CN105604978B - 抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，其叶片前缘能吸收冲击能量、减小鸟体对叶片前缘冲击产生的损伤，增强叶片整体的抗冲击效果。为实现所述目的的抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，包括叶片本体和前缘增强结构，其特点是，叶片本体和前缘增强结构是由增材制造工艺一体成型的一体件，叶片本体为金属叶片，前缘增强结构的材料采用高强金属材料，前缘增强结构包括在叶片本体的前缘侧沿整个纵向长度方向向外扩展的弹性的层状结构，前缘增强结构和金属叶片的前缘之间采用对金属叶片的材料和前缘增强结构都具有亲和性的中间材料进行过渡。

Description

抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片

技术领域

本发明涉及涡轮发动机风扇叶片。

背景技术

大涵道比涡轮发动机的主要关键技术之一就是风扇叶片的设计和制造，传统的钛合金空心风扇叶片制造由于材料性能的稳定性和工艺的复杂性，存在很大挑战。大涵道比涡轮发动机的吸鸟适航要求也限制了在传统制造工艺下的叶片结构设计的灵活性。

增材制造(3D打印)技术的日趋成熟，形状精度、表面质量、以及机械性能和工艺稳定性等瓶颈均已突破，使得通过增材制造技术加工风扇叶片成为可能。基于增材制造可以多种材料融合、内部结构形式设计灵活的特点，可以在最大限度的减轻叶片重量的前提下，通过叶片前缘加强结构设计，有效提高叶片的抗冲击能力。

专利文献US2010232974A1提供的叶片前缘结构包括纵向和横向吸能弹性元件结构，所针对的风扇叶片设计方案是复合材料叶片，因为复合材料基体抗冲击性能差，所以复合材料叶片设计方案一般都需要包含叶片前缘加强边结构，但该类型的结构和加工工艺方法都不适用于金属叶片。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，其叶片前缘能吸收冲击能量、减小鸟体对叶片前缘冲击产生的损伤，增强叶片整体的抗冲击效果。

为实现所述目的的抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，包括叶片本体和前缘增强结构，其特点是，叶片本体和前缘增强结构是由增材制造工艺一体成型的一体件，叶片本体为金属叶片，前缘增强结构的材料采用高强金属材料，前缘增强结构包括在叶片本体的前缘侧沿整个纵向长度方向向外扩展的弹性的层状结构，前缘增强结构和金属叶片的前缘之间采用对金属叶片的材料和前缘增强结构都具有亲和性的中间材料进行过渡。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述高强金属材料为GH4169。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述叶片本体的材料采用钛合金。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述层状结构的至少部分层沿弹性形变方向的横截面为起伏延伸的波浪形。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述层状结构的至少部分层的弹性形变方向为叶片本体前缘的纵向或横向或者纵向至横向之间的方向。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述层状结构包括分别自叶片本体前侧向外扩展的第一层弹性元件和中间层以及第二层弹性元件，中间层位于第一层弹性元件、第二层弹性元件之间。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，上层弹性元件的弹性形变方向在叶片本体的纵向或横向或者纵向至横向之间的方向。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，上层弹性元件和下层弹性元件以中间层为中心对称设置。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，所述层状结构的各层为空心结构。

所述的风扇叶片，其进一步的特点是，叶片本体的前缘与所述层状结构的交界面为直角过渡。

传统涡轮发动机风扇叶片结构设计方案，叶片重量大，难以大涵道比涡轮发动机满足风扇叶片设计要求。基于扩散连接/超塑成形工艺的空心风扇叶片设计方案，会导致不同程度的抗飞鸟等外物冲击性能下降，且结构优化空间受加工工艺的制约。本发明在叶片前缘采用高强金属材料和吸能弹性结构设计，减小鸟体对叶片前缘的损伤，吸收冲击能量，增强叶片整体的抗冲击效果；前缘增强结构的弹性吸能方向可根据叶片设计要求(尺寸、叶型特征)灵活选择，本发明能解决前述两类技术不能解决的问题。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1为本发明一实施例中抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片的俯视图；

图2为图1中抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片的主视图；

图3为本发明另一实施例中抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片的俯视图；

图4为图3中抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片的主视图；

图5为图2中A处局部放大的立体图。

图6为图4中B处局部放大的立体图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

需要注意的是，附图1至图6均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

如图1所示，抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片包括叶片本体1和前缘增强结构2，叶片本体1具有前缘11和后缘12以及从前缘11延伸到后缘所形成的吸力面和压力面，叶片本体1的具体构造不是本发明的改进部分，故在此就不予以赘述了。

叶片本体1的材料可以采用钛合金，或者其他适合于叶片条件的金属材料，叶片本体1可以采用空心结构。

前缘增强结构2采用高强金属材料，具有吸能弹性结构，所谓高强金属材料只要能够适合于增材制造工艺且能吸附小鸟撞击能量减小鸟撞冲击对叶片本体的损伤即可。在本发明的一实施例中高强金属材料可以是GH4169，或者屈服强度大于1370MPa的合金钢，或者其他适合于增材制造工艺，且具有一定屈服强度的金属材料，这些金属材料不一定要大于1370MPa。

