CN110296103A - 用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法，其叶盘结构包括：多个叶片和轮毂；轮毂与多个所述叶片相连；叶片根部设有榫根，且叶片的榫根嵌设于轮毂上；多个所述叶片在所述轮毂外圈均匀分布。本公开能够将树脂基复合材料应用于发动机整体叶盘结构上，既能够实现整体叶盘的有效减重，又能够提升叶片的抗冲击强度，对提高航空发动的推重比与技战术指标有重要意义。

Description

用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法

技术领域

本公开涉及航空发动机制造领域，尤其涉及一种用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法。

背景技术

随着技术的进步，人们对航空发动机性能的要求也越来越高。为了提高发动机的性能，许多新结构设计被不断的提出，新的工艺也不断被应用，其中复合材料被越来越广泛应用在了结构的设计上。树脂基复合材料是近年来快速发展的复合材料之一，现已成功应用在GEnx发动机的前端宽弦风扇叶片中，树脂基复合材料具有比强度和比模量高、耐疲劳性好、减振性能好、各向异性及性能可设计性等诸多优点，已经得到了广泛的应用。将树脂基复合材料应用于整体叶盘的叶片上，既能够有效减轻整体叶片的重量，又能够提高整体叶盘的耐疲劳性进一步提升航空发动机的各项性能指标。

整体叶盘采用复合材料需要克服一系列材料及工艺难题，而采用基于整体叶片金属骨架与复合材料整体叶盘立体编织及一体化成型的材料及工艺方法既能够有效降低整体叶片的重量，又能够最大限度发挥碳纤维树脂基复合材料的优势，最终提升发动机的整体性能。

国内对于整体叶轮复合材料化发展的研究相对落滞后，主要是聚焦于金属整体叶轮的加工工艺研究，而国内燃气涡轮研究院仅开展了整体叶盘箍环树脂基复合材料制造研究，对于整体叶轮复合材料化研究很少，国内现有发动机整体叶盘采用复合材料较少的原因在于：整体叶盘的叶片较小，且结构复杂，采用传统的铺层法获得的叶片厚度较薄，强度较低，而采用编织方法获得的叶片虽强度较高，但依然无法满足飞鸟撞击的影响。

因此亟待开展相关研究，使复合材料早日应用于整体叶轮，进一步降低我国航空发动机重量、提升整体性能、疲劳强度及可靠性。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法，用以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构，包括：多个叶片和轮毂；叶片根部设有榫根；轮毂与多个所述叶片相连，且所述叶片的榫根嵌设于所述轮毂上；多个所述叶片在所述轮毂外圈均匀分布。

在本公开的一些实施例中，所述叶片包括：片体和复合材料层；所述榫根与所述片体根部连接；复合材料层覆盖于所述片体外表面。

在本公开的一些实施例中，所述片体包括：叶身和叶片前缘，所述叶片前缘套于所述叶身边缘，所述叶片前缘与所述榫根相连，所述复合材料层覆盖于所述叶身外表面。

在本公开的一些实施例中，所述叶身和叶片前缘一体成型；所述叶片前缘与所述榫根一体成型。

在本公开的一些实施例中，所述轮毂包括：榫槽和轮毂过孔；榫槽均匀分布于所述轮毂上；轮毂过孔贯通所述榫槽与所述轮毂的外圈表面。

在本公开的一些实施例中，所述片体和所述榫根的材料均为金属。

在本公开的一些实施例中，所述榫根呈U型结构。

根据本公开的一个方面，还提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法，其中，包括：

步骤A：加工叶片的片体和榫根以及轮毂上的榫槽；

步骤B：将叶片的复合材料层覆盖于叶片的片体外表面；

步骤C：将多个叶片嵌设于轮毂的榫槽上，并通过高能束焊进行固定连接；

步骤D：对完成固定连接后的轮毂进行机加工。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C中高能束焊包括：电子束焊、等离子束焊和激光焊中的一种或多种。

在本公开的一些实施例中，所述步骤D还包括：对每个叶片进行表面精修。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)复合材料叶片和轮毂固定连接，有利于解决制造复合材料整体叶盘的难度过高，难以批量化生产的问题。

