CN112460075B - 一种复合材料可调静子叶片 - Google Patents

Abstract

本申请属于发动机维护设备设计技术领域，特别涉及一种复合材料可调静子叶片，包括上、下轴颈；上、下缘板；叶身；另外，叶片分为中心层板区、中心填充区、增强层板区以及型面构造区，中心层板区、增强层板区由复合材料预浸料铺成的层合板构成，中心填充区由复合材料预浸料构成，型面构造区由树脂或覆盖其表面的单层预浸料构成；中心层板区和中心填充区组成叶片的核心承力区，增强层板区位于核心承力区两侧，型面构造区用于保证复合材料可调静子叶片外形光顺。本申请的复合材料可调静子叶片，有效解决复合材料可调静子叶片的设计可行性及工程化问题，以及叶片构型复杂、铺层难以实现的问题，并提高了其抗气动弯矩和气动扭矩的能力。

Description

一种复合材料可调静子叶片

技术领域

本申请属于发动机维护设备设计技术领域，特别涉及一种复合材料可调静子叶片。

背景技术

树脂基复合材料叶片广泛应用于航空发动机，国外对复合材料开展了大量的研究，目前复合材料叶片已应用于GE90、GEnx、TRENT1000、 TRENTXWB及LEAP-X等多款发动机上。与钛合金叶片相比，复合材料风扇叶片具有重量轻、效率高、噪声低的特点，具有更优异的抗颤振性能和损伤容限能力，同时抗鸟撞性能也能满足适航需求。

目前树脂基复合材料主要应用于外涵机匣、风扇转子叶片、静子扇形段（不可调）等航空发动机构件，这些结构件具有结构尺寸较大，复合材料铺层方向一致性好、结构功能较为单一、转接结构简单等特点。

但是，对于压气机/风扇可调静子叶片来说，其结构构型复杂、复合材料铺层方向变化剧烈、承载以及使用条件较外涵机匣、风扇转子叶片以及静子扇形段更为复杂。

而已有的复合材料发动机构件结构形式很难满足压气机可调静子叶片的强度要求和使用需求，难以应用于可调静子叶片设计中，其主要表现为：

1、目前技术很难满足可调静子叶片轴颈-缘板-叶身之间厚度及几何构型的复杂且剧烈变化；

2、已有的“T型”（或近似“T型”）连接结构无法满足可调叶片的几何构型需求；

3、由于可调静子叶片的受力情况复杂，现有技术及在此基础上的改进技术无法满足其强度需求。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种复合材料可调静子叶片。

本申请公开了一种复合材料可调静子叶片，包括上轴颈、上缘板、叶身、下缘板以及下轴颈，所述复合材料可调静子叶片从截面结构上分为中心层板区、中心填充区、增强层板区以及型面构造区，其中

中心层板区、增强层板区均由复合材料预浸料铺成的层合板构成，中心填充区由复合材料预浸料构成，型面构造区由树脂或覆盖其表面的单层预浸料构成；以及

中心层板区以及中心填充区组成了复合材料可调静子叶片的核心承力区，以承担气动弯矩和气动扭矩；以及

增强层板区位于核心承力区两侧，辅助核心承力区承担气动力矩，且增强层板区的层合板根据可调静子叶片的外形需求，调整铺层的层数以及各层预浸料的形状；以及

型面构造区位于最外层，用于保证复合材料可调静子叶片外形光顺，同时保护层板区域避免层间分离。

根据本申请的至少一个实施方式，所述核心承力区包括：

核心层合板，由所述上轴颈顶部向所述下轴颈底部方向延伸；

截面呈直角弯折状的左上翼层合板和右上翼层合板，且左上翼层合板的竖直面板与右上翼层合板的竖直面板分别贴合在核心层合板顶部的左右两侧面上；

截面呈U字形的左叶身层合板和右叶身层合板，分别以U字形开口相背的方式设置在核心层合板中间位置的左右两侧，其中，左叶身层合板顶部的水平面板与左上翼层合板的水平面板贴合，右叶身层合板顶部的水平面板与右上翼层合板的水平面板贴合，另外，左叶身层合板的竖直面板与右叶身层合板的竖直面板分别贴合在核心层合板中部的左右两侧面上；

截面呈直角弯折状的左下翼层合板和右下翼层合板，且左下翼层合板的竖直面板与右下翼层合板的竖直面板分别贴合在核心层合板底部的左右两侧面上，另外，左叶身层合板底部的水平面板与左下翼层合板的水平面板贴合，右叶身层合板底部的水平面板与右下翼层合板的水平面板贴合；

