专利名称：采用复合材料制成的涡轮发动机叶片和制造该叶片的方法
技术领域：
本发明涉及到复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述复合材料包括采用基体致密的纤维加强件。本发明的适用领域为航空发动机或工业汽轮机的燃气涡轮叶片领域。
背景技术：
已经有人提出建议制造涡轮发动机的复合材料叶片。特别是，可以参照Snecma公司和 Snecma Propulsion Solide 集团联合提交的 FR 2 939 129 和 FR 2 939 130 专利申请。这些申请具体介绍了采用复合材料制造涡轮发动机叶片，包括采用基体致密的纤维增强件。更确切地说，这两个文件中所介绍的并用来制造叶片的方法提出了纤维坯(fiberblank)的特殊特性，所述纤维坯采用三维编织并成形，以获得整体的纤维预制件，该预制件 带有构成叶片根部和叶型的预制件的第一部分，以及构成叶片内或外平台的预制件的至少一个第二部分。为此，一旦预制件经过致密，就可以获得复合材料叶片，该叶片具有纤维增强结构，这种增强结构由预制件构成并经基体致密，以及构成其内装有内或外平台的整体件。采用这种方法获得的叶片的缺陷是，其外平台不能实现与环绕叶片的壳体之间的密封(通过使用现在的刮器wipers)，也没有空气动力功能(通过使用现在的突部，该突部形成了流过涡轮的燃气流道的外侧)。此外，在其根部，采用这种方法获得的内叶片平台的突部在使用时其所承受的强大力的作用下会断裂(该力是因为旋转离心力所致)。
发明内容
为此，本发明的主要目的是提出一种复合材料叶片，以解决所述缺陷，所述叶片由其内装有内和/或外平台的整体件构成，其特征在于，外和内平台具有所要求的特性。该目的可通过涡轮发动机复合材料叶片的制造方法来实现，所述复合材料包括采用基体致密的纤维增强件，所述方法包括进行三维编织，制造整体纤维坯；成形纤维坯，获得整体纤维预制件，其带有构成叶片根部和叶型的预制件的第一部分，构成叶片内平台或叶片外平台刮器的预制件的至少一个第二部分，以及构成叶片内平台增强件或叶片外平台突部的预制件的至少一个第三部分；以及采用基体对纤维预制件进行致密，以获得复合材料叶片，其带有由预制件构成并由基体致密的纤维加强件，并形成其内装有内和/或外平台的整体件。同专利申请文件FR 2 939 129和FR 2 939 130中所介绍的制造叶片的方法相t匕，本发明在纤维坯成形的同时特别利用了第三部分，该第三部分构成了叶片内加强平台或叶片外平台突部的预制件。结果，采用本发明所述方法获得的叶片可以具有所要求的特性，即，其外平台和内平台处的密封功能和空气动力功能，厚度加倍，从而加强了叶片的机械强度。
此外，当用纤维预制件第三部分形成叶片外平台突部的预制件时，采用本发明方法所获得的叶片，可使穿过安装叶片的涡轮的燃气流道在内侧(通过叶片内平台)和外侧(通过叶片外平台突部)得以部分重构。根据所述方法的有利特性，在对应于将要制造的纤维坯纵向的纵向上，纤维坯包括第一组连接在一起的多个纱层，形成对应于叶根和叶型预制件的纤维坯的第一部分；第二组至少局部连接在一起的多个纱层，形成对应于叶片内平台或叶片外平台刮器预制件的纤维坯的至少第二部分；以及第三组至少局部连接在一起的多个纱层，形成对应于叶片内平台加强件或叶片外平台突部预制件的纤维坯的至少第三部分；其特征在于，第一组纱层的纱并不与第二和第三组纱层的纱相连接；其特征还在于，第一组纱层带有第二和第三组沙层的纱，这些纱层穿过纤维坯每个第二部分和穿过纤维坯每个第三部分。提供无连接区域可使纤维预制件的成形不会切割连接纱，因为这种切割会降低纤维加强部分的机械强度，进而也降低由其制造的叶片的机械强度。
