用于纤维增强复合材料面板的方法及系统与流程

本公开的领域大致涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言，涉及用于配设(tailoring)采用短纤维的纤维增强复合材料面板的面内特性的方法及系统。

背景技术：

至少一些已知的燃气涡轮发动机包括旋转构件，旋转构件安装到轴，并且，被护罩和/或罩壳环绕，护罩和/或罩壳提供通过燃气涡轮发动机的结构支撑和空气导流。例如，比如风扇叶片、压缩机以及涡轮之类的旋转构件与非常接近于护罩或罩壳而行进的相应的构件的尖端一起旋转。在例如鸟类被吸入至燃气涡轮发动机中之类的一些事件的期间，叶片可能接触护罩或罩壳。这样的事件典型地造成对护罩或罩壳和叶片的损伤。损伤还可能导致燃气涡轮发动机以较弱的能力操作，使修复成为必要。为了促进减轻这样的损伤且可能地预先阻止即时修复的必要性，一些护罩或罩壳装备有可磨损面板，可磨损面板为比如风扇叶片之类的旋转构件中的至少一些限界。可磨损面板用来形成风扇组件的流动路径的一部分。然而，在叶片接触风扇罩壳的可磨损面板的事件的期间，可磨损材料至少部分地弯曲，使对风扇叶片的损伤最小化。可磨损面板设计成相对容易替换或修复，以致于使事件后的修复罩壳的总维护时间最小化。万一发生较大的转子不平衡且风扇叶片接触可磨损面板后面的风扇罩壳构件，则风扇罩壳中的这些构件可能未配置成充分地弯曲而防止对风扇叶片的损伤。风扇罩壳中的这些构件通常形成为相对牢固且/或坚硬。虽然这些强度和刚度的特性在许多实例中可能是理想的，但在其他实例中可能是不利的。

技术实现要素：

在一个方面，风扇组件包括：多个叶片，围绕风扇盘周向地隔开，多个叶片中的各叶片从该盘径向地向外延伸至叶片尖端；和风扇壳体组件，为多个叶片限界。风扇壳体组件包括：径向外部罩壳，包括径向内侧；内部结构，包括内表面和沿着径向内侧延伸的蜂窝层；以及复合材料面板结构，包括内表面，并且，沿着内部结构内表面周向地延伸。复合材料面板结构包括仅部分地沿着复合材料面板结构中的周向路径、轴向路径以及对角线路径中的至少一者延伸的碳纤维、玻璃纤维以及芳族聚酸胺纤维中的至少一者的短纤维丝束。

在另一方面，制备带有具有多个长度和取向的短纤维丝束的复合材料面板结构的方法包括，形成多个短纤维丝束的多个层，其中，各短纤维丝束具有小于大约十二英寸的长度。各短纤维丝束沿着复合材料面板结构沿轴向方向、周向方向以及对角线方向中的至少一者取向。各层中的至少一些短纤维丝束与同一层或相邻层中的其他短纤维丝束端对端地邻接。

在又一方面，涡扇发动机包括核心发动机和风扇组件，核心发动机包括多级压缩机，风扇组件包括：风扇，由通过核心发动机中所生成的气体而驱动的动力涡轮来提供动力；多个叶片，围绕风扇盘周向地隔开，多个叶片中的各叶片从盘径向地向外延伸至叶片尖端；以及风扇壳体组件，为多个叶片限界。风扇壳体组件包括：径向外部罩壳；内部结构，包括沿着外部罩壳的径向内侧延伸的蜂窝层；以及复合材料面板结构，围绕内部结构的内表面周向地延伸，复合材料面板结构包括仅部分地沿着复合材料面板结构中的周向路径、轴向路径以及对角线路径中的至少一者延伸的短纤维丝束。

本发明还提供了以下技术方案。

技术方案1．一种风扇组件，包括：

多个叶片，围绕风扇盘周向地隔开，所述多个叶片中的各叶片从所述盘径向地向外延伸至叶片尖端；和

风扇壳体组件，为所述多个叶片限界，所述风扇壳体组件包括：

径向外部罩壳，包括径向内侧；

内部结构，包括沿着所述径向内侧延伸的内表面；以及

复合材料面板结构，包括内表面，并且沿着所述内部结构的内表面周向地延伸，所述复合材料面板结构包括仅部分地沿着复合材料面板结构中的周向路径、轴向路径以及对角线路径中的至少一者延伸的短纤维丝束。

