CN111287802A - 多材料前缘保护器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种多材料前缘保护器。一种翼型件，其包括翼型件本体，该翼型件本体具有根部和尖端，以及在前缘和后缘之间延伸的凸侧和凹侧。翼型件还包括附接到翼型件本体的至少第一包层元件。第一包层元件包括第一部分和第二部分。第二部分构造成在第一包层元件遇到至少预定量的力时与第一部分分离。

Description

多材料前缘保护器
技术领域
本发明大体涉及翼型件，并且特别地涉及具有多材料加强件的风扇叶片。
背景技术
在涡轮发动机应用中使用的风扇叶片和其他结构易于受到异物撞击损伤，例如在鸟类摄食事件期间(“鸟类碰撞”)。由复合材料(例如碳纤维增强环氧树脂)制成的叶片由于具有很高的整体比强度，比刚度和重量轻，因此具有吸引力。然而，由于其低延展性，在异物撞击期间，碳复合物特别容易发生脆性断裂和分层。叶片前缘，后缘和尖端特别敏感，因为这些区域的厚度通常较低，而且众所周知，层压复合物易发生自由边缘分层。
已知使用结合到其的边缘保护器(即包层)，为复合风扇叶片提供撞击损伤保护。例如，已知风扇叶片具有复合本体，该复合本体具有在前缘，尖端和后缘上延伸的包层。这种包层比形成叶片本体的复合材料要坚固得多，并且延展性更大，而复合材料通常很脆。
在某些情况下，包层复合叶片会失效。已知将常规叶片构造为以可预测的方式失效，使得损坏的叶片不会对发动机造成进一步的损坏。然而，包括包层的常规复合材料叶片的一个问题是，当暴露于摩擦事件时，这种叶片的尖端不会与叶片的本体分离，因为包层不会以叶片的复合材料失效的方式失效。
发明内容
上述问题中的至少一个是通过一种翼型件解决的，该翼型件包覆有边缘保护器，该边缘保护器包括在边界处相遇的尖端部分和本体部分，并且前缘构造成使得当前缘承受预定力时前缘在边界附近失效。
根据本文描述的技术的一个方面，一种翼型件，其包括翼型件本体，该翼型件本体具有根部和尖端，以及在前缘和后缘之间延伸的凸侧和凹侧。翼型件还包括附接到翼型件本体的至少第一包层元件。第一包层元件包括第一部分和第二部分。第二部分构造成在第一包层元件遇到至少预定量的力时与第一部分分离。
根据本文公开的技术的另一方面，一种燃气涡轮发动机设备，其包括涡轮机械核心和风扇。风扇与涡轮机械核心以驱动关系联接。风扇包括围绕盘定位的多个叶片。每个叶片包括翼型件本体，该翼型件本体由复合材料制成并具有相对的压力侧和吸力侧。叶片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。至少第一包层元件附接到翼型件本体。第一包层元件包括第一部分和第二部分，并且第二部分构造成当第一包层元件遇到至少预定量的力时与第一部分分离。
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性横截面视图；
图2是图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图，示出了根据所公开的技术的一个实施例的风扇叶片以及风扇毂和罩的一部分；
图3是根据所公开的技术的另一实施例的风扇叶片的视图；
图4是根据所公开的技术的又一个实施例的风扇叶片的视图；
图5是具有包层的叶片的后缘的截面图；
图6是具有包层的叶片的前缘的截面图；
图7示出了沿着线7-7截取的图3所示的前缘的边界的替代实施例的横截面；
图8示出了沿着线7-7截取的图3所示的前缘的边界的另一替代实施例的横截面；和
图9示出了沿着线7-7截取的图3所示的前缘的边界的又一替代实施例的横截面。
具体实施方式
参考附图，其中在各个视图中，相同的参考数字表示相同的元件，图1描绘了包括推进设备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方向的方向。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，并且因此不需要所描述的结构的特定取向。
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，该高压涡轮22经由外轴26驱动压缩机18。然后，燃烧气体流入低压涡轮24，该低压涡轮24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，本文描述的原理可应用于可操作以产生推进推力的其他种类的推进设备，例如导管式螺旋桨或压缩机。代替燃气涡轮发动机，风扇12或其他推进设备可以由另一类型的原动机(诸如：热发动机，马达(例如，电动，液压或气动)或其组合(例如，电动混合传动系))驱动。推进设备可以直接由原动机驱动，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传递来自轴28的旋转能。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称为减载设备或LRD。
参照图2，风扇12包括多个风扇叶片30。风扇叶片30安装到风扇盘32(如图1所示)，该风扇盘从根部33延伸到尖端34并限定长度L。另外，每个风扇叶片30包括压力侧35，吸力侧36以及包括前缘38和后缘39的加强件。
