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用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的机器，和这种机器用于生产由复合材料所制成的燃气涡轮机壳体的应用

阅读：33发布：2021-02-25

IPRDB可以提供用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的机器，和这种机器用于生产由复合材料所制成的燃气涡轮机壳体的应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于缠绕纤维织物到浸渍心轴上的机器（10），包括：将要在其上存储纤维织物（18）的卷紧心轴（14），卷紧心轴具有旋转轴线（20），卷紧心轴上所存储的纤维织物将以叠置层缠绕的浸渍心轴（16），浸渍心轴具有旋转轴线，该旋转轴线基本上平行于卷紧心轴的旋转轴线，至少一个电动机（22、34），用于使心轴绕着它们各自旋转轴线旋转，和用于使心轴旋转的电动机的控制单元（36）。，下面是用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的机器，和这种机器用于生产由复合材料所制成的燃气涡轮机壳体的应用专利的具体信息内容。

1.一种用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的缠绕机器（10；100；200；300），该机器包括：卷紧心轴（14），用于存储纤维织物（18），该卷紧心轴具有旋转轴线（20）；

浸渍心轴（16），用于具有在其上缠绕的存储在卷紧心轴上纤维织物的叠置层，浸渍心轴具有旋转轴线（32），该旋转轴线基本上平行于卷紧心轴的旋转轴线；

至少一个电动机（22、34），用于驱动心轴绕着它们各自旋转轴线旋转；和控制单元（36），用于控制驱动心轴旋转的电动机。

2.根据权利要求1的机器，其中用于控制电动机的控制单元包括用于控制卷紧心轴的电动机的感应电流的装置，以将纤维织物缠绕到浸渍心轴上，同时在其上施加可控的拉力。

3.根据权利要求1或权利要求2的机器，进一步包括光学瞄准装置（40），用于在所述缠绕操作期间，在缠绕纤维织物到浸渍心轴上之前，将卷紧心轴对准浸渍心轴，以及用于校正卷紧心轴对准浸渍心轴上的任何缺陷。

4.根据权利要求3的机器，其中光线瞄准装置包括在心轴上方，垂直地安装在横梁（38）上的光学瞄准系统，定位在浸渍心轴上的可视标志，和用于平移移动卷紧心轴的系统（24、26）。

5.根据权利要求1至4中任一权利要求的机器（100），进一步包括：用于存储加强纤维织物（104）的另外的心轴（102），该另外的心轴具有旋转轴线，该旋转轴线基本上水平和平行于心轴的各个旋转轴线；和用于驱动另外的心轴绕着其旋转轴线旋转的电动机（106）。