根据本发明的另一个特性，用第二和第三连续组纱层编织纤维坯，纤维坯的成形包括通过切割去除位于每个第二纤维坯部分和每个第三纤维坯部分之外的第二和第三组纱层部分。第二和第三纱层组可以沿同一方向穿过第一组纱层。或者，第二和第三组纱层可以沿相反方向穿过第一组纱层。根据本发明的另一个特性，在纤维坯的第一部分中，以及在对应于变厚度叶型沿该方向在将要制造的叶片内延伸的方向上，第一组纱层的纱层数是固定不变的。第一组纱层的纱可以是不同重量和/或织物经纬密度。有利的是，三维编织用来制造由一系列纤维坯组成的条带。然后，再从条带中切割出纤维坯。纤维坯的编织可以是这样的，即其对应于将要制造的叶片方向的纵向沿纬纱方向或经纱方向延伸。本发明还提供复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述复合材料包括纤维加强件，该加强件由纱的三维编织方法获得并通过基体致密，所述叶片包括构成叶片根部和叶型的第一部分，并整体上由如下部分构成构成叶片内平台或叶片外平台刮器的至少一个第二部分；和构成内平台加强件或叶片外平台突部预制件的至少一个第三部分；对应于第一、第二、和第三叶片部分的纤维加强部分，至少部分地与进入纤维加强构件第二部分内的纤维加强件第一部分的纱相互交错排列。叶片可以采用陶瓷基体复合材料制成。根据叶片的特性，构成对应于叶片第二和第三部分的纤维加强部分的纱穿过对应于叶片第一部分纤维加强部分。叶片叶型可以带有厚度变化的轮廓，沿这个轮廓，对应于第一叶片部分的纤维加强部分沿叶片纵向带有一定数量的不同重量和/或不同纱数的纱层，或者不同数量的纱层。本发明还提供了一种安装有至少一个上述叶片的涡轮发动机。
下面参照附图进行介绍，本发明的其它特性和优点会从中显现出来，所示
了实施方式，并不具有限定性。附图如下图I为装有内外平台的涡轮发动机叶片透视图；图2为三维编织的纤维坯内三组纱层的布置示例高度示意图，所示纤维坯用于制造图I所示一类叶片的纤维预制件；图3、图4和图5为制造图I所示叶片纤维预制件的连续步骤，从图2所示纤维坯开始；图6A和图6B为三维编织的纤维坯内三组纱层的另一个布置示例的高度示意图，所示纤维坯用于制造图I所示一类叶片的纤维预制件；图7为叶片叶型的平面展开轮廓横剖面图，所述叶片为诸如图I所示叶片；图8为一组经纱层的剖视图，所示经纱层适合获得图7所示种类轮廓； 图9A和9B为经纱的剖视图，示出了编织图2所示纤维坯的一种方法；图10为在图2纤维坯部分中与经纱和纬纱方向平行平面上的局部剖面图，所示部分对应于叶片叶型和内平台之间的结合部位；图11为图2纤维坯部分中的局部纬纱剖视图，所示部分对应于叶片叶型和外平台之间的结合部位；图12A为纟韦纱剖面图，所示示例为纟韦纱在纤维还部分中的布置示例,所述部分对应于叶根部分；图12B至12D为纬纱剖视图，示出了图12A纤维坯部分中(多层)三维编织示例的经纱平面(warp planes)；图13为局部剖面示意图，所示为另一种制作对应于叶片根部的纤维坯部分的方法;图14和图15为采用三维编织方法所获编织纤维条两个实施例的高度示意图,所述纤维条包括了多个如图2所示的纤维坯；图16示出了根据本发明制造涡轮发动机叶片的方法的连续步骤；以及图17示出了根据本发明制造涡轮发动机叶片的方法的连续步骤。
具体实施例方式本发明适用于其内带有内和/或外平台的各种涡轮发动机叶片，特别是各种燃气涡轮转子的压气机和涡轮叶片，例如，如图I所示的低压涡轮转子叶片。众所周知，图I中的叶片10包括叶型20、由较厚部分构成的叶根30 (例如，呈球形截面并通过突部(tang) 32而延伸)、位于突部32和叶型20之间的内平台40，以及叶片自由端附近的外平台50。叶型20在内平台40和外平台50之间纵向延伸，在横截面上，其在前缘20a和后缘20b之间呈现厚度不同的有弯度的外形。叶片10通过叶根30啮合在转子周缘形成的互补形状的穴槽内而安装在涡轮转子(图中未示)上。叶根30通过突部32而延伸，从而与内平台40的内(或底)面相连接。在其径向内端，叶型20与内平台40的外(或顶)面42相连接，该面形成了穿过涡轮的燃气流道的内侧。