具有一体式翼型件的复合转子和导叶组件的制作方法
【专利摘要】一种复合燃气涡轮发动机结构包括固持环，具有安装在固持环上、与固持环集成并且远离固持环沿径向延伸的翼型件。固持环包括环形复合板层(57)、沿周向分段的翼型件环，其包括围绕固持环的外圆周和内圆周中的一个设置的翼型件环节段。翼型件环节段均包括环形底座，以及环形底座的顺时针端部(64)和逆时针端部(66)处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段(60)和逆时针翼型件节段(62)。复合翼型件包括顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段。围绕分段的翼型件环沿周向设置的流动通路外壳(68)将环形底座捕获在流动通路外壳与固持环之间。复合翼型件延伸穿过流动通路外壳中的槽口(83)。板层可以以由连续复合带制成的单个螺旋件包裹。槽口可沿周向成角。顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段可缝合在一起。
【专利说明】具有一体式翼型件的复合转子和导叶组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气涡轮发动机转子和导叶组件，并且更具体地涉及用于飞行器燃气涡轮发动机的具有一体式翼型件的复合转子和定子。
【背景技术】
[0002]通常称为(BLISKS)的一体式带叶片转子(IBR)或带叶片盘在本领域中已知用于燃气涡轮发动机中。涡扇燃气涡轮发动机大体上包括前风扇和增压压缩机、中间核心发动机和后低压动力涡轮。BLISKS由金属材料通常制造为由实心金属坯料加工的单个物件，或制造为焊接在一起的若干元件。金属BLISKS为相对重的。相比于复合材料，金属具有较低的比强度，并且具有非常小的固有阻尼。
[0003]用于在燃气涡轮发动机中使用的复合一体式带叶片转子已经在若干篇专利中公开，诸如，美国专利第4，747，900号、第4，786，347号和第7，491，032号。复合一体式带叶片转子经受转子构造的设计中必须考虑以保存其完整性的较大力。在转子盘中，主要的力沿周向方向施加，所以吸收环向应力的能力为重要的，而在翼型叶片中，沿径向施加的力占主导。在此类转子中使用的复合材料典型地包括树脂(诸如，环氧树脂)，其具有较低的固有强度。由于包括嵌入在复合材料基质中的一般相同的材料的纤维，故复合材料具有高于金属的比强度。纤维已知的是在拉伸中最强，所以成品构件中的力的方向将至少部分地确定其强度。在一些情况中，构件的结构设计已经被纤维定向的需要影响。
[0004]复合基质的一体式带叶片的转子、盘、导叶，以及制造它们的方法是劳动密集型、耗时且非常昂贵的。非常合乎需要的是具有远非劳动密集型、不耗时且廉价的用于制造复合基质的一体式带叶片的转子、盘和导叶的设计及方法。非常合乎需要的是具有用于制造复合基质的一体式带叶片的转子、盘和导叶的设计和方法，它们较强，允许中心孔口，但制造相对快速且容易。
【发明内容】
[0005]一种复合燃气涡轮发动机结构包括绕着中心线轴线外接的环形复合固持环，以及安装在固持环上并且与固持环集成并且远离固持环沿径向延伸的复合翼型件。固持环包括环形复合板层和沿周向分段的翼型件环，其包括围绕固持环的外圆周和内圆周中的一个设置的翼型件环节段。翼型件环节段中的各个包括环形底座，以及环形底座的顺时针端部和逆时针端部处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段。复合翼型件中的各个包括顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段。流动通路外壳围绕分段的翼型件环沿周向设置，并且将环形底座捕获在流动通路外壳与固持环之间。复合翼型件延伸穿过流动通路外壳中的内翼型件槽口。槽口可沿顺时针方向或逆时针方向沿周向成角或倾斜。
[0006]环形复合板层可以以由连续复合带制成的单个螺旋件包裹。固持环、复合翼型件以及内流动通路外壳或外流动通路外壳可至少部分地由碳纤维织造材料制成。
[0007]顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段可缝合在一起。
[0008]复合燃气涡轮发动机结构的另一个实施例包括沿径向间隔开并且在绕着中心线轴线外接的环形复合护罩内侧的环形固持环，以及与固持环和护罩集成并且在固持环与护罩之间沿径向延伸的复合翼型件。固持环和护罩包括环形复合板层，以及沿周向分段的复合翼型件环，该复合翼型件环包括围绕固持环的外圆周设置的翼型件环节段。翼型件环节段中的各个包括环形底座，以及环形底座的顺时针端部和逆时针端部处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段。复合翼型件中的各个包括顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段。内流动通路外壳围绕分段的翼型件环沿周向设置，将环形底座捕获在内流动通路外壳与固持环之间。复合翼型件以及顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段延伸穿过内流动通路外壳中的内槽口。
