阅读说明：本技术 带金属加强件的复合叶片及其制造方法 (Composite blade with metal reinforcement and method of manufacturing the same ) 是由 D·弗洛蒙特尔 A·达洛 于 2019-07-30 设计创作，主要内容包括：一种复合叶片(100),包括在内端(110b)和外端(110a)之间在纵向方向(D<Sub>L</Sub>)上延伸的叶片本体(110)以及连接到叶片本体的内端或外端的至少一个紧固件基部(140、150)。叶片(100)包括与有机基质(300)相关联的金属加强件(200)。金属加强件(200)整体地限定为在叶片本体的内端和外端(110b、110a)之间延伸的纵向芯部(210)以及紧固件基部(140、150)的单个部件,纵向芯部具有包覆成型在其上的有机基质(300),有机基质限定叶片的外部形状。(A composite blade (100) comprising a longitudinal direction (D) between an inner end (110b) and an outer end (110a) L ) An upper extending blade body (110) and at least one fastener base (140, 150) connected to an inner or outer end of the blade body. The blade (100) comprises a metal reinforcement (200) associated with an organic matrix (300). The metal reinforcement (200) is integrally defined as a single piece of a longitudinal core (210) extending between the inner and outer ends (110b, 110a) of the blade body and a fastener base (140, 150), the longitudinal core having an organic matrix (300) overmoulded thereon, the organic matrix defining the outer shape of the blade.)

带金属加强件的复合叶片及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于燃气轮机航空发动机的叶片的一般领域以及涉及制造它们的方法。

背景技术

这种叶片可以配装到任何类型的涡轮发动机，无论是陆地的还是用于航空，并且借助示例配装到飞机涡轮喷气发动机或直升机涡轮轴发动机。具体地，叶片可以是出口导向叶片(OGV)、入口导向叶片(IGV)或可变定子叶片(VSV)。

在涡轮发动机领域中，叶片可以由金属或复合材料制成。文献US2016/153295描述了制作具有与有机基质相关联的金属芯部的复合叶片，该金属芯部形成叶片的压力侧或抽吸侧表面。尽管这种复合叶片具有比完全由金属制成的叶片重量更轻的优点，但由于其不如金属叶片坚固，因此需要特别小心地设计。具体地，用于将其紧固到涡轮发动机的叶片的一个或多个部分需要呈现良好的机械强度，因为这些部分传递叶片所经受的空气动力。

发明内容

本发明的主要目的因此是提供一种复合叶片，其重量相对较轻，同时仍呈现良好的机械强度以适应空气动力，并呈现可靠的紧固。

根据本发明，该目的通过一种复合叶片实现，该复合叶片包括在内端和外端之间在纵向方向上延伸的叶片本体以及连接到叶片本体的内端或外端的至少一个紧固件基部，该叶片包括与有机基质相关联的金属加强件，该叶片的特征在于，金属加强件整体地限定为在叶片本体的内端和外端之间延伸的纵向芯部以及所述至少一个紧固件基部的单个部件，纵向芯部具有包覆成型在其上的有机基质，有机基质限定叶片的外部形状。

金属加强件既用作为叶片提供刚度，又为其紧固提供机械强度。因此，金属加强件用作使复合叶片实质上结构化，并且这样做可以很好地控制叶片的总重量。具体地，金属材料仅用于形成用于赋予所需结构功能的骨架，其中叶片的剩余容积被有机基质占据，其基本上用作限定叶片的空气动力学轮廓并且其呈现低于金属材料的密度的密度。

根据本发明的叶片的第一具体特征，金属加强件还包括形成叶片的前缘的保护部分，保护部分与纵向芯部和所述至少一个紧固件基部整体制成。通过将前缘集成在金属加强件中，复合叶片的前缘部分得到加强，同时极大地简化了叶片的制造，特别是与包括将金属片材配装在复合预制件上的制造方案相比。

根据本发明的叶片的第二特征，纵向芯部包括一个或多个开口。开口用作形成用于有机基质的锚定点，从而增强其在加强件上的机械保持力。

根据本发明的叶片的第三具体特征，叶片包括连接到叶片本体的内端的内紧固件基部和连接到叶片本体的外端的外紧固件基部，内紧固件基部和外紧固件基部两者均由金属加强件限定并且与纵向芯部整体制成。

