飞机发动机气流矫直叶片以及相关气流矫直结构的制作方法
【专利摘要】由复合材料制成的气流矫直叶片(23)，其包括由三维纺织品连杆制成的芯体(36)，该芯体(36)被织物罩(39)环绕，该芯体和罩通过热固性树脂固定。
【专利说明】飞机发动机气流矫直叶片以及相关气流矫直结构
【技术领域】
[0001]本发明一般涉及飞机的双流涡轮机领域，特别涉及次流矫直叶片以及相关气流矫
直结构。
【背景技术】
[0002]正如本身已知的，如图1所示，一种双流涡轮喷气发动机的推进单元特别包括外部结构I，该外部结构I包括形成进气口的上游部3，中间部5，形成发动机风机7壳体的内表层6，以及包含有推力反向装置的下游部9。
[0003]发动机舱进一步包括内部结构11，该内部结构11具有发动机15的整流罩13。
[0004]由外部结构I的内表层6及内部结构11的整流罩13特别限定有一容积，该容积限定一环形空气流路17，不同于发动机15产生的热空气，该环形空气流路17被称为“冷空气流路”。
[0005]风机7基本由具有叶片19的推进器组成，该叶片19旋转地设置于连接到并且位于支座21中心的旋转轴上,支座21通过图1中一组横向结构25与风机壳体6相连,横向结构25于冷空气流路17内径向延伸，例如结构臂能呈90或120度分布。
[0006]气流矫直结构位于相同的冷空气流路17内，气流矫直结构包括气流矫直叶片23，也被称为OGV “出口引导叶片”，可反向矫直由风机7产生的冷气流。
[0007]已知，用OGV叶轮的概念取代结构臂，从而保证气流矫直以及使支座21与风机壳体6相连的两项功能。
[0008]已知，被称为结构化OGV叶轮的OGVs为金属。
[0009]已知，非结构化复合材料OGV叶轮与金属结构臂关联。
[0010]复合材料和结构化OGVs的设计可完全或部分克服结构臂存在的重大挑战，即在其端部上设计和生产这些叶片的紧固件以及紧固件与叶片体的结构连续性。
【发明内容】
[0011 ] 本发明的目的在于提供由复合材料制成的，用于结构化气流矫直结构的叶片，其具有增强的耐受/重量比。
[0012]本发明目的及其它特征将根据如下说明书中由复合材料制成的气流矫直叶片实现，其包括由三维纺织品连杆制成的芯体，该芯体被织物罩环绕，该芯体和罩通过热固性树脂固定。
[0013]由于这些特征，气流矫直叶片的三维织物纤维芯体具有强耐受性，并且在芯体与织物罩都具有重量优势的情况下，织物罩具有理想形状以及对于最终冲击的耐受性。
[0014]本发明的气流矫直叶片的其他附加特征如下:
[0015]-所述织物连杆具有将叶片连接到气流矫直结构叶轮上的端部；
[0016]-所述端部具有自其包括T形，L形，燕尾形，平行于叶片平面，横切于叶片平面，相对叶片平面倾斜，折叠形或扭曲形中选出的形状；[0017]-所述芯体和所述罩由纤维制成，其由包括碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维的一组中选择；
[0018]-所述树脂为一组自热固性树脂中选择的注入方法兼容的树脂，例如环氧树脂和聚酰亚胺树脂，或者是一组热塑性树脂，例如PEEK，PPS ；
[0019]-所述织物由二维织物，缝纫织物或编织织物，以及三维织物中选出；
[0020]-芯体和罩通过横向纤维或横向缝线相连接；
[0021 ]-所述叶片包括加强元件，其自一组包括尾板，插入件，刚性元件中选出，用于形成iu缘并涂布抗腐蚀涂层；
[0022]-所述叶片包括一个或多个中空区域；
[0023]-所述叶片包括一个或多个轻量核(lightenednuclei)；
[0024]-所述芯体具有由一组包括平行杆形，H形，多杆式H形，O形，W形，M形，平行杆式X形，X形，K形，倒K形，N形，倒N形中选出的一形状。
[0025]本发明同时也涉及一种气流矫直结构，其包括小直径叶轮，其内部设置有风机支座，大直径叶轮，以及如前所述一致的多个叶片，所述叶片通过其终端与两叶轮配合。
[0026]所述气流矫直结构的可选特征如下:
[0027]-所述叶片的罩被接合；
[0028]-所述叶片设置于连接结构臂的位置之间，其位于所述支座和所述大直径叶轮之间。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]本发明的其他特征和优点在随后的说明书和所附附图将更为明显，其中:
[0030]-图1所示为，本说明书前文评述的，现有技术中发动机舱和发动机组的纵向半剖视图；
[0031]-图2、3、4、5所示为根据本发明气流矫直叶片一实施例的侧面透视图，其分别根据V-V线和V1-VI线进行截面；