如图2所示，风扇壳体40包括内环形表面50。内环形表面50具有大致圆形的横截面并限定内壳体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。
内壳体40包括一层薄薄的罩材料41，该罩材料邻近由风扇12的叶片30限定的叶片尖端路径定位。罩材料41由容纳结构43支撑。根据图示的实施例，容纳结构43通常是实心的，并且不构造成蜂窝结构或其他沟槽填充材料，例如在常规风扇壳体中发现的那样。相反，壳体40主要由实心金属容纳结构43和罩材料41组成。
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。正是这个间隙，即径向间隙14，被最小化，以提高发动机10的效率。
翼型件本体31由复合材料制成，复合材料在本文中限定为包括结合到一个结构中的两种或更多种不同材料的材料，例如，其中嵌入有增强纤维的基质。适用于航空航天应用的复合系统的一个示例包括具有碳纤维增强的环氧基质。
除了复合材料之外，风扇叶片30还包括至少一个包层元件。在图2所示的特定示例中，包层元件包括前缘防护件60和端盖62。
前缘防护件60附接到本体31以限定前缘38。前缘防护件60为风扇叶片30提供了额外的抗冲击性，抗侵蚀性以及改善的复合结构的抗分层性。
如图6最佳所示，前缘防护件60包括在边界56处相遇的尖端部分55(即尖端区域)和本体部分57(即本体区域)。前缘防护件60还包括鼻部64，一对翼66从其向后延伸。当翼66远离鼻部64延伸时，其厚度逐渐变小。鼻部64和翼66的外表面共同限定前缘防护件60的外表面。选择鼻部64和翼66的外表面的形状和尺寸，以用作翼型件本体31的空气动力学延伸。换句话说，叶片30的外形部分地由翼型件本体31限定，并且部分地由前缘防护件60限定。前缘防护件60可以使用已知类型的粘合剂附接到翼型件本体31。
尖端部分55和本体部分57限定鼻部64和翼66的内表面，鼻部64和翼66的内表面共同限定前缘防护件60的内表面72。选择内表面72的形状和尺寸以紧密适配翼型件本体31的外部。
前缘防护件60的本体部分57由第一材料制成，该第一材料可以是提供期望的强度和重量特性的成分的金属合金。用于构造前缘防护件60的合适合金的非限制性示例包括钛合金，镍合金和钢合金。前缘防护件的本体部分57也可以由非金属材料制成。
前缘防护件60的尖端部分55由第二材料制成，该第二材料可以是具有提供期望的强度和重量特性的成分的金属合金。用于构造前缘防护件60的合适合金的非限制性示例包括钛合金，镍合金和钢合金。前缘防护件60也可以由非金属材料制成。
前缘60上的本体部分57和尖端部分55构造成在摩擦事件期间彼此分离，如将在下面进一步讨论的。
现在参考图2和5，端盖62覆盖邻近尖端34的压力侧35和吸力侧36的部分。端盖62提供附加的冲击保护，以及沿着尖端34和后缘39使翼型件本体31变硬。端盖62包括一对侧壁76和78。侧壁76和78的外表面共同限定端盖62的外表面。选择外表面的形状和尺寸以用作翼型件本体31的空气动力学延伸。换句话说，叶片30的外形部分地由翼型件本体31限定并且部分地由端盖62限定。端盖62可以使用已知类型的粘合剂附接到翼型件本体31。
侧壁76和78的内表面共同限定端盖62的内表面74。选择内表面74的形状和尺寸以紧密适配翼型件本体31的外部。
继续参考图2，端盖62包括尖端部分82和后缘部分83。两个部分82和83大致限定L形。端盖62的上前边缘84邻接前缘防护件60。
端盖62可由提供期望的强度和重量特性的成分的金属合金制成。用于构造端盖62的合适合金的非限制性示例包括钛合金和镍合金以及钢合金。端盖62也可以由非金属材料(例如陶瓷材料)形成。
如图2所示，尖端部分55具有长度L2，并且优选地在远离根部33叶片30的总长度L的至少85％处开始。换句话说，根据所示实施例，尖端部分55的长度L2小于叶片30的长度L的15％。边界56可以定位成更靠近叶片尖端34，使得其离根部33比叶片30的总长度L的85％更远。可选地，尖端部分55在远离根部33叶片30的总长度L的大约90％处开始。尖端部分55从边界56延续到叶片尖端34。
如上所述，尖端部分55被构造为在边界56处与尖端本体57分离。就这一点而言，边界56被构造成在诸如“摩擦”事件期间失效，在该事件中，尖端部分55接触罩材料41。例如，由于叶片30受到明显的异物撞击而损坏或松开，或者由于风扇转子解耦器“熔断”，可能引起摩擦，从而使风扇叶片30移位到其标称位置(例如，用于风扇转子运行或旋转)的外侧。在这方面，边界56被构造为使得尖端34和叶片30的本体31的相关区域可以快速地与叶片30的本体31的其余部分分离。
现在参考图2，在所示的实施例中，边界56由尖端部分55和本体部分57的邻接边缘限定。其中，如上所述，本体部分57由第一材料形成，并且尖端部分55由第二材料形成。根据图示的实施例，第二材料不同于第一材料。第二材料可以比第一材料更弱。术语“更弱”可以指的是第二材料的材料特性(例如屈服强度(yield-to-failure)或极限强度)比第一材料小。
