CN111197596A - 具有磨料尖端的复合风扇叶片 - Google Patents

Abstract

一种用于推进装置的叶片。叶片包括由复合材料形成的本体，并且本体具有相对的压力侧和吸力侧。本体在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸。本体限定本体尖端表面。保护盖沿着本体的前缘和后缘从叶片的尖端附近朝向叶片的根部延伸。保护盖限定保护尖端表面，并且磨耗材料粘附到保护尖端表面。

Description

具有磨料尖端的复合风扇叶片

技术领域

本发明涉及涡轮风扇叶片。更具体地，本发明涉及由层压复合材料(即，碳纤维/环氧树脂)制成并由金属保护元件(例如，前缘护罩，尖端帽)保护的风扇叶片。

背景技术

燃气涡轮发动机包括涡轮机械芯，该涡轮机械芯具有串行流动关系的高压压缩机，燃烧器和高压涡轮。芯以已知的方式可操作以产生主推进气体流。典型的涡轮风扇发动机增加了由核心排气驱动的低压涡轮，该低压涡轮又通过轴驱动风扇转子以产生推进气体的旁通流。在高旁通发动机的情况下，这提供了总发动机推力的大部分。

风扇转子包括风扇，该风扇包括从风扇盘径向向外延伸的风扇叶片阵列。风扇叶片位于罩的径向内侧，并且包括尖端，该尖端构造成在正常操作状况下清理罩。常规地，风扇叶片由层压复合材料制成，并由金属保护元件(例如尖端帽)保护。常规地，尖端帽由金属形成并且不覆盖尖端端面。

这样的叶片具有尖端，该尖端紧密地靠近壳体操作。壳体包括可磨耗材料。在操作中，如果尖端应接触可磨耗材料(例如，在偏移/“摩擦”期间)，则可磨耗材料将“失去”相互作用，即其将被磨掉从而不会损坏叶片尖端。

过去，为了防止损坏，这些复合风扇叶片已经与可磨耗材料以一定的径向尖端间隙进行组装。为了获得最佳的空气动力学性能，希望尖端间隙尽可能小。在本领域中已知为叶片尖端提供磨耗材料。然后将叶片无间隙或轻微干涉地组装到壳体。然后在初始磨合过程中操作它们，以磨掉可磨耗物。换句话说，初始磨合过程用于研磨叶片尖端。初始磨合过程会导致最小的操作间隙。

以这种方式操作的常规复合材料叶片的一个问题是复合材料是脆性的，因此尖端是易损的。必须设定叶片，以使在初始磨合过程中产生的力不会使叶片尖端断裂。因此，所达到的公差并不像其他情况那样接近。

发明内容

通过提供一种复合叶片来解决该问题，该复合叶片具有由前缘护罩和尖端帽保护的尖端。前缘护罩和尖端帽均具有施加到它们各自远端的磨耗材料。

根据一个方面，一种用于推进装置的叶片。叶片包括由复合材料形成的本体，并且该本体具有相对的压力侧和吸力侧。本体在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸。本体限定本体尖端表面。保护盖沿着本体的前缘和后缘从叶片的尖端附近朝向叶片的根部延伸。保护盖限定保护尖端表面，并且磨耗材料粘附到保护尖端表面。

根据另一方面，一种构造成用于相对紧密间隙的推进器。推进器包括叶片和罩，罩包括可磨耗部分。叶片还包括本体，该本体具有位于罩的可磨耗部分附近的本体尖端表面。叶片包括前缘和后缘。前缘保护器沿着本体从叶片的本体尖端表面附近远离罩延伸。尖端帽也沿着本体从叶片的本体尖端表面附近远离罩延伸。前缘保护器和尖端帽限定的边缘表面。磨耗材料粘附到边缘表面。

根据又一方面，一种包括涡轮机械芯的燃气涡轮发动机装置。风扇以被驱动关系与涡轮机械芯联接，并且风扇包括围绕盘定位的多个叶片。风扇的每个叶片包括翼型件本体，该翼型件本体包含复合材料并具有相对的压力侧和吸力侧。翼型件本体在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸。翼型件本体限定本体尖端表面，并且保护盖从尖端附近朝向根部延伸，并且保护盖限定保护尖端表面。磨耗材料粘附到保护尖端表面。

