包括复合材料至金属互锁件的复合物品和制作方法 |
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| 申请号 | CN201480024234.8 | 申请日 | 2014-04-09 | 公开(公告)号 | CN105142884A | 公开(公告)日 | 2015-12-09 |
| 申请人 | 通用电气公司; | 发明人 | S.辛哈; S.R.芬; N.J.克雷; P.L.贝曼; D.J.沈; G.C.格梅因哈德特; | ||||
| 摘要 | 复合物品包括复合构件、金属构件和一个或更多个互 锁 构件。复合构件包括多个复合层片且沿高度方向从构件基底延伸至构件顶端且沿长度方向在间隔开的构件第一和第二边缘之间延伸， 复合材料 。该金属构件包括第一表面和第二表面和形成在其中且从该第一表面延伸至该第二表面的多个开口。该金属构件包括至少一个部分，该部分基本上或完全地埋在该复合构件中。该一个或更多个互锁构件交织通过金属构件中的多个开口中的一个或更多个且延伸到且至少部分地埋在该复合构件中，以提供该复合构件与该金属构件之间的互锁系统。还提供了制作复合物品的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种复合物品，其包括： |
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| 说明书全文 | 包括复合材料至金属互锁件的复合物品和制作方法技术领域[0001] 本发明涉及经常存在于燃气涡轮发动机中的复合构件，且具体而言，涉及经常存在于燃气涡轮发动机中的复合材料至金属连接。涡轮风扇类型的旁通燃气涡轮发动机大体上包括前方风扇和增压压缩机、中部核心发动机和后低压功率涡轮。低压涡轮经由低压轴可旋转地驱动风扇和增压压缩机，所有这些形成低压转子。复合构件(诸如叶片、静叶和静态结构)已开发且经常用于这些燃气涡轮发动机中。具体而言，复合翼型件已开发且用于增压压缩机的可旋转级的叶片中和配置在该叶片之间和该叶片的上游和下游的定子静叶中，以及发动机的其他区段(诸如在风扇区段(风扇出口导叶))中。 背景技术[0002] 已知由复合材料制造飞行器燃气涡轮发动机叶片和静叶翼型件。已发现，难以将复合构件(诸如这些静叶和翼型件)附接至金属构件。一个具体的实施例在于，将复合翼型件附接至金属构件以用于将叶片或静叶安装至该构件，诸如发动机的金属转子或定子部分。由于负荷的大小和构件的受限尺寸，这是个难题。典型地，这些复合部分的附接是该实现方式的困难部分。期望具有利用复合物重量的一体的复合/金属附接系统。在过去已使用包括机械紧固件的简单粘性结合件和连结件以连结这两个系统。结合的连结件经历如下力和力矩，其趋向于使复合/金属连结件移位，且更具体而言，趋向于使复合构件(诸如翼型件)从金属构件(诸如叶片或静叶的支座(mount))移位。另一方面，机械地紧固的连结件要求制作切到复合结构的纤维中的开口，其可削弱复合结构的整体性能。为了解决该问题，复合结构可包括连结件处的额外强化，从而消极地影响任何重量优点。 [0003] 因此极为期望提供用于牢固且可靠地连结复合构件和金属构件的连结工具，其能够抵抗趋向于使复合构件从金属构件移位且不削弱复合结构的力和力矩。还期望提供用于将燃气涡轮发动机转子和风扇框架组件二者中的复合构件(诸如翼型件)牢固且可靠地连结至金属构件(诸如叶片或静叶的金属的支座)的工具，且因此使复合/金属连结件能够抵抗趋向于使复合翼型件从金属支座移位的力和力矩。 发明内容[0004] 通过本公开来解决现有技术的这些和其他缺点，本公开提供复合物品和制作方法。 [0005] 根据实施例，提供包括复合构件、金属构件和一个或更多个互锁构件的复合物品。