Волокнистая заготовка, тканная путем трехмерного тканья в виде единого куска, для изготовления полки из композитного материала с замкнутой коробчатой конструкцией для вентилятора турбинного двигателя - RU2623921C2

Чертежи

Показать все 7 чертежа(ей)

Описание

УРОВЕНЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к области изготовления волокнистой заготовки путем трехмерного (3D) тканья, предназначенной для изготовления из композитного материала полки лопатки вентилятора для авиационного турбинного двигателя.

Полки лопаток вентилятора для турбинных двигателей и, в частности, для турбореактивных авиационных двигателей, расположены между лопатками вентилятора таким образом, чтобы продолжать входной конус вентилятора. Они, в частности, служат для ограничения внутренней части кольцевого впускного канала для воздушной струи в вентиляторе, при этом снаружи канал ограничивается кожухом. Известно, что для изготовления различных деталей авиационного турбинного двигателя прибегают к применению композитных материалов. Таким образом, деталь из композитного материала можно получать путем изготовления волокнистой преформы и упрочнения преформы матрицей. В случае предполагаемого применения преформу можно изготавливать из стекловолокна, углеродных или керамических волокон, и матрицу можно изготавливать из органического материала (полимера), из углерода или из керамики.

Для деталей с относительно сложной геометрической формой также известен способ изготовления волокнистой заготовки или волокнистой структуры в виде единого куска путем 3D-тканья или многослойного тканья и формирования волокнистой структуры для получения волокнистой преформы определенной формы, близкой к форме детали, подлежащей изготовлению.

Таким образом, уже существуют предложения по применению 3D-тканья для изготовления волокнистой преформы π-образного сечения для получения полки (лопатки). Такие полки с π-образным сечением содержат основание и две ножки, образующие ребра жесткости, которые проходят от поверхности основания и служат для упрочнения полки, позволяя избежать любого колебания полки под действием центробежной силы, генерируемой скоростью вращения вентилятора.

Было установлено, что в случае таких полок (лопаток) само по себе присутствие ребер жесткости не всегда обеспечивает достаточную прочность в отношении центробежной силы. Поэтому была установлена необходимость добавлять перегородку между свободными концами ребер жесткости для того, чтобы образовать под основанием полки замкнутую коробчатую конструкцию с целью усиления ее прочности. К сожалению, это влечет за собой необходимость обеспечить обшивку на ребрах жесткости преформы для полки (лопатки), причем такая операция является трудной для осуществления из-за размера включенных волокон. Следовательно, такая операция легко может приводить к бракованной детали.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Таким образом, задача изобретения состоит в разработке тканой, волокнистой заготовки, производимой в виде единого куска путем трехмерного тканья, для изготовления из композитного материала полки с замкнутой коробчатой конструкцией для вентилятора турбинного двигателя.

В первом аспекте изобретения такая задача решается с помощью тканой, волокнистой заготовки, производимой в виде единого куска путем трехмерного тканья, причем волокнистая заготовка содержит противолежащие поверхности и включает в себя:

первый участок, второй участок и третий участок, каждый из которых содержит множество слоев, состоящих из нитей уточной пряжи, и каждый из которых образует часть толщины волокнистой заготовки между ее противолежащими поверхностями, причем нити уточной пряжи волокнистой заготовки расположены в виде столбцов, каждый из которых содержит нити уточной пряжи всех трех участков;

в каждой плоскости волокнистой заготовки множество нитей основной пряжи взаимно переплетается со слоями нитей уточной пряжи первого участка, второго участка и третьего участка, формируя при этом:

замкнутую зону непереплетения (нитей), отделяющую первый участок от второго участка, на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы между передней по ходу границей непереплетения (нитей) и задней по ходу границей непереплетения (нитей); и

по меньшей мере, одну открытую зону непереплетения (нитей), отделяющую второй участок от третьего участка, на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы от границы непереплетения (нитей) до задней по ходу кромки волокнистой заготовки;

одну или несколько первых нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на первом участке волокнистой заготовки, примыкающем к замкнутой зоне непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и после нее;

одну или несколько вторых нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на первом участке волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и после нее;

одну или несколько третьих нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки перед открытой зоной непереплетения (нитей); и

одну или несколько четвертых нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки перед открытой зоной непереплетения (нитей).

Такое 3D-тканье делает возможным изготовление волокнистой заготовки в виде единого куска для изготовления полки, которая содержит замкнутую коробчатую конструкцию под основанием полки и служит для ограничения внутренней части кольцевого проточного канала для струи воздуха через вентилятор.

