CN103089317A - 一种空心风扇叶片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种空心风扇叶片，包括：上壁板、下壁板以及由所述上壁板和所述下壁板通过原子扩散连接而限定的内部腔室，所述内部腔室内设有多个钛合金弹簧，并填充有阻尼材料，所述弹簧的两端分别通过原子扩散连接到所述上壁板和所述下壁板，所述上壁板和所述下壁板中至少一个设有多个凹槽，所述弹簧的端部被分别定位于所述凹槽内。本发明还提供一种所述空心风扇叶片的制造方法。本发明的叶片具有减震和吸收冲击能量的效果，并且重量更轻，工艺更简单。

Description

一种空心风扇叶片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种空心风扇叶片，其主要用于民用大涵道比涡扇发动机，属于航空发动机及高速旋转机械技术领域。
背景技术
现代民用大涵道比涡扇发动机的风扇叶片多采用宽弦无中间凸台的设计，与带凸台的窄弦叶片相比，宽弦叶片不仅性能好、效率高，而且在抗外物撞击能力方面都有所提高。
当在大涵道比民用航空发动机广泛采用宽弦无中间凸台的风扇叶片后，一个必要解决的问题是叶片由于颤振和气动扭转引起的振动。英国Rolls·Royce公司申请的专利EP2014384A1“具有内部阻尼材料的组件及其制造方法”中，采用扩散连接、超速成形和在空心结构内部填充阻尼材料的方法以减少振动，形成的产品是带有中间阻尼材料的瓦伦结构叶片。但是，这种填充阻尼材料的工艺较为复杂，且成形后叶片的重量相对较高，不利于体现空心叶片的优势。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种空心风扇叶片，其具有减震和吸收冲击能量的效果，并且重量更轻，工艺更简单。
根据本发明的空心叶片，包括：上壁板、下壁板以及由所述上壁板和所述下壁板通过原子扩散连接而限定的内部腔室，所述内部腔室内设有多个钛合金弹簧，并填充有阻尼材料，所述弹簧的两端分别通过原子扩散连接到所述上壁板和所述下壁板，所述上壁板和所述下壁板中至少一个设有多个凹槽，所述弹簧的端部被分别定位于所述凹槽内。
优选地，所述弹簧为圆锥形螺旋弹簧。即，每一圈的弹簧直径都不相等，直径沿着弹簧的高度方向渐渐变小。这样，在弹簧被充分压缩后，其高度只有底圈弹簧的高度。
优选地，所述弹簧为中凹形螺旋弹簧，即两个圆锥形螺旋弹簧顶部对置而形成。换句话说，弹簧的直径在高度方向上不相同，但是上下对称，从而弹簧被充分压缩后，其高度只有底圈和顶圈的高度之和。
优选地，所述阻尼材料为具有热塑性、质量轻的粘弹性材料，例如树脂等。
本发明还提供上述空心风扇叶片的制造方法，包括步骤：
(1).提供两块钛合金面板作为空心风扇叶片的上、下壁板，在所述上、下壁板中的至少一个上设置多个凹槽，用于在叶片生产的过程中对钛合金弹簧进行定位；
(2).在所述上壁板和/或所述下壁板和钛合金弹簧上布置反扩散的阻隔材料，布置反扩散的阻隔材料区域为：所述钛合金弹簧上除了底圈和顶圈以外的其它部位；所述上壁板和/或所述下壁板上除了上、下壁板的连接区域和壁板与弹簧的连接区域以外的其它区域，其中阻隔材料为氧化钇；
(3).将所述钛合金弹簧分别放入所述凹槽，再将所述上壁板和所述下壁板重叠，形成装配体；
(4).对所述装配体进行加热加压，进行扩散连接，其中加热的温度为850～950℃，对所述装配体的压力增加到2～3个大气压；
(5).对完成扩散连接的装配体在惰性气体环境中进行超塑成形，其中所述上、下壁板之间涂有阻隔材料的区域由于没有发生扩散连接将形成内部腔室，以及所述弹簧被拉长；
(6).在所述内部腔室中填充阻尼材料：将阻尼材料加热成流体，通过在叶片超塑成形时保留的通孔注入，在重力作用下灌满所述空腔结构，待冷却后，阻尼材料流体固化，形成空心风扇叶片。
本发明的有益效果：
(1)减震。叶片和壁板的振动传递给弹簧，弹簧的金属圈能够和阻尼材料进行摩擦和挤压，从而达到叶片减振和吸收振动能量的优点。
(2)吸收冲击能量。当叶片受到较轻质量的外物打击时，弹簧能承担一部分撞击能量而不引起损伤，保证叶片结构的完整性。
(3)重量更轻，工艺更简单。
附图说明
图1是根据本发明的空心风扇叶片的优选实施例的结构剖视图；
图2是根据本发明的圆锥形螺旋弹簧的结构示意图；
图3是图2中的弹簧被压缩时的结构示意图；
图4是根据本发明的中凹形螺旋弹簧的结构示意图；
图5是图4中的弹簧被压缩时的结构示意图；
图6是叶片的一个壁板上的凹槽的结构示意图；
图7a、7b是上壁板、下壁板和弹簧形成的装配体的局部示意图；
图8a、8b是叶片成形后的局部剖视图。
附图标记说明
10空心风扇叶片
20上壁板
21凹槽
30下壁板
31凹槽
40内部腔室
50、50’弹簧
具体实施方式
下面结合附图详细描述根据本发明的空心风扇叶片的优选实施例。
参见图1，其示出了根据本发明的钛合金空心风扇叶片10的一个优选实施例。该空心风扇叶片10包括上壁板20、下壁板30以及内部腔室40。内部腔室40由上壁板20和下壁板30通过原子扩散连接而限定。上壁板20和/或下壁板30可由钛合金材料制成。上壁板20和下壁板30中至少一个设有多个凹槽(如图6所示)，在所示实施例中，上壁板20和下壁板30的内壁上分别设有凹槽21、31。内部腔室40内设有一个或多个钛合金弹簧50，弹簧50优选采用强度高、弹性好、模量低的钛合金材料制成。弹簧50的两端分别通过原子扩散连接到上壁板20和下壁板30的凹槽21、31内。内部腔室40内还填充有阻尼材料(未示出)，该阻尼材料可以与弹簧50发生摩擦和挤压，优选具有热塑性、质量轻的粘弹性材料，例如树脂等。
图2示出了弹簧50的一个实施例，图3是图2中的弹簧被压缩时的结构示意图。弹簧50是圆锥形螺旋弹簧，每一圈的弹簧直径都不相等，直径沿着弹簧的高度方向(向上)渐渐变小。这样，在弹簧被充分压缩后，其高度只有底圈弹簧的高度。
图4示出了弹簧50’的一个实施例，图5是图4中的弹簧被压缩时的结构示意图。弹簧50’是中凹形螺旋弹簧，即两个圆锥形螺旋弹簧顶部对置而形成。换句话说，弹簧的直径在高度方向上不相同，但是上下对称，从中间向两端渐渐变大，从而弹簧被充分压缩后，其高度只有底圈和顶圈的高度之和。
本发明的钛合金空心风扇叶片的制造方法如下：
(1).提供两块钛合金面板作为空心风扇叶片的上、下壁板，在所述上、下壁板中的至少一个上设置多个凹槽(如图6所示)，用于在叶片生产的过程中对钛合金弹簧进行定位；
(2).在所述上壁板和/或所述下壁板和所述钛合金弹簧上布置反扩散的阻隔材料，布置反扩散的阻隔材料区域为：所述钛合金弹簧上除了底圈和顶圈以外的其它部位；所述上壁板和/或所述下壁板上除了上、下壁板的连接区域和壁板与弹簧的连接区域以外的其它区域，其中阻隔材料为氧化钇；
(3).将所述钛合金弹簧分别放入所述凹槽，再将所述上壁板和所述下壁板重叠，形成装配体，图7a、7b示出了上壁板、下壁板和弹簧形成的装配体的局部示意图；
(4).对所述装配体进行加热加压，进行扩散连接，其中加热的温度为850～950℃，能使钛合金进行原子扩散的温度，对所述装配体的压力增加到2～3个大气压；
(5).对完成扩散连接的装配体在惰性气体环境中进行超塑成形，其中所述上、下壁板之间涂有阻隔材料的区域由于没有发生扩散连接将形成内部腔室，以及所述弹簧被拉长；
(6).在所述内部腔室中填充阻尼材料：将阻尼材料加热成流体，通过在叶片超塑成形时保留的通孔注入，在重力作用下灌满所述空腔结构，待冷却后，阻尼材料流体固化，形成空心风扇叶片，图8a、8b示出了叶片成形后的局部剖视图。
本发明利用扩散连接和超速成形工艺，为大涵道比燃气涡扇发动机空心风扇叶片内部增加减振装置，以减少叶片的颤振和因气动扭转引起的振动，保证叶片遭受外物轻微打击后的完整性以及增加风扇叶片的使用寿命和降低因高周疲劳引起的失效可能性。本发明的钛合金空心风扇叶片采用钛合金弹簧和阻尼材料组成减震装置，具有减震和吸收冲击能量的效果，并且重量更轻，工艺更简单。

