CN103270313B

CN103270313B - 风扇动叶片及风扇

Info

Publication number: CN103270313B
Application number: CN201180062674.9A
Authority: CN
Inventors: 室冈武
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-12-28
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2016-07-06
Anticipated expiration: 2031-12-16
Also published as: US9359064B2; WO2012090736A1; CN103270313A; CA2822786A1; EP2660475A4; EP2660475B1; JP2012140874A; RU2013134982A; US20130323065A1; CA2822786C; EP2660475A1; JP5703750B2; RU2541479C1

Abstract

在风扇动叶片中，在动叶片前缘（41）的轮毂侧形成垂直轮毂部（49），从垂直轮毂部（49）的前端到动叶片前缘（41）的中跨侧形成后倾中跨部（51），从后倾中跨部（51）的前端到动叶片前缘（41）的顶端端形成前倾顶端部（53），从动叶片前缘（41）的轮毂端到垂直轮毂部（49）的基端形成后倾轮毂部（55），后倾轮毂部（55）以前端位于比基端靠后侧的方式后倾。

Description

风扇动叶片及风扇

技术领域

本发明涉及用于向飞机发动机的发动机壳体内的中心流道及旁通流道吸入空气的风扇的风扇动叶片等。

背景技术

以往，开发了多种风扇动叶片的形状，本申请的发明人也已经开发了充分地确保结构强度并且提高空气动力性能的风扇动叶片并进行申请。例如，作为相关技术，日本国专利公开公报特开2007-315303号的风扇动叶片的具体的结构等如下。

在动叶片前缘的轮毂侧形成有与风扇的轴心（飞机发动机的轴心）垂直的垂直轮毂部，该垂直轮毂部的基端（径向内端）位于动叶片前缘的轮毂端。并且，从垂直轮毂部的前端（径向外端）到动叶片前缘的中跨侧，形成后倾中跨部，该后倾中跨部以前端位于比基端靠后侧（下游侧）的方式后倾。并且，从后倾中跨部的前端到动叶片前缘的顶端端，形成前倾顶端部，该前倾顶端部以前端位于比基端靠前侧的方式倾斜。

因此，由于垂直轮毂部与风扇的轴心垂直，因此与不在动叶片前缘的轮毂侧形成垂直轮毂部地使动叶片前缘的轮毂侧（轮毂侧部分）后倾的场合相比，能够充分地确保风扇动叶片的轮毂侧的弦长。另外，由于前倾顶端部前倾，因此与使动叶片前缘的顶端侧（顶端侧部分）后倾的场合相比，顶端侧的空气流入速度变慢，能够减少风扇动叶片的顶端侧的冲击波损失。并且，由于后倾中跨部后倾，因此抑制风扇动叶片的重心伴随前倾顶端部的形成而向前方偏，能够降低动叶片前缘的轮毂端附近的应力。由此，能够充分地确保风扇动叶片的结构强度，能够提高轮毂侧的压力比及顶端侧的风扇效率等、风扇动叶片的空气动力性能。

发明内容

发明所要解决的课题

然而，近年来，对飞机发动机的高效率化的要求增强，随此，期望在充分地确保风扇动叶片的结构强度的基础上，进一步提高风扇动叶片的空气动力性能、尤其顶端侧的风扇效率。

根据本发明，能够提供能够满足上述要求的新的风扇动叶片。

用于解决课题的方法

根据本发明的技术方案，一种风扇动叶片，用于风扇，该风扇将空气吸入形成在飞机发动机的发动机壳体内的环状的中心流道、以及在上述发动机壳体内的上述中心流道的外侧形成在同心上的环状的旁通流道，具备以下特征。即，动叶片前缘（前沿）具有：垂直轮毂部，其形成在轮毂侧，实质上与上述风扇的轴心（上述飞机发动机的轴心）垂直；后倾中跨部，其从上述垂直轮毂部的前端（径向外端）形成到中跨侧，且以前端位于比基端（径向内端）靠后侧（下游侧）的方式后倾（向后侧扫描）；前倾顶端部，其从上述后倾中跨部的前端形成到顶端侧，且以前端位于比基端靠前侧（上游侧）的方式前倾（向前侧扫描）；以及后倾轮毂部，其从轮毂端形成到上述垂直轮毂部的基端，且以前端位于比基端靠后侧的方式后倾。