技术方案2．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述复合材料面板结构根据下列中的至少一者而延伸：在所述内部结构的轴向前部延伸，和在所述内部结构的轴向后部延伸。

技术方案3．根据技术方案1所述的风扇组件，进一步包括沿着所述复合材料面板结构的所述内表面周向地延伸的可磨损层。

技术方案4．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述复合材料面板结构包括仅部分地环绕所述复合材料面板结构的周界延伸的多个复合材料面板扇区。

技术方案5．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述复合材料面板结构围绕所述风扇壳体组件的周界延伸360°，所述短纤维丝束周向地延伸小于45°。

技术方案6．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维和这些纤维的组合中的至少一者。

技术方案7．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述短纤维丝束在长度上延伸小于十二英寸。

技术方案8．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述短纤维丝束在长度上延伸小于八英寸。

技术方案9．根据技术方案1所述的风扇组件，其中，所述短纤维丝束在长度上延伸小于六英寸。

技术方案10．一种制备具有带有多个长度和取向的短纤维丝束的复合材料面板结构的方法，所述方法包括，形成多个短纤维丝束的多个层，所述短纤维丝束中的每个具有小于大约十二英寸的长度，所述短纤维丝束中的每个沿着所述复合材料面板结构在轴向方向、周向方向以及对角线方向中的至少一者上取向，各层中的所述短纤维丝束中的至少一些与同一层或相邻层中的其他短纤维丝束端对端地邻接。

技术方案11．根据技术方案10所述的方法，其中，形成多个短纤维丝束的多个层包括，形成多个短纤维丝束的层，其中，所述短纤维丝束中的每个具有小于大约八英寸的长度。

技术方案12．根据技术方案10所述的方法，其中，形成多个短纤维丝束的多个层包括，形成多个短纤维丝束的层，其中，所述短纤维丝束中的每个具有小于大约六英寸的长度。

技术方案13．根据技术方案10所述的方法，其中，形成多个短纤维丝束的多个层包括，形成包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维和这些纤维的组合中的至少一者的多个短纤维丝束的层。

技术方案14．根据技术方案10所述的方法，其中，形成多个短纤维丝束的多个层包括，形成多个短纤维丝束的层，所述层中的所述多个短纤维丝束与同一层或相邻层中的其他短纤维丝束端对端地邻接，其中，邻接点沿所述轴向方向、所述周向方向以及所述对角线方向中的至少一者而和相邻短纤维丝束与其他相邻短纤维丝束端对端地邻接的邻接点大致对准。

技术方案15．根据技术方案10所述的方法，其中，形成多个短纤维丝束的多个层包括，形成多个短纤维丝束的层，所述层中的所述多个短纤维丝束与同一层或相邻层中的其他短纤维丝束端对端地邻接，其中，邻接点从相邻短纤维丝束与其他相邻短纤维丝束端对端地邻接的邻接点沿所述轴向方向、所述周向方向以及所述对角线方向中的至少一者偏移。

技术方案16．一种涡扇发动机，包括：

核心发动机，包括多级压缩机；

风扇组件，包括：

多个叶片，其围绕风扇盘周向地隔开，由通过所述核心发动机中所生成的气体而驱动的动力涡轮提供动力，所述多个叶片中的各叶片从所述盘径向地向外延伸至叶片尖端；以及

风扇壳体组件，为所述多个叶片限界，所述风扇壳体组件包括：

径向外部罩壳，包括内侧；

内部结构，包括沿着所述径向内侧延伸的内表面；以及

复合材料面板结构，其包括内表面，并且沿着所述内部结构的内表面周向地延伸，所述复合材料面板结构包括仅部分地沿着所述复合材料面板结构中的周向路径、轴向路径以及对角线路径中的至少一者延伸的短纤维丝束。

技术方案17．根据技术方案16所述的发动机，其中，所述复合材料面板结构中的所述纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺纤维和这些纤维的组合中的至少一者。

