CN111350693A - 用于复合风扇叶片的预张紧和保持结构 - Google Patents

用于复合风扇叶片的预张紧和保持结构 Download PDF

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Abstract

一种用于推进设备的叶片，其包括由第一材料形成的本体。本体包括相对的压力侧和吸力侧，并在根部和尖端之间的翼展中延伸。本体在前缘和后缘之间的弦中延伸。张紧元件位于本体内，并在根部和尖端之间延伸。张紧元件包括至少一个弦，该至少一个弦被构造成处于张紧力下，使得根部和尖端之间的叶片的至少一部分处于压缩下。

Description

用于复合风扇叶片的预张紧和保持结构
技术领域
本发明涉及由复合材料形成的涡轮风扇叶片，以及用于加强和增强这种复合叶片的结构。
背景技术
典型的复合风扇叶片包括嵌入基质中的增强纤维(例如，环氧树脂中的碳纤维)。这样的复合风扇叶片通常具有脆性失效特性，使得相对于其他材料(诸如金属合金)的叶片，在低应变下会发生失效。
燃气涡轮发动机包括涡轮机械核心，该涡轮机械核心以串行流动关系具有高压压缩机，燃烧器和高压涡轮。核心以已知的方式可操作以产生推进气体的主流。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，并被构造为在正常操作状况期间清理罩。但是，在发动机的操作期间，风扇叶片的一部分可能会接触到罩而发生故障。结果，叶片可能断裂或分离成多个碎片。碎片可能会造成更多损坏。
因此，传统复合叶片的一个问题是它们易碎并且易于分离成碎片，并且当它们破碎成碎片时，碎片会围绕发动机松散地移动并造成更大的进一步损坏。
发明内容
通过提供包括“弦”(类似于线缆)的加强件来解决该问题，该“弦”由具有比叶片的基本复合材料更大的拉伸强度并且还具有延展性失效特性的材料制成。用于弦的合适材料包括某些类型的碳纤维，诸如钢的合金，或形状记忆合金(“SMA”)。因此，本发明提供了增强复合叶片，从而抑制了在故障期间产生的碎片，并减少可在发动机周围移动并造成损坏的碎片数量。
根据一个方面，一种用于推进设备的叶片，其包括由第一材料形成的本体。本体包括相对的压力侧和吸力侧，并在根部和尖端之间的翼弦中延伸。本体在前缘和后缘之间的弦中延伸。张紧元件位于本体内，并在根部和尖端之间延伸。张紧元件包括至少一个弦，该至少一个弦被构造成处于张紧力下，使得根部和尖端之间的叶片的至少一部分处于压缩下。
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图，示出了风扇叶片以及风扇毂和罩的一部分；
图3是根据本发明的风扇叶片的局部剖切立体图；
图4是根据本发明的另一实施例的风扇叶片的局部剖切立体图；
图5是根据本发明的又一实施例的风扇叶片的局部剖切立体图；
图6是根据本发明的一个实施例的张紧组件的立体图和局部剖切视图；
图7是包括动态弦的张紧组件的一部分的示意图；
图8是工件组合中的压缩元件的视图；
图9是各个压缩元件的单独视图和典型工件组合的视图；和
图10是布置成提供预定轮廓的压缩元件和工件组合的视图。
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示出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。
注意，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”指垂直于轴向方向的方向，并且“切向”或“周向”是指相互地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，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种原动机(诸如：热发动机，马达(例如，电动，液压或气动)或其组合(例如，电动混合动力传动系))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从轴28传递旋转能。高径向力可能导致机械熔断器29失效，因此使风扇12绕新的旋转轴线旋转。机械熔断器29被称为减载装置或LRD。
根据图2所示的实施例，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。叶片30由复合材料(诸如嵌入聚合物基质中的碳纤维)形成。
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，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，风扇壳体40可以由以下材料制成：金属，复合材料及其组合。
如图2所示，内壳体40包括一层薄薄的罩材料41，其定位在由风扇12的叶片30限定的叶片尖端路径附近。罩材料41由容纳结构43支撑。容纳结构43可以构造成蜂窝结构或其他沟槽填充材料，例如在传统风扇壳体40中发现的那些。
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。正是这个间隙，即径向间隙14，被最小化，以提高发动机10的效率。
现在参考图3，叶片30限定内部区域58，该内部区域58构造成接收张紧元件60。内部区域58可以是开放空间或空隙。替代地，内部区域58可以填充有可压缩材料。
张紧元件60构造成在根部33和尖端34之间的本体31的至少一部分内提供压缩。张紧元件60包括在第一端62和第二端72之间延伸的弦61。弦61构造成被置于张紧力下，并且作为示例而非限制，可以是以下之一：柔性元件(诸如线，弦，绳或导线，带子，柱，杆)，其他柔性硬质或半柔性元件，及其组合。弦61的第一端62连接到第一锚固元件64。第一锚固元件64定位在叶片30的尖端34附近并附接到叶片30，使得第一锚固元件相对于尖端34固定地定位。