另外，在本说明书及权利要求的记载中，所谓“风扇动叶片”，不仅是狭义的风扇动叶片，也包括压缩机动叶片的意思。另外，所谓“与风扇的轴心垂直”，是处于相对于与上述风扇的轴心垂直的面±5度的范围内的意思。并且，“上游侧”是指从主流的流向观察上游侧，“下游侧”是指从主流的流向观察下游侧。

根据本发明的另一技术方案，一种风扇，其将空气吸入形成在飞机发动机的发动机壳体内的环状的中心流道、以及在上述发动机壳体内的上述中心流道的外侧形成在同心上的旁通流道，具备以下特征。即，上述风扇具备能绕轴心旋转地设在上述电动机壳体内，且在外周面沿圆周方向等间隔地形成多个嵌合槽的风扇盘；以及与上述风扇盘的各嵌合槽嵌合地设置的上述风扇动叶片。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的风扇动叶片的侧视图。

图2是本发明的第一实施方式的飞机发动机的前侧部分的半侧剖视图。

图3（a）是表示从规定位置到风扇动叶片的动叶片前缘的轴向长度与风扇动叶片的前缘的跨距比的关系的图，图3（b）是表示风扇动叶片的前缘的扫描角与风扇动叶片的前缘的跨距比的关系的图。

图4是本发明的第二实施方式的风扇动叶片的侧视图。

图5（a）是沿图4的V-V线的图，图5（b）是相当于图5（a）的图，表示不具有后倾轮毂部的场合的状态。

图6是表示风扇动叶片的风扇效率与风扇动叶片的动叶片前缘的跨距比的关系的图。

图7（a）是表示风扇工作中的实施例的风扇动叶片的背面的应力分布状态的图，图7（b）是表示风扇工作中的比较例的风扇动叶片的背面的应力分布状态的图。

具体实施方式

（第一实施方式）

参照图3（a）（b）对本发明的第一实施方式进行说明。另外，图中，“FF”表示前方，“FR”表示后方。

如图2所示，本发明的第一实施方式的风扇1将空气吸入形成在飞机发动机的发动机壳体3内的环状的中心流道（主流道）5、以及在发动机壳体3内的在中心流道5的外侧形成在同心上的旁通流道7。在此，发动机壳体3包括筒状的中心罩9、以通过多个（只图示了一个）支撑件11包围的方式设在筒状的中心罩9的外侧的筒状的风扇壳体13等。另外，中心流道5在中心罩9的内侧被划分，旁通流道7由中心罩9的外壁与风扇壳体13的内壁划分。并且，如下简单地说明本发明的第一实施方式的风扇1的结构等。

在中心罩9的前部通过轴承17能旋转地设有风扇盘15，该风扇盘15同轴状地一体地连结在配设在风扇1的后方的低压涡轮（省略图示）的多级低压涡轮马达（省略图示）上。并且，在风扇盘15的外周面沿圆周方向等间隔地形成有多个嵌合槽（嵌合切口）19。

风扇动叶片21嵌合在风扇盘15的各嵌合槽19中而设置，在风扇盘15的各嵌合槽19的底面（里面）与各风扇动叶片21间前后地设有多个垫片23。并且，在风扇盘15的前侧一体地设有从前方保持多个风扇动叶片21的环状的前侧护圈25，在风扇盘15的后侧一体地设有从后方保持多个风扇动叶片21的环状的后侧护圈27。另外，前侧护圈25一体地连结在引导空气的头锥29上，后侧护圈27同轴状且一体地连结在配设在风扇1的后侧的低压压缩机31的低压压缩机转子33上。

因此，通过利用飞机发动机的工作使风扇盘15旋转，使多个风扇动叶片21与风扇盘15一体地旋转，能够将空气吸入中心流道5及旁通流道7。

对本发明的第一实施方式的风扇动叶片21的结构等进行说明。

如图1及图2所示，风扇动叶片21如上所述，用于风扇1，由钛合金等金属构成。并且，风扇动叶片21具备叶片体35，叶片体35在一侧具有背面（负压面）37，在另一侧具有腹面（正压面）39。并且，叶片体35的前缘成为风扇动叶片21的动叶片前缘41，叶片体35的后缘成为风扇动叶片21的动叶片后缘43。另外，在叶片体35的基端侧一体形成叶片根45，该叶片根45具有能嵌合在风扇盘15的嵌合槽19中的燕尾47。另外，叶片体35与叶片根45的边界部（平台部）位于中心流道5的内壁面的延长上。

