用于制造复合包容壳体的方法和系统的制作方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]本发明的领域大体涉及用于制造复合包容壳体的系统和方法，并且更确切地，涉及用于制造具有较大硬度的复合风扇壳体并且具有较少制造步骤的方法。
[0002]在燃气涡轮发动机如飞机发动机中，空气被吸入发动机的前部中、由轴装式压缩机压缩并且与燃烧器中的燃料混合。随后混合物被燃烧并且热废气穿过安装在同一轴上的涡轮。燃烧气体流通过涡轮膨胀，涡轮又使轴旋转并且向压缩机提供动力。热废气通过发动机后部的喷嘴进一步膨胀，从而产生驱动飞机前进的强大推力。
[0003]至少一些已知的风扇包容壳体组件包括分段式复合夹心板，这些分段式复合夹心板与彼此和壳体组件独立制成并且随后粘结到包容壳体内表面上。这些分段式复合夹心板提供空气流动路径，并且有时提供其他功能，如减小发动机噪声的声学处理。类似概念和制造过程用于金属和复合风扇箱两者，并且由大多数制造商使用。就生产最终壳体的劳动力和时间而言，这种组装过程是昂贵的。此外，这种过程由于将许多零件粘结在一起以形成最终壳体而产生硬度较小的壳体。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，一种用于制造复合包容壳体的方法包括:提供心轴；绕心轴施加至少一层材料以形成第一环形面板；围绕第一面板施加多个核心段；使用自动铺丝(AFP) (automated fiber placement)过程围绕核心段形成壳体；以及使面板、核心段和壳体固化在一起，从而形成一体化复合包容壳体。
[0005]在另一实施例中，一种形成复合包容壳体组件的方法包括:使用自动铺丝过程形成第一环形径向内面板；围绕面板安装核心，从而形成核心组件；使用AFP过程围绕核心形成径向外壳体；使壳体组件固化。
[0006]在又一实施例中，一种复合包容壳体系统包括:配置用于围绕燃气涡轮发动机管道的第一径向内环形面板层；围绕所述面板层的核心组件；以及卷绕在核心组件周围的壳体结构，所述面板层、所述核心组件和所述壳体结构固化在一起以形成一体化包容壳体系统。
【附图说明】
[0007]图1-5示出本说明书中所述的方法和系统的示例性实施例。
[0008]图1是通常包括风扇组件和核心发动机的常规燃气涡轮发动机的一个实施例的示意性表示。
[0009]图2是根据本发明的示例性实施例的复合风扇包容壳体的一部分的截面侧视图。
[0010]图3是根据本发明示例性实施例的形成复合包容壳体的方法的流程图。
[0011]图4是根据本发明示例性实施例的形成复合包容壳体的方法的流程图。
[0012]图5是根据本发明示例性实施例的形成复合包容壳体的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]以下详细描述以实例的方式而非限制的方式示出本发明的实施例。可以设想的是，本发明具有在工业、商业和住宅应用中形成复合结构的一般应用。
[0014]如本说明书中所使用，以单数形式列举并通过字词“一个”或“一种”引出的元件或步骤应理解为并不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明此类排除情况。此外，对本发明的“一个实施例”的参考并不旨在解释为排除存在同样包含所列举特征的另外的实施例。
[0015]就复合风扇包容壳体而言，现在切实可行的是，整合夹心板作为风扇包容壳体设计的一部分，并且将它们与风扇包容壳体制造在一起。在本发明的各种实施例中，自动铺丝用来使用数字控制的关节连接机械铺放头以高速将由例如预浸渍复合材料形成的多个单独丝束自动铺放到心轴上，铺放头用于同时对多达32个丝束进行分配、夹紧、切割和重新起动。铺丝的优点包括处理速度、减少的材料报废和劳动成本、零件合并和提高的零件与零件之间的一致性。然而，此处所述的一般设计和制造概念可应用于其他制造过程，如手工铺叠过程。