在其上游和下游部分(沿燃气流的流动方向f)，平台的端部连接有突部44和46。在所示示例中，内平台的面42倾斜，这样，在整体上，其构成了相对于叶片纵向法线的非零角a。根据燃气流道内表面所需叶型形状，该角度a可以是零，或者，面42可以为通常的非直线形，例如有弯度的外型。在其径向外端，叶型通过平台内(底)面52与外平台50相连接，所述内面52形成了燃气流道的外侧。在其上游和下游部分，外平台的端部连接有突部54和56。在外部(在顶上)，外平台形成凹陷或浴缸形状58。沿浴缸形状58的上游和下游边缘，平台带有刮器60，呈现带有尖部的齿形轮廓，适合伸入到涡轮环(turbine ring，图中未示)的一层耐磨材料中，从而减小了叶尖和涡轮环之间的间隙。在所示示例中，外平台的内面52沿大体垂直于叶片纵向延伸。在另一个方式中，且根据燃气流道外表面所需形状，内表面52可以倾斜，从而在整体上形成相对于叶片纵向法线的非零角，或者，内面52可以呈通常的非直线形，例如有弯度的叶型。图2示出了纤维坯100的高度示意图，叶片纤维预制件就是用该纤维坯制成，这样，一旦采用基体进行致密化处理，而且，也可能还经过加工，就可获得其内装有平台的复合材料叶片，如图I所示叶片。 纤维还100包括三个部分102,104,和106,均采用三维编织或多层编织而成,而图2仅示出了这三部分的外层。成形后，部分102就形成了叶片纤维预制件部分，相当于叶片叶型和根部的预制件。成形后，部分104就形成了叶片纤维预制件部分，相当于叶片内平台和叶片外平台刮器的预制件。成形后，部分106就形成叶片纤维预制件部分，相当于叶片内平台加强件和叶片外平台突部的预制件。三个部分102，104，和106都呈条状，一般在对应于需要制作的叶片的纵向的方向X上延伸。在需要制作叶型预制件的部分中，纤维条带102具有不同厚度，该厚度根据将要制作的叶片叶型厚度确定。在需要形成叶根预制件的部分中，条带102的厚度103加大，该厚度根据将要制造的叶片根部厚度确定。纤维条带102的宽度I选择根据需要制造的叶片叶型和叶根的规定(即平整)外形长度，而每个纤维条带104和106的宽度L大于1，该宽度的选择根据需要制造的叶片内和外平台的规定长度确定。纤维条带104和106的宽度大体相同，每个条带的厚度大体保持不变，该厚度根据需要制造的叶片内和外平台的厚度确定。每个条带104和106的第一部分104a，106a,都沿条带102第一面102a并在其附近延伸，第二部分104b，106b沿条带102第二面102b并在其附近延伸，以及第三部分105a，107a沿条带102第一面102a并在其附近延伸。条带104的部分104a和104b通过连接部分140c而连接到一起，后者在对应于需要制造的叶片内平台部位的部位处相对于条带102而横向延伸。连接部分104c穿过该条带，形成了相对于纤维坯纵向的法线的角度a。同样，条带106的部分106a和106b通过连接部分160c而连接到一起，后者相对于条带102横向延伸，并且与连接条带140c大体平行(可能的话，彼此隔开)。条带104的部分104b和105a通过连接部分150c而连接到一起，后者在对应于需要制造的叶片外平台部位的部位处相对于条带102横向延伸。在所示示例中，连接部分150c穿过条带102，大体垂直于纤维坯的纵向X。同样，条带106的部分106b和107a通过连接部分155c而连接到一起，连接部分155c相对于条带102横向延伸，与连接条带150c大体平行并与后者隔开，间隙为j。