技术方案18．根据技术方案16所述的发动机，其中，所述复合材料面板结构根据下列中的至少一者而延伸：在所述内部结构的轴向前部延伸，和在所述内部结构的轴向后部延伸。

技术方案19．根据技术方案16所述的发动机，进一步包括沿着所述复合材料面板结构的所述内表面周向地延伸的可磨损层。

技术方案20．根据技术方案16所述的发动机，其中，所述复合材料面板结构包括仅部分地环绕所述复合材料面板结构的周界延伸的多个复合材料面板扇区。

附图说明

在参考附图来阅读以下的详述时，将更清楚地理解本公开的这些及其他特征、方面以及优点，其中，在所有的附图中，相同的字符表示相同的零件，其中：

图1是示例性的涡轮发动机组件的横截面图；

图2是在图1所示风扇组件的后部看去时的轴向图；

图3是图2中所显示的风扇组件的一部分的侧视立视图；

图4a是图3中所显示的一层复合材料面板结构的铺叠(layup)；

图4b是图3中所显示的又一层复合材料面板结构的铺叠；

图4c是丝束铺放成各种取向的图3中所显示的一层复合材料面板结构的铺叠。

发动机组件.......................................................100

中心线轴线.......................................................111

核心发动机.......................................................112

风扇组件.........................................................114

外部罩壳.........................................................116

环形入口.........................................................118

增压压缩机.......................................................120

高压压缩机.......................................................121

燃烧器...........................................................122

燃烧火焰筒......................................................123

混合器组件.......................................................124

燃料喷嘴.........................................................125

高压涡轮.........................................................126

第一驱动轴.......................................................127

低压涡轮........................................................128

驱动轴...........................................................129

排气喷嘴........................................................130

叶片.............................................................240

风扇盘...........................................................242

径向外部罩壳.....................................................250

叶片尖端.........................................................302

内表面...........................................................304

风扇壳体组件.....................................................306

内部结构.........................................................308

可选择的蜂窝层...................................................309

径向内侧........................................................310

复合材料面板结构.................................................312

内表面...........................................................314

可磨损层.........................................................326

复合材料面板扇区.................................................328

纤维丝束.........................................................400

轴向方向.........................................................402

周向方向.........................................................404

对角线方向.......................................................406

对接接头........................................................408

长度…………………………………………………………………………………412。

除非另有指示，否则本文中所提供的附图旨在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或更多个实施例的各种各样的系统中。正因如此，附图并非旨在涵括本领域普通技术人员已知的实施本文中所公开的实施例所要求的所有的常规特征。

具体实施方式

在下文的说明书和权利要求中，将引用应当定义为具有下文的含义的一些用语。

单数形式“一”、“一个”和“这个”包括对复数的引用，除非上下文明确地另有所指。

“可选择的”或“选择性地”意味着随后描述的事件或情形可能发生或可能不发生，并且，描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。

如在本文中在整个说明书和所有的权利要求中所使用的近似的语言可以应用于修改能够容许变化的任何数量表示，而不导致有关的基本功能的改变。因此，通过比如“大约”、“近似地”和“大体上”之类的一个用语或多个用语而修饰的值，并不限于所指定的精确的值。在至少一些实例中，近似的语言可以与用于对该值进行测量的仪器的精度相对应。在此，并且在整个说明书和所有的权利要求中，范围的限制可以进行组合和/或互换。这样的范围被视为一样并且包括其中所包括的所有的子范围，除非上下文或语言另有指示。

本文中所描述的复合材料面板结构的实施例提供短纤维增强复合材料面板的制备方法，短纤维增强复合材料面板用作风扇的密闭壳体上的可磨损面板的基底。能够使用自动化纤维铺放(afp)制造过程来制备复合材料面板，如果需要的话，该制造过程能够用于将短纤维丝束以使纤维取向变化且使纤维丝束交错的状态铺放于复合材料面板中。

这些短纤维增强复合材料面板设计成具有独特的面内机械及物理性质，比如特定的面内强度和特定的面内热膨胀系数(cte)。

这些复合材料面板结构的周向强度配置得较低，以使风扇叶片飞脱(fbo)事件期间对风扇叶片尖端的损伤最小化。短纤维增强复合材料面板具有比长连续纤维增强复合材料面板、比如目前在传统设计中使用的面板更低的强度。另一设计变量是纤维取向，纤维取向用于针对特定的材料强度而设计。