所述中心填充区设置在：

左上翼层合板、左叶身层合板以及核心层合板之间交汇连接处的空隙处；以及

右上翼层合板、右叶身层合板以及核心层合板之间交汇连接处的空隙处；以及

左下翼层合板、左叶身层合板以及核心层合板之间交汇连接处的空隙处；以及

右下翼层合板、右叶身层合板以及核心层合板之间交汇连接处的空隙处。

根据本申请的至少一个实施方式，所述复合材料预浸料铺成的层合板中，位于同一水平面且相互垂直的X方向、Y方向分别是层合板的延展方向，与X、Y方向构成平面垂直的Z方向为层合板的积叠方向，定义X方向、Y方向构成的面为延展面，Z方向与X方向以及Z方向与Y方向构成的面为积叠面；

其中，在左上翼层合板、右上翼层合板、左下翼层合板以及右下翼层合板中，延展面是沿直角形状延伸；

在核心层合板中，延展面是沿上轴颈到下轴颈的轴线方向延伸；

在左叶身层合板和右叶身层合板中，延展面是沿U字形延伸。

本申请至少存在以下有益技术效果：

本申请的复合材料可调静子叶片，有效解决复合材料可调静子叶片的设计可行性及工程化问题，以及解决复合材料可调静子叶片构型复杂、铺层难以实现的问题，并提高了其抗气动弯矩和气动扭矩的能力。

附图说明

图1是本申请复合材料可调静子叶片的正视图；

图2是本申请复合材料可调静子叶片的剖视图（正视图中心线剖）；

图3是图2中A放大示意图；

图4 是本申请复合材料可调静子叶片中复合材料方向说明示意图；

图5是本申请复合材料可调静子叶片的正视图（为展示延展面和积叠面）；

图6 是图5中A-A剖视图；

图7 是图5中C向示意图；

图8是图5中B-B剖视图；

图9是可调静子叶片工作条件下约束和受力情况示意图；

图10本申请复合材料可调静子叶片核心承力区结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。

需要理解的是，在本申请的描述中可能涉及到的技术术语，例如“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

本申请提供了一种铺层形式的复合材料可调导流叶片结构形式，该结构形式在兼顾叶片气动造型、结构功能以及刚度、强度需求的同时，有效地解决了可调静子外形变化剧烈与复合材料层合板构件外形变化要求平缓之间的矛盾。

下面结合附图1-图10对本申请的复合材料可调静子叶片做进一步详细说明。

本申请可调静子结构特点、功能及受力情况说明：

图1-图3为压气机可调静子叶片正视图和剖视图，该叶片主要由上轴颈11、上缘板12、叶身13、下轴颈15、下缘板14等部分组成。上轴颈11用于约束叶片在发动机径向、周向以及轴向的位置，下轴颈15起到辅助定位的作用。在压气机工作过程中可调静子叶片叶身13受到气动弯矩作用，并随着压气机气动状态的变化，叶片可以沿上、下轴颈中心线进行旋转，以适应进气攻角的需要。在调节过程中，可调静子叶片的连接结构在承受气动弯矩作用的同时，也承受不同程度气动扭矩作用。

复合材料方向说明：

连续纤维增加复合材料是典型的各项异性材料。因此，在描述该复合材料构件之前，需对其方向进行指定和说明。图4为复合材料层合板示意图，X方向、Y方向分别是复合材料铺层的延展方向，Z方向为复合材料铺层的积叠方向。为方便描述，定义X方向-Y方向构成的面为延展面，Z方向-X方向、Z方向-Y方向构成的面为积叠面。

本申请可调静子叶片结构说明：

图5-图8为本发明可调静子叶片的示意图，所述复合材料可调静子叶片从截面结构上分为：中心层板区31、中心填充区208、增强层板区32以及型面构造区33。中心层板区31、增强层板区32均由复合材料预浸料铺成的层合板构成。中心填充区208由复合材料预浸料构成，并可以根据需要进行卷叠。型面构造区33由树脂或覆盖其表面的单层预浸料构成。

其中，中心层板区31以及中心填充区208组成了复合材料可调静子叶片的核心承力区，主要承担气动弯矩和气动扭矩的作用。增强层板区32位于核心层板区两侧，辅助核心承力区承担气动力矩的作用。与此同时，增强层板区32的层合板根据可调静子叶片的外形需求，调整铺层的层数以及各层预浸料的形状。型面构造区33主要作用是保证可调静子叶片外形光顺，同时保护层板区域避免层间分离。

需要说明的是，由于可调静子叶片叶身及与其相邻结构的厚度变化较大，相同铺层数目的层合板无法满足其结构外形的需求。本申请中，如图6所示，通过增强层板区32中各单层板（预浸料）的形状变化及积叠层数目的变化构成可调静子叶片表面的基本轮廓构型。根据可调静子叶片的受力情况，具体设计增强层板区32内层合板铺层的方向，以起到提高强度的作用。

