专利名称：束缚角部和包括其的凸缘和物品的制作方法
束縛角部和包括其的凸缘和物品技术领域在此描述的实施例一般地涉及束绰(tether)角部和包括其的凸缘和 物品。更特定地，此处的实施例一般地描述可以帮助消除在凸缘铺层和 固化期间复合材料发生的桥接的束缚角部。
背景技术：
近年来，复合材料由于其耐久性和相对的重量轻已日益流行地使用 在多种航空应用中。虽然复合材料可以提供出众的强度和重量特性，但 在由复合材料制造的结构上设计凸缘仍是挑战。目前的凸缘铺层(lay up)过程可以一般地涉及重复地施加织物的 层或片层到复合结构直至获得具有希望尺寸的凸缘。在此过程期间产生 的一个问题是，当施加第二层织物时，它可能覆盖第一层织物，因此使 得几乎不能监测第一层以保证其放置不改变。作为结果，可能发生织物 的桥接。当最初的织物层或第 一织物层从凸缘角部拉开且跨越了角部而非 保持紧密地附着到角部时发生了桥接。桥接可能导致树脂富余(resm richness),这是过度的树脂在第一织物层下方的不希望的聚集，这可能 局部地弱化叠层。桥接可能由数个因素中的任何因素导致。例如，桥接可能由于不适 当地将最初的织物层放置在凸缘角部内导致，使得在铺层期间施加随后 的层时，最初的层可能拥挤而导致桥接。同样，在铺层期间不适当地从 织物层移除松散部(bulk)可能导致复合材料的过长的长度，这可能导 致在固化过程期间的桥接。另外，桥接可能由于在固化期间工具与织物 的热膨胀差异导致。无论何种原因， 一旦初始织物层已经被覆盖则目前对于操作者无法 容易地监测初始的织物层来帮助保证防止桥接且保证第 一 层织物保持 附着在凸缘角部。目前最好的实践是在角部终止织物层以允许织物滑 移。然而，此实践一般地仅在解决在固化期间热膨胀不同的问题中是有 益的，且不能防止作为挤拥或不适当的松散部去除的结果而发生的桥接。因此，希望的是生产更不易于桥接的复合凸缘，且涉及前述的制造。发明内容本文中的实施例一般地涉及束缚凸缘角部，其包括至少一层屏障 纤维，和绕屏障纤维缠绕的至少一个纤维束。本文中的实施例也一般地涉及凸缘，其具有束縛角部，包括至少 一层屏障纤维，绕屏障纤维缠绕的至少一个纤维束，在纤维束上方施加 的至少一层填充物纤维，和在填充物纤维上方施加的至少一层凸缘纤 维。本文中的实施例也一般地涉及物品，其包括复合结构，包括凸缘， 具有束缚角部，包括至少一层屏障纤维，和绕屏障纤维缠绕的至少一 个纤维束。本领域一般技术人员将从如下的披露中清楚这些和其他特征、方面 和优点。
虽然说明书以权利要求结束特别地指出且清楚地要求了本发明，但 相信在此阐明的实施例通过结合附图的如下的描述更好地被理解，附图 中类似的参考数字指示类似的元件。图1是具有端部凸缘和安装凸缘的风扇外壳的 一个实施例的示意性 透视图；图2是图1的示意性端部视图；图3是复合结构形成工具的一个实施例的示意性透视图； 图4是图2的沿线A-A的示意性截面视图；和 图5是带有用于制造具有束缚角部的安装凸缘的导向件的风扇外壳 的一个实施例的示意性截面—见图。
具体实施方式
在此描述的实施例 一般地涉及束縛角部以及包括束缚角部的凸缘 和物品，其可以帮助消除在凸缘铺层和固化期间发生的桥接。虽然实施
例在此可以 一般地关注于在燃气涡轮发动机的风扇外壳上的复合凸 缘，但本领域一般技术人员将理解的是，描述不应限制于此。的确，如 以下描述所解释，在此描述的束縛凸缘角部可以利用在由复合材料制造 的任何凸缘上。现在转到附图，图1图示了可接受的复合结构10的一个实施例。 如在此所使用，"复合结构"指任何由复合材料或复合材料的组合制造 的部件。复合结构IO可以包括一般地圆柱形的构件，例如风扇外壳12。风扇外壳12可以具有圆周，如在图2中示出，且如前所述可以由任何 可接受的材料制造。