CN103089323B - 一种空心风扇叶片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空心风扇叶片，包含上壁板、下壁板以及支撑其结构的由多组肋条一体形成的支承件，其中每组肋条由多根相邻的肋条构成类正多面体形状的结构，在每组肋条的顶部形成有与上壁板、下壁板原子扩散连接的多边形连接区域。本发明还提供了一种用于制造空心风扇叶片的方法。本发明所述的空心风扇叶片在叶片内部引入类似于正多面体支撑结构，利用正多面体支撑的高稳定性，提高叶片的刚度和抗弯能力。

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金属材料部件，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

目前民用航空领域广泛采用的金属空心风扇叶片主要有两种结构，一种是英国Rolls·Royce公司在美国专利申请US6979180B2中公开的瓦伦结构(warren girder structure)，一种是美国P·W公司在专利申请EP1754857A3公开的在叶片内部铣出若干道凹槽的结构，材料都采用钛合金。

CN101418811也公开了一种航空发动机空心风扇叶片，叶片为叶片主体加局部面板的组合式结构，叶片主体包括叶身和完整的榫头，在叶片主体上叶身的一面的中部开出沟槽，叶身的边缘为实心体，局部面板为与叶片主体开槽区的形面相对应的曲面平板，叶片主体的叶身上沟槽的筋条及开槽区的边缘与局部面板焊接，形成空心叶片。

上述的这两种结构共同存在的问题是，叶片的质量较大，叶身抗外物打击能力不高，叶片的抗弯性能不高，容易发生颤振和因气动力扭转发生的振动，容易引起高周疲劳的失效。虽然以上两种结构目前发表了在叶片内部填充阻尼材料的方法以减少振动，吸收能量，但由于以上两种空心结构形成的内部空腔相对独立，造成阻尼材料的填充工艺相对繁琐。

发明内容

本发明的目的是引入高稳定性的支撑结构，改变现有的空心风扇叶片的内部支撑结构，减轻叶片的重量，从而增加风扇部件的工作效率。同时增加风扇叶片的抗弯刚度，以减少叶片的颤振和因气动扭转引起的振动，以及提高抗外物打击能力和内部阻尼材料吸收振动能量的效率。

根据本发明的一个方面，提供了一种空心风扇叶片，在钛合金空心风扇叶片内部引入类似于正多面体支撑结构，利用正多面体支撑的高稳定性，提高叶片的刚度和抗弯能力。本发明所述的空心风扇叶片包含叶片上壁板、下壁板以及支撑其结构的由多组肋条一体形成的支承件，其中每组肋条由多根相邻的肋条构成类正多面体形状的结构，在每组肋条的顶部形成有与上壁板、下壁板原子扩散连接的多边形连接区域。

肋条通过多边形连接区域延伸出来以支撑上下壁板。多个肋条一体形成的整体支承件类正多面体形状结构是这样得到的：肋条成形之前结构为一块芯板，是一块带有规律的正多边形孔的芯板，其中每个正多边形孔的仅与相邻的一个正多边形孔共用的直边区段用于形成每根肋条的竖直段，每个正多边形孔的与相邻的多个正多边形孔共用的多边形区段交错地用于形成每根肋条与上壁板、下壁板原子扩散连接的多边形连接区域和所述多边形连接区域的对面，每个正多边形孔的直边区段与相邻正多边形孔的直边区段垂直距离相等，以保证肋条的宽度相等。

有利地，叶片壁板为钛合金，肋条也为钛合金结构。

有利地，肋条通过顶部和底部的多边形连接区域与上壁板、下壁板原子扩散连接。形成多根肋条的芯板上的每个正多边形孔与相邻的一个正多边形孔共用的直边区段的上表面和下表面上布置有反扩散阻隔材料，每个正多边形孔与相邻的多个正多边形孔共用的多边形区段的上表面交错地布置有反扩散阻隔材料，与所述多边形区段的所述上表面相对的下表面交错地没有布置有反扩散阻隔材料，从而当上壁板、芯板和下壁板从上到下重叠形成装配体后，在加热加压下，没有布置有反扩散阻隔材料的每个正多边形孔的多边形区段形成与上壁板、下壁板原子扩散连接的多边形连接区域，布置有反扩散阻隔材料的每个正多边形孔的多边形区段形成多边形连接区域的对面。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种制造本发明所述的空心风扇叶片的方法，包括如下步骤：

