CN103052807B - 风扇动叶片以及风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明提供风扇动叶片，其具有：由热固性或者热塑性树脂、与强化纤维的复合材料构成的叶片主体；由复合材料与叶片主体的基端一体形成的叶片根部；以及在叶片主体的前缘沿翼展方向延伸地安装的铠装。铠装具备铠装主体与从铠装主体的后端两侧一体地延伸突出的一对接合片，并且，被划分为铠装基端侧部分与铠装前端侧部分。铠装前端侧部分与铠装基端侧部分平滑地连续，并且，在翼展方向上具有铠装基端侧部分的长度以上的长度。与被吸入发动机壳体内的异物碰撞的径向最外侧的铠装前端侧部分上的假定碰撞位置的铠装主体的铠装长度在10%弦长以上60%弦长以下。风扇动叶片的前端边缘的铠装的铠装长度在40%弦长以上。上述风扇动叶片具有充足的耐冲击性，并且，能够实现简化以及轻型化。

Description

风扇动叶片以及风扇
技术领域
本发明涉及将空气吸入在飞机发动机的发动机壳体内形成的发动机流道的风扇、以及其风扇动叶片[fan rotor blade]。
背景技术
近几年，在飞机发动机的领域内，树脂与强化纤维的复合材料（FRP）作为轻型且高强度的材料而受到注目，并开发了使用这样的复合材料的各种风扇动叶片（参照下述专利文献1~4）。
对于使用了上述的复合材料的风扇动叶片而言，叶片主体[blade body]由复合材料构成。例如，叶片主体由环氧树脂等热固化树脂或者聚醚醚酮[polyetheretherketone]（PEEK）等热塑性树脂、与碳纤维等强化纤维的复合材料构成。另外，叶片主体具有负压面[suction-side surface]（凸面[convex surface]）以及正压面[pressure-side surface]（凹面[concave surface]）。
在叶片主体的基端，一体形成有叶片根部[blade root]。叶片根部也由环氧树脂等热固性树脂或者聚醚醚酮等热塑性树脂、与碳纤维等强化纤维的复合材料构成。另外，叶片根部与形成于风扇盘外周的嵌合槽[joint slot]嵌合。
在叶片主体的前缘[leading edge]，设有保护前缘的铠装[sheath]。铠装沿翼展方向延伸，其由金属构成。并且，也有如下情况，即，在叶片主体的后缘[trailing edge]（或者，前端边缘以及后缘），设置加强叶片主体的防护装置。防护装置与铠装相同，由金属构成。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009-68493号
专利文献2：日本特开2008-32000号
专利文献3：日本特开平9-217602号
专利文献4：美国专利第5375978号
发明内容
发明所要解决的课题
为了充分确保风扇动叶片相对于被吸入发动机壳体内的鸟、冰板[ice slab]等异物[obstacle]的耐冲击性，一般，不仅需要在叶片主体的前缘设置铠装，也需要如上述那样地在后缘设置防护装置、或者使叶片主体变厚。但是，在叶片主体的后缘设有防护装置的情况下，增加风扇动叶片的构成部件[components]，从而构成变得复杂，且妨碍实现轻型化。另外，在使叶片主体变厚的情况下，气动力性能降低，且阻碍实现轻型化。
本发明的目的在于，提供使用了复合材料的具有充足的耐冲击性的风扇动叶片、以及使用了该风扇动叶片的风扇。
用于解决课题的方法
本发明的第一个特征在于提供如下风扇动叶片，其在向形成于飞机发动机的发动机壳体内的发动机流道吸入空气的风扇上使用，并由热固性或者热塑性树脂与强化纤维的复合材料构成，其中，其具备：叶片主体，其由上述复合材料构成，并在一侧具有负压面、且在另一侧具有正压面；叶片根部，其由上述复合材料与上述叶片主体的基端一体形成，并能够与形成于上述风扇的风扇盘的外周的嵌合槽嵌合；以及金属制的铠装，其在上述叶片主体的前缘沿翼展方向延伸地进行安装，并保护上述前缘，上述铠装具备朝向前方逐渐地变薄的铠装主体、以及从上述铠装主体的后端两侧一体地延伸突出的一对接合片，并且被划分为上述叶片主体的基端侧的铠装基端侧部分与上述叶片主体的前端侧的铠装前端侧部分，上述铠装前端侧部分与上述铠装基端侧部分平滑地连续，并且，在上述翼展方向上具有上述铠装基端侧部分的长度以上的长度，与被吸入上述发动机壳体内的异物碰撞的径向最外侧的上述铠装前端侧部分上的假定碰撞位置上的、上述铠装主体的铠装长度在10%弦长以上60%弦长以下，上述风扇动叶片的前端边缘的上述铠装的铠装长度在40%弦长以上。