[0032]-图5a和5b所示为如何制造具有T端部的芯体；
[0033]-图5c所示为如何制造相对于叶片平面枢转90度的U形端芯体；
[0034]-图6a，6b，6c所示根据本发明的气流矫直叶片的另一实施例的部分透视图；
[0035]-图6d，6e，6f所示为类似于图5中本发明的气流矫直叶片的不同可能的结构，特别是使这些叶片与气流矫直结构叶轮相连的织物连杆的不同端部的剖面图；
[0036]-图7所示为图2-5中的叶片的侧视图，其显示了接收加载的优选方向；
[0037]-图8至18所示为类似于图7的根据本发明的气流矫直叶片的另一实施例。
[0038]通过这组附图，同样的或相似的附图标记指示同样的或相似的构件或构件组。
[0039]还须注意的是，我们在这些附图中表示了三个坐标轴X，Y, Z用于描述上述附图，其分别为设置于飞机上的发动机的纵向、横向和垂直方向。
[0040]出于简化考虑，假设每一叶片的平均平面大体上平行于XZ平面，但准确来讲这显然不符合实际情况，因为叶片应具有一定入射角度来进行气流矫直。
【具体实施方式】[0041]参见图2至5和7，其所示为根据本发明示出的与第一实施例一致的气流矫直叶片。
[0042]如上述附图所示，叶片23包括由两个“织物连杆” 37a和37b制成的芯体36，其可由三维玻璃纤维或者三维碳纤维或者三维芳纶织物获取。
[0043]根据第一变形例，该“织物连杆”能通过三维机织获取。
[0044]例如,该“织物连杆”能从BITEAM公司(www.biteam.com)的相关具体产品中获取。
[0045]三维机织可以通过将一条经纱和一或两条纬纱分别设置于两或三个大体上正交的空间方向获取(根据两主方向大致彼此正交，相同的纬纱穿过经纱之间来覆盖横切经纱的平面所有方向上的交织，或者分开的纬纱在横切经纱的平面上形成交织)。
[0046]根据第二变形例，该“织物连杆”能通过矩阵编织机获取。
[0047]两个连杆37a和37b被织物罩39包围，其可由二维织物、编织或缝纫织物纤维，或者三维织物的至少一层制成。
[0048]二维织物通过机织在折叠平均平面上彼此大体上正交的经纱纤维和纬纱纤维获取。根据所选机织图案，本领域技术人员通常把该织物称为纺织物，服饰，塔夫绸，斜纹织品或缎。
[0049]二维织物通过机织纤维获取，其是根据所谓的编织方法的两个方向交叉以及最终根据编织方向的第三纵向纤维交叉，所有纤维均大体位于折叠的平均平面上。
[0050]二维缝纫织物通过在不同方向叠加两层或多层纤维层获取，不同层通过具有或多或少间隔的缝纫而接合。
[0051]三维织物由通过不同层之间的一些纤维交织横向纤维而叠加接合在一起的纤维层制成。本领域技术人员通常把该织物称为三维纺织物或三维双罗纹针织物，或层对层双罗纹针织物。
[0052]形成上述织物的纤维例如可以是碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维。
[0053]罩39由至少一个上述织物堆叠组成。当多个层堆叠时，每一层可以选取与其它层不同的取向。
[0054]形成罩的折叠层的堆叠也可以由厚度方向上的附加横向缝线，通过例如所谓的缝纫接拼(特别是支柱编织型的缝纫)或簇绒或针织的方法，接合在一起。
[0055]整合成型或随后报告至气流矫直叶片的附加元件，例如插入件，板，尾型外板，元件用于形成前缘，全部元件可以例如是金属或烤瓷合金。
[0056]可以进一步考虑，在气流矫直叶片23的前缘上涂布抗腐蚀涂层。
[0057]如多幅附图所示，依赖于三维芯体的机织或编织原理允许改变包括芯体终端的织物连杆的结构，从而获得易于组装的不同端部形状。
[0058]三维机织或纺织的特征能提供，具有从一部分至另一部分的纤维连续性优点的、多种可能形状，其包括大体上与最大连杆长度平行的纤维经纱。
[0059]在如图2、3和4所示的第一结构中，芯体36的连杆37a和37b可以在其各自端部分别塑以T形的41a，41b或者U形的43a，43b，其分别相对于涡轮喷气发动机的轴A以切向和径向的方式定向，即在这种情况下，根据均横切于XZ平面的两不同方向XY和YZ以及小孔的装配，终端分别与气流矫直装置的大叶轮29和小叶轮27连接。
[0060]更准确地说，如图5a和图5b所示，织物连杆37的T形端可以先通过对两分支路42a, 42b分开的区域进行三维机织形成某种Y(图5a)，再通过成形操作(图5b)撇开以获取T形端41a, 41b。