[0009]环形复合护罩的示例性实施例包括围绕外流动通路外壳沿周向设置并且与外流动通路外壳沿径向向外间隔开的外流动通路外壳。顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段沿径向向外延伸穿过外流动通路外壳中的沿轴向延伸的外翼型件槽口，并且顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段分别沿外流动通路外壳和围绕外流动通路外壳从顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段沿周向逆时针和顺时针延伸。
[0010]环形复合板层可在固持环和环形复合护罩中的各个中以单个螺旋件包裹，并且环形复合板层和单个螺旋件可由连续复合带制成。固持环、环形复合护罩和复合翼型件可至少部分地由碳纤维织造材料制成。顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段可缝合在一起。
[0011]一种用于制作复合燃气涡轮发动机结构的方法，包括:形成具有从环形区段沿径向向外延伸并且与环形区段集成的翼型件面板的一体式预型件，通过包裹由碳纤维织造材料制成的复合带而形成环区段，提供由碳纤维织造材料制成并且包括中间区段和远离中间区段延伸的顺时针区段和逆时针区段的翼型件样块，使翼型件样块围绕环区段定位，其中中间区段在环区段上，将由碳纤维织造材料制成的内衬垫定位在翼型件样块的中间区段的径向外侧并且覆盖中间区段，其中顺时针区段和逆时针区段延伸穿过衬垫中的衬垫槽口，将顺时针区段和逆时针区段定位成远离中间区段沿径向延伸来形成翼型件面板，以及将树脂引入到预型件中并且模制预型件和树脂来形成复合结构。树脂传递模制或真空协助树脂传递模制可用于模制。
[0012]顺时针区段和逆时针区段中的沿周向邻接的区段可在模制之前缝制或缝合在一起。衬垫可设有围绕环区段沿周向成角或倾斜的衬垫槽口。
[0013]另一种用于制作燃气涡轮发动机构件的复合结构的方法，包括:使预型件与在内环区段与外环区段之间沿径向延伸的翼型件面板一体地形成，由碳纤维织造材料形成一体式定子预型件，通过包裹由碳纤维织造材料制成的复合带来形成内环区段和外环区段，提供由碳纤维织造材料制成并且包括中间区段和远离中间区段延伸的顺时针区段和逆时针区段的翼型件样块，顺时针区段和逆时针区段中的各个包括附接于中间区段的面板区段和附接于面板区段的护罩区段，围绕内环区段定位翼型件样块，提供由碳纤维织造材料制成的内衬垫和外衬垫，将内衬垫定位在翼型件样块的中间区段的径向外侧并且覆盖中间区段，其中顺时针区段和逆时针区段延伸穿过内衬垫中的内衬垫槽口，将顺时针区段和逆时针区段定位成远离中间区段沿径向延伸来形成翼型件面板，将护罩区段拉动或传递穿过外衬垫中的外衬垫槽口，定位分别围绕外环区段的内圆周或内径沿顺时针方向和逆时针方向远离面板区段沿周向延伸的顺时针区段和逆时针区段的护罩区段，以及将树脂引入到预型件中并且模制预型件和树脂来形成复合结构。
[0014]翼型件样块的中间区段可捕获在内衬垫与内环区段之间，并且翼型件样块的顺时针区段和逆时针区段的护罩区段可捕获在外衬垫与定子预型件的外环区段之间。
[0015]顺时针方向和逆时针方向的面板区段中的沿周向邻接的区段可在模制之前缝制或缝合在一起。
[0016]内衬垫槽口和外衬垫槽口可围绕内环区段和外环区段沿周向成角或倾斜。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]本发明的前述方面和其它特征在连同附图进行的以下描述中阐释，在该附图中: 图1为具有复合一体式带叶片的转子和复合一体式导叶组件的飞行器涡扇燃气涡轮发动机的示例性实施例的纵向局部截面图和局部示意性视图。
[0018]图2为图1中所示的发动机的增压器中的复合一体式带叶片转子的透视图。
[0019]图3为沿图2中的3-3截取的复合一体式带叶片转子的截面视图。
[0020]图4为用于制造图3中所示的复合一体式带叶片转子的预型件的一部分的截面视图。
[0021]图5为图4中所示的预型件部分的沿径向向内看的展开的局部断面平面视图。
[0022]图6为用于图4和5中所示的预型件中的织造垫的截面视图。
[0023]图7为沿图6中的7-7截取的织造垫的截面视图。
[0024]图8为沿图6中的8-8截取的织造垫的截面视图。
[0025]图9为图5中所示的包覆衬垫的平面视图。
[0026]图10为图1中所示的增压器中的复合一体式导叶组件的扇段的截面视图。
[0027]图11为具有一体式悬臂翼型件的燃气涡轮发动机构件的轴向截面视图。
[0028]图12为具有一体式向内延伸的悬臂翼型件的燃气涡轮发动机构件的截面视图。
【具体实施方式】
[0029]图1中示出了示例性飞行器涡扇燃气涡轮发动机10，其绕着发动机中心线轴线12外接并且适合地设计成安装于飞行器的机翼或机身。发动机10包括沿下游串流连通的风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮(HPT) 22和低压涡轮(LPT) 24。HPT或高压涡轮22由高压传动轴23连结于高压压缩机18。LPT或低压涡轮24由低压传动轴25连结于风扇14和增压器16两者。
