CN101387205B - 复合材料叶片的减振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料制成的叶片，包括浸渍热固性树脂的编织细长丝构成的叶片(10A)，在叶片的前缘区域内带有保护构件(10B)，所述保护构件包括刚性条带形状部分，所述条带固定到叶片上。叶片的特征在于，至少一层粘弹性材料(20，21，22)至少部分地置于所述刚性条带(10Bi，10Be)和叶片(10A)之间，从而与保护构件一起形成了叶片的减振装置(11，12，13)。

Description

复合材料叶片的减振装置
技术领域
本发明涉及涡轮机领域，涉及由复合材料制成的叶片的减振，特别涉及涡轮喷气发动机风扇叶片的减振。
背景技术
采用碳纤维复合材料制成的叶片，特别是风扇叶片，但也包括低压压缩机叶片，—都是采用不同方式生产而成。根据一种制造方法，单向层合板(unidirectional plies)或编织预浸材(woven prepregs)堆在高压釜内压密和聚合之前，在模内成形并置放，分别确定了各个层合板的不同位置。根据另一种方法，制备编织的干纤维预浸料并缝制在一起，或作为替代方法，形成一种单一的三维编织纤维或长丝预成形件(filament preform)，然后在封闭模内通过喷射模塑法而使其浸渍树脂。这样制成的叶片为一个整体构件，包括叶根和叶面。其具有各种防护特性，增强了其热力学强度。由此，在叶片前缘或包括前缘、叶尖和后缘在内的叶片整个轮廓上贴附了一道金属防护层，例如，这可以是结合到前缘整个表面上和外弧面及内弧面外表面向前部分上的钛金属材料。同样，内弧面的外表面使用了一道防护膜来加强，该防护膜采用合成材料(例如聚亚安酯)制成，直接结合到中间部件上。
本发明提出了这种能够至少沿前缘提供保护的叶片。其中一种制造示例公开在EP1.777.063的本申请人的专利中。
颤振是涉及气动力学与产生不稳定因素的叶片的弹性特性之间耦合的一种现象。颤振的表现形式是不同步的。亚音速颤振(subsonic flutter)和超音速颤振(supersonic flutter)之间有着明显的区分。风扇叶片主要是受到亚音速颤振的影响。
由于气动力和机械响应之间耦合的复杂性，颤振这种现象很难预测。此外，人们对机械叶片减振也通常不太了解。最后，在当今设计的承受越来越高载荷的叶片类型中，颤振是需要给予特别考虑的一种现象。
在风扇叶片设计中，对颤振余量进行了估算，该余量是在给定流量下颤振线和工作线之间距离的测量值。该值通常是从已知基准点(最近的一个)到其加上了所述基准配置和新配置之间的计算差而确定的。目前，在1F和1T模式上和零直径耦合方式上用于亚音速的标准是：
-弯扭耦合(Twist Bend coupling，TBC)，表示扭转方式和弯曲模式的位移之比。弯扭耦合参数越高，颤振风险越大。
-降低速度或斯特罗哈尔标准(strouhal criterion)，该标准按照如下公式给出：
VR＝W/C×f×pi，
式中：W为相对速度，C为给定高度下叶片的弦，f为所考虑的叶片模式的频率。该标准表示了叶片装置振动频率和沿该叶片装置流动不稳定性频率之间的相干性。
另外，也存在其它可能影响颤振余量的因素，在测试期间如果遇到下述现象，有时可以使用这些因素：降低比流量、减少叶片数量或增加弦长、润滑叶根、失调(detuning)。
本发明的一个目的是通过真正改善叶片的机械阻尼来改善叶片对如上所述颤振类异步空气动力激励(asynchronous aerodynamic excitations)的谐波响应。
本发明的另一个目的是改善叶片对同步空气动力激励的谐波响应，诸如：
