CN104185738A - 动叶片和风扇 - Google Patents

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Abstract

动叶片主体(37)具备沿叶片厚度方向(TD)设置的多个第1复合材料片材群(51)以及多个第2复合材料片材群(53)。各第1复合材料片材群(51)具有从叶片厚度中心(TC)侧向背面(39)侧重叠的多个复合材料片材(49)。各第2复合材料片材群(53)具有从叶片厚度中心(TC)侧向腹面(41)侧重叠的复合材料片材(49)。将各片材群(51、53)中的多个复合材料片材(49)的增强纤维的取向方向进行合成后的方向(CD)相对于翼展方向(SD)向后缘侧倾斜20～45度。

Description

动叶片和风扇
技术领域
本发明涉及用于航空器发动机的风扇或者压缩机的动叶片等。
背景技术
近年来，在航空器发动机的领域，增强纤维与基体树脂的复合材料作为轻量且具有高强度的材料而受到注目，对于以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料的风扇动叶片，进行了各种开发(参照专利文献1)。此外，现有技术涉及的风扇动叶片中的动叶片主体是由增强纤维与基体树脂构成的复合材料片材层叠而成的，具有增强纤维的取向角不同的多种复合材料片材。
另外，作为与本发明相关的技术，除了专利文献1中所示的技术之外，还有专利文献2以及专利文献3中所示的技术。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2003-254298号公报
专利文献2：日本特开2010-203435号公报
专利文献3：WO2009/119830号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，为了抑制航空器发动机运转中动叶片主体的前端附近(顶端附近)的扭转而充分确保风扇动叶片的抗颤振性，需要通过增加风扇动叶片的厚度、增加风扇动叶片的弦长来提高风扇动叶片的刚性。另一方面，如果增加风扇动叶片的厚度、增加风扇动叶片的弦长，则与此相伴，风扇动叶片的重量增大，难以实现风扇动叶片的轻量化。也就是说，存在不容易实现风扇动叶片的轻量化的同时充分确保风扇动叶片的抗颤振性这样的问题。
予以说明的是，就上述的问题而言，不仅是以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料的风扇动叶片，而且以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料的压缩机动叶片也同样发生。
因此，本发明提供能够解决上述问题的动叶片等。
用于解决课题的方法
本发明的第1方式为用于航空器发动机的风扇或者压缩机的、以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料的动叶片，其特征在于，具备动叶片主体和在上述动叶片主体的基端侧(轮毂端侧)一体形成的动叶片根部，上述动叶片主体具有将由增强纤维(增强纤维束)与基体树脂构成的多个复合材料片材层叠而成的、沿叶片厚度方向设置的多个第1复合材料片材群以及多个第2复合材料片材群，各第1复合材料片材群包含从叶片厚度中心侧向背面侧重叠并且其增强纤维的取向角不同的1个或多个所述复合材料片材，各第2复合材料片材群包含从叶片厚度中心侧向腹面侧重叠并且增强纤维的取向角不同的1个或多个所述复合材料片材，上述第1复合材料片材群中的多个上述复合材料片材与上述第2复合材料片材群中的多个上述复合材料片材的各重叠模式相同，将上述第1复合材料片材群以及上述第2复合材料片材群(复合材料片材群)中的多个上述复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向，相对于翼展方向(span direction)向后缘侧倾斜。
在此，本申请的说明书以及权利要求书中，所谓的“动叶片”的含义包含用于风扇的风扇动叶片和用于压缩机的压缩机动叶片。此外，所谓的“翼展方向”是指从上述动叶片主体的基端侧(轮毂端侧)朝向前端侧(顶端侧)的方向，所谓的“取向角”是指相对于翼展方向的增强纤维的锐角侧的倾斜角，当向上述动叶片主体的前缘侧倾斜时成为正取向角，当向上述动叶片主体的后缘侧倾斜时成为负取向角。