附图说明

通过参考以下结合附图进行的描述，可以最好地理解本发明，其中：

图1是燃气涡轮发动机的示意横截面视图；

图2是图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图，其示出了风扇叶片以及风扇毂和罩的一部分；

图3是图2的风扇叶片和罩的一部分的视图；

图4是图2的风扇叶片的尖端部分的立体图；和

图5示出了沿着图4中的线5-5截取的风扇叶片的后缘的一部分的横截面视图，其示出了尖端帽与风扇叶片本体的关系；和

图6示出了沿着图4中的线6-6截取的风扇叶片的前缘的一部分的横截面视图，其示出了前缘盖与风扇叶片本体的关系。

具体实施方式

参考附图，其中在各个视图中相同的参考标记表示相同的元件，图1描绘了包括推进装置的示例性燃气涡轮发动机10。尽管所示示例是高旁通涡轮风扇发动机，但是本发明的原理也适用于其他类型的发动机，例如低旁通涡轮风扇发动机，涡轮喷气发动机，涡轮螺旋桨发动机等。发动机10具有纵向中心线或轴线11。如本文所用，术语“轴向”和“纵向”均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，并且“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和径向的方向。如本文所使用的，术语“向前”或“前”是指穿过或围绕部件的气流中相对上游的位置，术语“向后”或“后”是指穿过或围绕部件的气流中相对下游的位置。该流动的方向在图1中由箭头“F”示出。这些方向性术语仅是为了方便描述而使用，从而不需要所描述结构的特定取向。

发动机10具有以串行流动关系布置的风扇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的压缩空气在燃烧器20中与燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。高压涡轮22从这些气体中提取一些功，其经由外轴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是推进装置的一个示例。将理解的是，本文描述的原理可应用于可操作以产生推进推力的其他种类的推进装置，例如导管式螺旋桨或压缩机。代替燃气涡轮发动机，风扇12或其他推进装置可以由另一种原动机(例如：热发动机，马达(例如，电动，液压或气动)或其组合(例如，电动混合动力传动系统))驱动。推进装置可以由原动机直接驱动，或通过中间齿轮系驱动。

多个机械熔断器29机械地定位在风扇12和轴28之间。机械熔断器29构造成在正常操作期间从轴28传递旋转能量。高径向力可能导致机械熔断器29失效，从而使风扇12 绕新的旋转轴线旋转。机械熔断器29称为负载减小设备或LRD。

现在参考图2，风扇12包括多个风扇叶片30。风扇叶片30被安装到风扇盘32(如图1所示)，并且每个风扇叶片包括本体31。每个风扇叶片从根部33延伸到尖端34，并具有压力侧35，吸力侧36，前缘38和后缘39。

前缘护罩61被定位成使得前缘护罩61限定叶片30的前缘38并且覆盖叶片30的本体31的一部分。如图6所示，前缘护罩61具有鼻部62和马蹄形的横截面。前缘护罩61 包括压力侧翼65和吸力侧翼66。压力侧翼65具有与前缘38间隔开的侧缘68。吸入侧翼 66具有未示出的相似边缘。前缘护罩61具有前缘尖端69，其位于叶片30的尖端34附近。前缘护罩61可被构造成使得前缘尖端69延伸超过叶片30的本体31。替代地，前缘尖端 69可与叶片30的本体31齐平地终止，或者比叶片30的本体31的尖端34短地终止，使得叶片30的本体31的一部分延伸超过前缘护罩61的前缘尖端69。在这方面，本体31限定与前缘尖端69不共面的本体尖端表面37。在一些实施例中，本体尖端表面37与前缘尖端69共面。

尖端帽71定位在本体31的一部分上，使得尖端帽71限定后缘39。如图5所示，尖端帽71是马蹄形的。尖端帽71延伸到尖端帽边缘79。在尖端帽边缘79附近的区域中，尖端帽71从后缘39朝向前缘38向前延伸。以这种方式，尖端帽71限定了上肢73。从所示的实施例中可以看出，上肢73邻接前缘护罩61的侧边缘68。在其他实施例中，上肢73可以与前缘护罩61的侧边缘68间隔开。

综上所述，叶片30的外形部分地由本体31限定，并且部分地由前缘护罩61和尖端帽71限定。前缘护罩61和尖端帽71可以使用已知类型的粘合剂附接到本体31。前缘护罩61和尖端帽71都是保护盖。

前缘护罩61和尖端帽71可以由提供所需强度和重量特性的成分的金属合金制成。用于构造前缘护罩61的合适合金的非限制性示例包括钛合金和镍合金。

现在参考图4，磨耗材料85沿着尖端帽71的尖端帽边缘79并沿着前缘护罩61的前缘尖端69分布。在这方面，尖端帽边缘79和前缘尖端69限定保护尖端表面84。磨耗材料85可以经由常规已知的粘合剂粘附到表面84并且可以是颗粒。例如，可以使用粘合材料来施加颗粒状磨料。每种厚度的特定磨料，粘合剂可以基于常规磨料系统确定。

