CN103775136B - 一种叶片 - Google Patents

Abstract

一种叶片，包括：叶片本体，其从前缘延伸到后缘以形成压力面和吸力面，叶片本体在吸力面和压力面的其中之一侧开设有凹进部分；多个加强柱，其一端固定在凹进部分中；盖体，其与多个加强柱的另一端固定并封闭凹进部分，盖体的外表面形成为被开设有凹进部分的吸力面或压力面的一部分。本发明的叶片采用了带加强柱的空心叶片，一方面空心结构使叶片重量得以减轻另一方面附设的加强柱又可以提高叶片的强度。

Description

一种叶片

技术领域

本发明涉及一种叶片，尤其涉及一种既能够减轻重量又能够保持足够的抗外物打击强度的航空发动机的风扇出口导向叶片。

背景技术

航空发动机的风扇出口导向叶片位于风扇叶片之后，连接分流环和中介机匣外环，用来消除风扇排出的旋流，并且使气流沿着涵道流出，起到校正气流方向的作用，同时，风扇出口导向叶片有一定的倾斜角度，这样气流在流过出口导向叶片时可以增加一定推力；另一方面，在现代高涵道比涡扇发动机中，风扇出口导向叶片还可以起到降低噪声的作用，例如，在GE90发动机中，通过选择风扇出口导向叶片的叶片数，使之能够截断风扇叶片通过频率成份的噪声模态向下游的传播，从而实现了减噪的作用。

风扇出口导向叶片属于静止件，且仅承受气动力，无其它外力，其性能要求具有抗振颤、抗冲击损伤性。因此，为了减重，风扇出口导向叶片可以采用轻质合金制造，例如，CFMI公司的CFM56-3发动机风扇出口导向叶片为实心铝合金锻件制成。GE90发动机中，风扇出口导向叶片由7075实心锻件制成，长约750mm、宽约350mm。

随着航空发动机经济性要求的不断提高，要求发动机在保持优良性能的同时降低重量，因此，目前先进的航空发动机风扇出口导向叶片也开始选用复合材料。

采用复合材料制备风扇出口导向叶片时，为了保证抗冲击能力，必须在前缘采用金属包边才能满足发动机的需要。IAE公司的V2500发动机风扇出口导向叶片采用玻璃纤维增强的复合材料制造。这些叶片的抗外物损伤能力、抗振动特性、抗腐蚀性和结构完整性已经得到验证。

综上所述，传统的铝合金实心结构虽然能够满足强度以及加工的要求，但是重量相对复合材料较重。复合材料风扇出口导向叶片具有降低重量的优势，但是复合材料叶片的加工成型方法还不够成熟，并且由于增加了金属包边，金属包边与复合材料叶片的连接工艺较复杂，在一定程度上降低了叶片的使用安全性和可靠性，且加工成型方法还不够成熟。

发明内容

为此，如何在减轻风扇出口导向叶片重量的同时提高其安全性和可靠性成为亟需解决的技术问题。

针对上述技术问题，本发明提供了一种叶片，其包括：叶片本体，其从前缘延伸到后缘以形成压力面和吸力面，所述叶片本体在所述吸力面和所述压力面的其中之一侧开设有凹进部分；多个加强柱，其一端固定在所述凹进部分中；盖体，其与所述多个加强柱的另一端固定并封闭所述凹进部分，所述盖体的外表面形成为被开设有所述凹进部分的吸力面或压力面的一部分。