[0016]在一个实施例中，夹心板被制造为360°全向壳体结构。夹心板结构与壳体分开被检查并固化，或壳体与夹心板结构一起形成并且整个组件被固化在一起从而形成一体化夹心板/壳体结构。壳体和结构的其他部分由使用自动铺丝或任何其他适当方法铺设的预浸渍复合材料形成。
[0017]图1是通常包括风扇组件12和核心发动机14的常规燃气涡轮发动机10的一个实施例的示意性表示。风扇组件12可包括具有主体17的复合风扇壳体16，和从转子盘20径向向外延伸的风扇叶片18阵列。核心发动机14可包括高压压缩机22、燃烧器24、高压涡轮26和低压涡轮28。发动机10具有进气端30和排气端32。
[0018]图2是根据本发明的示例性实施例的复合风扇包容壳体16的一部分300的截面侧视图。在示例性实施例中，耐磨材料层202连接到壳体16并且被配置用于在风扇叶片18的外侧延伸轴向长度204。壳体16包括第一层206，该第一层206通过使用例如自动铺丝过程将丝束层卷绕在心轴(未示出)周围来形成，心轴被成形为与所需壳体内表面互补。层206还可在层206的轴向长度上被形成为具有可变厚度。此外，层206可延伸整个轴向长度208或可仅延伸长度208的一部分距离。
[0019]层206可与其他壳体部件分开固化，或可在已将其他壳体部件连接到层206之后固化。非复合填充材料层210被施加到层206的径向外表面。层210可在手动过程中被施加，或可使用粘合剂或机械手段来连接到层206。层210通常包括定位在壳体16的层206周围的材料的周向片段。层210的每个片段可沿整个长度208延伸或可仅沿长度208部分地延伸。此外，层210可由以重叠和/或邻接配置定位的各种较小的材料“小块”形成。
[0020]壳体16还可包括第二面板层212。层212也使用AFP过程来施加在层210周围。在各种实施例中，层206、210和212被固化在一起，从而围绕填充材料形成构成复合外壳的单一环形体。
[0021]组装过程通过以下方式来监视:在过程期间的中间步骤处对壳体16的部件进行检查。例如，当由节段制造层206时，可在固化之后检查每个节段，并且可丢弃或重新加工不满足制造公差的任何节段。一般来说，在每个固化步骤之后检查固体部件的缺陷。此类检查可减小过程中的缺陷的损耗，但是也可增加最终壳体16的制造成本和结构强度。一般来说，当固化在一起以形成整体件的部件越多时，所述整体件越强。当单独形成并且随后粘结在一起的部件越多时，最终壳体结构的硬度和/或强度将越小。
[0022]壳体16还包括使用AFP过程由复合材料形成的径向外壳体层214。将壳体构建成所需外部尺寸并且使整个壳体组件固化，以形成适用于容纳燃气涡轮发动机的一体化环形结构。
[0023]图3是根据本发明示例性实施例的形成复合包容壳体的方法400的流程图。在示例性实施例中，方法400包括形成402绕心轴延伸360°的面板。在一个实施例中，通过将用树脂如环氧树脂预浸渍的多个丝束层手动定位在心轴周围来形成面板。在各种实施例中，使用自动过程如自动铺丝过程来形成面板。方法400还包括围绕面板层安装404核心材料层。核心材料大体是蜂窝材料或泡沫材料，但是也可包括开放式结构，如桁架(truss)结构。核心材料层可围绕面板来手动安装，并且可通过粘合剂或其他粘结过程来粘附到面板。使用构建复合材料层、例如用树脂预浸渍的丝束层的AFP过程围绕核心材料层形成406包容壳体。构建过程可施加厚度轴向可变的复合材料以形成匹配预先确定规范的壳体的外表面。方法400包括将整个壳体结构固化408在一起以形成一体化壳体结构。随后检查410已固化壳体结构，以确保壳体形成过程的质量。
[0024]图4是根据本发明示例性实施例的形成复合包容壳体的方法500的流程图。在示例性实施例中，方法500包括形成502绕心轴延伸360°的面板。在一个实施例中，通过将用树脂预浸渍的多个丝束层手动定位在心轴周围来形成面板。在各种实施例中，使用自动