根据叶片外平台所需的形状，连接部分150c，155c可穿过条带102，与内平台一样，相对于纤维坯纵向X的法线而形成非零角度。此外，连接部分140c，160c的外形和/或连接部分150c，155c的外形可以是曲线的，而不是所示示例中的直线的。另外，连接部分150c和155c之间提供的间隙j也可以是零。同样，连接部分140c和160c之间也可是非零间隙。正如下面将要更详细介绍的那样，首先在条带102和条带104的部分104a，104b,和105a之间，其次，在条带102和条带106的部分106a, 106b,和107a之间，采用三维编织方法同时编织条带102，104，和106，没有互联，与此同时，在方向X上持续编织多个纤维坯100，条带104和106的各个部分之间不提供互联。图3到图5非常清楚地示出了纤维预制件从纤维坯100开始是如何制成的，所述纤维预制件的形状接近于将要制造的叶片的形状。在一端加厚103部位处，以及在另一端的稍许伸出连接部分150c，155c的部位处， 切割出纤维条带102，所获得的条带120的长度相当于将要制造的叶片的纵向尺寸，加大部分130由加厚部分103形成并位于相当于将要制造的叶片根部的部位处。此外，在条带104的部分104a，105a的端部处，在条带106的端部处106a，107a,和在条带106的部分104b，106b处，进行切割，这样，部分140a和140b就保留在连接部分140c, 160c的两侧，而部分150a, 150b也保留在连接部分150c, 155c的两侧，如图3所示。部分140a，140b和150a，150b的长度则根据将要制造的叶片的内外平台的长度确定。因为首先在条带102和条带104的部分104a，104b，和105a之间，其次在条带102和条带106的部分106a, 106b,和107a之间，没有互联，所以部分140a，140b，150a，和150b可以垂直于条带102而折叠，无需切割纱，从而形成如图4所示的平板140，150。将要制造的叶片的纤维预制件200随后可通过条带102模制而获得，即将条带102变形，制成叶片叶型的有弯度的型面。构成底板140的两层也进行变形，从而制成类似于叶片平台的形状(特别是，包括平台的突部)。同样，平板150的顶层变形后形成类似于叶片外平台刮器的形状，而平板150的底层变形后形成类似于叶片外平台突部的形状(见图5)。于是，所获得的预制件200带有叶型预制件部分220、叶根预制件部分230 (包括突部预制件)、内平台预制件部分240 (双层厚度)、外平台刮器预制件部分250，和构成叶片外平台突部预制件部分260。图6A和6B示出了另一个纤维坯100丨示例，叶片纤维预制件也是从该纤维坯上成形的。如参照图2所述的纤维坯一样，该纤维坯100包括三个部分102'，104'，和106'，采用三维编织或多层编织方法而制成，图6A和图6B仅示出了这三个部分的外层。与图2所示纤维坯相比，条带104'第一部分104' a沿条带102'第一面102' a并在其附近延伸，而条带106'第一部分106' a则沿条带102'第二面102' b并在其附近延伸，该面与第一面相对。条带104'第二部分104' b沿条带102'第二面102' b并在其附近延伸，而条带106'第二部分106' b沿条带102'第一面102' a并在其附近延伸。最后，条带104'第三部分105' a沿条带102'第一面102' a并在其附近延伸，而条带106'第三部分107' a沿条带102'第二面102' b并在其附近延伸。条带104'的部分104' a和104' b通过连接部分140' c而连接在一起,连接部分140' c沿一个方向穿过条带102,而条带106的部分106' a和106' b通过连接部分160' c连接在一起,而连接部分160' c沿相反方向穿过条带102。同样,条带104'的部分104' b和105' a通过连接部分150' c沿一个方向穿过条带102而连接在一起,而条带106'的部分106' b和107' a通过连接部分155' c沿相反方向穿过条带102而连接在一起，并且，连接部分155' c与连接条带150' c之间为非零间隙j'(在本示例中，连接部分140' c和160' c之间无间隙)。