CN104169558A - 航空器用喷气式发动机的风扇动叶 - Google Patents
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Abstract
风扇动叶(1)具备叶片体(10)，叶片体(10)由树脂与增强纤维的复合材料构成，并且具有面对旋转方向的一方侧的压力面(10a)及面对旋转方向的另一方侧的负压面(10b)。在该叶片体(10)的基端，设有能够与风扇盘的嵌合槽嵌合的楔形榫(11a)。并且，在叶片体上具备护套(20)，护套(20)的刚性高于该叶片体，并且护套(20)在覆盖位于外部空气的引入方向上游侧的叶片体的前缘部附近的状态下固定在该叶片体上。护套从叶片体的叶片根部侧朝向前端侧沿着该叶片体的长度方向延伸，并且位于叶片体的叶片根部侧的该护套的基端部(21c)延伸到楔形榫(11a)。
Description
技术领域
本发明涉及航空器用喷气式发动机的风扇动叶，其通过与风扇盘一体旋转，将外部空气引入到发动机壳体内。
背景技术
近年来，在航空器用喷气式发动机领域，作为轻量且高强度的原材料，由树脂(热固化性树脂或热塑性树脂)和增强纤维构成的复合材料(FRP：FiberReinforced Plastics)受到关注，并且对使用了这种复合材料的风扇动叶进行着各种开发和实用化。
另外，在航空器用喷气式发动机中，有时进入到发动机壳体内的鸟类或冰等异物与位于该喷气式发动机的最前段的风扇碰撞，在使用了复合材料的风扇动叶中，防备异物的碰撞而实施用于充分确保耐冲击性的对策。
在专利文献1所示的风扇动叶中，在由复合材料构成的叶片体的前缘侧、且最容易碰撞异物的叶片体的前端侧，设有强度高于复合材料的金属制护套。如此，通过由复合材料构成叶片体，并且在该叶片体的一部分设置金属制护套，从而实现风扇动叶整体的轻量化，并且降低由异物的碰撞引起的叶片体的损伤。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开平08－210102号公报
发明内容
发明要解决的问题
若异物与风扇动叶碰撞，则通常从叶片体的前缘侧朝向后缘侧传递弯曲变形，并且从叶片体的前端侧朝向基端侧传递弯曲变形。这种弯曲变形尤其在自由端侧即叶片体的前端侧更大，此时，在上述专利文献1所示的风扇动叶中，由异物的碰撞而产生的弯曲应力作为从叶片体剥下金属制护套的力发挥作用。其结果，若异物与风扇动叶碰撞，则护套从护套与叶片体的接头卷起来而被剥下，由于从叶片体脱离的护套，有可能损伤其他风扇动叶或发动机壳体等。鉴于这种情况，在使用了复合材料的风扇动叶中，希望进一步提高耐冲击性。
本发明的目的是提供一种能够实现整体的轻量化、并且进一步提高耐冲击性的航空器用喷气式发动机的风扇动叶。
用于解决问题的方法
为了解决上述问题，本发明的航空器用喷气式发动机的风扇动叶，与形成于风扇盘上的嵌合槽嵌合，并且通过与该风扇盘一体旋转，从而将外部空气引入到形成于发动机壳体内的流路，其特征在于，具备：叶片体，由树脂与增强纤维的复合材料构成，并且具有面对旋转方向的一方侧的压力面及面对旋转方向的另一方侧的负压面；以及嵌合部，设在上述叶片体的长度方向一端侧，并且与上述风扇盘的嵌合槽嵌合；以及护套，刚性高于上述叶片体，并且在覆盖位于上述外部空气的引入方向上游侧的上述叶片体的前缘部附近的状态下固定在该叶片体上，上述护套从上述叶片体的长度方向一端侧朝向另一端侧沿着该叶片体的长度方向延伸，并且该护套的长度方向的一端即基端部位于比形成于上述发动机壳体内的上述流路更靠上述叶片体的一端侧的位置。
并且，上述护套的基端部也可以延伸到上述叶片体的嵌合部，并且覆盖该嵌合部的一部分。
另外，上述护套的基端部也可以与上述叶片体一起嵌合于上述风扇盘的嵌合槽。
并且，上述护套也可以由金属材料构成。
发明的效果
根据本发明，能够实现整体的轻量化，并且进一步提高耐冲击性。
附图说明
图1是具备本实施方式的风扇动叶的航空器用喷气式发动机的侧视图。
图2是图1的局部剖视图。
图3是风扇动叶的立体图。
图4是图3中的IV-IV线剖视图。
图5是图3的局部放大图。
图6(a)及图6(b)分别是表示风扇动叶的叶片根部的侧视图及剖视图。
