由复合材料制成的轻质壳体以及其制造方法技术

一种制造用于燃气轮机的厚度变化的复合材料壳体(100)的方法，所述方法包括以下步骤：‑使用三维或多层编织以制造条形式的纤维织构体(140)；‑将作为多个叠加层(141、142、143、144)的纤维织构体(140)卷绕到具有对应于待制造的壳体轮廓的轮廓的心轴上，以获得形状对应于待制造的壳体形状的纤维预制件；以及‑用基质使得纤维预制件致密化。在将纤维织构体(140)卷绕在心轴上的过程中，织物条(150)插入纤维织构体的相邻圈之间，织物条(150)呈现的宽度小于纤维织构体(140)的宽度并且织物条(150)限定了壳体的保留区域。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由复合材料制成的轻质壳体以及其制造方法专利技术背景本专利技术涉及燃气轮机壳体，并且更具体地但不限于涉及制造用于航空发动机的燃气轮机风扇。在燃气轮机航空发动机中，风扇壳体具有多种功能。其限定了进入发动机的进气通道，支撑了面对扇叶尖端的可磨损材料，支撑了在发动机入口处进行声学处理的可选声波吸收器结构，并且其还包含或支撑保留护罩。保留护罩构成用于保留碎片(如吸入物体或通过离心而投射出(project)的受损叶片碎屑)的碎片捕集器，以防止它们穿过壳体并到达航空器的其他部分。壳体(例如风扇壳体)过去由金属材料制成，但是它们现在由复合材料制成，即由用通过有机基质致密化的纤维预制件制成，这使得可以制造这样的部件：其总体重量低于由金属材料制成时的相同部件，同时仍然具有至少等同的机械强度(如果不是具有更大的机械强度)。在文献US2013/082417中具体描述了由有机基质复合材料制造风扇壳体。在文献US2013/082417中公开的壳体中，保留护罩由在壳体的纤维增强体中所获得的较厚部分构成，所述增强体具有变化的厚度。纤维增强体通过卷绕3D编织纤维织构体获得，其中，通过改变经纱或股线的尺寸来获得厚度逐渐增加。图8显示出由复合材料制成的风扇壳体50，其包括由壳体的较大厚度部分构成的保留护罩(retentionshield)或区域51，在该部分中，纤维增强体包括较大直径的经纱或股线。保留区域(retentionzone)50被两个相邻的过渡区域52和53包围，所述过渡区域52和53包括如部分51中的大直径的经纱或股线，并且还包括较小直径的经纱或股线。在接近保留区域51时，部分52和53中经纱或股线的比例逐渐增加。最后，壳体50包括进一步远离保留区域51并且仅具有小直径经纱或股线的部分54和55。尽管如此，通过该制造技术，在保留区域中纤维增强体的变厚程度首先受限于具有过大(或过小)直径的股线的织构体可织性(3D编织织物的可织性限制)，其次受限于最大可接受的经纬比(WWR)。关于WWR，例如在制造壳体时，纬纱是连续的，使得一旦经纱的尺寸或数量改变，WWR就自动改变。专利技术目的和概述因此期望具有一种用于提供复合材料壳体的解决方案，所述复合材料壳体具有保留区域，在该保留区域中，额外厚度的最大幅度不是由可织性限制确定的，并且其中，可以控制经纬比以避免超过已确定的最大阈值。为此，本专利技术提出一种制造用于燃气轮机的厚度变化的复合材料壳体的方法，所述方法包括以下步骤：-使用三维或多层编织以制造条形式的纤维织构体；-将作为多个叠加层的纤维织构体卷绕到具有对应于待制造的壳体轮廓的轮廓的心轴上，以获得形状对应于待制造的壳体形状的纤维预制件；以及-用基质使得纤维预制件致密化；所述方法的特征在于，在将纤维织构体卷绕在心轴上的过程中，织物条或充气材料插入纤维织构体的相邻圈(turn)之间，织物条或充气材料呈现的宽度小于纤维织构体的宽度并且织物条或充气材料限定了壳体的保留区域。以该方式在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间插入织物层，可以在壳体内形成具有所需额外厚度的部分，其适用于构成保留护罩或区域，同时还以避免超过预定值的方式控制预制件该部分中的经纬比。具体来说，由于织物条与纤维织构体相互独立，调整其中的经纬比就足以在预制件中获得预期的总体经纬比。当使用上述现有技术方法制造壳体时，在预制件的整个宽度(连续纬线)上存在一定量的纬纱，使得增加纬线的尺寸或数量对经纬比有直接影响。采用本专利技术的方法，加入独立的织物条，并由此加入经纱和纬纱两者，从而可以增加所获得的预制件的厚度而不改变经纬比。这是因为插入在卷绕的纤维织构体之间的织物条的宽度小于所述织构体的宽度，因此可以具有在整个宽度上变化的纬纱的“量”，同时尽管增加了经纱但仍保持相对稳定的WWR。与其中较厚部分通过增大经纱或股线尺寸制造的壳体相比，本专利技术的方法还可以在壳体中待形成的保留区域中获得大量的厚度变化，从而使得所获得的壳体的总体重量最小化。以此方式形成的保留区域还可靠地发挥了其功能，即，保留了在发动机入口处所吸入的或者由风扇叶片损坏并通过风扇旋转而径向投射向壳体所获得的碎片、微粒或物体。类似地，通过在用于形成壳体的纤维增强体的纤维织构体的相邻层之间插入充气材料，可以在壳体中形成适于构成保留护罩或区域的较厚部分，同时与其中较厚部分仅由如现有技术那样具有厚度变化的纤维织构体制成的壳体相比，本专利技术其使得所获得壳体的总体重量最小化。以此方式形成的保留区域还可靠地发挥了其功能，即，保留了在发动机入口处所吸入的或者由风扇叶片损坏并通过风扇旋转而径向投射所获得的碎片、微粒或物体。具体来说，通过在用基质使得纤维织构体层致密化的该示例中所形成的掩护层与充气材料层交替，采用弹道原理(ballisticprinciple)，由此相对较薄且间隔开的多个掩护层具有与较大厚度的单个屏蔽层一样好或甚至更好的性能。