CN108457900B - 风扇 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮发动机的风扇，风扇包括绕轮毂周向布置的第一组风扇叶片和第二组风扇叶片。第一组和第二组的各风扇叶片包括有机基体复合主体和连接至该主体的前缘构件。第一组风扇叶片的前缘构件具有比第二组风扇叶片的前缘构件更小的质量。

Description

风扇
技术领域
本公开涉及用于燃气涡轮发动机的风扇以及燃气涡轮发动机。
背景技术
燃气涡轮发动机通常用于给航空器提供动力。通常，燃气涡轮发动机将包括由发动机芯部驱动的轴向风扇。发动机芯部一般由一个或更多个涡轮机组成，该一个或更多个涡轮机经由同轴的轴驱动相应的压缩机。风扇通常由发动机芯部中额外的较低压力的涡轮机驱动。
风扇包括安装在转子上的径向延伸的风扇叶片阵列。风扇叶片可由金属材料和/或复合（例如，非金属）材料制成。复合风扇叶片一般包括由有机基体复合材料（例如碳增强树脂基体）制成的主体。通常，前缘被增强，并且在一些情况下，后缘被增强。增强可通过覆盖主体的前缘或后缘的金属构件来提供。
当设计风扇时，风扇被设计成使风扇颤振最小化。风扇颤振是风扇叶片自激振动现象，如果其未被充分地最小化，则可导致叶片的疲劳失效。
发明内容
本公开寻求提供具有最小化的风扇颤振的风扇。
根据一方面，提供用于燃气涡轮发动机的风扇，风扇包括绕轮毂周向布置的第一组风扇叶片和第二组风扇叶片。第一组和第二组的各风扇叶片包括有机基体复合主体和连接至该主体的前缘构件。第一组风扇叶片的前缘构件具有比第二组风扇叶片的前缘构件更小的质量。
第一组和第二组的叶片可具有相同的气体清洗表面面积、形状及型面。
第一组风扇叶片的前缘构件的体积可小于第二组风扇叶片的前缘构件的体积。
第一组风扇叶片的前缘构件的径向外侧部分的质量可与第二组风扇叶片的前缘构件的径向外侧部分的质量相同。前缘构件的径向外侧部分可从叶片的沿翼展方向的中间位置延伸至叶片的叶尖。
沿翼展方向的中间位置（mid-spanwise location）可被认为是在叶片的总翼展的约50%的位置。
第一组叶片的叶片的前缘构件的径向内侧部分的质量可小于第二组叶片的叶片的前缘构件的径向内侧部分的质量。径向内侧部分可从沿翼展方向的中间位置延伸至叶片的根部。
第一组的前缘构件的根部部分的质量可小于第二组的叶片的前缘构件的根部部分的质量。根部部分可从叶片的总翼展的30%的沿翼展方向的位置延伸至叶片的根部。第一组叶片的叶片的前缘构件的其余部分可具有与第二组叶片的叶片的前缘构件的其余部分大体相等的质量（例如，对于第一组叶片的叶片和第二组叶片的叶片，从叶尖延伸至邻近前缘构件的根部部分的位置的部分的质量可以是相同的）。
通过提供比第一组的风扇叶片在更大质量的区域中具有更大体积的前缘构件，可增加第二组风扇叶片的前缘构件的质量。
第一组和第二组的前缘构件可包括限定叶片的前缘的前部部分、从前部部分沿叶片的吸力侧延伸的翼和从前部部分沿叶片的压力侧延伸的翼。
第一组叶片的前部部分可具有比第二组叶片的前部部分更小的质量或体积。
第一组叶片的翼可具有比第二组叶片的翼更小的质量和/或体积。
前缘构件可由金属材料制成。
前缘构件可由钢、钛或钛合金制成。
主体可由碳增强树脂基体材料制成。
根据一方面，提供用于燃气涡轮发动机的风扇的叶片，叶片包括有机基体复合主体和连接至该主体的前缘构件。与远离叶片根部的区域中相比，前缘构件在邻近叶片根部的区域中具有更大的体积。
前缘构件包括限定叶片的前缘的前部部分、从前部部分沿叶片的吸力侧延伸的翼和从前部部分沿叶片的压力侧延伸的翼。
与远离叶片根部的区域中相比，前部部分可在邻近叶片根部的区域中具有更大的体积。
与远离叶片根部的区域中相比，沿叶片的压力侧延伸的翼和/或沿叶片的吸力侧延伸的翼可在邻近叶片根部的区域中具有更大的体积。
叶片可以是先前方面的风扇的叶片。
根据一方面，提供包括根据先前方面的风扇或叶片的燃气涡轮发动机。
本领域技术人员将理解的是，除非相互排斥，否则与以上方面中的任一者相关描述的特征可在经适当修改后应用于任何其它的方面。此外，除非相互排斥，否则本文中所描述的任何特征可应用于任何方面和/或与本文中所描述的任何其它特征组合。
附图说明
现在将参考附图，仅通过示例的方式描述实施例，其中：
图1是燃气涡轮发动机的截面侧视图；
图2是风扇叶片的透视图；
图3是通过第一风扇叶片组的风扇叶片的前缘区域的部分横截面；
图4是通过第二风扇叶片组的风扇叶片的前缘区域的部分横截面；
图5是来自第一风扇叶片组的风扇叶片的压力侧的视图；以及
图6是来自第二风扇叶片组的风扇叶片的压力侧的视图。
