CN110966255B - 金属柔顺尖端风扇叶片 - Google Patents

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Abstract

一种用于推进设备的叶片。叶片包括具有相对的压力侧和吸入侧的本体。叶片在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且叶片在前缘和后缘之间沿翼弦延伸。叶片包括断裂结构,该断裂结构限定在本体内并且定位成使得其与尖端间隔开。断裂结构包括至少一个室。第一断裂壁设在至少一个室和压力侧之间,并且第二断裂壁设在至少一个室和吸入侧之间。断裂结构构造成当预定的力施加到尖端时毁坏,使得尖端与本体的其余部分分离。

Description

金属柔顺尖端风扇叶片
技术领域
本发明涉及涡扇叶片和涡扇容纳壳。更确切地说,本发明涉及风扇叶片,其在其尖端处是柔顺的或可熔断的,以便防止损坏周围的壳。
背景技术
燃气涡轮发动机包括涡轮机核心,其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知的方式操作以产生主推进气流。典型的涡扇发动机增加了由核心排气驱动的低压涡轮,其继而又通过轴驱动风扇转子以产生旁通推进气流。在高旁通发动机的情况下,这提供了发动机总推力的大部分。
风扇转子包括风扇,该风扇包括从风扇盘沿径向向外延伸的风扇叶片阵列。风扇叶片定位在护罩的径向内部,并且构造成在正常操作条件下不阻挡护罩。然而,在发动机的操作期间,风扇叶片的碎片可能接触护罩并断裂。结果,可能产生大量的旋转不平衡负载。
这种旋转不平衡将引起较大风扇起伏不定。这种风扇起伏不定可对发动机引起严重损坏。通常,通过使用包括沟槽填料的容纳结构来适应破坏性的风扇起伏不定。通常,这种沟槽填料可为约2至3英寸厚并且由金属蜂窝形成。随着该解决方案的一个问题是沟槽填料很重并且可能引起发动机效率低下。
发明内容
通过提供涡扇发动机来解决该问题,该涡扇发动机包括构造为以受限方式毁坏的风扇叶片,更确切地说,风扇叶片构造成使得尖端在与护罩接触时快速地与风扇叶片的本体分离。
根据一个方面,一种用于推进设备的叶片包括具有相对的压力侧和吸入侧的本体。叶片在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且叶片在前缘和后缘之间沿翼弦延伸。叶片包括断裂结构,该断裂结构限定在本体内并且定位成使得其与尖端间隔开。断裂结构包括至少一个室。第一断裂壁设在至少一个室和压力侧之间,并且第二断裂壁设在至少一个室和吸入侧之间。断裂结构构造成当预定的力施加到尖端上时毁坏,使得尖端与本体的其余部分分离。
技术方案1. 一种用于推进设备的叶片,包括:
由第一材料形成的本体,其具有相对的压力侧和吸入侧,并且在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸;
限定在所述本体内并位于所述尖端附近的断裂结构;并且
其中所述断裂结构包括至少一个室;
其中所述断裂结构包括:设置在所述至少一个室与所述压力侧之间的第一断裂壁,以及设置在所述至少一个室与所述吸入侧之间的第二断裂壁;并且
其中所述断裂结构构造成当预定的力施加到所述尖端时毁坏,使得所述尖端与所述本体的其余部分分离。
技术方案2. 根据技术方案1所述的叶片,其中,所述至少一个室包括第一室和与所述第一室间隔开的第二室。
技术方案3. 根据技术方案2所述的叶片,其中,所述第一断裂壁限定在所述第一室与所述压力侧之间,并且所述第二断裂壁限定在所述第二室与所述吸入侧之间。
技术方案4. 根据技术方案3所述的叶片,其中,中间断裂壁限定在所述第一室和所述第二室之间的所述本体内。