В одном из вариантов осуществления изобретения волокнистая заготовка дополнительно содержит одну или несколько пятых нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на первом участке волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и рядом с ней, и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки после замкнутой зоны непереплетения (нитей); и одну или несколько шестых нитей основной пряжи, взаимно переплетающихся со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и рядом с ней, и со слоями нитей уточной пряжи на первом участке волокнистой заготовки после замкнутой зоны непереплетения (нитей).

Траектории пятой нити (нитей) основной пряжи и шестой нити (нитей) основной пряжи предпочтительно пересекаются, по меньшей мере, в одной переходной зоне, тянущейся в волокнистой заготовке от задней по ходу границы замкнутой зоны непереплетения (нитей), причем переходная зона тянется в направлении основы на расстояние, превышающее длину шага между соседними столбцами нитей уточной пряжи. Такое пересечение усиливает заднюю по ходу границу замкнутой зоны непереплетения (нитей) и может приводить к меньшей нагрузке на нити пряжи во время развертывания участка волокнистой заготовки, примыкающего к замкнутой зоне непереплетения (нитей).

Граница непереплетения (нитей) открытой зоны непереплетения может быть расположена в направлении основы между передней по ходу границей и задней по ходу границей замкнутой зоны непереплетения.

В еще одном варианте осуществления изобретения волокнистая заготовка дополнительно включает в себя вторую открытую зону непереплетения (нитей), отделяющую второй участок от третьего участка на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы от передней по ходу кромки волокнистой заготовки, находящейся напротив задней по ходу кромки, и вплоть до границы непереплетения (нитей).

Третья нить (нити) основы может взаимно переплетаться со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки, примыкающем к открытым зонам непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки между открытыми зонами непереплетения (нитей); и четвертая нить (нити) основы может взаимно переплетаться со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки, примыкающем к открытым зонам непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки между открытыми зонами непереплетения (нитей).

Границы непереплетения (нитей) открытых зон непереплетения могут быть расположены в направлении основы между передней по ходу границей и задней по ходу границей замкнутой зоны непереплетения (нитей).

В еще одном варианте осуществления изобретения волокнистая заготовка дополнительно включает в себя две замкнутые зоны непереплетения (нитей), отделяющие второй участок от третьего участок на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы между передней по ходу границей и задней по ходу границей замкнутой зоны непереплетения (нитей), причем две упомянутые замкнутые зоны непереплетения (нитей) образуют коробчатую конструкцию полки с сотовым устройством. Такое сотовое устройство делает возможным усиление сопротивления короблению (образованию морщин и складок) коробчатой конструкции полки при одновременном сохранении контроля над ее толщиной.

В данных обстоятельствах одну или несколько шестых нитей основной пряжи можно взаимно переплетать со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки перед двумя замкнутыми зонами непереплетения (нитей) и после них; и одну или несколько седьмых нитей основной пряжи можно взаимно переплетать со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки перед двумя замкнутыми зонами непереплетения (нитей) и после них; причем траектории шестых нитей основной пряжи и седьмых нитей основной пряжи пересекаются в трех местах для того, чтобы создать две зоны непереплетения (нитей).

Аналогично этому одну или несколько восьмых нитей основной пряжи можно взаимно переплетать со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки перед двумя замкнутыми зонами непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки после двух замкнутых зон непереплетения (нитей); и одну или несколько девятых нитей основной пряжи можно взаимно переплетать со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке волокнистой заготовки перед двумя замкнутыми зонами непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке волокнистой заготовки после двух замкнутых зон непереплетения (нитей); причем траектории восьмой нити (нитей) основной пряжи и девятой нити (нитей) основной пряжи пересекаются в промежуточной области, находящейся между двух замкнутых зон непереплетения.

Независимо от варианта осуществления изобретения наружные слои нитей уточной пряжи, примыкающие к противолежащим поверхностям волокнистой заготовки, предпочтительно ткут с теми же самыми нитями основной пряжи, которые непрерывно тянутся на всем протяжении волокнистой заготовки в направлении основы, тем самым сохраняется непрерывность нитей у поверхности.

Во втором аспекте изобретения поставленная цель достигается с помощью волокнистой заготовки, которая описана выше, но с взаимозаменой положения основы и утка.

В своем третьем аспекте изобретение обеспечивает способ изготовления преформы для полки (лопатки) с замкнутой коробчатой конструкцией из композитного материала для вентилятора турбинного двигателя, причем способ включает в себя изготовление волокнистой преформы путем придания определенной формы волокнистой заготовке, которая указана в первом аспекте изобретения, причем придание определенной формы включает в себя развертывание отрезков первого участка и второго участка волокнистой заготовки, которые примыкают к замкнутой зоне непереплетения (нитей) и к открытой зоне непереплетения (нитей); обрезание отрезков первого и второго участков волокнистой заготовки после замкнутой зоны непереплетения (нитей); и упрочнение преформы матрицей.