使用具有变化的纤维长度和取向的短纤维的方案还提供设计灵活性，以达到具有与风扇壳体的cte的更好匹配的某一热膨胀系数(cte)，这促进减少在现场的可磨损面板开裂。设计成某一cte的方案，还能够减小巡航高度处的风扇尖端间隙，以改进发动机的燃料燃烧效率。

图1是示例性的涡轮发动机组件100的横截面图，涡轮发动机组件100具有穿过涡轮发动机组件100的纵向或中心线轴线111。虽然图1显示用于在飞机中使用的涡轮发动机组件，但发动机组件100是有助于如本文中所描述的操作的任何涡轮发动机，比如以地面为基础的燃气涡轮发动机组件，但不限于此。发动机组件100包括核心涡轮发动机112和风扇组件114，风扇组件114定位于核心涡轮发动机112的上游。核心发动机112包括大致管状的外部罩壳116，外部罩壳116限定环形入口118。外部罩壳116进一步包围并支撑增压压缩机120，增压压缩机120用于提高进入核心发动机112的空气的压力。高压多级轴向流高压压缩机121接收来自增压压缩机120的增压空气，并且进一步提高空气的压力。增压空气流动至燃烧器122，燃烧器122大致由燃烧火焰筒123限定，并且，包括混合器组件124，在燃烧器122中，经由一个或更多个燃料喷嘴125而将燃料喷射至增压空气流中，以提高增压空气的温度和能量水平。高能量燃烧产物从燃烧器122流动至第一(高压)涡轮126，以便通过第一(高压)驱动轴127而对高压压缩机121进行驱动，且然后流动至第二(低压)涡轮128，以便通过与第一驱动轴127同轴的第二(低压)驱动轴129而对增压压缩机120和风扇组件114进行驱动。在对涡轮126和128的每一者进行驱动之后，燃烧产物通过排气喷嘴130而离开核心发动机112，以提供推进喷气推力。

图2是在风扇组件114的后部看去时的轴向图。图3是风扇组件114的一部分的侧视立视图。在示例的实施例中，风扇组件114包括多个叶片240，这些叶片240围绕风扇盘242周向地隔开。虽然描述为具有多个叶片的风扇盘，例如，风扇盘242和叶片240，但风扇组件114可以作为替代而形成有整体叶盘或整体地装有叶片的转子。为了清楚起见，仅显示两个叶片240，然而，风扇组件114典型地包括更多个叶片240，例如，大约二十至三十个叶片240或更多个。多个叶片240中的各叶片240从盘242径向地向外延伸至叶片尖端302，叶片尖端302最接近于风扇壳体组件306的内表面304而行进。风扇壳体组件306包括径向外部罩壳250、内部结构308，内部结构308包括可选择的蜂窝层309，蜂窝层309沿着外部罩壳250的径向内侧310延伸。风扇壳体组件306进一步包括复合材料面板结构312，复合材料面板结构312围绕内部结构308的内表面314周向地延伸。

在示例的实施例中，复合材料面板结构312由预浸渍有树脂材料的短纤维丝束形成，并且，使用自动纤维铺放(afp)机来施用。短纤维丝束仅部分地沿着复合材料面板结构312中的周向路径、轴向路径以及对角线路径中的至少一者延伸。在纤维增强复合材料的典型使用中，长纤维用于提供增强的强度及刚度特性。在示例的实施例中，避免这样的强度和刚度，并且，将有目的的弱化构建到复合材料面板结构312的面内机械及物理性质中。另外，在制备的期间，复合材料面板结构312的面内热膨胀系数(cte)也是可选择的。基于纤维丝束的长度、纤维相对于彼此的铺放、纤维相对于风扇组件114的取向的铺放，来选择这样的性质或特性，这意味着无论纤维轴向地、周向地或对角线地取向，都是如此。铺放成各取向的纤维的量同样地至少部分地确定复合材料面板结构312的面内机械及物理性质和面内cte。