根据本发明的叶片的第四具体特征，叶片还包括由有机基质形成的至少一个内平台或外平台。

本发明还提供一种制造复合叶片的方法，该复合叶片包括在内端和外端之间在纵向方向上延伸的叶片本体以及连接到内端或外端的至少一个紧固件基部，该叶片包括与金属基质相关联的金属加强件，该方法的特征在于，它包括制作金属加强件，该金属加强件整体地限定为在内端和外端之间延伸的纵向芯部以及连接到纵向芯部的内端或外端的至少一个紧固件基部的单个部件，以及在金属加强件上包覆模制有机基质，以限定叶片的外部形状。

如上所述，金属加强件为叶片提供刚度。因此，能够根据所使用的金属材料的特性和叶片的期望的操作条件(诸如，其将经受的力、振动水平、其共振频率等)来优化加强件的形状。

用于限定叶片的外部形状的有机基质用作完成复合叶片的制造，同时控制其总重量。

根据本发明的方法的第一具体特征，制作金属加强件还包括形成叶片的前缘的保护部分，保护部分与纵向芯部和所述至少一个紧固件基部整体形成。通过直接用金属加强件制作前缘，大大简化了叶片的制造，特别是与包括将金属片材配装在复合预制件上的制造方案相比。

根据本发明的方法的第二具体特征，纵向芯部包括一个或多个开口。这用作改善基质在加强件上的保持力。

根据本发明的第三具体特征，制作金属加强件包括形成连接到纵向芯部的内端的内紧固件基部和连接到纵向芯部的外端的外紧固件基部，内紧固件基部和外紧固件基部与纵向芯部整体形成。

根据本发明的方法的第四具体特征，该方法包括在金属加强件上包覆成型有机基质期间形成至少一个内平台或至少一个外平台。

本发明还提供了本发明的方法在制造复合叶片以制造出口导向叶片、入口导向叶片或可变导向叶片方面的应用。

附图说明

参照附图给出的以下描述，本发明的其它特征和优点显现，这些附图示出不具有限制特征的实施例。在附图中：

-图1A和1B是本发明实施例中的出口导向叶片的示意性立体图；

-图2A和2B是图1复合叶片的金属加强件的示意性立体图；

-图3是示出了将图2A和2B的金属加强件在注塑模具中放置就位的示意性立体图；

-图4是示出了在闭合的注塑模具中的图2A和2B的金属加强件的示意性立体图；

-图5是示出了注入图4模具中的树脂的示意性立体图；以及

-图6是图5的模具在图5的剖面VI-VI上的剖视图。

具体实施方式

本发明适用于制作用于气体涡轮航空发动机的复合叶片。

此类叶片的非限制示例具体地包括出口导向叶片(OGV)、进口导向叶片(IGV)以及可变定子叶片(VSV)等等。

参照制造诸如图1A和1B所示的叶片100的复合出口导向叶片描述了根据本发明的方法，该叶片包括在内端110b和外端110a之间的纵向方向D_L上、在前缘111和后缘112之间的横向方向D_T上延伸的叶片本体110。叶片本体110还具有压力侧表面113和抽吸侧表面114。叶片100还具有连接到叶片本体110的内端110b的内平台130和连接到叶片本体110的外端110a的外平台120。叶片100还具有存在于内平台130中的内紧固件基部150，内紧固件基部150包括使叶片100能够紧固到发动机的内径向部分的紧固件元件。借助示例，这些紧固件实施例是两个孔151和152，它们用于接纳例如螺母和螺栓类型的紧固件。叶片100还具有存在于外平台120中的外紧固件基部140，外紧固件基部140包括使叶片100能够紧固到发动机的外径向部分的紧固件元件。借助示例，这些元件是两个孔141和142，它们用于接纳例如螺母和螺栓类型的紧固件。