如图1及图3（a）（b）所示，在动叶片前缘41的轮毂侧形成垂直轮毂部49，该垂直轮毂部49实质上与风扇1的轴心（飞机发动机的轴心）S垂直，换言之，以处于相对于与风扇1的轴心垂直的面±5度的范围内的方式规定。

从垂直轮毂部49的前端（径向外端）到动叶片前缘41的中跨侧形成后倾中跨部51。该后倾中跨部51与垂直轮毂部49顺畅地连接，以前端位于比基端（径向内端）靠后侧（下游侧）的方式倾斜。换言之，后倾中跨部51向后侧扫描，扫描角是负值。另外，后倾中跨部51的前倾角（负值的扫描角）θm的大小从基端侧向前端侧逐渐向负值侧变大，达到极大值，之后向前端侧逐渐变小。

因此，规定动叶片前缘41的轮毂侧的缘部的假想曲线如图3（b）所示，扫描角在后倾中跨部51为极小值。

从后倾中跨部51的前端到动叶片前缘41的顶端端（顶端侧）形成前倾顶端部53。该前倾顶端部53与后倾中跨部51顺畅地连接，以前端位于比基端靠前侧（上游侧）的方式前倾。换言之，前倾顶端部53的扫描角θt是正值。另外，前倾顶端部53的前倾角（正值的扫描角）从基端侧向前端侧逐渐变大。

从动叶片前缘41的轮毂端到垂直轮毂部49的基端形成后倾轮毂部55。该后倾轮毂部55与垂直轮毂部49顺畅地连接，以前端位于比基端靠后侧的方式倾斜。

另外，后侧轮毂部55的后倾角（负值的扫描角）θh在基端侧向负值侧为最大的大小，具有极小值，朝向垂直轮毂部49逐渐变大，与扫描角θh大致0度的垂直轮毂部49顺畅地连接。因此，规定动叶片前缘41的轮毂侧的缘部的假想曲线如图3（b）所示，在从后倾轮毂部55经过垂直轮毂部49到达后倾中跨部51的区域，扫描角θh具有极大值。由此，在风扇动叶片21的背面产生将空气流向轮毂侧推压的静压分布，能够降低轮毂侧的剥离（空气流的剥离）。

垂直轮毂部49、后倾中跨部51等与动叶片前缘41的全跨距长LA等相关，如下那样规定。

在垂直轮毂部49中，从动叶片前缘41的轮毂端到垂直轮毂部49的前端的跨距长L1为动叶片前缘41的全跨距长LA的20～50%，优选设定为30～40%。

将跨距长L1设定为全跨距长LA的20%以上是因为，当设定为小于全跨距长LA的20%时，难以充分地提高轮毂侧的压力比。将跨距长L1设定为全跨距长LA的50%以下是因为，当设定为超过全跨距长LA的50%时，后倾中跨部51的跨距长变短，风扇动叶片21的重心偏向前方，有可能在动叶片前缘41的轮毂端附近产生过大的应力。

在后倾中跨部51中，后倾中跨部51的后倾角θm的大小的最大值设定为5～45度，优选设定为10～20度。将后倾中跨部51的后倾角θm的大小的最大值设定为5度以上是因为，当设定为小于5度时，伴随前倾顶端部53的形成，风扇动叶片21的重心偏向前方，有可能在动叶片前缘41的轮毂端附近产生过大的应力。将后倾中跨部51的后倾角θm的大小的最大值设定为45度以下是因为，当设定为超过45度时，风扇动叶片21的重心偏向后方，有可能在动叶片后缘43的轮毂端附近产生过大的应力。

