CN107849924A - 包括由复合材料制成的叶片主体和前缘护罩的叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种叶片，所述叶片包括叶片主体(9)和前缘护罩(10)，所述叶片主体由纤维增强的聚合物基体的复合材料制成，所述前缘护罩由比叶片主体的复合材料具有更高耐受点冲击能力的材料制成。通过第一粘合剂(16)和第二粘合剂(17)将前缘护罩(10)与叶片主体(9)组装。两个粘合剂(16,17)设置在叶片主体(9)与前缘护罩(10)之间。两个粘合剂(16,17)在叶片主体(9)与前缘护罩(10)之间形成一连续膜。

Description

包括由复合材料制成的叶片主体和前缘护罩的叶片
技术领域
本发明涉及本发明涉及由复合材料制成并包括前缘护罩的叶片。
背景技术
这种前缘护罩通常用于保护旋转叶片的前缘或导向叶片的前缘免受冲击。在此上下文中，术语“叶片”不仅覆盖旋转叶片，例如风扇叶片或螺旋桨叶片，而且覆盖引导叶片。为了限制其重量，这种叶片通常由复合材料制成，所述复合材料包含由纤维增强的聚合物基质。尽管这种材料具有通常非常有利的机械特性，特别是相对于它们的重量而言，它们对点冲击稍微敏感。因此，通常由非常坚固的金属材料(例如钛合金)制成的护罩通常安装在这种叶片的前缘上，以防止它们受到这种冲击。这种护罩通常采用薄压侧翅片和薄吸侧翅片的形式，所述翅片通过跨越前缘放置的较厚部分结合在一起，该组件与其前缘上以及相邻压力侧面部分和吸力侧部分上的的叶片形状匹配。压力侧和吸力侧翅片分别在叶片的压力侧和吸力侧的那些部分上延伸，其中它们主要用于将护罩定位和紧固在前缘上。
为了改善叶片的空气动力学性能，它们的前缘呈现出更为复杂的形状，由此使得护罩的制造变得复杂，以紧密匹配这些形状，并且还使得将护罩固定在叶片上变得复杂。
此外，在碰撞叶片的情况下，护罩可以至少部分地与复合叶片的前缘分离，导致伴随空气动力学损失的不平衡。另外，如果护罩的一部分被撕掉，则叶片的前缘在其整个高度上不再受到保护，而裸露的叶片的前缘通常是不规则的，也导致空气动力损失。然后有必要修理叶片和/或更换叶片。
发明内容
本发明试图弥补这些缺点。
为此，本发明提供了一种叶片，该叶片包括叶片主体和前缘护罩，所述叶片主体由复合材料制成，该复合材料具有由纤维加强的聚合物基体，该前缘护罩由一材料制成的前缘护罩，所述材料具有比叶片主体的材料更大的承受点冲击的能力，所述前缘护罩通过第一粘合剂和第二粘合剂组装在叶片主体上，两种粘合剂都设置在所述叶片主体和前缘护罩之间，两种粘合剂在所述叶片主体和所述前缘护罩之间形成相应的连续膜，该第二粘合剂的临界应力强度因子和能量释放率分别大于所述第一粘合剂的临界应力强度因子和能量释放率。
术语“韧性”通常用于指定两个物理量值，以兆帕每平方根米表示的临界应力强度因子KIC(MPa/m1/2)和以千焦每平方米(kJ/m2)表示的能量释放率GIC。由于第二粘合剂的韧性大于第一粘合剂的韧性，因此为了将前缘护罩与叶片主体分离而需要施加的力大于如果只使用第一种粘合剂将叶片主体与护罩组装在一起所需的力。
因此，通过使用在叶片主体与前缘护罩之间形成相应连续膜的两种粘合剂，可以在部分上提供“保持”粘附，所述部分最有可能由于撞击叶片的前缘或叶片与壳体之间的接触而分离。
应当理解，第一和第二粘合剂不会混合，也不会彼此反应。因此，第一和第二粘合剂不是彼此反应的以便当它们彼此接触时提供粘合的两种化合物。
第一粘合剂的杨氏模量可以大于第二粘合剂的杨氏模量。
由于第一粘合剂的杨氏模量大于第二粘合剂的杨氏模量，因此第一粘合剂用于在叶片主体与前缘护罩之间提供刚性粘合。这种类型的粘合也被称为叶片主体与前缘护罩之间的“结构”粘合，使得前缘护罩牢固地附接到叶片主体。
