Изобретение относится к созданию волоконной структуры, сплетенной в виде единой части путем трехмерного плетения, в частности, для изготовления детали из композитного материала. В частности, но не ограничительно, изобретение относится к созданию волоконных структур для заготовок деталей из композитного материала для летательных аппаратов или авиационных двигателей, в частности для авиационных турбинных двигателей.
Известно, что деталь из композитного материала может быть получена путем изготовления волоконной заготовки и уплотнения заготовки матрицей. В зависимости от предполагаемого назначения заготовка может быть изготовлена из стеклянных, углеродных или керамических волокон, и матрица может быть изготовлена из органического материала (полимерный материал), углерода или керамики.
Для деталей, которые имеют относительно сложную форму, известно изготовление волоконной структуры или заготовки в виде единой части путем трехмерного (или многослойного) плетения и придание формы заготовке таким образом, чтобы получить волоконную заготовку, имеющую форму, близкую к форме изготавливаемой детали. Придание формы часто включает в себя операцию сгибания, чтобы сформировать угол между двумя частями структуры трехмерного плетения.
Чтобы облегчить осуществление придания формы и избежать образования надрезов, которые ведут к обрыву нитей и тем самым ведут к уменьшению механической прочности, известно оставление одной или более несвязанных областей в волоконной структуре при ее плетении. Эти несвязанные области могут быть получены путем локального исключения любой связи между слоями соседних нитей, тем самым обеспечивается возможность сгибания наружу участков волоконной структуры, смежных с несвязанными областями.
Изготовление деталей из композитного материала, имеющих сложную форму, из плетеных структур с несвязанными областями описано, в частности, в документах WO 2010061139 и WO 2010103213.
В то же время придание формы волоконной структуре путем сгибания наружу участков, разделенных несвязанной областью, может привести к ослаблению на конце несвязанной области и к чрезмерным значениям напряжений на нитях, которым они подвергаются при осуществлении сгибания.
Целью изобретения является устранение этих недостатков.
Согласно первому аспекту изобретения эта цель достигается при помощи волоконной структуры, сплетенной в виде единой части путем трехмерного плетения, причем волоконная структура имеет противоположные поверхности и содержит:
- первый участок, имеющий множество слоев нитей основы и образующий первый участок толщины волоконной структуры между ее противоположными поверхностями;
- второй участок, имеющий множество слоев нитей основы и образующий второй участок толщины волоконной структуры, причем нити основы располагаются в столбцах, каждый из которых включает в себя нити основы первого участка и второго участка; и
- группу уточных нитей, связывающих между собой слои нитей основы первого участка и второго участка, при этом оставляя по меньшей мере одну несвязанную область, разделяющую первый и второй участки на части размера волоконной структуры в направлении утка от края волоконной структуры до конца несвязанной области,
причем в волоконной структуре в каждой плоскости:
- одна или более одних и тех же первых уточных нитей связывают между собой слои нитей основы первого участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои нитей основы второго участка волоконной структуры за несвязанной областью; и
- одна или более одних и тех же вторых уточных нитей связывают между собой слои нитей основы второго участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои нитей основы первого участка волоконной структуры за несвязанной областью;
- так что траектории первой уточной нити (нитей) и второй уточной нити (нитей) пересекаются по меньшей мере в одной переходной области, продолжающейся в волоконной структуре от конца несвязанной области; и
- переходная область продолжается в направлении утка на расстояние, которое больше шага между соседними столбцами нитей основы.
Пересечение друг с другом уточных нитей в переходной области, смежной с концом несвязанной области, обеспечивает усиление этого конца и может обеспечить уменьшение напряжения на нитях при сгибании наружу части волоконной структуры, смежной с несвязанной областью.
В одном варианте воплощения множество первых уточных нитей, а также множество вторых уточных нитей, следуют по подобным траекториям между концами переходной области множество первых уточных нитей, а также множество вторых уточных нитей, следуют по подобным траекториям между концами в направлении утка переходной области.
В другом варианте воплощения множество первых уточных нитей, а также множество вторых уточных нитей, следуют по подобным траекториям, которые смещены относительно друг друга в направлении утка в переходной зоне (зонах).
Предпочтительно наружные слои нитей основы, смежные с противоположными поверхностями волоконной структуры, переплетаются одними и теми же уточными нитями, которые продолжаются непрерывно на протяжении всего размера волоконной структуры в направлении утка, тем самым обеспечивая возможность сохранения непрерывности поверхностных нитей.
Также предпочтительно по меньшей мере в одном из первого и второго участков волоконной структуры нити основы наружных слоев нитей основы, смежные с поверхностью волоконной структуры, переплетаются одними и теми же уточными нитями с траекториями, которые пересекаются в месте, по существу соответствующем переходной зоне, тем самым обеспечивая возможность при сгибании наружу части волоконной структуры, смежной с несвязанной областью, ограничить кривизну, образующуюся в уточных нитях, смежных с поверхностью.
