ТКАНАЯ ВОЛОКНИСТАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ФОРМОВАНИЯ ЗАГОТОВКИ КОРПУСА
WOVEN FIBROUS STRUCTURE FOR MOLDING CASE BILLET

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к способу изготовления волокнистой структуры, которую, в частности, но не ограничительно можно использовать для формования волокнистого усиления корпуса вентилятора авиационного двигателя из композиционного материала.
Уровень техники
Изготовление корпуса из композиционного материала начинается с выполнения волокнистой структуры в виде полосы, при этом волокнистую структуру выполняют посредством трехмерного переплетения между множеством слоем нитей основы и множеством слоев нитей утка. Полученную волокнистую структуру наматывают в несколько оборотов на пресс-форму или инструмент, имеющий форму изготавливаемого корпуса, и удерживают между пресс-формой и сегментами, образующими контрформу, чтобы получить волокнистую заготовку.
После выполнения волокнистой заготовки, то есть в конце наматывания волокнистой структуры, инструмент с волокнистой заготовкой закрывают контрформами, затем перемещают в сушильный шкаф или в печь, где производят уплотнение заготовки при помощи матрицы, при этом матрицу получают, в частности, посредством нагнетания и полимеризации смолы в волокнистой заготовке.
Корпусы должны обеспечивать функцию удержания обломков, попавших внутрь двигателя, или лопаток или фрагментов лопаток, отбрасываемых за счет центробежной силы, чтобы избежать их прохождения через корпус и проникновения в другие части летательного аппарата.
Известные корпусы в основном обеспечивают эту функцию удовлетворительно. Однако все же есть возможность еще больше повысить механическую прочность некоторых корпусов при столкновении с лопаткой, когда она отрывается и отбрасывается на корпус.
Раскрытие сущности изобретения
Первым объектом изобретения является волокнистая структура, имеющая форму полосы, проходящей в продольном направлении на определенную длину между ближней частью и дальней частью и в боковом направлении на определенную ширину между первым боковым краем и вторым боковым краем, при этом волокнистая структура имеет трехмерное или многослойное переплетение между множеством слоев нитей или прядей основы, проходящих в продольном направлении, и множеством слоев нитей или прядей утка, проходящих в боковом направлении,
согласно изобретению, первый участок волокнистой структуры, находящийся между ближней частью и промежуточной частью волокнистой структуры, содержит нити или пряди утка из карбоновых волокон, при этом второй участок волокнистой структуры, находящийся между промежуточной частью и дальней частью, содержит нити или пряди утка из стекловолокон.
Первый участок волокнистой структуры является жестким, а второй участок волокнистой структуры является упруго деформирующимся. Термины «жесткий» и «упруго деформирующийся» являются относительными понятиями, то есть первый участок является более жестким, чем второй участок, и, соответственно, второй участок упруго деформируется в большей степени, чем первый участок. Иначе говоря, первый участок имеет жесткость, превышающую жесткость второго участка, при этом разность жесткости возникает за счет присутствия стекловолокон, которые являются более гибкими, и за счет присутствия карбоновых волокон, которые является более жесткими. Действительно, как правило, стекловолокна имеют удлинение при разрыве, превышающее удлинение при разрыве карбоновых волокон: менее 2% для стекловолокон и более 3% для карбоновых волокон.
В примере осуществления второй участок волокнистой структуры может содержать больше нитей или прядей стекловолокон, чем первый участок. Иначе говоря, количество на единицу объема нитей или прядей из стекловолокон во втором участке может превышать количество на единицу объема нитей или прядей из стекловолокон в первом участке (количество на единицу объема определяют относительно объема, занимаемого всеми нитями или прядями рассматриваемого участка). Первый участок волокнистой структуры может содержать большее нитей или прядей из карбоновых волокон, чем второй участок. Иначе говоря, количество на единицу объема нитей или прядей из карбоновых волокон в первом участке может превышать количество на единицу объема нитей или прядей из карбоновых волокон во втором участке. Нити или пряди из стекловолокон может содержать только второй участок волокнистой структуры.