Claims (7)

1.一种空心风扇叶片，其特征在于，包括：上壁板、下壁板以及由所述上壁板和所述下壁板通过原子扩散连接而限定的内部腔室，所述内部腔室内设有多个钛合金弹簧，并填充有阻尼材料，所述弹簧的两端分别通过原子扩散连接到所述上壁板和所述下壁板，所述上壁板和所述下壁板中至少一个设有多个凹槽，所述弹簧的端部被分别定位于所述凹槽内。
2.根据权利要求1所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述弹簧为圆锥形螺旋弹簧。
3.根据权利要求1所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述弹簧为中凹形螺旋弹簧。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述阻尼材料为树脂。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的空心风扇叶片的制造方法，其特征在于，包括步骤：
(1).提供两块钛合金面板作为空心风扇叶片的上、下壁板，在所述上、下壁板中的至少一个上设置多个凹槽；
(2).在所述上壁板和/或所述下壁板和钛合金弹簧上布置反扩散的阻隔材料，布置反扩散的阻隔材料区域为：所述钛合金弹簧上除了底圈和顶圈以外的其它部位；所述上壁板和/或所述下壁板上除了上、下壁板的连接区域和壁板与弹簧的连接区域以外的其它区域；
(3).将所述钛合金弹簧分别放入所述凹槽，再将所述上壁板和所述下壁板重叠，形成装配体；
(4).对所述装配体进行加热加压，进行扩散连接；
(5).对完成扩散连接的装配体在惰性气体环境中进行超塑成形，其中所述上、下壁板之间涂有阻隔材料的区域由于没有发生扩散连接将形成内部腔室，以及所述弹簧被拉长；
(6).在所述内部腔室中填充阻尼材料：将阻尼材料加热成流体，通过在叶片超塑成形时保留的通孔注入，在重力作用下灌满所述空腔结构，待冷却后，阻尼材料流体固化，形成空心风扇叶片。
6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，所述反扩散的阻隔材料为氧化钇。
7.根据权利要求5或6所述的制造方法，其特征在于，其中加热的温度为850～950℃，对所述装配体的压力增加到2～3个大气压。
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