[0030]在典型操作中，空气26由风扇14加压，并且产生导送穿过增压器16的内空气流15，增压器16进一步加压内空气流15。加压空气接着流至高压压缩机18，其进一步加压空气。加压空气与燃烧器20中的燃料相混合，用于生成热燃烧气体28，热燃烧气体28继而向下游流过HPT22和LPT24。
[0031]紧接在风扇14后方的包绕增压器16的分流器34包括尖锐前缘32，其将由风扇14加压的风扇空气26分成导送穿过增压器16的径向内流(内空气流15)和导送穿过旁通导管36的径向外流(旁通空气流17)。包绕风扇14的风扇机舱30由环形风扇框架33支承。增压器16包括沿径向向外和向内延伸横跨增压器导管40中的增压器流动通路39的交错的环形成排的复合增压器叶片38和复合增压器导叶42。环形成排的复合增压器叶片38适合地连结于风扇14。增压器16位于风扇框架33前方，并且沿径向设置在分流器34内侧。
[0032]复合增压器叶片38与图2中进一步示出的称为复合一体式带叶片转子46(IBR)的物件中的复合转子环44集成。复合一体式带叶片转子46为具有一体式复合翼型件48 (诸如转子和定子)的复合燃气涡轮发动机结构8的示例性实施例。增压器叶片38中的各个包括复合翼型件48，其具有在复合转子环44处从翼型件底座45向外延伸至翼型件末端47的压力侧41和吸入侧43。本文中示出的示例性压力侧41和吸入侧43分别为凹形和凸形的。复合翼型件48包括弦向间隔开的前缘LE和后缘TE。复合翼型件48安装在复合转子环44上并且与复合转子环44集成。
[0033]图3中示出了复合一体式带叶片转子46的截面。复合转子环44包括环形复合层或板层49，其通过围绕心轴或工具(未示出)包裹图4中所示的连续复合带50制成。复合带50至少部分地由碳纤维织造材料制成，并且以与板层49 一样多的次数连续地卷绕360度。因此，复合转子环44为单个连续包裹物或螺旋件300，并且复合板层49为大致圆形或环形。复合带50在本文中示为卷绕4次，其如图3中所示形成4个大致圆形或环形的复合板层49。因此，复合转子环44为大致圆形，具有在复合转子环44的相应的外圆周OC和内圆周IC或外径OD和内径ID处的最外板层57和最内板层157。
[0034]参照图3，复合一体式带叶片转子46还包括沿周向分段的翼型件环54，其包括围绕复合转子环44的最外层或板层57设置的翼型件环节段56。各个翼型件环节段56包括环形底座58，以及环形底座58的顺时针端部64和逆时针端部66处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62。环形底座58绕着复合转子环44的最外板层57设置，与最外板层57大致同心，并且优选设置在最外板层57上。复合转子环44的翼型件环54、环形底座58和最外板层57绕着中心线轴线12外接，并且可为圆锥形或圆筒形。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62中的沿周向相邻的节段88缝合在一起来形成一体式翼型件面板90。
[0035]复合一体式带叶片转子46还包括内流动通路外壳68，其围绕分段的翼型件环54沿周向设置，并且使环形底座58捕获在内流动通路外壳68与复合转子环44的最外板层57之间。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿径向向外延伸穿过内流动通路外壳68中的沿轴向延伸的内翼型件槽口 67。注意，如由图4中所示的用于制作复合一体式带叶片转子46的预型件70中的槽口指示的，槽口在顺时针方向CW或逆时针方向CCW上沿周向成角或倾斜。各对69沿周向相邻的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62形成图1-3中所示的复合翼型件48中的各个。
[0036]图4中所示的复合转子预型件70用于形成和制造图2和3中所示的复合一体式带叶片转子46。环形复合板层49通过围绕心轴或工具(未示出)包裹复合带50来制成，以形成预型件70的环区段72。复合带50以单个螺旋件300包裹。一体式翼型件面板90从环区段72沿径向向外延伸并且与环区段72 —体地形成。图4-8中示出了翼型件样块74，其由用于形成环节段56的相同碳纤维织造材料制成。翼型件样块74中的各个包括中间区段76’以及分别沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW远离中间区段76沿周向延伸的顺时针区段78和逆时针区段80。中间区段76围绕预型件70的环区段72的外周OC或外径OD放置。
[0037]图4、5和9中示出了由用于形成内流动通路外壳68的碳纤维织造材料制成的包覆衬垫82。衬垫82沿径向定位在翼型件样块74的中间区段76外侧和其之上。衬垫82将翼型件样块74的中间区段76捕获、定位和保持在衬垫82与预型件70的环区段72之间。内衬垫84中的沿轴向延伸的衬垫槽口 83尺寸和位置确定成对应于并且形成复合一体式带叶片转子46的内流动通路外壳68中的内翼型件槽口 67。如图4和5中所示，顺时针区段78和逆时针区段80分别从中间区段78沿径向向外弯曲，并且被拉动或另外传递穿过衬垫槽口 83。
