CN107201919A - 具有多材料增强的翼型件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种翼型件(12)，其包括：翼型件主体(17)，该翼型件主体(17)具有在前缘(22)和后缘(24)之间延伸的凸形侧和凹形侧，该翼型件主体(17)包括具有不同的物理性能的初级区域和次级区域；和附接到翼型件主体(17)的至少一个金属包层元件(40，42)。

Description

具有多材料增强的翼型件
技术领域
本发明总体涉及翼型件并且具体而言涉及具有多材料增强的风扇轮叶。
背景技术
涡轮发动机应用中使用的风扇轮叶和其它结构容易例如在鸟吸入事件(“鸟撞击”)期间受到异物碰撞损坏的影响。由诸如碳纤维增强环氧树脂之类的复合材料制成的轮叶由于其高总比强度、比刚度和轻质而具有吸引力。然而，碳复合材料由于其低韧性而特别易于在异物碰撞期间脆性断裂和分层。轮叶前缘、后缘、和尖端是特别敏感的，原因在于这些区域通常厚度较低以及众所周知的层叠复合材料易于自由边缘分层。
为了最佳气动性能，期望使用薄且具有长翼弦的风扇轮叶。这种风扇轮叶的一个问题是与具有较短翼弦的较厚轮叶相比，在鸟撞击的情况下会遇到较高的应变。
使用粘合于其上的金属防护件(也称为金属包层)为复合材料风扇轮叶提供碰撞损坏保护是已知的。例如，已知风扇轮叶具有复合材料主体，该复合材料主体具有在前缘、尖端、和后缘之上延伸的金属包层。
金属包层通常由高密度合金制成。在翼型件的延伸区域之上使用金属包层的一个问题是其重量抵消了使用复合材料减轻的重量。
发明内容
通过由复合材料制成的翼型件解决了上述问题中的至少一个，该翼型件结合了具有延伸特性增大的材料的区域、和金属包层。
根据本文中所描述的技术的一个方面，一种翼型件包括：翼型件主体，该翼型件主体具有在前缘和后缘之间延伸的凸形侧和凹形侧，该翼型件主体包括具有不同的物理性能的初级区域和次级区域；和附接到翼型件主体的至少一个金属包层元件。
其中，所述初级区域和所述次级区域中的每一个都包括复合材料，所述复合材料包括其中嵌入有增强纤维的基质。
其中，所述初级区域和所述次级区域中的至少一个包括聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包括碳增强纤维。
其中，所述次级区域包括聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包括高伸长率增强纤维，所述高伸长率增强纤维的伸长率大于碳纤维的伸长率。
其中，所述高伸长率增强纤维包括玻璃纤维。
其中，所述次级区域被布置成邻近所述翼型件主体的至少一个自由边缘。
其中，所述次级区域被布置成邻近所述翼型件主体的前缘或后缘，并且覆盖所述翼型件的弦向尺寸的大约三分之一。
其中，在所述初级区域内，所述翼型件主体的整体厚度包括第一复合材料，所述第一复合材料包括通过碳纤维加强的聚合物基质；并且
在所述次级区域内，所述翼型件主体的内部芯包括第一复合材料，而外部表皮包括第二复合材料，所述第二复合材料包括通过玻璃纤维加强的聚合物基质。
其中，所述次级区域的紧邻所述翼型件主体的一些或所有自由边缘的部分包括具有穿过其整体厚度的玻璃纤维的聚合物基质。
其中，所述包层元件中的一个是附接到所述翼型件主体的前缘的前缘防护件，所述前缘防护件包括鼻部，所述鼻部具有从其延伸的间隔开的第一翼和第二翼。
其中，所述包层元件中的一个是附接到所述翼型件主体的尖端的尖端帽，所述尖端帽包括沿所述翼型件主体的凸形侧和凹形侧延伸的一对侧壁。
其中，所述尖端帽的外部表面用作所述翼型件主体的气动延伸部。
其中，所述尖端帽通过粘合剂附接到所述翼型件主体。
其中，所述尖端帽包括尖端部分和后缘部分，这两个部分限定了L形。
其中，所述尖端帽从所述翼型件主体的尖端延伸至所述翼型件的翼展的大致一半的位置处。