在前倾顶端部53中，从动叶片前缘41的轮毂端到前倾顶端部53的基端（径向内端）的跨距长L2设定为动叶片前缘41的全跨距长LA的60～90%，优选设定为75～85%。将跨距长L2设定为全跨距长LA的60%以上是因为，当设定为小于全跨距长LA的60%时，伴随前倾顶端部53的形成，风扇动叶片21的重心偏向前方，有可能在动叶片前缘41的轮毂端附近产生过大的应力。将跨距长L2设定为全跨距长LA的90%以下是因为，当设定为超过全跨距长LA的90%时，顶端侧的空气的流入速度变快，难以充分地降低风扇动叶片21的顶端侧的冲击波损失。

另外，前倾顶端部53的前倾角（正扫描角）θt的最大值设定为5～45度，优选设定为10～20度。将前倾顶端部53的前倾角θt的最大值设定为5度以上是因为，当设定为小于5度时，顶端侧的空气的流入速度变快，难以充分地降低风扇动叶片21的顶端侧的冲击波损失。将前倾顶端部的前倾角θt的最大值设定为45度以下是因为，当设定为超过45度时，伴随前倾顶端部53的形成，风扇动叶片21的重心偏向前方，有可能在动叶片前缘41的轮毂端附近产生过大的应力。

在后倾轮毂部55中，从动叶片前缘41的轮毂端到后倾轮毂部55的前端的跨距长L3设定为动叶片前缘41的全跨距长的5～25%，优选设定为10～20%。将跨距长L3设定为全跨距长的5%以上是因为，当设定为小于全跨距长的5%时，难以在风扇动叶片21的背面产生将空气流向轮毂侧推压的静压分布。将跨距长L3设定为全跨距长的25%以下是因为，当设定为超过全跨距长的25%时，垂直轮毂部49的跨距长变短，难以充分地提高轮毂侧的压力比。

另外，后倾轮毂部55的后倾角θh的大小的最大值为5～45度，优选设定为15～25度。将后倾轮毂部55的后倾角θh的大小的最大值设定为5～45度是因为，当设定为小于5度或超过45度时，难以在风扇动叶片21的背面产生将空气流向轮毂侧推压的静压分布。

接着，对本发明的第一实施方式的作用及效果进行说明。

由于垂直轮毂部49与风扇1的轴心S垂直，前倾顶端部53前倾且后倾中跨部51后倾，因此与本申请的发明人之前申请的上述现有技术的涡轮动叶片相同，能够降低动叶片前缘41的轮毂端附近的应力，充分地确保风扇动叶片21的轮毂侧的弦长，并且降低风扇动叶片21的顶端侧的冲击波损失。并且，由于后倾轮毂部55后倾，因此如上所述，能够在风扇动叶片21的背面产生将空气流向轮毂侧推压的静压分布，能够降低轮毂侧的剥离。

因此，根据本发明的第一实施方式，能够降低动叶片前缘41的轮毂端附近的应力，并且充分地确保风扇动叶片21的轮毂侧的弦长，并且降低风扇动叶片21的顶端侧的冲击波损失。并且，如后所述，由于能够降低轮毂侧的剥离，因此在充分地确保风扇动叶片21的结构强度的基础上，还能够提高风扇动叶片21的空气动力性能、尤其顶端侧的风扇效率，实现飞机发动机的高效率化。

（第二实施方式）

参照图4及图5（a）（b）说明本发明的第二实施方式。

如图4所示，本发明的第二实施方式的风扇动叶片57与本发明的第一实施方式的风扇动叶片21相同，用于飞机发动机的风扇1，风扇动叶片57的具体的结构如下。

风扇动叶片57具备叶片体59，该叶片体59由环氧树脂、苯酚树脂、聚酰亚胺树脂等热固性树脂或聚醚醚酮、聚苯硫醚等热塑性树脂与碳纤维、芳族聚酰胺纤维、或玻璃纤维等强化纤维的复合材料构成。另外，为叶片体59在厚度方向（叶片体59的厚度方向）上层叠的结构（多层结构）。另外，叶片体59在一侧具有背面（负压面）61，在另一侧具有腹面（正压面）63，叶片体59的后缘为风扇动叶片57的动叶片后缘65。

