具有低密度芯部和复合缝合加强件的复合结构的制作方法
【专利摘要】一种复合结构包括：芯部，该芯部具有一对相对的外表面并具有第一密度；环绕该芯部的复合铺层，该复合铺层包括嵌置在基体中并沿该芯部的外表面延伸的多层纤维，该复合铺层具有第二密度；和包括延伸通过芯部和复合铺层的至少一部分的纤维的缝线。
【专利说明】具有低密度芯部和复合缝合加强件的复合结构
【背景技术】
[0001 ] 本发明总体上涉及复合结构，并且更具体地涉及复合燃气涡轮发动机风扇叶片。
[0002]已知将复合宽弦风扇叶片用于在燃气涡轮发动机中使用。具有全复合宽弦风扇叶片的大型发动机与具有由金属合金制成的风扇叶片的大型发动机相比呈现出了显著的重量节省。
[0003]制造商不断为大型涡轮风扇发动机中、特别是包括风扇模块的大部分重量的风扇叶片中的更大的重量降低而努力。已知的是，静态复合结构的重量可通过将低密度材料(例如聚合物泡沫)用作夹置在复合片材之间的芯部材料而得到降低。然而，在旋转风扇叶片应用中，试验与分析已经识别出在该轻型芯部与导致分层的碳之间的界面处引起的高剪切应变，这对于风扇叶片应用而言是不可接受的。
[0004]因此，需要一种适于在旋转风扇叶片中使用的结合低密度材料的复合结构。
【发明内容】
[0005]该需要被本发明所满足，本发明提供了一种具有低密度芯部的复合结构。高拉伸强度缝线被缝合通过该芯部以增强其刚度和强度。
[0006]根据本发明的一方面，一种复合结构包括:芯部，该芯部具有一对相对的外表面并具有第一密度；环绕该芯部的复合铺层(layup)，该复合铺层包括嵌置在基体中并沿该芯部的外表面延伸的多层纤维，该复合铺层具有第二密度；和包括延伸通过芯部和复合铺层的至少一部分的纤维的缝线。
[0007]根据本发明的另一方面，一种制造复合结构的方法包括:将纤维缝合通过以下两者:芯部，该芯部包括一对相对的外表面，其中，该芯部具有第一密度；和环绕该芯部的复合铺层的至少一部分，该复合铺层包括沿芯部的外表面延伸的多层纤维，这些纤维嵌置在未固化的树脂基体中，其中，该复合铺层具有第二密度；以及同时对芯部、复合铺层、和纤维进行固化。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]参照结合附图进行的下列说明可最佳地理解本发明，其中:
[0009]图1是根据本发明的一方面构建的涡轮发动机风扇叶片的示意侧视图；
[0010]图2是沿图1的线2-2获得的视图；和
[0011]图3是图2的一部分的放大图。
【具体实施方式】
[0012]参照附图进行说明，附图中相同的附图标记在各个视图中表示相同的元件，图1示出了用于高涵道比(bypass rat1)涡轮风扇发动机(未示出)的示例性复合风扇叶片10，该示例性复合风扇叶片10包括沿弦向方向C从前缘16延伸至后缘18的复合翼型件12。该翼型件12沿展向方向S从根部20径向向外延伸至尖端22。该翼型件12具有凹的压力侧24和凸的吸入侧26。
[0013]如在图2中所见，翼型件12被以复合铺层28构造而成，其中，芯部30设置在该复合铺层28中。术语“复合”总体上指的是包括支承在粘合材料或基体材料中的诸如纤维或颗粒之类的加强件的材料。在所示示例中，复合铺层28包括嵌置在基体中并大致平行于压力侧24和吸入侧26取向的多个层或层片617)32。适用材料的非限制性示例是嵌置在诸如环氧树脂之类的树脂材料中的碳(例如石墨)纤维。这些可作为单向地对齐到用树脂浸溃的条带中的纤维而市购得到。这种“预浸处理”条带可被形成为零件形状，并且经由高压灭菌过程或加压成形而被弯曲以形成轻质、刚硬、相对均质的物体。
[0014]芯部30具有总体上遵循翼型件12的形状的弧形翼型件形状并且分别由相对的凹的外表面34和凸的外表面36约束。芯部30包括诸如聚合物泡沫之类的低密度材料。如在本文中所使用的那样，术语“低密度”并非指的是芯部30的任何绝对量，而指的是芯部30的与复合铺层28的密度相比的相对密度。适用的芯部材料的一个非限制性示例是密度为复合铺层28的密度的约40%的弹性聚氨酯泡沫。
[0015]在操作中，作用在翼型件12上的气动力引起了倾向于将翼型件12 “去拱形(如⑶池⑷”的弯曲力矩。翼型件12的刚度抵抗弯曲偏转。当芯部30在没有变形的情况下存在时，它的刚度(即杨氏模量)比环绕的复合铺层28的刚度大致低得多。这在位于芯部30与复合铺层之间的界面处导致了高层间剪切应力，这可能在操作状况下在复合铺层中引起分层。芯部30的刚度会被增大，但以增大其密度为代价，这会不利于将芯部30用于重量降低的目的。
