混杂的连续纤维短切纤维聚合物复合结构的制作方法
【专利说明】混杂的连续纤维短切纤维聚合物复合结构
【背景技术】
[0001] 公开的实施例大体涉及飞机发动机零件。更具体地，但非限制性地，本实施例涉及 混杂复合材料所形成的、以形成更为复杂的几何形状的飞机发动机零件。
[0002] -种典型的燃气涡轮发动机通常拥有前端和后端、及其轴向定位在这两者之间的 几个核心或推进部件。空气进口或进气口位于发动机的前端。在按顺序朝向后端移动的情 况下，进气口后面为压缩机、燃烧室、涡轮机、以及位于发动机的后端处的喷嘴。所属领域中 的技术人员将容易地清楚，另外部件例如像低压和高压压缩机以及高压和低压涡轮机也可 被包括在发动机中。然而，这并未详尽地列出。通常，发动机还具有沿发动机中心纵轴线来 轴向设置的内轴。内轴被连接至涡轮机和空气压缩机，使得涡轮机向空气压缩机提供旋转 输入以驱动压缩机叶片。
[0003] 在操作中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧室中与燃料混合以产生向下游流 过涡轮机级的热燃烧气体。这些涡轮机级从燃烧气体中提取能量。高压涡轮机首先接收来 自燃烧器的热燃烧气体，并且包括定子喷嘴组件，所述定子喷嘴组件将燃烧气体向下游引 导通过从支撑转子盘径向向外延伸的一排高压涡轮机转子叶片。在两级涡轮机中，第二级 定子喷嘴组件定位在第一级叶片下游，继而接着是从第二支撑转子盘径向向外延伸的一排 第二级转子叶片。涡轮机将燃烧气体能量转换成机械能。
[0004] 通常，期望减在航空工业中利用的燃气涡轮发动机的重量。这种重量减少导致发 动机更高的效率，这为操作者减少了成本。在尝试达到此目标的过程中，设计者已转向在生 产零件过程中的替代材料。在温度降低区域中，发动机设计者已经尝试利用由聚合物复合 材料形成的零件。这已造成待克服的至少两个设计问题。
[0005] 第一，设计者期望于形成可承受高速飞机发动机操作的强直（rigid)的零件或部 件。第二，设计者受将要形成的零件的形状和几何结构限制，如与对那些零件的强度和性能 要求有关。复杂几何结构难以通过更高强度应用所要求的具有连续纤维增强的复合材料来 形成。总之，难以制造具有较高负载能力和复杂形状的飞机发动机复合材料部件。
[0006] 如从前述内容可见，将期望克服燃气涡轮发动机部件的这些和其他缺陷。
【发明内容】
[0007] 根据本方面，公开一种混杂复合结构，所述混杂复合结构实现了具有复杂第二特 征的高性能单块结构零件的设计和制造。值得注意，但非限制性地，此类实例包括导流罩锥 (spinner cone)和后支撑环，但也可形成各种其它零件。
[0008] 根据本发明的一些方面，可生产展示出适合用于飞机应用中的机械、化学和热特 性（包括强度、抗疲劳性、最大耐温能力以及化学/流体阻力）的发动机部件。
[0009] 根据本发明的一些方面，聚合物复合材料飞机零件可由通过连续纤维增强所形成 的第一部分与短切纤维所形成的第二部分来构造。
[0010] 根据至少一些实施例，一种飞机发动机部件包括单块复合主体，所述主体具有连 续纤维部分、短切纤维部分、包含在所述连续纤维部分和所述短切纤维部分两者中且在所 述连续纤维部分与所述短切纤维部分之间的热塑性聚合物。所述飞机发动机部件中，所述 热塑性聚合物为PEEK、PPS、PEKK和PEI中的一种。所述飞机发动机部件中，所述纤维为碳 纤维、玻璃纤维以及所述碳纤维与所述玻璃纤维的混合物中的一种。所述飞机发动机部件 中，所述连续纤维为编织物、编织纤维和单向带中的一种。所述飞机发动机部件中，所述短 切纤维组分是由单向预浸渍带形成。所述飞机发动机部件中，所述短切纤维长度小于1英 寸（1"）。