В одном варианте воплощения волоконная структура имеет по меньшей мере две несвязанные области, разделяющие первый и второй участки на части размера волоконной структуры в направлении утка от противоположных краев волоконной структуры до соответствующих концов несвязанных областей, тем самым обеспечивая возможность, после придания формы, получить волоконную заготовку, имеющую π-образную или I-образную форму в сечении.
Согласно другому аспекту изобретения его цель достигается описанной выше волоконной структурой, в которой термины «уточный» («уток») и «основа» заменены один на другой.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ изготовления детали из композитного материала, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы описанной выше волоконной структуре, причем придание формы включает в себя по меньшей мере сгибание наружу части первого участка или второго участка волоконной структуры, смежной с несвязанной областью, и уплотнение заготовки матрицей.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается способ изготовления детали из композитного материала, имеющей по существу π-образную форму в сечении, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы описанной выше волоконной структуре, имеющей две несвязанные области, причем придание формы включает в себя сгибание наружу частей первого участка или второго участка волоконной структуры, смежных с двумя несвязанными областями, и уплотнение заготовки матрицей.
В качестве примера эта деталь, имеющая по существу π-образную форму в сечении, может быть платформой лопатки рабочего колеса для турбинного двигателя.
Согласно другому аспекту изобретения предлагается способ изготовления детали из композитного материала, имеющей по существу I-образную форму в сечении, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы описанной выше волоконной структуре, имеющей две несвязанные области, причем придание формы включает в себя сгибание наружу частей первого участка и второго участка волоконной структуры, смежных с двумя несвязанными областями, и уплотнение заготовки матрицей.
В качестве примера эта деталь, имеющая по существу I-образную форму в сечении, может быть лопаткой соплового аппарата для турбинного двигателя.
Согласно другим аспектам изобретения предлагается полая лопатка винта для авиационного двигателя, полученная описанным выше способом.
Изобретение будет более понято после прочтения нижеследующего неограничивающего описания со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Фиг. 1 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 2 – схематический вид в разрезе заготовки, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 1.
Фиг. 3 – схематический вид в плане волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 4 – схематический вид в плане заготовки π-образной формы в сечении, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 3.
Фиг. 5 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 6 – схематический вид в разрезе заготовки, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 5.
Фиг. 7 – схематический вид в плане заготовки π-образной формы в сечении согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 8 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 9 – схематический вид в разрезе заготовки, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 8.
Фиг. 10 – схематический вид в плане заготовки π-образной формы в сечении согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 11 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 12 – схематический вид в разрезе заготовки, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 11.
Фиг. 13 – схематический вид в перспективе платформы лопатки рабочего колеса, полученной путем уплотнения заготовки, имеющей по существу π-образную форму в сечении.
Фиг. 14 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 15 – схематический вид в разрезе заготовки I-образной формы в сечении, полученной путем придания формы волоконной структуре, показанной на фиг. 14.
Фиг. 16 – схематический вид в перспективе лопатки соплового аппарата, полученной путем уплотнения заготовки, имеющей I-образную форму в сечении.
Фиг. 17 – схематический вид в разрезе волоконной структуры трехмерного плетения согласно варианту воплощения изобретения.
Фиг. 18 – схематический вид в разрезе заготовки V-образной формы в сечении, полученной путем придания формы волоконной заготовке, показанной на фиг. 17.
Фиг. 19 – схематический вид винта, полученного путем уплотнения заготовки, имеющей v-образную форму в сечении.
Во избежание перенасыщения чертежей на фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 10 и 11 траектории уточных нитей показаны в виде прямых линий, а нити основы, изображенные в разрезе, показаны в виде точек. Так как используется трехмерное плетение, понятно, что уточные нити следуют по синусоидальным траекториям, чтобы связать между собой нити основы, принадлежащие разным слоям нитей основы, и предполагается, что трехмерное плетение и, в частности, использующее интерлок-плетение, может включать в себя двухмерное плетение на поверхности. В качестве примера могут использоваться различные типы трехмерного плетения, такие как интерлок-плетение, многослойное атласное плетение, многослойное полотняное плетение, как описанные, например, в документе WO 2006136755.
На фиг. 1 показана схематично плоскость утка волоконной структуры 10 трехмерного плетения, образующей единую часть, имеющую противоположные поверхности 10а и 10b. Используемый здесь термин «плоскость утка» означает плоскость сечения, перпендикулярную направлению основы и содержащую один столбец уточных нитей. Волоконная структура 10 содержит два участка 12 и 14, соответственно образующих первый и второй участки толщины волоконной структуры 10. Каждый участок 12, 14 содержит множество расположенных один над другим слоев нитей основы, причем количество слоев нитей основы может быть любым, но не меньше двух, в зависимости от желаемой толщины. Кроме того, количество слоев нитей основы на участках 12 и 14 может быть разным. Также, возможно, количество слоев нитей основы может не быть постоянным на всем протяжении направления утка. Нити основы располагаются в столбцах, каждый из которых содержит и нити основы участка 12 и нити основы участка 14 волоконной структуры 10.