从该纤维坯100'中可获得纤维预制件，其带有接近需要制造的叶片形状，所采用的方式与参照图3到图5所述方式相同，因此，在此不再详细赘述。特别是，连接部分140' C，160' c端部处进行切割，从而避免保留条带104'和106'第一部分104' a和106' a。同样，在将要制造的叶片的外平台处，在连接部分150' C，155' c端部处进行切割，从而去除条带104'和106'第三部分105' a和107' a (图6B中以链线D示出了切割线)。换句话说，随后，对平板进行变形处理，从而制成类似于叶片内外平台的形状，这些平板只由连接部分140' C，160' c与105' a和107' a 构成。这样，在条带106'第一部分106' a和连接部分140' c的纱层之间不会出现交叉Cl，同样，在条带104'第三部分105' a和连接部分155' c的纱层之间也不会出现交叉C2。下面仅详细介绍与图2纤维坯的不同之处。当然，参照图2所述的纤维坯的其它特性也适用于该实施例。此外，从两个纤维坯示例100和100’中，可以设想出各种不同的实施方式，其中，在一个纤维条带上，只成形将要制造的叶片内平台的预制件或只成形将要制造的叶片外平台的预制件。如下所述，在对纤维坯的纤维进行了处理并采用固结成分浸溃后，可很方便地实施在纤维坯上制造叶片预制件的步骤。下面详细介绍三维编织纤维坯100的方法。假设条件是采用沿纤维坯纵向X延伸的经纱进行编织，需要明确的是，也可以用沿该方向延伸的纬纱来进行编织。条带102沿其长度上的厚度变化可使用不同重量的纬纱来获得。在另一个方式中，或者，除此之外，也可改变经纱的纱数(沿纬纱方向，每个单元长度的纱数)，当采用模制方法来成形预制件时，较少纱数可使得更稀疏。因此，为了获得图7平面投影所示的叶片叶型轮廓，可以使用三层不同重量和不同纱数的经纱，如图8所示。在实施方式中，所用纱可以是日本供货商日本碳素公司提供的品牌为“Nicalon”的碳化硅(SiC)纱，该纱重量(用单丝数来表示)为0. 5K(即，500根单丝)。经纱由0. 5K碳化硅纱和将两根0. 5K纱结合而获得的IK碳化硅纱组成，两根纱通过包裹而结合到一起。这种包裹的实施很方便，即使用临时性的适合编织后就可去除的纱，例如，可在水中溶解后去除的聚乙烯醇(PVA)。下面的表I规定了每排经纱的纱数(在轮廓长度上每厘米的纱数)、0. 5K纱的数量、IK纱的数量，以及轮廓厚度(mm)，其中，所述厚度范围为大约Imm到2. 5mm之间。表I
权利要求
1.一种采用复合材料制造涡轮发动机叶片(10)的方法，所述复合材料包括由基体致密的纤维加强件，所述方法包括 进行三维编织，制造整体纤维坯(100)； 成形纤维坯，获得整体纤维预制件(200)，其带有构成叶片根部和叶型预制件的第一部分(102)，构成叶片内平台或叶片外平台刮器的预制件的至少一个第二部分(104)，以及构成叶片内平台增强或叶片外平台突部的预制件的至少一个第三部分(106);以及 采用基体对纤维预制件进行致密，以获得复合材料叶片，其带有由预制件构成的和由基体致密的纤维加强件，并形成了其内装有内和/或外平台的整体件。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，在对应于将要制造的纤维坯纵向的纵向上，纤维坯包括 第一组多个连接在一起的纱层，形成对应于叶根和叶型预制件纤维坯的第一部分； 第二组多个至少局部连接在一起的纱层，形成对应于叶片内平台预制件或叶片外刮器预制件的纤维坯的至少第二部分；以及 第三组多个至少局部连接在一起纱层，构成对应于叶片内平台加强预制件或叶片外平台突部预制件的纤维坯的至少第三部分； 其特征在于，第一组纱层的纱并不与第二和第三组纱层的纱相连接；以及 其中，第一组纱层带有第二和第三组纱层的纱，这些纱穿过纤维坯的每个第二部分和穿过纤维坯的每个第三部分。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，用第二和第三连续组纱层编织纤维坯，纤维坯的成形包括通过切割去除位于每个第二纤维坯部分和每个第三纤维坯部分之外的第二和第三组纱层部分。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，第二和第三组纱层沿同一方向穿过第一组纱层。