[0038]参照图6-8，隆起96沿翼型件样块74的整个长度L周向地延伸。隆起96具有恒定宽度W和最大高度H。隆起96弯曲，以便向顺时针区段78和逆时针区段80中的各个提供外翼型件形状S。隆起96经由织造物提供顺时针区段78和逆时针区段80的沿轴向渐缩，使得区段中的各个具有翼型件形状S，带有图2-8中所示的最大厚度T和最大半厚度1/2T。顺时针区段78和逆时针区段80朝对应于复合翼型件48的前缘LE和后缘TE的前方边缘120和后方边缘122渐缩。
[0039]翼型件样块74的下侧100为平的。沿周向邻接的成对110翼型件样块74的沿周向邻接的顺时针区段78和逆时针区段80沿翼型件样块74的下侧100附连于彼此，如图4中所示。在本文所示的复合转子预型件70的实施例中，沿周向邻接的顺时针区段78和逆时针区段80缝制或缝合在一起以形成翼型件面板90。这由利用线104沿图2和3中所示的复合翼型件48的等分线108产生的缝合接缝102指示。顺时针区段78和逆时针区段80可在被拉动或另外传递穿过衬垫槽口 83之前缝合在一起。
[0040]复合转子预型件70的各种织造部分可缝合在一起。环形复合板层49、翼型件样块74的中间区段和衬垫82可缝合在一起来关于彼此定位这些部分，并且在用于形成复合一体式带叶片转子46的树脂注入和固化过程期间有助于保持它们就位。
[0041]各种方法可用于将树脂注入到织造复合预型件(诸如，复合转子预型件70)中。以树脂注入预型件可使用树脂传递模制(RTM)或真空协助树脂传递模制(VARTM)来执行，同时预型件层合在工具系统上。作为备选，可使用更常规的压热过程。当预型件置于模具中时，各种模具部分或区段将预型件保持就位来适当地形成结构8。由于形成预型件期间产生的各种弯曲，故预型件中将存在无关的折叠，诸如在翼型件样块74的中间区段76与顺时针区段78和逆时针区段80之间。这些无关折叠容纳在模具区段内，并且变为复合结构8的一部分。
[0042]RTM方法使用RTM模具来将光滑表面精整输送在部分的两侧上，并且可以以较高速率以及最少的生产后修剪和/或加工来产生复杂的精细近净形状。树脂在压力下输送，其中模具件夹持在一起(或在压机中保持在一起)，并且因此，部分是一致的、可重复的，大小上稳定的且良好加固的，具有相对高的纤维含量和卓越的空隙控制。对于由较高粘性韧化树脂制成的高性能部分，模具通常被加热，并且树脂注入压力利用计量/混合注射机来控制。原材料成本大体上小于手工铺置的那些，因为使用了干预型件而非传统的预浸料坯。循环时间的范围可从两小时到三小时，其短于典型的压热固化循环。
[0043]本文示出的另一个复合燃气涡轮发动机结构8为复合导叶定子146。图10中示出了复合导叶定子146的扇段140，其包括复合增压器导叶42的环形排，诸如增压器16中的那些。复合导叶定子146 —体地形成，并且包括在环形复合定子环144与环形复合护罩148之间沿径向延伸的复合翼型件48。复合翼型件48中的各个包括从复合定子环144处的翼型件底座45向外延伸至环形复合护罩148处的翼型件末端47的压力侧41和吸入侧
43。环形复合护罩148与复合定子环144沿径向间隔开，并且绕着中心线轴线12外接。复合翼型件48安装于复合定子环144和环形复合护罩148并且与复合定子环144和环形复合护罩148集成。
[0044]图10将用于示出复合定子环144和环形复合护罩148可如何以与如上文所述的复合转子环44相似的方式制作。环形复合层或板层49通过围绕心轴或工具(未示出)包裹单个连续复合带50来制成。复合带50为碳纤维织造材料，并且以与板层49 一样多的次数连续地卷绕360度。因此，复合定子环144和环形复合护罩148为单个连续螺旋件，并且复合板层49为大致圆形或环形。复合带50在本文中示为卷绕两次，在复合定子环144中形成2个大致圆形或环形的复合板层49，如图10中所示。
[0045]包括翼型件环节段56的沿周向分段的翼型件环54围绕复合定子环144的最外层或板层57设置。各个翼型件环节段56包括环形底座58，以及环形底座58的顺时针端部64和逆时针端部66处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62。环形底座58绕着复合定子环144的最外板层57设置，与最外板层57大致同心，并且优选设置在最外板层57上。复合转子环44的翼型件环54、环形底座58和最外板层57绕着中心线轴线12外接，并且可为圆锥形或圆筒形。
[0046]复合导叶定子146还包括内流动通路外壳68，其围绕分段的翼型件环54沿周向设置，并且使环形底座58捕获在内流动通路外壳68与复合定子环144的最外板层57之间。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿径向向外延伸穿过内流动通路外壳68中的沿轴向延伸的内翼型件槽口 67。注意，如上文阐释的，如图5中所示，槽口沿顺时针方向CW或逆时针方向CCW圆形地成角或倾斜。各对69沿周向相邻的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62形成复合翼型件48。