[0061]三维机织或编织技术能以相同的方式改变织物连杆的经纱纤维的分布，同时维持其大体上平行于连杆最大长度方向的定向。
[0062]如图5c所示，织物连杆包括两个矩形截面42c，42d，并且相对于彼此大约枢转90度:图2-5所示为对应叶片连杆的端部43a，43b的结构实例。
[0063]截面42c到截面42d的过渡由大体上正方的中间区域42e完成，组织经纱纤维42f的分布以实现该过度。
[0064]如图2和图4所示，罩39可以包括卷起的切向部45a，45b和47b，该罩39能具有足够大的圆周长度从一叶片连续延伸至另一叶片。
[0065]该罩能参与固定大叶轮29和小叶轮27并且/或弥补内部和/或外部套圈的空气动力学外形。
[0066]如图5所示，气流矫直叶片可以包括位于连杆37a和37b之间的区域49，其可以是中空或者填充有轻量材料，例如刚性闭孔泡沫，例如低密度泡沫和与固定树脂及实施温度相兼容的材料。
[0067]例如,可以应用泡沫密度介于40kg/m3和优选低于250kg/m3之间的聚氨酯,聚氯乙烯或聚酰亚胺等。
[0068]该轻量泡沫的存在能避免在气流矫直叶片加工过程中空腔49的树脂填充，从而导致优异的重量经济效益:该泡沫比树脂轻4至20倍。
[0069]由一组芯体36，罩39，最终轻量核组成的叶片23被树脂浸溃固定并且其硬度赋予叶片其刚度、耐受性和形状。
[0070]准备好的不同元件置于注入树脂的模具内部。RTM(树脂传递模塑)注入法可用于刚性封闭模具以获取全部具有精准维度的表面。一种具有弹性工具部或任意可选注入成型环境的真空注入类方法也可以使用。
[0071]在一实施例中，叶片的中空主体可由，被一端部引入工具元件以及在脱模期间取出的方法，或者在罩的两表面之间插入核以及在脱模后通过熔化或溶解移除核的方法，来制成。
[0072]树脂根据叶片操作温度选择，属于热固性环氧树脂类的聚酰亚胺，聚酯，乙烯基酯，氰酸酯或此类物质的派生物，或热塑性树脂类，例如PPS PEEKPEKK、PEI。
[0073]最终，叶片可与内部叶轮27和外部叶轮29具有精密几何公差的相连接，例如为了修剪出(crop)U形端面的轮廓，使U形端面的侧翼成平面以及切断链路(bindings)的通路，可以对全部或部分端部区域进行加工。
[0074]根据前文所述，根据本发明的气流矫直叶片包括严格来讲由芯体36形成的结构部，由于碳纤维，玻璃纤维或芳纶纤维的三维机织特征，该结构部极具耐受性，并且非常轻量化。
[0075]根据本发明的气流矫直叶片同时也包括限定空气动力学轮廓的部件，其通过二维或三维织物罩获取。
[0076]被树脂固定在一起的芯体36和罩39相互配合提供一种同时非常轻量和高耐受性的气流矫直叶片，其完美适用于冷空气流路17，以便使发动机连接至发动机舱的悬挂件。[0077]图6a，6b，6c所示为矫直叶片终端的可能变形例。
[0078]图6a所示为径向U形43a，43b，其相对于贯穿发动机舱轴A的平面以及XZ平面具有一定角度的倾斜。
[0079]图6b所示为L形终端41a，41b，其从叶片的同侧以大体上正切的方向延伸出，即位于大体上平行于XY平面的方向。
[0080]图6c所示为，延伸出的终端41a, 41b大体上具有燕尾形。
[0081]这些变形例并不是限定性的，也可以相互结合。
[0082]图6d，6e，6f所示为矫直叶片的可选结构。
[0083]图6d所示为，罩39由管状纺织层组成，其封装织物连杆37a，37b和泡沫核51。
[0084]图6e所示为，罩39由围绕叶片折叠的开孔织物制成，例如在前缘53处。
[0085]图6f所示为，罩39由两个子罩39a和39b组成，每一个子罩构成叶片的两表面之
O
[0086]根据变形例中连杆36和罩39的关联，罩可由穿过厚度方向的附加链带连接到至少一个连杆。
[0087]因此，根据第一变形例，碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维，通过例如簇绒或针织的方法，横切插入罩39并且插入连杆36的至少一部分，或者通过相同的方法或缝纫的方法，完全穿透连杆。
[0088]在第二变形例中，刚性薄膜元件横向插入罩39的平面上，该刚性薄膜元件通过碳纤维或芳纶纤维或玻璃纤维的复合针织拉挤，该刚性元件是以细钉或钉书针形式的金属缝线。该刚性元件可以，根据钉合或Z穿针(Z-pining)的方法，插入。
[0089]图8-18所示为芯体36的不同可能的变形例，图中箭头指向为通过形成芯体的连杆的优选加载方向。
[0090]更准确的是，直箭头指示力的传输，弯曲箭头指示力矩的传输。