此外，“风扇动叶片”不仅是狭义上的风扇动叶片，也包括向发动机壳体内吸入空气的最上游侧的压缩机动叶片。另外，“铠装长度”指的是，连接风扇动叶片的前缘与后缘上的相同翼展位置的方向的长度。
根据上述第一个特征，假定碰撞位置的铠装主体的铠装长度在10%弦长以上60%弦长以下，从而能够充分减少异物的碰撞能量。另外，风扇动叶片的前端边缘的铠装的铠装长度在40%弦长以上，从而能够使由于异物与风扇动叶片的碰撞而在风扇动叶片的前端边缘产生的应力波所引起的最大形变在基准允许最大形变以下。由此，不需要在叶片主体的后缘等设置加强叶片主体的防护装置、或者使叶片主体变厚，就能够充分确保风扇动叶片的耐冲击性。另外，不会导致风扇动叶片的气动力性能的降低，能够减少风扇动叶片的构成部件，而能够简化风扇动叶片的构成，并且，能够使风扇动叶片轻型化。
本发明的第二个特征在于提供如下风扇，其向形成于飞机发动机的发动机壳体内的发动机流道吸入空气，其中，其具有：风扇盘，其能够绕轴心旋转地设在上述发动机壳体内，并在外周形成有多个嵌合槽；以及多个上述第一特征的风扇动叶片，它们分别与多个上述嵌合槽嵌合。
根据上述第二个特征，除了能够得到上述第一个特征所引起的效果，若由于飞机发动机的运转而使风扇盘旋转，则使多个风扇动叶片与风扇盘一体旋转，从而能够向发动机壳体内的发动机流道吸入空气。
附图说明
图1是风扇动叶片的一个实施方式的侧视图。
图2是图1的II-II线放大剖视图。
图3是具有上述风扇动叶片的飞机发动机的前方部分的侧剖视图。
图4是表示假定碰撞位置的铠装主体的铠装长度k、与沿风扇动叶片的前端边缘的铠装的铠装长度m的侧视图。
图5是表示上述铠装长度k与异物的碰撞能量的关系的图。
图6是表示风扇动叶片的前端边缘上的离前缘的位置与该位置的前端边缘的最大形变的关系的图。
具体实施方式
首先，对实现具有充足的耐冲击性的风扇动叶片时得到的两个新的方案进行说明。
参照图4以及图5对第一个新的方案进行说明。如图4所示，将铠装前端部分[sheath top segment]51T在与异物（被吸入发动机壳体内的鸟、冰板等）的假定碰撞位置P（径向最外侧位置）的铠装主体[sheath main body]（参照从图2所示的铠装51整体中除去了接合片55、57的铠装主体53）的弦向的长度设为铠装长度k。此处，如图5的图表所示，若将铠装长度k设为10%弦长（=风扇动叶片的弦向全长的10%的长度）以上，则能够减少异物的碰撞能量，并且，即使将铠装长度k设为比60%弦长更长，也不会提高碰撞能量的减少效果。此外，假定碰撞位置P基于假定的异物的大小、风扇动叶片23的大小等而具体决定。
参照图4以及图6对第二个新的方案进行说明。如图4所示，将沿风扇动叶片23的前端边缘的铠装51（参照图2所示的铠装51整体）的长度设为铠装长度m。此处，如图6所示，若将铠装长度m设为40%弦长以上，则能够使由于异物的冲击而在风扇动叶片23的前端边缘产生的应力波所引起的最大形变在基准允许最大形变[maximum allowable strain criterion]以下。此外，“基准允许最大形变”指的是，认为经验或者试验方面能够允许的风扇动叶片的前端边缘的最大形变。
此外，对于图6所示的以铠装长度m为单位的离前缘开始的位置与前端边缘的最大形变的关系而言，基于当离地时被吸入发动机壳体3内的2.53磅（约1.15千克）的异物在假定碰撞位置碰撞的条件，根据冲击响应解析来求出。
参照图1~图3对风扇动叶片23（以及使用了该风扇动叶片23的风扇1）的一个实施方式进行说明。此外，图中“FF”表示前方，“FR”表示后方。
如图3所示，风扇1向形成于飞机发动机的发动机壳体3内的发动机流道5吸入空气。发动机壳体3由筒状的核心整流罩[core cowl]7、以及经由多个支柱9（仅图示一个）而设于核心整流罩7的外侧的导流罩[nacelle]11构成。发动机流道5从中途分支为形成于核心整流罩7的内侧的环状（筒状）的核心流道（主流道）13、与在导流罩11的内侧形成于核心整流罩7的外侧的旁通流道15。