图7(a)及图7(b)是表示一般的风扇动叶的前端上的防护装置位置与力矩的关系的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。该实施方式所示的尺寸、材料、以及其他具体的数值等只不过是为了容易理解发明而举的例子，除非有特别说明，否则不限定本发明。此外，在本说明书及附图中，对于实质上具有相同的功能、结构的要素，标注相同的附图标记，而省略重复说明，并且对于与本发明没有直接关系的要素省略了图示。
图1是具备本实施方式的风扇动叶的航空器用喷气式发动机的侧视图，图2是图1的局部剖视图。如图1及图2所示，喷气式发动机100具备发动机壳体103，发动机壳体103由圆筒状的中心罩101、以及设在该中心罩101的外周上的圆筒状的机舱102构成。在机舱102中容纳有将外部空气吸入到发动机壳体103内的多个风扇动叶1(图2中仅表示一片)，若该风扇动叶1进行旋转，则外部空气被导入到设在中心罩101内的中心流路104、以及由中心罩101的外周面和机舱102的内周面形成的旁通流路105中。
省略详细说明，在中心罩101内设有：对由风扇动叶1吸入的吸入空气进行压缩的压缩机；对由该压缩机压缩过的压缩空气进行燃烧的燃烧室；以及将在该燃烧室的燃烧工序中产生的排气喷气的喷出力转换为旋转能量的高压涡轮及低压涡轮。并且，在比中心罩101更靠近外部空气的引入方向上游侧(图中左侧)，在机舱102内，以旋转自如的方式容纳有风扇盘106。该风扇盘106经由轴与上述的低压涡轮的转子相连结，风扇盘106与低压涡轮成为一体而进行旋转。
另外，在风扇盘106的外周面上，在旋转方向(周向)上以等间隔形成有对风扇动叶1进行嵌合支撑的多个嵌合槽106a。详细情况在后面叙述，在风扇动叶1的长度方向一端(风扇盘106侧的端部)形成有楔形榫11a，嵌合槽106a具有开口，该开口为能够在内部容纳楔形榫11a的尺寸形状，且能够防止沿风扇盘106的径向(风扇动叶1的长度方向)脱落。
因而，通从风扇盘106的前方或后方(图2中的左右方向)，使楔形榫11a滑动并嵌合在嵌合槽106a中，从而使风扇动叶1保持在风扇盘106上。并且，在风扇盘106的前方(图2中的左侧)设有环状的前护圈107，并且，在风扇盘106的后方(图2中的右侧)设有环状的后护圈108。
前护圈107一体地设在用于将外部空气导入到发动机壳体103内的前锥109上，并且，后护圈108固定在风扇盘106上，利用这些前护圈107及后护圈108，风扇动叶1被保持在嵌合槽106a内。此外，垫片110介于嵌合槽106a的底面与风扇动叶1之间，从而防止风扇动叶1因形成于风扇动叶1与嵌合槽106a之间的间隙而产生晃动。
根据上述结构，若风扇盘106旋转，则风扇动叶1与风扇盘106成为一体而旋转，由此，外部空气被引入到发动机壳体103内。另外，在发动机壳体103(机舱102)内，在风扇盘106的径向外侧，形成有对所吸入的外部空气进行引导的流路面111，被该流路面111引导的外部空气被导入到中心流路104及旁通流路105中。以下，使用图3～图6对风扇动叶1的具体结构进行详细说明。
图3是风扇动叶1的立体图，图4是图3中的IV-IV线剖视图。以下，在嵌合到风扇盘106的风扇动叶1之中，将其长度方向一端侧(图3中的下方、风扇盘106的旋转中心侧)作为基端侧，并且将长度方向另一端侧(图3中的上方)作为前端侧，将外部空气的引入方向上游侧(图3中的左方)作为前缘侧，并且将外部空气的引入方向下游侧(图3中的右方)作为后缘侧进行说明。
风扇动叶1具备由树脂与增强纤维的复合材料构成的叶片体10。作为构成复合材料的树脂，例如可考虑使用环氧树脂、酚醛树脂、聚酰亚胺树脂等热固化性树脂、或聚醚酰亚胺、聚醚醚酮、聚苯硫醚等热塑性树脂，并且，作为构成复合材料的增强纤维，可考虑使用碳纤维、芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维等增强纤维。但是，只要能够确保叶片体10所要求的强度，则复合材料的具体原材料不限于上述材料。
叶片体10具有：在与风扇盘106嵌合而旋转时面对旋转方向的一方侧的压力面10a；以及面对旋转方向另一方侧，并且在叶片体10的厚度方向上与压力面10a形成正面与背面关系的负压面10b。并且，如图3所示，在叶片体10的基端侧，设有构成该叶片体10的一部分的叶片根部11。该叶片根部11具备楔形榫11a(嵌合部)，楔形榫11a能够与风扇盘106的嵌合槽106a嵌合，并且形成为比叶片体10的其他部位厚。