В своем четвертом аспекте изобретение обеспечивает способ изготовления преформы для полки (лопатки) с замкнутой коробчатой конструкцией из композитного материала для вентилятора турбинного двигателя, причем способ включает в себя изготовление волокнистой преформы путем придания определенной формы волокнистой заготовке, как указано во втором аспекте изобретения; причем придание определенной формы включает в себя развертывание отрезков первого участка и второго участка волокнистой заготовки, которые примыкают к замкнутой зоне непереплетения (нитей) и к первой и второй открытым зонам непереплетения (нитей); обрезание отрезков первого и второго участков волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и после нее; и упрочнение преформы матрицей.

Придание определенной формы дополнительно может включать в себя придание определенной формы отрезкам второго и третьего участков волокнистой заготовки, которые расположены между передней по ходу границей и задней по ходу границей замкнутой зоны непереплетения (нитей), с образованием волнистообразной перегородки в коробчатой конструкции полки (лопатки). Коробчатая конструкция, снабженная волнистообразной перегородкой, обладает улучшенным сопротивлением короблению (образованию морщин и складок), одновременно сохраняя контролируемую толщину.

В своем пятом аспекте изобретение обеспечивает полку (лопатки) с замкнутой коробчатой конструкцией, изготовленную из композитного материала, для вентилятора турбинного двигателя, причем полку получают с применением способа согласно третьему или четвертому аспекту изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из следующего описания, приводимого со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показан вариант осуществления изобретения, не носящий ограничительного характера. На чертежах:

Фиг. 1 изображает схему полки с замкнутой коробчатой конструкцией, изготовленной из композитного материала, для вентилятора турбинного двигателя;

Фиг. 2 - плоскость 3D-тканой волокнистой заготовки согласно варианту осуществления изобретения;

Фиг. 3A, 3B и 3C изображают в увеличенном масштабе участки, показанные на фиг. 2;

Фиг. 4–6 изображают сечения, показывающие, как волокнистой заготовке, показанной на фигуре 2, придают определенную форму для получения преформы для полки с коробчатой конструкцией;

Фиг. 7A, 7B и 7C - плоскости преформы, полученной путем придания определенной формы волокнистой заготовке, соответствующие изображениям на фигурах 3A, 3B и 3C, соответственно;

Фиг. 8 изображает схематично плоскость 3D-тканой волокнистой заготовки согласно еще одному варианту осуществления изобретения;

Фиг. 9 изображает участок, показанный на фигуре 8;

Фиг. 10 и 11 изображают сечения, показывающие, как волокнистой заготовке, показанной на фигуре 8, придают определенную форму для получения преформы для полки с коробчатой конструкцией;

Фиг. 12 изображает местный вид плоскости преформы, полученной путем придания определенной формы волокнистой заготовке, показанной на фигуре 8;

Фиг. 13 и 14 изображают сечения преформ для полок с замкнутой коробчатой конструкцией согласно вариантам осуществления изобретения; и

Фиг. 15 изображает местный вид плоскости волокнистой заготовки, предназначенной для получения преформы полки, изображенной на фигуре 14.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На фигуре 1 представлено очень схематичное изображение полки 10 с замкнутой коробчатой конструкцией, изготовленной из композитного материала, для вентилятора турбинного двигателя.

Полка 10 содержит основание 12, имеющее верхнюю поверхность 12a и нижнюю поверхность 12b, вместе с двумя ножками 14, 16, образующими ребра жесткости и проходящими от нижней поверхности 12b. У своих нижних концов две ножки 14 и 16 соединяются вместе с помощью придающей жесткость перегородки 18 таким образом, чтобы образовать под основанием 12 замкнутую коробчатую конструкцию 20, которая показана на фигуре 1 путем штриховки.

Полка 10 монтируется в зазор между двумя лопатками вентилятора вблизи хвостовиков лопаток, таким образом, чтобы ограничивать внутреннюю часть кольцевого проточного канала для струи воздуха через вентилятор, при этом снаружи канал ограничивается кожухом вентилятора.

На фиг. 2 представлено схематичное изображение плоскости основы 3D-тканой волокнистой заготовки 100, из которой перед введением смолы или перед упрочнением матрицей и перед возможной машинной обработкой можно получать волокнистую преформу для полки, чтобы получить полку вентилятора, изготовленную из композитного материала, такую как полка, показанная на фиг. 1.