在核心整流罩7的前部，经由轴承19可旋转地设有风扇盘17。风扇盘17与配设于风扇1的后方的多个低压涡轮转子（图示省略）同轴状地一体连结。另外，在风扇盘17的外周，等间隔地形成有多个嵌合槽21。
在风扇盘17的各嵌合槽21中，嵌合有风扇动叶片23。风扇动叶片23由热固性树脂与强化纤维的复合材料（FRP）构成。在风扇盘17的各嵌合槽21的底面与风扇动叶片23之间设有隔离物25。在风扇盘17的前方，设有从前方保持风扇动叶片23的环状的前保持架27，并且，在风扇盘17的后方，设有从后方保持风扇动叶片23的环状的后保持架29。此外，前保持架27与引导空气的防风锥31一体连结，后保持架29与配设于风扇1的后方的低压压缩机33的低压压缩机转子35同轴状一体连结。
因此，若由于飞机发动机的运转而使风扇盘17旋转，则风扇动叶片23与风扇盘17一体旋转，从而向发动机流道5（核心流道13以及旁通流道15）吸入空气。
参照图1以及图2对风扇动叶片23的构成进行说明。风扇动叶片23如上所述地用于风扇1，其具有叶片主体37。叶片主体37由热固性树脂（环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺树脂等）与强化纤维（碳纤维、芳香族聚酰胺纤维或者玻璃纤维等）的复合材料构成。如图1所示，对于叶片主体37而言，一侧具有负压面（凸面）39，另一侧具有正压面（凹面）41。如图2所示，在叶片主体37主体的负压面39的前方边缘[front edge]形成有沿翼展方向延伸的第一台阶部[first stepped portion]43，在叶片主体37主体的正压面41的前方边缘，形成有沿翼展方向延伸的第二台阶部[second stepped portion]45。
此外，叶片主体37由热固性树脂与强化纤维的复合材料构成，也可以代替地，由热塑性树脂（聚醚醚酮或者聚苯硫醚等）与强化纤维的复合材料来构成。
在叶片主体37的基端，一体形成有叶片根部47。叶片根部47也由热固性树脂（环氧树脂、酚醛树脂或者聚酰亚胺树脂等）与强化纤维（碳纤维、芳香族聚酰胺纤维或者玻璃纤维等）的复合材料构成。另外，叶片根部47具有与形成于风扇盘17的外周的嵌合槽21嵌合的楔形榫[dovetail]49。
此外，叶片根部47也由热固性树脂与强化纤维的复合材料构成，也可以代替地，由热塑性树脂（聚醚醚酮或者聚苯硫醚等）与强化纤维的复合材料构成。
此处，叶片主体37和叶片根部47的边界部与发动机流道5的流道面5f一致。
在叶片主体37的前缘，安装有铠装51。铠装51由沿翼展方向延伸的金属（钛合金等）构成。铠装51具有位于前方的铠装主体53、从铠装主体53的后端两侧一体地延伸突出的一对第一接合片55以及第二接合片57。第一接合片55以及第二接合片57与铠装主体53一起覆盖叶片主体37主体（从叶片主体37中除去铠装51的部分）的前方边缘[front edge]。铠装主体53朝向前方逐渐变薄，其前方边缘[front edge]成为叶片主体37的前缘[leading edge]。第一接合片55从铠装主体53的负压面39侧的后方边缘一体地延伸突出。第一接合片55通过片状的粘结剂而与上述的第一台阶部43接合。并且，第二接合片57从铠装主体53的正压面41侧的后方边缘一体地延伸突出。第二接合片57通过片状的粘结剂而与上述的第二台阶部45接合。
对风扇动叶片23的主要部分（特征部分）进行说明。铠装51沿其风扇动叶片23的延伸方向（翼展方向）而被划分[segmented]为叶片主体37的基端侧（毂侧）的铠装基端部分[sheath base segment]51H、以及叶片主体37的前端侧的铠装前端侧部分[sheath top segment]51T。另外，铠装前端侧部分51T与铠装基端侧部分51H平滑地连续，它们的边界点I位于离铠装51的基端（毂端）50~80%翼展（=风扇动叶片的翼展方向全长的50~80%的长度）的位置。