На части размера волоконной структуры 10 в направлении (t) утка два участка 12 и 14 волоконной структуры полностью отделены друг от друга посредством несвязанной области 16, которая продолжается от края 10с волоконной структуры 10 до конца 16а несвязанной области. Используемый здесь термин «несвязанная область» означает область, которую не пересекают уточные нити, связывающие между собой нити основы в слоях, принадлежащих соответственно участкам 12 и 14 волоконной структуры 10.
За исключением несвязанной области, слои нитей основы связаны между собой уточными нитями, принадлежащими к множеству слоев уточных нитей.
В иллюстрируемом примере в каждой плоскости волоконной структуры 10 первые уточные нити t11-t14 связывают между собой нити основы слоев нитей основы в части 12а участка 12, смежной с несвязанной областью 16, а также нити основы слоев нитей основы участка 14 за несвязанной областью 16. И, в свою очередь, вторые уточные нити t15-t18 связывают между собой нити основы слоев нитей основы в части 14а участка 14, смежной с несвязанной областью 16, а также нити основы слоев нитей основы участка 12 за несвязанной областью 16. Фактически, участки 12 и 14 волоконной структуры 10 за пределами несвязанной области 16 связаны друг с другом.
В качестве примера возможно использовать атласное плетение на поверхности для уточных нитей t14 и t15 в частях 12а и 14а, которые разделены несвязанной областью 16, причем плетение продолжается способом интерлок-плетения за несвязанной областью 16.
Тем самым траектории нитей t11-t14 и траектории t15-t18 пересекаются в переходной области 18, которая продолжается от конца 16а несвязанной области 16. В направлении утка переходная область 18 продолжается на расстояние, которое больше, чем один шаг (p) между соседними столбцами нитей основы, и предпочтительно не меньше 2р. В иллюстрируемом примере это расстояние равно 4р. В переходной области 18 нити t11-t14, и аналогичным образом нити t15-t18 следуют по подобным параллельным траекториям между концами переходной области 18 в направлении утка.
Волоконная структура 19 имеет по существу Т-образную форму в сечении (фиг. 2) и получена путем сгибания наружу частей 12а и 14а с каждой стороны несвязанной области 16. Так как уточные нити проходят через слои нитей основы в переходной области 18 постепенно, т.е. ступенчато по наклонной траектории между двумя столбцами нитей основы, риск их повреждения уменьшается в сравнении со случаем, когда они пересекают эту область более резко, т.е. по прямой траектории через зазор между двумя столбцами нитей основы. Кроме того, за счет наличия переходной области, продолжающейся в направлении утка на расстояние, которое является относительно длинным, обеспечивается лучшая способность к деформации.
На фиг. 3 показан вид в плане волоконной структуры 20, которая имеет основной участок с наружной поверхностью 20а и внутренней поверхностью 20b. В толщине волоконной структуры образованы два участка 22 и 24, которые отделены друг от друга на части размера волоконной структуры в направлении утка посредством несвязанных областей 26 и 26ʹ. Несвязанные области 26 и 26ʹ продолжаются от противоположных краев 20с и 20d волоконной структуры 20 до соответствующих концов 26а и 26ʹа несвязанных областей, при этом центральная часть волоконной структуры 20 не содержит несвязанные области.
Каждый участок 22 и 24 волоконной структуры имеет множество слоев нитей основы, причем количество слоев основы на участках 22 и 24 в этом примере является разным.
В каждой плоскости волоконной структуры 20 одни и те же первые уточные нити t21, t22, t23, t24 связывают между собой нити основы на участке 24 за несвязанной областью 26ʹ, а также связывают между собой нити основы в части 22а участка 22, кроме несвязанной области 26. И, в свою очередь, одни и те же вторые уточные нити t25, t26, t27, t28 связывают между собой нити основы в части 22ʹa участка 22, кроме несвязанной области 26ʹ, а также связывают между собой нити основы на участке 24 перед несвязанной областью 26.
Тем самым траектории нитей t21, t22, t23, t24 пересекают траектории нитей t25, t26, t27, t28 в переходной области 28, расположенной в центральной части волоконной структуры 20 между концами 26а и 26ʹa несвязанных областей 26 и 26ʹ. Как и варианте воплощения на фиг. 1, траектории уточных нитей t21, t22, t23, t24 и аналогичным образом траектории уточных нитей t25, t26, t27, t28 между концами переходной области 28 являются подобными, при этом переходная область 28 продолжается в направлении утка на расстояние, которое больше (p), здесь равно 4р.
Следует отметить, что, переходя от одной плоскости утка к другой, расположение переходной области может смещаться в направлении утка, чтобы исключить наличие какой-либо части, имеющей большее количество мест пересечений нитей, чем в другой части между несвязанными областями 26 и 26ʹ.