Волокнистая структура предназначена для наматывания в несколько оборотов с целью формования волокнистого усиления корпуса из композиционного материала. Первый участок предназначен для формования радиально внутренней части этого волокнистого усиления (первые обороты намотки). Второй участок предназначен для формования радиально наружной части этого волокнистого усиления (последние обороты намотки).
Авторы изобретения установили, что можно повысить прочность корпуса при столкновении с оторвавшейся лопаткой, придавая большую жесткость первым оборотам волокнистого усиления этого корпуса и придавая деформируемость последним оборотам этого усиления, причем эти последние обороты, действительно, более подвержены деформации во время удара.
Таким образом, волокнистая структура согласно изобретению содержит нити или пряди утка из карбона в первом участке, предназначенном для выполнения начала намотки и находящемся со стороны места возможного столкновения с лопаткой, чтобы придать этому первому участку повышенную жесткость. Кроме того, заявленная волокнистая структура содержит нити или пряди утка из стекловолокон во втором участке, который предназначен для формирования наружного слоя или наружных слоев при наматывании, чтобы придать значительную упругую деформируемость этому второму участку, который может, таким образом, поглощать энергию, сообщаемую лопаткой, за счет деформации и затем возвращать эту энергию лопатке, восстанавливая свою первоначальную форму.
Таким образом, изобретение основано на применении двух разных материалов, а именно карбона и стекла, располагаемых в конкретных зонах волокнистого усиления, чтобы оптимально реагировать на напряжения в корпусе во время потери лопатки и одновременно ограничивать массу этого корпуса.
В примере осуществления нити или пряди утка из стекловолокон во втором участке присутствуют со стороны наружной поверхности структуры.
Наружная поверхность предназначена для формирования радиально наружной стороны волокнистой структуры после ее наматывания с целью получения волокнистого усиления корпуса.
Авторы изобретения установили, что внутри данного оборота намотки часть структуры, находящаяся со стороны наружной поверхности, более всего подвержена деформации во время столкновения с оторвавшейся лопаткой.
Таким образом, расположение нитей или прядей утка из стекловолокон со стороны этой наружной поверхности позволяет еще больше повысить стойкость корпуса к деформации, возникающей во время столкновения с оторвавшейся лопаткой.
В примере осуществления только часть нитей или прядей утка второго участка выполнена из стекловолокон, при этом другие нити или пряди утка второго участка выполнены из карбоновых волокон. Смешанное присутствие во втором участке нитей или прядей утка из стекловолокон и нитей или прядей утка из карбона позволяет еще больше повысить прочность корпуса при столкновении с оторвавшейся лопаткой.
В примере осуществления волокнистая структура содержит также нити или пряди основы из стекловолокон, присутствующие со стороны наружной поверхности волокнистой структуры, при этом другие нити или пряди основы волокнистой структуры выполнены из карбоновых волокон.
Добавление нитей или прядей основы из стекловолокон позволяет еще больше повысить стойкость корпуса к деформации, возникающей при столкновении с оторвавшейся лопаткой. В данном случае нити или пряди основы из стекловолокон расположены со стороны наружной поверхности, которая образует область, подверженную деформации, и остальная часть нитей или прядей основы выполнена из карбона. Это позволяет улучшить деформируемость и одновременно сохранить достаточный уровень жесткости в волокнистом усилении.
В частности, нити или пряди основы из стекловолокон могут присутствовать в центральной зоне в боковом направлении, которая расположена с отступом от первого и второго боковых краев и проходит по определенной ширине, меньшей ширины указанной волокнистой структуры.
Центральная зона предназначена для размещения напротив лопаток и образует удерживающую зону изготавливаемого корпуса. Эта удерживающая зона корпуса предназначена для задержания осколков, частиц или предметов, засасываемых на входе двигателя, или лопаток или фрагментов лопатки, оторвавшихся и отбрасываемых радиально на корпус за счет центробежной силы.
В этом последнем случае нити или пряди основы из стекловолокон расположены в области, наиболее подверженной деформации, то есть со стороны наружной поверхности и в центральной зоне, а остальная часть нитей или прядей основы выполнена из карбона. Это позволяет улучшить деформируемость и одновременно сохранить достаточный уровень жесткости в волокнистом усилении.