(2)叶片前缘的结构，有利于在整体叶片高速旋转中保护叶片，避免飞鸟撞击引发的叶片分层，使叶片可以满足在高速转动中能够承受飞鸟撞击的要求。

(3)复合材料层的设置，有利于减轻叶盘结构的重量，满足发动机轻量化设计及使用的要求。

附图说明

图1为本公开实施例用于航空发动机风扇的叶盘结构的示意图。

图2a为本公开实施例用于航空发动机风扇的叶盘结构示意图。

图2b为图2a中A-A剖视结构示意图。

图3为本公开实施例中高能束焊的入射方向示意图。

图4a为图1中叶片片体的结构示意图。

图4b为图4a中B-B剖视结构示意图。

图5a为图1中叶片片体的结构示意图。

图5b为图5a中C-C剖视结构示意图。

图6a为图1中轮毂结构示意图。

图6b为图6a中D-D剖视结构示意图。

图7a为图1中轮毂结构示意图。

图7b为图7a中E-E剖视结构示意图。

图8为本公开实施例轮毂结构局部剖视图。

图9为本公开实施例轮毂结构示意图。

图10为本公开实施例用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法的流程图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

1-轮毂；

2-复合材料层；

3-片体；

4-叶片前缘；

5-榫根；

6-叶身；

7-榫槽；

8-轮毂过孔；

9-花键孔。

具体实施方式

本公开提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法，其叶盘结构包括：多个叶片和轮毂；轮毂与多个所述叶片相连；叶片根部设有榫根，且叶片的榫根嵌设于轮毂上；多个所述叶片在所述轮毂外圈均匀分布。本公开能够将树脂基复合材料应用于发动机整体叶盘结构上，既能够实现整体叶盘的有效减重，又能够提升叶片的抗冲击强度，对提高航空发动的推重比与技战术指标有重要意义。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

考虑直接制造复合材料整体叶盘的难度过高，且整体叶盘的固化非常复杂、成品率低，难以满足批量化生产的需要等现有技术中存在的问题。在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构。图1为本公开实施例用于航空发动机风扇的叶盘结构的示意图。如图1所示，本公开用于航空发动机风扇的叶盘结构包括：多个叶片和轮毂；轮毂与多个所述叶片相连；叶片根部设有榫根，且叶片的榫根嵌设于轮毂上；多个所述叶片在所述轮毂外圈均匀分布。如图2a、图2b所示，轮毂 1中心是和发动机级转轴相配合的花键孔9，外部为与叶片的片体3相配合的榫槽7，该榫槽7既用于和叶片的榫根5的定位，又用于两者之间高能束焊时的焊接部位，叶片在轮毂1上均匀分布。如图3所示，高能束焊的入射方向如图中箭头所示，焊接的位置位于榫根5和榫槽7的连接处，焊接后需要开展焊缝检验，满足要求后再开展后续的精加工。

本公开关于叶片和轮毂的结构做进一步说明：

叶片包括：片体和复合材料层。榫根与片体根部连接，复合材料层覆盖于所述片体外表面。具体地，片体包括：叶身和叶片前缘，叶片前缘套于所述叶身边缘，且叶身和叶片前缘一体成型。叶片前缘与榫根一体成型。复合材料层设覆盖于所述叶身外表面。更近一步地，片体和榫根的材料均为金属。在一些实施例中榫根结构可以为U型结构。

如图4a至图5b所示，叶片的片体3包含叶片前缘4、榫根5、叶身6，叶片前缘4和叶身6均为金属且一体成型，叶片前缘4主要是用于整体叶盘高速旋转中防护复合材料叶片，避免飞鸟撞击引发的叶片分层，叶身6 主要是用于嵌入叶片的复合材料层2，最终形成一体化的叶片叶型结构，满足叶片的气动性能要求。榫根5主要是用于和轮毂1定位，并作为高能束焊的射入位置，最终和轮毂3融合为一体。

轮毂包括：榫槽和轮毂过孔。榫槽均匀分布于所述轮毂上。轮毂过孔贯通榫槽与轮毂的外圈表面。

图6a至图9所示，轮毂1包含榫槽7、轮毂过孔8、花键孔9，榫槽 7用于和复合材料叶片的榫根5焊接在一起，轮毂过孔8是用来将叶片穿过轮毂1，花键孔9是用来将发动机轴传递的扭矩作用在复合材料叶片上用于压缩空气、提供动力的。采用该设计能够最大限度降低叶盘结构的重量，并有效降低叶盘结构复合材料化的难度，使得最终的复合材料叶片在重量上能够满足要求，在强度上能够满足飞鸟撞击的要求，在工艺上简单易行、保证最终产品制造的经济性和实用性。