技术方案5. 根据技术方案2所述的叶片,其中,所述第一室和所述第二室定位成距所述尖端的距离不同。
技术方案6. 根据技术方案1所述的叶片,其中,所述本体是金属。
技术方案7. 根据技术方案1所述的叶片,其中,所述至少一个室平行于所述本体的翼弦伸长。
技术方案8. 根据技术方案1所述的叶片,其中,所述断裂结构与所述尖端间隔开。
技术方案9. 根据技术方案1所述的叶片,其中,所述至少一个室包括多个间隔开的室。
技术方案10. 根据技术方案9所述的叶片,其中,所述多个间隔开的室随机定大小。
技术方案11. 根据技术方案9所述的叶片,其中,所述多个间隔开的室随机定形。
技术方案12. 根据技术方案9所述的叶片,其中,所述室中的至少一个是包括第二材料的填充室,并且所述第二材料不同于所述第一材料。
技术方案13. 根据技术方案9所述的叶片,其中,所述第二材料是金属。
技术方案14. 根据技术方案13所述的叶片,其中,所述第一材料是钛,并且所述第二材料是铝。
技术方案15. 根据技术方案13所述的叶片,其中,所述第一材料具有约1.66E7psi的模量,并且所述第二材料具有约1.02E7 psi的模量。
技术方案16. 根据技术方案13所述的叶片,其中,所述第一材料具有在大约118KSI至130 KSI之间的屈服强度,并且所述第二材料具有在大约40 KSI至大约60 KSI之间的屈服强度。
技术方案17. 一种燃气涡轮发动机设备,包括:
涡轮机核心;
与所述涡轮机核心成驱动关系联接的风扇,所述风扇包括:
围绕盘定位的多个叶片,每个叶片包括:
由第一材料形成的本体,具有相对的压力侧和吸入侧,并且在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸;
限定在所述本体内并位于所述尖端附近的断裂结构;并且
其中所述断裂结构包括至少一个室;
其中所述断裂结构包括设置在所述至少一个室和所述压力侧之间的第一断裂壁,以及设置在所述至少一个室和所述吸入侧之间的第二断裂壁;并且
其中所述断裂结构构造成当预定的力施加到所述尖端时毁坏,使得所述尖端与所述本体的其余部分分离。
技术方案18. 根据技术方案15所述的设备,其中,所述容纳结构不包括沟槽填料材料。
技术方案19. 根据技术方案15所述的设备,其中,所述本体由第一材料形成,并且所述室中的至少一个填充有比所述第一材料弱的第二材料。
技术方案20. 根据技术方案15所述的设备,其中,所述本体由金属形成。
附图说明
本发明可结合附图参照以下描述来最佳地理解,在附图中:
图1是燃气涡轮发动机的示意性截面视图;
图2是图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图,示出了风扇叶片和风扇毂和护罩的一部分;
图3是根据本发明的风扇叶片的透视图;
图4是在线4-4处截取的图3的风扇叶片的一部分的截面视图;
图5是在断裂模式期间在线4-4处截取的图3的风扇叶片的一部分的截面视图;
图6是在发生毁坏之后的图3的风扇叶片的一部分的截面视图;
图7是风扇叶片的一部分的截面视图,示出了其与护罩的一部分的相对位置;
图8是根据本发明的另一实施例的风扇叶片的透视图;
图9是在线9-9处截取的图8的风扇叶片的一部分的截面视图;
图10是在毁坏模式期间沿线9-9截取的图8的风扇叶片的一部分的截面视图;
图11是在发生毁坏之后的图8的风扇叶片的一部分的截面视图;
图12是根据本发明的另一备选实施例的风扇叶片的透视图;
图13是在线13-13处截取的图12的风扇叶片的一部分的截面视图;
图14是在毁坏模式期间在线13-13处截取的图12的风扇叶片的一部分的截面视图;以及
图15是在发生毁坏之后的图12的风扇叶片的一部分的截面视图。
具体实施方式
