CN102996510A

CN102996510A - 空心叶片

Info

Publication number: CN102996510A
Application number: CN2011102744972A
Authority: CN
Inventors: 喻双喜; 刘业胜; 段肖珑
Original assignee: AVIC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Current assignee: AVIC Commercial Aircraft Engine Co Ltd
Priority date: 2011-09-15
Filing date: 2011-09-15
Publication date: 2013-03-27

Abstract

一种空心叶片，其包括根部榫头和叶身型面部，所述型面部从所述根部榫头延伸到顶端并具有前缘、尾缘以及从所述前缘延伸到所述尾缘的压力面部分和吸力面部分，所述压力面部分和吸力面部分共同限定一个腔体，在所述腔体的内表面上连接有阻振部，所述阻振部具有多个在所述前缘和所述尾缘之间间隔地排布并从所述根部榫头延伸到所述顶端的空心的类六面柱体结构。由于本发明的叶片具有空心六面柱体结构，因此，均衡了各个方向的刚性，有效地增强叶片在各个方向上抗撞击能力。

Description

空心叶片

技术领域

本发明涉及空心叶片，尤其涉及应用于航空发动机中的空心风扇叶片。

背景技术

航空涡扇发动机包括风扇部分、压气机部分、燃烧室部分、涡轮部分和排气部分等。风扇部分包括风扇转子和机匣静子。而风扇转子是由风扇叶片、轮盘和轴等构成。叶片结构种类很多，空心风扇叶片是其中的一种结构类型。

宽弦空心叶片具有效率高、重量轻、抗外物损伤能力强、增加压气机喘振裕度等优点，而且可以通过采用这种新结构而减少单级风扇叶片数量，进一步减轻发动机重量。许多先进航空涡扇发动机均采用了宽弦空心风扇叶片的结构设计。

1968年，英国的罗尔斯·罗伊斯公司开始设计和研制第一代宽弦空心风扇叶片。这种叶片的结构特点是无凸肩、无缘板且内部具有蜂窝夹芯板的钛合金宽弦空心结构。20世纪80年代，罗尔斯·罗伊斯公司的第一代宽弦空心风扇叶片研制成功，并获得了应用。与窄弦带凸肩的实心风扇叶片相比，该型叶片的成功设计和应用，使得风扇转子叶片数量减少了约1/3；转子重量减轻了约10％～30％；蜂窝芯板结构改善了叶片的抗振性能；提高了风扇气动效率；降低了发动机的燃油消耗率；风扇叶片的喘振裕度增加；寿命获得了增长。70年代罗尔斯·罗伊斯公司在试车台和发动机上对第一代宽弦空心风扇叶片进行的低循环疲劳、高循环疲劳、吞鸟和包容性等试验结果以及在RB211-524G和V2500发动机上的成功应用都证明该叶片具有良好的结构完整性和极强的耐久性。

1984年，罗尔斯·罗伊斯公司开始了基于超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合制造工艺的第二代宽弦空心风扇叶片的研制工作。该型叶片采用了钛合金三层板结构超塑成形/扩散连接(SPF/DB)组合工艺制造，内部的近三角形桁架加强筋结构取代了第一代叶片中的蜂窝夹芯板结构。这样的结构设计使得叶片质量更轻，而且这种形式的内部芯板能够参与承力，每片叶片重量比采用蜂窝夹芯板的同样叶片减少约15％。罗尔斯·罗伊斯公司拥有的一篇美国专利US6,979,180，公开了一种空心风扇叶片，这种叶片在内部具有“瓦伦板”形状的钛合金结构，虽然从整体上讲，具有这种结构的叶片具有良好的刚性和抗鸟撞特性，然而，由于“瓦伦板”形状是由多个梯形构成的，而梯形结构本身又具有刚性不均匀的特点，因而会导致叶片各向抗冲击性差异的技术问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种新的空心叶片结构，它不同于内腔芯板为“瓦伦板”结构，也不同于内腔为“蜂窝芯”的结构。本发明所公开的空心叶片是由构成叶片型面的两块面板和形成空心内腔的两块芯板构成，采用扩散连接和超塑成型工艺在一体芯板上形成空心的类六面柱体和空心的梯形柱体结构。由于本发明的叶片具有空心的类六面柱体结构，因此，其均衡了各个方向的刚性，有效地增强叶片在各个方向上抗撞击能力。

本发明公开了一种空心叶片，其包括根部榫头和叶身型面部，型面部从根部榫头延伸到顶端并具有前缘、尾缘以及从前缘延伸到尾缘的压力面部分和吸力面部分，压力面部分和吸力面部分共同限定一个腔体，在腔体的内表面上连接有阻振部，阻振部具有多个在前缘和尾缘之间间隔地排布并大体上从根部榫头延伸到顶端的空心的类六面柱体结构。

