CN112189079A - 用于保护叶片免受冲击的包括芳族聚酰胺纤维的织物 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于涡轮机的风扇叶片(1)，包括：前缘(4)和吸力壁(6)，结构防护罩(10)，所述防护罩(10)被附接并固定至所述叶片(1)的前缘(4)并且包括附接至所述吸力壁(6)的吸力鳍片(11)，以及包括芳族聚酰胺纤维的织物(20)，所述织物被附接并固定至所述风扇叶片(1)的吸力壁(6)上，以使所述织物(20)在所述防护罩(10)的吸力鳍片(11)的外延部分中延伸，而不覆盖所述吸力鳍片(11)。

Description

用于保护叶片免受冲击的包括芳族聚酰胺纤维的织物

技术领域

本发明总体上涉及涡轮机领域，更具体地涉及这些涡轮机的风扇叶片及其制造方法。

本发明更具体地适用于由复合材料或金属材料制成的风扇叶片，并且其前缘包括金属结构防护罩。

背景技术

涡轮机的风扇叶片具有空气动力学表面、前缘、后缘以及连接前缘和后缘的压力侧壁和吸力侧壁。

涡轮机叶片，特别是风扇叶片，承受很大的机械应力和热应力，并且必须满足严格的重量和空间要求。因此，已经提出使用具有由聚合物基质致密化的纤维增强材料的复合材料叶片，这样的叶片比具有等效推进性能的金属叶片更轻并且具有令人满意的耐热性。

在发动机的认证和使用寿命期间，风扇叶片容易吞没鸟。因此，在叶片设计阶段对风扇叶片的机械性能进行优化，以符合认证规则。

如文献EP1908919中所述，已知的是，由复合材料制成的涡轮机的风扇叶片配备有金属结构防护罩，该金属结构防护罩在叶片的整个高度上延伸并且超过其前缘，并且包括配置成抵靠在叶片的压力表面和吸力表面上的鳍片。这样的防护罩确实在异物撞击风扇(例如鸟、冰雹或石头)时保护了复合材料叶片。尤其是，金属防护罩可保护叶片的前缘，避免由于纤维/基质脱粘而造成的分层、纤维断裂或损坏的风险。通过使前缘变薄，该防护罩进一步有助于叶片的刚性，这对于冲击时的频率和偏转方面以及叶片的空气动力学尤其是必需的。

那么，防护罩遵循叶片的前缘形状并且在后缘的方向上延伸，以便在叶片的脚部和尖端之间遵循叶片的压力表面和吸力表面的轮廓。以已知的方式，防护罩可以是金属部件，特别是钛质的，并且通常通过铣削例如材料块制成。

在与给定物体(尤其是鸟类)撞击时，该物体在吸力表面上显著滑动。常规地，因此调整防护罩的鳍片长度，尤其是吸力鳍片的长度，以使这些鳍片完全覆盖可能受到物体撞击的叶片部分(考虑可能会撞击风扇叶片的物体的尺寸、重量等)。然而，在风扇具有高转速且叶片数量减少的涡轮机上，与转速高和叶片数量大的风扇的情况相比，物体的撞击发生在更长的弦长上。具体地，随着风扇速度和风扇叶片数量的减少，要保护其免遭撞击的风扇叶片的轴向长度增加。

为了保护复合材料叶片，因此有必要显著增加防护罩的吸力鳍片的轴向长度(长至叶片弦的一半)。然而，由于质量(mass)、制造复杂性等原因，这种增加是不希望的或不可行的。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种用于在吞没异物时保护由复合材料制成的旋转部件(特别是风扇)的叶片，而不会折损旋转部件的质量或其空气动力学的解决方案。

为此，本发明提供一种用于涡轮机的旋转部件的叶片，特别是用于涡轮机的风扇的叶片，该叶片包括：

前缘和吸力壁，

结构防护罩，所述防护罩被附接并固定至叶片的前缘，并且包括固定在吸力壁上的吸力鳍片，和

包括芳族聚酰胺纤维的织物，所述织物被附接并固定至叶片的吸力壁上，以使所述织物在防护罩的吸力鳍片的外延部分中延伸而不覆盖所述吸力鳍片。

上述叶片的某些优选但非限制性的特征如下，单独或组合使用：

所述织物包括二维织物；

所述织物被防护罩的吸气鳍片部分地覆盖；

所述织物邻接防护罩的吸气鳍片，但不与所述防护罩重叠；

叶片的空气动力学表面具有主延伸方向和高度，该主延伸方向限定叶片的纵向轴线，该纵向轴线基本径向于旋转部件的旋转轴线，并且该高度对应于空气动力学表面的下限与叶片的尖端之间的距离，所述织物仅在所述高度的一部分上覆盖该空气动力学表面；