由包括在升高、下降、侧风下的入射角(angle ofincidence)的飞行条件所造成的进气道气流畸变(inlet duct distortions)。
剩余不平衡量产生的谐波激励；
风扇叶轮上气流整流器的固定叶轮所造成的反馈压力波动。
在包括两个对转转子在内的设计型号中，在其附近的活动风扇叶轮所造成的反馈压力波动或尾流。
本申请人多年来一直通过对整体叶盘初步评估来研究减振技术。这些术语表示作为一个整体部件制造的轮盘和叶片装置。减振系统的工作原理是依赖通过适当设置粘弹性材料的剪切作用实现能量的耗散。减振系统的特性如何取决于材料的尺寸规格和材料与发动机部件之间的良好结合。
另外，已知美国US6.471.484专利介绍了一种燃气涡轮发动机转子的减振系统，所述转子包括一个整体叶盘。叶片上设有在内弧面或外弧面上中空的腔室，并包括带有应力层的减振材料层。盖板覆盖了腔室。在使用时，一方面，在叶片和应力层之间的减振材料内，以及另一方面，在位于应力层和盖板之间的减振材料内，被诱导的剪切应力促进了减振作用。
发明内容
本发明的目的是，通过使用一种保护其前缘的装置，在应用复合材料制成的叶片中改进这项技术。
根据本发明，采用复合材料制成的叶片包括浸渍有热固性树脂的细长丝(filaments)或纤维(fibers)的叶片，在叶片的前缘区域内带有保护构件，所述保护构件包括刚性条带形状部分，所述条带固定到叶片上，其中，至少一层粘弹性材料至少部分地置于所述刚性条带和叶片之间，从而与防护构件一起形成叶片的减振装置。
由于风扇部位的低温情况，粘弹性材料优选使用如下材料：橡胶、硅、弹性聚合体，或者环氧树脂。
因此，本发明提出使用一种用于叶片的粘弹性材料，诸如用RTM型编织复合材料制成的风扇叶片。这层材料位于钛前缘和编织复合材料叶片之间，作为全部或部分替代当前使用的粘合剂层。
涡轮机叶片中引入了机械阻尼功能，诸如RTM复合材料风扇叶片。另外，该功能在诸如鸟类撞击(或者叶片损失)、偶然载荷发生时也是有用的，因为它帮助耗散撞击能量。在后一种情况下，它具有降低振动响应和鸟击的双重功能。
通过将涂有保护装置的前缘，特别是钛制成的前缘，来用作减振系统的背层，则可无需使用附加部件。
为此，本发明的解决方案具有如下多个优点：
复合材料叶片的良好连接。
通过使用金属前缘作为背层，压缩了这种减振功能的额外成本。
外物损伤与颤振阻尼功能的结合。
减振区域工程设计、定位和尺寸的合理调整。
复合材料和前缘之间的空间适于粘弹性材料的所需厚度。因此，粘弹性材料层(例如)至少部分位于复合材料内形成的腔室内，或者至少位于防护构件中形成的腔室内。
所述粘弹性材料层的功能是：
在弯曲模式1F和扭转模式1T方面，引入了叶片振动响应的机械阻尼，特别是风扇叶片。
在发生诸如鸟击事件期间，通过吸收部分撞击能量，起到阻尼作用，从而降低了叶片的损坏。
这样，根据预期的阻尼情况，粘弹性材料层在条带下方延伸到其表面部分，特别是粘弹性材料层延伸到对应于预定叶片振动方式的整个最大变形区域。需要时，粘弹性材料层延伸到与叶片前缘相平行的区域，并能覆盖整个前缘。
减振材料可以是单层，也可以是多层，这取决于使用环境、所使用的材料以及所期望的阻尼特性。
根据一个具体实施例，保护前缘的保护性构件为V型，包括实心中央部分和两个分别位于两侧的条带部分。保护性构件的实心部分覆盖了前缘，而条带则部分地覆盖了前缘的两个表面，即内弧面和外弧面。
保护前缘的保护性构件优选采用金属箔制成，特别是钛箔材料。
根据一个实施例，在所述条带和叶片之间插装一个附加刚性板，两层粘弹性材料分别置于该刚性板的两边。刚性板两边的粘弹性材料层可以彼此不同。
粘弹性材料层可以(例如)通过热胶合粘弹性材料膜(例如硫化弹性体)固定到条带和/或叶片上，或者通过使用一种粘结物质结合的方式，将粘弹性材料层固定到条带和/或叶片上，后者优选其刚性大于粘弹性材料。