另外，型面构造区33使可调静子叶片表面光顺满足其气动性能的需求，与此同时型面构造区的树脂或单层预浸料覆盖在层合板积叠面的外侧，加强了层合板的层间强度，降低了层间损伤的可能。

进一步，图9给出可调静子叶片在工作时的边界约束及所受气动弯矩、扭矩情况。其上轴颈受到上轴颈柱面轴向和径向的约束，上缘板端面受到法向上的约束，下轴颈受到下轴颈径向的约束。在该约束和受力情况下，可调静子叶片的上缘板与叶身的连接位置承受较为剧烈的弯曲和扭转作用，而在弯曲和扭转的作用下复合材料构件易产生层间分离及相关损伤等强度问题。

因此，为保证复合材料可调静子的强度，本申请设计有核心承力区（即中心层板区31以及中心填充区208）。图10为本申请复合材料可调静子叶片核心承力区结构示意图，其截面呈“艹”形。

具体的，核心承力区包括核心层合板201、左上翼层合板202、右上翼层合板203、左叶身层合板204、右叶身层合板205、左下翼层合板206、右下翼层合板207以及中心填充区208。

其中，核心层合板201，由上轴颈11顶部向下轴颈15底部方向延伸；

截面呈直角弯折状的左上翼层合板202和右上翼层合板203，且左上翼层合板202的竖直面板与右上翼层合板203的竖直面板分别贴合在核心层合板201顶部的左右两侧面上；

截面呈U字形的左叶身层合板204和右叶身层合板205，分别以U字形开口相背的方式设置在核心层合板201中间位置的左右两侧，其中，左叶身层合板204顶部的水平面板与左上翼层合板202的水平面板贴合，右叶身层合板205顶部的水平面板与右上翼层合板203的水平面板贴合，另外，左叶身层合板204的竖直面板与右叶身层合板205的竖直面板分别贴合在核心层合板201中部的左右两侧面上；

截面呈直角弯折状的左下翼层合板206和右下翼层合板207，且左下翼层合板206的竖直面板与右下翼层合板207的竖直面板分别贴合在核心层合板201底部的左右两侧面上，另外，左叶身层合板204底部的水平面板与左下翼层合板206的水平面板贴合，右叶身层合板205底部的水平面板与右下翼层合板207的水平面板贴合；

另外，如图10所示，中心填充区208设置在：

左上翼层合板202、左叶身层合板204以及核心层合板201之间交汇连接处的空隙处；以及右上翼层合板203、右叶身层合板205以及核心层合板201之间交汇连接处的空隙处；以及左下翼层合板206、左叶身层合板204以及核心层合板201之间交汇连接处的空隙处；以及右下翼层合板207、右叶身层合板205以及核心层合板201之间交汇连接处的空隙处。

进一步，参见图 5-图8，结合上述复合材料方向说明可知，在左上翼层合板202、右上翼层合板203、左下翼层合板206以及右下翼层合板207中，延展面是沿直角形状延伸；在核心层合板201中，延展面是沿上轴颈11到下轴颈15的轴线方向延伸；在左叶身层合板204和右叶身层合板205中，延展面是沿U字形延伸；积叠面为对应的侧面，此次不再赘述。

综上，可调静子叶片在气动弯矩的作用下叶片盆侧受拉应力作用，背侧受压应力作用，并且在上缘板与叶身的连接处尤为显著。本申请复合材料可调静子叶片中，可以通过设计左叶身层合板、右叶身层合板的铺层纤维方向，分别提高两侧的抗拉强度和抗压强度，进而提高该可调静子叶片抵抗气动弯矩的能力。

另外，本申请复合材料可调静子叶片中，轴颈、缘板以及叶身之间以呈“十”字形（参见图10）的复合材料结构进行连接。该连接结构可以较好地实现积叠方向相互垂直的复合材料层合板结构，而核心层合板201的设计成功地避免了在主承力方向由于层间胶层受力而导致的分层损伤问题，提高复合材料构件的强度。该“十”字形连接结构还有效的阻止了层合板裂纹损伤向其它积叠方向层合板的扩展。

由于可调静子叶片叶身及与其相邻结构的厚度变化较大，相同铺层数目的层合板无法满足其结构外形的需求。本申请中，如图6所示，通过增强层板区32中各单层板（预浸料）的形状变化及积叠层数目的变化构成可调静子叶片表面的基本轮廓构型。根据可调静子叶片的受力情况，具体设计增强层板区32内层合板铺层的方向，以起到提高强度的作用。

另外，型面构造区33使可调静子叶片表面光顺满足其气动性能的需求，与此同时型面构造区的树脂或单层预浸料覆盖在层合板积叠面的外侧，加强了层合板的层间强度，降低了层间损伤的可能。

