CN106555776B - 涡轮风扇发动机及其风扇叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮风扇发动机及其风扇叶片。该风扇叶片包括压力面壁板、吸力面壁板和介于该压力面壁板与该吸力面壁板之间的芯板结构，该芯板结构具有多个第一接合部，该压力面壁板的内侧面与该多个第一接合部对应的位置分别具有多个凸台，该多个第一接合部与该多个凸台接合，其中各凸台的高度与该芯板结构的厚度之比为0.5:1至1:1。

Description

涡轮风扇发动机及其风扇叶片

技术领域

本发明涉及涡轮风扇发动机，尤其是涉及涡轮风扇发动机的风扇叶片。

背景技术

现代高速飞机多数使用喷气式发动机，其原理是将空气吸入，与燃油混合、点火、爆炸膨胀后的空气向后喷出，其反作用力则推动飞机向前。涡轮风扇发动机(涡轮风扇发动机)作为喷气发动机的一种，是亚音速飞机尤其是民用飞机的首选发动机。涡轮风扇发动机吸入的空气一部分从外涵道后吹，一部分送入内涵道核心机。发动机最前端的风扇通过降低排气速度达到提高喷气发动机推进效率的目的。

由于涡轮风扇发动机的风扇叶片位于发动机最前端，容易受到飞鸟、冰、雹以及其它外来物体的撞击。当采用超塑成型/扩散连接焊工艺生产的空心叶片结构时，外物撞击特别是微小硬物撞击，容易使焊缝位置发生脱焊现象，进而造成叶片损坏乃至失效。如果加厚风扇叶片的壁板或芯板，又会增加叶片质量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种涡轮风扇发动机及其风扇叶片，可以在不增厚风扇叶片的情况下，提高叶片及其焊缝的抗外物冲击能力。

本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提出一种涡轮风扇发动机的风扇叶片，包括压力面壁板、吸力面壁板和介于该压力面壁板与该吸力面壁板之间的芯板结构，该芯板结构具有多个第一接合部，该压力面壁板的内侧面与该多个第一接合部对应的位置分别具有多个凸台，该多个第一接合部与该多个凸台接合，其中各凸台的高度与该芯板结构的厚度之比为0.5:1至1:1。

在本发明的一实施例中，各凸台与该压力面壁板的内侧面所成的角度在90°～115°之间。

在本发明的一实施例中，各凸台与该压力面壁板的内侧面所成的角为圆角或倒角。

在本发明的一实施例中，该圆角的半径与该凸台高度之比大于或等于0.25。

在本发明的一实施例中，各凸台的上底宽度与下底宽度之比在0.8～1之间。

在本发明的一实施例中，各凸台从叶片的根部到尖端是连续的，从叶片的前缘到后缘是不连续的。

在本发明的一实施例中，至少部分凸台的顶面为平面或曲面。

在本发明的一实施例中，至少部分凸台的顶面呈波浪形。

在本发明的一实施例中，该芯板结构具有多个第二接合部，该多个第二接合部直接接合在该吸力面壁板的内侧面上。

在本发明的一实施例中，至少部分凸台的高度、宽度以及/或者角度与其它凸台不同。

在本发明的一实施例中，该芯板结构为瓦伦结构或蜂窝结构。

本发明还提出一种涡轮风扇发动机的风扇，包括如上所述的风扇叶片。

本发明还提出一种涡轮风扇发动机，包括如上所述的风扇。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，通过凸台的设计，增加了应力波传到焊缝之前的路径长度，增加了阻尼效应，可以吸收一部分冲击能量，同时不减少空心率，不增加叶片质量。因此本发明能够降低从撞击点传到焊缝位置处的力，保护焊缝不致分层或脱焊，提高了叶片抗冲击性能，特别是提高了抗微小硬物冲击性能。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1示出根据本发明一实施例的涡轮风扇发动机的风扇叶片的外型图。