其中，沿弦向方向，所述尖端帽的后缘部分从所述后缘向前延伸，从而覆盖所述翼型件主体的弦向尺寸的大致三分之一。
根据本文中所描述的技术的另一个方面，一种翼型件包括：翼型件主体，该翼型件主体具有根部和尖端、以及在前缘和后缘之间延伸的凸形侧和凹形侧，该翼型件主体包括具有不同的材料性能的初级区域和次级区域；和附接到翼型件主体的至少一个金属包层元件；其中，在初级区域内，翼型件的整体厚度包括第一复合材料，该第一复合材料包括通过碳纤维加强的聚合物基质；并且其中次级区域被布置成邻近翼型件主体的至少一个自由边缘，并且在次级区域内，翼型件主体的内部芯包括第一复合材料，而外部表皮包括第二复合材料，该第二复合材料包括通过玻璃纤维加强的聚合物基质。
其中，所述次级区域的紧邻所述翼型件主体的一个或多个自由边缘的部分包括具有穿过其整体厚度的玻璃纤维的聚合物基质。
其中，所述包层元件中的一个是附接到所述翼型件主体的尖端的尖端帽，所述尖端帽包括沿所述翼型件主体的凸形侧和凹形侧延伸的一对侧壁。
其中，所述尖端帽包括尖端部分和后缘部分，这两个部分限定了L形。
根据本文中所描述的技术的另一个方面，一种翼型件包括：翼型件主体，该翼型件主体具有在前缘和后缘之间延伸的凸形侧和凹形侧，该翼型件主体包括初级区域和次级区域，其中初级区域和次级区域中的每一个都包括复合材料，该复合材料包括其中嵌入有增强纤维的基质，该初级区域具有第一伸长率，并且次级区域具有比第一伸长率大的第二伸长率；和附接到主体的第一金属包层元件，该金属包层元件覆盖次级区域的一部分。
其中，所述初级区域和所述次级区域中的至少一个包括聚合物基质，所述聚合物基质包括碳增强纤维。
其中，所述次级区域包括聚合物基质，所述聚合物基质包括高伸长率增强纤维，所述高伸长率增强纤维的伸长率比碳纤维的伸长率大。
其中，所述次级区域包括聚合物基质，所述聚合物基质包括玻璃增强纤维。
附图说明
通过结合附图参照以下描述，本发明能够得以最佳理解，在附图中：
图1是示例性燃气涡轮发动机风扇轮叶的侧正视图；
图2是沿图1的线2-2截取的横截面图；
图3是沿图1的线3-3截取的横截面图；和
图4是沿图1的线4-4截取的横截面图。
具体实施方式
参照附图，其中相同的附图标记在多个视图中表示相同元件，图1示出了用于燃气涡轮发动机的示例性风扇轮叶10。风扇轮叶10包括翼型件12、柄14、和燕尾榫16。翼型件12的一部分以及柄14和燕尾榫16是整体翼型件主体17的一部分。翼型件12在根部18和尖端20之间延伸，并且具有前缘22和后缘24。相对的凸形侧26和凹形侧28分别在前缘22和后缘24之间延伸。尖端20、前缘22、和后缘24均能够被认为是翼型件主体17的“自由边缘”。风扇轮叶10仅仅是例子；本发明的原理能够应用于需要碰撞保护的其它类型的结构。
翼型件主体17由复合材料制成，该复合材料在本文中被定义为这样的材料：该材料包括组合成一个结构的两种或多种不同的材料，例如其中嵌入有增强纤维的基质。适于在航天应用中使用的复合材料系统的一个例子包括具有碳纤维增强的环氧树脂基质。
更具体地，翼型件主体17结合了两个或更多个区域，其中每一个区域都包括独特的复合系统。初级区域30由第一复合材料系统构成，该第一复合材料系统具有第一组物理性能，其中包括第一刚度和第一伸长率。当在本文中使用时，“伸长率”(Elongation)指的是材料样本在拉伸破坏之前的标距长度(gage length)的增加。该增加可以被表述为初始标距长度的百分比。该种使用与该术语公认的定义相符。在图示的例子中，初级区域30包括具有碳增强纤维的环氧树脂基质。总体而言，初级区域30延伸穿过翼型件主体17的大部分。