其中，相邻的空心的类六面柱体结构之间具有连接部分，其将相邻的空心的类六面柱体的彼此邻近的两端连接起来。

优选地，压力面部分、吸力面部分和阻振部分别由两块面板和两块芯板通过将两块芯板放在在两块面板的中间经扩散连接和超塑成形而形成。

更优选地，芯板之间以及芯板和面板之间在扩散连接前分别在彼此相对表面的预定表面上喷涂止焊剂并形成芯板-芯板止焊剂条带和芯板-面板止焊剂条带，芯板-芯板止焊剂条带和芯板-面板止焊剂条带在前缘到尾缘的方向上是相互错落排列的。

可选择地，吸力面部分、压力面部分和阻振部由钛合金或铝合金或钢材料形成。其中，钢材料较优地为不锈钢。

具体地，空心叶片为定子叶片或转子叶片。

更具体地，定子叶片为风扇导向叶片。

更具体地，转子叶片为风扇叶片或压气机叶片。

本发明还公开了一种制造空心叶片的方法，其包括：

(a)形成两块面板和两块芯板；

(b)在两块芯板的一块上施加阻焊剂以形成多个间隔开的条带状阻焊区，并将施加阻焊剂的芯板的表面面对另一块芯板而将两块芯板堆叠成芯板-芯板组合体以使得阻焊剂夹在芯板之间；

(c)在两块面板或芯板-芯板组合体上施加阻焊剂以形成多个间隔开的条带状阻焊区，并将两块面板中的一块置放到芯板-芯板组合体的上表面上，另一块置放到芯板-芯板组合体的下表面下而堆叠成面板-芯板组合体以将阻焊剂夹在面板和芯板-芯板组合体之间，其中面板和芯板-芯板组合体之间的阻焊区和芯板-芯板组合体的芯板之间的阻焊区是彼此交错的；

(d)将面板-芯板组合体置入成形模具中并对其加热，使得芯板-芯板组合体的芯板之间以及面板和芯板-芯板组合体之间除阻焊区外扩散连接在一起；

(e)向所述成形模具内吹入高压惰性气体，使得所述芯板-芯板组合体的芯板之间以及面板和芯板组合体之间的阻焊区超塑成形为空心的类六面柱体结构。

较优地，在步骤(c)之后在步骤(d)之前，所述面板-芯板组合体留有供在步骤(e)中的高压惰性气体进气的进气口。

较优地，空心的类六面柱体结构大体上在叶片的根部榫头到叶片顶端的的方向上延伸，且在叶片的前缘到尾缘的方向上排列。

附图说明

图1为本发明的风扇叶片的示意图；

图2中，(a)为应用本发明的对称叶型的风扇叶片的横截面示意图；(b)为应用本发明的弯扭叶型的风扇叶片的横截面示意图；

图3中，(a)和(b)分别为形成本发明的风扇叶片的面板和芯板在喷涂止焊剂前后的概略性示意图。

具体实施方式

如图1-图2所示，其中，图2中(a)和(b)分别表示两种不同的叶型，即对称叶型和弯扭叶型。风扇叶片10包括榫头11和叶身型面12。榫头11具有楔形或其他合适的形状用来安装到风扇轮盘13上相应形状的榫槽中。叶身型面12具有从前缘14延伸到尾缘15的压力面部分16和吸力面部分17，结合图3，压力面部分16和吸力面部分17分别由面板20、22形成，该面板20、22的材料为钛合金。可选择地，该面板20、22的材料也可以为钢材料，如不锈钢。在由压力面部分16和吸力面部分17所形成的容腔中，还具有阻振部18，该阻振部18具有从前缘14到尾缘15间隔地排布并从叶根到叶尖延伸的多个空心的类六面柱体结构182，其通过类六面柱体182的上、下两个相对的表面分别连接在容腔中的压力面部分16和吸力面部分17的内表面上，相邻的空心的类六面柱体182之间是通过连接彼此邻近的两个端点之间的连接部分184连接在一起的。

当阻振部18作为整体设置在容腔内后，从如图2所示的截面上能够看到，表面182a、182b、182c、182d、182e、182f形成了一个空心的类六面柱体，其中，两个相对的表面182a、182b分别与压力面部分16和吸力面部分17固定连接。空心的类六面柱体182的表面182c、相邻的空心的类六面柱体182的表面182d’、连接两表面的连接部分184和处于两表面之间的部分面板形成中空梯形186；空心的类六面柱体182的表面182e、相邻的空心的类六面柱体182的表面182f’、连接两表面的连接部分184和处于两表面之间的部分面板形成中空梯形186；空心的类六面柱体182的表面182d、相邻的空心的类六面柱体182的表面182c”、连接两表面的连接部分184和处于两表面之间的部分面板形成中空梯形186；空心的类六面柱体182的表面182f、相邻的空心的类六面柱体182的表面182e”、连接两表面的连接部分184和处于两表面之间的部分面板形成中空梯形186。