然而，在一个实施例中，风扇外壳12可以由从包 括如下项的组中选择的材料制造玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷 纤维、例如poly ( p-phenylenetherephtalamide )纤维即(KEVLAR )的 芳香族聚酰胺纤维，和它们的组合。在一个实施例中，风扇外壳12可 以由碳纤维制造。如在图1中示出，风扇外壳12可以一^f殳地包括具有前端16和后端 18的圆柱主体14。如在此所使用，"风扇外壳"用于指固化前和固化 后的复合风扇外壳。本领域一般技术人员将从本说明书理解参考了何种 阶段。风扇外壳12也可以包括任何个数的端部凸缘20,如一般地在图1 和图2中示出，和/或安装凸缘22,如一般地在图1中示出。如在此所 使用，"安装凸缘"指任何周向地绕风扇外壳12的主体14,或其他复 合结构插入的凸缘。"插入"意味着安装凸缘22可以绕风扇外壳12的 主体14周向地定位，如与绕前端16或后端18任一个相对。作为对比， 端部凸缘20可以绕前端16或后端18的任一个或二者定位。风扇外壳12可以使用本领域一般技术人员已知的任何可接受的制 造方法或工具制造。例如，见Xie等人的美国专利申请No. 2006/0201135 和Blanton等人的美国专利申请No2006/0134251。在一个实施例中，如 在图3中示出，可以使用复合结构形成工具24,该工具具有圆周、 一般 地圆柱形的芯26以及第一端板28和第二端板30,它们可移除地联4秦到 工具24的芯26。在图4中示出了在风扇外壳12上的端部凸缘预形成件32的图示的 实施例。本领域一般技术人员将理解的是，如下的凸缘和铺层描述可以 等同地可应用于安装凸缘。端部凸缘预形成件32可以包括束缚凸缘角 部33,其可以在铺层和固化期间帮助将凸缘预形成件32锚定到位。束 缚凸缘角部33可以包括至少一层屏障纤维34和至少一个周向地绕其缠 绕的纤维束(tow) 36，如在下文中描述。更特定地，束繂角部凸缘可以一般地包括例如邻近工具24的第一 端板28和风扇外壳12施加的至少一层屏障纤维34。屏障纤维34可以 包括多方向纺织物预形成件，例如织造物或编织物。如在此所使用，"多 方向"指包括在多于一个方向定向的纤维束的纺织物预形成件。屏障纤 维34的纤维束可以包括本领域一般技术人员已知的任何合适的强化纤 维，包括但不限制于玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族 聚酰胺纤维，和它们的组合。在一个实施例中，屏障纤维34可以包括 玻璃纤维。另外，屏障纤维34的每个纤维束可以包括从大约3000至大 约24000个纤维丝。通过周向地绕工具24和风扇外壳12缠绕屏障纤维34直至获得希 望的厚度，屏障纤维34可以施加在邻近工具24的第一端板28和风扇 外壳12的凸缘角部37内。如果希望这样，则屏障纤维34可以最初地 且当施加到风扇外壳12完成后粘合，以将屏障纤维34保持到位。对于 本领域一般技术人员已知的任何可接受的树脂可以用于粘合屏障纤维 34,例如环氧树脂。然后，至少一个单独的纤维束36可以在凸缘角部37内周向地绕风 扇外壳12缠绕在屏障纤维34上方。以此方式，纤维束36可以完成束 缚凸缘角部33且帮助将屏障纤维34固定在希望的位置。虽然纤维束36 可以绕风扇外壳12的圆周缠绕任何次数，但在一个实施例中，纤维束 36可以绕风扇外壳12的圆周缠绕从大约3次到大约6次。替代地，可 以将多于一个纤维束36绕风扇外壳12缠绕一次或多次以实现相同的结 果。纤维束36可以由本领域一般技术人员已知的任何可接受的材料制 造，包括但不限制于玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族 聚酰胺纤维，和它们的组合。然而，在一个实施例中，纤维束36可以 由碳纤维制造。另外，每个所利用的纤维束36可以包括从大约3000到 大约24000个纤维丝，且在一个实施例中包括12000个纤维丝。 一旦纤 维束36绕束缚凸缘角部33的屏障纤维34牢固地缠绕，则可以使用本 领域一般技术人员已知的任何可接受的树脂，例如环氧树脂将它粘合， 以在端部凸缘预形成件32的剩余部分制造期间将它保持到位。至少 一层填充物纤维38然后可以施加在纤维束36上方以帮助填充
