阅读说明：本技术 集成大间隙的复合材料鼓风机叶片 (large-clearance integrated composite material blower blade ) 是由 G·德斯皮耶格勒 于 2019-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种用于涡轮发动机(1)的鼓风机(2)的复合材料叶片(21),叶片(21)的特征在于,它包括延伸到叶片(21)的根部(21d)并且由第一材料制成的第一部分(22),该第一材料包括由第一基质致密化的第一纤维加强件,叶片(21)也包括延伸到叶片(21)的尖端(21c)并且由第二材料制成的第二部分(23),第二材料与第一材料不同并且包括由第二基质致密化的第二纤维加强件,第二材料拥有劣于第一材料的耐磨性。(The invention proposes a composite blade (21) for a blower (2) of a turbine engine (1), the blade (21) being characterized in that it comprises a first portion (22) extending to a root (21d) of the blade (21) and made of a first material comprising a first fibrous reinforcement densified by a first matrix, the blade (21) also comprising a second portion (23) extending to a tip (21c) of the blade (21) and made of a second material, different from the first material and comprising a second fibrous reinforcement densified by a second matrix, the second material possessing a wear resistance inferior to the first material.)

集成大间隙的复合材料鼓风机叶片

技术领域

本发明涉及航空涡轮发动机的总体领域，并且更确切地涉及航空涡轮发动机的鼓风机。

背景技术

如图1所示，飞机涡轮发动机1'包括鼓风机2'，鼓风机2'是位于涡轮发动机的入口处的大直径螺旋桨，并且由所述涡轮发动机1'的低压轴驱动旋转。

在失去鼓风机2'的叶片21'的情况下，例如由于异物撞击所述鼓风机2'，一般在鼓风机轴3'上设置分离器，以便限制由鼓风机2'在失去叶片21'时旋转所导致的不平衡引起的机械载荷。分离器是用于固定鼓风机轴3'的牺牲轴承，并且其设计为在机械载荷变得过大的时候断裂，以便允许鼓风机轴3'偏心运动，由此限制施加在鼓风机轴3'上和传递到涡轮发动机的载荷承载结构的机械应力。

因此，为了使得鼓风机2'能继续旋转使得涡轮发动机1'在鼓风机轴3'偏心时继续旋转，在鼓风机壳体5'的内部轮廓中设有称为“大间隙”的弱化区域4'。该弱化区域或大间隙4'构造为在与叶片21'接触时消失，由此使得叶片21'能继续旋转。该大间隙4'也形成一个区域，其中涡轮发动机不能包含设备，因为位于大间隙4'中的任何设备处于被叶片21'击中的危险之中。

以发明人名义的文献EP 1 312 762描述了一种包括在其尖端处的弱化区域的鼓风机叶片，该弱化区域适于在叶片的尖端撞击鼓风机壳体时断裂。这一解决方案使得能够减小鼓风机壳体的厚度并且增大鼓风机的直径。

然而，在文献EP 1 312 762中描述的解决方案执行起来复杂、对叶片的表面状态具有负面影响，并且不适于由纤维增强复合材料制成的鼓风机叶片。

发明内容

本发明的主要目的因此是通过提出一种鼓风机来减弱这样的缺陷。

在第一方面中，本发明提出一种用于涡轮发动机的鼓风机的复合材料叶片，该叶片的特征在于，它包括延伸到叶片的根部并且由第一材料制成的第一部分，该第一材料包括由第一基质致密化的第一纤维加强件，叶片也包括延伸到叶片的尖端并且由第二材料制成的第二部分，第二材料与第一材料不同并且包括由第二基质致密化的第二纤维加强件，第二材料拥有劣于第一材料的耐磨性。

这样的风机叶片因此在其尖端处包括由第二部分形成的牺牲材料层，并且其构造为在与鼓风机壳体接触的情况下被移除，由此形成大间隙。移除在叶片尖端处的牺牲材料层通过所述牺牲材料层非常快速的磨损或通过其分解来发生。