[0016]为了在不显著增大芯部30的密度的情况下增大其有效刚度，增强纤维38(参见图3中)被缝合通过该芯部30并通过复合铺层28的至少一部分。纤维38可利用具有高拉伸强度的任何纤维形成。在所示示例中，与用于制造上述条带的纤维相似，纤维38包括由中间模量(1110(1111118)碳纤维构成的丝束“0^0。适用材料的另一示例是碳纳米纤维。
[0017]纤维38被构造成处于连续花纹(即“虹!!)中，该连续花纹包括横向纤维40，这些横向纤维40横向于芯部外表面34和36(即沿全厚度方向)延伸、被平行于芯部外表面34和36延伸的毛圈(100^))42互连。纤维38可构造成一系列并列的横列(10?)(在图3中，将一个横列44描绘成处于另一横列46的前部)，或处于另一二维或三维花纹中。纤维38可利用超音速针设备进行缝合。
[0018]横向纤维40延伸通过该芯部30并通过复合铺层28的至少一部分厚度。该缝合可在泡沫子部件程度811)3001111)0116111: 16^61)下完成，在该情况下，由复合材料构成的相对的“面板”48和50首先通过纤维38固定至芯部外表面34和36。该子组件会随后准备好组装至翼型件12的其余部分。作为选择，在已将芯部30组装到未固化的复合铺层28中的情况下，纤维38可被缝合通过该复合铺层28和芯部30。
[0019]当进行固化时，缝合的纤维38将剪切强度、耐压强度、和拉伸强度添加至另外的低密度、低强度的材料。此外，该缝合增大了芯部的刚度以降低由芯部几何结构所导致的复合材料中的峰值应力。横向纤维40之间的间距(即缝合花纹密度)的优化可基于总分析和丨或挂片级测试(⑶即。]! 16乂61 1:681:111?)。
[0020]横向纤维40相对于芯部30的外表面34和36的方向可被选择成在碳/泡沫界面处提供最大剪切负载能力。在所不不例中，横向纤维40与垂直于外表面34和36成约45度的角度α定向。
[0021]在不使用复合树脂的情况下，缝合(无论是否以芯部子组件或翼型件子组件级完成)可应用于干燥状况中。整个翼型件12可随后被利用已知的高压灭菌过程进行固化。在该固化期间，来自复合铺层28的基体的树脂自由地沿纤维38通过毛细作用传送(wick)，并且原位固化(cure in place),将纤维38结合成经固化结构的一部分。
[0022]本文中所述的增强结构和方法使得能够在复合翼型件中利用低密度泡沫。该方法在具有最少重量的情况下增大了强度并降低了应力集中。它是用于在风扇叶片中的低密度泡沫应用的实现者(enabler)。这在磁盘、壳体、和附接硬件中具有连锁反应。与实心复合材料相比，能够利用该泡沫提供技术优势。
[0023]前述内容已描述了增强复合结构。尽管已经描述了本发明的【具体实施方式】，但本领域技术人员将明白的是，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可对其作出多种变型。因此，对于本发明的优选实施方案和用于实施本发明的最佳模式进行的前述说明仅出于说明的目的而非限制的目的来提供，本发明由权利要求进行限定。
【权利要求】
1.一种复合结构，包括: 芯部，所述芯部具有一对相对的外表面并具有第一密度； 环绕所述芯部的复合铺层，所述复合铺层包括嵌置在基体中并沿所述芯部的所述外表面延伸的多层纤维，所述复合铺层具有第二密度；和 包括延伸通过所述芯部和所述复合铺层的至少一部分的纤维的缝线。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，缝线被构造成处于连续的花纹中，所述连续的花纹包括延伸通过所述芯部和所述复合铺层的至少一部分的横向纤维，所述横向纤维被大致平行于所述芯部外表面延伸的线圈互连。
3.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述缝线被构造成一系列并列的横列。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述横向纤维与垂直于所述芯部的所述外表面中的一个的方向成锐角定向。
5.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述横向纤维与垂直于所述芯部的所述外表面中的一个的方向成约45度的角度定向。