В случае 3D-тканья следует понимать, что нити основной пряжи движутся по синусоидам таким образом, что взаимно переплетаются в нитями уточной пряжи, принадлежащими разным слоям нитей уточной пряжи, за исключением зон непереплетения (нитей), при этом следует понимать, что 3D-тканье, в частности в случае применения тканья интерлочного типа, у поверхности может включать в себя 2D-тканье. Можно применять различные типы 3D-переплетений, такие как интерлочное переплетение, мультиатласное переплетение или мультимиткалевое переплетение, например, которые описаны, в частности, в документе WO 2006/136755.

На фиг. 2 волокнистая заготовка 100 ограничивается противолежащими поверхностями 100a и 100b и содержит первый участок 102, второй участок 104 и третий участок 106, причем второй участок 104 расположен между двумя другими участками 102 и 106. Упомянутые три участка образуют соответственно первый, второй и третий участки по толщине волокнистой заготовки между ее противолежащими поверхностями 100a и 100b.

Каждый из участков 102–106 волокнистой заготовки содержит множество наложенных друг на друга слоев нитей уточной пряжи (например, четыре в приводимом примере), при этом возможно число нитей уточной пряжи, равное любому желаемому числу, которое не меньше двух, в зависимости от требуемой толщины. Кроме того, число слоев нитей уточной пряжи на участках 102–106 может отличаться друг от друга. Нити уточной пряжи расположены в виде столбцов, каждый из которых содержит нити уточной пряжи первого, второго и третьего участков волокнистой заготовки.

На протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки 100 в направлении основы (С) первый участок 102 и второй участок 104 волокнистой заготовки полностью отделены друг от друга с помощью замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей), которая тянется между передней по ходу границей 108a и задней по ходу границей 108b зоны непереплетения (нитей). Термин "замкнутая" зона непереплетения (нитей) применяется здесь для обозначения зоны, которая замкнута на обоих своих концах и которая не содержит нитей основной пряжи, проходящих через нити уточной пряжи, для взаимного переплетения в слоях, принадлежащих соответственно первому участку 102 и второму участку 104 волокнистой заготовки 100.

На протяжении еще одного отрезка определенного размера волокнистой заготовки 100 в направлении основы второй участок 104 и третий участок 106 волокнистой заготовки полностью отделены друг от друга с помощью открытой зоны 110 непереплетения (нитей), которая тянется от границы 110a непереплетения (нитей) до задней по ходу кромки 100c волокнистой заготовки. Термин "открытая" зона непереплетения (нитей) применяется здесь для обозначения зоны, которая закрыта с одного конца и открыта с противоположного конца, и которая не содержит нитей основной пряжи, проходящих через нее, для взаимного переплетения с нитями уточной пряжи в слоях, принадлежащих соответственно второму участку 104 и третьему участку 106 волокнистой заготовки 100.

В данном варианте осуществления изобретения граница 110a непереплетения (нитей) открытой зоны 110 непереплетения расположена в направлении основы между передней по ходу границей 108a и задней по ходу границей 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей).

За исключением замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей) и открытой зоны 110 непереплетения (нитей) слои нитей уточной пряжи взаимно переплетаются с нитями основной пряжи на протяжении множества слоев из нитей основной пряжи c₁₁–c₂₂.

В примере, более конкретно показанном на фигурах 3A–3C, первые общие нити c₁₅основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на первом участке 102 волокнистой заготовки, примыкающем к замкнутой зоне 108 непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и после нее, то есть до передней по ходу границы 108a и после задней по ходу границы 108b замкнутой зоны непереплетения (нитей). Понятно, что такое переплетение можно осуществлять с помощью множества первых нитей основной пряжи.

С другой стороны, вторые общие нити c₁₄ основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне 110 непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на первом участке 102 волокнистой заготовки до замкнутой зоны непереплетения (нитей) и после нее. Понятно, что такое переплетение можно осуществлять с помощью множества вторых нитей основной пряжи.

Таким образом, траектория нитей c₁₅основной пряжи и траектория нитей c₁₄ основной пряжи пересекаются как у передней по ходу границы 108a замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей), так и у задней по ходу границы 108b такой замкнутой зоны непереплетения (нитей).

Аналогичным образом, в прежнем примере, показанном на фиг. 3A–3C, третьи общие нити c₁₉ основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне 110 непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки перед открытой зоной непереплетения (нитей), то есть перед границей 110a непереплетения (нитей) такой открытой зоны непереплетения. Понятно, что такое переплетение можно осуществлять с помощью множества третьих нитей основной пряжи.

С другой стороны, четвертая общая нить основной пряжи c₁₈ взаимно переплетается со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки, примыкающем к открытой зоне 110 непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки перед открытой зоной непереплетения (нитей). Понятно, что такое переплетение можно осуществлять с помощью множества четвертых нитей основной пряжи.