由于空心的类六面柱体182是以两个表面(如182a、182b)连接于压力面部分16和吸力面部分17的内表面上的，且压力面部分16和吸力面部分17从前缘14到尾缘15的形状不断变化，因此，适应于压力面部分16和吸力面部分17内表面的各个空心的类六面柱体182的形状也是不断变化的。如图2所示，该空心的类六面柱体182的截面形状从前缘14到尾缘15先从小到大再从大变小。上述空心的类六面柱体182和相邻空心的类六面柱体182之间的连接部分184是由两块芯板24、26来形成，该芯板24、26的材料为钛合金。可选择地，该芯板24、26的材料也可以为铝合金材料或钢材料等，其中，钢材料较优地为不锈钢。

下面，就面板20、22以及芯板24、26如何形成叶片作概略性说明，由于大部分工艺均采用现有技术，故本领域技术人员通过阅读下面的说明，应当可以理解本发明所要求保护的叶片是如何制得的。

结合图3，图3(a)中概略性地示出了面板和芯板未喷涂止焊剂的情形，图3(b)中概略性地示出了芯板之间以及芯板和面板之间喷涂了止焊剂的情形。具体地，在两块较薄的芯板24、26的相对的待连接面上，在前缘14到尾缘15的方向上以一定的间隔并以一定的连续长度喷涂止焊剂以形成阻焊区，每段止焊剂在叶根到叶尖的方向上延伸约略整个芯板的宽度，即止焊剂(或阻焊区)在芯板24、26的待连接区呈现为彼此间隔的条带状。然后将两块芯板24、26堆叠在一起使得止焊剂夹在其间形成芯板-芯板组合体，再在芯板24、26与面板20、22的待连接区(可以在芯板24、26上也可以在面板20、22上)间隔地喷涂止焊剂使其也呈现为条带状以形成阻焊区，同时，当两块面板20、22分别放置在芯板-芯板组合体的上面和下面时，即，按照面板、芯板-芯板组合体、面板的顺序依上到下放置到一起形成面板-芯板组合体，使芯板24、26和面板20、22之间的止焊剂条带与芯板24、26之间的止焊剂条带呈现交错状，且大体上这些止焊剂条带彼此平行。值得一提的是，在芯板24、26和面板20、22将要形成叶片前缘14和尾缘15的位置处均不喷涂止焊剂，这是为了便于两端部在下述工艺中连接在一起以形成叶片前缘14和尾缘15。

然后，一起用氩弧焊焊接封边并留有进气口从而形成如图3(b)所示的层状结构。

将上述层状结构放入用来成形叶片型面的模具内，并将模具放入到带有加热系统的压机中，加热升温至使面板20、22和芯板24、26处于塑性变形的温度，然后，将该模具连接气压泵，通过进气口向模腔内吹入惰性气体如氩气，然后保温使层板结构内部未喷涂止焊剂部位进行扩散连接。

扩散连接完成后，通过模具的进气口再向层状结构中吹入高压氩气，由于喷涂止焊剂的区域在扩散连接中并没有连接在一起并且处于塑性变形状态，因此，外面的两层面板20、22进行拉伸和扭曲变形超塑成形(SPF)为叶片型面的形状，同时，中间两层芯板24、26延展变形形成空心的梯形柱体结构186和空心的类六面柱体结构182。

完全贴模成形后，随炉冷却，取出成形件进行表面化铣；最后数控加工出叶根和叶型边缘。

在上文中，所提及的扩散连接和超塑成形均在成形叶片型面的模具中进行的，然而，本领域的技术人员应当可以理解，可以在扩散连接过程中先使用扩散连接模具而不是上文提到的成形叶片型面的模具，然后，在超塑成形过程中再使用成形叶片型面的模具。自然，本领域的技术人员对扩散连接和超塑成形过程中所使用的模具可能会有不同的术语，如扩散连接模或超塑成形模等。无论对术语如何进行定义，其基本内涵在于通过在扩散连接和超塑成形过程中使用模具将层状结构成形为叶片。值得注意的是，通过模具成形的叶片并不一定是最终的叶片形状，所以，正如上文所述，还需要进行表面处理和叶根叶型的加工。

本领域的技术人员应当可以理解上文所述的“扩散连接”和“超塑成形”所要求的具体工艺条件如温度、压力等，因为这两种工艺以及这两种工艺的结合均属于现有技术，故在此不再赘述。

本领域的技术人员应当可以理解，上文所述的叶片即可用作转子叶片也可用作定子叶片，若用作转子叶片，可以应用于例如风扇叶片或压气机叶片，若用作定子叶片，可以应用于例如风扇出口导向叶片。