该复合构件沿高度方向从构件基底延伸至构件顶端且沿长度方向在间隔开的构件第一和第二边缘之间延伸。该复合构件包括多个层片。该金属构件包括第一表面和第二表面和形成在其中且从该第一表面延伸至该第二表面的多个开口。该金属构件还包括第一部分和第二部分，该第一部分沿高度方向从构件基底的下面向上穿过该构件基底延伸到该复合构件中，该第二部分在该第一部分的较高端部处，其中，该第二部分基本上或完全地埋在该复合构件中，该第二部分包括沿高度方向间隔开的基底和顶端。该一个或更多个互锁构件交织通过金属构件中的多个开口中的一个或更多个且延伸到且至少部分地埋在复合构件中，以提供该复合构件与该金属构件之间的互锁系统。 [0006] 根据另一实施例，提供包括复合构件和预先穿线的金属构件的复合物品。该复合构件沿高度方向从构件基底延伸至构件顶端且沿长度方向在间隔开的构件第一和第二边缘之间延伸。该复合构件还包括多个细丝强化复合层片的复合材料铺层，其中，多个细丝强化层片中的各个具有在其间沿宽度方向间隔开的层片侧面和层片边缘。该预先穿线的金属构件包括第一表面和第二表面和形成在其中且从该第一表面延伸至该第二表面的多个开口。该预先穿线的金属构件还包括一个或更多个互锁构件，互锁构件交织通过预先穿线的金属构件中的多个开口中的一个或更多个。该一个或更多个互锁构件延伸到且至少部分地埋在复合构件中以提供复合构件与预先穿线的金属构件之间的互锁系统。该复合构件和预先穿线的金属构件为共同固化的。 [0007] 根据又一实施例，提供了制作复合物品的方法。该方法包括：铺叠由复合材料形成的多个细丝强化复合层片；在铺叠多个细丝强化复合层片期间，将预先穿线的金属构件插入到多个细丝强化复合层片中，以形成复合材料至金属对接件；和使多个细丝强化复合层片和预先穿线的金属构件共同固化，以形成复合物品，该复合物品包括用于复合材料至金属对接件的互锁系统。多个细丝强化复合层片中的各个包括在其间沿宽度方向间隔开的层片侧面和层片边缘。该预先穿线的金属构件包括第一表面和第二表面和形成在其中且从该第一表面延伸至该第二表面的多个开口。该预先穿线的金属构件还包括一个或更多个互锁构件，互锁构件交织通过多个开口中的一个或更多个。该一个或更多个互锁构件延伸到且至少部分地埋在该多个细丝强化复合层片中以提供该多个细丝强化复合层片与该预先穿线的金属构件之间的互锁系统。 附图说明[0009] 当参照附图阅读下列详细描述时，本公开的以上和其他特征、方面以及优点将变得更好理解，其中遍及附图，类似的字符代表类似的部分，在附图中：图1是飞行器涡轮风扇燃气涡轮发动机的纵向部分截面的和部分概略的视图例示，该发动机包括根据在本文中示出或描述的一个或更多个实施例的复合物品； 图2是复合物品的概略透视图例示，该复合物品具有金属构件，该金属构件插入在根据在本文示出或描述的一个或更多个实施例的物品的复合构件中； 图3是图2的金属构件的概略透视图例示； 图4是穿过图2的4-4线截取的复合物品的概略截面图例示，该复合物品包括复合构件和金属构件。 [0010] 图5是复合物品的另一实施例的概略透视图例示，该复合物品具有金属构件，该金属构件插入在根据在本文中示出或描述的一个或更多个实施例的复合构件中；图6是图5的金属构件的概略透视图例示； 图7是穿过图5的7-7线截取的复合物品的概略截面图例示，该复合物品包括复合构件和金属构件。 [0011] 图8是复合物品的另一实施例的概略透视图例示，该复合物品具有金属构件，该金属构件插入在根据在本文中示出或描述的一个或更多个实施例的复合构件中；图9是穿过图8的9-9线截取的复合物品的概略截面图例示，该复合物品包括复合构件和金属构件；且 图10是例示根据在本文中示出或描述的一个或更多个实施例的制作方法的示意框图。 具体实施方式[0012] 将仅联系某些实施例出于例示目的而描述本公开；然而，要理解的是，通过根据本公开的以下附图的描述，将使本公开的其他目的和优点显而易见。