空气动力学表面在吸力壁上有一部分表面没有织物，所述一部分表面与空气动力学表面的下限相邻；

所述织物最多覆盖叶片高度的70％；

在叶片的包括织物的那些区域中，由防护罩和该织物形成的组件的轴向长度为叶片轴向长度的20％至50％，其中，该组件的轴向长度和叶片的轴向长度对应于平行于旋转部件的旋转轴线的方向上的曲线长度；

叶片由复合材料制成，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强材料，该纤维增强材料可以由纤维预成型件形成，该纤维预成型件通过厚度渐变的三维编织获得；和/或

叶片还包括防腐蚀膜，例如包括聚氨酯的膜，所述防腐蚀膜被附接并固定至叶片的吸力壁，以在所述织物的外延部分中延伸而不覆盖所述织物。

根据第二方面，本发明还提供了一种用于涡轮机的风扇，该风扇包括如上所述的至少一个叶片。

附图说明

通过阅读以下的详细说明，并参照以非限制性示例的方式给出的附图，本发明的其他特征、目的和优点将变得更加明晰。

图1是现有技术的具有结构防护罩的叶片的侧视图。

图2是根据本发明的具有结构防护罩的叶片的一实施例的侧视图，其中织物邻接防护罩的吸气鳍片。

图3是根据本发明的具有结构防护罩的叶片的一实施例的侧视图，其中织物被防护罩的吸气鳍片部分地覆盖。

具体实施方式

以下，将以风扇叶片为例更具体地描述本发明。然而，应当理解，本发明在进行适当修改后适用于涡轮机的任何旋转部件的叶片。

以本身已知的方式，根据本发明的风扇叶片1具有空气动力学表面2，该空气动力学表面具有在叶片脚部1和叶片尖端1之间沿纵向轴线X延伸的主方向。叶片1具有前缘4、后缘5，压力壁6和吸力壁7。前缘4构造成在进入涡轮机的气流的前方延伸。它对应于空气动力学轮廓的面向气流的前部，并将气流分为下部气流和吸力表面流。相应地，后缘5对应于空气动力学轮廓的后部，在此处，上部气流和压力表面气流相遇。

在图2和图3中仅示出了吸力壁6。

叶片1的空气动力学表面2具有主延伸方向，该主延伸方向限定了叶片1的纵向轴线X，该纵向轴线X基本径向于风扇的旋转轴线Y。空气动力学表面2还具有高度h，其对应于在前缘4和下限3的相交处的空气动力学表面2的下限3与叶片1的尖端之间的距离。

叶片1可以由复合材料制成，该复合材料包括被聚合物基质致密化的纤维增强材料。

该纤维增强材料可以由纤维预成型件形成，该纤维预成型件通过厚度渐变的三维编织来获得。它可以包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和/或陶瓷纤维。相应地，该基质通常是聚合物基质，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。

然后，使用树脂传递模塑(RTM)或真空树脂传递模塑(VARRTM)类型的真空树脂注射工艺进行模制来形成叶片1。

叶片1还包括结构防护罩10，该结构防护罩附接并固定至其前缘4。

防护罩10是一体式部件，包括基本V形的截面，其具有构造成沿着叶片1的前缘4延伸的基部，以及构造成分别遵照叶片1的压力表面6和吸力壁7的压力鳍片11和吸力鳍片。鳍片可以朝着叶片1的后缘5逐渐变细或变薄。

防护罩10在叶片1的空气动力学表面2的整个高度上延伸。常规地，当叶片1组装到风扇中时，气流的径向内部由叶片间平台界定(在图2和图3中以阴影线示出)。叶片1的空气动力学表面区域2于是对应于在叶片1的尖端与在其脚部的任一侧上的叶片间平台之间延伸的叶片1的表面区域。而且，叶片1的空气动力学表面2的下限3对应于叶片1和翼间平台之间的相交处。

如图2所示，防护罩10遵照叶片1的前缘4的形状，其延伸以形成新的前缘12，称为防护罩10的前缘12。因此，防护罩10在前缘4处形成了叶片1的空气动力学轮廓。

叶片1的防护罩10通常是金属的，例如钛，以赋予针对可能的冲击的高能量吸收能力。

防护罩10和叶片1是分开制造的。然后将防护罩10附接至叶片1的前缘4，并通过例如氰基丙烯酸或环氧胶粘合而固定到其上。为此，防护罩10具有适合于叶片1的前缘4的圆形形状的内部轮廓，与所述前缘4接触或不接触。如果需要的话，叶片1的上壁6和下壁7可布设有线路，以方便防护罩10的组装。