5.根据权利要求2或权利要求3所述的方法，其特征在于，第二和第三组纱层沿相反方向穿过第一组纱层。
6.根据权利要求I到5任一项所述的方法，其特征在于，在纤维坯的第一部分中，以及在对应于变厚度叶型沿该方向在将要制造的叶片内延伸的方向上，第一组纱层的纱层数是固定不变的。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第一组纱层的纱的重量是变化的。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的方法，其特征在于，第一组纱层的纱的纱数是变化的。
9.根据权利要求I到8任一项所述的方法，其特征在于，三维编织用来制造由一系列纤维坯组成的条带。
10.根据权利要求I到9任一项所述的方法，其特征在于，纤维坯的编织是这样的，即其对应于将要制造的叶片方向的纵向沿纬纱方向。
11.根据权利要求I到9任一项所述的方法，其特征在于，纤维坯的编织是这样的，即其对应于将要制造的叶片方向的纵向沿经纱方向延伸。
12.一种用复合材料制成的涡轮发动机叶片(10)，所述复合材料包括纤维加强件，所述加强件由纱的三维编织方法获得并通过基体致密，所述叶片包括构成叶片根部和叶型的第一部分(102)，并与如下部分一体地构成 构成叶片内平台或叶片外平台刮器的至少一个第二部分(104);以及 构成叶片内平台加强件或外平台突部预制件的至少第三部分(106)； 对应于第一、第二、和第三叶片部分的纤维加强部分，至少部分地与进入纤维加强件第二部分内的纤维加强件第一部分的纱相互交织。
13.根据权利要求12所述的叶片，其特征在于，其采用陶瓷基体复合材料制成。
14.根据权利要求12或13所述的叶片，其特征在于，构成对应于叶片第二和第三部分的纤维加强部分的纱穿过对应于叶片第一部分的纤维加强部分。
15.根据权利要求12到14任一项所述的叶片，其特征在于，叶片叶型带有厚度变化的轮廓，沿这个轮廓，对应于第一叶片部分的纤维加强部分沿叶片纵向带有常数量的可变重量和/或可变纱数的纱层。
16.根据权利要求12到14任一项所述的叶片，其特征在于，叶片叶型带有厚度变化的轮廓，沿这个轮廓，对应于叶片第一部分的纤维加强部分带有可变数量的纱层，这些纱层沿叶片纵向延伸。
17.—种涡轮发动机，其装有根据权利要求12到16任一项权利要求所述的或采用权利要求I到11任一项所述方法制造的至少一个叶片(10)。
全文摘要
一种采用复合材料制成的涡轮发动机叶片，所述复合材料包括采用基体致密的纤维加强件，所述叶片采用如下方法制造进行三维编织，制造整体纤维坯(100)；成形纤维坯，获得整体纤维预制件，其带有构成叶片根部和叶型的预制件的第一部分(102)，构成叶片内平台或叶片外平台刮器的预制件的至少一个第二部分(104)，以及构成叶片内平台增强或叶片外平台突部的预制件的至少一个第三部分(106)；以及采用基体对纤维预制件进行致密，以获得复合材料叶片，其带有由预制件构成并由基体致密的纤维加强件，并形成其内装有内和/或外平台的整体件。
文档编号F01D5/28GK102782256SQ201080056730
公开日2012年11月14日 申请日期2010年12月10日 优先权日2009年12月14日
发明者克莱门特·拉塞尔, 多米尼克·酷派, 斯特凡·布兰查德, 纪尧姆·瑞侬, 罗曼·努涅斯 申请人:斯奈克玛, 海瑞克里兹