此外，图3所示的单点划线A表示叶片体10中的叶片根部11的边界部分。具体而言，在叶片体10的压力面10a及负压面10b上，设有形成上述的流路面111(参照图2)的由另外的部件构成的平台(形成流路的凸缘)。在本实施方式中，叶片体10的用单点划线A表示的部位对应于流路面111，从而，在此叶片体10之中位于比流路面111更靠风扇盘106的旋转中心侧的部位、即叶片体10中的比单点划线A更靠基端侧的部位为叶片根部11。
并且，如图4所示，在叶片体10的压力面10a及负压面10b上的前缘侧的端部附近，形成有随着朝向前缘侧其前端逐渐变细的粘接部10c，在该粘接部10c上固定有护套20。该护套20用于提高针对鸟类或冰等异物的碰撞的叶片体10的耐冲击性，并且具备由钛或镍等金属构成的护套主体21。此外，护套主体21的原材料不限于金属，只要刚性高于叶片体10，则也可以由任何原材料构成。
护套主体21从叶片体10的基端侧朝向前端侧沿着该叶片体10的长度方向延伸，并且构成覆盖叶片体10的前缘部的形状。更具体而言，护套主体21具备粘接在粘接部10c的凹状的密合部21a，并且在使该密合部21a与粘接部10c密合的状态下固定在叶片体10上。此外，在护套主体21的密合部21a与叶片体10的粘接部10c之间涂敷或粘贴有粘接剂，护套主体21利用该粘接剂固定在叶片体10上。并且，在护套主体21被固定于叶片体10上的状态下，维持护套主体21与叶片体10的压力面10a及负压面10b成为同一面的尺寸关系，在风扇动叶1中，能够从其前缘侧朝向后缘侧确保平滑的连续性。
另外，形成于叶片体10上的粘接部10c从叶片体10的基端至前端在长度方向的整个区域内连续形成，从而，护套主体21能够覆盖叶片体10的前缘部的从其基端至前端的整个区域。而且，在叶片体10的前端部，粘接部10c从前缘至后缘在叶片体10的宽度方向范围内延伸形成，护套主体21的前端部21b也在叶片体10的宽度方向范围内延伸形成，以从前缘至后缘覆盖叶片体10的前端部。
图5是风扇动叶1的前端部21b的局部放大图。如该图所示，护套主体21d前端部21b位于比叶片体10的前端更靠长度方向前端侧的位置，能够完全覆盖该叶片体10的前端缘。并且，护套主体21的前端部21b在叶片体10的宽度方向上延伸至后缘，并且维持与该叶片体10的后缘成为同一面的尺寸关系。
图6(a)是表示风扇动叶1的叶片根部11的剖视图，图6(b)是表示风扇动叶1的叶片根部11的侧视图。如上所述，粘接部10c从叶片体10的基端至前端在长度方向的整个区域内连续形成，叶片体10的前缘部在从其基端至前端的整个区域被护套主体21覆盖。
换言之，护套主体21其基端部21c位于比单点划线A(流路面111)更靠叶片根部11侧即风扇盘106的旋转中心侧的位置，并且还覆盖相当于叶片体10的基端部的楔形榫11a。并且，由于楔形榫11a容纳在风扇盘106的嵌合槽106a内，因此护套主体21的基端部21c也与楔形榫11a成为一体而容纳在嵌合槽106a内。
接下来，说明由上述结构构成的风扇动叶1的作用。若鸟类或冰等异物与护套20碰撞，则从风扇动叶1的前缘侧朝向后缘侧沿着该风扇动叶1的宽度方向传递弯曲变形。一般而言，从风扇动叶1的前缘侧朝向后缘侧沿着该风扇动叶1的宽度方向传递的弯曲变形，是由图3中用箭头B表示的旋转方向的第一力矩引起的。这种第一力矩作为从叶片体10剥下该护套主体21的力而作用于护套主体21，但就由该第一力矩引起的弯曲变形量而言，在作为自由端侧的风扇动叶1的前端侧特别大。并且已经明确，就风扇动叶1的前端侧上的第一力矩而言，与该风扇动叶1的前缘侧及后缘侧相比，在宽度方向中央侧更大。
图7是表示一般的风扇动叶的前端上的防护装置位置与力矩的关系的图。在该图中，横轴表示风扇动叶的前端上的防护装置位置(风扇动叶的宽度方向位置)，纵轴表示异物相对于风扇动叶以预定的击中速度撞击时的风扇动叶前端的力矩。并且，图中实线表示在恒定的屈服应力下的防护装置位置与力矩的转变，图中虚线表示将屈服应力增大到2倍时的防护装置位置与力矩的转变。此外，在图7(a)和图7(b)中，仅异物的击中角度不同，其他条件相同。
