CN102808657A - 金属/复合材料混合结构的风扇叶片及其制备方法 - Google Patents

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王安正
欧阳华
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Abstract

一种航空发动机风扇技术领域的用于民用大涵道比航空发动机风扇的金属/复合材料混合结构的风扇叶片及其制备方法，所述风扇叶片的压力面上设有内置复合材料的空槽结构，该空槽结构的底部与风扇叶片的吸力面等距离，空槽结构的厚度为风扇叶片的最大厚度的1/5～1/10，空槽结构与风扇叶片的外形轮廓形状为等比例关系。本发明具有密度小、强度密度之比较高、机械性能进一步优化、使用寿命延长的特点。

Description

金属/复合材料混合结构的风扇叶片及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种航空发动机风扇技术领域的装置及制备，具体涉及一种用于民用大涵道比航空发动机风扇的金属/复合材料混合结构的风扇叶片及其制备方法。
背景技术
现代民用大涵道比涡扇发动机的风扇大多采用宽弦叶片设计技术，其性能好、效率高，而且比以往设计的风扇叶片易于加工，在风扇设计上得到了广泛的应用。随着航空发动机推力的增加，对风扇叶片的强度、变形以及重量提出了更高的要求，对于大涵道比涡扇发动机风扇叶片而言，实心的金属宽弦叶片已经不能满足强度、重量以及其他方面的设计要求。
现役的先进大涵道比涡扇发动机的风扇叶片均采用了空心叶片、复合材料叶片等减重措施。关于此方面有很多的报道，GE公司申请的专利文献如US005913661A、US005947688A，该技术在叶片上开取条纹状的槽或者块状结构，然后使用轻质弹性物质填充，从而达到减重和减小叶片的扭曲强度的目的。罗·罗公司申请的空心叶片专利文献如US006979180B2，该技术内部采用加强桁条结构，使用扩散焊和超塑性成形技术，达到增加强度和减重的目的。目前GE和罗·罗公司的空心叶片和复合材料叶片均成功应用，国内公开记载的专利文献如CN101649844A，该技术采用中空结构金属/复合材料构架组成的空间离散肋骨结构用以填充空心叶片，通过对叶片中肋骨空间分布和形位的控制，提高叶片的比强度和比刚度。
但上述现有技术为中空结构的叶片，加工困难，尤其是肋骨的焊接。而在叶片上开槽或者块状结构以填充弹性物质，会引起叶片结构强度上的变化。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种金属/复合材料混合结构的风扇叶片及其制备方法，具有密度小、强度密度之比较高、机械性能进一步优化、使用寿命延长的特点。本发明以单向碳纤维的复合增强材料为基础，采用热压成型技术为民用大涵道比涡扇发动机提供一种金属/复合材料混合结构的风扇叶片。本发明能够大幅降低风扇叶片的重量，并通过对单向复合材料的不同组合设计以满足风扇强度的要求。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述风扇叶片的压力面上设有内置复合材料的空槽结构，该空槽结构的底部与风扇叶片的吸力面等距离，空槽结构的厚度为风扇叶片的最大厚度的1/5～1/10，空槽结构与风扇叶片的外形轮廓形状为等比例关系。
所述的空槽结构的厚度优选为风扇叶片的最大厚度的1/7。
所述的空槽结构的上边沿与风扇叶片的叶顶间距为风扇叶片整体高度的5-10％，优选8％；
所述的空槽结构的前沿与风扇叶片的前缘的间距为叶片弦长的7-13％，优选10％；
所述的空槽结构的后沿与风扇叶片的尾缘的间距为叶片弦长的10-16％，优选13％。
所述的空槽结构的下边沿与风扇叶片的底部的间距为风扇叶片整体高度的12-18％，优选15％。
所述的风扇叶片的底部依次设下缘板和楔形榫头，其中：下缘板为等厚平板结构且下缘板与风扇叶片相焊接，该下缘板与风扇叶片、安装风扇叶片的轮盘一起形成流道结构；楔形榫头为纺锤体结构，用于将风扇叶片定位并传递载荷。
与现有技术相比，本发明设计合理，对风扇叶片的外形不做任何改变，并且大幅降度风扇叶片的重量，可降低接近一半的重量，同时强度能够保证，另外，复合材料密度小，比强度高，可以改善风扇叶片的机械性能，延长叶片的寿命。这对大涵道比涡扇发动机的风扇是十分有利的，具有重要的工程应用价值。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为风扇叶片沿弦线方向视图；
图3为单向碳纤维复合材料结构图；
图中：1风扇叶片、2内置复合材料、3下缘板、4楔形榫头、5叶片前缘、6叶片尾缘、7单向碳纤维复合材料。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例所述风扇叶片1为金属结构，通过楔形榫头4安装风扇叶片，该叶片1的压力面开设有内置复合材料2的空槽结构，空槽结构底部与吸力面等距离，厚度D为叶片最大厚度的1/5～1/10，优选为1/7；所述的空槽结构的底部与风扇叶片的吸力面等距离，空槽结构与风扇叶片的外形轮廓形状为等比例关系。
本装置结构与现有若干离散槽结构相比，为整体开槽结构。
所述的下缘板3为等厚平板结构且下缘板3与风扇叶片相焊接，该下缘板3与风扇叶片、安装风扇叶片的轮盘一起形成流道结构；楔形榫头为纺锤体结构，用于将风扇叶片定位并传递载荷。
如图2所示，为所述空槽结构在风扇叶片1中的位置，离叶顶的距离N为叶片高度的5-10％，优选8％，离风扇底部下缘板3的距离S为叶片高度的12-18％，优选15％。离叶片前缘5的距离W为叶片弦长的7-13％，优选10％，离叶片尾缘6的距离E为叶片弦长的10-16％，优选13％。
所述的风扇叶片1的空槽结构中布置有内置复合材料2。
所述的内置复合材料2由若干个交错的单向碳纤维复合材料7热压成型，与风扇叶片1的金属基结构完全紧密贴合。
所述的风扇叶片整体高度是指：叶片高度为叶片底部的下缘板3处叶片前缘与叶片尾缘至叶顶的距离，整体高度质平均的叶片高度。
所述的叶片弦长是指：同一叶高截面，叶片前缘与叶片尾缘之间的直线距离。
如图1所示，所述的内置复合材料2由若干层单向碳纤维复合材料7叠加热压成型构成，每一层单向碳纤维的布置方向各不相同。
所述的布置方向包括：用于增强风扇叶片的拉伸能力的沿风扇叶片的叶高方向布置的单向碳纤维复合材料7、用于增强风扇叶片的抗扭曲能力的交错布置的单向碳纤维复合材料7；通过在不同方向上布置单向碳纤维结构的复合材料，使得风扇叶片在各个方向的强度得到满足，从而满足整体的强度需求。
如图3所示，所述的单向碳纤维复合材料7在沿其纤维方向II上能够具有较高强度，纤维方向II与风扇叶片的旋转轴I的夹角为α，为了增强风扇叶片的拉伸能力，需要沿着风扇叶片的叶高方向多布置几层单向碳纤维，此时的α为80～100°，优选为90°。
实施例2
本实施例涉及上述风扇叶片的制备方法，采用若干层单向碳纤维交错相叠且经过热压成型组成内置复合材料2，然后在金属叶片压力面侧沿叶高方向切除部分金属，并使用多层交错结构的内置复合材料2填充，使金属和复合材料整体粘合在一起形成风扇叶片。
所述的单向碳纤维复合材料7是指在一个方向具有大量的碳纤维丝，在另一方向只有少量并且通常是细的碳纤维丝起连接作用。
为了增强叶片在哪个方向的强度，在此方向上多布置几层单向碳纤维复合材料7即可。最后通过热压成型，就形成了交错结构的单向碳纤维复合材料7与金属的风扇叶片。
实施例3
本实施例涉及上述风扇叶片的宽弦风扇以及采用该宽弦风扇的民用大涵道比涡扇发动机，其推重比为10～20，所述的风扇叶片数为15-25，该风扇包括叶片轮盘和风扇叶片且两者之间通过榫头连接。