[0047]环形复合护罩148包括外流动通路外壳168，其位于翼型件末端47处，并且围绕沿周向设置，并且与外流动通路外壳168沿径向向外间隔开。内流动通路外壳68和外流动通路外壳168分别沿径向向内和向外界定流动通路，诸如图1中所示的增压器流动通路39。各个翼型件环节段56包括沿周向延伸的顺时针护罩节段160和逆时针护罩节段162，它们分别在复合翼型件48的翼型件末端47处从顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿周向逆时针CCW和顺时针CW延伸。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿径向向外延伸穿过外流动通路外壳168中的沿轴向延伸的外翼型件槽口 167。顺时针护罩节段160和逆时针护罩节段162分别沿外流动通路外壳168和围绕外流动通路外壳168从顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿周向逆时针和顺时针延伸。注意，外流动通路外壳168中的槽口沿顺时针方向CW或逆时针方向CCW圆形地成角或倾斜。
[0048]环形复合护罩148包括环形复合层或板层49，其通过围绕顺时针护罩节段160和逆时针护罩节段162包裹单个连续复合带50来制成。复合带50为碳纤维织造材料，并且以与板层49 一样多的次数连续地卷绕360度。因此，环形复合护罩148包括单个连续螺旋件，并且复合板层49为大致圆形或环形。复合带50在本文中示为卷绕两次，在环形复合护罩148中形成2个大致圆形或环形的复合板层49，如图10中所示。卷绕的复合带50和环形复合板层49将环形的顺时针护罩节段160和逆时针护罩节段162捕获在外流动通路外壳168与环形复合护罩148的最内板层157之间。
[0049]类似于上文公开的和图4-9中所示的转子预型件70的复合定子预型件170用于形成和制造图10中所示的复合导叶定子146。在图10中示出并且在本文中公开的示例性复合定子预型件170由碳纤维织造材料制成。定子预型件170包括在定子预型件170的内环区段172与外环区段174之间沿径向延伸的翼型件面板90。翼型件面板90对应于复合翼型件48并且用于形成复合翼型件48，复合翼型件48分别在环形复合定子环144与环形复合护罩148之间沿径向延伸。
[0050]用于制作复合定子预型件170的翼型件样块74略微不同于用于上文所述的转子预型件70的那些，因为它们具有分别沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW远离中间区段76沿周向延伸的较长的顺时针区段78和逆时针区段80。翼型件样块74包括顺时针区段78和逆时针区段80。顺时针区段78和逆时针区段80中的各个包括附接于中间区段76的面板区段178和附接于面板区段178的护罩区段180。护罩区段180用于形成顺时针护罩节段160和逆时针护罩节段162，它们远离环形复合护罩148的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿周向延伸。
[0051]由碳纤维织造材料制成的内衬垫84用于形成内流动通路外壳68，并且外衬垫184用于形成外流动通路外壳168。内衬垫84定位在翼型件样块74的中间区段76之上。翼型件样块74的顺时针区段78和逆时针区段80被拉动或另外传递穿过内衬垫84中的内衬垫槽口 86。
[0052]附接于面板区段178的护罩区段180被拉动或另外传递穿过外衬垫184中的外衬垫槽口 186。翼型件样块74的顺时针区段78和逆时针区段80的护罩区段180铺设成分别围绕复合定子预型件170的外环区段174的内圆周IC或内径ID沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW远离面板区段178沿周向延伸。
[0053]内衬垫84将翼型件样块74的中间区段76捕获、定位和保持在内衬垫84与定子预型件170的内环区段172之间。外衬垫184将翼型件样块74的顺时针区段78和逆时针区段80的护罩区段180捕获、定位和保持在外衬垫184与定子预型件170的外环区段174之间。邻接的面板区段178可在拉动穿过衬垫槽口之前或之后缝合在一起。衬垫中的沿轴向延伸的内衬垫槽口 86和外衬垫槽口 186尺寸和位置确定成分别对应于并且形成复合导叶定子146的内流动通路外壳68和外流动通路外壳168中的内翼型件槽口 67和外翼型件槽口 167。
[0054]复合定子预型件的各种织造部分可缝合在一起。复合定子环144和环形复合护罩148的环形复合板层49、翼型件样块74的中间区段76以及内衬垫84和外衬垫184可适当地缝合在一起来将这些部分关于彼此定位，并且有助于将它们保持就位用于用来形成复合导叶定子146的树脂注入和固化。预型件部分定位在各种工具部分上和其间，用于注入，以便适当地形成复合导叶定子146及其部分。