Таким образом, траектория нити c₁₉ основной пряжи и траектория нити c₁₈основной пряжи пересекаются у границы 110a непереплетения открытой зоны 110 непереплетения (нитей).

Кроме того, пятые нити основной пряжи c₁₂, c₁₃ взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на первом участке 102 волокнистой заготовки до замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей) и рядом с ней, и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки после замкнутой зоны непереплетения (нитей).

Аналогично этому шестые нити основной пряжи c₁₆, c₁₇ взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки перед замкнутой зоной 108 непереплетения (нитей) и рядом с ней, и со слоями нитей уточной пряжи на первом участке 102 волокнистой заготовки после замкнутой зоны непереплетения (нитей).

Как показано на фигуре 3C, траектории пятых нитей основной пряжи c₁₂, c₁₃ и траектории шестых нитей основной пряжи c₁₆, c₁₇ пересекаются в переходной зоне 112, тянущейся внутри волокнистой заготовки от задней по ходу границы 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей). Такая переходная зона 112 тянется в направлении основы на расстояние, превышающее длину одного шага "р" между соседними столбцами нитей уточной пряжи, например, на расстояние, равное 2p.

Такое пересечение пятых нитей основной пряжи c₁₂, c₁₃ с шестыми нитями основной пряжи c₁₆, c₁₇ усиливает заднюю по ходу границу 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей) и может приводить к меньшей нагрузке на нити пряжи во время развертки участка волокнистой заготовки, примыкающего к замкнутой зоне непереплетения (нитей).

Наружные слои нитей уточной пряжи, примыкающие к противолежащим поверхностям 100a и 100b волокнистой заготовки 100, ткут с использованием тех же нитей основной пряжи, соответственно c₁₁ и c₂₂, которые непрерывно тянутся на всем протяжения волокнистой заготовки в направлении основы. Например, для нитей c₁₁ и c₂₂основной пряжи можно применять поверхностное переплетение атласного типа. Аналогично этому, поверхностное переплетение атласного типа также можно применять для нитей c₁₄ и c₁₅ основной пряжи на тех отрезках первого и второго участков волокнистой заготовки, которые разделены замкнутой зоной 108 непереплетения (нитей), а также для нитей c₁₈ и c₁₉ основной пряжи на тех вторых и третьих участках волокнистой заготовки, которые разделены открытой зоной 110 непереплетения (нитей).

Волокнистую преформу для полки с замкнутой коробчатой конструкцией (такой как полка, показанная на фиг. 1) из такой волокнистой заготовки можно получать описанным ниже способом.

После тканья волокнистая заготовка 100 имеет форму, которая очень схематично показана на фиг. 4. Отрезки первого и второго участков 102 и 104 волокнистой заготовки, которые примыкают к замкнутой зоне 108 непереплетения (нитей) и к открытой зоне 110 непереплетения (нитей), разворачивают, как показано на фиг. 5, в то время как третий участок 106 волокнистой заготовки не подвергается никаким манипуляциям. Конечная преформа, которая получается в конце такого развертывания, показана на фиг. 6.

Развертка отрезков такой волокнистой заготовки более конкретно показана на фиг. 7A–7C. В частности, фиг. 7A соответствует увеличенному изображению на фигуре 3A и показывает, как разворачивают отрезок первого участка 102 волокнистой заготовки, который примыкает к замкнутой зоне непереплетения (нитей). Такую развертку осуществляют перпендикулярно отрезку второго участка волокнистой заготовки, который примыкает к замкнутой зоне непереплетения (нитей).

Аналогично этому на фиг. 7B показан процесс отгибания, которое осуществляют в области волокнистой заготовки, которая соответствует увеличенному изображению фигуры 3B. В данном примере отрезок второго участка 104 волокнистой заготовки, который примыкает к открытой зоне непереплетения (нитей), разворачивают перпендикулярно отрезку третьего участка 106 волокнистой заготовки, который примыкает к открытой зоне непереплетения (нитей).

Наконец, на фигуре 7C показана развертка, которую осуществляют в области волокнистой заготовки, соответствующей увеличенному изображению на фиг. 3C, то есть у задней по ходу границы 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей). В упомянутой области отрезок второго участка 104 волокнистой заготовки, примыкающий к замкнутой зоне непереплетения, разворачивают перпендикулярно отрезку первого участка 102 волокнистой заготовки, который примыкает к замкнутой зоне непереплетения (нитей). После такой развертки отрезки первого и второго участков волокнистой заготовки, которые расположены за рамками замкнутой зоны непереплетения (нитей), то есть вдали от заднего по ходу конца 108b зоны 108 непереплетения, отрезают вдоль плоскости D резания (см. также фиг. 6).