尽管公开了优选实施例，但它们不意图进行限制。相反，认为在本文中阐述的大体原则仅例示本公开的范围，且还应理解的是，可进行许多改变而不偏离本公开的范围。 [0013] 用语“第一”、“第二”等在本文中不表示任何顺序、量或重要性，而是用于将一个元件与另一个元件区别开来。本文中的用语“一”和“一个”不表示量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。与量结合地使用的修饰语“大约”包括声明的值，且具有通过上下文指出的含义(例如，包括与特定量的测量相关的误差度)。用语“较高”、“较低”、“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”等意图用于为读者定位具体构件部分的目的。 [0014] 而且，在该说明书中，前缀“(多个)”通常意图包括它所修饰的用语的单数和复数，从而包括一个或更多个该用语(例如，“开口”可包括一个或更多个开口，除非另外说明)。遍及说明书对“一个实施例”、“另一实施例”、“实施例”等的引用指的是结合实施例描述的具体元件(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文中描述的至少一个实施例中，并且可或可不存在于其他实施例中。类似地，对“具体构造”的引用指的是结合构造描述的具体元件(例如，特征、结构和/或特性)包括在本文中描述的至少一个构造中，并且可或可不存在于其他构造中。此外，应当理解的是，描述的创造性特征可以以任何适当的方式结合在各种实施例和构造中。 [0015] 在图1中例示的是，围绕发动机中心轴线12且适当地设计以安装至飞行器的机翼或机身的示范飞行器涡轮风扇燃气涡轮发动机10。发动机10以向下游连续地流动连通的方式包括：风扇14、增压机或低压压缩机16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮(HPT)22以及低压涡轮(LPT)24。通过高压驱动轴23将HPT或高压涡轮22连结至高压压缩机18。通过低压驱动轴25将LPT或低压涡轮24连结至风扇14和增压机或低压压缩机16二者。 [0016] 在典型的操作中，通过风扇14加压空气26且将空气的内部部分引导通过低压压缩机16，低压压缩机16进一步加压该空气。然后加压空气流至高压压缩机18，高压压缩机进一步加压该空气。在燃烧器20中将加压空气与燃料混合，以用于生成热燃烧气体28，该热燃烧气体28向下游依次流过HPT 22和LPT 24。在两个涡轮中提取能量，以用于对风扇14、低压压缩机16和高压压缩机18供能。在风扇14紧后面环绕增压压缩机16的流分裂件34包括锐利的前缘，其将通过风扇14加压的风扇空气26分裂成径向内流27和径向外流29，径向内流27被引导通过增压压缩机16，径向外流29被引导通过环形风扇旁通管道 36。 [0017] 通过环形风扇框架32支撑环绕风扇14的风扇机舱30。低压压缩机16在风扇框架32的前部合适地连结至风扇14，配置在环形流分裂件34的径向内侧，且从风扇机舱30的内表面径向朝内地间隔，以在其间部分地限定环形风扇旁通管道。风扇框架32支撑机舱30。 [0018] 压缩机16具有可旋转的第一、第二和第三压缩机级38、40、42，它们分别具有第一、第二和第三压缩机叶片排48、50、52。第一、第二和第三压缩机叶片排48、50、52的多个压缩机叶片17从连接至风扇14的可旋转轮毂46径向朝外地延伸。压缩机16具有不可旋转的第一和第二静叶级62、64，它们分别具有第一和第二静叶排66、68。第一和第二静叶级62、64的压缩机静叶65从不可旋转壳或外带69或固定地连接至前方或风扇框架32的其他环形结构径向朝内地延伸。