6.根据权利要求1至5中任一权利要求的机器（200），进一步包括：加热器装置（202、

204），用于在织物对接在浸渍心轴上之前，加热纤维织物。

7.根据权利要求6的机器，其中纤维织物加热器装置包括定位在卷紧心轴和浸渍心轴之间的纤维织物的通路上以及面对织物的每个面的辐射加热器单元或热鼓风机单元。

8.根据权利要求1至7中任一权利要求的机器（300），进一步包括：水喷射装置（304），用于在织物对接在浸渍心轴上之前，将水喷射到纤维织物上。

9.根据权利要求8的机器，其中用于在纤维织物上喷射水的水喷射装置包括条带（302），其带有垂直地定位在卷紧心轴之上的多个水喷射喷嘴（304）。

10.根据权利要求1至9中任一权利要求的缠绕机器用于制造由复合材料所制作的燃气涡轮机壳体的应用。

说明书全文

用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的机器，和这种机器用于

生产由复合材料所制成的燃气涡轮机壳体的应用

[0001] 发明背景
[0002] 本发明涉及制造由复合材料所制成的燃气涡轮机壳体的通常领域，并且它更特别地涉及用于航空发动机的燃气涡轮机风扇保持壳体。
[0003] 在燃气涡轮机的航空发动机中，风扇壳体执行几种功能：它限定发动机中进气口通道，它支撑面对风扇叶片顶端的耐磨材料，它支撑用于在发动机进口处吸收声学处理的声波的可选结构，并且它包括或支撑保持防护罩。该防护罩构成吸尘罩，后者用于保持由于离心向外抛的碎屑，诸如吸入的物品或损坏叶片的片段，以防止它们穿过壳体和到达航空器的其它部分。
[0004] 风扇保持壳体通常由限定进气口通道和支撑覆盖在通路上耐磨材料的相对薄的壁以及声学处理涂层，和如果有，也由防护罩结构构成，该通路跟随着风扇叶片顶端，该防护罩结构固定到该壁的外部，与风扇相齐。
[0005] 已经提出建议制造由复合材料所制作的风扇保持壳体。举例说明，可以参考文献EP1961923，其描述了制造变化厚度的复合材料壳体，并且包括形成纤维织物叠置层形式的纤维加强件和致密具有基体的纤维加强件。更精确地，该文献提供了使用用于纤维织物的三维编织的卷紧心轴，然后该织物缠绕成在浸渍心轴上叠置层，该浸渍心轴具有对应于待要制造的壳体的轮廓的轮廓。通过这种方式所获得的纤维预制件固定在浸渍心轴上，并且在树脂聚合之前，它浸渍有树脂。
[0006] 实际上，进行这种方法提出了从卷紧心轴转移纤维织物到浸渍心轴的问题。特别地，在缠绕前，必须确保纤维织物精确地放置在浸渍心轴上。此外，在缠绕操作期间，施加于纤维织物的拉力必须在恒定控制之下。该拉力决定了在浸渍心轴上纤维织物的叠置层的压缩程度，由此决定了所得到的纤维预制件中纤维密度。
[0007] 因此，需要有一种缠绕机器，其可以在纤维织物从卷紧心轴到浸渍心轴的转移期间，确保纤维织物正确地放置在浸渍心轴上，以及确保施加了适合的缠绕拉力。
[0008] 发明的目的和概述
[0009] 因此，本发明的主要目的是通过提出用于在浸渍心轴上缠绕纤维织物的缠绕机器来缓和这种需要，该机器包括：
[0010] 卷紧心轴，用于存储纤维织物，该卷紧心轴具有旋转轴线；
[0011] 浸渍心轴，用于具有在其上缠绕的存储在卷紧心轴上纤维织物的叠置层，浸渍心轴具有旋转轴线，该旋转轴线基本上平行于卷紧心轴的旋转轴线；
[0012] 至少一个电动机，用于驱动心轴绕着它们各自旋转轴线旋转；和[0013] 控制单元，用于控制驱动心轴旋转的电动机。
[0014] 缠绕机器也是值得注意的，因为它具有用于驱动心轴旋转的电动机的控制单元。通过以这种方式控制电动机，当纤维织物缠绕到浸渍心轴上时，可以控制施加给纤维织物的缠绕拉力。通过控制该缠绕拉力，并且根据纤维织物的性质，由此可以确定和控制所得到的预制件中纤维的密度。
[0015] 这提供了缠绕机器，其很好地适合制造用于航空发动机的由复合材料所制作的风扇保持壳体。特别地，机器的操作可以完全地自动化，因此有助于减少这种壳体的制造循环时间。
[0016] 优选地，用于控制缠绕机器的电动机的控制单元包括用于控制卷紧心轴的电动机的感应电流的装置，以将纤维织物缠绕到浸渍心轴上，同时在其上施加可控的拉力。
[0017] 并且优选地，缠绕机器进一步包括光学瞄准装置，用于在所述缠绕操作期间，在缠绕纤维织物到浸渍心轴上之前，将卷紧心轴对准浸渍心轴，以及用于校正卷紧心轴对准浸渍心轴上的任何缺陷。