1、提供两块面板作为空心风扇叶片的上、下壁板；

2、提供一块具有多个正多边形孔的面板作为芯板；

3、在芯板上布置反扩散阻隔材料；

4、将布置好阻隔材料的上壁板、芯板和下壁板一次对齐重叠，形成装配体；

5、对装配体进行加热加压，进行原子扩散连接；

6、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；

7、在叶片空腔填充阻尼材料，形成带减振装置的空心风扇叶片。

有利地，上壁板、下壁板和芯板的面板材料为钛合金。

有利地，每个正多边形孔的仅与相邻的一个正多边形孔共用的直边区段与相邻正多边形孔的直边区段的垂直距离相等，以保证肋条的宽度相等。

有利地，每个正多边形孔的直边区段的上表面和下表面上布置有反扩散阻隔材料，每个正多边形孔的多边形区段的上表面交错地布置有反扩散阻隔材料，与所述每个正多边形孔的所述多边形区段的所述上表面相对的下表面交错地没有布置有反扩散阻隔材料。有利地，反扩散阻隔材料为氧化钇或其它有等效功能的材料。

有利地，对装配体加热的温度为850摄氏度以上，压力为2-3个大气压，从而未布置反扩散阻隔材料的多边形连接区域将和上壁板、下壁板发生原子扩散连接。在这个过程中，由于芯板的肋条部分涂有反扩散阻隔材料，上、下壁板将由于内部高压作用形成空腔，肋条将被拉长并且形成类正多面体形状的立体内部支撑结构。

有利地，在叶片空腔填充阻尼材料的方式为：将阻尼材料加热成流体，再将其往叶片超塑成形时保留的通孔注入，使其在重力作用下灌满叶片空腔，阻尼材料流体冷却后固化。

有利地，根据本发明的空心风扇叶片的中间支承件由三根相邻的肋条构成类正四面体形状的结构，其由带多个正六边形孔的芯板制成，在每组肋条的顶部形成有与上壁板、下壁板原子扩散连接的三角形连接区域。当然，也可以想到的是，支承件由带多个符合空间几何学的其它正多边形的孔的芯板制成，比如等边三角形孔、正方形孔等等。

附图说明

图1为叶片内部制成后的局部视图，移除了四周的外壳；

图2为叶片内部支承件的视图；

图3为芯板的平面图，即示出了内部支承件在成形之前的结构；

图4为芯板的局部视图；

图5为芯板的局部示意图；

图6为支承件结构的局部视图；

图7为上、下壁板与芯板重叠装配之前的视图。

具体实施方式

下面本文将参照附图详细地提供本发明的优选实施方案的描述。

在根据本发明的一个实施例中，空心风扇叶片由三部分组成，如图1所示，包含叶片上壁板1、下壁板2、以及支撑其结构的肋条3。

在本实施例中，支承件是由三根相邻的肋条构成类正四面体形状的结构，由带多个正六边形孔6的芯板5制成，在其它实施例中，支承件由带多个符合空间几何学的其它正多边形的孔的芯板制成，比如等边三角形孔、正方形孔等等。图3中正六边形孔的排列规律为，每个正六边形孔6的边与相邻正六边形孔6的边垂直距离相等，即保证肋条3的宽度都相等。

在本实施例中，叶片壁板为弹性模量低(90-110Gpa)的β钛合金。

所述的肋条整体结构如图2所示，肋条3通过三角形连接区域4延伸出来以支撑壁板。支承件成形之前结构为一块芯板5，如图3所示，是一块带有规律的正六边形孔6的芯板5。图4为芯板5的放大局部视图，图中正六边形孔6之间的三角形区域4，即图2中肋条3与叶片上、下壁板1、2的三角形连接区域，该区域通过扩散连接与叶片的上、下壁板1、2相连。肋条从图3芯板的结构形成图2的空间立体结构，局部视图如图7所示，类正四面体立体结构的产生是因为钛合金超塑成形的作用。每个正六边形孔6的直边区段的上表面8和下表面9上布置有反扩散阻隔材料(氧化钇)，每个正六边形孔6的三角形区段的上表面交错地布置有反扩散阻隔材料，每个正六边形孔6的三角形区段的所述上表面相对的下表面交错地没有布置有反扩散阻隔材料。对由上壁板1、芯板5、下壁板2重叠成的装配体进行加热加压，由于芯板5的肋条直边区段部分涂有反扩散阻隔材料，上壁板1、下壁板2将由于内部高压作用形成空腔，肋条将被拉长并且形成类正四面体形状的立体内部支撑结构，并且肋条3上表面和下表面未布置反扩散阻隔材料的三角形连接区域4和上壁板1、下壁板2发生原子扩散连接。