优选地，所述凹进部分内还固定有至少一个大致从所述前缘向所述后缘延伸的加强筋。

优选地，所述多个加强柱通过搅拌摩擦点焊与所述盖体的内表面固接。

更优选地，所述搅拌摩擦点焊为回填式搅拌摩擦点焊或无搅拌针式搅拌摩擦点焊。

更优选地，所述多个加强柱的每一个的直径与进行搅拌摩擦点焊的搅拌头的直径的比值为0.8～1.2。

优选地，所述叶片本体环绕所述凹进部分形成有接合区域，其用于当所述盖体封闭所述凹进部分时定位所述盖体。

更优选地，所述盖体与所述叶片本体通过搅拌摩擦点焊固接。

优选地，所述多个加强柱是通过机械铣或化学铣或电解加工形成的。

优选地，所述叶片为铝合金制成的。

可选择地，所述叶片为航空发动机的风扇出口导向叶片。

本发明具有如下技术效果：

相比于现有的空心风扇出口导向叶片，本发明的叶片采用了带加强柱的空心叶片，一方面空心结构使叶片重量得以减轻，另一方面附设的加强柱又可以提高叶片的强度。另外，加强筋结构又可以进一步地提高叶片的强度。再者，采用搅拌摩擦点焊的方式对加强柱和盖体进行连接时，搅拌头会对其作用的材料及其表面产生晶粒细化作用，藉此，可以提高叶片的抗外物打击强度以及叶片的抗疲劳强度。空心叶片的制造工艺简单可靠。搅拌摩擦点焊相对于传统的焊接方法有以下优点：工艺参数少，工艺质量稳定；焊缝可保留母材的锻态组织，焊接接头性能好；无裂纹产生；节约能源。同时，此发明设计能够有效地降低叶片的重量，并且能够保持足够的抗外物打击强度。另一方面，本发明的设计构型及成型方法相对于复合材料来说，最大的优点在于叶片的使用安全性得到很大的提高，并且避免了金属包边与复合材料的连接，且工艺相对成熟，可靠性得到提高。

附图说明

为了解释本发明，将在下文中参考附图描述其示例性实施方式，附图中：

图1a示意性地示出了根据本发明的一种实施方式的叶片的透视图；

图1b示意性地示出了图1a的叶片的横截面图；

图2a示意性地示出了本发明的另一种实施方式的叶片的透视图；

图2b示意性地示出了图2a的叶片的横截面图。

不同图中的相似特征由相似的附图标记指示。

具体实施方式

参见图1a、图1b，图1a示意性地示出了本发明的一种实施方式的叶片100的透视图，其中，移除了盖体；图1b示出了图1a的叶片100的横截面图。

具体地，该叶片100包括叶片本体102，该叶片本体102具有前缘104、后缘106以及从前缘104延伸到后缘106所形成的吸力面108和压力面110。叶片本体102上还设置有从吸力面108的一侧向内凹进的凹进部分112，多个加强柱114均匀排布地固定在凹进部分112内。叶片本体102环绕该凹进部分112形成有接合区域115，盖体116定位到该接合区域115并封闭该凹进部分112，盖体116的内表面和多个加强柱114固定在一起，盖体116的外表面形成为压力面110的一部分。图1a中还示出了与叶片本体102相连接的内安装板118和外安装板120，这属于现有技术内容且与本发明的实质无关，故在此不予赘述。

参见图2a、图2b，图2a示意性地示出了本发明的另一种实施方式的叶片200的透视图，其中，移除了盖体；图2b示出了图2a的叶片200的横截面图。

该叶片200包括叶片本体202，该叶片本体202具有前缘204、后缘206以及从前缘204延伸到后缘206所形成的吸力面208和压力面210。叶片本体202上还设置有从吸力面208的一侧向内凹进的凹进部分212，多个加强柱214均匀排布地固定在凹进部分212内。叶片本体202环绕该凹进部分212形成有接合区域213，盖体216定位到该接合区域213并封闭该凹进部分212。该凹进部分212中还固定有加强筋215，加强筋215大致从前缘204向后缘206延伸，该加强筋215朝向压力面210的一侧较优地和从前缘204到后缘206均匀排布的多个加强柱214的上端面基本平齐。盖体216封闭该凹进部分212，盖体216的内表面和多个加强柱214固定在一起，盖体216的外表面形成为压力面210的一部分。图2a中还示出了与叶片本体202相连接的内安装板218和外安装板220，这属于现有技术内容且与本发明的实质无关，故在此不予赘述。

虽然在上述两种实施方式中凹进部分122、212均从压力面110、210的一侧向内开设而成，然而，本领域技术人员可以理解，凹进部分也可以从吸力面的一侧向内开设而成。

下面以本发明的一种实施方式的叶片200为例，简要叙述下叶片200的加工工艺以进一步理解本发明。

叶片200的毛坯采用超硬铝合金棒材锻造成型。

在批量大、且精度要求不是特别高的情况下，可以选择电解加工的方式开设凹进部分212。

加强柱214的位置与数量可以根据叶片200的受力情况进行适当布置，加强柱214可以采用机械铣、化学铣、电解的方式加工成形。

加强筋215可以通过机械铣、化学铣、电解的方式加工，也可由精锻或者等温锻压的方法直接锻造成型。在满足结构强度的前提下，加强筋215的宽度尽量控制为较小的尺寸，以进一步减轻叶片200的重量。