Таким образом, придание определенной формы волокнистой заготовке 100 делает возможным получение преформы для полки с замкнутой коробчатой конструкцией, которая описана выше со ссылкой на фиг. 1.

На фигуре 8 приведена схема, показывающая плоскость основы 3D-тканой волокнистой заготовки 100' для получения полки с замкнутой коробчатой конструкцией согласно еще одному варианту осуществления изобретения. В целом элементам волокнистой заготовки 100', показанной на фигуре 8, и волокнистой заготовки 100, показанной на фигуре 2, присвоены одни и те же ссылочные позиции, которые не будут описываться еще раз.

Волокнистая заготовка 100' отличается от волокнистой заготовки, показанной на фиг. 2, наличием второй открытой зоны 110' непереплетения (нитей) между вторым участком 104 и третьим участком 106 на отрезке волокнистой заготовки в направлении основы (С), причем упомянутая вторая открытая зона 110' непереплетения (нитей) тянется от передней по ходу кромки 100d волокнистой заготовки, находящейся напротив ее задней по ходу кромки 100c, и вплоть до границы 110'a непереплетения.

Для такой цели, как более конкретно показано на фиг. 9, третьи общие нити c₁₉ основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки 100’, которые примыкают к обеим открытым зонам 110, 110' непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки между такими открытыми зонами непереплетения (нитей), то есть между соответствующими границами 110'a и 110a непереплетения (нитей) таких открытых зон непереплетения.

Аналогично этому четвертые общие нити c₁₈ основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки 100', примыкающими к обеим открытым зонам 110, 110' непереплетения (нитей), и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки между упомянутыми открытыми зонами непереплетения (нитей).

Понятно, что такое переплетение третьих и четвертых нитей основной пряжи может осуществляться с помощью множества третьих и четвертых нитей основной пряжи. Также поверхностное переплетение атласного типа может применяться для нитей c₁₈ и c₁₉ основной пряжи на отрезках второго и третьего участков волокнистой заготовки, которые отделяются друг от друга двумя открытыми зонами 110, 110' непереплетения (нитей).

Вторая открытая зона 110' непереплетения (нитей) между вторым и третьим участками 104 и 106 волокнистой заготовки 100' идентична открытой (замкнутой) зоне непереплетения (нитей) 110, описанной со ссылкой на вариант осуществления изобретения, показанный на фиг. 2. То же самое применимо к замкнутой зоне 108 непереплетения (нитей) между первым и вторым участками (102 и 104) волокнистой заготовки.

Кроме того, границы 110a, 110'a непереплетения (нитей) двух открытых зон 110, 110' непереплетения (нитей) волокнистой заготовки 100' расположены в направлении основы между передней по ходу 108a и задней по ходу границами 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей).

Из такой волокнистой заготовки описанным ниже способом можно получать волокнистую преформу для полки с замкнутой коробчатой конструкцией (такой как полка, показанная на фиг. 1).

После тканья волокнистая заготовка 100' имеет форму, которая очень схематично показана на фигуре 10. Отрезки первого участка 102 и второго участка 104 волокнистой заготовки, которые примыкают к замкнутой зоне 108 непереплетения (нитей) и к двум открытым зонам 110, 110' непереплетения (нитей), разворачивают, как показано на фиг. 11, в то время как третий участок 106 волокнистой заготовки не подвергается никаким манипуляциям.

Более конкретно, развертывание отрезков первого 102 и второго участков 104 волокнистой заготовки 100', которые примыкают к замкнутой зоне 108 непереплетения (нитей), приводит к такой замкнутой зоне непереплетения (нитей), которую следует растянуть на 180° у ее границы непереплетения (нитей) (см. фиг. 11).

Таким образом, на фигуре 12 показана такая развертка в области волокнистой заготовки, соответствующей передней по ходу границе 108a непереплетения (нитей) замкнутой зоны непереплетения. В такой области отрезки первого и второго участков (102 и 104) волокнистой заготовки, которые примыкают к замкнутой зоне непереплетения (нитей), разворачивают таким образом, чтобы они образовали между собой угол около 180°.

После операции по разворачиванию волокнистой заготовки отрезки первого и второго участков волокнистой заготовки 100', которые расположены до замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей) и после нее, то есть до ее передней по ходу границы 108a непереплетения (нитей) и после ее задней по ходу границы 108b непереплетения (нитей), отрезают вдоль плоскостей резания D' (см. также фиг. 11).

В описанных вариантах осуществления изобретения следует понимать, что направления утка и основы могут быть взаимозаменяемыми.

Кроме того, в описанных вариантах осуществления изобретения волокнистую заготовку (100, 100') формируют путем 3D-тканья с пряжами, природу которых выбирают в зависимости от планируемого применения, например, с пряжами, изготовленными из стекловолокна, углеродных или керамических волокон.

