由具有有机基体的复合材料构成的自增强壳体的制作方法

本发明涉及燃气涡轮机壳体，更具体地但非排它地，涉及用于航空发动机的燃气涡轮机风扇壳体。

在燃气涡轮机航空发动机中，风扇壳体执行若干功能。特别地，其限定进入发动机的空气入口通道，其可选地支撑与风扇叶片的尖端对准的可磨耗材料和/或用于在发动机入口处进行声学处理的声波吸收器结构，并且其结合或支撑保持罩。

壳体，诸如风扇壳体通常由金属材料制成，但是它们现在由复合材料制成，即，由通过有机基体致密化的纤维预制件制成，因此使得部件的总重量能够被制成比由金属制成时的相同部件的重量小，同时呈现即使没有更好也至少等效的机械强度。由有机基体复合材料制造风扇壳体具体描述在文献US 8 322 971中。

虽然使用复合材料壳体使得可以减小发动机的总重量，但是这种重量减小降低了壳体的共振频率，并且可能导致与来自风扇叶片尾流的干扰，其中然后当壳体自身谐振频率匹配由叶片的尾流产生的激发谐波时，壳体进入谐振。在这种情况下，需要增强复合材料壳体。

发明目的和内容

本发明的一个目的在于提出一种由复合材料制成的燃气涡轮机壳体，其在不显著增加壳体的尺寸和重量的情况下实现刚度增强。

该目的通过一种由复合材料制成的燃气涡轮机壳体来实现，该复合材料包括由基体致密化的增强件，所述壳体是回转体形式的，并且特征在于，包括至少一个强化部分，该强化部分以比与所述强化部分邻近的壳体上游部分和下游部分的半径大的半径延伸，以在壳体的内表面中形成环形凹部。

通过在壳体的轮廓形成至少一个阶梯，该壳体的轮廓不遵循通常由壳体整个内表面限定的空气流动通道的轮廓，本发明的壳体局部呈现出提供自增强的特定形状。因此，本发明的壳体具有增强的刚度且在不添加附加元件，诸如适配在复合材料壳体上的专用强化件的情况下实现而添加附加元件将使得壳体的制造更加复杂且将增加其总重量。

根据本发明壳体一个方面，每个强化部分在轴向截面中呈现Ω形形状。

有利地，由每个强化部分形成的环形凹部填充有填料材料或结构，以在邻近每个强化部分的壳体上游部分和下游部分之间提供壳体的内表面的连续性。

还有利地，由每个强化部分形成的环形凹部填充有声衰减材料或结构。

根据本发明壳体的另一个方面，其包括呈现大于壳体其余部分厚度的保持区域，所述强化部分(多个)位于保持区域的外侧。

本发明还提供了一种具有本发明风扇保持壳体的燃气涡轮机航空发动机，以及具有一个或多个此类航空发动机的飞行器。

本发明还提供一种由复合材料制造燃气涡轮机壳体的方法，该方法包括通过三维或多层编织以单件条的形式编织纤维织构，通过将纤维织构绕在支撑工具上而成形，以及用基体使纤维增强件致密，该方法的特征在于，在成形期间使纤维织构成一定形状，以获得具有至少一个阶梯状部分的纤维预制件，该阶梯状部分以比与所述台阶部邻近的预制件上游部分和下游部分的半径大的半径延伸，所述阶梯状部分在致密化之后在壳体的内表面中形成环形凹部。

