CN112628195B - 一种风扇叶片及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本公开公开了一种风扇叶片，包括：第一面板，设置于迎风面；第二面板，对应于所述第一面板，设置于背风面；多个隔板，间隔地支撑于所述第一面板和所述第二面板之间，能够将所述风扇叶片内部分隔为多个空腔；以及多个填充物，填充于所述空腔的内部，并相对于所述第一面板和所述第二面板的位置固定。基于上述技术方案，本公开能够利用填充物吸收风扇叶片的鸟撞冲击载荷，提升风扇叶片的抗鸟撞性能；并使风扇叶片在等效的强度、刚度和抗鸟撞条件下具有更高的空心率与更轻的重量；还能使风扇叶片的加工制造效率高、质量稳定。

Description

一种风扇叶片及航空发动机

技术领域

本公开涉及燃气轮机领域，尤其涉及一种风扇叶片及航空发动机。

背景技术

大涵道比风扇叶片是大型客机发动机的关键部件。传统的实心风扇叶片重量大，离心力大，颤振和振动问题突出，已无法满足大客发动机的设计和低油耗的要求，超塑成形/扩散连接瓦伦结构钛合金宽弦空心风扇叶片和碳纤维复合材料风扇叶片是目前国际大涵道比涡扇发动机的典型结构，但都受到国外航空发动机主承制商专利保护。

同时，大量专利提出了和航空发动机相关的3D打印技术，据公开的专利检索发现，3D打印技术已经非常广泛的应用在发动机的诸多部件上，包括叶片、叶片包边、叶盘、燃烧室壁、喷嘴等等，甚至已经扩展到其它更加广泛的结构方面。增材制造技术的引入，使得航空发动机零部件结构不再收到传统加工工艺约束的限制，有了更加广阔的设计空间，能够实现镂空球等复杂结构的加工。

中国专利申请CN106599359公开了一种利用球形网状结构填充的空心叶片设计方法及发动机，利用3D打印技术，在实体叶片模型内部的不同位置用球形单元来代替实体结构得到球形网状空心叶片，从而提高叶片的各项性能，并减轻叶片质量。该发明提到了利用3D打印技术制造空心叶片，以获得更复杂的叶片结构，但在实际上是难以实现的，这是由于3D打印虽然可以制造复杂的立体结构，但是无法形成悬空的结构，也即球形网状结构不能从悬空的一点开始形成整个球体，再与其他球体相交联，因此该专利虽然提供了3D打印利用在叶片制造的思路，但是实际在原理上不具可行性。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种风扇叶片及航空发动机，能够利用填充物吸收风扇叶片的鸟撞冲击载荷，提升风扇叶片的抗鸟撞性能；并使风扇叶片在等效的强度、刚度和抗鸟撞条件下具有更高的空心率与更轻的重量；还能使风扇叶片的加工制造效率高、质量稳定。

在本公开的一个方面，提供一种风扇叶片，包括：

第一面板，设置于迎风面；

第二面板，对应于所述第一面板，设置于背风面；

多个隔板，间隔地支撑于所述第一面板和所述第二面板之间，能够将所述风扇叶片内部分隔为多个空腔；以及

多个填充物，填充于所述空腔的内部，并相对于所述第一面板和所述第二面板的位置固定。

在一些实施例中，所述多个填充物包括多个中空的镂空球。

在一些实施例中，所述镂空球的球壳由多个单胞结构以彼此相邻的方式拼合而成，且每个所述单胞结构都包括至少一个小孔。

在一些实施例中，所述单胞结构为六边形结构，所述六边形结构的中心开设有六边形小孔，且所述六边形小孔的各边分别平行于所述六边形结构相应的各边。

在一些实施例中，所述镂空球通过增材制造技术制成，所述镂空球包括多层互相套装的球壳，且相邻层的球壳之间的位置相对固定。

在一些实施例中，所述第一面板和/或所述第二面板的内侧设置有球冠型凹坑，所述球冠型凹坑与所述镂空球等半径，所述镂空球可通过部分嵌入所述球冠型凹坑进行位置固定。

在一些实施例中，在所述风扇叶片的工作状态，所述球冠型凹坑与所述镂空球之间呈过盈配合，而在所述风扇叶片的装配过程中，通过加热所述第一面板和/或所述第二面板，并冷却所述镂空球，使所述球冠型凹坑与所述镂空球之间呈间隙配合。

在一些实施例中，沿所述风扇叶片的展向向外，所述镂空球嵌入至所述球冠型凹坑的部分占所述镂空球的体积比例逐渐增大。

在一些实施例中，所述多个隔板中的每个隔板均从所述风扇叶片的叶根连续延伸至叶尖，并且沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球之间具有设定的间距。