在叶片的尖端处的叶片的基质由比第一材料更脆的第二材料制成的事实使得鼓风机叶片能够由纤维增强复合材料制成，鼓风机叶片在其尖端处具有牺牲区域，以便形成大间隙。

此外，大间隙由纤维加强件增强的基质形成的事实确保了大间隙相对于机翼的外环形端部所经受的应力具有良好的机械强度。

叶片也可包括以下特征：

-第一纤维加强件和第二纤维加强件由单个纤维预制件制成，第一基质和第二基质拥有不同的成分，并且第二基质拥有劣于第一基质的耐磨性；

-第一纤维加强件由纤维预制件制成，而第二纤维加强件由短纤维制成；

-第一基质和第二基质拥有相同的成分；

-第一基质和第二基质拥有不同的成分，第二基质拥有的耐磨性劣于第一基质；

-叶片的尖端覆盖有第三材料层，其拥有劣于第二材料的耐磨性；以及

-第二部分的高度在叶片高度的1％至10％的范围中，并且优选地在叶片高度的2％至5％的范围中。

在第二方面中，本发明提出了一种包括根据上述特征中的任一项的叶片。

该涡轮发动机也可包括以下特征：

-涡轮发动机具有带有内部环形表面的鼓风机壳体，该环形内部表面用于优于第二材料的耐磨性；以及

-鼓风机由轴驱动旋转，轴通过主轴承固定到涡轮发动机，并且轴也通过分离器轴承固定到涡轮发动机，该分离器轴承具有小于主轴承的断裂极限。

在第三方面中，本发明提出一种旨在根据上述特征中任一项的叶片的方法，包括以下步骤：

-制造叶片的第一部分，该第一部分延伸到叶片的根部，并且由第一材料制成，该第一材料包括由第一基质致密化的第一纤维加强件；以及

-制造叶片的第二部分，该第二部分延伸到叶片的尖端，并且由第二材料制成，该第二材料包括由第二基质致密化的第二纤维加强件，该第二材料拥有劣于第一材料的耐磨性。

该方法也可根据技术可行性单独地或组合地包括以下特征：

-通过在形成第一纤维加强件的纤维预制件的第一区域中使第一基质致密化来制造第一部分，该第一区域延伸到对应于叶片的根部的纤维预制件的第一端部，并且通过使用第二基质使形成第二纤维加强件的纤维预制件的第二区域致密化来制造第二部分，第二区域延伸到对应于叶片的尖端的纤维预制件的第二端部，第一基质和第二基质拥有不同的成分，第二基质拥有劣于第一基质的耐磨性；

-纤维预制件在其整个长度上由第一基质致密化，然后在纤维预制件的第二区域上消除第一基质，并且接着在消除第一基质之后，用第二基质致密化所述纤维预制件的所述第二区域；

-第一部分通过在其整个长度上用第一基质使纤维预制件致密化来制造，所述纤维预制件形成第一纤维加强件，并且第二部分通过模制具有分散在其中的短纤维的第二基质以将第二纤维加强件形成到纤维预制件的一个端部上来制造；

-第一基质和第二基质拥有相同的成分；

-第一基质和第二基质拥有不同的成分，第二基质拥有的耐磨性劣于第一基质；

-拥有劣于第二材料的耐磨性的第三材料层沉积在叶片的尖端上。

附图说明

本发明的其它特征和优点从以下参考附图的描述中显现，附图示出了具有非限制性特征的实施例。在附图中：

图1是现有技术的鼓风机的示意剖视图；

图2是根据本发明一实施例中的鼓风机的示意剖视图；

图3A是在涡轮发动机正常运行期间图2鼓风机的示意正视图；

图3B是图2鼓风机在所述鼓风机偏心时的示意正视图；

图4示出在本发明的一可能实施例中的叶片；

图5是示出了制造本发明的叶片的方法的各步骤的图表；

图6A示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第一步骤；

图6B示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第二步骤；

图6C示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第三步骤；

图6D示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第四步骤；

图6E示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第五步骤；

图6F示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第六步骤；

图6G示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第一变型中的第七步骤；

图7A示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第二变型中的第一步骤；

图7B示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第二变型中的第二步骤；

图7C示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第二变型中的第三步骤；

图7D示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第二变型中的第四步骤；以及

图7E示出在本发明的可能的实施方式中制造叶片的方法的第二变型中的第五步骤。

具体实施方式

如图2、图3A和图3B所示，涡轮发动机1具有包括多个叶片21的鼓风机2。为了简化目的，在图中示出单个叶片21。鼓风机2由鼓风机轴3驱动围绕涡轮发动机1的轴线Δ旋转。鼓风机轴3可由涡轮发动机1的低压轴构成，或鼓风机轴3可由低压轴经由减速齿轮驱动旋转。