弦61的第二端72连接到第二锚固元件74。第二锚固元件74固定地定位在根部33附近。如图6所示，第二锚固元件74包括张紧组件80。张紧组件80包括至少一个锚杆82和加强管84。锚杆82位于尖端34和连接到第一套圈89的板86之间。弦61穿过第一套圈89和板86。弦61被紧固第二套圈91捕获。紧固套圈91包括如本领域中已知的杆和螺纹构件，其被构造为通过将压缩传递到板86中并通过加强管84而将弦61置于张紧力下。以这种方式，叶片30的至少一部分被置于压缩下。
根据图3所示的实施例，张紧元件60可以包括如图所示的弦61。通常，张紧元件60将包括两个或更多个大致在叶片30的翼展方向上延伸的并行弦61。张紧元件60可以被认为是加强件。第二锚固元件74位于根部33附近的第二端72处，或张紧元件60的内侧端。第二锚固元件74被定位成使得其在大致弦向方向上取向。第二锚固元件74可以是金属的。弦61可以通过诸如模锻，套圈等的已知方法锚固。因此，锚固元件74用作附接弦61，在复合材料中分散载荷的装置，和/或用作施加预张紧载荷的工具。
在第一端62或外侧端处，各个弦可以与复合材料一起粘合/封装，或者可以提供各个锚固件(例如U型夹或套圈)，或者可以提供相似弦向锚固件。
加强弦61被预加载，这意味着加强弦61具有施加到其上的拉伸载荷，该拉伸载荷被传递到叶片30的结构(基本上在翼展方向上向叶片施加压缩应力)。
与预张紧相关联的许多益处包括但不限于以下各项：吸收冲击载荷，增加叶片的整体拉伸强度，在异物损坏的情况下保持叶片的碎片，以及在某些构造中作用为有效的“熔断器”。预加载可以用作“预张紧”或“后张紧”。如本文所用，术语“预张紧”是指在安装在叶片30内或叶片30围绕张紧元件60的堆积之前将张紧力施加到元件60的状况。如本文所用，术语“后张紧”是指在叶片30的构造之后将张紧力施加到元件60的状况。
通过描述其操作可以更好地理解本发明。在预张紧的情况下，提供适当的工具(例如夹子(未示出))，以将弦61置于张紧力下。然后将复合材料渗入/模制在加强件周围。
在后张紧的情况下，在将弦61制造到风扇叶片30的本体31中之后，将使用适当的工具向弦61施加拉伸载荷。在后张紧的情况下，期望避免叶片的基本形状的变形。提供压缩块475(如图8和9所示)。块475被模制到叶片的本体中。块475被构造成使得它们比周围的复合材料更刚性并且具有更大的强度，并且具有通过其形成的小孔477。小孔477被构造成容纳弦61。块475被组装成结构478。弦61被导向到块475中并且通过结构478。随后，可以在不使叶片30的本体变形的情况下向弦61施加张紧力。
现在参考图4，示出了替代实施例，其提供限定翼展区的张紧弦的构造。请注意，从以上与零系列内的参考数字相关联的相似元件的描述可以理解100系列内的参考数字。在该实施例中，提供了具有前缘138，后缘139，根部133和尖端134的叶片130。多个张紧弦161从锚固元件174延伸。每个张紧弦经由张紧套圈191附接到锚固元件174。这些张紧套圈191被构造成使得关联弦161并接收预定的张紧力。优选地，在一些实施例中，成对的弦161被设置为相似的张紧，第一对可具有第一张紧力，第二对可具有第二张紧力，并且第二张紧力不同于第一张紧力。
如图4所示，选定的弦161在不同的位置处结束，使得它们具有不同的长度。在这方面，叶片131包括多个区锚固件，该多个区锚固件定位在间隔开的各种最小化位置中，使得一些区锚固件比其他的更靠近尖端134。多个锚点包括：第一区锚固件197，其靠近尖端；第二区锚固件195，其位于根部133中的锚固件197之间；第三区锚固件193，其位于锚固件195和根部133之间；第四区锚固件192，其位于锚固件193和根部133之间。
应当理解，位于相邻区锚固件(例如第一区锚固件197和第二区锚固件195)之间的叶片131的区域，被延伸通过该区的张紧弦161压缩。应当理解，附接到第一区锚固件197的弦可以被认为是第一弦，同样地，附接到第二区锚固件195的弦可以被认为是第二弦。如图4所示，每个区具有延伸通过其的不同数量的张紧弦161。因此，叶片131的一部分和每个区具有与叶片131的其他部分不同的压缩。以这种方式，限定了具有不同张紧和不同结果压缩的翼展区。
第一，第二，第三和第四区可具有不同的预加载以匹配叶片131上的不同预期载荷。此外，它们提供了在异物损坏(而不是突然失效或作为一个整体被释放)的情况下叶片131可能以小增量失效(释放材料)的边界。
现在参考图5，示出了另一替代实施例，其中张紧弦以不同角度延伸。请注意，从以上与零系列内的参考数字相关联的相似元件的描述可以理解与200系列内的参考数字相关联的元件。在该实施例中，提供了具有前缘238，后缘239，根部233和尖端234的叶片230。多个张紧弦261从锚固元件274延伸。如上所述，每个张紧弦261附接到锚固元件274。根据该实施例，张紧弦261可以相对于锚固件274和区锚固件292、293、295和297以各种角度取向。
现在参考图7，示出了另一替代实施例，其中张紧弦被构造为响应于信号变化(诸如温度变化或电特性变化)而改变张紧力。以这种方式，叶片30内的张紧力可以响应于环境状况(诸如温度)的变化而改变。此外，叶片30可以构造成响应于信号(诸如计算机提供的电信号)而改变张紧力。因此，叶片30中的张紧力可以受到闭环控制。
请注意，从以上与零系列内的相似参考数字相关联的相似元件的描述可以理解与300系列内的参考数字相关联的元件。提供了可变张紧元件391，并且该可变张紧元件391附接在两个锚固元件364和374之间。多个张紧弦361附接到锚固元件364和374，并且分别延伸到尖端和根部。可变张紧元件391附接在锚固元件364和374之间。可变张紧元件延伸通过盖管365。