根据本发明，叶片100包括金属加强件200，其整体地限定为纵向芯部210的单个部件，并且内紧固件基部150连接到与叶片本体110的内端110b重合的芯部210的内端210b，而外紧固件基部140连接到与叶片本体110的外端110a重合的芯部210的外端210a。在当前描述的示例中，纵向芯部210在纵向方向D_L上延伸，并包括连接到内紧固件基部150和外紧固件基部140的中心翼梁211、在纵向方向D_L和横向方向D_T上从中心翼梁211延伸并限定第一开口213的弯曲部分212，以及在纵向方向D_L上延伸的前缘或突出部分214。前缘部分214在三个点214a、214b和214c处连接到中心翼梁211，以便限定第二开口215和第三开口216。前缘部分214形成叶片100的前缘111。

开口的数量可以根据叶片的尺寸和其在操作中所经受的载荷而变化。

仍然根据本发明，金属加强件200具有包覆成型在其上的有机基质300，在本示例中的基质限定了叶片100的空气动力学形状，即其压力侧表面113和抽吸侧表面114，以及内平台130和外平台120的最终形状。

制造复合叶片100的方法开始于制作如图2A和2B所示的金属加强件200。金属加强件可以使用各种已知技术制作，诸如具体地：铸造、模压和焊接、电蚀或增材制造。具体地，金属加强件可以由铝、钛及其合金或钢制成。

通过将金属加强件200放置在注塑模具中来继续制造复合叶片的方法，如图3所示。注塑模具50包括具有第一腔体511的第一壳体51，第一腔体511对应于待制作的叶片的形状和尺寸的一部分，腔体511被第一接触平面512包围。第一壳体51还包括注射端口510，用于使有机基质能够被注入。模具50还包括第二壳体52，第二壳体52在其中心包括第二腔体521，第二腔体521对应于待制作的叶片的形状和尺寸的一部分，第二腔体521由第二接触平面522包围，第二接触平面522与第一壳体51的第一接触平面512协配。第二壳体还包括与注射点相对放置的至少一个通风口520，用于在注射期间排出气体的目的。第一壳体和第二壳体具体地可以由金属材料制成，例如诸如铝或钢之类。

金属加强件200最初定位在第一壳体51的腔体511中，然后将第二壳体52放置在第一壳体51上，以便闭合注塑模具50，如图4所示。在该构造中，第一腔体511和第二腔体521一起限定了内部容积53，该内部容积53具有待制作的叶片的形状并且其中存在加强件200。在当前描述的示例中，腔体511用于形成叶片的压力侧，而腔体521用于形成叶片的抽吸侧。腔体511和521还包括用以形成叶片的内平台和外平台的部分。一旦已经闭合模具50，树脂530就经由第一壳体51的注射端口510注入内部容积53，如图5所示。通风口520用作排出逐渐被树脂530替代的气体。如能在图6中看出的，一旦将树脂530注入到所有内部容积53中，它就填充了内部容积53的尚未被加强件200占据的所有剩余部分，以便限定叶片的空气动力学轮廓以及内平台和外平台。

所用树脂具体地可选自：诸如聚芳醚酮(PAEK)的热塑性聚合物族；诸如聚醚酰亚胺(PEI)热塑性聚酰亚胺族；半芳香族聚酰胺族；或聚酰胺族。根据部件要经受的热机械应力来选择树脂的温度等级和/或化学性质。一旦将树脂注入整个内部容积53，树脂就在一定温度下经受热处理，并且持续时间根据所用树脂的性质以已知方式确定。这产生了如图1A和1B所示的叶片100。

在放入注塑模具之前，可以将金属加强件涂覆在粘结底漆层中，以改善有机基质在加强件上的粘附性。粘合底漆可以是借助刷子、喷枪或适于在金属加强件表面上形成厚度为几微米的底漆层的任何其它技术沉积的液体或悬浮液。借助示例，能使用由供应商道康宁提供的“

OFS6032硅烷”底漆。

在当前描述的示例中，复合叶片100具有内平台130和外平台120。然而，本发明的复合叶片可仅具有单个平台，其可以是内平台或外平台。另外，内平台可以使用诸如聚氨酯的阻尼材料包覆成型，特别是当叶片是小尺寸的并且仅经由其外紧固件基部紧固到涡轮发动机时。在这种情况下，叶片的内平台经受通过该材料衰减的振动和移动。

本发明的叶片可以仅设有外紧固件基部或仅设有内紧固件基部。