如图3所示，风扇壳体40包括内环形表面50。内环形表面是圆形横截面并且限定风扇壳体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(图1)，以确保风扇12(图1)将压缩进入发动机10的大部分空气。作为示例而非限制，风扇壳体40可以由以下材料制成：金属，复合材料及其组合。

如图3所示，内壳40包括一层薄薄的罩材料41，其定位成邻近由风扇12的叶片30限定的叶片尖端路径。罩材料41是可磨耗的，并由容纳结构43支撑。

如下所述，通过磨合过程(即研磨过程)来限定小的径向间隙14，使得在风扇叶片30的尖端34与内环形表面50之间存在小的径向间隙14。该间隙(即径向间隙14)被最小化，以提高发动机10的效率。

通过描述其操作可以更好地理解本文公开的装置。在常规使用发动机10之前，发动机10以允许风扇12磨合(即研磨)的方式操作，使得限定了小的径向间隙14。这方面，在罩材料41侵入预定间隙14的位置处，去除了容纳结构43的罩材料41。首先，发动机 10操作。第二，风扇12旋转。第三，前缘护罩61和尖端帽71的相应尖端69和79上的磨耗材料85接触侵入的罩材料41。从容纳结构43去除侵入的罩材料41，留下足够的罩材料41以限定预定间隙14。

被构造为比常规叶片更积极地磨削罩材料的风扇叶片的优点是，相对于常规叶片，可以在叶片和罩之间限定更紧密的公差。在这方面，可以使尖端间隙最小化，从而提高发动机效率。

综上所述，所示的实施例是一种复合叶片，其包括前缘和尖端帽，两者均沿叶片的尖端限定边缘。这些边缘被构造成支撑磨耗材料并向叶片提供强度，使得尖端边缘与磨耗材料以及周围的罩材料之间的接触导致罩材料的预定磨合。

前文描述了一种装置，即风扇叶片，其包括尖端区域，该尖端区域构造成提供足够操作强度和磨耗材料，用于在叶片尖端和周围罩之间磨出紧密公差。对于正常的操作状况，当将预定的负载施加到叶片的尖端时失败。

除非另有明确说明，否则本说明书(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中公开的每个特征可以由服务于相同，等同或相似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是一系列等同或相似特征的示例。

本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中公开的特征的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或扩展到所公开的任何方法或处理的步骤的任何新颖的一个或任何新颖的组合。

本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：

1.一种用于推进装置的叶片，包括：本体，所述本体由复合材料制成，所述本体具有相对的压力侧和吸力侧，并且在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸；所述本体限定本体尖端表面；保护盖，所述保护盖沿所述本体的所述前缘和所述后缘从所述叶片的所述尖端附近朝向所述叶片的所述根部延伸；所述保护盖限定保护尖端表面；并且其中磨耗材料粘附到所述保护尖端表面。

2.根据任何在前条项的叶片，其中所述本体尖端表面基本没有所述磨耗材料。

3.根据任何在前条项的叶片，其中所述保护盖包括前缘保护器，所述前缘保护器限定前缘尖端，并且所述前缘尖端限定所述保护尖端表面的至少一部分。

4.根据任何在前条项的叶片，其中所述保护盖包括尖端帽，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述尖端帽边缘限定所述保护尖端表面的至少一部分。

5.根据任何在前条项的叶片，其中所述保护盖包括前缘保护器和尖端帽，所述前缘保护器限定前缘尖端，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述前缘尖端和所述尖端帽边缘一起限定所述保护尖端表面。

6.根据任何在前条项的叶片，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护尖端表面与所述本体尖端表面基本共面。

7.根据任何在前条项的叶片，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖远离所述叶片的所述根部延伸超过所述本体尖端表面的所述平面。

8.根据任何在前条项的叶片，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖的所述保护尖端表面位于所述本体尖端表面的所述平面与所述根部之间。

9.一种燃气涡轮发动机装置，包括：涡轮机械芯；风扇，所述风扇以被驱动关系与所述涡轮机械芯联接，所述风扇包括：多个叶片，所述多个叶片定位成围绕盘，每个叶片包括：翼型件本体，所述翼型件本体包括复合材料，并且具有相对的压力侧和吸力侧，并且在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸。所述翼型件本体限定本体尖端表面；保护盖，所述保护盖从所述尖端附近朝向所述根部延伸；所述保护盖限定保护尖端表面；并且其中磨耗材料粘附到所述保护尖端表面。