为了保护风扇叶片1而不折损其质量或空气动力学，将包括芳族聚酰胺纤维的织物20附接并固定在其吸力壁6上，使该织物20在防护罩10的吸力鳍片11的外延部分中延伸，而不覆盖所述鳍片。因此，在与物体碰撞期间，该物体在织物20上滑动而不会损坏其上附接有织物20的叶片1的壁。

优选地，所述织物20仅附接至吸力壁6。申请人确实注意到压力壁7不易受到撞击的事实，因此由防护罩10提供的保护足以防止其在受到撞击时损坏。

织物20包括涂覆有聚合物树脂的芳族聚酰胺纤维。因此，在发生碰撞时织物20改善了叶片1的机械性能。实际上，芳族聚酰胺纤维及其与聚合物树脂的界面的吸收能高于叶片1的复合材料的吸收能。而且，织物20能够使对叶片1的壁的破坏在比撞击表面更大的区域上扩散。

因此，织物20用作叶片1的复合材料的额外保护，作为防护罩10的补充或者是局部和部分的替代，而不会折损叶片1的质量。由于使用芳族聚酰胺纤维，所以织物20的质量(mass)确实非常低。因此，由此获得的叶片1的质量明显小于如果防护罩10已经延伸至覆盖与织物20所占据的表面相同的表面的情况。而且，这种织物20的使用对叶片1在操作中的性能或空气动力学形状没有影响，因此不需要调整其尺寸。

有利地，芳族聚酰胺纤维还提供抗侵蚀保护。然而，常规来讲，通过在叶片1的整个表面上施加防腐蚀膜30来获得这种保护。典型地，防腐蚀膜30可以包括聚氨酯。

因此，在一种实施方式中，叶片1的施加有织物20的区域没有防腐蚀膜30。那么，防腐蚀膜30邻接织物20，即，它们在彼此的外延部分中延伸而没有重叠，但是没有留下即没有防腐蚀膜30又没有织物20的任何空间。因此，叶片1的整个表面被防腐蚀膜30或织物20覆盖。

织物20具体可以包括二维织物。这样，二维织物的股线的纤维根数(titre)较低(例如，每股线中的纤维数量等于8k，相当于每股线8000根纤维，如果可能的话，可以通过将该值设置为3k(每股线3000根纤维)来低于8k)，这限制了织物20的表面起伏。有利地，其上施加有由芳族聚酰胺纤维制成的织物20的叶片1的区域比叶片1的其余区域起伏少，叶片的该其余区域在施加防腐蚀膜30之前没有施加芳族聚酰胺纤维织物。

芳族聚酰胺纤维具体可以包括聚对苯二甲酰对苯二胺(PPD-T，以Kevlar品牌已知)纤维。

织物20可以以与防护罩10的吸气鳍片11(图2)邻接的方式施加，而不与防护罩10重叠，或者以被防护罩10的吸气鳍片11部分地覆盖的方式施加(图3)。

为此，在注射基质之前，可以将织物20抵靠在纤维预成型件上，该纤维预成型件用于在注射模具中形成叶片1。替代地，织物20可以在注射基质之后例如通过胶粘附接到叶片1上。

在一种实施方式中，织物20仅在空气动力学表面2的高度h的一部分上覆盖该空气动力学表面2。优选地，空气动力学表面2在吸力壁6上有一部分表面没有织物20。例如，在风扇叶片1转速降低的情况下，没有织物20的该一部分表面与空气动力学表面2的下限3相邻。的确，申请人注意到，来自物体(特别是鸟类)的撞击并未使超出防护罩10的叶片1在叶片1的该部分中退化。

通常，织物20最多覆盖空气动力学表面2的高度的70％，而不覆盖空气动力学表面2的下部(如图2和图3中的示例所示)。

织物20的形状和尺寸可以根据以下参数来确定，这些参数可以单独或组合考虑：

风扇的转速，

风扇的叶片1的数量，

叶片1间的间距，

叶片1的三维形状。

尤其是，

风扇的速度越低，

风扇叶片1的数量越少，和/或

叶片1间的间距越大，

由吸力鳍片11和织物20形成的组件的面积应该更大。

优选地，组合考虑这四个参数来确定织物20的形状和尺寸。

例如，对于转速降低和叶片1的数量减少的风扇叶片1，在提供有织物20的空气动力学表面2的高度h的任何点上，由吸力鳍片11和织物20形成的组件的轴向长度l2为叶片1的轴向长度l1的20％至50％。