现在参考图3，提供了所公开技术的替代实施例。替代实施例的元件由100系列中的数字表示。在这点上，从具有上述的0系列中的相似参考数字的相似元件的描述，可以理解具有100系列中的相似数字的相似元件。提供了叶片130。叶片130包括本体131，前缘160和端盖162。端盖162包括端盖边缘184，尖端部分182和尖端本体部分183。前缘160包括尖端区域155和本体区域157。尖端区域155和本体区域157由边界156分开。
边界156可以由第三材料形成。第三材料可以不同于上述分别相对于本体区域157和尖端区域155的第一材料和第二材料。边界156被构造为在本体区域157之前失效，使得在摩擦事件或碰撞事件的情况下尖端区域155与前缘160的本体区域157分离。在这方面，可以选择包括边界156的第三材料，使得其不同于第一材料和第二材料并且更弱。结果，边界156将在前缘160的本体区域157之前失效。术语“更弱”可以指的是第三材料的材料特性(例如屈服强度或极限强度)更小。
根据一些实施例，边界156可以被机械地构造成使得其在本体区域157允许尖端134与叶片130的本体131的其余部分分离之前失效。分别构成本体区域157，尖端区域155和边界156的第一材料，第二材料和第三材料在边界156被机械地构造成以预定力失效的实施例中可以相同或不同。
现在参考图7，可以看到边界156的截面。该截面是沿图3所示的7-7线截取的。边界156包括第一部分183。第一部分183是从其中的第一侧限定的一系列盲孔181。盲孔181可以填充有第四材料。第四材料被选择为使得边界156以上述预定方式失效。
现在参考图8，根据另一个实施例，边界156可以包括第一层181和第二层183。同样，第一层181的材料是第四材料，其被选择为使得边界层156以上述预定方式失效。
现在参考图9，根据另一变型，边界156仅包括层181，如上所述，层181由第四材料制成。边界156也可以通常比尖端区域155和本体区域157更薄。
参照图4，示出了所公开技术的又一替代实施例。替代实施例的元件由200系列中的数字表示。在这点上，从具有上述0系列中的相似参考数字的相似元件的描述，可以理解具有200系列中的相似数字的相似元件。提供了叶片230。叶片230包括本体231，前缘260和端盖262。端盖262包括端盖边缘284，尖端部分282和尖端本体部分283。前缘260包括尖端部分255和本体部分257。尖端区域255横跨叶片230延伸，使得边界256将尖端部分255与本体部分257端盖262分开。
上述风扇叶片30结合了具有金属前缘和易碎尖端的复合叶片的有益特性。金属前缘构造成提供强度和抵抗冲击，并且在叶片尖端经受预定量的摩擦力时以预定方式失效。本领域普通技术人员将能够计算在摩擦事件期间产生的力。
前面已经描述了具有保护性包层的复合叶片，该保护性包层被构造为以预定方式失效。在本说明书(包括任何所附权利要求，摘要和附图)中公开的所有特征和/或所公开的任何方法或处理的所有步骤，除了这些特征和/或步骤中的至少一些是互斥的组合之外，可以以任何组合进行组合。
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中的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展到本说明书(包括新颖性，摘要和附图的任何伴随的潜在要点)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：
1.一种翼型件，其特征在于，包括：翼型件本体，所述翼型件本体具有根部和尖端以及凸侧和凹侧，所述凸侧和所述凹侧在前缘和后缘之间延伸；至少第一包层元件，所述第一包层元件附接到所述翼型件本体；所述第一包层元件包括第一部分和第二部分；并且所述第二部分构造成当所述第一包层元件遇到至少预定量的力时与所述第一部分分离。
2.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括复合材料，所述复合材料包括其中嵌入有增强纤维的基质。
3.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括聚合物基质复合物，所述聚合物基质复合物包括碳增强纤维。
4.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件是附接到所述翼型件本体的所述前缘的前缘防护件，所述前缘防护件包括鼻部，间隔开的第一翼和第二翼从所述鼻部延伸。
5.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括第二包层元件。
6.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第二包层元件是端盖。
7.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件的所述第一部分和所述第二包层元件的所述第二部分限定边界，并且所述第一包层元件构造成当所述第一包层元件遇到预定力时在所述边界附近失效。