第一、第二和第三压缩机叶片排48、50、52与第一和第二静叶排66、68相间交错。压缩机叶片和静叶17、65可包括复合翼型件。还已知，将具有复合翼型件的压缩机叶片安装至燃气涡轮发动机的盘或转鼓。 [0019] 图2-9中例示的是复合物品70(诸如复合翼型件)，其可设计为用于在通过在图1中例示且在上面描述的压缩机叶片和静叶17、65而示范的燃气涡轮发动机叶片或静叶、或包括复合/金属构件的静态壳体结构中使用。复合物品70例示为由复合构件72和金属构件74组成。复合构件72从构件基底76沿高度方向延伸至构件顶端78且沿长度方向在间隔开的第一和第二边缘或前方边缘(FE)80和后方边缘(AE)82之间延伸。在实施例中，复合构件72由细丝强化的复合层片86的复合材料铺层84形成。如在本文中所使用的，用语“叠片”和“层片”是同义的。层片86大体上由纤维强化材料组成，在该材料中该纤维沿一个方向定向且通常称为带，或沿多个方向定向，如以纺织物或编织物的形式。层片86基本上形成复合构件72。多个细丝强化层片86中的各个具有在其间沿宽度方向间隔开的层片侧面87和层片边缘89。在实施例中，在制作期间，层片86围绕且靠着金属构件74铺叠，且然后模制且固化。 [0020] 在例示的实施例中，复合构件72围绕金属构件74形成，诸如在翼梁的情况下。在实施例中，且如在图2中最佳地例示的，金属构件74包括第一部分88(诸如柄)，该第一部分88从构件基底76下方向上延伸通过构件基底76且延伸到复合构件72中。金属构件74还包括在第一部分或柄88的较高端部92处的第二部分90，其在本文中还称为突片。第二部分或突片90基本上或完全埋在复合构件72中。在实施例中，沿大体弦向方向在复合构件72前方边缘80与后方边缘82之间，第二部分90可比第一部分88显著更宽。在突片基底98和突片顶端100处或附近，第二部分或突片90包括沿宽度方向间隔开的突片前方边缘(TFE)94和突片后方边缘(TAE)96。在实施例中，金属构件74可由金属材料制造，该金属材料具有与复合构件72的材料不同的刚度和/或强度。 [0021] 在实施例中，金属构件74可提供诸如在发动机的转子或静态结构上安装复合构件72的手段。在实施例，诸如翼型件实施例中，至少，金属构件74的第二部分90设计为抵抗如在图2中例示的力“F”和力矩“M”，它们趋向于使复合构件72从金属构件74松开或移位。在复合物品70的翼型件实施例中，力“F”产生力矩“M”，因为包含金属构件74的复合构件72(诸如静叶或叶片)安装为从发动机的转子或静态结构以悬臂的方式向外延伸。在复合物品70的翼型件实施例中，力“F”大体上沿在图2中指示的三个正交的轴线作用： 长度方向或轴向的第一轴线，其如所例示地大体平行于在翼型件前缘与后缘或前方边缘80与后方边缘82之间的弦；宽度方向或周向的第二轴线，其与由与发动机中心线轴线12(图 1)正交的半径R限定的圆周大体上相切；和高度方向或径向的第三轴线，其沿着半径。力矩“M”指示为围绕该第一、第二和第三轴线。 [0022] 再次参考图3，金属构件74包括穿过厚度“t”形成的多个开口102。应当理解的是，开口102的数量、此种开口(如现在描述的)的定向和几何形状设计为相关的且可基于具体负荷条件来优化。在实施例中，如图2-4所例示的，金属构件74包括四个开口102，它们各自形成为具有基本上圆形的几何形状。四个开口102与彼此基本上等距地间隔且在金属构件74的第二部分或突片90的中央区域中。多个开口102中的各个从金属构件74的第一或较高表面81延伸至金属构件74的相反的第二或较低表面83，且提供穿过金属构件74的开口或通道。 [0023] 如图2-4所例示的，一个或更多个互锁构件103，且更具体而言，一个或更多个纤维束104通过在金属构件74中形成的多个开口102中的各个而交织，以形成预先穿线的金属构件75。