图2示出根据本发明一实施例的涡轮风扇发动机的风扇叶片的A-A剖面图。

图3示出图2所示的凸台的放大图。

图4示出根据本发明另一实施例的凸台结构。

图5示出根据本发明又一实施例的凸台结构。

图6A、6B示出改进结构后的叶片数值模拟冲击实验示意图。

具体实施方式

本发明实施例描述涡轮风扇发动机的风扇叶片，该叶片抵抗外物冲击的能力得到提高，而且质量不需增加，叶片外形也不需改变，并且加工工艺容易实现。

图1示出根据本发明一实施例的涡轮风扇发动机的风扇叶片的外型图。图2示出根据本发明一实施例的涡轮风扇发动机的风扇叶片的A-A剖面图。参考图1和图2所示，叶片10可分为前缘11、后缘12以及榫头13。整个叶片10为空心结构，包括压力面壁板15、吸力面壁板16、和芯板结构17。压力面壁板15和吸力面壁板16对合以构成空腔18，芯板结构17则位于压力面壁板15和吸力面壁板16之间的空腔18内。在本发明的实施例中，芯板结构的形式可以是多样的，本实施例以瓦伦结构形式为例，在其它实施例中，芯板结构还可以是蜂窝结构或其它结构。与已知风扇叶片相似，芯板结构17的一侧(图2中为下侧)与压力面壁板15接合，芯板结构17的另一侧(图2中为上侧)与吸力面壁板16接合。压力面壁板15和吸力面壁板16对合的方式，芯板结构分别与压力面壁板15和吸力面壁板16接合的方式通常为焊接，但可以理解，本发明并不限定特定对合及接合方式，而是可以采用其它的方式。

在本实施例中，芯板结构17与压力面壁板15的接合采用了抗冲击的设计。具体来说，参考图2和图3所示的凸台的放大图，芯板结构17在压力面壁板15的一侧具有多个第一接合部17a，相应地，压力面壁板15的内侧面15a与多个第一接合部17a对应的位置分别具有多个凸台15b。这些第一接合部17a不是直接接合到压力面壁板15的内侧面15a，而是一一对应地与这些凸台15b接合。当采用焊接方式时，各第一接合部17a与各凸台15b之间为焊缝。

这些凸台15b沿着叶片10的高度方向从叶根10a(图1中下端)到叶尖10b(图1中上端)是连续的。沿叶片高度方向，各凸台15b的高度、宽度以及角度可以保持不变，也可以不一样。参考图2，沿叶片宽度方向，即从叶片10的前缘11到后缘12，各凸台15b是不连续的。同一个叶片10中，每个凸台的高度、宽度以及角度中的一个或多个可以一样，也可以不一样。各凸台15b沿叶片高度方向随叶片10的扭转、弯曲等气动外型，形成一条空间曲线。

在本发明的实施例中，选择优化的凸台的角度、宽度和高度，从而提高叶片抗冲击刚度，吸收冲击能量，改变冲击波的方向，同时可以保证一定的叶片空心率。凸台尺寸定义如图3所示，h为凸台高度，即凸台从压力面壁板15的内侧面15a起算的高度；θ为凸台与压力面壁板15的内侧面15a所成的角度；R为圆角半径；w1为凸台下底宽度，w2为凸台上底宽度。e为芯板结构厚度。

凸台高度h影响叶片空心率，所以不能太高，但过小的凸台高度，对保护凸台与第一接合部接合处尤其是焊缝的作用有限。根据优选实施例，凸台高度h范围为：0.5e～e，即凸台高度h与芯板结构厚度e之比为0.5:1至1:1。

凸台上下底w2,w1之比如果过小，会导致凸台与瓦伦之间的焊缝过短，承力面积下降，如果该值过大，会造成凸台根部应力集中。根据优选实施例w2/w1在0.8～1之间。

凸台角度过小，受到冲击时凸台根部有可能会产生较大应力集中而折断。凸台角度过大，在凸台高度一定的情况下，凸台上底较短，从而使受力面减小。根据优选实施例，凸台角度θ在90°～115°之间。这一优选角度能够在抵抗应力的同时散射一部分应力波。