翼型件主体17可以结合一个或多个次级区域。总体由32表示的次级区域由第二复合材料系统构成，该第二复合材料系统具有第二组物理性能，其中包括第二刚度和第二伸长率。更具体地，第二刚度小于第一刚度，并且第二伸长率大于第一伸长率。换句话说，每一个次级区域32都不如初级区域30硬(并且就屈服应力和/或极限拉伸应力而言可能更弱)，但是允许更大的抗偏转或应变破坏能力。在图示的例子中，每一个次级区域32中的一些或所有都包括具有增强纤维的环氧树脂基质，该增强纤维具有比碳纤维更大的伸长率，在本文中被大体称为“高伸长率”纤维。高伸长率纤维的一个非限制性例子是玻璃纤维。例如，为此目的，可以使用可购得的“E型玻璃”或“S型玻璃”玻璃纤维。总体而言，每一个次级区域32都在翼型件主体17的相对较小的部分(优选地为在碰撞期间经受高应变的部分)之上延伸。
在图示的例子中，图示了三个不同的潜在次级区域32A、32B、和32C。这些潜在次级区域32A、32B、和32C的边界由虚线图示。每一个次级区域32A、32B、和32C都被布置成邻近翼型件主体17的一个或多个自由边缘，其中包括尖端20、前缘22、和后缘24。第一示例性次级区域由32A表示。沿径向方向，次级区域32A开始于远离根部18的风扇轮叶10的翼展“S”的大约1/4的位置处，并且延伸至风扇轮叶10的尖端20。沿弦向(chordwise)方向，次级区域32A从后缘24向前、从前缘22向后延伸，从而覆盖风扇轮叶10的弦向尺寸“C”的大约1/3。这些尺寸能够发生变化以适应特定的应用。
第二示例性次级区域由32B表示并且定位成邻近尖端20。第二次级区域32B从尖端20径向地延伸以覆盖翼展S的1/4并且覆盖整个弦向尺寸C。
第三示例性次级区域由32C表示并且定位成邻近前缘22。次级区域32C沿径向方向开始于远离根部18的翼展S的大约1/4的位置处并且延伸至尖端20。沿弦向方向，次级区域32C从前缘24向后延伸，从而覆盖弦向尺寸C的大约1/3。
上文所描述的示例性次级区域32A、32B、和32C中的任何一个或所有都可以单独或组合实施。例如，可以提供由32表示的具有倒置“U形”形状的单个较大次级区域，表示所有三个次级区域32A、32B、和32C的联合。
作为总体原则，期望限制次级区域32的尺寸，原因在于其强度较低。此外，作为总体原则，期望将初级区域30和次级区域32的交叉部定位在不经受高应力的区域中。因此，可以根据具体情况来决定次级区域32的确切尺寸和形状。
图2更详细地示出了初级区域30和次级区域32的构造。该视图代表单个总体U形次级区域32、以及上文所描述的单个次级区域32A、32B、或32C中的任何一个的构造。在初级区域30中，翼型件主体17的整体厚度包括第一复合材料34，例如通过碳纤维加强的环氧树脂基质。在次级区域32中，翼型件主体17的内部芯包括第一复合材料34，而外部表皮包括第二复合材料36，例如通过高伸长率纤维(例如E型玻璃或S型玻璃纤维)加强的环氧树脂基质。不同的增强纤维的相对厚度可以发生变化，以适应特定应用。在图示的例子中，翼型件主体17的紧邻自由边缘(图示出后缘24)的一小部分包括具有穿过其整体厚度的高伸长率纤维的环氧树脂基质。
过渡区38可以设置于第一区域30和次级区域32之间，以便避免不同材料之间接合部处的应力集中。在图示的例子中，第二复合材料36的厚度在过渡区38内以交错的“台阶形”构造减小。此外，第一复合材料34层在过渡区38内与第二复合材料36重叠，以便产生互锁接头。根据具体情况来确定交错的“台阶形”图案的准确过渡，前提是第一复合材料和第二复合材料的覆盖区域不同。
可以同时制造初级区域30和次级区域32，例如通过提供增强纤维的期望构造的接合，通过未固化树脂来渗透纤维接合，并且随后固化树脂。
除了高伸长率纤维之外，风扇轮叶10还结合至少一个金属包层元件。在图1中所示的具体例子中，包层元件包括前缘防护件40和尖端帽42。
前缘防护件40附接到前缘22。前缘防护件40为风扇轮叶10提供了额外的抗冲击性、抗腐蚀性以及改进的复合结构的抗分层性。