Claims (13)

1.一种金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征在于，所述风扇叶片的压力面上设有内置复合材料的空槽结构，该空槽结构的底部与风扇叶片的吸力面等距离，空槽结构的厚度为风扇叶片的最大厚度的1/5～1/10，空槽结构与风扇叶片的外形轮廓形状为等比例关系。
2.根据权利要求1所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的空槽结构的厚度为风扇叶片的最大厚度的1/7。
3.根据权利要求1所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的空槽结构的上边沿与风扇叶片的叶顶间距为风扇叶片整体高度的5-10％，所述的空槽结构的前沿与风扇叶片的前缘的间距为叶片弦长的7-13％，所述的空槽结构的后沿与风扇叶片的尾缘的间距为叶片弦长的10-16％，所述的空槽结构的下边沿与风扇叶片的底部的间距为风扇叶片整体高度的12-18％。
4.根据权利要求1或3所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的空槽结构的上边沿与风扇叶片的叶顶间距为风扇叶片整体高度的8％；所述的空槽结构的前沿与风扇叶片的前缘的间距为叶片弦长的10％；所述的空槽结构的后沿与风扇叶片的尾缘的间距为叶片弦长的13％；所述的空槽结构的下边沿与风扇叶片的底部的间距为风扇叶片整体高度的15％。
5.根据权利要求1所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的风扇叶片的底部依次设有下缘板和楔形榫头，下缘板为等厚平板结构且下缘板与风扇叶片相焊接，该下缘板与风扇叶片、安装风扇叶片的轮盘一起形成流道结构；楔形榫头为纺锤体结构，用于将风扇叶片定位并传递载荷。
6.根据权利要求1所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的内置复合材料由若干层单向碳纤维复合材料叠加热压成型构成，每一层单向碳纤维的布置方向各不相同。
7.根据权利要求1所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的布置方向包括：用于增强风扇叶片的拉伸能力的沿风扇叶片的叶高方向布置的单向碳纤维复合材料、用于增强风扇叶片的抗扭曲能力的交错布置的单向碳纤维复合材料。
8.根据权利要求7所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的单向碳纤维复合材料的纤维方向与风扇叶片的旋转轴夹角为80～100°。
9.根据权利要求7或8所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片，其特征是，所述的单向碳纤维复合材料的纤维方向与风扇叶片的旋转轴夹角为90°。
10.一种根据上述任一权利要求所述的金属/复合材料混合结构的风扇叶片的制备方法，其特征在于，采用若干层单向碳纤维交错相叠且经过热压成型组成内置复合材料，然后在金属叶片压力面侧沿叶高方向切除部分金属，并使用多层交错结构的内置复合材料填充，使金属和复合材料整体粘合在一起形成风扇叶片。
11.一种宽弦风扇，其特征在于，包括上述任一权利要求所述风扇叶片。
12.根据权利要求11所述的宽弦风扇，其特征是，包括：叶片轮盘和15-25片风扇叶片，叶片轮盘和风扇叶片之间通过榫头连接。
13.一种民用大涵道比涡扇发动机，其特征在于，包括上述任一权利要求所述风扇叶片构成的宽弦风扇，其推重比为10～20。
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