用于闭合的盖体216采用7075板材钣金成形加工成与叶片本体202的凹进部分212相对应的形状。盖体216与加强柱214、加强筋215的固定连接较优地可以选择搅拌摩擦点焊，其中，该搅拌摩擦点焊为诸如回填式搅拌摩擦点焊或无搅拌针式搅拌摩擦点焊。

从图2b可知，在盖体216与叶片本体202的连接结构中存在一个工艺台阶，用以定位盖体216，并可以为前述的搅拌摩擦点焊提供足够的支撑。所以在加工凹进部分212之前，需要精加工此台阶面，例如可以采用数控铣床精铣。盖体216与叶片本体202也可以通过搅拌摩擦点焊的方式进行固定连接。

如前所述，加强筋215可以被布置成其朝向压力面210的一侧和从前缘204到后缘206均匀排布的多个加强柱214的上端面基本平齐，从而方便焊接盖体216时的定位操作。在搅拌摩擦点焊中，搅拌头大小最好和加强柱214的直径相对应，较优地，每一个加强柱214的直径与进行搅拌摩擦点焊的搅拌头的直径的比值为0.8～1.2可以得到较好的点焊效果。在搅拌摩擦点焊时，搅拌头不插入金属内部。同时，较优地，还可以对吸力面208采用适当的点焊工艺，使表层晶粒细化，以提高叶片200的抗外物打击强度和抗疲劳性能。焊接完成后需要对点焊位置进行精密机械加工，得到最终叶型。

相比于常规的连接方式，本发明的盖体与加强柱和/或加强筋的连接采用搅拌摩擦点焊的方式，具有以下优点：工艺参数少、工艺质量稳定；焊缝可保留母材的锻态组织，焊接接头性能好；无裂纹产生；节约能源。此外，搅拌摩擦点焊对于金属有一定的晶粒细化作用，在叶片表面进行搅拌摩擦加工，对表面进行处理，会对叶片的抗外物打击强度及抗疲劳强度产生积极的影响。

因此，本发明采用加强柱和/或加强筋的空心叶片，一方面减轻了结构重量，另一方面提高了结构的抗外物打击强度和抗疲劳强度。此外，本发明的设计构型及成型方法相对于复合材料叶片而言，叶片的使用安全性得到很大的提高，并且避免了金属包边与复合材料的连接，且工艺相对成熟，可靠性得到提高。

本发明不以任何方式限制于在说明书和附图中呈现的示例性实施方式。示出以及描述的实施方式(的部分)的所有组合明确地理解为并入该说明书之内并且明确地理解为落入本发明的范围内。而且，在如权利要求书概括的本发明的范围内，很多变形是可能的。此外，不应该将权利要求书中的任何参考标记构造为限制本发明的范围。

Claims (10)

1.一种叶片，包括：

叶片本体，其从前缘延伸到后缘以形成压力面和吸力面，其特征在于：所述叶片本体在所述吸力面和所述压力面的其中之一侧开设有凹进部分；

所述叶片，还包括：

多个加强柱，其一端固定在所述凹进部分中；

盖体，其与所述多个加强柱的另一端固定并封闭所述凹进部分，所述盖体的外表面形成为被开设有所述凹进部分的吸力面或压力面的一部分。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述凹进部分内还固定有至少一个大致从所述前缘向所述后缘延伸的加强筋。

3.根据权利要求1或2所述的叶片，其特征在于，所述多个加强柱通过搅拌摩擦点焊与所述盖体的内表面固接。

4.根据权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述搅拌摩擦点焊为回填式搅拌摩擦点焊或无搅拌针式搅拌摩擦点焊。

5.根据权利要求4所述的叶片，其特征在于，所述多个加强柱的每一个的直径与进行搅拌摩擦点焊的搅拌头的直径的比值为0.8～1.2。

6.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片本体环绕所述凹进部分形成有接合区域，其用于当所述盖体封闭所述凹进部分时定位所述盖体。

7.根据权利要求6所述的叶片，其特征在于，所述盖体与所述叶片本体通过搅拌摩擦点焊固接。

8.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述多个加强柱是通过机械铣或化学铣或电解加工形成的。

9.根据权利要求8所述的叶片，其特征在于，所述叶片为铝合金制成的。

10.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述叶片为航空发动机的风扇出口导向叶片。