[0018] 缠绕机器的这些光线瞄准装置可以包括在心轴上方，垂直地安装在横梁上的光学瞄准系统，定位在浸渍心轴上的可视标志，和用于平移移动卷紧心轴的系统。
[0019] 该缠绕机器可以进一步包括用于存储加强纤维织物的另外的心轴，该另外的心轴具有旋转轴线，该旋转轴线基本上水平和平行于心轴的各个旋转轴线，以及也包括用于驱动另外的心轴绕着其旋转轴线旋转的电动机。
[0020] 缠绕机器可以进一步包括加热器装置，用于在织物对接在浸渍心轴上之前，加热纤维织物。在纤维织物对接在浸渍心轴上之前加热纤维织物使它更容易被成形和压缩在心轴上。有利地，纤维织物加热器装置包括定位在卷紧心轴和浸渍心轴之间的纤维织物的通路上以及面对织物的每个面的辐射加热器单元或热鼓风机单元。
[0021] 同样地，缠绕机器可以包括水喷射装置，用于在织物对接在浸渍心轴上之前，将水喷射到纤维织物上。在织物对接在浸渍心轴上之前，在纤维织物上喷射水也使得在缠绕期间，在心轴上更容易成形它和相当大地增加其压缩。有利地，用于在纤维织物上喷射水的水喷射装置包括条带，后者带有垂直地定位在卷紧心轴之上的多个水喷射喷嘴。
[0022] 本发明也提供了如上所定义的缠绕机器用于制造由复合材料所制作的燃气涡轮机壳体的应用。
[0023] 附图的简要描述
[0024] 从显示没有限制特征的实施方式的参考附图所进行的下面描述显现了本发明的其它特征和优点。在这些图中：
[0025] 图1是本发明缠绕机器的立体图。
[0026] 图2和图3是图1缠绕机器分别地从侧面和前面看的视图。
[0027] 图4A和4B是表示存储在缠绕机器的卷紧心轴上的纤维织物在被缠绕之前如何放置在浸渍心轴上的示意图。
[0028] 图5是操作中的图1至图3的缠绕机器的立体图。
[0029] 图6是本发明变化实施方式中缠绕机器的示意侧视图。
[0030] 图7是本发明另一个变化实施方式中缠绕机器的示意侧视图。
[0031] 图8A和8B还是本发明另一个变化实施方式中缠绕机器的示意性视图。
[0032] 实施方式的详细描述
[0033] 下面，在本发明应用于制造用于燃气涡轮机的航空发动机的风扇壳体的上下文中描述本发明。
[0034] 在文献EP1961923中描述了制造这种风扇壳体的方法的实施例，可以参考该文献。
[0035] 由复合材料所制造的壳体包括用基体致密的纤维加强件。加强件由纤维，例如，碳、玻璃、芳族聚酰胺或陶瓷纤维所制造，并且基体由聚合物，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺所制造。
[0036] 简而言之，该文献中所描述的制造方法包括：使用在滚筒上的缠绕卷紧心轴（以下称为“卷紧心轴”），通过三维编织制造纤维织物，该心轴具有根据待要制造的壳体轮廓所确定的轮廓。
[0037] 然后，将通过这种方法所制造的纤维结构转移到树脂注射塑模的心轴（以下称为“浸渍心轴”）上，心轴的外部轮廓对应于待要制造壳体的内部轮廓。使用保持在浸渍心轴上的预制件，然后，使用树脂进行浸渍。为此目的，盖罩应用于预制件上，并且将树脂注射到以这种方式所构造的塑模中。通过在预制件位于其中的塑模的内部和外部之间建立压力差，可以辅助浸渍。浸渍后，进行聚合树脂的步骤。
[0038] 图1至图3中所示和构成本发明主题的缠绕机器用于在制造壳体的方法期间进行卷紧心轴上所存储的纤维织物向树脂注射塑模的浸渍心轴的自动转移。
[0039] 应该观察到这种缠绕机器不只应用于如下所述通过三维编织所专门地获得的纤维织物。
[0040] 本发明的缠绕机器10包括特别地支撑卷紧心轴14和浸渍心轴16的支撑结构12。这些心轴是可拆除的，即，它们可以从支撑结构移除。
[0041] 卷紧心轴14接收通过三维编织所获得的纤维结构18。它带有轴20，例如，水平轴，具有安装以相对于缠绕机器的支撑结构12旋转的一端，以及具有连接电动机22，例如，交流（AC）电齿轮电动机的输出轴的其另一端。
[0042] 由卷紧心轴14、它的轴20和它的电动机22所构成的组件可以沿着卷紧心轴的旋转轴线，相对于支撑结构平移移动。如下面参考图4A和4B所述，卷紧心轴平移移动的该自由程度可以在开始将纤维织物缠绕到浸渍心轴上之前，将该心轴对准浸渍心轴。