本发明的第2方式为将空气引进至在航空器发动机的发动机壳体内形成的发动机流道的风扇，其特征在于，具备风扇盘和第1方式涉及的动叶片，所述风扇盘围绕轴心可旋转地设在上述发动机壳体内，并在外周面形成有多个嵌合槽，所述动叶片设置成与上述风扇盘的各嵌合槽嵌合。
发明效果
根据本发明，即使不增加上述动叶片的厚度、不增加上述动叶片的弦长，也能够抑制上述航空器发动机的运转中上述动叶片主体的前端附近的扭转，因此能够实现上述动叶片的轻量化的同时充分确保上述动叶片的抗颤振性。
附图说明
图1为图5中的沿I-I线的放大剖视图。图1的斜线表示复合材料片材层的区别，并不表示增强纤维的方向。
图2为示出多个第1复合材料片材群和多个第2复合材料片材群的示意性立体图。
图3为说明在本发明的实施方式涉及的风扇动叶片中，将第1复合材料片材群以及第2复合材料片材群中的多个复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向的图，示意性地示出本发明的实施方式涉及的风扇动叶片以及复合材料片材群。
图4(a)为示出增强纤维的取向角为-45度的复合材料片材的图，图4(b)为示出增强纤维的取向角为0度的复合材料片材的图，图4(c)为示出增强纤维的取向角为-90度的复合材料片材的图。
图5为本发明的实施方式涉及的风扇动叶片的侧视图。
图6为本发明的实施方式涉及的航空器发动机的前侧部分的半侧剖视图。
图7(a)、图7(b)和图7(c)为说明在作为解析对象的动叶片主体中，将第1复合材料片材群以及第2复合材料片材群中的多个复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向的图，示意性地示出作为解析对象的动叶片主体以及复合材料片材群。
图8(a)、图8(b)和图8(c)为示出对于航空器发动机的运转状态中动叶片主体的风扇旋转方向侧的最大位移量进行振动模式解析的结果的图。
具体实施方式
本发明基于下述解析结果而完成。在该解析中，使用3个动叶片主体100、200、300作为解析对象。动叶片主体100、200、300是构成航空器发动机的风扇的动叶片(参照图6的动叶片主体37)。
动叶片主体100、200、300各自具备沿其叶片厚度方向设置的多个第1复合材料片材群以及多个第2复合材料片材群。各第1复合材料片材群具有由增强纤维与基体树脂构成的4张复合材料片材(预浸料坯)。第1复合材料片材群中的4张复合材料片材从叶片厚度中心侧向背面侧、基于规定的重叠模式(重叠顺序)进行重叠。此外，在这些4张复合材料片材重叠的状态下，它们当中的几个的增强纤维的取向角不同。另一方面，各第2复合材料片材群也具有由增强纤维与基体树脂构成的4张复合材料片材(预浸料坯)。第2复合材料片材群中的4张复合材料片材从叶片厚度中心侧向腹面侧、基于规定的重叠模式进行重叠。该重叠模式与第1复合材料片材群中的重叠模式相同。此外，与第1复合材料片材群相同，在这些4张复合材料片材重叠的状态下，它们当中的几个的增强纤维的取向角不同。
图7(a)、图7(b)和图7(c)分别示出作为第1解析对象的动叶片主体100、作为第2解析对象的动叶片主体200、作为第3解析对象的动叶片主体300。这些图中的方向CD表示将复合材料片材群(即，第1复合材料片材群以及第2复合材料片材群)中的多个复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向。如图7(a)所示，动叶片主体100中的复合材料片材群的方向CD相对于翼展方向SD向前缘侧倾斜45度。如图7(b)所示，动叶片主体200中的复合材料片材群的方向CD与翼展方向SD平行。进而，如图7(c)所示，动叶片主体300中的复合材料片材群的方向CD相对于翼展方向SD向后缘侧倾斜45度。予以说明的是，在各图中，矢量线表示4张复合材料片材的增强纤维的取向方向，“S1～S4”表示复合材料片材的重叠顺序，“FF”表示前方向(上游方向)或者前缘侧，“FR”表示后方向(下游方向)或者后缘侧。
图8(a)、图8(b)和图8(c)示出在航空器发动机的运转状态下，对于动叶片主体100、200、300振动时的风扇旋转方向侧的最大位移量进行振动模式解析的结果。予以说明的是，这些图中所示的数值表示动叶片主体100、200、300的风扇旋转方向侧的最大位移量。另外，最大位移量被无量纲化。