具体实施方式
参考图1，燃气涡轮发动机总体上以10指示，具有主轴线和旋转轴线11。发动机10沿轴向流动顺序包括空气进气部12、推进风扇13、中压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮机17、中压涡轮机18、低压涡轮机19和排放喷嘴20。短舱（nacelle）21大体包围发动机10并限定进气部12和排放喷嘴20两者。
燃气涡轮发动机10以常规的方式工作，使得进入进气部12的空气由风扇13加速以产生两股空气流：进入中压压缩机14的第一空气流，和通过旁通导管22用以提供推进推力的第二空气流。中压压缩机14压缩被引导到其中的空气流，之后将该空气传输至高压压缩机15，在高压压缩机15处进行进一步的压缩。
从高压压缩机15排放的压缩空气被引导到燃烧设备16中，压缩空气在燃烧设备16中与燃料混合，并且混合物在燃烧设备16中被燃烧。然后，产生的热的燃烧产物通过高压、中压和低压涡轮机17、18、19膨胀，并由此驱动高压、中压和低压涡轮机17、18、19，之后被排放通过喷嘴20，以提供额外的推进推力。高压涡轮机17、中压涡轮机18和低压涡轮机19各自通过适合的相互连接的轴分别驱动高压压缩机15、中压压缩机14和风扇13。
本公开可应用的其它的燃气涡轮发动机可具有替代的构造。通过示例的方式，这些发动机可具有替代数目的相互连接的轴（例如，两个）和/或替代数目的压缩机和/或涡轮机。另外，发动机可包括设置在从涡轮机到压缩机和/或风扇的传动系中的齿轮箱。
风扇13包括绕轮毂周向安装的多个风扇叶片40。
参考图2，风扇叶片40各自包括翼型部分42，翼型部分42具有前缘44、后缘46、从前缘延伸至后缘的凹形压力表面壁48和从前缘延伸至后缘的凸形吸力表面壁。风扇叶片具有根部52，叶片可经由根部52连接至轮毂。风扇叶片在根部的相对端处具有叶尖56。在本申请中，沿翼展方向S指的是在叶片的根部与叶片的叶尖之间延伸的方向；沿翼弦方向C指的是从叶片的前缘延伸至叶片的后缘的方向；以及，厚度方向T指的是从叶片的压力表面延伸至叶片的吸力表面的方向。
风扇叶片包括由有机基体复合材料制成的主体58。在该示例中，有机基体复合材料是碳纤维增强树脂基体。主体还可包括增强元件，仅通过示例的方式，增强元件可以是针脚（stitch）、线束（tuft）或销。金属前缘构件50和金属后缘构件54分别设置在主体的前端和后端处并且连接至主体。
风扇包括第一组风扇叶片和第二组风扇叶片。第一组的叶片和第二组的叶片绕风扇的轮毂例如交替地或两个或更多个成组地布置。在本示例中，第一组的叶片具有与第二组的叶片相同的空气动力学型面。也就是，它们具有相同的气体清洗表面面积、相同的气体清洗形状以及相同的气体清洗型面（或尺寸）。
第一组叶片与第二组叶片之间的差异在于前缘构件的质量。前缘构件的质量可以以多种不同的方式来改变，例如前缘构件可由不同的材料制成，或者它们可以以不同的方式构造，例如前缘构件可包括变化的数目或体积的中空区域。
参考图3和图4，在本示例中，通过使前缘构件50a的体积小于前缘构件50b的体积，第一组风扇叶片的前缘构件50a的质量被布置成小于第二组风扇叶片的前缘构件50b的质量。
前缘构件50a、50b包括前部部分60a、60b、沿着叶片的吸力侧延伸的翼62a、62b以及沿着叶片的压力侧延伸的翼64a、64b。翼62a、62b、64a、64b仅沿着叶片的部分翼弦范围延伸。如通过比较图3和图4可见的，为了相比于第二组叶片的前缘构件50b减小第一组叶片的前缘构件50a的体积，第一组叶片的前部部分60a可具有比第二组叶片的前部部分60b更小的体积。在该示例中，前部部分60a比前部部分60b延伸更短的翼弦距离。然而，由于第一组叶片的主体58a布置成与第二组叶片的主体58b相比具有更大的翼弦范围，因此叶片的总体尺寸仍然保持相同。在目前描述的示例中，对于第一组叶片和第二组叶片，整个前缘的翼弦范围是相同的。由于与第二组叶片的前缘构件62b、64b相比第一组叶片的前缘构件具有更长的翼62a、64a，从而这被实现。叶片的主体58a、58b包括用于接收翼的凹部61a、63a、61b、63b，使得翼的气体清洗表面与主体的气体清洗表面大体齐平。
参考图5和图6，在替代的实施例中，另外地或替代地，与第一组叶片的前缘构件150a的翼（仅一个翼162a被图示在图5中）相比，第二组叶片的前缘构件150b的翼（仅一个翼162b被图示在图6中）可被修改，以向第二组叶片的前缘构件的翼提供额外的质量。在该示例中，不论它们是在第一组风扇叶片中还是在第二组风扇叶片中，叶片140a、140b再次具有相同的整体尺寸及形状，但是第二组叶片的主体158b具有与第一组叶片的主体158a不同的形状，以便容纳不同的翼。