参看附图,其中相同的参考标号表示各种图各处的相同元件,图1绘出了示例性燃气涡轮发动机10,其包括推进设备。虽然所示的示例是高旁通涡扇发动机,但是本发明的原理也可适用于其它类型的发动机,如低旁通涡扇、涡喷、涡桨等。发动机10具有纵向中心线或轴线11。
注意,如本文使用的,用语“轴向”和“纵向”两者是指平行于中心线轴线11的方向,而“径向”是指垂直于轴向方向的方向,且“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文使用的,用语“前方”或“前”是指穿过或围绕构件的气流中的相对上游的位置,且用语“后方”或“后”是指穿过或围绕构件的气流中的相对下游的位置。该流动方向由图1中的箭头“F”示出。这些方向用语仅用于便于描述,且不需要由此描述的结构的特定定向。
发动机10具有以串流关系布置的风扇12、增压器16、压缩机18、燃烧器20、高压涡轮或“HPT”22、以及低压涡轮或“LPT”24。在操作中,来自压缩机18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合且点燃,从而生成燃烧气体。一些功由高压涡轮22从这些气体中提取,其通过外轴26驱动压缩机18。然后燃烧气体流入低压涡轮24,其经由内轴28驱动风扇12和增压器16。
风扇12是推进设备的一个示例。将理解的是,本文描述的原理适用于可操作成产生推进推力的其它类型的推进设备,如导管螺旋桨或压缩机。代替燃气涡轮发动机,风扇12或其它推进设备可由另一种类型的原动机驱动,如:热力发动机、电动机(例如电动、液压或气动)或其组合(例如电动混合传动系)。推进设备可由原动机直接驱动,或通过中间齿轮系驱动。
多个机械熔断部29机械地定位在风扇12和轴28之间。机械熔断部29构造成在正常操作期间传递来自轴28的旋转能。高径向力可引起机械熔断部29毁坏,因此允许风扇12绕新的旋转轴线旋转。机械熔断部29称为负载减小装置或LRD。
在图2-6中所示的构造中,风扇12包括多个风扇叶片30。风扇叶片30安装到风扇盘32(图1中所示),并且分别包括本体31。每个风扇叶片从根部33延伸到尖端34,并具有压力侧35、吸入侧36、前缘38和后缘39。
如图7中所示,风扇壳40包括内环形表面50。内环形表面50具有大体圆形的横截面并限定内壳40的内径。内环形表面50构造成将进入的空气引导通过风扇12,以确保风扇12将压缩进入发动机10的大部分空气。作为示例而非限制,风扇壳40可由以下材料制成:金属、复合材料及其组合。
如图7中所示,内壳40包括护罩材料41的薄层,其位于由风扇12的叶片30限定的叶片尖端路径附近。护罩材料41由容纳结构43支承。根据所示的实施例,容纳结构43大体是实心的,并且未构造成蜂窝结构或其它沟槽填料材料(如在常规风扇铸件中发现的)。相反,壳40基本上由实心金属容纳结构43和护罩材料41组成。
在风扇叶片30的尖端34和内环形表面50之间存在小的径向间隙14。正是这个空隙(即径向间隙14)最小化,以便促进发动机10的效率。
现在参看图3-6,叶片30包括断裂结构60,该断裂结构60构造成如果在环形表面50和尖端34中的一个之间发生接触则提供用于尖端34的分离。换句话说,叶片30构造成柔顺的,并且如果未保持径向间隙14,则以受限方式毁坏,使得不会发生进一步的灾难性接触。在这方面,叶片30的本体31限定了断裂结构60。断裂结构60与尖端34间隔开并且定位成平行于叶片30的翼弦。在这方面,断裂结构60定向成使得当断裂结构60毁坏时,叶片30的尖端34沿翼弦折叠越过叶片30的本体31。优选地,尖端34平行于翼弦折叠,但是在其它实施例中,尖端34不平行于翼弦折叠,而是充分折叠而不阻挡内环形表面50。