如图3中最佳可见，前缘防护件40包括鼻部44，该鼻部具有从其向后延伸的一对翼46和48。翼46和48的厚度在延伸离开鼻部44的同时逐渐变细。鼻部44以及翼46和48的外部表面共同限定前缘防护件40的外部表面50。外部表面50的形状和尺寸被选定为用作翼型件主体17的气动延伸部。换句话说，翼型件12的外部形状部分地由翼型件主体17限定并且部分地由前缘防护件40限定。前缘防护件40可以通过已知类型的粘合剂附接到翼型件主体17。
鼻部44以及翼46和48的内部表面共同限定了前缘防护件40的内部表面52。内部表面52的形状和尺寸被选定为与翼型件主体17的外部紧密配合。
前缘防护件40可以由金属合金的成分制成，从而提供期望的强度和重量特性。用于构造前缘防护件40的合适合金的非限制性例子包括钛合金和镍合金。
尖端帽42与凸形侧26和凹形侧28的和尖端20相邻的部分重叠。尖端帽42提供额外的碰撞保护，并且在尖端和后缘24的自由边缘区域中加强翼型件主体17。如在图4中最佳可见，尖端帽42包括一对侧壁56和58。侧壁56和58的外部表面共同限定了尖端帽42的外部表面60。外部表面60的形状和尺寸被选择成用作翼型件主体17的气动延伸部。换句话说，翼型件12的外部形状部分地由翼型件主体17限定并且部分地由尖端帽42限定。尖端帽42可以通过已知类型的粘合剂附接到翼型件主体17。
如在侧正视图(图1)中所示，尖端帽42包括尖端部分62和后缘部分64。两个部分62和64大致限定了L形。尖端帽42的上部向前边缘66抵靠前缘防护件40。尖端帽42的上部向后边缘68跟随翼型件主体17的后缘24。尖端20的下部向后边缘70从上部向后边缘68轴向向前并且径向向内地延伸。尖端帽42的下部向前边缘72与下部向后边缘68和上部向前边缘66相互连接。
侧壁56和58的内部表面共同限定尖端帽42的内部表面74(见图4)。内部表面74的形状和尺寸被选择成与翼型件主体17的外部紧密配合。
后缘部分64沿径向方向开始于风扇轮叶10的尖端20并且沿弦向方向延伸至风扇轮叶10的翼展S的大致1/2的位置处，后缘部分64从后缘24向前延伸，从而覆盖风扇轮叶10的翼弦C的大约1/3。尖端帽42可以与或可以不与次级区域32的一部分重叠，原因在于这些尺寸能够发生变化以适应特定应用。作为总体原则，期望限制尖端帽42的尺寸以便使其重量最小化。
尖端帽42可以由金属合金的成分构成，从而提供期望的强度和重量特性。用于构造尖端帽42的合适合金的非限制性例子包括钛合金和镍合金。
上文所描述的风扇轮叶10结合了复合材料和金属材料的有益性能以使碰撞能力和气动性能最大化，同时使轮叶的总体重量最小化。
相比仅使用碳纤维，在复合材料主体中结合高伸长率纤维提供了较高的抗应变破坏能力。使用金属尖端帽减少了可能由相对较软的复合材料造成的轮叶的任何额外偏转。结合高伸长率纤维允许尖端帽明显小于仅使用碳纤维的传统的复合材料翼型件的情况下所需的尺寸。这将使重量减小，同时改进发动机效率。
上文已描述了具有多材料增强的翼型件。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的所有特征、以及/或者所公开的任何方法或过程的所有步骤都可以以任何组合(除了至少一些这样的特征和/或步骤互斥的组合之外)结合。
除非另有明确描述，本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中所公开的每一个特征都可以由起到相同作用、等同或类似的目的的备选特征代替。因此，除非另有明确描述，所公开的每一个特征都只是一般系列的等同或类似特征的一个例子。
本发明不限于上述实施例(多个实施例)的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何伴随的潜在创新点、摘要和附图)中所公开的特征的任何创新、或任何创新组合、或者扩展到所公开的任何方法或过程的步骤的创新、或任何创新组合。