如本文中所使用的，由吸力鳍片11和织物20形成的组件的轴向长度l2定义为在平行于风扇的旋转轴线Y的方向上所述组件在防护罩10的前缘4和该织物20的下游边缘21之间的曲线长度。织物20的下游边缘21在这里对应于织物20的最靠近叶片1的后缘5的边缘，与最靠近叶片1的前缘4的上游边缘22相反。

如本文中所使用的，叶片1的轴向长度l1定义为在与风扇的旋转轴线平行的方向上在叶片1的前缘4和后缘5之间的内壁6的曲线长度。

当然，由防护罩10和织物20形成的组件的轴向长度l2和叶片1的轴向长度l1在叶片1的空气动力学表面2的下限3和叶片1的尖端之间变化。

织物20和吸力鳍片11的尺寸和形状也可以被优化。具体地，防护罩10与织物20相比代表了很大的质量，但是赋予了风扇叶片1必要的刚性，尤其在频率和撞击偏转方面。因此，尽管固定了织物20，仍需要保持吸气鳍片11。但是其尺寸和形状可以被调整从而减小风扇叶片1的质量。

最后，织物20可以沿着空气动力学表面2连续地延伸。或者，织物20可以是不连续的，并且包括织物20的若干不相连的部分。

Claims (11)

1.一种用于涡轮机的旋转部件的叶片(1)，特别是用于涡轮机的风扇的叶片，包括：

前缘(4)和吸力壁(6)，以及

结构防护罩(10)，所述防护罩(10)被附接并固定至所述叶片(1)的前缘(4)，并且包括固定至所述吸力壁(6)的吸力鳍片(11)，

所述叶片(1)的特征在于，所述叶片还包括织物(20)，所述织物包括芳族聚酰胺纤维，所述织物(20)被附接并固定至所述叶片(1)的吸力壁(6)上，以使所述织物(20)在所述防护罩(10)的吸力鳍片(11)的外延部分中延伸，而不覆盖所述吸力鳍片(11)。

2.根据权利要求1所述的叶片(1)，其中，所述织物(20)包括二维织物。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的叶片(1)，其中，所述织物(20)被所述防护罩(10)的吸力鳍片(11)部分地覆盖。

4.根据权利要求1或2中任一项所述的叶片(1)，其中，所述织物(20)邻接所述防护罩(10)的吸力表面(11)，而不与所述防护罩(10)重叠。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，其中，所述叶片(1)的空气动力学表面(2)具有主延伸方向和高度(h)，该主延伸方向限定了所述叶片(1)的纵向轴线(X)，该纵向轴线基本上径向于所述旋转部件的旋转轴线(Y)，所述高度(h)对应于所述空气动力学表面(2)的下限(3)和叶片(1)的尖端之间的距离，所述织物(20)仅在所述高度(h)的一部分上覆盖所述空气动力学表面(2)。

6.根据权利要求5所述的叶片(1)，其中，所述空气动力学表面(2)在所述吸力壁(6)上有一部分表面没有所述织物(20)，所述一部分表面与所述空气动力学表面(2)的下限(3)相邻。

7.根据权利要求5或6中任一项所述的叶片(1)，其中，所述织物(20)覆盖不超过所述叶片(1)的高度(h)的70％。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的叶片(1)，其中，在所述叶片(1)包括织物(20)的区域中，由所述防护罩(10)和所述织物(20)形成的组件的轴向长度(l2)为所述叶片(1)轴向长度(l1)的20％至50％，其中，所述组件的轴向长度(l2)和所述叶片(1)的轴向长度(l1)对应于平行于所述旋转部件的旋转轴线(Y)的方向上的曲线长度。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的叶片(1)，还包括防腐蚀膜(30)，例如包括聚氨酯的膜，所述防腐蚀膜(30)被附接并固定至所述叶片(1)的吸力壁(6)，以在所述织物(20)的外延部分中延伸而不覆盖所述织物(20)。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的叶片(1)，所述叶片(1)由复合材料制成，所述复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强材料，所述纤维增强材料能够由纤维预制件形成，所述纤维预制件是通过厚度渐变的三维编织获得的。

11.一种用于涡轮机的风扇，其特征在于，所述风扇包括至少一个根据权利要求1至10中任一项所述的叶片(1)。

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