如图3和4中所示,断裂结构60包括第一伸长室62和第二伸长室72。如图3中所示,第一伸长室62和第二伸长室72可沿径向偏移,使得室62比第二室72更靠近尖端34,即,是交错的。在其它实施例中,第一室62和第二室72可与尖端34相等间隔开。
第一室62包括第一端64并且延伸到第二端66。本体31限定第一室62的表面68。表面68可限定圆形横截面、椭圆形横截面或其它合适形状的横截面。现在参看图4,第一室62与叶片30的第一压力侧35间隔开。位于第一室62与压力侧35之间的叶片本体31的区域是第一断裂壁65。第一断裂壁65的厚度由第一室62的表面68和压力侧35之间的最短距离限定。
第一室62和第二室72基本相似,使得第二室72可从上面对第一室的描述中理解。总而言之,第二室72包括第一端74并延伸至第二端76。本体31限定第二室72的表面78。第二室72与吸入侧36结合限定了第二断裂壁75。第二断裂壁75和第一断裂壁65均为表面断裂壁。
如上所述,第一断裂室62与第二断裂室72间隔开。位于第一断裂室62和第二断裂室72之间的本体31的区域限定了中间断裂壁77。第一断裂壁65、第二断裂壁75和中间断裂壁77的厚度是预定的,以在正常操作期间为叶片30提供足够的强度。如下所述,预定厚度使得当叶片尖端34接触内环形表面50时在毁坏模式下,第一断裂壁65、第二断裂壁75和中间断裂壁77以预定方式毁坏。
如图4中所示,叶片30相对于径向线R以前倾角α定位。叶片30构造成沿向前方向ω旋转。
图5示出了由于断裂结构60的毁坏而导致的叶片30的变形。叶片30相对于径向线R以与角度α相反的角度β偏转。图6示出了发生毁坏之后的叶片30。叶片30已经变形,使得其与表面50间隔开得比由间隙14所限定的距离更远。在这方面,第一断裂壁65、第二断裂壁75和中间断裂壁77不再完整。叶片30的尖端34与叶片30的本体31的其余部分分离。第一断裂壁65、第二断裂壁75和中间断裂壁77的毁坏与第一室62的第一残余表面63和第二室72的第二残余表面73一起限定了毁坏尖端81。应当认识到,毁坏尖端81与表面50间隔开。
叶片30优选地由可形成有内部室的诸如金属的材料形成。举例来说,金属可为钛、钢、镍、钴及其合金。
通过对其操作的描述可更好地理解本发明。在正常操作期间,风扇12沿向前方向ω旋转。在诸如LRD的毁坏模式期间,尖端34接触表面50,使得力F沿与ω相反的方向施加到尖端34。结果,如图5中所示,尖端34远离原始定向偏转。当尖端34的偏转达到预定值时,断裂结构60以预定方式断裂。在这方面,第一断裂壁65毁坏,导致力转移和尖端34的连续偏转,其引起中间断裂壁77毁坏和第二断裂壁75毁坏。
借助于示例,当LRD机械熔断部29毁坏时,发生典型的断裂模式。如上所述,风扇12绕新轴线旋转。新的旋转可引起叶片30接触表面50。这种接触将引发断裂结构60的断裂。
现在参看图8-11,示出了一个备选实施例,其中断裂结构60包括单个伸长室162。室162包括第一端164并且延伸到第二端166。本体31限定室162的表面168。表面168可限定圆形横截面、椭圆形横截面或其它合适形状的横截面。现在参看图4,室162与叶片30的压力侧35和吸入侧36间隔开。室162和压力侧35限定第一断裂壁165。室162和吸入侧36限定第二断裂壁175。
包括单个伸长室162的断裂结构60的操作类似于如上所述的包括第一伸长室62和第二伸长室72的断裂结构60的操作。
现在参看图12-15,那里示出了另一备选实施例,其中与200系列中的参考数字相关联的元件可从与零系列中的类似数字相关联的元件的以上描述中理解。在图12-15中所示的构造中,风扇12包括多个风扇叶片230。风扇叶片230安装到风扇盘(类似于图1中所示的风扇盘12),并且每个包括本体231。每个风扇叶片从根部233延伸到尖端234,并具有压力侧235、吸入侧236、前缘238和后缘237。叶片230限定从根部233到尖端234的第一长度L。
