形。
3.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述块(8)由通过插入粘合剂而叠合且被聚合的预浸料层制成。
4.根据权利要求3所述的叶片，其中，所述块(8)的所述预浸料层为连续纤维的类型。
5.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述薄片构件(16)的所述第一部分(17)通过粘合剂固定至所述块(8)的所述第一外围部分(12)。
6.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述主要结构(5)包括第一箍和第二箍(35、36)，所述第一箍和第二箍由复合材料制成并且被施加至所述块(8)和所述薄片构件(16)的相对侧。
7.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述第一箍和第二箍(35、36)包括连续纤维的预浸料。
8.根据权利要求7所述的叶片，其中，所述第一箍和第二箍(35、36)的所述纤维为包括碳的纤维，或石墨纤维。
9.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述薄片构件(16)被夹入于所述第一箍和第二箍(35、36)之间。
10.根据权利要求6所述的叶片，其中，所述第一箍和第二箍(35、36)各自具有贯通开口(39)，所述贯通开口具有与所述薄片构件(16)对准的边缘以限定所述座(3)。
11.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述主要结构(5)包括纵向构件(32)，所述纵向构件的一端(33)通过短纤维复合材料(34)的插入而在与所述块(8)相对侧上固定至所述薄片构件(16)的所述第一部分(17)。
12.根据权利要求1所述的叶片，其中，所述块(8)和/或所述薄片构件(16)的所述纤维为包括碳的纤维，或者石墨纤维。
13.一种形成飞行器转子的叶片(I)的方法，所述叶片(I)包括:根部部分(2)，所述根部部分具有贯穿座(3)并且被设计用于连接至所述转子；以及主要部分(4)，所述主要部分从所述根部部分(2)延伸；所述方法包括使组件聚合的步骤，所述组件包括:复合材料的主要结构(5)，以 及复合材料覆盖物(6)，所述复合材料覆盖物限定所述叶片(I)的外部表面(7)； 所述方法的特征在于，在所述根部部分(2)处，所述主要结构(5)通过下列步骤形成: -形成带轮廓的块(8)；-将至少部分所述块(8)封入薄片构件(16)中，以使所述薄片构件(16)的第一部分(17)附着至所述块(8)的第一外围部分(12)，以及使所述薄片构件(16)的第二部分(18)与所述块(8)的第二外围部分(13)间隔开且面对所述第二外围部分以形成所述座(3)； 所述薄片构件包括连续单向纤维的预浸料。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述薄片构件(16)具有无端环形的外形，并且绕整个所述块(8)进行缠绕。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，通过由插入粘合剂叠合而形成连续预浸料层，并且通过使这个整体聚合，来产生所述块(8 )。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述块(8)的所述预浸料层为连续纤维的类型。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，所述薄片构件(16)的所述第一部分(17)通过粘合剂固定至所述块(8)的所述第一外围部分(12)。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，由所述块(8)和所述薄片构件(16)形成的整体被聚合。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述主要结构(5)包括进一步的步骤，SP向所述块(8)和所述薄片构件(16)的相对侧施加复合材料的第一箍和第二箍(35、36)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一箍和第二箍(35、36)由连续纤维的预浸料制成。`
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一箍和第二箍(35、36)的所述纤维为包括碳的纤维，或石墨纤维。
22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述薄片构件(16)被夹入于所述第一箍和第二箍(35、36)之间。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，形成所述主要结构(5)包括进一步的步骤，即通过插入短纤维复合材料(34 )，将纵向构件(32 )的一端(33 )在与所述块(8 )相对侧上固定到所述薄片构件(16)的所述第一部分(17)。
24.根据权利要求13所述的方法，其中，所述块(8)和/或所述薄片构件(16)的所述纤维为包括碳的纤维，或者石墨纤维。
全文摘要
本发明提供了一种飞行器转子的叶片(1)及形成方法，所述叶片具有根部部分(2)，其具有贯穿座(3)且被设计用于连接至转子；以及主要部分(4)，其从根部部分(2)延伸。通过聚合组件产生叶片(1)，该组件具有复合材料的主要结构(5)以及限定叶片(1)的外部表面(7)的复合材料覆盖物(6)。在根部部分(2)处，主要结构(5)具有带轮廓的块(8)；以及薄片构件(16)，其在块(8)的至少部分的周围延伸，并且具有附着至块(8)的第一外围部分(12)的第一部分(17)，以及与块(8)的第二外围部分(13)间隔开并且与其面对的第二部分(18)，以形成座(3)；薄片构件(16)具有连续单向纤维的预浸料。
文档编号B64C11/16GK103241367SQ20131005272
公开日2013年8月14日 申请日期2013年2月17日 优先权日2012年2月9日
发明者麦希尔斯·法比奥·纳诺尼, 弗朗切斯科·斯卡皮内洛, 朱塞佩·马嫩蒂 申请人:奥格斯塔韦斯兰股份公司