在实施例中，一个或更多个纤维束104在本文中可称为纤维丛，且大体上由多个独立的纤维组成。一个或更多个纤维束104交织通过金属构件74，以在复合构件72与金属构件74之间的复合材料至金属连结处提供互锁系统。在实施例中，一个或更多个纤维束104中的各个由一个或更多个干燥纤维组成。纤维可提供为基本上干燥的以支持树脂注射过程(RTM)，或提供为潮湿的束以支持预浸料层叠构造。在实施例中，一个或更多个纤维束104可由碳、玻璃、硼、芳香族聚酰胺、p-亚苯基对苯二甲酰胺(Kevlar®)、伸长链聚乙烯(SPECTRA®)、氧化铝或金刚砂中的至少一种组成。 [0024] 如之前间接提到的，在金属构件74中形成的开口102的几何形状、定向和数量可对于给定的负荷条件优化。因此，多个开口102可提供为孔、槽或允许一个或更多个纤维束104或织物(当前描述的)沿期望方向对齐的任何几何形状。此外，一个或更多个互锁构件 103，且更具体而言，一个或更多个纤维束104的定向可对于给定的负荷条件优化。在复合物品70的制作期间，一个或更多个纤维束104通过在金属构件中形成的多个开口102预先穿线，以限定预先穿线的金属构件75。公开的设计具体地设计用于共同固化构造，其中，与金属构件74的插入结合地引导形成复合构件72的复合铺层已通过手工或机器来铺叠。利用公开的一个或更多个交织的互锁构件连结金属构件74和复合构件72将允许增强复合材料与金属材料之间的对接强度和增加负荷承载性能。在实施例中，通过使一个或更多个纤维束104交织通过金属构件74，以便存在于复合材料铺叠期间，增大的负荷可在复合材料至金属连接件处通过常规粘合结合或共同固化的连结件/连接件来传送。取决于一个或更多个纤维束104、多个开口102和负荷路径的布局，一个或更多个纤维束104提供复合/金属连结件的抗张力和/或抗剪力能力的增大。 [0025] 现参照图5-7，其中，遍及实施例，相似的数字代表相似的部分，例示的是复合物品110的实施例，其大体上类似于前述图2-4的复合物品70。在该具体实施例中，如图2-4所述，代替一个或更多个纤维束104，一个或更多个互锁构件103包括织物112。织物112可由纺织织品、非加皱织品、编织管等的一个或更多个条带组成。如在图5中最佳地例示的，纤维112例示为经由多个开口102而交织通过金属构件74。更具体而言，织物112穿过多个开口102从第一或较高表面81延伸至第二或较低表面83。如在图6中最佳地例示的，在该实施例中，多个开口102形成为在几何形状方面基本上为椭圆形，以允许织物112通过金属构件74的通道。 [0026] 参考图8和9，其中同样，遍及实施例，相似的数字代表相似的部分，例示的是复合物品120的实施例，其大体上类似于前述图2-4的复合物品70，除了在该具体实施例中，一个或更多个互锁构件103，且更具体而言，一个或更多个纤维束104例示为沿与图2-4的实施例相反的方向定向。更具体而言，一个或更多个纤维束例示为经由多个开口102而交织通过金属构件74，其中，一个或更多个纤维束沿与金属构件74的主轴线基本上平行的方向定向。如所例示的，一个或更多个纤维束104通过多个开口102从第一或较高表面81延伸至第二或较低表面83。如在图6中最佳地例示的，在该实施例中，多个开口102形成为在几何形状方面基本上为圆形的，以允许一个或更多个纤维束104通过金属构件74的通道。 [0027] 此外，如在图8中最佳地例示的，金属构件74包括基本上矩形的形状。更具体而言，与图2-7的实施例相反，金属构件74的第二部分90可在宽度上与沿大体上弦向方向在复合构件72前方边缘80与后方边缘82之间的第一部分88的基本上等同。类似于前述实施例，第二部分或突片90基本上或完全地埋在复合构件72中。 [0028] 如在图8和9中所例示的，一个或更多个纤维束104交织通过多个开口102中的各个。