在一些实施例中，风扇组件114包括可磨损层326，可磨损层326围绕复合材料面板结构312的内表面314周向地延伸。

在一些实施例中，复合材料面板结构312包括多个复合材料面板扇区328，复合材料面板扇区328仅部分地环绕复合材料面板结构312的周界延伸。扇区328以周向邻接的方式联接在一起而形成360°的复合材料面板结构312。在其他实施例中，复合材料面板结构312围绕风扇壳体组件306的周界延伸360°，其中，短纤维丝束周向地延伸小于45°。在另外其他一些实施例中，短纤维丝束周向地延伸小于25°。在还有其他一些实施例中，短纤维丝束周向地延伸小于15°。在某些情况下，使用更短的丝束，例如，短纤维丝束可以在长度上延伸小于十二英寸。在另外的实施例中，短纤维丝束在长度上延伸小于八英寸，或在长度上延伸小于六英寸。然而，在实际应用中，afp机的限制可能影响丝束长度。例如，afp机的施用头部中的切刀的物理位置可以防止小于四英寸的丝束长度。然而，这不是短纤维施用的限制，而宁可说是afp机的限制，并且，使用具有该能力的afp机来预期更短的丝束长度。

图4a是一层复合材料面板结构312(在图2和图3中显示)的铺叠。图4b是又一层复合材料面板结构312(在图2和图3中显示)的铺叠，其中，纤维丝束对接接头从图4a中的对接接头偏移。图4c是一层复合材料面板结构312(在图2和图3中显示)的铺叠，其中，纤维丝束400以各种取向来铺放。在示例的实施例中，使各种长度的纤维丝束400沿包括轴向方向402、周向方向404以及对角线方向406的多个方向交错。在预定的位置使用短纤维丝束400、中等长度的丝束400以及长度较长的丝束400，从而生成复合材料面板结构中的特定的面内强度和cte。另外，对接接头408定位于预定的位置，从而同样地生成复合材料面板结构中的特定的面内强度和cte。由于在制备的期间，将多个层装配于先前铺设的层上，因而可以使对接接头408径向地对准或偏移，以生成复合材料面板结构中的特定的面内强度和cte。图4a和图4b显示具有偏移的对接接头的两个层。示例的短纤维丝束包括长度412，长度412为大约4.5英寸至大约6.0英寸。其他丝束400在长度上延伸大约8.0英寸，并且在长度上延伸大约12.0英寸。

复合材料面板结构312的实施例包括：预浸渍的短纤维丝束，其具有多个长度和取向，设计成特定的面内强度和cte，使纤维交错，以改进全厚度韧性；和在纤维丝束起始/停止位置处的对接接头，以促进fbo事件的期间的面内断裂。

上述的复合材料面板结构提供了用于风扇组件保护、复合材料面板结构制备以及使用的高效的方法。具体而言，上述的复合材料面板结构包括具有变化的纤维取向的短纤维，这些短纤维具有配置为较低的周向强度，从而使fbo事件期间对风扇叶片尖端的损伤最小化。使用具有变化的纤维取向的短纤维的方案还提供了设计灵活性，以达到具有与风扇壳体的cte更好匹配的某一热膨胀系数(cte)，这促进减少在现场的可磨损面板开裂，并且，还通过选择风扇壳体组件的热膨胀而提供更好的风扇间隙。

复合材料面板结构和制备方法的上述的实施例提供了用于生成具有特定的面内物理特性的复合材料面板的划算而可靠的手段。更具体而言，本文中所描述的方法和系统促进使用：预浸渍的短纤维丝束，其具有多个长度和取向，设计成特定的面内强度和cte，使纤维交错，以改进全厚度韧性；和在纤维丝束起始/停止位置处的对接接头，以促进fbo事件的期间的面内断裂。结果，本文中所描述的方法和系统以划算而可靠的方式促进使复合材料面板结构的面内强度和cte与特定的要求匹配。

虽然本公开的各种实施例的特定特征可在某些附图中显示，而不在其他附图中显示，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可以将一个附图的任何特征与任何其他附图的任何特征组合而引用且/或要求保护。

本书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还允许本领域任何技术人员实践这些实施例，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何结合的方法。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员所想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求的字面语言无差异的结构要素，或者如果这些示例包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等同的结构要素，则这些示例旨在属于权利要求的范围内。