如这些图所示，就因异物的碰撞而在风扇动叶的前端产生的力矩而言，有与风扇动叶的宽度方向两端部(前缘侧及后缘侧)相比中央侧更大的倾向，尤其在防护装置位置40.0～140.0的范围、即从风扇动叶的前缘去除20％的范围、以及从风扇动叶的后缘去除20％的范围的部分该倾向更加明显。
如上所述，在将护套主体21固定于叶片体10上的情况下，护套主体21与叶片体10的连续部分、即护套主体21与叶片体10的接头成为最容易剥离的部分。从而，若使作为最容易剥离的部分的护套主体21与叶片体10的接头位于有较大的力矩作用的位置上，则由于因异物的碰撞而产生的力矩，护套主体21从叶片体10剥下的危险性提高。
对此，如果使护套主体21的前端部21b延伸至叶片体10的后缘，并且最容易剥离的接头位于因异物的碰撞而产生的力矩较小的部分、即从风扇动叶1的后缘20％左右的范围内，则能够降低因异物的碰撞而使护套主体21从叶片体10剥下的危险性。而且，在本实施方式中，护套主体21的前端部21b与叶片体10的后缘成为同一面，护套主体21从叶片体10剥下的危险极低。此外，也可以使前端部21b的后缘比叶片体10的后缘更向外部空气的引入方向下游侧突出。
另外，在异物与风扇动叶1碰撞的情况下，如上所述，在产生从叶片体10的前缘侧朝向后缘侧沿着该叶片体10的宽度方向传递的弯曲变形之后，从碰撞部位朝向叶片体10的前端侧及基端侧，沿着该叶片体10的长度方向传递弯曲变形。一般而言，沿着叶片体10的长度方向传递的弯曲变形是由图3中用箭头C表示的旋转方向的第二力矩引起的。这种第二力矩也与上述的第一力矩同样地，作为从叶片体10剥下该护套主体21的力而作用于护套主体21，就其大小而言，前端侧大于基端侧。
因而，如本实施方式所示，若使针对第二力矩最容易剥离的护套主体21的基端部21c位于弯曲变形量小的叶片体10的叶片根部11侧，则能够降低护套主体21从叶片体10剥离的危险。而且，在本实施方式中，护套主体21的基端部21c延伸至叶片根部11的楔形榫11a，并且与楔形榫11a一起容纳在嵌合槽106a内，因此基端部21c从叶片体10剥离的危险极低。
如此，根据本实施方式，产生因异物的碰撞而护套20从叶片体10脱离、从而损伤其它风扇动叶1或发动机壳体103等的问题的危险极低，能够实现风扇动叶1整体的轻量化并提高耐冲击性。
以上，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明不限于该实施方式是不言而喻的。对于本领域技术人员而言，在权利要求书记载的范围内，显然能够想到各种变更例或修改例，关于这些例子也当然属于本发明的技术范围内。
产业上的可利用性
本发明能够利用于通过与风扇盘一体旋转而将外部空气引入到发动机壳体内的航空器用喷气式发动机的风扇动叶。
Claims (4)
1.一种航空器用喷气式发动机的风扇动叶，与形成于风扇盘上的嵌合槽嵌合，并且通过与该风扇盘一体旋转，从而将外部空气引入到形成于发动机壳体内的流路，其特征在于，具备：
叶片体，由树脂与增强纤维的复合材料构成，并且具有面对旋转方向的一方侧的压力面及面对旋转方向的另一方侧的负压面；
嵌合部，设在上述叶片体的长度方向一端侧，并且与上述风扇盘的嵌合槽嵌合；以及
护套，刚性高于上述叶片体，并且在覆盖位于上述外部空气的引入方向上游侧的上述叶片体的前缘部附近的状态下固定在该叶片体上，
上述护套从上述叶片体的长度方向一端侧朝向另一端侧沿着该叶片体的长度方向延伸，并且该护套的长度方向的一端即基端部位于比形成于上述发动机壳体内的上述流路更靠上述叶片体的一端侧的位置。
2.根据权利要求1所述的航空器用喷气式发动机的风扇动叶，其特征在于，
上述护套的基端部延伸到上述叶片体的嵌合部，并且覆盖该嵌合部的一部分。
3.根据权利要求2所述的航空器用喷气式发动机的风扇动叶，其特征在于，
上述护套的基端部与上述叶片体一起嵌合于上述风扇盘的嵌合槽。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的航空器用喷气式发动机的风扇动叶，其特征在于，
上述护套由金属材料构成。
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