Придание формы волоконной структуре 20 для получения волоконной заготовки 29, имеющей по существу π-образную форму в сечении, включает в себя сгибание наружу частей участка 24 волоконной структуры, кроме несвязанных областей 26 и 26ʹ, как показано на фиг. 4, таким образом, чтобы образовать в сечении ножки 24а и 24ʹа для π-образной формы, которые продолжаются от внутренней стороны 20b. Следует отметить, что в части волоконной структуры 20 и волоконной заготовки 29, смежной с наружной поверхностью 20а, на поверхности выполняется атласное плетение (нить t29) таким образом, чтобы обеспечить непрерывную поверхность, без прохождения через слои нитей основы и без пересечения с какой-либо другой уточной нитью.
Также следует отметить в иллюстрируемом примере, что части участка 24 волоконной структуры 20, которые образуют ножки 24а и 24ʹа, продолжаются за края участка 22 путем добавления столбцов нитей основы таким образом, чтобы получить требуемую длину ножек 24а и 24ʹа.
На фиг. 5 схематично показана волоконная структура 40 трехмерного плетения в виде единой части согласно второму варианту воплощения. Элементы, общие для волоконной структуры 40 на фиг. 4 и волоконной структуры 10 на фиг. 1, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Волоконная структура 40 отличается от волоконной структуры 10 траекториями, по которым следуют через слои нитей основы уточные нити, которые пересекаются в переходной области 18.
А именно каждая уточная нить t11, t12, t13, t14 проходит через слои нитей основы в направлении утка на расстояние, которое равно шагу (p) между столбцами нитей основы, однако траектории уточных нитей t11-t14 смещены относительно друг друга в направлении утка, в иллюстрируемом примере это смещение равно шагу (р). Аналогичным образом для уточных нитей t15, t16, t17 и t18. Тем самым имеется переходная область 18, которая в описанном выше примере продолжается в направлении утка на расстояние, которое больше, чем шаг (p), в частности на расстояние 4р. В сравнении с вариантом воплощения на фиг. 1 к уточным нитям прилагается большее напряжение, когда они проходят через переходную область, но ее размер обеспечивает хорошую способность к деформации.
На фиг. 6 показана волоконная заготовка 49, имеющая по существу Т-образную форму в сечении, полученная после сгибания наружу частей 12а и 14а с каждой стороны несвязанной области 16 участков 12 и 14 волоконной структуры 40.
На фиг. 7 показан вид в плане волоконной структуры 50 для получения заготовки по существу π-образной формы в сечении. Элементы, общие для волоконной структуры 50 на фиг. 7 и волоконной структуры 20 на фиг. 3, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Волоконная структура 50 отличается от волоконной структуры 20 траекториями, по которым следуют уточные нити через слои нитей основы.
А именно каждая уточная нить t21, t22, t23, t24 проходит через слои нитей основы в направлении утка на расстояние, которое равно шагу (p) между столбцами нитей основы, и аналогичным образом - уточные нити t25, t26, t27 и t28. В то же время места, в которых нити t21-t24 пересекаются друг с другом, и аналогичным образом места, в которых нити t25-t28 пересекаются друг с другом при прохождении через слои нитей основы, смещены относительно друг друга в направлении утка. В примере на фиг. 7 переходная область 27 продолжается на относительно большое расстояние между концами 26а и 26ʹa несвязанных областей 26 и 26ʹ, причем она образована множеством отдельных переходных областей 281, 282, 283 и 284, и места пересечения тем самым распределены в направлении утка по части волоконной структуры, которая продолжается между несвязанными областями 26 и 26ʹ.
Волоконную заготовку, имеющую в сечении π-образную форму, получают путем сгибания наружу частей участка 24 волоконной структуры, смежных с несвязанными областями 26 и 26ʹ, как показано на фиг. 4.
На фиг. 8 показан схематический вид волоконной структуры 60 трехмерного плетения, выполненной в виде единой части, согласно третьему варианту воплощения изобретения. Элементы, общие для волоконной структуры 60 на фиг. 8 и волоконных структур 10 и 40 на фиг. 1 и фиг. 5, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Волоконная структура 60 отличается от волоконной структуры 10 тем, что в каждой плоскости только некоторые из уточных нитей проходят через слои нитей основы и пересекаются с другими уточными нитями, а именно те уточные нити, которые связывают между собой нити основы слоев нитей основы в частях волоконной структуры 60, смежных с несвязанной областью 16, при этом уточные нити, расположенные в частях волоконной структуры, смежных с поверхностями 10а и 10b, продолжаются непрерывно вдоль этих поверхностей без прохождения через слои нитей основы или пересечения с другими уточными нитями. Тем самым возможно обеспечить усиление волоконной структуры на конце несвязанной области, при этом сохраняя непрерывность поверхности, способствующую обеспечению хорошего состояния поверхности конечной детали из композитного материала.
