[发明专利]制作包括法兰的复合结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合结构，例如燃气涡轮发动机的容器壳体，但是本发明广泛地适用于航天工业中的复合结构，例如翼梁或者需要包括整体法兰（即凸缘，下同），例如直法兰或者曲形法兰（例如环形法兰）的任何构件。

背景技术

复合材料的特性意味着复合构件被越来越广泛的应用于从航天到汽车部件的领域。

在航天工业，例如，复合材料由于其强度重量比已使用多年。术语“复合材料”（也被称为“复合物”）被用于描述包括例如玻璃纤维或者碳纤维以及环氧树脂（或类似的）的材料。这些材料还被称为玻璃增强塑料（玻璃钢）或者碳纤维增强复合物。碳纤维增强复合材料提供了改良的特性，例如较低重量、改良的抗疲劳/耐损、耐蚀性以及可忽略的热膨胀。

这些材料的使用卓越地提高了整个航天工业，这是因为通过减少制成飞机的构件的整体重量总和，在飞机的整个使用寿命能够实现燃料的节省。空气动力学的以及结构的构件是由复合材料，尤其是碳纤维材料形成。

可使用预浸渍树脂的布、带或类似材料等铺设复合构件，从而形成堆叠，其对应于待形成的零件的所需形状。然后在环境温度和压力下，或者在高压釜中在升高的温度和压力下固化所述堆叠，形成变硬的构件。

燃气涡轮发动机，例如涡轮风扇可具有这样的容器壳体，即防止发动机的断裂叶片排出发动机并损坏飞机的其它部分。例如，可以在涡轮发动机的前部，围绕风扇提供容器壳体。容器壳体可以由复合材料制成，例如碳纤维增强复合材料和/或凯夫拉增强复合材料。容器壳体为大致呈圆柱形筒或者外壳的形状。容器壳体需要附连于发动机的相邻结构构件，因此，对于容器壳体希望在筒或者外壳一端或者两端处包括法兰。

图1是典型的已知涡轮发动机1的侧视图，该涡轮发动机具有限定风道12的风扇壳体11，其中风道12含有风扇叶片13的旋转盘。风扇叶片13围绕发动机1的中心纵轴14旋转。

风扇壳体11是环形的，与纵轴14同轴。图1示出部分切除的风扇壳体11，以图示说明风扇壳体11包括环形容器壳体2的事实，其中容器壳体2围绕风扇叶片13的圆盘外围放置，以便包含有任何受损的风扇叶片13。容器壳体2包括大致呈圆柱形的筒或者外壳3，其中在圆柱形筒或外壳3的前端是向外延伸的环形法兰41，在其后端的是向外延伸的环形法兰42。

容器壳体2与发动机1的纵轴同轴，并且通过紧固至风扇壳体11的其他构件，例如环形前部前缘51和环形后缘52，保持在位。法兰41和42可具有紧固件的孔眼，用于将容器壳体2附着至前缘和后缘51、52的结构。

图2通常是类似于图1所示的容器壳体2的立体图，除了在图2中，大致呈圆柱形的外壳3沿纵轴14的方向微呈锥形。可以优化外壳3的实际内部断面或者轮廓，以适应特定发动机1的要求。

方便的做法是，使用机器，例如自动铺带（ATL）机，将容器壳体的外壳的复合材料铺层铺叠在模具或者心轴上。实践证明，在固化外壳和法兰之前，难以使用机械铺叠法兰的复合材料铺层和将法兰的复合材料并入外壳的复合材料。实践证明，需要将法兰铺层一层一层地人工铺叠在模具的向外凸出的环形壁上，其中环形壁从呈圆柱形的主模具表面向外延伸，在模具表面上机械铺叠外壳铺层。法兰铺层是手铺的，须与机械铺叠的外壳铺层互相结合。这样易于产生质量不一致的法兰，为了弥补这一点，法兰因为使用了过多的复合材料比其所需的重量要重。

在GKN航空公司，最近对复合材料铺叠过程中的配置进行实验，该配置除了有助于机械铺叠复合结构的曲形主表面之外，还有助于机械铺叠法兰。通过这种方式，可以使所有的复合材料铺叠自动化，而不再需要使用人工或手动铺叠。法兰铺叠自动化导致法兰和复合结构质量的提高。

图3至图6示出我们用于形成（弯曲）第二部件43以形成法兰4（例如，对应于前法兰41的部件）的实验工具。实验工具包含圆柱形的模具或者心轴6的第一部件61和可移动块体62的圆周线。容器壳体2的实验部件21作为预成型件铺叠在第一模具部件61的模具表面611上，以及可移动块体62的模具表面621上。预成型件包括第二部件43和第一或者主要部件31。第二部件43铺叠在模具表面621上，第一部件31铺叠在模具表面611上。

组成实验部件21的复合材料的预浸渍单向带倾斜铺叠（例如，相对于周向正60°和负60°处）在第一部件31和第二部件43中。在实验部件21的情况下，周向对应于部件31、43间的界线211。圆周带（0°带）铺叠在第一部件31中，而不是第二部件43中。垂直带（即垂直角度带）（90°带）铺叠在第二部件43中，并且短距离延伸至第一部件31。