较佳地，凸台与压力面壁板15的内侧面15a所成的角即凸台根部51的角为过渡圆角或倒圆角。类似地，凸台顶部52的角也可为过渡圆角或倒圆角。芯板结构17的过渡角17b为过渡圆角或倒圆角。各圆角，例如凸台根部圆角的半径R由加工工艺和凸台尺寸决定，但应满足R≧0.25h。

凸台15b的顶部可以有不同的外部形状，包括但不限于如图3所示平面型凸台，图4所示曲面型凸台，图5所示波浪形的凸台。不同的凸台顶面的主要作用是在有限的空间内，尽量增加接合面积，将受到的冲击力均匀地分布在更大的受力面积上，从而减少接合处受到的冲击。

另一方面，吸力面壁板16的内侧面16a无需加工凸台，因为叶片吸力面几乎不会受到外物冲击损伤。芯板结构17的多个第二接合部17c直接与吸力面壁板16的内侧面16a接合。

在加工时，凸台15b以及压力面壁板15可以通过扩散焊与芯板结构17连接。在凸台15b与芯板结构17、芯板结构17与吸力面壁板16之间形成扩散连接焊缝。加工方法与一般超塑成型/扩散焊方法一致。焊缝的宽度应该与凸台15b的宽度一样。

在与芯板扩散焊连接之前，压力面壁板15的内侧面15a预先加工出凸台15b。凸台15b与压力面壁板15为一整体。凸台加工方法采用非连接类(如焊接、铆接等)的方法，包含但不局限于机加工、化学腐蚀、增材制造等工艺。加工凸台时较佳地采用圆角或倒角过渡，避免出现尖角而导致应力集中。

空心叶片结构改进后，抗冲击能力得到提高。图6A、6B是对图5所示凸台结构的空心风扇叶片硬物冲击数值仿真实验的示意图，其中图6B是图6A的B-B剖视图。钢球100以200m/s速度垂直撞击叶片10的压力面壁板15。选取距撞击中心2倍直径C、D两点焊缝位置的芯板作为结构改进前后效果对比的位置。下表1对比了距撞击中心2倍冲击物直径处焊缝位置芯板(A、B)等效应力峰值和变形情况。从表1中可见，叶片应力大大下降，而叶片变形没有显著变化。

表1

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (13)

1.一种涡轮风扇发动机的风扇叶片，包括压力面壁板、吸力面壁板和介于该压力面壁板与该吸力面壁板之间的芯板结构，其特征在于，该芯板结构具有多个第一接合部，该压力面壁板的内侧面与该多个第一接合部对应的位置分别具有多个凸台，该多个第一接合部与该多个凸台接合，其中各凸台的高度与该芯板结构的厚度之比为0.5:1至1:1。

2.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，各凸台与该压力面壁板的内侧面所成的角度在90°～115°之间。

3.如权利要求1或2所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，各凸台与该压力面壁板的内侧面所成的角为圆角或倒角。

4.如权利要求3所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，该圆角的半径与该凸台高度之比大于或等于0.25。

5.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，各凸台的上底宽度与下底宽度之比在0.8～1之间。

6.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，各凸台从叶片的根部到尖端是连续的，从叶片的前缘到后缘是不连续的。

7.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，至少部分凸台的顶面为平面或曲面。

8.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，至少部分凸台的顶面呈波浪形。

9.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，该芯板结构具有多个第二接合部，该多个第二接合部直接接合在该吸力面壁板的内侧面上。

10.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，至少部分凸台的高度、宽度以及/或者角度与其它凸台不同。

11.如权利要求1所述的涡轮风扇发动机的风扇叶片，其特征在于，该芯板结构为瓦伦结构或蜂窝结构。

12.一种涡轮风扇发动机的风扇，包括如权利要求1-11任一项所述的风扇叶片。

13.一种涡轮风扇发动机，包括如权利要求12所述的风扇。