可能在束缚凸缘角部33和随后施加的凸缘纤维之间存在的任何空间。类似于屏障纤维34，填充物纤维38的层可以是包括本领域一般技术人 员已知的任何合适的强化纤维的多方向纺织物预形成件，包括但不限制 于玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族聚酰胺纤维，和它 们的组合。也类似于屏障纤维34,填充物纤维可以绕风扇壳体12的圆 周邻近第一端板28且在屏障纤维34和纤维束36上缠绕，直至获得了 希望的厚度。如果需要，则填充物纤维38可以使用本领域一般技术人 员已知的任何可接受的树脂粘合，以帮助将填充物纤维38在剩余的制 造过程中保持到位。凸缘纤维40然后可以使用本领域任何已知的凸缘制造方法施加在 填充物纤维38上，以完成端部凸缘预形成件32的制造。凸缘纤维再次 可以包括任何合适的材料，例如玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤 维、芳香族聚酰胺纤维，和它们的组合，它们可以在填充物纤维38上 方绕工具24巻绕。为加固端部凸缘预形成件32,可以进行压实(debulk)步骤。特别 地，例如屏障纤维34、填充物纤维38和凸缘纤维40的强化纤维可以固 有地具有大量的松散部。为帮助在最终的材料固化期间防止褶皱和/或空 隙且为在最终的固化期间利用接近净形状(net shape)工具，材料的纤 维可以被加固或压缩为更接近希望的最终固化厚度的尺寸。此加固在压 实期间发生。压实可以使用本领域一般技术人员已知的任何普通方法执行，例如 通过以真空袋、收缩带或其他机械装置向复合纤维施加压力。在压实前 施加到纤维的树脂可以帮助 一旦施加压力则将纤维粘合或锁定到位。如 果粘合的纤维不能在室温下如希望地被加固，则可以施加热以降低树脂 的粘性。树脂然后可以更好地渗入复合纤维且允许将加固进行到希望的 程度。在完成端部凸缘预形成件32的铺层和压实后，可以将最终的固化 工具绕包括任何端部凸缘预形成件和安装凸缘预形成件的风扇外壳12 放置，以用作固化过程期间的模具。如本领域一般技术人员将理解，最 后的固化工具和过程可以根据例如所使用的树脂、零件几何形状和设备 容量的因素变化。如前所述，上文等同地可应用于安装凸缘以及端部凸缘。当制造绕
风扇外壳12的主体定位的安装凸缘预形成件41时，可以使用导向件42 来替代第一或第二端板以提供将屏障纤维34和纤维束36靠着它施加的 表面，如一般地在图5中示出。在一个实施例中，导向件42可以包括 离散的弓形构件，每个跨过180度以相应地绕风扇外壳12配合。导向 件42的弧可以可释放地连接在一起，以容易地绕风扇外壳12放置和调 整。然而，将理解的是，导向件42可以包括任何个数的部件且具有任 何对应于复合结构形状的形状。如前所讨论，导向件42可以用作用于 施加屏障纤维34和纤维束36以及凸缘预形成件41的剩余纤维层的支 承件。导向件42可以是圆周形的且如所示出具有L形截面，且可以由 任何刚性的轻量材料构造，例如由铝或复合物构造。 一旦安装凸缘预形 成件41的一侧如图5中所示构造，则导向件42可以去除。安装凸缘预 形成件41的其他侧然后可以以于第 一侧相同的方式构造。在此描述的束缚角部的实施例可以提供数个益处。例如，将纤维束 绕屏障纤维施加允许纤維束用作束繂件来在随后的铺层步骤期间将屏 障纤维保持在凸缘的角部。更特定地，当另外的填充物纤维层和/或凸缘 纤维层放置和拥挤时，屏障纤维因为缠绕的纤维束而保持束縛在角部。 