В примере осуществления присутствующие в волокнистой структуре нити или пряди из карбоновых волокон и нити или пряди из стекловолокон имеют сходный титр.
Такой признак представляет интерес, так как при использовании в структуре нитей или прядей сходного размера текстильная архитектура существенно не меняется, что позволяет сохранить сходную усадку и сходные размеры пор матрицы в композитном корпусе.
Объектом изобретения является также волокнистая заготовка авиационного корпуса, содержащая намотку в несколько оборотов из описанной выше волокнистой структуры, при этом первый участок находится со стороны радиально внутренней поверхности заготовки, а второй участок находится со стороны радиально наружной поверхности заготовки.
Объектом изобретения является также корпус газотурбинного двигателя из композиционного материала, содержащий волокнистое усиление, образованное вышеупомянутой волокнистой заготовкой, и матрицу, уплотняющую волокнистое усиление.
В примере осуществления указанный корпус является корпусом вентилятора газотурбинного двигателя.
Объектом изобретения является также авиационный газотурбинный двигатель, имеющий вышеупомянутый корпус.
Краткое описание чертежей
Другие отличительные признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания, представленного в качестве неограничивающего примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично изображен ткацкий станок с показом трехмерного тканья волокнистой структуры, вид в перспективе;
на фиг. 2 схематично изображена волокнистая структура согласно варианту осуществления изобретения, схематичный вид в перспективе;
на фиг. 3 показан вид в поперечном разрезе на уровне первого участка волокнистой структуры, изображенной на фиг. 2, с показом плоскости переплетения при тканье;
на фиг. 4 показан вид в поперечном разрезе на уровне второго участка волокнистой структуры, изображенной на фиг. 2, с показом плоскости переплетения при тканье;
на фиг. 5 схематично показано наматывание волокнистой структуры на формовочный инструмент, вид в перспективе;
на фиг. 6 показана заготовка корпуса, полученная посредством наматывания волокнистой структуры, как показано на фиг. 5, частичный вид в осевом разрезе;
на фиг. 7 представлено расположение формовочных секторов на заготовке корпуса, изображенной на фиг. 6, вид в разрезе;
на фиг. 8 показан авиационный двигателя согласно варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг. 9 показан вид в поперечном разрезе на уровне первого участка в версии заявленной волокнистой структуры с показом плоскости переплетения при тканье;
на фиг. 10 показан вид в поперечном разрезе на уровне второго участка в этой версии заявленной волокнистой структуры с показом плоскости переплетения при тканье.
Осуществление изобретения
Изобретение в основном применяют к волокнистым структурам, предназначенным для изготовления корпусов из композиционного материала, при этом корпусы имеют корпус или обечайку с кольцевыми фланцами на концах.
Как показано на фиг. 1, волокнистую структуру 100 изготавливают известным образом посредством тканья на ткацком станке 5 типа жаккардового станка, на котором располагают группу нитей основы или прядей 20 в виде множества слоев, при этом нити основы связывают нитями или прядями утка 30.
Волокнистую структуру выполняют посредством трехмерного тканья. Под «трехмерным тканьем» или «тканьем 3D» в данном случае следует понимать способ тканья, при котором по меньшей мере некоторые нити утка связывают нити основы на нескольких слоях нитей основы или наоборот. Волокнистая структура может иметь переплетение тканья типа интерлок. Под переплетением тканья «интерлок» в данном случае следует понимать переплетение, в котором каждый слой нитей утка связывает несколько слоев нитей основы, при этом все нити одного столбца утка совершают одинаковое движение в плоскости переплетения. Можно также предусмотреть и другие виды переплетений тканья.
100
Как показано на фиг. 2, волокнистая структура 100 имеет форму полосы, которая проходит по длине в продольном направлении Х, соответствующем направлению движения нитей или прядей основы 20, и по ширине или поперечно в боковом направлении Y между первым и вторым боковыми краями 101 и 102, при этом боковое направление Y соответствует направлению нитей или прядей утка 30. Продольно волокнистая структура проходит по определенной длине L в направлении Х между ближней частью 110, предназначенной для формирования начала намотки волокнистой заготовки на формовочном инструменте, и дальней частью 120, предназначенной для формирования конца намотки волокнистой заготовки.