着眼于各动叶片主体的前端附近(顶端附近)的前缘侧的最大位移量与后缘侧的最大位移量之差，可知在图8(a)、图8(b)中所示的动叶片主体100、200中，该差相对大。这意味着，容易发生前端附近的扭转。与此相对，可知在图8(c)中所示的动叶片主体300中，该差相对小。这意味着，前端附近的扭转相对被抑制。予以说明的是，虽然省略了图示，但关于在航空器发动机的运转状态下的动叶片主体100、200、300的风扇旋转方向的相反侧的最大位移量也能够得到同样的解析结果。此外，在将复合材料片材群中的多个复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向CD相对于翼展方向SD向后缘侧倾斜20度的情况下，也能够得到与动叶片主体300的情况同样的解析结果。
由以上的解析结果可知，在满足规定的层叠条件并且方向CD相对于翼展方向SD向后缘侧倾斜的情况下，航空器发动机运转中动叶片主体的前端附近的前缘侧最大位移量与后缘侧最大位移量之差变小，能够抑制动叶片主体的前端附近的扭转。在此，所谓的规定的层叠条件是指动叶片主体具有沿叶片厚度方向设置的多个第1复合材料片材群以及多个第2复合材料片材群。各第1复合材料片材群包含从叶片厚度中心侧向背面侧、基于重叠模式重叠并且增强纤维的取向角彼此不同的多个复合材料片材。同样地，各第2复合材料片材群包含多个复合材料片材从叶片厚度中心侧向腹面侧、基于重叠模式重叠并且增强纤维的取向角彼此不同的多个复合材料片材。此外，第2复合材料片材群中的重叠模式与第1复合材料片材群中的重叠模式相同。
参照图1至图6，对本发明的实施方式进行说明。予以说明的是，在附图中，“FF”是指前方向(上游方向)或者前缘侧，“FR”是指后方向(下游方向)或者后缘侧。
如图6所示，本实施方式涉及的风扇1将空气引进至在航空器发动机中的发动机壳体3内形成的发动机流道5。在此，发动机壳体3包括筒状核心整流罩(Core Cowl)7和借助于多个(仅图示一个)支柱9以包围的方式设置在筒状核心整流罩7的外侧的筒状风扇壳体11等。此外，发动机流道5从中途分支成在核心整流罩7的内侧形成的环状(筒状)核心流道(主流道)13和在风扇壳体11的内周面与核心整流罩7的外周面之间形成的环状(筒状)旁通流道15。
在核心整流罩7的前部，能够借助于轴承19等旋转地设有风扇盘17，该风扇盘17与配设在风扇1的后方的低压涡轮(省略图示)的多级低压涡轮转子(省略图示)一体地连结成同轴状。此外，在风扇盘17的外周面，等间隔地形成有多个嵌合槽(嵌合切口)21。
在风扇盘17的各嵌合槽21中，通过嵌合来设置风扇动叶片23，各风扇动叶片23以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料。此外，在风扇盘17的各嵌合槽21的底面与风扇动叶片23之间，设有多个间隔件25。并且，在风扇盘17的前侧，一体地设有从前方保持多个风扇动叶片23的环状前保持架(Front Retainer)27，在风扇盘17的后侧，一体地设有从后方保持多个风扇动叶片23的环状后保持架29。另外，前保持架27与引导空气的防风锥(NoseCone)31一体地连结，后保持架29与配设在风扇1的后侧的低压压缩机33中的低压压缩机转子35一体地连结成同轴状。
因此，通过航空器发动机的运转使风扇盘17旋转，使多个风扇动叶片23与风扇盘17一体地旋转，能够将空气引进至发动机流道5(核心流道13以及旁通流道15)。
接着，对本发明的实施方式涉及的风扇动叶片23的全体构成进行说明。
如图5所示，风扇动叶片23如上述所述用于风扇1，具备动叶片主体37，该动叶片主体37在一侧具有背面(负压面)39，在另一侧具有正压面(腹面)41。此外，动叶片主体37由碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等增强纤维与基体树脂的复合材料构成。在此，所谓的基体树脂是指环氧树脂、酚醛树脂或聚酰亚胺树脂等热固性树脂，或者聚醚醚酮、聚苯硫醚等热塑性树脂。