最后，本申请的总结如下：

1）本申请提供了一种应用于压气机/风扇复合材料可调静子叶片结构形式，该结构形式可以很好的解决由于叶片厚度及几何构型变化剧烈，而导致的树脂基复合材料可调静子叶片难以设计的问题；

2）本申请提出的结构形式应用了一种全新的“十”字型连接结构，通过该连接结构将可调静子叶片的轴颈部分、缘板部分以及叶身部分直接连接，解决了现有技术中无法实现的“交叉”结构连接问题；

3）在传统技术下不同积叠方向的层板之间容易发生裂纹相互扩展的现象，应用本申请中的“十字型”连接结构，能够很好地解决该问题；

4）本申请中的技术解决了已有复合材料叶片设计技术中，由于气动弯矩、扭矩导致的层间载荷过大而产生分层损伤的问题。在此基础上，结合可调静子叶片的受力情况和使用工况，开展“定制式”设计，较好的解决了可调叶片弯扭复合载荷下的强度问题。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种复合材料可调静子叶片，包括上轴颈（11）、上缘板（12）、叶身（13）、下缘板（14）以及下轴颈（15），其特征在于，所述复合材料可调静子叶片从截面结构上分为中心层板区（31）、中心填充区（208）、增强层板区（32）以及型面构造区（33），其中

中心层板区（31）、增强层板区（32）均由复合材料预浸料铺成的层合板构成，中心填充区（208）由复合材料预浸料构成，型面构造区（33）由树脂或覆盖增强层板区（32）表面的单层预浸料构成；以及

中心层板区（31）以及中心填充区（208）组成了复合材料可调静子叶片的核心承力区，以承担气动弯矩和气动扭矩；以及

增强层板区（32）位于核心承力区两侧，辅助核心承力区承担气动力矩，且增强层板区（32）的层合板根据可调静子叶片的外形需求，调整铺层的层数以及各层预浸料的形状；以及

型面构造区（33）位于最外层，用于保证复合材料可调静子叶片外形光顺，同时保护层板区域避免层间分离；所述核心承力区包括：

核心层合板（201），由所述上轴颈（11）顶部向所述下轴颈（15）底部方向延伸；

截面呈直角弯折状的左上翼层合板（202）和右上翼层合板（203），且左上翼层合板（202）的竖直面板与右上翼层合板（203）的竖直面板分别贴合在核心层合板（201）顶部的左右两侧面上；

截面呈U字形的左叶身层合板（204）和右叶身层合板（205），分别以U字形开口相背的方式设置在核心层合板（201）中间位置的左右两侧，其中，左叶身层合板（204）顶部的水平面板与左上翼层合板（202）的水平面板贴合，右叶身层合板（205）顶部的水平面板与右上翼层合板（203）的水平面板贴合，另外，左叶身层合板（204）的竖直面板与右叶身层合板（205）的竖直面板分别贴合在核心层合板（201）中部的左右两侧面上；

截面呈直角弯折状的左下翼层合板（206）和右下翼层合板（207），且左下翼层合板（206）的竖直面板与右下翼层合板（207）的竖直面板分别贴合在核心层合板（201）底部的左右两侧面上，另外，左叶身层合板（204）底部的水平面板与左下翼层合板（206）的水平面板贴合，右叶身层合板（205）底部的水平面板与右下翼层合板（207）的水平面板贴合；

所述中心填充区（208）设置在：

左上翼层合板（202）、左叶身层合板（204）以及核心层合板（201）之间交汇连接处的空隙处；以及

右上翼层合板（203）、右叶身层合板（205）以及核心层合板（201）之间交汇连接处的空隙处；以及

左下翼层合板（206）、左叶身层合板（204）以及核心层合板（201）之间交汇连接处的空隙处；以及

右下翼层合板（207）、右叶身层合板（205）以及核心层合板（201）之间交汇连接处的空隙处。

2.根据权利要求1所述的复合材料可调静子叶片，其特征在于，所述复合材料预浸料铺成的层合板中，位于同一水平面且相互垂直的X方向、Y方向分别是层合板的延展方向，与X方向、Y方向构成平面垂直的Z方向为层合板的积叠方向，定义X方向、Y方向构成的面为延展面，Z方向与X方向以及Z方向与Y方向构成的面为积叠面；

其中，在左上翼层合板（202）、右上翼层合板（203）、左下翼层合板（206）以及右下翼层合板（207）中，延展面是沿直角形状延伸；

在核心层合板（201）中，延展面是沿上轴颈（11）到下轴颈（15）的轴线方向延伸；

在左叶身层合板（204）和右叶身层合板（205）中，延展面是沿U字形延伸。

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