叶片230还包括限定金属叶片尖端234的断裂结构270。断裂结构270构造为用于可熔断性的有意孔隙的区域。断裂结构270开始于长度L的大约85%。如所示实施例中所示,断裂结构270可限定为使得其继续到叶片尖端34。可选地,可限定有意孔隙的区域,使得其与叶片尖端234间隔开,并且因此不占据由断裂结构270所占据的所有区域。如上所述,断裂结构270、即有意孔隙的区域,构造为在设计负载下熔断。如本文所用,用语熔断部(fuse)是指以预定方式的毁坏或分离。
断裂结构270以这样一种方式布置成,使得将帮助叶片230弯曲并最终在预定位置处熔断。叶片230和断裂结构270构造成使得叶片尖端234在诸如侧风之类的轻摩擦条件下或在中等鸟群撞击下不与叶片230的其余部分分离。叶片230和断裂结构270构造成使得叶片230在由于诸如FBO、大鸟吸入等事件导致的严重摩擦下毁坏,即熔断。
有意孔隙的区域由多个第一室272和第二室274限定。第一室272和第二室274位于叶片230的断裂结构270内。室272和274可各种定形并且随机分布。第二室274填充有填料材料。相对于构成叶片本体231的金属材料,填料材料是第二材料,该金属材料是第一材料。第二材料可为金属。第二材料选择成比第一材料弱。举例来说而非限制,第一材料可为钛(Ti),而第二材料可为铝(Al)。钛的模量约为1.66E7 psi。因此,第一材料的屈服强度在约118 KSI和130 KSI之间。铝的模量为约1.02E7 psi。因此,第二材料的屈服强度在约40 KSI和约60 KSI之间。第一室272没有填充以材料,且因此限定了空穴(void)。
总之,断裂结构270内的多个室可为中空的或填充以更柔顺的(弱的)材料。因此,断裂结构270具有构造为减小尖端的刚度的有意的随机孔隙腔。该结构可通过增材制造来实现。该实施例的优点在于,其有助于显著降低风扇模块的整体重量和成本。
该备选实施例的操作类似于上述实施例的操作。图13示出了处于正常操作中的根据备选实施例的叶片230的一部分。图14示出了在其与另一结构接触期间变形时的叶片230的一部分。图15示出了在断裂结构270毁坏之后导致尖端残余物276的叶片230的一部分。
风扇叶片构造成响应于与容纳壳的灾难性接触而以受限方式毁坏的优点在于,容纳壳可构造成带有较少的沟槽填料材料或蜂窝。这是因为可由叶片施加给容纳壳的力量由断裂壁的预定强度限制的事实。通过以受限和预定的方式快速毁坏,没有尖端的叶片的其余部分可能保持完整。可能接触其它构件的碎屑只是与尖端一起释放的少量。
前面已经描述了一种设备,即风扇叶片,其包括断裂结构,该断裂结构构造为针对正常操作条件提供足够的操作强度,并且当预定负载施加到叶片的尖端时毁坏。断裂结构构造成毁坏,使得叶片的尖端快速地从叶片的其余本体分离。以此方式,叶片的其余本体保持完整并且不接触容纳结构。
本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换,除非明确另外指出。因此,除非明确另外指出,则公开的每个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于一个或多个前述实施例的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的任何新颖一个或任何新颖组合,或扩展至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖一个或任何新颖组合。

Claims (20)

1.一种用于推进设备的叶片,包括:
由第一材料形成的本体,其具有相对的压力侧和吸入侧,并且在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸;