[0091]因此，所示为:
[0092]-图8:H形芯体结构，其能耐受轴向力(X方向)和径向力(Z方向)，并提供一种可能在冷空气流路中循环的具有特别耐冲击的叶片，
[0093]-图9:具有多个连杆的H型结构，其能进一步耐受切向力矩(围绕Y轴方向力矩)，
[0094]-图10:0形结构，其能耐受径向(Z)和轴向⑴力，以及切向力矩(围绕Y轴方向)，
[0095]-图11:W形结构，其能耐受径向和轴向力，以及小叶轮27 —侧的切向力矩，
[0096]-图12:M形结构，其能耐受径向和轴向力，以及大叶轮29 —侧的切向力矩，
[0097]-图13:X形平行连杆结构，其能耐受径向和轴向力，以及大叶轮27和小叶轮29 —侧的切向力矩，
[0098]-图14:X形结构，其能耐受径向力和小叶轮27和大叶轮29 —侧的切向力矩27，
[0099]-图15和16:分别是K形和倒K形结构，其能耐受径向和轴向力，以及切向力矩，
[0100]-图17:M形结构，其能耐受径向力以及小叶轮27下游侧和大叶轮29上游侧的切向力矩，以及
[0101]-图18:倒N形结构，其能耐受径向力以及小叶轮27上游侧和大叶轮29下游侧的切向力矩。
[0102]显然，本发明并不仅限于通过简单例子提供所描述和示出的实施方式。
【权利要求】
1.由复合材料制成的气流矫直叶片(23)，其包括由三维织物连杆(37a，37b)制成的芯体(36)，该芯体(36)被织物罩(39)环绕，该连杆和罩通过热固性树脂固定。
2.根据权利要求1所述的叶片(23)，其中所述织物连杆(37a，37b)具有将叶片(23)连接到气流矫直结构叶轮(27，29)上的端部(41a，42b，43a，43b)。
3.根据权利要求2所述的叶片(23)，其中所述端部具有自一组形状中选择的形状，该组形状包括T形，L形，燕尾形，平行于叶片平面，横切于叶片平面，相对叶片平面倾斜，折叠形或扭曲形。
4.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述芯体(36)和所述罩(39)由一组纤维选择制成，其包括碳纤维，玻璃纤维和芳纶纤维。
5.根据前述任意一项权利要求所述的叶片(23)，其中所述树脂为一组自热固性树脂中选择的与注入方法兼容的树脂，例如环氧树脂和聚酰亚胺树脂，或者是一组热塑性树脂，例如 PEEK, PPS。
6.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述织物自二维织物、缝纫织物或编织织物，以及三维织物中选出。
7.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中芯体(36)和罩(39)通过横向纤维或横向缝线相连接。
8.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述叶片(23)包括加强元件，其选自一组包括尾型外板，插入件，刚性元件，用于形成前缘并涂布抗腐蚀涂层。
9.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述叶片(23)包括一个或多个中空区域。
10.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述叶片(23)包括一个或多个轻量核(49) ο
11.根据前述权利要求任一项所述的叶片(23)，其中所述芯体(36)具有一由一组包括平行杆形，H形，多杆式H形，O形，W形，M形，平行杆式X形，X形，K形，倒K形，N形，倒N形中选出的形状。
12.—种气流矫直结构，其包括小直径叶轮(27)，叶轮(27)内部设置有风机支座(21)，大直径叶轮(29)，以及与权利要求2所述一致的多个叶片(23)，所述叶片通过其端部(41a，41b, 43a, 43b)与两叶轮(27，29)配合。
13.根据权利要求12所述的气流矫直结构，其中所述叶片(23)的罩(39)被接合。
14.根据权利要求12或13所述的气流矫直结构，其中所述叶片设置于连接结构臂的位置之间，其位于所述支座和所述大直径叶轮(29)之间。
【文档编号】F01D25/28GK103987924SQ201280057641
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年11月13日 优先权日:2011年11月24日
【发明者】阿诺·奥丁, 贝特朗·德若约, 尼古拉斯·德泽斯特, 奥利维尔·凯尔布莱尓 申请人:埃尔塞乐公司