В иллюстрируемом примере уточные нити t11, t12, t17, t18 продолжаются непрерывно между краями 10с и 10d волоконной структуры 60 без пересечения с другими уточными нитями. В отличие от этого уточные нити t13 и t14 в части 12а участка 12 волоконной структуры 60, смежной с несвязанной областью 16, проходят через слои нитей основы сразу за концом 16а несвязанной области таким образом, чтобы войти в участок 14 волоконной структуры 60. И, в свою очередь, уточные нити t15 и t16 в части 14а участка 14 волоконной структуры 60, смежной с несвязанной областью 16, проходят через слои нитей основы сразу за концом 16а несвязанной области таким образом, чтобы войти в участок 12 волоконной структуры 60. Траектории прохождения через слои нитей основы и места пересечений с другими уточными нитями располагаются в переходной области 18, имеющей размер в направлении утка, который больше шага (p) между столбцами нитей основы, в иллюстрируемом примере этот размер равен 2р. Конфигурация, при которой уточные нити вблизи поверхностей 10а и 10b продолжаются непрерывно, и уточные нити внутри волоконной структуры 60 проходят через слои нитей основы и пересекаются с другими уточными нитями, имеется в каждой плоскости волоконной структуры.
На практике количество уточных нитей, расположенных в частях 12а и 14а, смежных с несвязанной областью, которые проходят через слои нитей основы и пересекаются с другими уточными нитями, может быть больше двух и не должно быть меньше одной. Аналогичным образом, количество уточных нитей, смежных с поверхностями 10а и 10b, которые продолжаются непрерывно без пересечения с другими уточными нитями между краями 10с и 10b, может быть отличным от двух, но должно быть не меньше одной.
На фиг. 9 показана волоконная заготовка 69, имеющая по существу Т-образную форму в сечении, полученная после сгибания наружу частей 12а и 14а с каждой стороны несвязанной области 16 участков 12 и 14 волоконной структуры 60. Уточные нити t11, t12, t17, t18, которые не проходят через слои нитей основы и не пересекаются с другими уточными нитями, следуют по плавным траекториям через изогнутые области.
На фиг. 10 показан вид в плане волоконной структуры 70, которая может использоваться для получения волоконной заготовки, имеющей по существу π-образную форму в сечении. Элементы, общие для волоконной структуры 70 на фиг. 10 и волоконных структур 20 и 50 на фиг. 3 и фиг. 7, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Волоконная структура 70 отличается от волоконных структур 20 и 50, в частности тем, что она содержит уточные нити tʹ29, которые продолжаются непрерывно вдоль внутренней поверхности 20b и вдоль поверхностей частей участка 24, кроме несвязанных областей 26 и 26ʹ, тем самым обеспечивая непрерывность поверхности заготовки на внутренней стороне.
Дополнительно, места пересечения между уточными нитями находятся в двух переходных областях 28ʹ и 28ʹʹ, которые располагаются в непосредственной близости от концов 26а и 26ʹa несвязанных областей 26 и 26ʹ. Каждая переходная область продолжается в направлении утка на расстояние, которое больше, чем шаг (p) между столбцами нитей основы, в частности, на расстояние, равное 2р.
На фиг. 11 показан схематический вид волоконной структуры 80 трехмерного плетения в виде единой части согласно четвертому варианту воплощения изобретения. Элементы, общие для волоконной структуры 80 на фиг. 11 и волоконных структур 10, 40 и 60 на фиг. 1, 5, 8, обозначены одинаковыми ссылочными позициями и не описываются повторно.
Волоконная структура 80 отличается от волоконной структуры 60 тем, что в каждой плоскости уточные нити, которые переплетают нити основы слоев нитей основы, самых ближних к поверхностям 10а и 10b, в частности, уточные нити t11 и t12, а также уточные нити t17 и t18 пересекаются друг с другом на их пути между противоположными краями 10с и 10d без пересечения с какими-либо другими уточными нитями. Эти места пересечений располагаются по существу на конце несвязанной области 16, т.е. в областях 12ʹа и 14ʹa соединения между частями 12а и 14а и остальной частью волоконной структуры 80 после придания ей формы, как показано на фиг. 12.
За счет этой конфигурации пересечения в областях 12ʹа и 14ʹa соединения нити t11, t12, t17, t18 имеют меньшую величину кривизны, т.е. следуют кривизне большего радиуса, в сравнении с вариантом воплощения на фиг. 8 и фиг. 9. Нити t11, t12, t17, t18 тем самым подвергаются меньшему напряжению во время придания формы, в частности, когда угол, на который сгибается часть 12а или 14а, является относительно большим.
В описанных вариантах воплощения волоконная структура формируется путем трехмерного плетения нитей, характер которых выбирается в зависимости от предполагаемого назначения, например стеклянные, углеродные или керамические нити.