130
130
100
140
150
Кроме того, волокнистая структура имеет центральную зону 130, проходящую по определенной ширине l в направлении Y, при этом центральная зона 130 предназначена для формирования цилиндрической части или обечайки корпуса. Центральная зона 130 предназначена для размещения напротив лопаток и образует удерживающую зону изготавливаемого корпуса. Центральная зона 130 расположена с отступом от первого 101 и второго 102 боковых краев и проходит по определенной ширине l, меньшей ширины l структуры 100. Центральная зона 130 находится в промежуточном положении между первым и вторым боковыми краями 101 и 102. Центральная зона 130 ограничена между двумя боковыми зонами 140 и 150, каждая из которых проходит по определенной ширине, соответственно l и l, в направлении Y. Первая боковая зона 140 расположена между первым боковым краем 101 и центральной зоной 130. Вторая боковая зона 150 расположена между вторым боковым краем 102 и центральной зоной 130. Каждая из боковых зон 140 и 150 предназначена по меньшей мере частично для формирования кольцевого фланца корпуса.
100
Длину L волокнистой структуры 100 определяют в зависимости от окружности формовочного инструмента или пресс-формы таким образом, чтобы обеспечить получение определенного числа оборотов волокнистой структуры, например, четырех оборотов.
Волокнистая структура 100 содержит первый участок Р1 между ближней частью 110 и промежуточной частью PI волокнистой структуры (промежуточная часть PI показана на фиг. 7). Первый участок Р1 предназначен для формирования первой части намотки, образующей волокнистое усиление корпуса (радиально внутренняя часть этой намотки, см. фиг. 7, где показано радиальное направление R). Промежуточная часть PI может, например, находиться на половине длины волокнистой структуры 100 или, как правило, между четвертью и тремя четвертями длины волокнистой структуры 100.
Кроме того, волокнистая структура 100 содержит второй участок Р2, отличный от первого участка Р1 и находящийся между промежуточной частью PI и дальней частью 120. Второй участок Р2 предназначен для формирования второй части намотки, образующей волокнистое усиление корпуса (радиально наружная часть этой намотки).
На каждой из фиг. 3 и 4 показана плоскость переплетения тканья интерлок волокнистой структуры 10, соответственно на уровне первого участка Р1 и на уровне второго участка Р2.
Примеры плоскостей переплетения, представленные на фиг. 3 и 4, включают в себя 7 слоев утка и 8 слоев основы. В показанном переплетении интерлок слой основы образован двумя смежными полуслоями основы, смещенными относительно друг друга в направлении утка. Таким образом, получают 16 полуслоев основы, расположенных в шахматном порядке. Каждый слой утка связывает 3 полуслоя основы. Можно также применить расположение не в шахматном порядке, при котором нити основы двух соседних слоев основы совмещены в одних и тех же столбцах. Применяемые переплетения тканья интерлок описаны в документе WO 2006/136755.
Как показано на фиг. 3, первый участок Р1 содержит нити или пряди утка из карбоновых волокон, обозначенные Тс. Нити или пряди утка первого участка Р1 могут быть выполнены полностью из карбоновых волокон.
В представленном примере волокнистая структура содержит нити или пряди основы из стекловолокон, обозначенные Cv, а также нити или пряди основы из карбоновых волокон, обозначенные Сс.
Нити или пряди основы из стекловолокон Cv присутствуют со стороны наружной поверхности F1 волокнистой структуры. Эта наружная поверхность F1 предназначена для формирования радиально наружной стороны волокнистой заготовки после наматывания структуры (см. фиг. 7). В частности, нити или пряди основы из стекловолокон Cv присутствуют на наружной поверхности F1 волокнистой структуры. Нити или пряди основы из стекловолокон Cv могут присутствовать по меньшей мере в центральной зоне 130, которая в наибольшей степени подвержена механическим воздействиям во время столкновения с оторвавшейся лопаткой, чтобы придать этой зоне оптимальную деформируемость. Нити или пряди основы из стекловолокон Cv могут присутствовать только в этой центральной зоне 130. В варианте, нити или пряди основы из стекловолокон Cv могут присутствовать в центральной зоне 130 и в боковых зонах 140 и 150.