Claims (15)

1.一种翼型件(12)，其包括：
翼型件主体(17)，所述翼型件主体具有根部(18)和尖端(20)、以及在前缘(22)和后缘(24)之间延伸的凸形侧和凹形侧，所述翼型件主体(17)包括具有不同的材料性能的初级区域(30)和次级区域(32)；和
附接到所述翼型件主体(17)的至少一个金属包层元件(40，42)。
2.根据权利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，所述初级区域(30)和所述次级区域(32)中的每一个都包括复合材料，所述复合材料包括其中嵌入有增强纤维的基质。
3.根据权利要求2所述的翼型件(12)，其特征在于，所述初级区域(30)和所述次级区域(32)中的至少一个包括聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包括碳增强纤维。
4.根据权利要求3所述的翼型件(12)，其特征在于，所述次级区域(32)包括聚合物基质复合材料，所述聚合物基质复合材料包括高伸长率增强纤维，所述高伸长率增强纤维的伸长率大于碳纤维的伸长率。
5.根据权利要求4所述的翼型件(12)，其特征在于，所述高伸长率增强纤维包括玻璃纤维。
6.根据权利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，所述次级区域(32)被布置成邻近所述翼型件主体(17)的至少一个自由边缘。
7.根据权利要求6所述的翼型件(12)，其特征在于，所述次级区域(32)被布置成邻近所述翼型件主体的前缘(22)或后缘(24)，并且覆盖所述翼型件(12)的弦向尺寸的大约三分之一。
8.根据权利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于：
在所述初级区域(30)内，所述翼型件主体(17)的整体厚度包括第一复合材料，所述第一复合材料包括通过碳纤维加强的聚合物基质；并且
在所述次级区域(32)内，所述翼型件主体(17)的内部芯包括第一复合材料，而外部表皮包括第二复合材料，所述第二复合材料包括通过玻璃纤维加强的聚合物基质。
9.根据权利要求8所述的翼型件(12)，其特征在于，所述次级区域(32)的紧邻所述翼型件主体(17)的一些或所有自由边缘的部分包括具有穿过其整体厚度的玻璃纤维的聚合物基质。
10.根据权利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，所述包层元件(40，42)中的一个是附接到所述翼型件主体(17)的前缘(22)的前缘防护件(40)，所述前缘防护件(40)包括鼻部，所述鼻部具有从其延伸的间隔开的第一翼和第二翼。
11.根据权利要求1所述的翼型件(12)，其特征在于，所述包层元件中的一个是附接到所述翼型件主体(17)的尖端(20)的尖端帽(42)，所述尖端帽(42)包括沿所述翼型件主体(17)的凸形侧和凹形侧延伸的一对侧壁。
12.根据权利要求11所述的翼型件(12)，其特征在于，所述尖端帽(42)的外部表面用作所述翼型件主体(17)的气动延伸部。
13.根据权利要求11所述的翼型件(12)，其特征在于，所述尖端帽(42)通过粘合剂附接到所述翼型件主体(17)。
14.根据权利要求11所述的翼型件(12)，其特征在于，所述尖端帽(42)包括尖端部分和后缘部分，这两个部分限定了L形。
15.根据权利要求11所述的翼型件(12)，其特征在于，所述尖端帽(42)从所述翼型件主体(17)的尖端延伸至所述翼型件的翼展的大致一半的位置处。
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