在本公开的一个示例性实施例中，还提供了一种用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法。图10为本公开实施例用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法的流程图。如图10所示，本公开用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法，包括：

步骤A：加工叶片的片体和榫根以及轮毂上的榫槽。

步骤B：将叶片的复合材料层覆盖于叶片的片体外表面。

步骤C：将多个叶片嵌设于轮毂的榫槽上，并通过高能束焊进行固定连接。具体的，通过采用上述方法获得的复合材料叶片通过轮毂1插入，并通过榫根5和轮毂1定位，以确保复合材料叶片在轮毂1上的分布满足设计及使用的精度要求。再通过高能束焊固定连接。在焊接过程中需要注意保护复合材料层2免受高温的破坏。具体的，高能束焊包括：电子束焊、等离子束焊和激光焊中的一种或多种。

步骤D：对完成固定连接后的轮毂进行机加工，并对每个叶片进行表面精修。

这里关于步骤A中叶片的加工方法可以通过多种方法实现，具体如下：

其一，通过机械加工或3D打印来完成复合材料叶片的片体3的加工，特别是榫根5的加工制造。完成复合材料层2的制造成形，并将该复合材料层2固定至片体3，形成完整的复合材料叶片。

其二，通过机械加工或3D打印来完成复合材料叶片的片体3的加工，特别是榫根5的加工制造。在片体3的叶身上制造减重孔、槽，将纤维铺缝在叶片的表面以形成金属复合编织体结构的叶片，再通过RTM固化成形得到复合材料层2，形成最终的复合材料叶片。

其三，通过机械加工或3D打印来完成复合材料叶片的片体3的加工，特别是榫根5的加工制造。在片体3上缠绕或铺贴预浸料带，缠绕或铺贴方向为从叶根指向叶尖，形成叶片的叶型表面，再通过热压罐固化成形，形成复合材料层2，最终形成复合材料叶片。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种能够将树脂基复合材料应用于发动机整体叶盘结构上，既能够实现整体叶盘的有效减重，又能够提升叶片的抗冲击强度的用于航空发动机风扇的叶盘结构及其制造方法，对提高航空发动的推重比与技战术指标有重要意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，包括：

多个叶片，所述叶片根部设有榫根；

轮毂，与多个所述叶片相连，且所述叶片的榫根嵌设于所述轮毂上；多个所述叶片在所述轮毂外圈均匀分布。

2.根据权利要求1所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述叶片包括：

片体，所述榫根与所述片体根部连接；

复合材料层，覆盖于所述片体外表面。

3.根据权利要求2所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述片体包括：叶身和叶片前缘，所述叶片前缘套于所述叶身边缘，所述叶片前缘与所述榫根相连，所述复合材料层覆盖于所述叶身外表面。

4.根据权利要求3所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述叶身和叶片前缘一体成型；所述叶片前缘与所述榫根一体成型。

5.根据权利要求1所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述轮毂包括：

榫槽，均匀分布于所述轮毂上；

轮毂过孔，贯通所述榫槽与所述轮毂的外圈表面。

6.根据权利要求2所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述片体和所述榫根的材料均为金属。

7.根据权利要求1所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构，其中，所述榫根呈U型结构。

8.一种用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法，其中，包括：

步骤A：加工叶片的片体和榫根以及轮毂上的榫槽；

步骤B：将叶片的复合材料层覆盖于叶片的片体外表面；

步骤C：将多个叶片嵌设于轮毂的榫槽上，并通过高能束焊进行固定连接；

步骤D：对完成固定连接后的轮毂进行机加工。

9.根据权利要求8所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法，其中，所述步骤C中高能束焊包括：电子束焊、等离子束焊和激光焊中的一种或多种。

10.根据权利要求8所述的用于航空发动机风扇的叶盘结构的制造方法，其中，所述步骤D还包括：对每个叶片进行表面精修。