[0055]2008年11月24日提交的美国专利申请2010/0129227，序列号12/276，522公开了设计有反转涡轮的燃气涡轮风扇喷气发动机，其对反转风扇和增压器或低压压缩机供能。图11中示出了飞行器发动机构件(诸如，交错的增压器级)，其可合并具有一体式沿径向向内和向外延伸的悬臂翼型件200，202的复合组件，该复合组件代表适用于在飞行器燃气涡轮发动机中(诸如在增压器中)使用的复合转子204和定子206或复合可反转转子208两者。
[0056]出于本专利的目的，复合结构8的复合转子环44称为转毂402 (如果复合翼型件48从其沿径向向外延伸)，称为转鼓404 (如果复合翼型件48从其沿径向向内延伸)。
[0057]图12中示意性地示出了复合燃气涡轮发动机结构的示例性实施例,其具有一体式悬臂翼型件，诸如可用于转子和定子和可反转的转子。图12中所示的示例性实施例具有燃气涡轮发动机增压器构件210。燃气涡轮发动机增压器构件210包括具有向内延伸并且在复合转子环44处从翼型件底座45悬置到翼型件末端47的压力侧41和吸入侧43的复合翼型件48。复合翼型件48安装在复合转子环44上并且与复合转子环44集成。
[0058]复合转子环44包括环形复合层或板层49,其通过围绕心轴或工具(未示出)包裹单个连续复合带50来制成。复合带50为碳纤维织造材料，并且以与板层49 一样多的次数连续地卷绕360度。因此，复合转子环44为略微螺旋形的单个连续包裹物，并且复合板层49为大致圆形或环形。复合带50在本文中示为卷绕4次，形成4个大致圆形或环形的复合板层49。
[0059]包括翼型件环节段56的沿周向分段的翼型件环54围绕复合转子环44的最内层或板层257设置。各个翼型件环节段56包括环形底座58，以及环形底座58的顺时针端部64和逆时针端部66处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62。环形底座58围绕复合转子环44的最内板层257设置、与最内板层257大致同心，并且优选设置在最内板层257上。复合转子环44的翼型件环54、环形底座58和最内板层257绕着中心线轴线12外接，并且可为圆锥形或圆筒形。
[0060]外流动通路外壳168围绕分段翼型件环54沿周向设置并且沿周向设置在分段翼型件节段54径向外侧，将环形底座58捕获在外流动通路外壳168与复合转子环44的最内板层257之间。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿径向向外延伸穿过外流动通路外壳168中的沿轴向延伸的内翼型件槽口 67。槽口沿顺时针方向CW或逆时针方向CCff圆形地成角或倾斜。各对69沿周向相邻的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62形成复合翼型件48中的各个。
[0061]类似于图4中所示的一个的复合转子预型件用于形成和制造燃气涡轮发动机增压器构件210。环形复合板层49通过围绕心轴或工具(未示出)包裹复合带50来制成，以形成预型件的环区段，其对应于复合转子环44。类似于图4-8中所示的一个的翼型件样块由用于形成环区段56的相同碳纤维织造材料制成。翼型件样块74中的各个包括中间区段76，以及分别沿顺时针方向CW和逆时针方向CCW远离中间区段76沿周向延伸的顺时针区段78和逆时针区段80。
[0062]由碳纤维织造材料制成的内衬垫84用于形成外流动通路外壳168。衬垫沿径向定位在翼型件样块74的中间区段76内侧并且在其之上。衬垫84中的沿轴向延伸的衬垫槽口尺寸和位置确定成对应于并且形成复合燃气涡轮发动机增压器构件210的外流动通路外壳168中的翼型件槽口。顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62分别从中间区段沿径向向内弯曲，并且穿过衬垫中的轴向槽口。衬垫中的轴向槽口对应于并且形成外流动通路外壳168中的内翼型件槽口 67。
[0063]翼型件样块74的径向下侧100为平的。如图12中所示，沿周向邻接的成对110翼型件样块74的沿周向邻接的顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62沿翼型件样块74的下侧100附连于彼此。在本文公开的复合转子预型件的实施例中，这些顺时针翼型件节段60和逆时针翼型件节段62缝制或缝合在一起来形成翼型件面板90。复合转子预型件70的各种织造部分可缝合在一起。环形复合板层49、翼型件样块74的中间区段76和衬垫84可缝合在一起来关于彼此定位这些部分，并且有助于保持它们就位用于用来形成复合一体式带叶片转子46的树脂注入和固化。
[0064]在已经使用RTM或VARTM形成复合燃气涡轮发动机结构8之后，其处于净形状或近净形状状态。加工和/或表面精整可用于产生最终构件。
[0065]本文公开的组件在内径ID或外径OD或两者处将一体式织造翼型件与复合固持环400 (复合转子44和定子环144)合并，以形成复合一体式带叶片转子或导叶组件。具有缝合的翼型件区段以形成翼型件的预型件衬垫和织造的包覆衬垫的夹层提供了转子和定子组件的周向间距和刚性。所得的结构为产生360度结构的具有叶片或导叶的一体式环。