在动叶片主体37的基端侧(轮毂端侧)，一体形成有动叶片根部43，该动叶片根部43具有能够与风扇盘17嵌合的楔形榫(Dovetail)45。此外，动叶片根部43与动叶片主体37同样地由碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等增强纤维与基体树脂的复合材料构成。另外，动叶片主体37与动叶片根部43的边界部位于发动机流道5的流道面5f。
在动叶片主体37的前缘侧，设有保护动叶片主体37的前缘侧的铠装(Sheath)47，该铠装47由钛合金等金属构成。
接着，对本发明的实施方式的风扇动叶片23的特征部分进行说明。
如图1、图2、图4和图5所示，动叶片主体37是将由碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等增强纤维(增强纤维束)与基体树脂构成的复合材料片材49进行层叠而成的。在此，对于本发明的实施方式而言，作为复合材料片材49，使用增强纤维的取向角不同的3种复合材料片材49A、49B、49C，复合材料片材49A的增强纤维的取向角α被设定为-45度(参照图4(a))，复合材料片材49B的增强纤维的取向角α被设定为0度(参照图4(b))，复合材料片材49C的增强纤维的取向角α被设定为-90度(参照图4(c))。
动叶片主体37具有沿叶片厚度方向TD设置的多个第1复合材料片材群51。各第1复合材料片材群51具有从叶片厚度中心TC侧向背面39侧重叠的多个(例如，4张)复合材料片材49(49A、49B、49C)。此外，动叶片主体37具有沿叶片厚度方向TD设置的多个第2复合材料片材群53。各第2复合材料片材群53具有从叶片厚度中心TC侧向腹面41侧重叠的多个(例如，4张)复合材料片材49(49A、49B、49C)。第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53包含增强纤维的取向角不同的1个或多个复合材料片材49。在本实施方式中，第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53分别由4张复合材料片材49构成，并包含3种复合材料片材49A、49B、49C。各第1复合材料片材群51以及各第2复合材料片材群53的重叠模式(重叠顺序)被设定为复合材料片材49A、复合材料片材49B、复合材料片材49A、复合材料片材49C的顺序。即，本实施方式的第1复合材料片材群51与第2复合材料片材群53的重叠模式相同。
如图3所示，将第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的多个复合材料片材49的增强纤维的取向方向进行合成后的方向(增强纤维的合成方向)CD相对于翼展方向SD向后缘侧倾斜20～45度。换而言之，将第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的多个复合材料片材49的增强纤维的取向角进行合成后的角(增强纤维的合成取向角)β被设定为-20～-45度。将第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的增强纤维的合成取向角β设定为-20度以上的原因是，如果增强纤维的合成取向角β小于-20度，则难以充分抑制航空器发动机运转中动叶片主体37的前端附近的扭转。另一方面，将第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的增强纤维的合成取向角β设定为-45度以下的原因是，如果增强纤维的合成取向角β超过-45度，则难以充分确保动叶片主体37的刚性。
如图1和图2所示，第1复合材料片材群51的个数与第2复合材料片材群53的个数相同，换而言之，动叶片主体37中，增强纤维的取向角不同的3种复合材料片材49A、49B、49C以叶片厚度中心TC为基准对称地层叠(配置)。此外，在任意相邻的第1复合材料片材群51之间，局部地夹持用于调节动叶片主体37的厚度的调节用第1复合材料片材群(省略图示)，调节用第1复合材料片材群与第1复合材料片材群51同样地，从叶片厚度中心TC侧向背面39侧、基于重叠模式来重叠复合材料片材49。进而，在任意相邻的第2复合材料片材群53之间，局部地夹持用于调节动叶片主体37的厚度的调节用第2复合材料片材群(省略图示)，调节用第2复合材料片材群与第2复合材料片材群53同样地，从叶片厚度中心TC侧向背面41侧、基于重叠模式来重叠复合材料片材49。另外，在位于最靠近叶片厚度中心TC侧的第1复合材料片材群51与位于最靠近叶片厚度中心TC侧的第2复合材料片材53之间，也可以夹持其它的复合材料片材(省略图示)。予以说明的是，图2中的“TCF”为包含叶片厚度中心TC的叶片厚度中心面。
