CN106762146B - 一种发动机导向叶片的热气防冰结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金属前缘的复合材料发动机导向叶片热气防冰结构，适用于航空发动机前缘部件防冰结构设计，属于航空发动机防冰领域。本发明包括：复合材料叶片基体、金属材料叶片前缘、碳纤维笛形管和封头等部分。本发明使用复合材料制作叶片基体，金属材料制作叶片前缘。本发明综合了金属的导热性好和复合材料重量轻的优点，可以提高发动机导向叶片热气防冰效果，减小发动机引气量及引气温度，同时可以减小发动机重量，有利于提高航空发动机的性能、安全性和经济性。

Description

一种发动机导向叶片的热气防冰结构
技术领域
本发明涉及一种发动机导向叶片的热气防冰结构，适用于航空发动机前缘部件防冰结构设计，属于航空发动机防冰领域。
背景技术
飞机在含有低温水滴的云层中飞行时，发动机前缘导向叶片结冰会导致进气道面积变窄、发动机性能下降，结冰脱落后被发动机吸入进气道和压气机中，可能损坏发动机，引起发动机空中停车等安全事故。为保证飞行安全，美国联邦航空局(FAA)、中国民用航空标准、航空标准及军用标准均规定了飞机发动机进行防冰。
航空发动机前缘导向叶片比飞机机翼尺度约小一个数量级，由于尺度效应，小尺寸结构的水滴收集系数更大，因此导向叶片的比机翼更容易产生结冰，发动机导向叶片的防冰需求比飞机机翼的防冰需求更迫切。
发动机防冰形式有热气防冰、电防冰和滑油防冰等。由于发动机压气机工作过程中会产生高温高压气体，将热空气从压气机引出并输送到发动机前缘进行热气防冰，具有引气方便、安全可靠等优势。
相比传统金属材料，复合材料具有重量轻、可设计性强等优点。复合材料在发动机材料上所占比例越来越多，先进发动机前缘导向叶片结构亦主要采用复合材料，但多数复合材料结构导热系数较低，限制了热气防冰的传热效率。
目前航空发动机(例如AL-31F发动机)的导向叶片采用的是冲击-气膜复合式热气防冰结构采用的材料全部为金属材料，由于金属导热系数较高，因此导热热阻很小，相对于冲击对流换热热阻可以忽略金属导热热阻。而先进航空发动机采用的复合材料导热性能差，如果导向叶片结构完全采用复合材料，则传热热阻主要存在于导热环节，防冰热空气利用率较低，影响到发动机性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种发动机导向叶片的热气防冰结构，其包括了金属前缘以及复合材料的叶片基体，将复合材料结构的导向叶片基体与金属前缘相结合，采用碳纤维笛形分配防冰热空气，金属材料叶片前缘与复合材料叶片基体的配合采用沉头槽型式。
本发明采用冲击-气膜复合式防冰结构，即采用热气冲击导向叶片前缘内部，采用气膜缝结构排气。冲击的产生高热流密度和高换热系数，通过前缘壁导热的热量用于防冰。气膜缝排出的空气可以将撞击到导向叶片中后部的水滴吹离壁面，具有一定的防冰效果，同时热气可以加热导向叶片表面进行防冰。
本发明的优点在于：
(1)金属前缘与复合材料基体二者相结合的结构充分综合了金属的导热性好和复合材料重量轻的优点，利用金属材料的高导热性巧妙地解决了完全复合材料的导热性能差、不能充分利用防冰热空气的难题；同采用轻质的复合材料做叶片基体可以大幅减轻叶片重量，有利于提高发动机推重比和发动机性能。
(2)本发明对于发动机热气防冰结构设计具有重要的科学意义和良好的工程应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构零件示意图；
图3是本发明图1的截面示意图；
图中：
1.复合材料叶片基体 2.金属材料叶片前缘 3.碳纤维笛形管 4.封头
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种发动机导向叶片的热气防冰结构，如图1、图2、图3所示，包括叶片基体、叶片前缘、碳纤维笛形管，叶片基体采用复合材料，叶片前缘采用金属材料；
叶片主体结构为复合材料叶片基体1，复合材料叶片基体1内设有空心结构的防冰腔A，前端设有均匀分布的冲击孔，冲击孔连通防冰腔A，复合材料叶片基体1内部配置碳纤维笛形管3，碳纤维笛形管3包括主管和支管，支管垂直连接主管，主管位于防冰腔A内，支管位于冲击孔内，支管在展向上均匀分布，金属材料叶片前缘2上设有一排均匀间隔分布的气膜缝，气膜缝与冲击孔在叶片展向的位置间隔对应，即气膜缝中心在叶片展向位于两个冲击孔之间，金属材料叶片前缘2与复合材料叶片基体1前端连接，防冰热空气由碳纤维笛形管3主管分配到各个支管，气流通过复合材料叶片基体1中的冲击孔冲击金属材料叶片前缘2，防冰热空气从金属材料叶片前缘2的气膜缝流出，吹向气膜缝后部进行防冰。
如图2所示，复合材料叶片基体1与金属材料叶片前缘2采用沉头槽进行叶片弦向的配合，复合材料叶片基体1与金属材料叶片前缘2采用封头4进行叶片展向的配合。
如图3所示，由于导向叶片前缘的局部水滴收集量最大，采用冲击换热方式使防冰热空气最先加热导向叶片前缘，可以获得最大的防冰效果。冲击孔前端与金属材料叶片前缘2内壁面的距离(即冲击距)需选取合适的数值，保证冲击换热对流换热系数最大，工程上一般选取冲击距为冲击孔径的6～8倍。
本发明可以有以下不同实施例：
金属材料叶片前缘2外部可包覆复合材料或涂覆超疏水防冰材料。
复合材料叶片基体1与金属材料叶片前缘2之间用于叶片弦向配合的沉头槽截面形状有矩形槽、燕尾槽等形式。
除了沉头槽之外，复合材料叶片基体1与金属材料叶片前缘2连接方式可采用梳齿连接，即气膜缝位于复合材料叶片基体1与金属材料叶片前缘2相连接的部位。
金属材料叶片前缘2的气膜缝可以有单排缝和双排缝等形式。
本发明的热气防冰方式仍使用较传统的AL-31F发动机冲击-气膜防冰方式，本发明的结构与传统结构的区别在于：1)叶片前缘材料及结构不同，本发明同时采用了金属材料与复合材料两种材料相组合的结构，综合利用了高导热与金属材料的复合材料的低密度特点，而传统结构仅采用了金属材料；2)供气方式不同，本发明采用碳纤维笛形管分配防冰热空气，可以将防冰热空气更集中地分布到金属前缘，减少了热气在叶片基体防冰腔中的热损失，传热效率更高，而传统结构没有使用碳纤维笛形管。