更具体而言，一个或更多个纤维束104交织通过金属构件74，以复合构件72与金属构件74之间的复合材料至金属连结件处提供互锁系统。如前所述，一个或更多个纤维束104中的各个为干燥的纤维且可提供为基本上干燥的以支持树脂注射过程(RTM)，或为潮湿的束以支持预浸料层叠构造。 [0029] 如在前面指示的，与一个或更多个纤维束、或织物的使用无关，为了提供交织连结件强度，在本文中公开的复合物品的制作方法要求共同固化构造。更具体而言，该方法要求与金属构件的插入结合地进行复合材料铺叠，该金属构件具有交织在其中的一个或更多个互锁构件。 [0030] 现在参考图10，例示的是描写制造复合物品的方法130的一个实现方式的流程图，该复合物品包括根据本文中所示或所描述的一个或更多个实施例的复合到金属互锁系统。该方法130包括在步骤132处制作复合物品，以通过最初铺叠包括多个细丝强化复合层片86的复合材料来最终包括复合材料至金属互锁系统。多个细丝强化复合层片86由复合材料形成。接着，在步骤134处，该方法包括在铺叠多个细丝强化层片期间，将预先穿线的金属构件插入多个细丝强化复合层片中，以形成复合材料至金属对接件。继续细丝强化复合层片的铺叠，直到金属构件完全地包封或埋在其中。如在图10中所例示的，当互锁构件由干燥的束或织物(未浸渍的)形成时，可包括树脂注射步骤136。当使用预浸渍的或润湿的束时，不需要注射步骤136。最后在步骤138处，接着使具有插入在其中的预先穿线的金属构件的多个细丝强化复合层片共同固化，以形成完整的复合物品。复合层和预先穿线的金属构件的共同固化提供在复合材料至金属对接件处的互锁系统。如前所述，预先穿线的金属构件包括第一表面和第二表面和形成在其中且从第一表面延伸至第二表面的多个开口。预先穿线的金属构件还包括至少一个互锁构件，该互锁构件交织通过多个开口中的一个或更多个。在步骤134处，在将预先穿线的金属构件插入复合层片期间，一个或更多个互锁构件延伸到多个细丝强化复合层片中且至少部分地埋入其中，以提供在多个细丝强化复合层片与预先穿线的金属构件之间的互锁系统。 [0031] 预想如在本文中所公开的，最初将一个或更多个纤维束或织物穿线到在金属构件中形成的多个开口中这可包括任意数量的变型或定向，且不受公开的例示所限制。例如，在实施例中，一个或更多个纤维束或织物可通过多于两个的开口且沿金属构件的更大部分穿线或交织。在备选实施例中，一个或更多个纤维束或织物可通过形成沿多个定向形成在金属构件中的开口穿线或交织。 [0032] 已确定金属至复合连结件中的薄弱环节是金属构件和复合构件的表面之间的结合强度。在本文中公开的所提供的复合物品和制作方法提供金属至复合连结件的强度且因此负荷承载性能的提高。负荷承载性能的该提高允许飞行器发动机中的复合材料的使用的增加，诸如翼型件，包括叶片和静叶，和静态结构，诸如壳体，且从而提供这些构件的重量的整体降低。 [0033] 因此，描述的是包括复合材料至金属互锁件的复合物品和制作方法的实施例。复合物品包括复合构件和金属构件。该金属构件是利用一个或更多个互锁构件预先穿线的，互锁构件由一个或更多个纤维束或织物组成。预先穿线的金属构件在铺叠过程期间埋入复合材料中，从而形成复合构件。多个构件的共同固化提供包括互锁系统的复合物品，从而提供复合和金属材料之间的更大强度，且提高负荷承载性能。 [0034] 出于例示目的，已提出了本公开的若干实施例的前述描述。尽管已详细描述和例示了本公开，但应清楚地理解的是，其仅意图作为例示和示例，且不应理解为限制。明显地，根据上述教导，本公开的许多更改和变型是可能的。因此，仅通过所附权利要求的条款来限制本公开的精神和范围。 |
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