如上所述，整个空心叶片是由两层较厚的构成叶片型面的面板和构成叶片空心内腔的两层薄的芯板构成。两层芯板较薄，其两层质量与“瓦伦板”结构一层芯板相当。由于本发明的两层芯板通过扩散连接和超塑成型工艺，使叶片内腔的内芯形成空心的类六面柱体和空心梯形柱体结构，这种结构具有较良好的结构稳定性和较强的抗冲击能力；并且，由于内芯呈空心的类六面柱体和空心的梯形柱体，各个方向上的刚性较为均衡，增强了叶片在各个方向上的抗撞击能力。

整个制造工艺过程与“瓦伦板”结构相似，总体来说，通过制板、设计扩散连接区域尺寸、扩散连接、超塑成型等工序制成。

上述描述虽然对本发明作了比较详细的说明，但是这些只是对本发明说明性的，而不是对本发明的限制，任何超出本发明实质精神内的发明创造，均落入本发明的保护范围内。

Claims

1.一种空心叶片，其包括根部榫头和叶身型面部，所述型面部从所述根部榫头延伸到顶端并具有前缘、尾缘以及从所述前缘延伸到所述尾缘的压力面部分和吸力面部分，所述压力面部分和吸力面部分共同限定一个腔体，在所述腔体的内表面上连接有阻振部，所述阻振部具有多个在所述前缘和所述尾缘之间间隔地排布并大体上从所述根部榫头延伸到所述顶端的空心的类六面柱体结构。

2.根据权利要求1所述的空心叶片，其中，相邻的空心的类六面柱体结构之间具有连接部分，其将相邻的空心的类六面柱体的彼此邻近的两端连接起来。

3.根据权利要求1所述的空心叶片，其中，所述压力面部分、吸力面部分和所述阻振部分别由两块面板和两块芯板通过将所述两块芯板放在在所述两块面板的中间经扩散连接和超塑成形而形成。

4.根据权利要求3所述的空心叶片，其中，所述芯板之间以及所述芯板和所述面板之间在所述扩散连接前分别在彼此相对表面的预定表面上喷涂止焊剂并形成芯板-芯板止焊剂条带和芯板-面板止焊剂条带，所述芯板-芯板止焊剂条带和所述芯板-面板止焊剂条带在所述前缘到所述尾缘的方向上是相互错落排列的。

5.根据权利要求1-4所述的空心叶片，其中，所述吸力面部分、所述压力面部分和所述阻振部由钛合金或铝合金或钢材料形成。

6.根据权利要求1-4所述的空心叶片，其中，所述空心叶片为定子叶片或转子叶片。

7.根据权利要求6所述的空心叶片，其中，所述定子叶片为风扇导向叶片。

8.根据权利要求6所述的空心叶片，其中，所述转子叶片为风扇叶片或压气机叶片。

9.一种制造空心叶片的方法，其包括：

(a)形成两块面板和两块芯板；

(b)在所述两块芯板的一块上施加阻焊剂以形成多个间隔开的条带状阻焊区，并将施加阻焊剂的芯板的表面面对另一块芯板而将所述两块芯板堆叠成芯板-芯板组合体以使得所述阻焊剂夹在芯板之间；

(c)在所述两块面板或所述芯板-芯板组合体上施加阻焊剂以形成多个间隔开的条带状阻焊区，并将所述两块面板中的一块置放到所述芯板-芯板组合体的上表面上，另一块置放到所述芯板-芯板组合体的下表面下而堆叠成面板-芯板组合体以将所述阻焊剂夹在所述面板和所述芯板-芯板组合体之间，其中所述面板和所述芯板-芯板组合体之间的阻焊区和所述芯板-芯板组合体的芯板之间的阻焊区是彼此交错的；

(d)将所述面板-芯板组合体置入成形模具中并对其加热，使得所述芯板-芯板组合体的芯板之间以及面板和芯板-芯板组合体之间除所述阻焊区外扩散连接在一起；

(e)向所述成形模具中吹入高压惰性气体，使得所述芯板-芯板组合体的芯板之间以及面板和芯板-芯板组合体之间的阻焊区超塑成形为空心的类六面柱体结构。

10.根据权利要求9所述的制造空心叶片的方法，其中，在步骤(c)之后在步骤(d)之前，所述面板-芯板组合体留有供在步骤(e)中的所述高压惰性气体进气的进气口。

11.根据权利要求9所述的制造空心叶片的方法，其中，所述面板的材料为钛合金或铝合金或钢材料。

12.根据权利要求9所述的制造空心叶片的方法，其中，所述芯板的材料为钛合金或铝合金或钢材料。

13.根据权利要求9所述的制造空心叶片的方法，其中，所述空心的类六面柱体结构大体上在叶片的根部榫头到叶片顶端的方向上延伸，且在叶片的前缘到尾缘的方向上排列。