根据本发明方法的一个方面，每个强化部分在轴向截面中呈现Ω形形状。

有利地，由每个强化部分形成的环形凹部填充有填料材料或结构，以在与每个强化部分邻近的壳体上游部分和下游部分之间提供壳体内表面的连续性。

还有利地，由每个强化部分形成的环形凹部填充有声衰减材料或结构。

根据本发明方法的另一个方面，纤维预制件具有厚度比形成壳体的保持区域的纤维预制件其余部分的厚度更大的区域，所述阶梯状部分(多个)位于该较大厚度部分的外侧。

附图简述

通过对作为非限制性示例给出的本发明特定实施例的以下描述并参考附图，本发明其它特征和优点将显而易见，其中：

图1是根据本发明实施例的航空发动机的立体图；

图2是图1发动机的风扇壳体的轴向截面一侧的视图；

图3是根据本发明另一实施例的风扇壳体的轴向截面一侧的视图；

图4是示出被成形用于形成图2风扇壳体的强化件的纤维织构的立体图；

图5是通过缠绕如图4所示的纤维织构而获得的图2壳体的预制件的轴向截面一侧的视图；和

图6是示出了在通过缠绕如图4所示的纤维织构而获得的图2壳体的预制件上的注入区段定位的截面图。

具体实施方式

本发明大体地应用于由有机基体复合材料制成的任何燃气涡轮机壳体。

下文对本发明应用到用于燃气涡轮机航空发动机的风扇壳体进行描述。

如图1示意性所示的此类发动机在气流的流动方上游到下游包括：位于发动机入口处的风扇1,压缩机2，燃烧室3，高压涡轮机4，以及低压涡轮机5。

发动机容纳在壳体内，该壳体包括对应于发动机的不同部件的多个部分。因此，风扇1被呈回转体形式的风扇壳体10包围。

图2示出了风扇壳体10的轮廓(在轴向截面上)，在该示例中风扇壳体10由有机基体复合材料制成，，即由例如碳、玻璃、芳族聚酰胺或陶瓷纤维并通过例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺基体的聚合物基体致密化制成的增强件。由复合材料制造壳体具体地描述在文献US 8 322 971中。壳体的内表面11限定发动机的空气入口通道。

壳体10可以在其上游和下游端具有外凸缘14、15，以使其能够安装并连接到其它元件。在其上游端和下游端之间，壳体10呈现变化的厚度，壳体的一部分16比端部厚并逐渐地过渡到其中。该部分16从上游到下游延伸穿过风扇的位置，以形成能够保持区域以保持发动机入口处摄取的或者由于风扇叶片损坏而产生的且通过风扇的旋转径向地投射的碎屑、颗粒或物体，以防止它们穿过壳体并损坏飞行器的其它部件。

根据本发明，该壳体10还具有至少一个强化部分17，其以比邻近该强化部分17的壳体的上游部分18和下游部分19的半径大的半径延伸，以在壳体内表面11中形成环形凹部171。更具体地，强化部分17由环形平台173形成，该环形平台173相对于壳体的内表面11朝向壳体的外部径向偏移。环形平台173经由相应的环形梯级部172和174连接到限定壳体内表面11一部分的上游部分18和下游部分19。分别形成在梯级部172和174之间的以及在上游部分18和下游部分19的角度β₁₇₂和β₁₇₄优选地大于90°且小于180°。这些角度具体地定义成期望赋予壳体的刚度的函数以及制造可能性的函数。

对应于其相对于壳体内表面11的径向偏移的平台高度H₁₇₃还取决于期望提供给壳体的刚度，同时考虑到对壳体尺寸的约束，以使其能够集成在发动机的环境中。

在当前所述的实施例中，平台173和梯级部172和174在轴向截面中呈现直线的轮廓。然而，在变型实施例中，这些元件同样可以具有略微弯曲或波浪形的轮廓。

在当前描述的实施例中，强化部分17呈现Ω形形状，其是非常适于强化的形状。

图3示出了根据本发明壳体20，其与上述壳体10的不同之处在于：由限定强化部分27的平台和环形梯级部273、273和274形成的环形凹部271填充有填料材料或结构，该结构在本示例中对应于用于提供声衰减的蜂窝结构275。

在由强化部分27形成的环形凹部271中的填充用于为在上游部分28和下游部分29之间的内表面21提供连续性，并且因此避免改变由壳体的所述内表面限定的通道。填充可以使用任何适当类型的材料或结构来执行，特别是用于提供声衰减处理的材料(例如泡沫)或结构(例如蜂窝结构)。除了期望的刚度之外，强化部分中的平台高度还可以被定义为用于声学处理的最佳高度的函数。

本发明壳体可以具有类似于上述强化部分17和27的多个强化部分。然而，强化部分(多个)优选地位于保持区域的外侧，该保持区域由与上述壳体10和20的相应部分16和26对应的额外厚度的部分形成。

下面描述由复合材料制造壳体10的方法，该复合材料包括由基体致密的纤维增强件。

壳体的制造开始于形成呈条形式的纤维织构。图4非常概略地示出了呈条形式编织的纤维结构100，其形成用于飞机发动机壳体的纤维预制件。

纤维结构100通过三维或多层编织获得，该三维或多层编织通过使用提花型织机以已知方式进行，提花型织机具有经纱101的束或在其上成多层布置的股线，经纱由纬纱102交联。