鼓风机轴3由轴承固定到涡轮发动机1的剩余部分，以允许所述鼓风机轴旋转。在固定鼓风机轴3的轴承中，涡轮发动机包括至少一个主轴承和至少一个分离器轴承，所述至少一个分离器轴承具有低于所述至少一个主轴承的极限的断裂极限。因此，该分离器轴承或各个分离器轴承通过在由失去叶片21引起的不平衡的作用下断裂而用作牺牲轴承。

鼓风机2在其整个轮廓上由鼓风机壳体4包围。壳体4是在涡轮发动机的轴线Δ上居中的环形部分。鼓风机壳体4的内部环形表面的直径几乎等于鼓风机2的直径，从而减小在鼓风机2与鼓风机壳体4之间的寄生流。鼓风机壳体4可以是由金属或陶瓷制成的部件。

鼓风机2的叶片21是由包括由有机基质致密化的纤维、例如碳纤维的复合材料制成的。纤维经编织，该编织可能是三维编织。术语“三维编织”或“3D编织”或实际上“多层编织”在本文中用于表示编织技术，其中，至少一些纬纱在多个包覆层上与包覆纱相互连接，或反之亦可，其中，使用可特别从以下织法中选择的织法来执行编织：互锁、多平纹、多缎纹和多斜纹。

每个叶片21具有前缘21a、后缘21b、尖端21c和根部21d。叶片21的尖端21c是其位于径向上离轴线Δ更远并且面向鼓风机壳体4的端部，而叶片21的根部21d是其径向上位于更靠近所述轴线Δ并且紧固到鼓风机毂20的端部。

叶片21包括从根部21d沿着叶片21的主长方向延伸的第一部分22和从尖端21c沿着叶片21的所述主长方向延伸的第二部分23。第一部分22和第二部分21相互接触。

各个叶片21的第一部分22由包括由第一基质致密化的第一纤维加强件的第一材料制成，而各个叶片21的第二部分23由包括由第二基质致密化的第二纤维加强件的第二材料制成。

第二部分23的第二材料拥有的耐磨性劣于第一部分22的第一材料的耐磨性。在第一基质和第二基质已固化之后，考虑第一材料和第二材料的耐磨性。第二部分23因此构成形成大间隙的弱化区域，以便允许鼓风机2即使在相对于轴线Δ偏心时也继续旋转。当鼓风机2相对于轴线Δ偏心时，各个叶片21的第二部分22摩擦抵靠鼓风机壳体4的内部环形表面，由此引起第二部分23中的至少一些被移除，因为鼓风机壳体4的内部环形表面拥有优于第二材料的耐磨性。

因此，且如图3A所示，在鼓风机2正常运行期间，即，当所述鼓风机2的旋转是围绕涡轮发动机1的轴线Δ时，各个叶片21的第二部分23保持距鼓风机壳体4达一距离，并且因此保持完整。因此，与现有技术的鼓风机相比，鼓风机2的直径增大而不增大鼓风机壳体4的直径。因此，涡轮发动机1的旁通比(BPR)可增大而不增加所述涡轮发动机1的重量。

如图3B所示，当鼓风机2失去叶片21时，所述鼓风机2变得相对于涡轮发动机1的轴线Δ偏心，并且叶片21的尖端21c摩擦抵靠鼓风机壳体4，导致磨损并且因此引起第二部分23的第二材料被移除。

因为第二材料拥有的耐磨性劣于第一材料的耐磨性，确保了叶片21在第二部分23中磨耗，并且确保当叶片21的尖端21c由于鼓风机2相对于轴线Δ偏心运动而与鼓风机壳体4接触时，叶片21不会在第一部分22中断裂。

第一材料与第二材料之间耐磨性方面的差异可以在各种可能的实施例中实现。

在第一可能实施例中通过使用具有不同成分的第一和第二基质来使第二部分23的第二材料变弱，或换言之，第一基质和第二基质由不同材料制成，第二基质拥有的耐磨性劣于第一基质的耐磨性。

在第一实施例中，第一部分22的纤维加强件和第二部分23的纤维加强件使用单个编织的纤维预制件、优选地是由三维编织进行编织的纤维预制件来形成。第一纤维加强件对应于纤维预制件位于叶片22的根部21d中的部分和纤维预制件位于第一部分22中的部分，而第二纤维加强件对应于纤维预制件位于叶片21的尖端21c处的部分，即，纤维预制件位于第二部分23中的部分。