10.根据任何在前条项的装置，其中所述本体尖端表面基本没有所述磨耗材料。

11.根据任何在前条项的装置，其中所述保护盖包括前缘保护器，所述前缘保护器限定前缘尖端，并且所述前缘尖端限定所述保护尖端表面的至少一部分。

12.根据任何在前条项的装置，其中所述保护盖包括尖端帽，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述尖端帽边缘限定所述保护尖端表面的至少一部分。

13.根据任何在前条项的装置，其中所述保护盖包括前缘保护器和尖端帽，所述前缘保护器限定前缘尖端，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述前缘尖端和所述尖端帽边缘一起限定所述保护尖端表面。

14.根据任何在前条项的装置，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护尖端表面与所述本体尖端表面基本共面。

15.根据任何在前条项的装置，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖远离所述叶片的所述根部延伸超过所述本体尖端表面的所述平面。

16.根据任何在前条项的装置，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖的所述保护尖端表面位于所述本体尖端表面的平面与所述根部之间。

17.一种构造成用于相对紧密间隙的推进器，所述推进器包括：叶片；罩，所述罩包括可磨耗部分；所述叶片包括本体，所述本体具有位于所述罩的所述可磨耗部分附近的本体尖端表面；所述叶片包括前缘和后缘；前缘保护器，所述前缘保护器沿着所述本体从所述叶片的所述本体尖端表面附近远离所述罩延伸；尖端帽，所述尖端帽沿着所述本体从所述叶片的所述本体尖端表面附近远离所述罩延伸；所述前缘保护器和所述尖端帽限定边缘表面；和粘合材料，所述粘合材料被构造为磨削被粘附到所述边缘表面的所述罩的所述可磨耗部分。

18.根据任何在前条项的推进器，其中所述本体尖端表面基本没有磨耗材料。

19.根据任何在前条项的推进器，其中所述边缘表面与所述本体尖端表面基本共面。

20.根据任何在前条项的推进器，其中所述边缘表面与所述本体尖端表面不共面。

Claims (10)

1.一种用于推进装置的叶片，其特征在于，包括：

本体，所述本体由复合材料制成，所述本体具有相对的压力侧和吸力侧，并且在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸；

所述本体限定本体尖端表面；

保护盖，所述保护盖沿所述本体的所述前缘和所述后缘从所述叶片的所述尖端附近朝向所述叶片的所述根部延伸；

所述保护盖限定保护尖端表面；并且

其中磨耗材料粘附到所述保护尖端表面。

2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，其中所述本体尖端表面基本没有所述磨耗材料。

3.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，其中所述保护盖包括前缘保护器，所述前缘保护器限定前缘尖端，并且所述前缘尖端限定所述保护尖端表面的至少一部分。

4.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，其中所述保护盖包括尖端帽，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述尖端帽边缘限定所述保护尖端表面的至少一部分。

5.根据权利要求2所述的叶片，其特征在于，其中所述保护盖包括前缘保护器和尖端帽，所述前缘保护器限定前缘尖端，所述尖端帽限定尖端帽边缘，并且所述前缘尖端和所述尖端帽边缘一起限定所述保护尖端表面。

6.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护尖端表面与所述本体尖端表面基本共面。

7.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖远离所述叶片的所述根部延伸超过所述本体尖端表面的所述平面。

8.根据权利要求5所述的叶片，其特征在于，其中所述本体尖端表面限定平面，并且所述保护盖的所述保护尖端表面位于所述本体尖端表面的所述平面与所述根部之间。

9.一种燃气涡轮发动机装置，其特征在于，包括：

涡轮机械芯；

风扇，所述风扇以被驱动关系与所述涡轮机械芯联接，所述风扇包括：

多个叶片，所述多个叶片定位成围绕盘，每个叶片包括：

翼型件本体，所述翼型件本体包括复合材料，并且具有相对的压力侧和吸力侧，并且在根部和尖端之间的跨度中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸。

所述翼型件本体限定本体尖端表面；

保护盖，所述保护盖从所述尖端附近朝向所述根部延伸；

所述保护盖限定保护尖端表面；并且

其中磨耗材料粘附到所述保护尖端表面。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，其中所述本体尖端表面基本没有所述磨耗材料。

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