После придания формы волоконной заготовке она уплотняется путем формирования матрицы, характер которой также зависит от предполагаемого назначения, например органическая матрица, которая может быть получена, в частности, из смолы, являющейся прекурсором для полимерной матрицы, такой как эпоксидная, бисмалеимидная или полиимидная смола, или углеродная матрица, или керамическая матрица. При использовании углеродной матрицы или керамической матрицы уплотнение может быть выполнено путем химической инфильтрации из паровой фазы или путем пропитки жидкой смесью, содержащей смолу, прекурсор углерода или керамики, с последующей тепловой обработкой для пиролиза или керамизации прекурсора, причем эти способы хорошо известны.
На фиг. 13 показан схематический вид платформы 30 лопатки рабочего колеса для авиационного турбинного двигателя, причем платформа изготовлена из композитного материала типа, который может быть получен путем уплотнения волоконной заготовки, имеющей по существу π-образную форму в сечении, как показано на фиг. 4, или как полученная из волоконных структур на фиг. 7 и фиг. 10. Волокна являются предпочтительно углеродными волокнами, и матрица предпочтительно является полимерной матрицей.
Платформа 30 содержит основание 32, имеющее верхнюю поверхность 32а и нижнюю поверхность 32b, и две ножки 34 и 36, которые, в частности, образуют стенки жесткости и которые продолжаются от нижней поверхности 32b платформы 30, которая тем самым имеет π-образную форму в сечении, как показано штриховыми линиями.
Платформа 30 выполнена с возможностью установки в зазоре между двумя лопатками рабочего колеса, вблизи их хвостовиков, таким образом, чтобы образовать внутреннюю часть кольцевого впускного канала для воздуха через рабочее колесо, при этом наружная часть канала образована корпусом рабочего колеса. После уплотнения волоконной заготовки платформа 30 подвергается механической обработке для получения ее конечных размеров.
Волоконная заготовка, полученная из волоконных структур, имеющих одну или более несвязанных областей и выполненных в соответствии с изобретением, может использоваться для изготовления других деталей из композитного материала для авиационных двигателей.
Например, на фиг. 14 показан схематический вид плоскости утка волоконной структуры 90 трехмерного плетения, которая отличается от волоконной структуры 10 на фиг. 1, в частности тем, что участки 12 и 14 отделены друг от друга вдоль двух несвязанных областей 16 и 16ʹ, которые продолжаются от противоположных краев 10с и 10d волоконной структуры 90 до соответствующих концов 16а и 16ʹа несвязанных областей.
Траектории уточных нитей пересекаются в переходных областях 18 и 18ʹ, которые продолжаются от концов 16а и 16ʹа несвязанных областей 16 и 16ʹ. Переходные области 18 и 18ʹ могут быть подобны переходной области 18 волоконной структуры 10 на фиг. 1. В качестве варианта возможно использовать переходные области, которые аналогичны переходным областям волоконных структур 40 и 60 на фиг. 5 и фиг. 8.
Волоконную заготовку 99, имеющую по существу I-образную форму в сечении (или H-образную форму), получают (фиг. 15) путем сгибания наружу частей 12а и 14а участков 12 и 14, кроме несвязанной области 16, и частей 12ʹа и 14ʹa участков 12 и 14, кроме несвязанной области 16ʹ.
На фиг. 16 показан схематический вид лопатки 100 соплового аппарата из композитного материала для авиационного турбинного двигателя, которая может быть получена путем уплотнения волоконной заготовки, имеющей по существу I-образную форму или Н-образную форму в сечении. Волокна предпочтительно являются углеродными волокнами, а матрица предпочтительно является полимерной матрицей.
Лопатка 100 соплового аппарата содержит аэродинамический профиль 102, прикрепленный на его концах к наружной платформе 104 и внутренней платформе 106, причем лопатка 100 предназначена для установки в канале для вторичного воздуха двухконтурного авиационного турбинного двигателя, ниже по потоку относительно рабочего колеса. Лопатка 100 соплового аппарата имеет по существу I-образную (или Н-образную) форму в сечении, как показано штриховыми линиями на фиг. 16.
Для изготовления этой лопатки 100 соплового аппарата возможно использовать волоконную заготовку, подобную показанной на фиг. 15, с вырезами, образованными таким образом, чтобы воспроизвести размеры аэродинамического профиля и платформ.
На фиг. 17 показан очень схематический вид плоскости утка волоконной структуры 110 трехмерного плетения, которая отличается от волоконной структуры 10 на фиг. 1 тем, что участки 12 и 14 отделены друг от друга посредством несвязанной области 16, которая продолжается на протяжении большей части размера волоконной структуры 110 в направлении утка, начинается от края 10c и продолжается до конца 16a несвязанной области.
Траектории уточных нитей пересекаются в переходной области 18, которая продолжается от конца 16а несвязанной области 16. Переходная область 18 волоконной структуры 110 может быть подобна переходной области волоконной структуры 10 на фиг. 1. В качестве варианта возможно использовать переходную область, подобную переходным областям волоконной структуры 40 на фиг. 5 или волоконной структуры 60 на фиг. 8.
Волоконная заготовка 119, имеющая по существу V-образную форму в сечении, получена (фиг. 18) путем смещения друг от друга частей 12а и 14а участков 12 и 14, смежных с несвязанной областью 16.