在下面的描述中，术语“径向内部”和“径向外部”是指其在组装到一转子上时的叶片的端部，术语“径向内部”指的是更靠近旋转轴线的叶片端部，并且术语“径向外部”指的是离旋转轴线更远的叶片端部。这同样适用于护罩的两端。
前缘护罩具有径向内端部、径向外端部和径向高度，第二粘合剂可以至少设置在前缘护罩的径向外部部分上，优选地在从径向内端开始的前缘护罩的径向高度的最后50％，还更优选地从径向内端开始的前端护罩的径向高度的最后65％。
前缘护罩的术语“径向高度”应理解为到一线的前缘护罩的径向内端和径向外端的正交投影之间所测量的距离，所述线通过转子的旋转轴并且具有与叶片的至少一个交点。
第二粘合剂因此设置在前缘护罩更可能分开的叶片区域中的前缘护罩的径向外部上。此外，第一粘合剂因此设置在前缘护罩的径向内部部分上，以在叶片主体与前缘护罩之间形成连续的膜。
前缘护罩具有通过中央主体连接到吸入侧翅片的压力侧翅片，每个翅片具有自由边缘和限定在中央主体与相应自由边缘之间的翅片宽度，第二粘合剂至少被设置在从每个自由边测量的每个翅片的宽度的一部分上，优选地在每个翅片的宽度的20％上，更优选地在每个翅片的宽度的10％上。
因此，可以获得大面积的结构粘附性，同时确保了叶片主体与靠近前缘护罩的翅片的自由边缘的前缘护罩之间的更好的保持粘附性，其是分离并可能导致不平衡的前缘护罩的风险的区域，所述区域大于例如前缘护罩的中心部分。
此外，第一粘合剂可以是热固性粘合剂，第二粘合剂可以是热塑性粘合剂。
在例中，第二粘合剂的临界应力强度因子KIC，2可以大于或等于1.5MPa/m1/2，优选大于或等于2MPa/m1/2。
在例中，第二粘合剂的能量释放率GIC，2可以大于或等于0.3kJ/m2，优选大于或等于1kJ/m2。
前缘护罩可以由钛基合金制成。
这种材料具有很好的承受点冲击的能力。
术语“钛基合金”用于指代其中钛的重量含量占大多数的合金。可以理解的是，钛因此是合金中重量含量最高的元素。在例中，钛基合金可具有至少50％、优选至少70％、更优选至少80％的钛重量含量。
附图说明
通过阅读通过非限制性实例示出的实施例的以下详细描述，可以很好地理解本发明，并且其优点显得更好。说明书参考了附图，其中：
图1是旁路涡轮喷气发动机的示意性立体图；
图2是在叶片的第一实施例中的图1的涡轮喷气发动机的风扇的旋转叶片的示意性立体图；
图3是图2叶片的前缘护罩的示意性立体图；
图4是图3护罩的平面IV-IV上的横截面图；
图5是在叶片的第二实施例中的图1涡轮喷气发动机的风扇的旋转叶片的示意性立体图；
图6是叶片的第三实施例中的图1涡轮喷气发动机的风扇的旋转叶片的示意性立体图。
具体实施方式
图1示出了具有气体发生器单元2和风扇3的旁路涡轮喷气发动机1。风扇3包括多个旋转叶片4，所述旋转叶片围绕中心轴线X径向地布置，并且在空气动力学上成形以当它们旋转时驱动空气。因此，如图2所示，每个叶片4具有前缘5、后缘6、吸力侧7和压力侧8。
在正常操作中，相对气流基本朝向每个叶片4的前缘5定向。因此，前缘5尤其受到冲击。特别是，当叶片4包括由复合材料制成的叶片主体9，所述复合材料特别具有由纤维增强的聚合物基体时，用与每个叶片成一体的护罩10来保护前缘5是合适的。
图3和图4示出了护罩10，护罩10具有压力侧翅片11、吸力侧翅片12以及更大厚度的中央部分13，所述中央部分跨越叶片主体9的边缘放置，并将压力侧翅片11和吸力侧翅片12连接在一起。压力侧翅片11和吸力侧翅片12用于将护罩10定位在叶片主体9上。
护罩10还具有径向内端14和径向外端15。如图2所示，护罩10的径向内端14和径向外端15正交投影到一线上，该线穿过转子的旋转轴线，并具有与叶片4的至少一个交点，所述正交投影一起限定了护罩10的径向高度H，从而限定了护罩10的参考高度。
