涡轮叶盘预制体及其纤维体积分数工艺设计方法技术

本发明专利技术公开的涡轮叶盘预制体，由预制体单元叠层铺放再经Z向穿刺缝合形成，预制体单元包括中心叶盘，中心叶盘外围均匀布置有若干叶片，中心叶盘与叶片衔接区域为齿根；中心叶盘、叶片、齿根结构为由连续周向纤维和放射状径向纤维交织而成的极性编织结构。本发明专利技术公开的涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，根据纤维体积分数的技术要求分别确定涡轮叶盘各部位的径向纤维和周向纤维的长度用量，进一步确定周向纤维密度和径向加纱工艺，实现了满足特定体积分数要求的涡轮叶盘预制体的编织工艺设计，具有结构稳定，纤维承力性能优良的特点。点。点。

【技术实现步骤摘要】
涡轮叶盘预制体及其纤维体积分数工艺设计方法


[0001]本专利技术属于航空发动机
，涉及一种涡轮叶盘预制体，还涉及上述涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法。

技术介绍

[0002]涡轮叶盘预制体是将预制体单元叠层经Z向穿刺缝合成型。涡轮叶盘预制体单元的结构设计是该预制体设计的关键技术。极性编织结构是将径向纤维沿圆周放射状排布，周向连续纤维与径向纤维交织形成平纹组织的一种预制体结构。发动机涡轮叶盘在工作中主要受力方向是周向和径向，对比经纬纱呈90
°
正交的机织平纹结构，极性编织结构中的纤维沿着周向和径向分布，更有利于发挥纤维在发动机涡轮叶盘中的承力作用，高性能纤维预制体是陶瓷基复合材料的骨架材料，研制结构轻、耐高温、整体力学性能优良的涡轮叶盘预制体对打破航空发动机发展技术壁垒，推进航空发动机产业发展起着重要的助推作用。
[0003]纤维体积分数是高性能纤维预制体的一项关键技术指标，是保障陶瓷基复合材料力学性能的重要因素。航空发动机涡轮叶盘陶瓷基复合材料对预制体的纤维体积分数提出了明确的要求，其中包括整体预制体的体积分数以及各部位如中心叶盘、齿根、叶片等径向纤维和周向纤维的体积分数。因此，涡轮叶盘预制体的体积分数工艺设计方法对实现涡轮叶盘预制体纤维体积分数可设计性、满足其设计技术指标至关重要。
[0004]专利技术专利《一种平面极坐标圆形织物的织造方法及设备》(公开号：CN108866755B，公开日：20211116)，提出了一种极性编织结构的圆形织物的织造方法及编织设备，设计了一种整体叶盘纤维均匀排布的预制体结构，该专利中仅提出根据预制体的设计尺寸和所需的纤维体积含量，确定不同半径长度处径向编织纱的根数以及所对应半径处环向编织纱的根数，从而计算分区，但
技术实现思路
及实施例并未根据预制体体积分数的技术指标进行预制体各部位结构的纤维工艺设计，因此，不能保证其工艺设计方法满足该体积分数的技术指标要求；另外，其整体叶盘纤维均匀排布的设计思路也不能满足涡轮叶盘对各部位如中心叶盘、齿根部位及叶片部位等不同的纤维体积分数结构设计要求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种涡轮叶盘预制体，具有结构稳定，纤维承力性能优良的特点。
[0006]本专利技术的另一目的是提供上述涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，通过研究各结构设计参数与纤维体积分数之间的关系，实现了涡轮叶盘预制体各部位结构体积分数的可设计性。
[0007]本专利技术所采用的技术方案是，涡轮叶盘预制体，由预制体单元叠层铺放再经Z向穿刺缝合形成，预制体单元包括中心叶盘，中心叶盘外围均匀布置有若干叶片，中心叶盘与叶片衔接区域为齿根；中心叶盘、叶片、齿根结构为由连续周向纤维和放射状径向纤维交织而成的极性编织结构。
[0008]本专利技术的特点还在于：
[0009]周向纤维由中心叶盘盘体中心原点向四周螺旋发散，直至叶片边缘，径向纤维包括初始径向纤维和径向增补纤维，初始径向纤维成列自盘体中心处放射状径向伸出，径向增补纤维挂在盘绕半径逐渐增加的周向纤维上并呈径向放射状伸出。
[0010]中心叶盘的径向纤维体积分数不大于周向纤维体积分数，齿根的周向纤维体积分数和径向纤维体积分数相同，叶片的周向纤维体积分数不大于径向纤维体积分数。
[0011]本专利技术的另一技术方案是，涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，具体按照以下步骤实施：
[0012]步骤1、根据涡轮叶盘预制体设计尺寸参数和纤维体积分数要求，分别计算出预制体单元数量以及预制体单元各部位的纤维体积、各部位周向纤维长度用量和径向纤维长度用量；
[0013]步骤2、根据步骤1得到的各部位的周向纤维长度用量和径向纤维长度用量，分别计算预制体单元各部位周向纤维排列密度和径向纤维的加纱工艺，即得到各部位纤维体积分数对应的纤维工艺设计参数。
[0014]本专利技术的特点还在于：
[0015]步骤1中，尺寸参数包括预制体单元尺寸、各部位纤维体积分数、各部位的内径和外径，计算步骤为，根据涡轮叶盘预制体厚度确定预制体单元的数量，根据尺寸参数分别计算中心叶盘、齿根和叶片的体积以及各部位的纤维体积，根据L＝V
纤
×