На фиг. 19 показан схематический вид полой лопатки 120 винта авиационного двигателя типа, которая может быть получена путем уплотнения волоконной заготовки, имеющей по существу V-образную форму в сечении. Волокна предпочтительно являются углеродными волокнами, а матрица предпочтительно является полимерной матрицей.
Лопатка 120 винта имеет сплошную часть вдоль ее передней кромки 122 и на ее концевой кромке 124, причем сплошная часть продолжается полой частью, обеспечивающей профиль по существу V-образной формы в сечении, как показано на фиг. 19.
Лопатка 120 винта может быть изготовлена путем уплотнения заготовки, полученной из волоконной структуры с несвязанными областями, подобной показанной на фиг. 17. Во время плетения волоконной структуры места расположения переходных областей в следующих друг за другом плоскостях выбираются таким образом, чтобы соответствовать профилю лопатки винта.
В описанных выше вариантах воплощения уточные нити, расположенные с одной стороны несвязанной области, и уточные нити, расположенные с другой стороны несвязанной области, пересекаются в части волоконной структуры за концом несвязанной области путем прохождения через слои нитей основы, причем места пересечений распределены в направлении утка в переходной области, продолжающейся на расстояние, которое больше шага между столбцами нитей основы, типично на расстояние, равное нескольким шагам, причем переходная область, перекрывающая все упомянутые места пересечений, может быть образована множеством отдельных переходных областей. Уточные нити, которые пересекаются в переходной области, предпочтительно принадлежат частям волоконной структуры, смежным с несвязанной областью, а уточные нити, расположенные в части волоконной структуры, смежной с наружной поверхностью, не проходят через слои нитей основы и не пересекаются с другими уточными нитями.
И, наконец, следует отметить, что в описанных вариантах воплощения термины «уточный» («уток») и «основа» могут быть заменены один на другой.
Волоконная структура, сплетенная в виде единой части путем трехмерного плетения, в которой первые уточные нити связывают между собой слои нитей основы на первом участке (12) волоконной структуры (10), смежные с несвязанной областью (16), а также слои нитей основы второго участка (14) волоконной структуры за несвязанной областью, и вторые уточные нити связывают между собой слои нитей основы на втором участке (14) волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, а также слои нитей основы первого участка (12) волоконной структуры - вне несвязанной области, так что траектории первых и вторых уточных нитей пересекаются по меньшей мере в одной переходной области (18), продолжающейся внутри волоконной структуры от конца несвязанной области, причем переходная область продолжается в направлении утка на расстояние, которое больше шага (p) между соседними столбцами нитей основы. 8 н. и 10 з.п. ф-лы, 19 ил.
1. Волоконная структура, сплетенная в виде единой части путем трехмерного плетения, имеющая противоположные поверхности и содержащая:
- первый участок, имеющий множество слоев нитей основы и образующий первый участок толщины волоконной структуры между ее противоположными поверхностями;
- второй участок, имеющий множество слоев нитей основы и образующий второй участок толщины волоконной структуры, причем нити основы располагаются в столбцах, каждый из которых включает в себя нити основы первого участка и второго участка; и
- в каждой плоскости волоконной структуры группу уточных нитей, связывающих между собой слои нитей основы первого участка и второго участка, при этом оставляя по меньшей мере одну несвязанную область, разделяющую первый и второй участки на части размера волоконной структуры в направлении утка от края волоконной структуры до конца несвязанной области,
при этом
- одна или более одних и тех же первых уточных нитей связывают между собой слои нитей основы первого участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои нитей основы второго участка волоконной структуры - вне несвязанной области; и
- одна или более одних и тех же вторых уточных нитей связывают между собой слои нитей основы второго участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои нитей основы первого участка волоконной структуры - вне несвязанной области; причем
- траектории первой уточной нити (нитей) и второй уточной нити (нитей) пересекаются по меньшей мере в одной переходной области, проходящей в волоконной структуре от конца несвязанной области; и
- переходная область проходит в направлении утка на расстояние, которое больше шага между соседними столбцами нитей основы.
2. Волоконная структура по п. 1, в которой множество первых уточных нитей, а также множество вторых уточных нитей следуют по подобным траекториям между концами переходной области (18; 28) в направлении утка.
3. Волоконная структура по п. 1, в которой множество первых уточных нитей, а также множество вторых уточных нитей следуют по подобным траекториям, которые смещены относительно друг друга в направлении утка в переходной зоне (зонах) (18; 28).
4. Волоконная структура по любому из пп. 1-3, в которой наружные слои нитей основы, смежные с противоположными поверхностями волоконной структуры, переплетаются одними и теми же уточными нитями, которые проходят непрерывно на протяжении всего размера волоконной структуры в направлении утка.