在一些实施例中，沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球的直径逐渐减小，分布密度逐渐加大。

在一些实施例中，沿所述风扇叶片的弦向，所述镂空球在靠近所述风扇叶片前缘和后缘区域的分布密度大于位于所述风扇叶片中间区域的分布密度。

在一些实施例中，所述第一面板和所述第二面板通过增材制造技术制成，所述第一面板和所述第二面板的厚度不均匀分布。

在一些实施例中，沿所述风扇叶片的厚度方向，所述第一面板和所述第二面板的厚度各自与所述风扇叶片的厚度呈设定的比例。

在一些实施例中，所述多个填充物包括多个中空的镂空多面体，所述第一面板和/或所述第二面板的内侧设置有与所述镂空多面体相对应的多边形凹坑，所述镂空多面体可通过部分嵌入所述多边形凹坑进行位置固定。

在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例所述的风扇叶片。

基于上述技术方案，本公开实施例至少可以产生如下技术效果之一：

通过镂空球所具有的良好变形吸能效果，吸收风扇叶片鸟撞冲击载荷能力，提升风扇叶片的抗鸟撞性能，通过在空腔内合理布局镂空球，进一步提高了抗鸟撞性能；

通过镂空球填充的方式，使风扇叶片在等效的强度、刚度和抗鸟撞条件下具有更高的空心率和更轻的重量；

通过采用增材制造技术分别使叶片面板和镂空球成型，然后对两者进行装配，使风扇叶片的加工效率高、质量稳定性好。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本申请的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1为本公开实施例所提供的一种风扇叶片的结构示意图；

图2为本公开实施例所提供的一种风扇叶片弦向的剖视角度的结构示意图；

图3为本公开实施例所提供的一种风扇叶片的镂空球结构示意图。

附图标记：1、第一面板，2、第二面板，3、隔板，4、镂空球，41、单胞结构；

a、叶根，b、叶尖，c前缘，d后缘。

具体实施方式

下面可以参照附图以及文字内容理解本公开的内容以及本公开与现有技术之间的区别点。下文通过附图以及列举本公开的一些可选实施例的方式，对本公开的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。

需要说明的是：本实施例中的任何技术特征、任何技术方案均是多种可选的技术特征或可选的技术方案中的一种或几种，为了描述简洁的需要本文件中无法穷举本公开的所有可替代的技术特征以及可替代的技术方案，也不便于每个技术特征的实施方式均强调其为可选的多种实施方式之一，所以本领域技术人员应该知晓：可以将本公开提供的任一技术手段进行替换或将本公开提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到新的技术方案。

本实施例内的任何技术特征以及任何技术方案均不限制本公开的保护范围，本公开的保护范围应该包括本领域技术人员不付出创造性劳动所能想到的任何替代技术方案以及本领域技术人员将本公开提供的任意两个或更多个技术手段或技术特征互相进行组合而得到的新的技术方案。

下面结合附图1～3对本公开提供的技术方案进行更为详细的阐述。

在本公开的一个方面，提供一种风扇叶片，包括：

第一面板1，设置于迎风面；

第二面板2，对应于所述第一面板1，设置于背风面；

多个隔板3，间隔地支撑于所述第一面板1和所述第二面板2之间，能够将所述风扇叶片内部分隔为多个空腔；以及

多个填充物，填充于所述空腔的内部，并相对于所述第一面板1和所述第二面板2的位置固定。

基于所述第一面板1和所述第二面板2，能够围成一个空心的风扇叶片，并具有类似于传统风扇叶片的叶型结构，以满足航空发动机风扇对风扇进气做功使其加速并改变气流方向的功能。

所述多个隔板3间隔地支撑在所述第一面板1和所述第二面板2之间，用于将所述风扇叶片的内部空间分割成多个空腔，以便容纳所述多个填充物；此外，所述隔板3可以相对垂直地设置在所述第一面板1和所述第二面板2之间，用以传递所述第一面板1和所述第二面板2之间的压应力和拉应力，并加强所述风扇叶片的抗弯曲强度和抗扭强度。

而所述多个填充物被填充于所述空腔的内部，能够通过自身的变形吸能特性，吸收风扇叶片鸟撞冲击下的载荷，从而提升所述风扇叶片的抗鸟撞性能。此外，考虑到所述风扇叶片在工作状态下转速极高，因此所述多个填充物相对于所述第一面板1和所述第二面板2的位置固定，以防所述多个填充物在所述空腔内晃动而打伤所述风扇叶片的内部结构。

进一步的，在一些实施例中，所述多个填充物包括多个中空的镂空球4。中空的镂空球4具有良好的变形吸能效果，并且镂空球4的填充方式能够使风扇叶片在等效的强度、刚度和抗鸟撞条件下具有更高的空心率，从而在一定程度上降低所述风扇叶片的重量。