6.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第二密度实质上大于所述第一密度。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述第一密度是所述第二密度的约百分之40。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述缝线包括碳丝束。
9.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述复合铺层包括碳纤维和环氧树脂基体。
10.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述芯部包括弹性体泡沫。
11.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，所述芯部包括聚氨酯泡沫。
12.—种风扇叶片，所述风扇叶片包括根据权利要求1所述的复合结构，其中，所述复合铺层被构造成处于翼型件形状中，所述翼型件形状具有前缘、后缘、根部、尖端、以及在所述前缘与所述后缘之间延伸的相对的压力侧和吸入侧。
13.—种制造复合结构的方法，包括: 将纤维缝合通过以下两者: 芯部，所述芯部包括一对相对的外表面，其中，所述芯部具有第一密度；和环绕所述芯部的复合铺层的至少一部分，所述复合铺层包括沿所述芯部的所述外表面延伸的多层纤维，所述纤维嵌置在未固化的树脂基体中，其中，所述复合铺层具有第二密度；以及 同时对所述芯部、所述复合铺层、和所述纤维进行固化。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 将所述纤维缝合通过以下两者: 所述芯部；和 一对面板，所述一对面板构成所述复合铺层的一部分，每一个面板都沿所述芯部的所述外表面中的一个延伸，每一个面板都包括嵌置在未固化的树脂基体中的至少一层纤维；将所述复合铺层的其余部分放置在环绕所述面板和所述芯部的位置中；以及同时对所述芯部、所述面板、所述复合铺层、和所述纤维进行固化。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述缝线被构造成处于连续的花纹中，所述连续的花纹包括延伸通过所述芯部和所述复合铺层的至少一部分的横向纤维，所述横向纤维通过大致平行于所述芯部外表面延伸的线圈互连。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述缝线被构造成一系列并列的横列。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述横向纤维与垂直于所述芯部的所述外表面中的一个的方向成锐角定向。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述横向纤维与垂直于所述芯部的所述外表面中的一个的方向成约45度的角度定向。
19.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第二密度实际上大于所述第一密度。
20.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述第一密度是所述第二密度的约百分之40。
21.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述缝线包括碳丝束。
22.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述复合铺层包括碳纤维和环氧树脂基体。
23.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述芯部包括弹性体泡沫。
24.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述芯部包括聚氨酯泡沫。
25.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述复合铺层被构造成处于翼型件形状中，所述翼型件形状具有前缘、后缘、根部、尖端、以及在所述前缘与所述后缘之间延伸的相对的压力侧和吸入侧。
【文档编号】B32B5/06GK104349888SQ201380029938
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2013年5月31日 优先权日:2012年6月6日
【发明者】N.J.克雷, W.W.林, D.辛, R.斯普尼尔 申请人:通用电气公司