前缘增强结构2沿叶片本体1的前缘11的整个纵向长度向外扩展设置，其扩展方向实质上是叶片本体1的曲面的扩展方向，以不影响其空气动力学性能为原则。

如图5所示，前缘增强结构2包括上层弹性元件21(第一层弹性元件)、中间层22和下层弹性元件23(第二层弹性元件)。上层弹性元件21的弹性形变方向大致平行于叶片本体1的前缘11的纵向，从沿弹性形变方向的截面来看，或者上层弹性元件21的纵向侧端面来看，上层弹性元件21为起伏延伸的波浪形状。

继续参照图5，下层弹性元件23的弹性形变方向大致平行于叶片本体1的前缘11的纵向，从沿弹性形变方向的截面来看，或者下层弹性元件23的纵向侧端面来看，下层弹性元件23为起伏延伸的波浪形状。较佳地，下层弹性元件23和上层弹性元件21是以中间层22为中心上下对称设置。中间层22较佳地为平板状。

继续参照图5，上层弹性元件21、下层弹性元件23、中间层22是空心层。上层弹性元件21的波浪形的谷底、下层弹性元件23的波浪形的峰部是与中间层22接触。

如图1所示的整个叶片即包括叶片本体1和前缘增强结构2可以采用增材工艺制造，为一体件。叶片本体1和前缘增强结构2的过渡处可以选择与二者材料都亲和的过渡材料制造而成。

图5中箭头L所示的方向为叶片本体1的前缘11的纵向，图5所示的前缘增强结构2可以称之为纵向吸能弹性结构。不过，在本发明的其他实施例中，前缘增强结构的弹性形变方向不一定是纵向，还可以是横向，或者纵向与横向之间的方向，这可以根据叶片本体的具体设计要求(尺寸、叶形特征)灵活选择。

叶片采用增材工艺制造后，通过机加工、抛光等工艺等满足外型面精度和表面粗糙度要求。

图3、图4以及图6显示了本发明的另一个实施例。本实施例沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且选择性地省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参照前述实施例，本实施例不再重复赘述。

如图3和图4所示，抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片包括叶片本体4和前缘增强结构3，叶片本体4具有前缘41和后缘42以及从前缘41延伸到后缘42所形成的吸力面和压力面，叶片本体4的具体构造不是本实施例的改进部分，故在此就不予以赘述了。

如图6所示，前缘增强结构3包括上层弹性元件31(第一层弹性元件)、中间层32和下层弹性元件33(第二层弹性元件)。上层弹性元件31的弹性形变方向大致平行于叶片本体4的前缘41的横向，从沿弹性形变方向的截面来看，上层弹性元件31为起伏延伸的波浪形状。

继续参照图6，下层弹性元件33的弹性形变方向大致平行于叶片本体4的前缘41的横向，从沿弹性形变方向的截面来看，下层弹性元件33为起伏延伸的波浪形状。较佳地，下层弹性元件33和上层弹性元件31是以中间层32为中心上下对称设置。中间层32较佳地为平板状。

继续参照图6，上层弹性元件31、下层弹性元件33、中间层32是空心层。上层弹性元件31的波浪形的谷底、下层弹性元件33的波浪形的峰部是与中间层33接触。

如图3所示的整个叶片即包括叶片本体4和前缘增强结构3可以采用增材工艺制造，为一体件。叶片本体4和前缘增强结构3的过渡处可以选择与二者材料都亲和的过渡材料制造而成。

图6中箭头L所示的方向为叶片本体4的前缘41的纵向，图6所示的前缘增强结构3可以称之为横向吸能弹性结构。不过，如前所述，前缘增强结构的弹性形变方向不一定是横向，还可以是纵向与横向之间的方向，这可以根据叶片本体的具体设计要求(尺寸、叶形特征)灵活选择。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，例如前缘增强结构2或3与叶片本体交界面可以是但不限于直角过渡形式。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.抗冲击增强型涡轮发动机风扇叶片，包括叶片本体和前缘增强结构，其特征在于，叶片本体和前缘增强结构是由增材制造工艺一体成型的一体件，叶片本体为金属叶片，前缘增强结构的材料采用高强金属材料，所述高强金属材料只要能够适合于增材制造工艺且能吸附小鸟撞击能量减小鸟撞冲击对叶片本体的损伤即可，前缘增强结构包括在叶片本体的前缘侧沿整个纵向长度方向向外扩展的弹性的层状结构，前缘增强结构和金属叶片的前缘之间采用对金属叶片的材料和前缘增强结构都具有亲和性的中间材料进行过渡。

2.如权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述高强金属材料为GH4169。

3.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述叶片本体的材料采用钛合金。

4.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述层状结构的至少部分层沿弹性形变方向的横截面为起伏延伸的波浪形。

5.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述层状结构的至少部分层的弹性形变方向为叶片本体前缘的纵向或横向或者纵向至横向之间的方向。

6.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述层状结构包括分别自叶片本体前侧向外扩展的第一层弹性元件和中间层以及第二层弹性元件，中间层位于第一层弹性元件、第二层弹性元件之间。

7.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，上层弹性元件的弹性形变方向在叶片本体的纵向或横向或者纵向至横向之间的方向。

8.如权利要求4所述的风扇叶片，其特征在于，上层弹性元件和下层弹性元件以中间层为中心对称设置。

9.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述层状结构的各层为空心结构。

10.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，叶片本体的前缘与所述层状结构的交界面为直角过渡。