可变张紧元件391被构造成使得当其暴露于预定信号或输入的变化时可变张紧元件391的张紧力改变。结果，该张紧力的变化经由锚固元件364和374被传递到弦361，使得弦361的张紧力变化。作为示例而非限制，输入可以是以下之一：温度，电特性，电流，电压及其组合。可以经由电信号393从控制器(诸如中央处理器)传输输入。应当理解，关于附接到锚固元件364的张紧元件361中的张紧力的数据可以经由合适设备(诸如锚固元件364处的载荷传感器)来测量，并经由电信号393传输到控制器。以这种方式，可以实施张紧元件361的闭环控制。
前述描述了一种设备，即风扇叶片，其包括张紧元件，该张紧元件构造成在正常操作状况下提供足够的操作强度，并通过严重的失效来保持碎片。被构造为预张紧或后张紧的风扇叶片的优点在于，该叶片可以比常规叶片更轻和更坚固。
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普通系列等同或相似特征的一个示例。
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：
1.一种用于推进设备的叶片，包括：本体，所述本体由复合材料形成，并且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翼展中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸；空隙，所述空隙限定在所述本体内并位于所述根部和所述尖端之间，并且张紧元件位于所述空隙内；并且其中，所述张紧元件包括第一弦，所述第一弦构造成处于第一张紧力下，使得所述根部和所述尖端之间的所述叶片的至少一部分处于压缩下。
2.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，所述叶片包括：第二弦，并且所述第二弦具有第二张紧力。
3.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
4.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力基本上等于所述第二张紧力。
5.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中包括第一多个弦的第一区位于所述叶片本体内，并且包括第二多个弦的第二区位于所述叶片本体内，并且所述第一弦位于所述第一区中，并且所述第二弦位于所述第二区中，其中所述第一多个弦各自处于与所述第一弦基本上相同的张紧力下，并且所述第二多个弦各自处于与所述第二弦基本上相同的张紧力下。
6.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一区位于所述根部与所述第二区之间。
7.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
8.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一区和所述第二区定位成距所述根部相同的距离，并且在翼展上是并排的。
9.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中包括第三多个弦的第三区位于所述第一区和所述第二区的外侧，并且所述第三多个弦处于第三张紧力下，所述第三张紧力不同于所述第一张紧力和所述第二张紧力。
10.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第二弦构造成使得所述第二张紧力响应于输入而具有第一值，并且响应于所述输入的变化而具有第二值。
11.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述输入是以下之一：温度和电特性。
12.一种燃气涡轮发动机设备，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翼展中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸；所述翼型件本体由复合材料形成并限定空隙；张紧元件，所述张紧元件位于所述空隙内并在所述根部附近和所述尖端附近之间延伸；并且其中，所述张紧元件包括第一弦，所述第一弦构造成处于第一张紧力下，使得所述根部和所述尖端之间的所述叶片的至少一部分处于压缩下。
13.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，所述叶片包括：第二弦，并且所述第二弦具有第二张紧力。
14.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
15.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力基本上等于所述第二张紧力。
16.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中包括第一多个弦的第一区位于所述叶片本体内，并且包括第二多个弦的第二区位于所述叶片本体内，并且所述第一弦位于所述第一区中，并且所述第二弦位于所述第二区中，其中所述第一多个弦各自处于与所述第一弦基本上相同的张紧力下，并且所述第二多个弦各自处于与所述第二弦基本上相同的张紧力下。
17.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一区位于所述根部与所述第二区之间。
18.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
19.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述第二弦构造成使得所述第二张紧力响应于输入而具有第一值，并且响应于所述输入的变化而具有第二值，并且该变化引起所述第一张紧力的变化。
20.根据任何在前条项的用于推进设备的叶片，其中所述输入是以下之一：温度和电流。