8.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件的所述第一部分由第一材料构成，并且所述第一包层元件的所述第二部分由第二材料构成，所述第二材料与所述第一材料不同。
9.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第二材料比所述第一材料更弱。
10.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述边界由第三材料构成，并且所述第三材料比所述第一材料更弱。
11.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第三材料比所述第二材料更弱。
12.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述边界包括构造成使得所述边界比所述第一包层元件的所述第一部分和所述第一包层元件的所述第二部分两者都更弱的结构，使得当所述第一包层元件遇到预定力并且所述第一包层元件的所述第一部分与所述第一包层元件的所述第二部分分离时，所述边界失效。
13.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一部分包括第一材料，并且所述第二部分包括第二材料，并且所述边界包括第三材料。
14.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一材料和所述第二材料具有相似的强度特性。
15.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述第一材料，所述第二材料和所述第三材料具有相似的特性。
16.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述边界包括第四材料，并且所述第四材料不同于所述第三材料。
17.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述边界包括第一层和第二层，所述第一层由所述第三材料构成，所述第二层由所述第四材料构成。
18.根据任何在前条项的翼型件，其特征在于，其中所述边界包括多个盲孔，所述多个盲孔在所述第三材料中形成，并且所述盲孔填充有所述第四材料。
19.一种燃气涡轮发动机设备，其特征在于，包括：涡轮机械核心；风扇，所述风扇与所述涡轮机械核心以驱动关系联接，所述风扇包括：多个叶片，所述多个叶片围绕盘定位，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；至少第一包层元件，所述第一包层元件附接到所述翼型件本体；所述第一包层元件包括第一部分和第二部分；并且所述第二部分构造成当所述第一包层元件遇到至少预定量的力时与所述第一部分分离。
20.根据任何在前条项的燃气涡轮发动机设备，其特征在于，其中所述第一包层元件包括在边界处相遇的第一部分和第二部分，并且所述边界构造成当所述第一包层元件暴露于预定力时，在所述第一部分和所述第二部分之前失效。

Claims (10)

1.一种翼型件，其特征在于，包括：
翼型件本体，所述翼型件本体具有根部和尖端以及凸侧和凹侧，所述凸侧和所述凹侧在前缘和后缘之间延伸；
至少第一包层元件，所述第一包层元件附接到所述翼型件本体；
所述第一包层元件包括第一部分和第二部分；并且
所述第二部分构造成当所述第一包层元件遇到至少预定量的力时与所述第一部分分离。
2.根据权利要求1所述的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括复合材料，所述复合材料包括其中嵌入有增强纤维的基质。
3.根据权利要求2所述的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括聚合物基质复合物，所述聚合物基质复合物包括碳增强纤维。
4.根据权利要求2所述的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件是附接到所述翼型件本体的所述前缘的前缘防护件，所述前缘防护件包括鼻部，间隔开的第一翼和第二翼从所述鼻部延伸。
5.根据权利要求4所述的翼型件，其特征在于，其中所述翼型件本体包括第二包层元件。
6.根据权利要求5所述的翼型件，其特征在于，其中所述第二包层元件是端盖。
7.根据权利要求5所述的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件的所述第一部分和所述第二包层元件的所述第二部分限定边界，并且所述第一包层元件构造成当所述第一包层元件遇到预定力时在所述边界附近失效。
8.根据权利要求7所述的翼型件，其特征在于，其中所述第一包层元件的所述第一部分由第一材料构成，并且所述第一包层元件的所述第二部分由第二材料构成，所述第二材料与所述第一材料不同。
9.根据权利要求8所述的翼型件，其特征在于，其中所述第二材料比所述第一材料更弱。
10.根据权利要求7所述的翼型件，其特征在于，其中所述边界由第三材料构成，并且所述第三材料比所述第一材料更弱。
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