Claims (7)

1.一种发动机导向叶片的热气防冰结构，其包括了金属前缘以及复合材料的叶片基体，其特征在于：所述结构包括叶片基体、叶片前缘、碳纤维笛形管，叶片基体采用复合材料，叶片前缘采用金属材料；
复合材料叶片基体内设有空心结构的防冰腔A，前端设有冲击孔，碳纤维笛形管包括主管和支管，支管垂直连接主管，主管位于防冰腔A内，支管位于冲击孔内，支管在展向上均匀分布，金属材料叶片前缘上设有气膜缝，金属材料叶片前缘与复合材料叶片基体前端连接，防冰热空气由碳纤维笛形管主管分配到各个支管，气流通过复合材料叶片基体冲击孔内碳纤维笛形管的支管，冲击金属材料叶片前缘，防冰热空气从金属材料叶片前缘的气膜缝流出，吹向气膜缝后部进行防冰。
2.根据权利要求1所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述复合材料叶片基体与金属材料叶片前缘采用沉头槽进行叶片弦向配合，复合材料叶片基体与金属材料叶片前缘采用封头进行叶片展向的配合。
3.根据权利要求1所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述冲击孔的前端与金属材料叶片前缘内壁面的距离为冲击距，冲击距为冲击孔径的6～8倍。
4.根据权利要求1所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述金属材料叶片前缘外部包覆复合材料或涂覆超疏水防冰材料。
5.根据权利要求2所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述沉头槽截面形状为矩形槽或者燕尾槽。
6.根据权利要求1所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述复合材料叶片基体与金属材料叶片前缘采用梳齿连接，即气膜缝位于复合材料叶片基体与金属材料叶片前缘相连接的部位。
7.根据权利要求1所述的一种发动机导向叶片的热气防冰结构，所述金属材料叶片前缘的气膜缝为单排缝或者双排缝。
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