远离中央部分13，压力侧翅片翅片11和吸力侧翅片12中的每一个均具有自由边缘18。每个翅片11,12的宽度L限定在中心主体13与相应的自由边缘18之间。
前缘护罩10主要由金属制成，并且更具体地由钛基合金，例如TA6V(Ti 6Al4V)制成。前缘护罩10同样可以由钢或铁基合金、铬和镍等制成，如Inconels。
在图2中，前缘护罩10具有径向内端14和带有径向高度H的径向外端5，第二粘合剂17放置在从径向外端15开始的前缘护罩10的径向高度的35％上，即在前缘护罩10的径向高度H的最后65％上，所述径向高度H从径向内端14开始。
因此，由于第一粘合剂16的杨氏模量E1大于第二粘合剂17的杨氏模量E2，因此在前缘护罩10的径向内部高度上在前缘护罩10与叶片主体4之间提供结构粘合力，所述径向内部高度从被第一粘合剂16覆盖的径向内端14开始。
另外，由于第二粘合剂17具有分别大于临界应力强度因子KIC，1和能量释放率GIC，1的临界应力强度因子KIC，2和第一粘合剂16的能量释放率GIC，2，前缘护罩10的从径向外端15开始的径向高度的从由第二粘合剂17覆盖的径向外端开始的前缘护罩10的径向高度的部分更好地吸收冲击，并且避免护罩在叶片主体9的前缘4上的粘附的损失。
图5示出了叶片4，其中第二粘合剂17设置在从每个自由边缘18开始的每个翅片的宽度上，例如在每个翅片的宽度的20％上。
在图6中，前缘护罩10通过粘合剂的连续膜组装在叶片主体9上，第二粘合剂17设置在从径向外端15开始的前缘护罩10的径向高度的50％的一部分上，即在从径向内端14开始的前缘护罩10的径向高度H的最后50％上，并且在例中在每个翅片11,12的宽度的10％上。或者相反地，第二粘合剂17被设置在从每个自由边缘18测量的每个翅片11,12的宽度的10％的一部分上，该部分等于从径向外端15开始的前缘护罩10的径向高度的50％，即前缘护罩10的高度的最后50％上，所述高度从径向内端14开始。
这确保了在前缘护罩10的整个高度H上的结构粘合性，并且第二粘合剂17靠近压力侧翅片11和吸力侧翅片12的自由边缘18被使用。因此，如果通过前缘护罩10的径向外部分接收到冲击，并且即使在前缘护罩10的径向外部分中的前缘护罩10与叶片主体9之间出现裂纹，因为由位于靠近粘合剂护罩10的每个自由边缘18的第二粘合剂17构成的条带，前缘护罩10也牢固地保持在前缘护罩10上。该条粘合剂的宽度足以保证将前缘护罩10保持在叶片主体9上的功能。
第一粘合剂16可以是热固性粘合剂。因此，一旦第一粘合剂16已经凝固，就不能通过加热叶片4将前缘护罩10与叶片主体9分离。在冲击的作用下，由于第一粘合剂的韧性小于第二种粘合剂的韧性，可能会出现裂缝，从长远来看导致护罩分离。
第二粘合剂17可以是热塑性粘合剂。这种类型的粘合剂具有韧性值大于热固性粘合剂的韧性值的优点。因此，尽管使用热塑性粘合剂获得的粘合性可以通过加热高于每种热塑性粘合剂特定的阈值温度的部分来反转，但是该第二粘合剂17更好地吸收冲击，并且避免前缘护罩10与叶片主体9之间的劣化。
3M以参考号AF191出售的粘合剂是可用作第一粘合剂的粘合剂的实例。它是杨氏模量E1等于100兆帕(MPa)，具有约1MPa/m1/2的临界应力强度因子KIC，1和能量释放率GIC，1约为0.2kJ/m2的热固性粘合剂。
以缩写PEEK也已知的聚醚醚酮是可用作第二粘合剂的粘合剂的实例。它是杨氏模量E2等于3.6千兆帕(GPa)，临界应力强度因子KIC，2大于2MPa/m1/2和能量释放率GIC，1大于1kJ/m2的热塑性粘合剂。