该原理是基于以下事实：抛射体所到达的第一掩护层将抛射体分解成容易被后续掩护层阻挡并保留的许多能量较小的小抛射体。充气材料也可以在较小程度上有助于减弱小抛射体的能量。根据本专利技术方法的一具体特性，纤维可以是选自以下类型中的至少一种：碳；玻璃；芳族聚酰胺；和陶瓷。根据本专利技术方法的另一具体特性，所述织物条由类型与纤维织构体的纤维相同的纤维制成。这使得能够在纤维织构体和织物条之间具有更好的内聚性和更好的机械性，同时简化了将要注入预制件的基质前体的选择。根据本专利技术方法的另一具体特性，所述织物条用三维编织制成，所述三维编织具有与纤维织构体的三维编织相同的织法。这使得可以确保力在纤维织构体层和插入的织物条层之间有效且均匀地传输，而没有应力或变形集中的区域。根据本专利技术的另一具体特性，所述织物条的经纬比基本等于纤维织构体的经纬比。在这种情况下，纤维预制件的较厚部分具有类似存在于预制件其他部分中经纬比的经纬比。根据本专利技术方法的另一具体特性，充气材料由泡沫制成，所述泡沫优选适用于经受约200℃的温度和约1兆帕(MPa)的压力。根据本专利技术方法的另一具体特性，充气材料由多孔结构制成，所述多孔结构可以特别由铝或芳族聚酰胺制成。根据本专利技术方法的另一具体特性，在卷绕步骤之后，纤维预制件包含对应于所述纤维织构体的n圈卷绕圈数的n层纤维织构体，以及对应于所述充气材料的n-1圈卷绕圈数的n-1层充气材料。本专利技术还提供一种厚度变化的燃气轮机风扇壳体，其由具有纤维增强体的复合材料制成，所述纤维增强体包括呈三维或多层编织的条形式的纤维织构体的多个叠加层，所述纤维增强体通过基质进行致密化；所述壳体的特征在于，织物条插入纤维织构体的两个相邻层之间，织物条呈现的宽度小于纤维织构体的宽度并且织物条限定了壳体的保留区域。根据本专利技术壳体的一具体特性，所述纤维织构体的纤维和所述织物条的纤维选自以下类型的至少一种：碳；玻璃；芳族聚酰胺；和陶瓷。根据本专利技术壳体的一具体特性，所述织物条由类型与纤维织构体的纤维相同的纤维制成。根据本专利技术壳体的另一具体特性，所述织物条具有三维编织，所述三维编织具有与纤维织构体的三维编织相同的织法。根据本专利技术壳体的另一具体特性，所述织物条的经纬比基本等于纤维织构体的经纬比。根据本专利技术壳体的另一具体特性，纤维增强件包含对应于所述纤维织构体的n圈卷绕圈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造用于燃气轮机的厚度变化的复合材料壳体(100)的方法，所述方法包括以下步骤：‑使用三维或多层编织以制造条形式的纤维织构体(140)；‑将作为多个叠加层(141、142、143、144)的纤维织构体(140)卷绕到具有对应于待制造的壳体轮廓的轮廓的心轴(200)上，以获得形状对应于待制造的壳体形状的纤维预制件(300)；以及‑用基质使得纤维预制件(300)致密化；所述方法的特征在于，在将纤维织构体(140)卷绕在心轴(200)上的过程中，织物条(150)或充气材料(250)插入纤维织构体的相邻圈之间，织物条(150)或充气材料(250)呈现的宽度小于纤维织构体(140)的宽度并且所述织物条(150)或充气材料(250)限定了壳体的保留区域。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.12.22 FR 1563102;2015.12.22 FR 15631161.一种制造用于燃气轮机的厚度变化的复合材料壳体(100)的方法，所述方法包括以下步骤：-使用三维或多层编织以制造条形式的纤维织构体(140)；-将作为多个叠加层(141、142、143、144)的纤维织构体(140)卷绕到具有对应于待制造的壳体轮廓的轮廓的心轴(200)上，以获得形状对应于待制造的壳体形状的纤维预制件(300)；以及-用基质使得纤维预制件(300)致密化；所述方法的特征在于，在将纤维织构体(140)卷绕在心轴(200)上的过程中，织物条(150)或充气材料(250)插入纤维织构体的相邻圈之间，织物条(150)或充气材料(250)呈现的宽度小于纤维织构体(140)的宽度并且所述织物条(150)或充气材料(250)限定了壳体的保留区域。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纤维织构体(140)的纤维和所述织物条(150)的纤维选自以下类型的至少一种：碳；玻璃；芳族聚酰胺；和陶瓷。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述织物条(150)由类型与所述纤维织构体的纤维相同的纤维制成。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述织物条(150)用三维编织制成，所述三维编织具有与纤维织构体(140)的三维编织相同的织法。5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述织物条(150)的经纬比基本等于纤维织构体(140)的经纬比。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·JM·法布勒，J·哈罗，A·菲利波，Y·D·S·马沙尔，B·J·G·戴姆布里尼，
申请(专利权)人：赛峰飞机发动机公司，赛峰集团，
类型：发明
国别省市：法国,FR