进一步的，在一些实施例中，所述镂空球4的球壳由多个单胞结构41以彼此相邻的方式拼合而成，且每个所述单胞结构41都包括至少一个小孔。

所述单胞结构41以彼此相邻的方式密铺地拼合成所述镂空球4的球壳，基于三维密铺的需要(例如多块皮革拼合成足球)，所述单胞结构41包括具有一定空间弧度的五边形结构、六边形结构或其他可能的多边形结构或不规则形状结构。当然，依据所述单胞结构41的类型，所述多个单胞结构41可以具有相同的尺寸和结构，也可以具有不同的尺寸和结构，以便配合于所述镂空球4的加工制造技术，例如焊接、粘合、热塑、增材制造或一体成型等多种工艺。

例如，在一些实施例中，所述单胞结构41为六边形结构，所述六边形结构的中心开设有六边形小孔，且所述六边形小孔的各边分别平行于所述六边形结构相应的各边。

当单胞结构41选择六边形结构时，所述多个单胞结构41能够以相同的大小密铺而成所述镂空球4的球壳；并且由于六边形结构接近于圆形，其各个边的受力较为均匀，因此能够使所述镂空球4具备更好的吸能变形的特性。

而上所述六边形结构的中心开设的六边形小孔，则由于各边分别与所述六边形结构的各边平行而能够进一步增强所述镂空球4的吸能变形效果，并进一步降低所述风扇叶片的重量。

进一步的，为了增加受冲击后的吸能效果在一些实施例中，所述镂空球4通过增材制造技术制成，所述镂空球4包括多层互相套装的球壳，且相邻层的球壳之间的位置相对固定。

由于多层套装的球壳结构通过传统的加工方法难以得到，此时所述镂空球4采用增材制造的工艺，可以充分利用增材制造技术所具有的可快速精密地制造出任意复杂形状零件的优点，大大提高所述镂空球4的加工效率。

进一步的，为了实现所述镂空球4相对于所述第一面板1和/或所述第二面板2的固定，在一些实施例中，所述第一面板1和/或所述第二面板2的内侧设置有球冠型凹坑，所述球冠型凹坑与所述镂空球4等半径，所述镂空球4可通过部分嵌入所述球冠型凹坑进行位置固定。

进一步的，为了防止所述镂空球4在工作过程中相对于所述风扇叶片跳动，在一些实施例中，在所述风扇叶片的工作状态，所述球冠型凹坑与所述镂空球4之间呈过盈配合；而在所述风扇叶片的装配过程中，为了将尺寸呈过盈配合的所述球冠型凹坑和所述镂空球4相互装配，可通过加热所述第一面板1和/或所述第二面板2，并冷却所述镂空球4，以使所述球冠型凹坑与所述镂空球4之间在装配环节呈间隙配合。待所述镂空球4从所述风扇叶片的榫头底部装入，并嵌入所述球冠型凹坑后，再将温度恢复至室温，使所述镂空球4膨胀后相对固定。

进一步的，考虑到所述风扇叶片巨大离心力的影响，在一些实施例中，沿所述风扇叶片的展向向外，所述镂空球4嵌入至所述球冠型凹坑的部分占所述镂空球4的体积比例逐渐增大。此时，嵌入部分越大的所述镂空球4与所述球冠型凹坑的相互装配越紧密，能够承受的离心力也就越大。因此，越靠近叶尖b，所述镂空球4嵌入的部分体积所占比例就越大。

进一步的，为了使所述隔板3适应于所述风扇叶片承受巨大离心力的状况，在一些实施例中，所述多个隔板3中的每个隔板3均从所述风扇叶片的叶根a连续延伸至叶尖b，并且沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球4之间具有设定的间距。

进一步的，为了增强所述风扇叶片抗鸟撞的效果，在一些实施例中，沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球4的直径逐渐减小，分布密度逐渐加大。

进一步的，为了强化上所述风扇叶片前缘c和后缘d抗鸟撞的效果，在一些实施例中，沿所述风扇叶片的弦向，所述镂空球4在靠近所述风扇叶片前缘c和后缘d区域的分布密度大于位于所述风扇叶片中间区域的分布密度。

进一步的，在一些实施例中，所述第一面板1和所述第二面板2通过增材制造技术制成，所述第一面板1和所述第二面板2的厚度不均匀分布。此时，所述风扇叶片外表面的气动外形可保持不变，而通过上下两层面板组成空腔，使得所述第一面板1和所述第二面板2厚度可等比例调整，并使所述风扇叶片上下面板局部厚度可减薄。