尽管参考各种具体示例描述了本发明，但是显而易见的是，可以对这些实例进行其他修改和改变，而不超出由权利要求限定的本发明的一般范围。另外，所提及的各种实施例的个别特征可以在另外的实施例中组合。因此，说明书和附图应该被认为是说明性的而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种叶片(4)，其包括由具有由纤维加强的聚合物基体的复合材料制成的叶片主体(9)和由一具有比所述叶片主体的复合材料更大的承受点冲击的能力的材料制成的前缘护罩(10)，其特征在于，所述前缘护罩(10)借助于第一粘合剂(16)和第二粘合剂(17)被组装在所述叶片主体(9)上，两个粘合剂(16,17)被设置在所述叶片主体(9)与前缘护罩(10)之间，两个粘合剂(16,17)在所述叶片主体(9)与所述前缘护罩(10)之间形成相应的连续膜，所述第二粘合剂(17)具有分别比所述第一粘合剂(16)的临界应力强度因子(KIC，1)和能量释放率(GIC，1)大的临界应力强度因子(KIC，2)和能量释放率(GIC，2)。
2.根据权利要求1所述的叶片(4)，其中所述第一粘合剂(16)的杨氏模量(E1)大于所述第二粘合剂(17)的杨氏模量(E2)。
3.根据权利要求1或2所述的叶片(4)，其中所述前缘护罩(10)具有径向内端(14)和径向外端(15)以及限定在这两个端部(14,15)之间的径向高度(H)，所述第二粘合剂(17)沉积为至少覆盖所述前缘护罩(10)的一径向外部。
4.根据权利要求3所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)设置在所述前缘护罩的从所述径向内端开始的所述径向高度的最后50％上。
5.根据权利要求3所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)设置在所述前缘护罩的从所述径向内端开始的所述径向高度的最后65％上。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(4)，其中所述前缘护罩具有通过一中央主体(13)连接到吸入侧翅片(12)的压力侧翅片(11)，每个翅片具有自由边缘(18)和限定在所述中心主体(13)与相应的自由边缘(18)之间的翅片宽度(L)，所述第二粘合剂沉积为至少覆盖从每个自由边缘测量的每个翅片的宽度的一部分。
7.根据权利要求6所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)沉积为覆盖每个翅片的宽度的20％。
8.根据权利要求6所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)沉积为覆盖每个翅片的宽度的10％。
9.根据前述权利要求中任一项所述的叶片(4)，其中所述第一粘合剂(16)是热固性粘合剂，所述第二粘合剂(17)是热塑性粘合剂。
10.根据前述权利要求中任一项所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)的所述临界应力强度因子(KIC，2)大于或等于1.5MPa/m1/2。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)的所述临界应力强度因子(KIC，2)大于或等于2MPa/m1/2。
12.根据前述权利要求中任一项所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)的能量释放率(GIC，2)大于或等于0.3kJ/m2。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的叶片(4)，其中所述第二粘合剂(17)的能量释放率(GIC，2)大于或等于1kJ/m2。
14.根据前述权利要求中任一项所述的叶片(4)，其中所述前缘护罩由钛基合金制成。
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