在所示的示例中，用互锁编织执行三维编织。术语“互锁编织”在本文中用于表示其中每层纬纱将多层经纱与在给定纬纱柱中的所有纱线互连的编织，所述给定纬纱柱在编织平面中具有相同的运动。

可以使用其它已知类型的多层编织，具体是诸如在文献WO 2006/136755中描述的那些。

纤维结构可以具体通过由碳纤维、陶瓷纤维(诸如硅碳纤维)、玻璃纤维或实际上芳族聚酰胺纤维制成的纱线编织。

如图4所示，通过将以变化的厚度经由三维编织制成的纤维织构100卷绕到芯轴200上而制造纤维增强件，该芯轴具有与待制造的壳体的轮廓相对应的轮廓。有利地，纤维强化件构成用于壳体10的完整管状纤维预制件，从而形成包括与强化件部分17对应的强化件的单个部件。

为此，芯轴200具有与待制造的壳体的内表面对应的轮廓的外表面201。通过卷绕在芯轴200上，纤维织构100紧密地配合其轮廓。芯轴200包括在其外表面201上的环形突起210，其中突起的形状和尺寸对应于待形成的强化件部分17的形状和尺寸。芯轴200还具有两个颊板220和230，以形成与壳体10的凸缘14和15相对应的那部分纤维预制件。

图5是在芯轴200上卷绕多层纤维织构100之后获得的纤维预制件300的截面图。层数或匝数是所需厚度和纤维织构厚度的函数。该数量优选为至少两个。在当前描述的示例中，预成型件300具有四层纤维织构100。

获得纤维预制件300，其具有阶梯状部分310，该阶梯状部分以比位于阶梯状部分的各侧上的预制件的上游部分311和下游部分312的半径大的半径延伸。阶梯状部分310对应于壳体10的强化部分17。纤维预制件还具有与壳体的保持区部分16对应的较大厚度的部分320，以及与壳体的凸缘14和15对应的端部330和340。

此后，纤维预制件300由基体致密化。

使纤维预制件致密化包括以下步骤：使用构成基体的材料填充预制件的部分或全部体积的孔隙。

基体可以通过使用液体技术以已知的方式获得。

液体技术包括用含有基体材料的有机前体的液体组合物浸渍预成型件。有机前体通常为聚合物形式，诸如树脂，可以在溶剂中稀释。将纤维预制件放置在可以以密封方式闭合并且具有最终模制部件的形状的腔体的模具中。如图6所示，本实施例中的纤维预制件300放置在形成模具盖的多个扇区240和形成支撑件的芯轴200之间，这些元件分别呈现将要制做的壳体的外部形状和内部形状。随后，基体的液体前体，例如树脂被注入到整个空腔中，以浸渍预成型坯的整个纤维部分。

通过热处理，通常通过加热模具，在消除任何溶剂和固化聚合物之后，将前体转化成有机基体，即聚合化，其中预成型件继续保持在具有与待制成的部件形状对应形状的模具内。有机基体可具体由环氧树脂获得，诸如可市购的高性能环氧树脂或用于碳或陶瓷基体的液体前体。

当形成碳或陶瓷基体时，热处理包括热解有机前体以根据所使用的前体和热解条件将有机基体转化为碳或陶瓷基体。例如，碳的液体前体可以是具有相对高焦炭含量的树脂，诸如酚醛树脂，而陶瓷，特别是SiC的液体前体可以是聚碳硅烷(PCS)或聚钛碳硅烷(PTCS)或聚硅氮烷(PSZ)型树脂。可以执行从浸渍到热处理的多个连续循环以实现所需的致密化程度。

根据本发明的一个方面，纤维预制件可以通过公知的树脂传递成型(RTM)方法致密化。在RTM方法中，将纤维预制件放置在具有待制成的壳体形状的模具中。热固性树脂注入到在硬材料部件和模具之间限定的并且包括纤维预制件的内部空间中。通常在注入树脂的部位和树脂排出孔之间的内部空间中建立压力梯度，以控制和优化树脂对预成型件的浸渍。

例如，所使用的树脂可为环氧树脂。适合于RTM方法的树脂是公知的。它们较佳地呈现低粘度以利于在纤维之间的注入。树脂的温度等级和/或化学特性的选择确定为部件待经受的热机械应力的函数。一旦树脂已经遍布整个增强件注入，其通过根据RTM方法的热处理而聚合。

在注入和聚合之后，将该部件脱模。最后，修剪该部件以去除多余树脂，并且机加工倒角以获得如图1和图2所示的壳体10。