В представленном примере другие нити или пряди основы волокнистой структуры выполнены из карбоновых волокон и обозначены Сс. Эти нити или пряди основы из карбоновых волокон Сс находятся, в частности, со стороны внутренней поверхности F2 волокнистой структуры. Эта внутренняя поверхность F2 предназначена для формирования радиально внутренней стороны волокнистой заготовки после наматывания структуры (см. фиг. 7). В частности, нити или пряди основы из карбоновых волокон Сс присутствуют на внутренней поверхности F2 волокнистой структуры. В этом примере нити или пряди основы из карбоновых волокон Сс присутствуют также в боковых зонах 140 и 150.
Как показано на фиг. 4, второй участок Р2 содержит нити или пряди утка из стекловолокон, обозначенные Tv, и нити или пряди утка из карбоновых волокон Тс. Таким образом, в представленном примере только часть нитей или прядей утка второго участка Р2 выполнены из стекловолокон, а другие нити или пряди утка второго участка Р2 выполнены в данном случае из карбоновых волокон. Вместе с тем, в рамках изобретения можно предусмотреть, чтобы все нити или пряди утка второго участка были выполнены из стекловолокон. Нити или пряди утка из стекловолокон Tv присутствуют со стороны наружной поверхности F1 волокнистой структуры. В частности, нити или пряди утка из стекловолокон Tv присутствуют на наружной поверхности F1 волокнистой структуры. Нити или пряди утка из карбоновых волокон Тс присутствуют, в частности, со стороны внутренней поверхности F2 волокнистой структуры.
Таким образом, природа нитей или прядей утка меняется, если перемещаться вдоль продольного направления Х волокнистой структуры 100.
В данном случае был описан пример, в котором волокнистая структура имеет переплетение тканья интерлок с 7 слоями утка и 8 слоями основы. Вместе с тем, не выходя из объема изобретения, можно предусмотреть другое число слоев утка и основы, или волокнистая структура может иметь переплетение тканья, отличное от переплетения интерлок.
Как было указано выше, предпочтительно, чтобы нити или пряди из карбоновых волокон и нити или пряди из стекловолокон имели сходный титр. Соотношение |Т2-Т1|/Т1 может быть, например, меньше или равно 10%, где Т1 обозначает титр нитей или прядей из карбоновых волокон, Т2 обозначает титр нитей или прядей из стекловолокон, и |.| обозначает абсолютное значение.
Как показано на фиг. 5, волокнистое усиление корпуса выполнено посредством наматывания на оправку 50 описанной выше волокнистой структуры 100, при этом волокнистое усиление образует готовую трубчатую волокнистую заготовку корпуса, образующую единую деталь. Для этого оправка 50 имеет наружную поверхность 51, профиль которой соответствует внутреннему профилю выполняемого корпуса. Оправка 50 содержит также два фланца 52 и 53 для формования частей 62 и 63 волокнистой заготовки, соответствующих фланцам корпуса (фланцы 62 и 63 показаны на фиг. 6). Оборот или обороты в направлении радиально внутрь заготовки соответствуют первому участку Р1 волокнистой структуры, а оборот или обороты в направлении радиально наружу заготовки соответствуют второму участку Р2 волокнистой структуры.
На фиг. 6 представлен вид в разрезе волокнистой заготовки 60, полученной после наматывания волокнистой структуры 100 в несколько слоев на оправке 50. Число слоев или витков зависит от требуемой толщины и от толщины волокнистой структуры. Предпочтительно оно равно по меньшей мере 2. В описанном примере заготовка 60 содержит 4 слоя волокнистой структуры 100.
После этого производят уплотнение волокнистой заготовки 60 при помощи матрицы.
Уплотнение волокнистой заготовки состоит в заполнении пор заготовки во всем ее объеме или в части объема материалом матрицы.