在该第一实施例中，第一基质可典型地是如常规用于制作鼓风机叶片的基质的树脂，诸如环氧树脂，而举例来说第二基质可以是已知为“光滑浇注65D(smooth cast 65D)”的半硬质聚氨酯树脂。编织纤维预制件可由碳纤维制成。

对于第一实施例，并且如图3B所示，当鼓风机2失去叶片21时，所示鼓风机2变得相对于涡轮发动机1的轴线Δ偏心，并且叶片21的尖端21c摩擦抵靠鼓风机壳体4，由此磨损构成第二部分23的第二材料的第二基质。一旦叶片21的第二部分23的第二基质已至少部分地被消除，则初始由第二基质致密化的第二纤维加强件暴露，并且摩擦抵靠鼓风机壳体4，由此限制在叶片21的尖端21c与鼓风机壳体4之间的寄生流。

在第二实施例中，第一材料和第二材料之间耐磨性方面的差异是通过作用在第一纤维加强件上和第二纤维加强件上来实现的。

在该第二实施例中，第一纤维加强件由嵌入在第一基质中的编织纤维预制件、优选地为使用三维编织编织的纤维预制件构成，而第二纤维加强件由嵌入在第二基质中的短纤维形成。

短纤维具有在50微米(μm)到5000微米的范围内的长度、或更优选地具有在100微米到300微米的范围内的长度。

形成第一纤维加强件的纤维预制件和形成第二纤维加强件的短纤维可例如是碳纤维。

第二实施例提供的优点是提供了第一材料与第二材料之间比第一实施例中更大的耐磨性方面的差异，这是因为增强纤维在提供耐磨性方面起主要作用。

第一基质和第二基质可具有相同的成分，换言之，第一基质和第二基质可由相同的材料制成，由此简化叶片21的制造。第二实施例中的第一基质和第二基质可以与第一实施例中的第一基质相同。

然而，第一基质和第二基质可具有不同的成分，第二基质拥有劣于第一基质的耐磨性，以便进一步降低第二部分23的耐磨性。第二实施例的第一基质可以与第一实施例的第一基质相同，而第二实施例的第二基质可以与第一实施例的第二基质相同。

如图4所示，叶片21具有垂直于涡轮发动机1的轴线Δ的主长轴线θ。叶片21具有对应于叶片21沿着其主长方向θ的尺寸的总高度H₂₁。第一部分22具有第一高度H₂₂，第二部分23具有第二高度H₂₃。第一高度H₂₂可以在总高度H₂₁的90％到99％的范围中，而第二高度H₂₃可以在1％到10％的范围中。第二部分23的第二高度H₂₃优选地在叶片21的总高度H₂₁的2％到5％的范围中。第一高度H₂₂与第二部分23的第二高度H₂₃这样的比率使得鼓风机2能明显偏移以便最小化由失去叶片21引起的不平衡。

在可能的实施例中，叶片21的尖端21c可由第三材料层24覆盖，该第三材料的耐磨性劣于第二材料的耐磨性。该层24形成耐磨层，其构造为当与鼓风机壳体4接触时通过磨损而被磨耗。层24被与鼓风机壳体4接触的叶片21的尖端侵蚀，由此尽可能地限制叶片21的尖端与鼓风机壳体4之间的空间量。在该实施例中，第二部分23位于第一部分22与层24之间，并且其与所述第二部分22和与层24接触。这样的实施例提供了限制使用的耐磨材料(第三材料)的量的优点，由此减小了涡轮发动机1的重量。在鼓风机2由于失去叶片21而变得偏心的情况下，层24与第二部分23一起被消除。

在另一实施例中，鼓风机壳体4的内部环形表面由第一材料层覆盖从而形成耐磨层，该耐磨层在与位于叶片21的尖端21c处的第二部分23的基质的第二材料接触时将要被磨损。在失去叶片21并且鼓风机2变得偏心的情况下，该耐磨层由抵靠叶片21的第二部分23摩擦而被消除。此后，一旦该耐磨层已被消除，则当所述第二部分23与鼓风机壳体4的内部环形表面接触时，第二部分23的基质又被消除。