进一步的，在一些实施例中，沿所述风扇叶片的厚度方向，所述第一面板1和所述第二面板2的厚度各自与所述风扇叶片的厚度呈设定的比例，从而使所述第一面板1和所述第二面板2的强度与原风扇叶片保持近似或一致。

进一步的，所述填充物不限于镂空球4，即在一些实施例中，所述多个填充物包括多个中空的镂空多面体，所述第一面板1和/或所述第二面板2的内侧设置有与所述镂空多面体相对应的多边形凹坑，所述镂空多面体可通过部分嵌入所述多边形凹坑进行位置固定。

在本公开的另一个方面，提供一种航空发动机，包括如前文任一实施例所述的风扇叶片。

基于上述技术方案，本公开实施例至少可以产生如下技术效果之一：

通过镂空球所具有的良好变形吸能效果，吸收风扇叶片鸟撞冲击载荷能力，提升风扇叶片的抗鸟撞性能，通过在空腔内合理布局镂空球，进一步提高了抗鸟撞性能；

通过镂空球填充的方式，使风扇叶片在等效的强度、刚度和抗鸟撞条件下具有更高的空心率和更轻的重量；

通过采用增材制造技术分别使叶片面板和镂空球成型，然后对两者进行装配，使风扇叶片的加工效率高、质量稳定性好。

上述本公开所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本公开才公开部分数值以举例说明本公开的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本公开创造保护范围的限制。

如果本文中使用了“第一”、“第二”等词语来限定零部件的话，本领域技术人员应该知晓：“第一”、“第二”的使用仅仅是为了便于描述上对零部件进行区别如没有另行声明外，上述词语并没有特殊的含义。

同时，上述本公开如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来)所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。

另外，上述本公开公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。本公开提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。

在本公开的描述中如果使用了术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等，那么上述术语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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备、机构、部件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公开保护范围的限制。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本公开的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本公开进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本公开的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本公开技术方案的精神，其均应涵盖在本公开请求保护的技术方案范围当中。

Claims (11)

1.一种风扇叶片，其特征在于，包括：

第一面板，设置于迎风面；

第二面板，对应于所述第一面板，设置于背风面；

多个隔板，间隔地支撑于所述第一面板和所述第二面板之间，能够将所述风扇叶片内部分隔为多个空腔；以及

多个填充物，填充于所述空腔的内部，并相对于所述第一面板和所述第二面板的位置固定；

所述多个填充物包括多个中空的镂空球；

所述镂空球的球壳由多个单胞结构以彼此相邻的方式拼合而成，且每个所述单胞结构都包括至少一个小孔，

所述第一面板和/或所述第二面板的内侧设置有球冠型凹坑，所述球冠型凹坑与所述镂空球等半径，所述镂空球可通过部分嵌入所述球冠型凹坑进行位置固定，

沿所述风扇叶片的展向向外，所述镂空球嵌入至所述球冠型凹坑的部分占所述镂空球的体积比例逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述单胞结构为六边形结构，所述六边形结构的中心开设有六边形小孔，且所述六边形小孔的各边分别平行于所述六边形结构相应的各边。

3.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述镂空球通过增材制造技术制成，所述镂空球包括多层互相套装的球壳，且相邻层的球壳之间的位置相对固定。

4.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，在所述风扇叶片的工作状态，所述球冠型凹坑与所述镂空球之间呈过盈配合，而在所述风扇叶片的装配过程中，通过加热所述第一面板和/或所述第二面板，并冷却所述镂空球，使所述球冠型凹坑与所述镂空球之间呈间隙配合。

5.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述多个隔板中的每个隔板均从所述风扇叶片的叶根连续延伸至叶尖，并且沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球之间具有设定的间距。

6.根据权利要求5所述的风扇叶片，其特征在于，沿所述风扇叶片的展向，位于同一所述空腔中的所述多个镂空球的直径逐渐减小，分布密度逐渐加大。

7.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，沿所述风扇叶片的弦向，所述镂空球在靠近所述风扇叶片前缘和后缘区域的分布密度大于位于所述风扇叶片中间区域的分布密度。

8.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述第一面板和所述第二面板通过增材制造技术制成，所述第一面板和所述第二面板的厚度不均匀分布。

9.根据权利要求8所述的风扇叶片，其特征在于，沿所述风扇叶片的厚度方向，所述第一面板和所述第二面板的厚度各自与所述风扇叶片的厚度呈设定的比例。

10.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述多个填充物包括多个中空的镂空多面体，所述第一面板和/或所述第二面板的内侧设置有与所述镂空多面体相对应的多边形凹坑，所述镂空多面体可通过部分嵌入所述多边形凹坑进行位置固定。

11.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1～10任一所述的风扇叶片。

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