Матрицу можно получить известным образом с применением жидкого способа. Жидкий способ состоит в пропитке заготовки жидкой композицией, содержащей исходное органическое вещество материала матрицы. Исходное органическое вещество обычно представляет собой полимер, такой как смола, возможно разбавленная в растворителе. Волокнистую заготовку помещают в пресс-форму, которая может закрываться герметично и содержит полость, имеющую форму конечной формуемой детали. Как показано на фиг.7, в данном случае волокнистую заготовку 60 помещают между множеством секторов 54, образующих контрформу, и оправкой 50, образующей опору, причем эти элементы имеют соответственно наружную форму и внутреннюю форму выполняемого корпуса. Затем жидкое исходное вещество матрицы, например, смолу, нагнетают, заполняя всю полость, чтобы пропитать заготовку.
Преобразование исходного вещества в органическую матрицу, то есть его полимеризацию осуществляют посредством термической обработки, как правило, путем нагрева пресс-формы после удаления возможного растворителя и поперечного сшивания полимера, при этом заготовку все время удерживают в пресс-форме, форма которой соответствует форме выполняемой детали. Органическую матрицу можно, в частности, получать из эпоксидных смол, например, таких как имеющаяся в продаже высокопрочная эпоксидная смола, или из жидких исходных веществ карбоновой или керамической матриц.
В случае формирования карбоновой или керамической матрицы термическая обработка представляет собой пиролиз органического исходного вещества с целью трансформации органической матрицы в карбоновую или керамическую матрицу в зависимости от используемого исходного вещества и от условий пиролиза. Например, жидкими карбоновыми исходными веществами могут быть смолы с относительно высоким содержанием кокса, тогда как жидкими керамическими исходными веществами, в частности, SiC, могут быть смолы типа поликарбосилана (PCS), или полититанокарбосилана (PTCS), или полисилазана (PSZ). Чтобы добиться необходимой степени уплотнения, можно выполнить несколько последовательных циклов от пропитки до термической обработки.
Уплотнение волокнистой заготовки можно осуществлять при помощи хорошо известного способа литьевого прессования, называемого RTM (“Resin Transfer Molding”). В соответствии со способом RTM волокнистую заготовку помещают в пресс-форму, форма которой соответствует форме выполняемого корпуса. Во внутреннее пространство, ограниченное деталью из жесткого материала и пресс-формой и содержащее волокнистую заготовку, нагнетают термореактивную смолу. Обычно в этом внутреннем пространстве создают градиент давления между местом, где нагнетают смолу, и отверстиями для ее удаления, чтобы контролировать и оптимизировать пропитку заготовки смолой.
Используемой смолой может быть, например, эпоксидная смола. Смолы, используемые для способов RTM, хорошо известны. Предпочтительно они имеют низкую вязкость, что облегчает их нагнетание в волокна. Выбор класса температуры и/или химической природы смолы производят в зависимости от термомеханических воздействий, которым должна подвергаться деталь. После нагнетания смолы во все усиление производят ее полимеризацию посредством термической обработки в соответствии со способом RTM.
После нагнетания и полимеризации деталь извлекают из пресс-формы. В конечном итоге деталь обтачивают для снятия излишка смолы, и путем механической обработки выполняют скошенные фаски, чтобы получить корпус 810, имеющий форму тела вращения и показанный на фиг. 8.
Показанный на фиг. 8 корпус 810 является корпусом вентилятора авиационного газотурбинного двигателя 80. Такой двигатель, очень схематично показанный на фиг. 8, содержит, от входа к выходу в направлении прохождения газового потока, вентилятор 81, расположенный на входе двигателя, компрессор 82, камеру 83 сгорания, турбину 84 высокого давления и турбину 85 низкого давления. Двигатель помещают внутри корпуса, содержащего несколько частей, соответствующих различным элементам двигателя. Таким образом, вентилятор 81 окружен корпусом 810.
На фиг. 9 и 10 показана версия заявленной волокнистой структуры, в которой все нити или пряди основы выполнены из карбона (нити или пряди основы Сс).
В своем втором участке Р2 волокнистая структура содержит нити или пряди утка Tv из стекловолокон, которые расположены со стороны наружной поверхности F1 структуры, как в описанном выше варианте осуществления. Согласно этому показанному примеру, волокнистая структура содержит также нити или пряди утка Тс из карбона в первом участке Р1 и во втором участке Р2. Согласно этому примеру, все нити или пряди утка первого участка Р1 выполнены из карбона.