这可以帮助降低或甚至消除在当前的凸缘制造过程中经常面临的桥接 问题。另外，在固化期间，复合结构形成工具端板和芯具有因固化过程的 热和压力相互膨胀和拉离的趋势。这又能导致屏障纤维被拉出角部且导 致桥接。由纤维束造成的束缚角部可以帮助以两个方式解决此问题。首 先，束缚角部可以通过帮助保持所教示的屏障纤維而在第 一情形中降低 桥接的发生。第二，在固化过程期间，前述的复合结构形成工具的膨胀 可以使束缚角部的纤维束变紧，因此有效地将它和屏障纤维在希望的取 向相互拉靠且强化它们之间的附着。此书面描述使用了例子来披露本发明，包括披露本发明的最佳模 式，且也使得任何本领域一般技术人员能制成和使用本发明。本发明的 可专利的范围由权利要求书限定且可以包括本领域一般技术人员想到 的其他例子。这样的其他例子如果其结构元件与权利要求的文字语言没 有不同或如果其包括不大体上与权利要求的文字语言不同的等价结构 元件，则它们意图于在权利要求书的范围内。
权利要求
1.一种束缚凸缘角部(33)，其包括至少一层屏障纤维(34)；和绕该屏障纤维(34)缠绕的至少一个纤维束(36)。
2. 根据权利要求1所述的束缚凸缘角部(33),其中，屏障纤维 (34)由从包括如下项的组中选择的材料制成玻璃纤维、石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族聚酰胺纤维和它们的组合，优选地由玻璃纤 维制成。
3. 根据权利要求1或2的任何项所述的束縛凸缘角部(33)，其 中，纤维束(36)由从包括如下项的组中选择的材料制成玻疼纤维、 石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族聚酰胺纤维和它们的组合，优选 地由碳纤维制成。
4. 一种凸缘(20, 22)，其具有束绰角部(")，包括 至少一层屏障纤维(34);绕该屏障纤维(34)缠绕的至少一个纤维束(36); 在纤维束(36)上方施加的至少一层填充物纤维(38);和 在填充物纤维(38)上方施加的至少一层凸缘纤维(40)。
5. 根据权利要求4的所述的凸缘(20, 22),其中，凸缘(20、 22)从包括端部凸缘(20)、安装凸缘(22)和它们的组合的组中选择。
6. 根据权利要求4或5的任何项所述的凸缘(20, 22)，其中， 填充物纤维(38)由从包括如下项的组中选择的材料制成玻璃纤维、 石墨纤维、碳纤维、陶瓷纤维、芳香族聚酰胺纤维和它们的组合。
7. 根据权利要求4、 5或6的任何项所述的凸缘(20, 22 )，其中， 凸缘纤维(40)由从包括如下项的组中选择的材料制成玻璃纤维、石 墨纤维、碳纤维、陶资纤维、芳香族聚酰胺纤维和它们的组合。
8. —种物品，包括复合结构(10)，其包括凸缘(20, 22 )，具有束缚角部(33)， 包括至少一层屏障纤维(34);和绕该屏障纤维(34)缠绕的至少一个纤维束(36)。
9. 根据权利要求8的所述的物品，其中，凸缘(20、 22)从包括 端部凸缘(20)、安装凸缘(22)和它们的组合的组中选择。
10.根据权利要求8或9的任何项所述的物品，其中，复合结构(10 ) 是风扇外壳(12)。
全文摘要
束缚凸缘角部包括至少一层屏障纤维和绕屏障纤维缠绕的至少一个纤维束。还包括的是凸缘，其具有束缚角部，包括至少一层屏障纤维，绕屏障纤维缠绕的至少一个纤维束，在纤维束上方施加的至少一层填充物纤维，和在填充物纤维上方施加的至少一层凸缘纤维。另外包括的是物品，包括复合结构，其具有凸缘，具有束缚角部，包括至少一层屏障纤维，和绕屏障纤维缠绕的至少一个纤维束。
文档编号F16S5/00GK101210646SQ20071016084
公开日2008年7月2日 申请日期2007年12月27日 优先权日2006年12月27日
发明者C·B·库尔蒂斯, F·沃尔托夫, L·A·布兰顿 申请人:通用电气公司