[0043] 用于平移移动卷紧心轴的系统，例如可以由连接卷紧心轴的蜗杆类型杆24所形成，并且具有固定到缠绕机器的支撑结构12的一端和装配有手轮26的其另一端。因此，在手轮驱动下转动杆引起由卷紧心轴14、它的轴20和它的电动机22所构成的组件相对于支撑结构平移移动。
[0044] 自然地，可以手动地或通过电动机驱动用于引起卷紧心轴沿着其旋转轴线平移移动的手轮26。
[0045] 本发明的缠绕机器的浸渍心轴16用于接收在卷紧心轴上所存储的纤维织物的叠置层。它具有外部表面28以及两个侧板30，外部表面28的轮廓对应于待要被制造的壳体的内部表面的轮廓。
[0046] 浸渍心轴带有轴32，例如，水平轴（图3），其平行于卷紧心轴的旋转轴20，并且具有安装以在缠绕机器的支撑结构12上旋转的一端和连接电动机34，例如AC电齿轮电动机的输出轴的另一端。
[0047] 控制单元36连接两个心轴的电动机22和34，并且能够使得每个心轴的转速被监测和控制。更通常地，控制单元用于管理缠绕机器的所有操作参数，并且特别地当电动机驱动时卷紧心轴的平移移动。
[0048] 应该观察到缠绕机器可以具有用于驱动两个心轴转动的单个电动机，电动机由上述控制单位控制。为此目的，有齿皮带用于管理缠绕拉力和进行退卷，其是必要的。而且，中间滚子可以用于改变缠绕拉力。
[0049] 缠绕机器10也具有横梁38，该横梁38具有垂直安装在心轴上方的光学瞄准装置，以在将纤维织物缠绕到浸渍心轴上之前，对准卷紧心轴和浸渍心轴。
[0050] 更精确地，光学瞄准系统40（例如，发射光束的激光）枢转地安装在心轴上方的横梁上。如图1中所示，该光学瞄准系统可以绕着其所安装于上面的横梁38枢转，以能够瞄准缠绕机器的一个或另一个心轴。自然地，可以设想具有投射角度的光学瞄准系统，该投射角度能够使得两个心轴都被覆盖。光学瞄准系统也具有侧向移动的自由程度，能够使它瞄准浸渍心轴外部表面28的整个宽度上的任何点（图3）。
[0051] 如下，在缠绕纤维织物之前，卷紧心轴14对准浸渍心轴16。
[0052] 开始，可视标志42定位在浸渍心轴的外部表面28上，并且致动和侧向地移动光学瞄准系统40，以将其光束对准可视标志（图4A）。然后，光学瞄准系统侧向地被锁定在该位置，并且绕着横梁38枢转，以垂直于卷紧心轴。在该位置，光学瞄准系统瞄准围绕在卷紧心轴14上的纤维织物18。
[0053] 为了使卷紧心轴正确地对准浸渍心轴，必需引入纤维织物的特定经线44（称为“示踪纱线”）和纤维织物中特定经线的位置，该位置与对准光学瞄准系统所发射的光束的浸渍心轴的可视标志的位置相关。为此目的和如图4B中所示，通过致动手轮26，卷紧心轴沿着其旋转轴线平移移动，直到示踪纱线44对准光学瞄准系统所发射的光束为止。
[0054] 一旦卷紧心轴正确地对准浸渍心轴，就可以开始将纤维织物缠绕到浸渍心轴上。卷紧心轴的纤维织物的自由端最初固定在浸渍心轴上，然后如下所述，启动和控制用于驱动心轴旋转的电动机。
[0055] 有利地，提供预防措施以自动校正在将纤维织物缠绕到浸渍心轴上的操作期间可能出现的卷紧心轴和浸渍心轴之间的任何对准的缺失。
[0056] 为此，照相机可以垂直地安装在心轴上方横梁38上，并且朝向卷紧心轴上所缠绕的纤维织物18而定点。照相机连接缠绕机器的控制单元36，在缠绕纤维织物的操作期间，该单元处理来自于照相机的数字图像。控制单元中图像处理软件连续地分析实时的纤维织物图像。如果检测到光学瞄准系统40所发射的光束和结合在纤维织物中的示踪纱线44之间出现偏离，控制单元36引起卷紧心轴平移移动，以校正偏离。自然地，这种方式的操作要求电动机用于驱动杆转动，该杆用于沿着其旋转轴线平移移动卷紧心轴。
[0057] 参考图5，接着是纤维织物是如何缠绕到浸渍心轴上的描述。如上所述，一旦纤维织物的自由端已经固定到浸渍心轴上，控制单元启动和控制用于驱动卷紧心轴和浸渍心轴的电动机。
[0058] 纤维织物应该被缠绕成在浸渍心轴上的叠置层，同时在纤维织物上施加适当的缠绕拉力。
[0059] 为此目的，特别地根据纤维结构的性质，预确定设定值拉力，并且将它应用于提供相反于缠绕的扭矩的心轴之一，即，通常卷紧心轴。更精确地，将设定值拉力输入到控制单元中，该控制单元通过使用适合的计算算法，将它转换为卷紧心轴的电动机的感应电流的设定值。