本发明应用于燃气涡轮发动机压缩机，优选应用于燃气喷气发动机风扇，可以是无函道型风扇，其中，发动机工作温度与粘弹性材料的工作温度相一致。
附图说明
下面结合附图，详细介绍本发明的一个实施例，但本发明并不仅限于所述实施例，附图如下：
图1为带有前置风扇的涡轮喷气发动机示意图。
图2示出了复合材料风扇叶片，该叶片带有保护前缘的防护构件，并示出了包括粘弹性材料减振层在内的区域。
图3为图2的顶部示意图，示出了叶片的前缘区域。
图4为第一实施例的沿IV-IV线的剖面图，示出了粘弹性材料的设置。
图5为粘弹性材料层的另一种设置。
图6为粘弹性材料层的另一种设置。
图7为减振装置的另一种形式。
具体实施方式
图1为一种涡轮机的示意图，所示涡轮机为双转子旁路式涡轮喷气发动机1。位于前部的风扇2向发动机提供空气。风扇压缩的空气分两路进入到两个同心流路F1和F2。副流路F2(或称旁路)直接排放到大气中并提供主要推进推力部分。主流路F1通过数个压缩级3被导入燃烧室4，在这里空气与燃料混合并燃烧。热燃气为各个涡轮级5提供动力，涡轮级带动风扇2和压缩转子3转动。然后，燃气被排放到大气中。
图2和图3凸示出了可以在这种发动机上使用的风扇叶片10。这是一种采用复合材料制成的叶片。一般情况下，叶片的复合材料部分10A由采用热固性树脂固定在一起的纤维或长细丝构成。这些纤维或细细长丝都是由碳或其它一些材料制成，诸如玻璃、硅、碳化硅、氧化铝、芳香族聚酰胺或芬芳聚酰胺。前缘由金属保护层10B包覆。在该示例中，其是钛箔，通过层30粘结到复合材料上，后者沿前缘延伸，带有在每侧形成翼的条带：一侧的翼10Bi位于前缘下游内弧面上，而另一侧的翼10Be位于前缘下游外弧面上。两个翼通过较厚部件10B2沿前缘相连接。这种叶片可以采用例如本申请人所拥有的EP1.777.063专利中所公开的技术来生产。
根据该技术，制造一种三维编织纤维预成形件。然后，按照三维图，沿轮廓周围进行切割，从而将所述整体编织预成形件修正成形。将部件置于一个成形模内。接着，在经过适当变形后，将部件放入压塑模内，使得已变形的预成形件更加具有刚性。前缘部分经过了超压塑后，从而使得保护构件可以沿前缘得以安装。这样，就形成了呈纵向半套形式的构件，带有两个翼，用来覆盖前缘下游的外弧面和内弧面壁部分。如以上所述专利中所解释的那样，保护构件放置在能够使得两个翼分开的安装装置内。通过其前缘预先浸渍粘结剂，将保护构件置于两个翼之间，然后，释放所述翼。
将整个部件放入喷射塑模内，在塑模内，喷射一种包含有热固性树脂的粘合剂，以浸渍整个预成形件。最后，对塑模进行加热。
根据本发明，在叶片10A和保护构件10B之间使用了至少一层粘弹性材料20。金属保护构件10B形成了减振系统的刚性背层，减振系统系由金属保护构件和粘弹性材料层一起形成的。
粘弹性是固体或液体的一种性能，其在变形后，通过同时耗散和储存机械能量，呈现粘性和弹性特征。
减振系统内的刚性材料比粘弹性材料层的刚性要大。换句话说，在所期望的热态和频率工作范围内，背层材料的各向同性或各向异性弹性特性要大于粘弹性材料的各向同性或各向异性弹性特性。根据所示示例(但并不仅限于此)，背层材料是一种金属，而粘弹性材料层的材料是橡胶、硅、弹性聚合体、环氧树脂型。
图2示出了在三个不同区域的三种不同减振装置11，12，13，均在保护前缘的保护构件10B的下方使用了至少一层粘弹性材料20。
图4为图2所示叶片的剖面图，沿IV-IV线剖开，粘弹性材料层20设置在保护构件10B箔和叶片复合材料10A之间。减振装置11，12或13设置在动态变形幅度优选最大的区域，在所示示例中，所述区域是距离叶根较远的区域。这个装置可以采用各种形式，如椭圆或多边形，其尺寸和设置形式取决于所期望的减振效果。