ρ/λ，其中λ为纤维的线密度，ρ为纤维的体密度，L为纤维长度用量，计算预制体单元各部位的周向纤维长度用量和径向纤维长度用量。
[0016]步骤2中，各部位周向纤维排列密度计算方式为：记预制体单元一部位的内径为r
内
，外径为r
外
，相邻两圈周向纤维间距γ，周向纤维长度用量L
周
为每一圈周向纤维的长度总和，则此部位的L
周
＝2
×
π
×
r
内
+2
×
π
×
(r
内
+1
×
γ)+
……
+2
×
π
×
r
外
，根据上述公式，分别计算出预制体单元各部位的周向纤维间距γ，再根据R
w
＝1/γ+1，分别计算得到各部位的周向纤维排列密度R
w
。
[0017]步骤2中，径向纤维的加纱工艺具体计算为：
[0018]2.1、将预制体单元的一部位沿径向均分成n个区域，每个区域各加一次纱，第一个区域的初始径向纤维记作第一次加纱，其余加纱纤维记作径向增补纤维7，则第n个区域为第n次加纱，计算加纱间距β：
[0019]β＝(r
外
‑
r
内
)
÷
n
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0020]则第n个区域的内边界线半径为：
[0021]r
n
＝r
内
+(n
‑
1)
×
β
ꢀꢀꢀꢀ
(2)；
[0022]2.2、将加纱位置到外径r
外
之间的距离记为加纱长度l，第一次加纱长度l1＝r
外
‑
r1，第n次加纱长度l
n
为：
[0023]l
n
＝r
外
‑
r
n
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)；
[0024]2.3、记各区域内径向纤维根数N，加纱根数为C，径向纤维密度排列为R
j
，则第n个区域内的径向纤维根数N
n
为：
[0025]N
n
＝2
×
π
×
r
n
×
R
j
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0026]则第n个区域的加纱根数C
n
为：
[0027]C
n
＝N
n
‑
N
n
‑1ꢀꢀꢀꢀꢀ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.涡轮叶盘预制体，其特征在于，由预制体单元(4)叠层铺放再经Z向穿刺缝合形成，预制体单元(4)包括中心叶盘(1)，中心叶盘(1)外围均匀布置有若干叶片(2)，中心叶盘(1)与叶片(2)衔接区域为齿根(3)；所述中心叶盘(1)、叶片(2)、齿根(3)结构均为由连续周向纤维(5)和放射状径向纤维交织而成的极性编织结构。2.根据权利要求1所述的涡轮叶盘预制体，其特征在于，所述周向纤维(5)由中心叶盘(1)盘体中心原点向四周螺旋发散，直至叶片(2)边缘，所述径向纤维包括初始径向纤维(6)和径向增补纤维(7)，所述初始径向纤维(6)成列自中心叶盘(1)盘体中心处放射状径向伸出，所述径向增补纤维(7)挂在盘绕半径逐渐增加的周向纤维(5)上并呈径向放射状伸出。3.根据权利要求1所述的涡轮叶盘预制体，其特征在于，所述中心叶盘(1)的径向纤维体积分数不大于周向纤维体积分数，所述齿根(3)的周向纤维体积分数和径向纤维体积分数相同，所述叶片(2)的周向纤维体积分数不大于径向纤维体积分数。4.如权利要求1
‑
3所述涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、根据涡轮叶盘预制体设计尺寸参数和纤维体积分数要求，分别计算出预制体单元(4)数量以及预制体单元(4)各部位的纤维体积、各部位周向纤维(5)长度用量和径向纤维长度用量；步骤2、根据步骤1得到的各部位的周向纤维(5)长度用量和径向纤维长度用量，分别计算预制体单元(4)各部位周向纤维排列密度和径向纤维的加纱工艺，即得到各部位纤维体积分数对应的纤维工艺设计参数。5.根据权利要求4所述的涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，其特征在于，步骤1中，所述尺寸参数包括预制体单元(4)尺寸、各部位纤维体积分数、各部位的内径和外径，所述计算具体为，根据涡轮叶盘预制体厚度确定预制体单元(4)的数量，根据尺寸参数分别计算中心叶盘(1)、齿根(3)和叶片(2)的体积以及各部位的纤维体积，根据L＝V
纤
×
ρ/λ，其中λ为纤维的线密度，ρ为纤维的体密度，L为纤维长度用量，计算预制体单元(4)各部位的周向纤维(5)长度用量和径向纤维长度用量。6.根据权利要求4所述的涡轮叶盘预制体纤维体积分数工艺设计方法，其特征在于，步骤2中，各部位周向纤维排列密度计算方式为：记预制体单元(4)一部位的内径为r
内
，外径为r
外
，相邻两圈周向纤维间距γ，周向纤维(5)长度用量L
周
为每一圈周向纤维的长度总和，则此部位的L
周
＝2
×
π
×
r
内
+2
×
π
×
(r
内
+1
×
γ)+
……
+2
×
π
×
r
外
，根据上述公式，分别计算出预制体单元(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张艺会，荆云娟，韦鑫，王海涛，尉寄望，
申请(专利权)人：陕西元丰纺织技术研究有限公司，
类型：发明
国别省市：