[0060] 这种计算算法用于关联设定电压值与卷紧心轴的电动机的感应电流的值（当卷紧心轴相反于阻抗时），该电流值是以前特别地通过考虑心轴的平均半径而获得的。当设定值拉力和维护操作期间所测量的实际拉力之间出现偏离时，如果必要，在通过皮带连接卷紧心轴和浸渍心轴的测力计的帮助下，可以重新估算算法。
[0061] 应该观察到设定值拉力特别地根据构成将要缠绕到浸渍心轴上纤维织物的纤维的性质和编织它时所用的参数而变化。
[0062] 举例说明，对于用中间模数的碳纤维所制造的连锁类型三维多层织物所构成的纤维织物，应该应用的设定值拉力范围是6000牛顿（N）到15,000N，纤维以范围在200毫米/每分钟（mm/min）到400mm/min的缠绕速度行进。对于该特定的纤维织物，这种值使得它可以获得浸渍心轴上纤维织物叠置层的适合程度的压缩。这引起在随后树脂浸渍步骤结束后所获得的纤维预制件中控制非常好的纤维密度。
[0063] 应该也可以观察到在浸渍心轴上缠绕纤维织物的方法是可逆的，即，可以退卷纤维织物回到卷紧心轴上。这种退卷操作，在可控缠绕拉力和速度下进行，可以在后来检测到编织缺陷的情况下使用，或者在缠绕到浸渍心轴上时未对准的情况下使用，因此能够使操作返回到更早的阶段。
[0064] 参考图6、7、8A和8B，接着是本发明缠绕机器的几个变化实施方式的描述。在这些变化形式中，所有缠绕机器都具有如上所述的特征。
[0065] 图6中所示的缠绕机器100也具有另外的心轴102，后者具有存储在其上的加强纤维织物104。举例说明，该加强纤维织物可以是由中间模数的碳纤维或者任何其它机织、编织或单向纤维加强件制造的连锁类型三维多层织物。
[0066] 该另外的心轴102带有水平轴（图6中未示出），该水平轴平行于卷紧心轴14和浸渍心轴16的各个旋转轴线。该水平轴具有转动地安装在缠绕机器的支撑结构12上的一端和连接在上述控制单元的控制下（图6中未示出）电动机106，例如AC电齿轮电动机的输出轴的另一端。
[0067] 缠绕加强纤维织物到浸渍心轴上的方法与所描述用于缠绕纤维织物到浸渍心轴上的方法完全相同。特别地，控制单元用于控制另外的心轴的转速，以及通过控制卷紧心轴的电动机的感应电流，可以控制在加强织物缠绕整个过程中施加于加强织物的缠绕拉力。
[0068] 图7中所示缠绕机器200具有在纤维织物对接在浸渍心轴上之前，用于加热纤维织物的装置。已知在纤维织物对接在浸渍心轴上之前，加热纤维织物使得更容易在浸渍心轴上成形它和压缩它。
[0069] 因此，该变化的实施方式提供有两个加热器单元202、204（例如，辐射加热器或热鼓风机），它们安装在固定于缠绕机器的支撑结构12的横梁206上，并且它们定位在卷紧心轴14和浸渍心轴16之间纤维织物18的通路上。更精确地，这些加热器单元面对纤维织物的每个面放置。
[0070] 而且，这些加热器202和204由上述控制单元控制。通常，加热温度在40℃至90℃之间范围可以调整。控制这些加热器单元，以自动地适应缠绕速度，即使在缠绕停止的情况下，以维持纤维织物在期望的温度。
[0071] 最后，在图8A和8B变化的实施方式中缠绕机器300具有用于在织物对接在浸渍心轴上之前喷射水到纤维织物上的装置。就像使用加热一样，在纤维织物对接在浸渍心轴上之前，在纤维织物上喷射水，通过允许纤维在彼此上互相滑动，通过软化，同样更容易在心轴上成形它。
[0072] 在该变化实施方式中，提供安装在缠绕机器的支撑结构12上的条带302，以带有多个水喷射喷嘴304，它们垂直定位在卷紧心轴14的上方，面对缠绕在卷紧心轴上的纤维织物18。举例说明，水可以是去矿化水。这些喷嘴分布在卷紧心轴的整个宽度上，以使纤维织物在其整个宽度上被湿润。
[0073] 而且，可以手动地调整通过这些喷嘴所喷射的水的速率，或者通过上述控制单元控制该速率，例如，以自动地适应纤维织物被缠绕到浸渍心轴上的速度。以确保纤维织物湿润到恒定程度，与缠绕速度无关。
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心轴-专利编号CN110405021A 2020-05-11 392
液胀心轴-专利编号CN107414115A 2020-05-13 341
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