[0066]本文公开的组件和方法设计成提供具有稳健的翼型件固持系统的复合带叶片转子或定子组件。本文公开的组件和方法允许翼型件和固持系统两者的组合由复合物制成，而没有单独的分离的固持系统，在该情况下在设计中为一体式的。本文公开的组件和方法有助于通过利用复合材料来最大化重量减轻。它们还通过允许预型件组装并且以树脂注入来作为完整本体而易于制造。
[0067]由于材料的减小的密度和复合纤维的固有强度，故复合材料对于转子结构的应用具有重量减轻的较大优点。由于需要专用于用于增压器转子中的周向燕尾件的附接构造，故单独的复合叶片和转子的组合为困难的。将叶片和转子集成到一个结构中消除了单独的固持特征，并且材料强度的利用可在最小重量下最大化。
[0068]叶片和导叶由分离的缝合在一起的复合翼型件样块构成，该复合翼型件样块通过使样块渐缩来满足设计标准和物理厚度而允许最大的翼型件几何形状柔性。翼型件样块缝合在一起(优选在翼型件等分线处)，并且通过复合物包裹来集成/联锁于复合转子结构，该复合物包裹可利用复合方向性质来使强度和重量减轻最大化。
[0069]已经以示范性方式描述了本发明。将理解的是，已经使用的术语旨在为描述性而非限制性词语的性质。尽管本文已经描述了认为是本发明的优选且示例性的实施例的这些，但本领域的技术人员将从本文的教导清楚本发明的其它改型，并且因此期望落入本发明的真正精神和范围内的所有此类改型确保在所附权利要求中。
[0070]因此，期望由美国书面专利确保的是如以下权利要求中限定和区分的本发明:
【权利要求】
1.一种复合燃气涡轮发动机结构，包括: 绕着中心线轴线外接的环形复合固持环， 安装在所述固持环上并且与所述固持环集成并且远离所述固持环沿径向延伸的复合翼型件， 所述固持环包括环形复合板层， 沿周向分段的翼型件环，其包括围绕所述固持环的外圆周和内圆周中的一个设置的翼型件环节段， 翼型件环节段中的各个包括环形底座和在所述环形底座的顺时针端部和逆时针端部处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段， 所述复合翼型件中的各个包括所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段， 流动通路外壳，其围绕所述分段翼型件环沿周向设置并且将所述环形底座捕获在所述流动通路外壳与所述固持环之间，并且 所述复合翼型件翼型件延伸穿过所述流动通路外壳中的槽口。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括以单个螺旋件包裹的所述环形复合板层。
3.根据权利要求2所述的结构，其特征在于，所述环形复合板层和所述单个螺旋件由连续的复合带制成。
4.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括至少部分地由碳纤维织造材料制成的所述固持环、所述复合翼型件和所述内流动通路外壳或外流动通路外壳。
5.根据权利要求4所述的结构，其特征在于，还包括以单个螺旋件包裹的所述环形复合板层。
6.根据权利要求5所述的结构，其特征在于，所述环形复合板层和所述单个螺旋件由连续的复合带形成。
7.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括缝合在一起的所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段。
8.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，还包括沿顺时针方向或逆时针方向沿周向成角或倾斜的所述槽口。
9.一种复合燃气涡轮发动机结构，包括: 沿径向与环形复合护罩间隔开并且在环形复合护罩内侧的环形固持环， 所述固持环和所述护罩绕着中心线轴线外接， 复合翼型件，其与所述固持环和所述护罩集成并且在所述固持环与所述护罩之间沿径向延伸， 所述固持环和所述护罩包括环形复合板层， 沿周向分段的复合翼型件环，其包括围绕所述固持环的外圆周设置的翼型件环节段， 翼型件环节段中的各个包括环形底座和在所述环形底座的顺时针端部和逆时针端部处的沿径向延伸的顺时针翼型件节段和逆时针翼型件节段， 所述复合翼型件中的各个包括所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段， 内流动通路外壳，其围绕所述分段翼型件环沿周向设置并且将所述环形底座捕获在所述内流动通路外壳与所述固持环之间，并且 所述复合翼型件和所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段延伸穿过所述内流动通路外壳中的内槽口。
10.根据权利要求9所述的结构，其特征在于，还包括: 所述环形复合护罩，其包括围绕所述内流动通路外壳沿周向设置并且沿径向向外与所述内流动通路外壳间隔开的外流动通路外壳， 所述顺时针翼型件区段和所述逆时针翼型件区段沿径向向外延伸穿过所述外流动通路外壳中的外翼型件槽口，以及 顺时针护罩节段和逆时针护罩节段，它们分别沿所述外流动通路外壳和围绕所述外流动通路外壳从所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段沿周向逆时针和顺时针延伸。