在该示例中，与前缘构件150a相比，前缘构件150b的径向内侧部分166比径向外侧部分168更大。径向内侧部分从沿翼展方向的中间位置170延伸至叶片的根部152，并且径向外侧部分从沿翼展方向的中间位置170延伸至叶片的叶尖156。在叶片的根部部分172中，前缘构件尤其更大。叶片的根部部分邻近根部并从根部延伸，并且具有叶片的全翼展的大约30%的沿翼展方向的长度。
提供第一组叶片和第二组叶片，第一组叶片的前缘构件与第二组叶片的前缘构件质量不同，以允许失谐（mistuning）。失谐可导致增加的颤振稳定性。在所描述的示例中，主体的尺寸适于容纳不同尺寸的前缘，这意味着可在不损害叶片的空气动力学效率的情况下增加颤振稳定性。
布置第二组风扇叶片的前缘构件，以在叶片的根部附近具有增加的质量，这意味着额外的材料被添加到叶片的在使用中具有高应变能及低动能的区域中，并且这可进一步降低颤振。
如将理解的，翼和/或前部部分可被布置成在邻近叶片根部的区域中更大。
已经描述了两组不同的风扇叶片，但在替代实施例中，也可提供另外的不同组的风扇叶片。
将理解的是，本发明不限于以上描述的实施例，并且在不偏离本文中所描述的构思的情况下可作出各种修改和改进。除非相互排斥，否则特征中的任何可单独使用或与任何其它的特征组合地使用，并且本公开扩展至并包括本文中描述的一个或更多个特征的所有组合及子组合。

Claims (12)

1.一种用于燃气涡轮发动机的风扇，所述风扇包括：
绕轮毂周向布置的第一组风扇叶片及第二组风扇叶片，
所述第一组风扇叶片和所述第二组风扇叶片的各风扇叶片包括有机基体复合主体和连接至所述主体的前缘构件，
其中，所述第一组风扇叶片的所述前缘构件具有比所述第二组风扇叶片的所述前缘构件更小的质量；
其中所述第一组风扇叶片的叶片和所述第二组风扇叶片的叶片具有相同的气体清洗表面面积、形状及型面。
2.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片的前缘构件的体积小于所述第二组风扇叶片的前缘构件的体积。
3.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片的前缘构件的径向外侧部分的质量与所述第二组风扇叶片的前缘构件的径向外侧部分的质量相同，所述前缘构件的径向外侧部分从叶片的沿翼展方向的中间位置延伸至叶片的叶尖。
4.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片的叶片的前缘构件的径向内侧部分的质量小于所述第二组风扇叶片的叶片的前缘构件的径向内侧部分的质量，其中，所述径向内侧部分从沿翼展方向的中间位置延伸至叶片的根部。
5.根据权利要求4所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片的前缘构件的根部部分的质量小于所述第二组风扇叶片的叶片的前缘构件的根部部分的质量，所述根部部分从叶片的总翼展的30%处的沿翼展方向的位置延伸至叶片的根部。
6.根据权利要求4或5所述的风扇，其中，通过提供比所述第一组风扇叶片在更大质量的区域中具有更大体积的前缘构件，增加所述第二组风扇叶片的前缘构件的质量。
7.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片与所述第二组风扇叶片的前缘构件包括限定叶片的前缘的前部部分、从所述前部部分沿叶片的吸力侧延伸的翼和从所述前部部分沿叶片的压力侧延伸的翼，并且其中，所述第一组风扇叶片的前部部分具有比所述第二组风扇叶片的前部部分更小的质量或体积。
8.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述第一组风扇叶片与所述第二组风扇叶片的前缘构件包括限定叶片的前缘的前部部分、从所述前部部分沿叶片的吸力侧延伸的翼和从所述前部部分沿叶片的压力侧延伸的翼，并且其中，所述第一组风扇叶片的翼具有比所述第二组风扇叶片的翼更小的质量或体积。
9.根据权利要求1所述的风扇，其中，所述前缘构件由金属材料制成。
10.根据权利要求9所述的风扇，其中，所述前缘构件由钢、钛或钛合金制成。
11.根据权利要求1、9或10所述的风扇，其中，所述主体由碳增强树脂基体材料制成。
12.一种包括根据权利要求1所述的风扇的燃气涡轮发动机。
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