Волокнистую преформу (которую получают путем придания определенной формы волокнистой заготовке) обеспечивают матрицей, чтобы отформовать полку с замкнутой коробчатой конструкцией, изготовленную из композитного материала, путем выдерживания преформы в пресс-форме до тех пор, пока преформа не упрочнится (или не затвердеет). Перед тем как поместить преформу в пресс-форму, ядро располагают внутри замкнутой зоны непереплетения (нитей) преформы.

Природу матрицы выбирают в зависимости от планируемого применения, например, органическую матрицу получают, в частности, из смолы, которая является предшественником полимерной матрицы, такой как эпоксидная, бисмалеимидная или полиимидная матрица, или которая является предшественником углеродной матрицы или керамической матрицы. Для получения органической матрицы волокнистую преформу пропитывают композицией, содержащей смолу-предшественник матрицы, до придания определенной формы с применением технологической оснастки или после придания определенной формы, причем в случае применения пропитки ее осуществляют путем инфузии смолы или, например, с помощью способа инжекции смолы в закрытую форму (RTM-формование). В случае углеродной матрицы или керамической матрицы упрочнение можно осуществлять с помощью химической инфильтрации из паровой фазы (CVI) или путем пропитки жидкой композицией, содержащей смолу-предшественник углерода или керамики, и путем осуществления термообработки путем пиролиза или керамизации предшественника; такие способы хорошо известны сами по себе. После инжектирования/упрочнения волокнистой преформы полку обрабатывают согласно ее конечным размерам.

На фиг. 13 и 14 показаны варианты осуществления преформ для изготовления полок с замкнутой коробчатой конструкцией.

В таких вариантах осуществления изобретения придающая жесткость перегородка 18 замкнутой коробчатой конструкции под основанием 12 полки обладает повышенным сопротивлением короблению (образованию морщин и складок) без какой-либо необходимости увеличивать толщину перегородки, придающей жесткость. Поэтому в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 13, придающая жесткость перегородка 18 является волнистообразной (18a). Аналогично этому в варианте осуществления изобретения, показанном на фиг. 14, придающая жесткость перегородка 18 имеет сотовое устройство 18b.

Такие конкретные конструкции 18a, 18b служат для усиления способности коробчатой конструкции полки противостоять сжимающим силам, которым подвергается полка (лопатки).

Конструкцию с волнообразной перегородкой 18a, которая показана на фиг. 13, получают на стадии придания волокнистой заготовке определенной формы, которую получают, как описано выше. В частности, волокнистую заготовку можно изготавливать с применением варианта осуществления изобретения, описанного со ссылкой на фиг. 2 и 3A–3C, или варианта осуществления изобретения, описанного со ссылкой на фиг. 8 и 9.

На стадии придания волокнистой заготовке определенной формы отрезки вторых и третьих участков волокнистой заготовки, которые должны образовать преформу для перегородки, придающей жесткость (то есть отрезки, которые расположены между передней по ходу границей и задней по ходу границей замкнутой зоны непереплетения (нитей) волокнистой заготовки), сами по себе деформируются с помощью специальной оснастки для формирования волнистости такого типа, которая показана на фиг. 13. Число и амплитуда волн волнистообразной перегородки, которую создают, может варьироваться в зависимости от технических требований к механическим свойствам.

Сотовое устройство перегородки 18b, показанное на фиг. 14, получают путем видоизменения способа тканья волокнистой заготовки, которую получают согласно одному из двух описанных выше вариантов осуществления изобретения.

В частности, волокнистая заготовка 100, 100', которая частично показана на фиг. 15 (для наглядности нити уточной пряжи не указаны), дополнительно включает в себя пару замкнутых зон 114 непереплетения (нитей), которые отделяют второй участок 104 от третьего участка 106 на протяжении определенного размера отрезка 116 волокнистой заготовки в направлении основы. Такой отрезок 116 также тянется между передней по ходу границей 108a и задней по ходу границей 108b замкнутой зоны 108 непереплетения (нитей), показанной на фиг. 2 и 8.

Более конкретно, отрезок 116 волокнистой заготовки, на котором создана пара замкнутых зон непереплетения (нитей), находится в случае волокнистой заготовки 100 (согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фигуре 2) между передней по ходу границей 108a замкнутой зоны непереплетения (нитей) и границей непереплетения (нитей) 110a открытой зоны 110 непереплетения; и в случае волокнистой заготовки 100' (согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фигуре 8) между границей непереплетения (нитей) 110'a второй открытой зоны 110' непереплетения (нитей) и границей непереплетения (нитей) 110a открытой зоны 110 непереплетения (нитей).