限定在所述本体内并位于所述尖端附近的断裂结构;并且
其中所述断裂结构包括多个室,其限定所述断裂结构中的有意空隙的区域,所述室中的每个构造成减少所述尖端的刚度,以允许所述尖端在所述断裂结构毁坏期间折叠越过所述叶片的本体;
其中所述断裂结构包括:设置在所述多个室与所述压力侧之间的第一断裂壁,以及设置在所述多个室与所述吸入侧之间的第二断裂壁;并且
其中所述断裂结构构造成当预定的力施加到所述尖端时毁坏,使得所述尖端与所述本体的其余部分分离。
2.根据权利要求1所述的叶片,其中,所述多个室包括第一室和与所述第一室间隔开的第二室。
3.根据权利要求2所述的叶片,其中,所述第一断裂壁限定在所述第一室与所述压力侧之间,并且所述第二断裂壁限定在所述第二室与所述吸入侧之间。
4.根据权利要求3所述的叶片,其中,中间断裂壁限定在所述第一室和所述第二室之间的所述本体内。
5.根据权利要求2所述的叶片,其中,所述第一室和所述第二室定位成距所述尖端的距离不同。
6.根据权利要求1所述的叶片,其中,所述本体是金属。
7.根据权利要求1所述的叶片,其中,所述多个室平行于所述本体的翼弦伸长。
8.根据权利要求1所述的叶片,其中,所述断裂结构与所述尖端间隔开。
9.根据权利要求1所述的叶片,其中,所述多个室中的至少一个包括多个间隔开的室。
10.根据权利要求9所述的叶片,其中,所述多个间隔开的室随机定大小。
11.根据权利要求9所述的叶片,其中,所述多个间隔开的室随机定形。
12.根据权利要求9所述的叶片,其中,所述室中的至少一个是包括第二材料的填充室,并且所述第二材料不同于所述第一材料。
13.根据权利要求12所述的叶片,其中,所述第二材料是金属。
14.根据权利要求13所述的叶片,其中,所述第一材料是钛,并且所述第二材料是铝。
15.根据权利要求13所述的叶片,其中,所述第一材料具有1.66E7 psi的模量,并且所述第二材料具有1.02E7 psi的模量。
16.根据权利要求13所述的叶片,其中,所述第一材料具有在118 KSI至130 KSI之间的屈服强度,并且所述第二材料具有在40 KSI至60 KSI之间的屈服强度。
17.一种燃气涡轮发动机设备,包括:
涡轮机核心;
与所述涡轮机核心成驱动关系联接的风扇,所述风扇包括:
围绕盘定位的多个叶片,每个叶片包括:
由第一材料形成的本体,具有相对的压力侧和吸入侧,并且在根部和尖端之间沿翼展延伸,并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸;
限定在所述本体内并位于所述尖端附近的断裂结构;并且
其中所述断裂结构包括多个室,其限定所述断裂结构中的有意空隙的区域,所述室中的每个构造成减少所述尖端的刚度,以允许所述尖端在所述断裂结构毁坏期间折叠越过所述叶片的本体;
其中所述断裂结构包括设置在所述多个室和所述压力侧之间的第一断裂壁,以及设置在所述多个室和所述吸入侧之间的第二断裂壁;并且
其中所述断裂结构构造成当预定的力施加到所述尖端时毁坏,使得所述尖端与所述本体的其余部分分离。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机设备,其中,所述燃气涡轮发动机设备包括风扇壳,所述风扇壳包括容纳结构,并且所述容纳结构不包括沟槽填料材料。
19.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机设备,其中,所述本体由第一材料形成,并且所述室中的至少一个填充有比所述第一材料弱的第二材料。
20.根据权利要求17所述的燃气涡轮发动机设备,其中,所述本体由金属形成。
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