铠装51（铠装前端侧部分51T）的上述的假定碰撞位置P（在本实施方式中离铠装51的基端80%翼展）的铠装主体53的铠装长度k为10%弦长以上60%弦长以下，优选为10%弦长以上30%弦长以下。此处，基于上述的第一个新的方案，将铠装长度k设为10%弦长以上。另外，若铠装长度k超过60%弦长，则铠装51的重量过大。
铠装51（铠装前端侧部分51T）的上述的铠装长度m为40%弦长以上，优选为40%弦长以上60%弦长以下。此处，基于上述的第二个新的方案，将铠装长度m设为40%弦长以上。
根据本实施方式，由于上述的铠装长度k为10%弦长以上60%弦长以下，所以能够充分减少鸟、冰板等异物的碰撞能量。另外，由于上述的铠装长度m为40%弦长以上，所以能够使由于异物与风扇动叶片23的碰撞而在风扇动叶片23的前端边缘产生的应力波所引起的最大形变在基准允许最大形变以下。由此，不需要在叶片主体37的后缘等设置加强叶片主体37的防护装置、或者使叶片主体37变厚，并且，能够抑制铠装51的重量增大，且能够充分确保风扇动叶片23的耐冲击性。
因此，不会使风扇动叶片23的气动力性能降低，能够减少风扇动叶片23的构成部件，而能够简化风扇动叶片23的构成，并且，能够使风扇动叶片23轻型化。
另外，铠装51的弦向的长度从铠装基端侧部分51H朝向铠装前端侧部分51T（从图1中的下方朝向上方）而逐渐变长。铠装基端侧部分51H的旋转半径小，从而旋转速度比铠装前端侧部分51T的旋转速度慢。因此，铠装基端侧部分51H相对于异物的碰撞速度比铠装前端侧部分51T相对于异物的碰撞速度慢，从而需要的铠装的弦向的长度短即可，通过变短而有助于轻型化。因此，如上所述，铠装51的弦向的长度从铠装基端侧部分51H朝向铠装前端侧部分51T逐渐变长，从而能够平衡良好地实现风扇动叶片23的耐冲击性与轻型化。
此外，本发明不限定于上述实施方式，能够以各种方式进行实施。另外，本发明所包含的权利范围也不限定于上述实施方式。

Claims (6)

1.一种风扇动叶片，其在向形成于飞机发动机的发动机壳体内的发动机流道吸入空气的风扇上使用，并由热固性或者热塑性树脂与强化纤维的复合材料构成，
上述风扇动叶片的特征在于，具备：
叶片主体，其由上述复合材料构成，并在一侧具有负压面、且在另一侧具有正压面；
叶片根部，其由上述复合材料与上述叶片主体的基端一体形成，并能够与形成于上述风扇的风扇盘的外周的嵌合槽嵌合；以及
金属制的铠装，其在上述叶片主体的前缘沿翼展方向延伸地进行安装，并保护上述前缘，
上述铠装具备朝向前方逐渐地变薄的铠装主体、以及从上述铠装主体的后端两侧一体地延伸突出的一对接合片，并且被划分为上述叶片主体的基端侧的铠装基端侧部分与上述叶片主体的前端侧的铠装前端侧部分，
上述铠装前端侧部分与上述铠装基端侧部分平滑地连续，并且，在上述翼展方向上具有上述铠装基端侧部分的长度以下的长度，
上述铠装主体中与被吸入上述发动机壳体内的异物碰撞的径向最外侧的上述铠装前端侧部分上的假定碰撞位置上的铠装长度在10％弦长以上60％弦长以下，
上述风扇动叶片的前端边缘的上述铠装的铠装长度在40％弦长以上。
2.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，
上述假定碰撞位置上的上述铠装主体的上述铠装长度在10％弦长以上30％弦长以下。
3.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，
上述前端边缘的上述铠装的上述铠装长度在40％弦长以上60％弦长以下。
4.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，
上述铠装的弦向的长度从上述铠装基端侧部分朝向上述铠装前端侧部分逐渐地变长。
5.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，
上述铠装以外的全部的部分由上述复合材料构成。
6.一种风扇，其向形成于飞机发动机的发动机壳体内的发动机流道吸入空气，上述风扇的特征在于，具有：
风扇盘，其能够绕轴心旋转地设在上述发动机壳体内，并在外周形成有多个嵌合槽；以及
多个权利要求1～5中任一项所述的风扇动叶片，它们分别与多个上述嵌合槽嵌合。
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