所述飞机发动机部件还包括一个或多个共模制的金属特征。所述飞机发动机部 件中，所述共模制的金属特征为凸缘、套管和螺纹插件中的一个。所述飞机发动机部件中， 所述复合主体的所述连续纤维是承载环向负载（hoop load)。所述飞机发动机部件中，所述 连续纤维为包含碳纤维、玻璃纤维和热塑性纤维中至少一种的编织预成型件。所述飞机发 动机部件中，所述纤维中的所述至少一种为干燥的碳纤维和热塑性纤维。所述飞机发动机 部件中，所述纤维中的至少一种为干燥的碳纤维、玻璃纤维和热塑性纤维。所述飞机发动机 部件中，所述短切纤维部分无法承载结构负载。所述飞机发动机部件中，所述短切纤维部分 与发动机空气流路相邻。所述飞机发动机部件还包括位于所述短切纤维部分的最外表面上 的防腐蚀层。所述飞机发动机部件中，所述部件为旋转部分。所述飞机发动机部件中，所述 旋转部分为导流罩头锥。所述飞机发动机部件中，所述旋转部分为导流罩支撑环。
[0011] 以上所概述的所有特征应理解为仅是示例性的，并且可从本说明书中的公开内容 获得本发明的更多的特征和目标。因此，应当理解，在没有进一步阅读整个说明书、权利要 求书、以及本说明书中包括的附图的情况下，不应对本
【发明内容】
作出任何限制性的解释。
【附图说明】
[0012] 本发明的各实施例在以下附图中示出。
[0013] 图1为燃气涡轮发动机的侧截面图。
[0014] 图2为示例性复合材料部件的等距视图。
[0015] 图3为第二示例性复合部件的等距视图。
[0016] 图4为包括图3的部件的示例性实施例的侧截面图。
[0017] 图5为图4的部件的气动特征的截面图。
【具体实施方式】
[0018] 现将详细参考所提供的各实施例，附图中将示出本发明的实施例的一个或多个实 例。每个实例用以解释而非限制公开的实施例。事实上，在不脱离本公开的范围或精神的 情况下，所属领域的技术人员可对本实施例做出各种修改和变化。例如，作为一个实施例的 一部分说明或描述的特征可用于另一个实施例中，从而得到另外的实施例。因此，本发明应 涵盖所有属于所附权利要求书及其等效物的范围内的修改和变化。
[0019] 参考图1-5,教导了由聚合物基质复合（PMC)材料和工艺来构造的结构的各种实 施例。更具体地，示出了用于飞机发动机应用的混杂的连续纤维-短切纤维聚合物复合结 构，并且其被描述为能够在广泛范围的应用中使用，例如飞机发动机部件、以及更具体地是 燃气涡轮发动机的风扇区域和旁通部分。混杂的聚合物复合结构适合用于各种位置，并且 根据非限制性实例，被利用于其中温度和负载要求可通过使用复合结构来满足的区域。混 杂的聚合物复合结构为单块的，并且可由连续纤维和短切纤维这两者形成，其中连续纤维 可铺设成属于较为简单的几何形状的形状，而不易用连续纤维复合材料形成的更复杂的几 何结构用短切纤维复合材料形成。术语"单块"用来表示相同的聚合物用于连续纤维增强 区段和短切纤维增强区段中。因此，两种纤维类型由对两种纤维类型公用的聚合物如热塑 性树脂联结。
[0020] 如本说明书中使用，术语"轴向的"或"轴向地"是指沿发动机的纵向轴线的维度。 与"轴向的"或"轴向地"结合使用的术语"向前"是指在朝发动机入口或朝比另一部件相 对更靠近于发动机入口的某一部件的方向上移动。与"轴向的"或"轴向地"结合使用的术 语"向后"是指在朝发动机喷嘴或朝比另一部件相对更靠近于发动机喷嘴的某一部件的方 向上移动。
[0021] 如本说明书中使用，术语"径向的"或"径向地"是指延伸在发动机中心纵向轴线 与发动机外圆周之间的维度。术语"近侧的"或"近侧地"的使用（无论是单独使用还是与 术语"径向的"或"径向地"结合使用）是指在朝中心纵向轴线或朝比另一部件