11.根据权利要求10所述的结构，其特征在于，还包括在所述固持环和所述环形复合护罩中的各个中以单个螺旋件包裹的环形复合板层。
12.根据权利要求11所述的结构，其特征在于，所述环形复合板层和所述单个螺旋件由连续的复合带制成。
13.根据权利要求12所述的结构，其特征在于，还包括至少部分地由碳纤维织造材料制成的所述固持环、所述环形复合护罩和所述复合翼型件。
14.根据权利要求13所述的结构，其特征在于，还包括缝合在一起的所述顺时针翼型件节段和所述逆时针翼型件节段中的沿周向相邻的节段。
15.根据权利要求13所述的结构，其特征在于，还包括沿顺时针方向或逆时针方向沿周向成角或倾斜的所述槽口。
16.一种用于制作燃气涡轮发动机构件的复合结构的方法，所述方法包括: 形成具有从环形区段沿径向向外延伸并且与环形区段集成的翼型件面板的一体式预型件， 通过包裹由碳纤维织造材料制成的复合带而形成所述环区段， 提供由所述碳纤维织造材料制成并且包括中间区段和远离所述中间区段延伸的顺时针区段和逆时针区段的翼型件样块， 使所述翼型件样块围绕所述环区段定位，其中所述中间区段在所述环区段上， 将由所述碳纤维织造材料制成的衬垫定位在所述翼型件样块的中间区段的径向外侧并且覆盖所述中间区段，其中所述顺时针区段和所述逆时针区段延伸穿过所述衬垫中的衬垫槽口， 将所述顺时针区段和所述逆时针区段定位成远离所述中间区段沿径向延伸来形成所述翼型件面板，以及 将树脂引入到所述预型件中并且模制所述预型件和所述树脂来形成所述复合结构。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括使用树脂传递模制或真空协助树脂传递模制来用于所述模制。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括在所述模制之前将所述顺时针区段和所述逆时针区段中的沿周向邻接的区段缝制或缝合在一起。
19.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括向所述衬垫提供围绕所述环区段沿周向成角或倾斜的所述衬垫槽口。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，还包括在所述模制之前将所述顺时针区段和所述逆时针区段中的沿周向邻接的区段缝制或缝合在一起。
21.一种用于制作燃气涡轮发动机构件的复合结构的方法，所述方法包括: 使预型件与在内环区段与外环区段之间沿径向延伸的翼型件面板一体地形成， 由碳纤维织造材料形成所述一体式定子预型件， 通过包裹由所述碳纤维织造材料制成的复合带来形成所述内环区段和外环区段，提供由所述碳纤维织造材料制成并且包括中间区段和远离所述中间区段延伸的顺时针区段和逆时针区段的翼型件样块， 所述顺时针区段和所述逆时针区段中的各个包括附接于所述中间区段的面板区段和附接于所述面板区段的护罩区段， 围绕所述内环区段定位所述翼型件样块， 提供由所述碳纤维织造材料制成的内衬垫和外衬垫， 将所述内衬垫定位在翼型件样块的中间区段的径向外侧并且覆盖所述中间区段，其中所述顺时针区段和所述逆时针区段延伸穿过所述衬垫中的内衬垫槽口， 将所述顺时针区段和所述逆时针区段定位成远离中间区段沿径向延伸来形成所述翼型件面板， 将所述护罩区段拉动或传递穿过所述外衬垫中的外衬垫槽口， 定位分别围绕所述外环区段的内圆周或内径沿顺时针方向和逆时针方向远离所述面板区段沿周向延伸的所述顺时针区段和所述逆时针区段的护罩区段，以及 将树脂引入到所述预型件中并且模制所述预型件和所述树脂来形成所述复合结构。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，还包括将所述翼型件样块的中间区段捕获在所述内衬垫与所述内环区段之间，并且将所述翼型件样块的顺时针区段和逆时针区段的护罩区段捕获在所述外衬垫与所述定子预型件的外环区段之间。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括使用树脂传递模制或真空协助树脂传递模制来用于所述模制。
24.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括在所述模制之前将所述顺时针区段和所述逆时针区段的面板区段中的沿周向邻接的区段缝制或缝合在一起。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，还包括向所述内衬垫和所述外衬垫提供围绕所述内环区段和所述外环区段沿周向成角或倾斜的所述内衬垫槽口和所述外衬垫槽口。
【文档编号】F01D5/34GK104160114SQ201280070168
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2012年12月7日 优先权日:2011年12月20日
【发明者】N.J.克雷, C.L.麦卡菲, D-J.辛 申请人:通用电气公司