粘弹性材料通过热粘结或通过置放一层粘合剂31，或者如图6所示的粘合剂32附着在叶片上。在另一个形式中，箔片形成的应力层并没有附着在粘弹性材料上，而是紧紧压接到叶片的复合材料部分上。
应该说明的是，在减振装置的外部区域，粘弹性材料层的厚度通过将箔片连接到复合材料部分的粘结剂30层的厚度而得到补偿。
根据图中未示的另一种选择方式，可以在箔片内、在复合材料内或者在二者之内为减振装置加工一个形成壳体的腔室。
图5示出了根据本发明的减振装置的另一种实施例形式。在这个实施方式中，其包括了一个附加应力板40，例如，金属板形式。粘弹性材料层21插装在保护构件10B的箔片和金属板40之间。粘弹性材料层22可以与21相同也可以不同，插装在应力板40和叶片表面10A之间。还是在这个实施例中，数层材料可以通过热结合或粘结形式结合到一起，这取决于所选择的材料。
图7示出了减振系统的另一个不同的设置形式14，所示粘弹性层延伸到沿叶片10A的前缘呈细长形的部分。

Claims (13)

1.一种复合材料制成的用于涡轮喷气发动机的压缩机或风扇的叶片，包括：由浸渍有热固性树脂的编织细长丝构成的叶片(10A)，在叶片的前缘区域内带有保护构件(10B)，该保护前缘的保护构件(10B)包括带有共用边缘(10B2)的两个金属的刚性条带(10Bi，10Be)，该保护构件覆盖所述前缘，并部分覆盖所述前缘附近的内弧面和外弧面，所述条带固定到叶片上，其中，至少一层粘弹性材料(20，21，22)至少部分地置于所述刚性条带(10Bi，10Be)和叶片(10A)之间，从而与保护构件(10B)一起形成叶片的减振装置(11，12，13，14)，其中，粘弹性材料层(20，21，22)至少部分地包含在复合材料内形成的腔室内，粘弹性材料层在条带下方延伸到其表面部分。
2.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料层(20，21，22)至少部分地包含在保护构件(10B)内形成的腔室内。
3.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料延伸到对应于最大变形区域的区域，以对叶片确定的振动模式形成减振装置(11，12，13，14)。
4.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料层在与叶片前缘相平行的区域上形成了减振装置(14)。
5.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料选自如下材料：橡胶或环氧树脂。
6.根据权利要求1所述的叶片，其中，保护前缘的保护构件由金属箔片制成。
7.根据权利要求1所述的叶片，其中，在所述条带(10B)和叶片(10A)之间另外插装了刚性板(40)，两层粘弹性材料层(21，22)分别位于该刚性板的两侧。
8.根据权利要求7所述的叶片，其中，位于所述刚性板两侧的粘弹性材料层是不同的。
9.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料层采用热固结粘弹性材料膜而固定到条带和/或叶片上。
10.根据权利要求1所述的叶片，其中，粘弹性材料层通过使用粘结物质而被固定到条带和/或叶片上。
11.一种燃气涡轮发动机压缩级，包括以上权利要求中的其中一项所述的至少一个叶片。
12.一种涡轮喷气发动机，包括风扇，该风扇具有至少一个根据权利要求1至10中其中一项所述的叶片。
13.根据权利要求12所述的涡轮喷气发动机，其中，该风扇是无函道型风扇。
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