Claims (10)

1.一种用于推进设备的叶片，其特征在于，包括：
本体，所述本体由复合材料形成，并且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翼展中延伸，并且在前缘和后缘之间的弦中延伸；
空隙，所述空隙限定在所述本体内并位于所述根部和所述尖端之间，并且张紧元件位于所述空隙内；并且
其中，所述张紧元件包括第一弦，所述第一弦构造成处于第一张紧力下，使得所述根部和所述尖端之间的所述叶片的至少一部分处于压缩下。
2.根据权利要求1所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，所述叶片包括：
第二弦，并且所述第二弦具有第二张紧力。
3.根据权利要求2所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
4.根据权利要求2所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第一张紧力基本上等于所述第二张紧力。
5.根据权利要求2所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中包括第一多个弦的第一区位于所述叶片本体内，并且包括第二多个弦的第二区位于所述叶片本体内，并且所述第一弦位于所述第一区中，并且所述第二弦位于所述第二区中，其中所述第一多个弦各自处于与所述第一弦基本上相同的张紧力下，并且所述第二多个弦各自处于与所述第二弦基本上相同的张紧力下。
6.根据权利要求5所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第一区位于所述根部与所述第二区之间。
7.根据权利要求6所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第一张紧力大于所述第二张紧力。
8.根据权利要求5所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第一区和所述第二区定位成距所述根部相同的距离，并且在翼展上是并排的。
9.根据权利要求8所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中包括第三多个弦的第三区位于所述第一区和所述第二区的外侧，并且所述第三多个弦处于第三张紧力下，所述第三张紧力不同于所述第一张紧力和所述第二张紧力。
10.根据权利要求2所述的用于推进设备的叶片，其特征在于，其中所述第二弦构造成使得所述第二张紧力响应于输入而具有第一值，并且响应于所述输入的变化而具有第二值。
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