在叶片体59的基端侧一体形成叶片根67，该叶片根67与叶片体59相同，由热固性树脂或热塑性树脂与强化纤维的复合材料构成，为在厚度方向（叶片根67的厚度方向）上层叠的结构。另外，叶片根67具有能嵌合在风扇盘15的嵌合槽19中的燕尾69。另外，叶片体59与叶片根67的边界部位于中心流道5（参照图2）的内壁面的延长上。

在叶片体59的前缘侧通过薄板状的粘结剂设有保护叶片体59的前缘侧的铠装71，该铠装71由钛合金等金属构成。另外，铠装71的内侧为空心结构，也可以为实心结构，或在铠装71的内侧设有缓冲材料（省略图示）。

铠装71的前缘为风扇动叶片57的动叶片前缘73，在动叶片前缘73（铠装71的前缘）的轮毂侧形成有垂直轮毂部75，从垂直轮毂部75的前端（径向外端）到动叶片前缘73的中跨侧形成后倾中跨部77。另外，从后倾中跨部77的前端到动叶片前缘73的顶端端（顶端侧）形成前倾顶端部79，从动叶片前缘73的轮毂端到垂直轮毂部75的基端，形成后倾轮毂部81。在此，垂直轮毂部75、后倾中跨部77、前倾顶端部79及后倾轮毂部81分别具有与本发明的第一实施方式的风扇动叶片21的动叶片前缘41的垂直轮毂部49、后倾中跨部51、前倾顶端部53及后倾轮毂部55相同的结构。

并且，根据本发明的第二实施方式，如上所述，由于垂直轮毂部75等具有与本发明的第一实施方式的风扇动叶片21的动叶片前缘41的垂直轮毂部49等相同的结构，因此起到与本发明的第一实施方式相同的作用及效果。

另外，由于从铠装71的前缘的轮毂端到垂直轮毂部75的基端形成后倾轮毂部81，因此如图5（a）（b）所示，与在铠装71的前缘不具有后倾轮毂部81的场合相比，能够使叶片体59的前缘的轮毂端附近远离铠装71的前缘。由此，能够增大叶片体59的前缘的轮毂端附近的壁厚，充分地确保由复合材料构成的叶片体59的结构强度，从而能够提高风扇动叶片57的耐久性。

另外，本发明未限定于上述的实施方式的说明，能以多种方式实施。另外，本发明所包含的权利范围未限定于这些实施方式。

（本发明的评价）

参照图6及图7（a）（b）说明本发明的实施例。

以将跨距长L1设定为全跨距长LA的37%，将后倾角θm的大小的最大值设定为15度，将跨距长L2设定为全跨距长LA的80%，将前倾角θt的最大值设定为15度，将跨距长L3设定为全跨距长的15%，将后倾角θh的大小的最大值设定为23度的风扇动叶片21（实施例的风扇动叶片）、及除了省略后倾轮毂部这一点外具有与实施例的风扇动叶片相同的结构的风扇动叶片（比较例的风扇动叶片）为解析对象。并且，对从跨距比0.00（轮毂端）到跨距比0.10的风扇效率进行立体恒定粘性CFD（ComputationalFluidDynamics）解析，总结其结果并表示在图6中。即，实施例的风扇动叶片与比较例的风扇动叶片相比，确认提高了轮毂侧的风扇效率（在图6中以单点划线包围的部分A）。

另外，关于实施例的风扇动叶片及比较例的风扇动叶片，对风扇工作中（飞机发动机工作中）的背面的应力分布进行结构解析，总结其结果并表示在图7（a）（b）中。即，实施例的风扇动叶片也与比较例的风扇动叶片相同，确认不会在动叶片前缘产生过大的应力。另外，图7（a）（b）中所记载的从0.2到1.0的数字表示应力大小的程度。

省略图示，但即使在跨距长L1设定为全跨距长LA的30～40%，后倾角θm的大小的最大值为10～20度，跨距长L2设定为全跨距长LA的75～85%，前倾角θt的最大值设定为10～20度，跨距长L3设定为全跨距长的10～20%，后倾角θh的大小的最大值设定为15～25度的风扇动叶片21中，也能够得到相同的解析结果。