接着，对本发明的实施方式的作用以及效果进行说明。
如上所述，动叶片主体37满足上述的规定的层叠条件(参照段落[0018])。并且，在满足规定的层叠条件的情况下，第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的多个复合材料片材49的增强纤维的合成方向CD相对于翼展方向SD向后缘侧倾斜20～45度。因此，由上述解析结果可理解，航空器发动机的运转中动叶片主体37的前端附近的前缘侧的最大位移量与后缘侧的最大位移量之差变小。其结果是，能够抑制动叶片主体37的前端附近的扭转。换而言之，即使不增加风扇动叶片23的厚度、不增加风扇动叶片23的弦长，也能够充分确保动叶片主体37的刚性，而且能够抑制航空器发动机的运转中动叶片主体37的前端附近的扭转。
因此，根据本实施方式，能够实现上述动叶片的轻量化的同时充分确保上述动叶片的抗颤振性。
此外，在使用本实施方式的动叶片构成航空器发动机的风扇的情况下，除了上述效果之外，通过利用航空器发动机的运转使风扇盘旋转，使多个风扇动叶片与风扇盘一体地旋转，能够将空气引进至发动机壳体内。
本发明并不限于上述的实施方式的说明，例如，能够以各种方式如下实施。
即，也可以变更第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的复合材料片材49的张数。第1复合材料片材群51的个数与第2复合材料片材群53的个数也可以彼此不同。也可以变更第1复合材料片材群51以及第2复合材料片材群53中的多个复合材料片材49的重叠模式。也可以变更多个复合材料片材49A，49B、49C的增强纤维的取向角。也可以将应用于风扇动叶片23的本发明的构成应用于低压压缩机转子35中的低压压缩机动叶片55(参照图5)。
予以说明的是，本发明中所包含的权利范围并不限定于这些实施方式。
产业上的可利用性
根据本发明，即使不增加动叶片的厚度、不增加动叶片的弦长，也能够抑制航空器发动机的运转中动叶片主体的前端附近的扭转。因此，能够提供实现轻量化的同时确保抗颤振性的动叶片。

Claims (4)

1.一种动叶片，其特征在于，该动叶片为用于航空器发动机的风扇或者压缩机的、以增强纤维与基体树脂的复合材料为构成材料的动叶片，
具备动叶片主体和在所述动叶片主体的基端侧一体形成的动叶片根部，
所述动叶片主体具有将由增强纤维与基体树脂构成的多个复合材料片材层叠而成的、沿叶片厚度方向设置的多个第1复合材料片材群以及多个第2复合材料片材群，
各第1复合材料片材群包含从叶片厚度中心侧向背面侧重叠并且其增强纤维的取向角不同的1个或多个所述复合材料片材，
各第2复合材料片材群包含从叶片厚度中心侧向腹面侧重叠并且其增强纤维的取向角不同的1个或多个所述复合材料片材，
所述第1复合材料片材群中的多个所述复合材料片材与所述第2复合材料片材群中的多个所述复合材料片材的各重叠模式相同，
将所述第1复合材料片材群以及所述第2复合材料片材群中的多个所述复合材料片材的增强纤维的取向方向进行合成后的方向相对于翼展方向向后缘侧倾斜。
2.根据权利要求1所述的动叶片，其特征在于，所述第1复合材料片材群以及所述第2复合材料片材群中的所述合成后的方向相对于翼展方向向后缘侧倾斜20度以上。
3.根据权利要求1所述的动叶片，其特征在于，所述第1复合材料片材群以及所述第2复合材料片材群中的所述合成后的方向相对于翼展方向向后缘侧倾斜20～45度。
4.一种风扇，其特征在于，该风扇为将空气引进至在航空器发动机的发动机壳体内形成的发动机流道的风扇，具备：
风扇盘，其围绕轴心可旋转地设在所述发动机壳体内，并在外周面形成有多个嵌合槽；以及
权利要求1至权利要求3中的任一项权利要求所述的动叶片，它们设置成与所述风扇盘的各嵌合槽嵌合。
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