Кроме того, пара замкнутых зон 114 непереплетения (нитей) между вторым 104 и третьим 106 участками волокнистой заготовки состоит из двух замкнутых зон непереплетения (нитей), которые примыкают друг к другу и заданы соответствующими ссылочными позициями 114a и 114b.

Более конкретно, одна или несколько шестых нитей c_i1 и c_i4 основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки перед парой замкнутых зон 114 непереплетения (нитей) и после них; и одна или несколько седьмых нитей c_j1 и c_j4 основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки перед парой замкнутых зон непереплетения (нитей) и после них. Траектории шестых нитей c_i1 и c_i4 основной пряжи и седьмых нитей c_j1 и c_j4 основной пряжи пересекаются в трех местах, чтобы создать две замкнутые зоны непереплетения (нитей).

Кроме того, одна или несколько восьмых нитей c_i2 и c_i3 основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки перед парой замкнутых зон 114 непереплетения (нитей) и со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки после пары замкнутых зон непереплетения (нитей).

Аналогично этому одна или несколько девятых нитей c_j2 и c_j3 основной пряжи взаимно переплетаются со слоями нитей уточной пряжи на третьем участке 106 волокнистой заготовки перед парой замкнутых зон 114 непереплетения (нитей) и со слоями нитей уточной пряжи на втором участке 104 волокнистой заготовки после пары замкнутых зон непереплетения (нитей).

Траектории восьмой нити (нитей) c_i2, c_i3 основной пряжи и девятой нити (нитей) c_j2, c_j3 основной пряжи пересекаются в промежуточной области, находящейся между парой замкнутых зон 114 непереплетения, то есть на одном уровне с областью соединения двух замкнутых зон 114a и 114b непереплетения (нитей).

Следует заметить, что в случае волокнистой заготовки, полученной в варианте осуществления изобретения, показанном на фигурах 2 и 3A–3C, вышеупомянутые шестые нити c_i1, c_i4 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₁₄ и c₁₈ основной пряжи, упомянутым в данном варианте осуществления изобретения; причем седьмые нити c_j1, c_j4 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₁₉ и c₂₂основной пряжи; восьмые нити основной пряжи c_i2, c_i3 аналогичны соответственно нитям c₁₆ и c₁₇основной пряжи; и девятые нити c_j2, c_j3 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₂₀ и c₂₁основной пряжи.

Аналогично этому в волокнистой заготовке, полученной согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 8 и 9, шестые вышеупомянутые нити c_i1, c_i4 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₁₄ и c₁₉основной пряжи, упомянутым в данном варианте осуществления изобретения; седьмые нити c_j1, c_j4 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₁₈ и c₂₂основной пряжи; восьмые нити c_i2, c_i3 основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₁₆ и c₁₇основной пряжи; и девятые нити c_j2, c_j3основной пряжи аналогичны соответственно нитям c₂₀ и c₂₁основной пряжи.

Также следует заметить, что нити утка и основной пряжи могут быть взаимозаменяемыми.

Преформу для полки с замкнутой коробчатой конструкцией, которая снабжена сотовым устройством 18b, как показано на фиг. 14, получают путем придания тканой, волокнистой заготовке формы в таком духе. В частности, замкнутые зоны 114a и 114b непереплетения (нитей), формирующие две замкнутые зоны 114 непереплетения (нитей), разворачивают таким образом, чтобы образовать две соседние ячейки. Число ячеек и их размеры могут меняться в зависимости от технических требований к механическим свойствам.

Реферат

Изобретение относится к волокнистой заготовке (100), тканной в виде единого куска путем трехмерного тканья, предназначенной для изготовления из композитного материала полки с замкнутой коробчатой конструкцией для вентилятора турбинного двигателя. В каждой плоскости волокнистой заготовки множество нитей основной пряжи взаимно переплетается со слоями нитей уточной пряжи на первом, втором и третьем участках (102, 104, 106) волокнистой заготовки; в то же время остается замкнутая зона (108) непереплетения (нитей), отделяющая первый участок от второго участка на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы между передней по ходу границей (108a) непереплетения (нитей) и задней по ходу границей (108b) непереплетения (нитей); и в то же время остается, по меньшей мере, одна открытая зона (110) непереплетения (нитей), отделяющая второй участок от третьего участка на протяжении определенного размера отрезка волокнистой заготовки в направлении основы, от границы (110a) непереплетения (нитей) до задней по ходу кромки (100c) волокнистой заготовки. Изобретение также обеспечивает способ изготовления преформы для полки из композитного материала с замкнутой коробчатой конструкцией, предназначенной для вентилятора турбинного двигателя, с применением такой волокнистой заготовки. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 23 ил.

Формула