5. Волоконная структура по любому из пп. 1-3, в которой по меньшей мере в одном из первого и второго участков волоконной структуры нити основы наружных слоев нитей основы, смежные с поверхностью волоконной структуры, переплетаются одними и теми же уточными нитями, имеющими траектории, которые пересекаются в месте, по существу соответствующем переходной зоне.
6. Волоконная структура по п. 1, содержащая по меньшей мере две несвязанные области (16, 16’; 26, 26΄), разделяющие первый и второй участки на части размера волоконной структуры (20; 50; 70; 90) в направлении утка от противоположных краев волоконной структуры до соответствующих концов несвязанных областей.
7. Волоконная структура, сплетенная в виде единой части путем трехмерного плетения, имеющая противоположные поверхности и содержащая:
- первый участок, имеющий множество слоев уточных нитей и образующий первый участок толщины волоконной структуры между ее противоположными поверхностями;
- второй участок, имеющий множество слоев уточных нитей и образующий второй участок толщины волоконной структуры, причем уточные нити располагаются в столбцах, каждый из которых включает в себя уточные нити первого участка и второго участка; и
- группу нитей основы, связывающих между собой слои уточных нитей первого участка и второго участка, при этом оставляя по меньшей мере одну несвязанную область, разделяющую первый и второй участки на части размера волоконной структуры в направлении основы от края волоконной структуры до конца несвязанной области,
причем
- одна или более одних и тех же первых нитей основы связывают между собой слои уточных нитей первого участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои уточных нитей второго участка волоконной структуры - вне несвязанной области; и
- одна или более одних и тех же вторых нитей основы связывают между собой слои уточных нитей второго участка волоконной структуры, смежные с несвязанной областью, и слои уточных нитей первого участка волоконной структуры - вне несвязанной области; при этом
- траектории первой нити (нитей) основы и второй нити (нитей) основы пересекаются по меньшей мере в одной переходной области, проходящей в волоконной структуре от конца несвязанной области; и
- переходная область проходит в направлении основы на расстояние, которое больше шага между соседними столбцами уточных нитей.
8. Волоконная структура по п. 7, в которой множество первых нитей основы, а также множество вторых нитей основы следуют по подобным траекториям между концами переходной области в направлении основы.
9. Волоконная структура по п. 7, в которой множество первых нитей основы, а также множество вторых уточных нитей следуют по подобным траекториям, которые смещены относительно друг друга в направлении основы в переходной зоне (зонах).
10. Волоконная структура по любому из пп. 7-9, в которой наружные слои уточных нитей, смежные с противоположными поверхностями волоконной структуры, переплетаются одними и теми же нитями основы, которые проходят непрерывно на протяжении всего размера волоконной структуры в направлении основы.
11. Волоконная структура по любому из пп. 7-9, в которой по меньшей мере в одном из первого и второго участков волоконной структуры уточные нити наружных слоев нитей основы, смежные с поверхностью волоконной структуры, переплетаются одними и теми же нитями основы, имеющими траектории, которые пересекаются в месте, по существу соответствующем переходной зоне.
12. Волоконная структура по п. 7, содержащая по меньшей мере две несвязанные области, разделяющие первый и второй участки на части размера волоконной структуры в направлении основы от противоположных краев волоконной структуры до соответствующих концов несвязанных областей.
13. Способ изготовления детали из композитного материала, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы волоконной структуре по любому из пп. 1-12, причем придание формы включает в себя по меньшей мере сгибание наружу части первого участка или второго участка волоконной структуры, смежной с несвязанной областью, и уплотнение заготовки матрицей.
14. Способ изготовления детали из композитного материала, имеющей по существу π-образную форму в сечении, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы волоконной структуре по п. 6 или 12, причем придание формы включает в себя сгибание наружу частей первого участка или второго участка волоконной структуры, смежных с двумя несвязанными областями, и уплотнение заготовки матрицей.
15. Платформа лопатки рабочего колеса турбинного двигателя из композитного материала, изготовленная с помощью способа по п. 14.
16. Способ изготовления детали из композитного материала, имеющей по существу I-образную форму в сечении, включающий в себя изготовление волоконной заготовки путем придания формы волоконной структуре по п. 6 или 12, причем придание формы включает в себя сгибание наружу частей первого участка и второго участка волоконной структуры, смежных с двумя несвязанными областями, и уплотнение заготовки матрицей.
17. Лопатка соплового аппарата турбинного двигателя из композитного материала, изготовленная с помощью способа по п. 16.
18. Полая лопатка винта для авиационного двигателя из композитного материала, изготовленная с помощью способа по п. 13.
| EP 0309658 B1, 05.06.1991 | |||
| Способ и приспособление для нагревания хлебопекарных камер | 1923 |
|
SU2003A1 |
| ПЛОСКАЯ ТКАНЬ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ, ИМЕЮЩЕЙ ТРЕХМЕРНУЮ КОНФИГУРАЦИЮ | 2002 |
|
RU2225902C1 |
| Приспособление для суммирования отрезков прямых линий | 1923 |
|
SU2010A1 |