根据本发明的技术方案，由于上述垂直轮毂部与上述风扇的轴心垂直，上述前倾顶端部前倾且上述后倾中跨部后倾，因此与本申请的发明人之前申请的上述现有技术的涡轮动叶片相同，能够降低上述动叶片前缘的轮毂端附近的应力，充分地确保上述风扇动叶片的轮毂侧的弦长，并且降低上述风扇动叶片的顶端侧的冲击波损失。并且，由于上述后倾轮毂部后倾，因此在上述风扇动叶片的背面产生将空气流向轮毂侧推压的静压分布，从而能够降低轮毂侧的剥离（空气流的剥离）。

根据本发明的另一技术方案，除了起到由第一特征带来的作用外，通过利用上述飞机发动机的工作使上述风扇盘旋转，使多个上述风扇动叶片与上述风扇盘一体地旋转，能够将空气吸入上述中心流道及上述旁通流道。

根据本发明，由于能够降低上述动叶片前缘的轮毂端附近的应力，并且充分地确保上述风扇动叶片的轮毂侧的弦长，并且降低上述风扇动叶片的顶端侧的冲击波损失，并且，能够降低轮毂侧的剥离，因此在充分地确保上述风扇动叶片的结构强度的基础上，能够提高上述风扇动叶片的空气动力性能、尤其顶端侧的风扇效率，从而能够实现上述飞机发动机的高效率化。

（美国指定）

本国际专利申请涉及美国指定，对2010年12月28日申请的日本国专利申请第2010-292658号引用基于美国专利法第119条（a）的优先权的利益，并引用该公开内容。

Claims

1.一种风扇动叶片，用于风扇，该风扇将空气吸入形成在飞机发动机的发动机壳体内的环状的中心流道以及在上述发动机壳体内的上述中心流道的外侧形成在同心上的环状的旁通流道，该风扇动叶片的特征在于，

动叶片前缘具有：

垂直轮毂部，其形成在轮毂侧，与上述风扇的轴心垂直；

后倾中跨部，其从上述垂直轮毂部的前端形成到中跨侧，且以前端位于比基端靠后侧的方式后倾；

前倾顶端部，其从上述后倾中跨部的前端形成到顶端侧，且以前端位于比基端靠前侧的方式前倾；以及

后倾轮毂部，其从轮毂端形成到上述垂直轮毂部的基端，且以前端位于比基端靠后侧的方式后倾，

上述后倾中跨部的前倾角的大小从基端侧向前端侧逐渐向负值侧变大，达到极大值，之后向前端侧逐渐变小；上述前倾顶端部的前倾角从基端侧向前端侧逐渐变大；上述后侧轮毂部的后倾角在基端侧向负值侧为最大的大小，具有极小值，朝向垂直轮毂部逐渐变大，且后侧轮毂部、垂直轮毂部、后倾中跨部以及前倾顶端部之间顺畅地连接。

2.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，

从上述动叶片前缘的轮毂端到上述垂直轮毂部的前端的跨距长是上述动叶片前缘的全跨距长的20～50％，

从上述动叶片前缘的轮毂端到上述后倾轮毂部的前端的跨距长是上述动叶片前缘的全跨距长的5～25％，

上述后倾轮毂部的后倾角的大小的最大值在5～45度的范围内。

3.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，

从上述动叶片前缘的轮毂端到上述前倾顶端部的基端的跨距长是上述动叶片前缘的全跨距长的60～90％，

上述前倾顶端部的前倾角的最大值在5～45度的范围内。

4.根据权利要求1所述的风扇动叶片，其特征在于，

具备：

叶片体，其由热固性树脂或热塑性树脂与强化纤维的复合材料构成；

叶片根，其一体形成在上述叶片体的基端侧，且由热固性树脂或热塑性树脂与强化纤维的复合材料构成；以及

铠装，其设在上述叶片体的前缘侧，由金属构成，且保护上述叶片体的前缘侧，

上述铠装的前缘是上述动叶片前缘。

5.一种风扇，其将空气吸入形成在飞机发动机的发动机壳体内的环状的中心流道以及在上述发动机壳体内的上述中心流道的外侧形成在同心上的旁通流道，该风扇的特征在于，

具备：

能绕轴心旋转地设在上述发动机壳体内，且在外周面沿圆周方向等间隔地形成多个嵌合槽的风扇盘；以及

与上述风扇盘的各嵌合槽嵌合地设置的、权利要求1所述的风扇动叶片。