如图5所示，在可能的实施形式中，本发明的叶片21使用包括以下步骤的制造方法来制造：

-E1:制造叶片21的第一部分22，所述第一部分延伸到叶片21的根部21d，并且由第一材料制成，所述第一材料包括由第一基质致密化的第一纤维加强件；以及

-E2:制造叶片21的第二部分23，所述第二部分延伸到叶片21的尖端21c，并且由第二材料制成，所述第二材料包括由第二基质致密化的第二纤维加强件，所述第二材料拥有劣于第一材料的耐磨性。

对于制造第一部分22和第二部分23，若干变型是可能的。

在第一可能的制造变型中，如图6A对于制造第一实施例的叶片21所示的，第一部分22通过对编织纤维预制件6的第一区域61致密化来制造，而第二部分23通过对编织预制件6的第二区域62致密化来制造。纤维预制件6的第一区域61位于所述预制件6的第一端部6a处，而纤维预制件6的第二区域62位于所述预制件6的第二端部6b处，第二端部6b与第一端部6a相对。第一端部6a对应于叶片21的根部21d，而第二端部6b对应于叶片21的尖端21c。

纤维预制件6的第一区域61由第一基质致密化，所述纤维预制件6的第一区域61形成第一材料的第一加强件。纤维预制件的第二区域62由第二基质致密化，所述纤维预制件的第二区域62形成第二材料的第二加强件。第一基质和第二基质的成分不同，并且第二基质具有的耐磨性劣于第一基质。

在制造叶片21的方法的第一变型的第一可能实施形式中，如图6A-图6G所示，制造方法可包括以下步骤：

-纤维预制件6例如通过3D编织纤维来制造，如图6A所示。

-此后，整个长度的纤维预制件6用第一基质致密化，如图6B所示。为此，将整个纤维预制件放置在第一模具7中，将为第一基质的前体的材料注入该模具中并聚合。

-在纤维预制件6已经用第一基质致密化之后，获得具有完全用第一基质致密化的纤维加强件、优选地为3D编织加强件的叶片21，如图6C所示。

-然后，从叶片21的第二部分23消除第一基质。为此，从叶片21的尖端21c延伸的叶片21的第二部分23浸在槽8中，槽8中装有第一基质在其中溶解的液体，如图6D所示。叶片21的第一部分22保持在槽8之外。

-在消除叶片21的第二部分23中的第一基质之后，纤维预制件6在所述第二部分23上是裸露的，如图6E所示。

-此后，纤维预制件6在叶片21的第二部分23上用第二基质致密化。为此，并且如图6F所示，将叶片21的第二部分23放置在第二模具9中，为第二基质的前体的材料注入纤维预制件6中并且然后聚合。

-如图6G所示，在叶片21的第二部分23已用第二基质致密化之后，叶片21包括具有第一基质的第一部分22和具有第二基质的第二部分23，第二基质拥有比第一基质劣的耐磨性。

在另一可能的变型中，纤维预制件6仅在第一部分22中用第一基质致密化，并且该方法没有在第二部分23上消除第一基质的步骤。为此目的，仅将纤维预制件6的第一区域61安装在第一模具7中从而用第一材料致密化，第二区域62留在所述第一模具7之外。

在用于制造第二实施例的叶片21的第二可能的制造变型中，并且如图7A-图7E所示，叶片21的第一部分22通过在其整个长度上对纤维预制件6'致密化来制造。纤维预制件6'用第一基质致密化。经致密化的纤维预制件6'仅形成用于叶片21的第一部分22的第一材料的第一纤维加强件。

纤维预制件6'例如通过3D编织纤维来制造，如图7A所示。此后，纤维预制件6'在其整个长度上用第一基质致密化，如图7B所示。为此，将整个纤维预制件6'放置在第一模具7'中，将为第一基质的前体的材料注入其中并聚合。最终的部件如图7C所示，并且对应于叶片21的第一部分22，第一部分22形成延伸到所述叶片21的根部21d的所述叶片21的底部部分。

此后，通过模制具有分布在其中的短纤维的第二基质以形成第二纤维加强件来制造叶片21的第二部分23，将第二基质模制到纤维预制件6'的一个端部上。该步骤在图7D中示出，其中，第二部分23的模制由模具M进行。如图7E所示，在模制具有分散于其中的短纤维的第二基质以形成第二纤维加强件的步骤之后，最终的叶片21既在所述叶片21的根部21d处具有由第一材料制成的第一部分22，又在所述叶片21的尖端21c处具有由第二材料制成的第二部分。

此外，在可能的变型中，第三材料层24可沉积在叶片21的尖端21c上、在第二部分23的上方。