本发明的空心风扇叶片的制造方法包括如下步骤：

1、提供两块钛合金面板作为风扇叶片的上、下壁板1和2。提供一块带规律分部正六边形孔6的钛合金面板作为芯板5，排列规律为每个正六边形孔6的边与相邻正六边形孔6的边垂直距离相等，即保证肋条的宽度都相等。

2、在钛合金芯板5上布置反扩散阻隔材料，布置阻隔材料的区域分为两部分，一部分为将形成肋条的上下两表面8、9(见图6)。另一部分为，图中6所示的三角形连接区域面4的对面10。阻隔材料为氧化钇。

3、将布置好阻隔材料的上壁板，芯板和下壁板一次对其重叠，形成装配体。完全重叠前的结构如图7所示。

4、对装配体进行加热加压，进行扩散连接。对装配体加热的温度为850摄氏度以上，能使钛合金进行原子扩散的温度，压力为2-3个大气压。这个过程中，未布置阻隔材料的三角形连接区域4将和上、下壁板1和2发生扩散连接，未布置阻隔材料的芯板四周将和上、下壁板1和2发生扩散连接。芯板四周会与上下壁板发生扩散连接，分别形成叶片的前缘、后缘、叶尖和叶根。

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。这个过程中，由于芯板5的肋条3部分涂有阻隔材料，上、下壁板1和2将由于内部高压作用形成空腔，肋条3将被拉长并且形成立体内部支撑结构，形成的结构局部如图1所示。

6、在叶片空腔填充阻尼材料。填充方式为：将阻尼材料加热成流体，往叶片超塑成形时保留的通孔注入，在重力作用下灌满叶片空腔，冷却后，阻尼材料流体固化，形成带减振装置的空心风扇叶片。

本发明不限于上述实施方案，并且可以基于本发明的主旨以各种方式进行改变或改进，并且这些改变和改进不脱离如所附权利要求中要求的本发明的范围。

Claims (9)

1.一种空心风扇叶片，其包括：上壁板(1)，下壁板(2)以及支撑在所述上壁板(1)和所述下壁板(2)之间由多组肋条(3)一体形成的支承件，其中每组肋条(3)由多根相邻的肋条(3)构成类正多面体形状的结构，在每组肋条(3)的顶部形成有与所述上壁板(1)、所述下壁板(2)原子扩散连接的多边形连接区域(4)，其中，所述支承件由带多个正多边形孔的芯板(5)制成，其中每个正多边形孔的仅与相邻的一个正多边形孔共用的直边区段用于形成每根肋条(3)的竖直段，每个正多边形孔的与相邻的两个正多边形孔共用的多边形区段交错地用于形成每根肋条(3)与所述上壁板(1)、所述下壁板(2)原子扩散连接的多边形连接区域(4)和所述多边形连接区域(4)的对面(10)，每个正多边形孔的直边区段与相邻正多边形孔的直边区段垂直距离相等，以保证肋条的宽度相等。

2.根据权利要求1所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述叶片的空腔填充有阻尼材料。

3.根据权利要求1或2所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述上壁板(1)、所述下壁板(2)和所述肋条(3)为钛合金。

4.根据权利要求1所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述每个正多边形孔的所述直边区段的上表面(8)和下表面(9)上布置有反扩散阻隔材料，所述每个正多边形孔的所述多边形区段的上表面交错地布置有反扩散阻隔材料，所述多边形区段的所述上表面相对的下表面交错地没有布置有反扩散阻隔材料。

5.根据权利要求1或2所述的空心风扇叶片，其特征在于，所述支承件是由三根相邻的肋条(3)构成类正四面体形状的结构，其由带多个正六边形孔的芯板(5)制成。

6.一种用于制造权利要求1至5之一所述的空心风扇叶片的方法，包括如下步骤：

(a)提供两块面板作为空心风扇叶片的上壁板(1)和下壁板(2)；

(b)提供一块具有多个正多边形孔的面板作为芯板(5)；

(c)在所述芯板(5)上布置反扩散阻隔材料；

(d)将所述上壁板(1)、布置好反扩散阻隔材料的芯板(5)和所述下壁板(2)一次对其重叠，形成装配体；

(e)对装配体进行加热加压，进行原子扩散连接；

(f)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；

(g)在叶片空腔填充阻尼材料，形成带减振装置的空心风扇叶片。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述反扩散阻隔材料为氧化钇。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，对装配体加热的温度为850摄氏度以上，压力为2-3个大气压，从而未布置反扩散阻隔材料的多边形连接区域(4)和所述上壁板(1)、所述下壁板(2)发生原子扩散连接。

9.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，将阻尼材料加热成流体，再将其往叶片超塑成形时保留的通孔注入，使其在重力作用下灌满叶片空腔，阻尼材料流体冷却后固化。