CN113272522B - 包括薄护罩和加强件的风扇叶片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风扇叶片(1)，该叶片包括：‑翼型件(8)，该翼型件由复合材料制成，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体、前边缘(4)和后边缘(5)，以及‑结构型护罩(10)，该结构型护罩被装配并附接到前边缘(4)或后边缘(5)，以及‑至少一个加强件(20)，该至少一个加强件与结构型护罩(10)一体地形成并形成为单件，所述加强件(20)延伸到形成在护罩(10)与前边缘(4)或后边缘(5)之间的空腔(15)中，以增加叶片(1)的刚度。

Description

包括薄护罩和加强件的风扇叶片

技术领域

本发明总体上涉及涡轮机领域，并且更具体地涉及这些涡轮机的风扇叶片及风扇叶片的制造方法的领域。

本发明更具体地应用于由复合材料或金属材料制成的风扇叶片，风扇叶片的前边缘包括结构型金属护罩。

背景技术

涡轮机的风扇叶片包括翼型件，该翼型件具有前边缘、后边缘和将前边缘连接到后边缘的压力侧和吸力侧的侧面。

涡轮机叶片，并且特别是风扇叶片承受高应力，主要是承受高的机械应力，特别是承受由空气动力、动态应力(例如离心应力)以及在某些情况下的热应力引起的高的机械应力。这些叶片必须满足严格的重量和体积要求。因此，已经提出使用由复合材料制成的叶片，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体，因此，该叶片比具有同等质量的金属叶片更轻并具有更好的抗应力性。

在发动机的认证和使用期间，风扇叶片会受到鸟类的侵袭。因此，风扇叶片的机械性能在设计阶段期间得到优化，以满足认证规则。

已知的是，如文献EP 1 908 919中所提及的，由复合材料制成的风扇叶片配备有结构型金属护罩，该护罩在翼型件的整个高度上延伸并超过该翼型件的前边缘，并且该护罩包括前边缘以及翅片，该前边缘被构造成面向翼型件的前边缘，该翅片被构造成支撑在叶片的压力侧和吸力侧上。这种类型的护罩特别使得能够保护前边缘并避免分层、纤维断裂或甚至由于纤维/基质粘合力的损失而造成损坏的风险。该护罩还通过允许前边缘变薄而参与了叶片的刚度，这特别对于频率方面、冲击时的偏转以及叶片的空气动力学特性是必要的。

从空气动力学性能的观点来看，减小叶片的上游(前边缘)端部和下游(后边缘)端部的厚度使得能够增加空气动力学效率以及特性。事实上，实施所谓的薄的边缘技术使得能够限制轮廓的偏转，这种偏转导致跨音速和超音速部段(在叶片的尖端处)的马赫数峰值对风扇的性能有害。此外，减小后边缘的厚度使得能够减少空气动力学基础损失(在后边缘处的轮廓损失)，主要用于高度的60％以上的部段。

这种类型的技术的影响与涡轮机的效率直接关联，因此也与该涡轮机的燃料消耗直接关联。

然而，当叶片，特别是风扇叶片由复合材料制成时，很难在保持翼型件的前边缘(或后边缘)的最佳机械阻力的同时获得小的厚度(即大约为一毫米至两毫米)。事实上，从机械的观点来看并考虑到认证要求，前边缘和后边缘在受到诸如鸟类撞击或重复飞行周期(寿命)的各种力的作用时，能够抵抗和限制对叶片的损坏是必要的。获得小的厚度的这种困难是由被用于生产纤维增强体的线的厚度(线包括数千根纤维(通常是碳)，并且具有大约数毫米的厚度)和用于确保良好的机械阻力所需的层数来解释。事实上，通过交织两层比通过交织更多的层来获得最佳特性更困难。

护罩已经允许叶片的前边缘变薄。事实上，护罩通常由金属制成，这使得能够得到更小的厚度。然而，为了使护罩的前边缘足够薄，考虑到护罩从其延伸的翼型件的前边缘的厚度，将有必要大大增加该护罩的质量。护罩的质量将大于护罩的大的厚度，该护罩的头部的范围将较大，以具有锥形横截面。然而，在发生撞击时，特别是与小尺寸的鸟类发生撞击时，存在相当大的风险，即护罩将从翼型件局部地分离，并且如果维护操作没有或多或少地快速执行，分离将在叶片的高度上传播直到完全分离。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种涡轮机的旋转部分的叶片，该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体，该旋转部分特别是风扇，该叶片在其前边缘和/或后边缘处具有小的厚度，以改进叶片的空气动力学性能和特性，但不损害护罩的质量。

为此，本发明提出了一种涡轮机的旋转部分的叶片，该旋转部分特别是风扇，所述叶片包括：

-翼型件，该翼型件由复合材料制成，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体、前边缘和后边缘，

-结构型护罩，该结构型护罩被施加并附接到前边缘或后边缘，以及

-至少一个加强件，该至少一个加强件与护罩一体地形成并形成为单件，所述加强件延伸到形成在护罩与前边缘或后边缘中的一个之间的空腔中，并且被构造成支撑抵靠在前边缘或后边缘上，以增加叶片的刚度。

以下是上述叶片的一些优选但非限制性的特征，这些特征被单独采用或组合采用：

-叶片具有空气动力学表面，所述空气动力学表面具有主延伸方向和高度，主延伸方向限定出叶片的纵向轴线，该纵向轴线大致径向于旋转部分的旋转轴线，并且高度对应于空气动力学表面的下边界与叶片的尖端之间的距离，该加强件仅在所述空气动力学表面的高度的一部分上延伸。

-加强件在高度的至多70％上延伸，优选地在所述高度的至多60％上延伸。

-加强件邻近叶片的尖端。

-加强件和护罩通过增材制造来生产。

-加强件包括形成至少一个波纹管的一系列壁。

-加强件具有延伸方向，所述延伸方向大致平行于前边缘或后边缘。

-加强件具有延伸方向，所述延伸方向大致横向于前边缘或后边缘。

-加强件和护罩是金属的，例如是钛。

-叶片包括被施加并附接到前边缘的护罩；被施加并附接到后边缘的护罩；与结构型护罩一体地形成并形成为单件的至少一个加强件，所述加强件在前边缘与结构型护罩之间延伸；以及与结构型护罩一体地形成并形成为单件的至少一个加强件，所述加强件在后边缘与结构型护罩之间延伸。

根据第二方面，本发明提出一种包括至少一个如上所述的叶片的风扇。

附图说明

通过阅读下文中参照以非限制性示例给出的附图进行的详细描述，本发明的其他特征、目的和优点将被更好地揭示，在附图中：

图1是符合本发明的一个实施例的第一示例性实施例的侧视图。

图2a是常规叶片的横截面视图。

图2b是图1的叶片在垂直于图1的轴线X的平面中的横截面视图。

图3是符合本发明的第二示例性实施例的叶片的横截面视图。

图4是符合本发明的第三示例性实施例的叶片的横截面视图。

具体实施方式

以下将在涡轮机的风扇叶片的情况下更具体地描述本发明。然而，应当理解，通过类比，本发明适用于涡轮机的任何旋转部分的叶片，只要这些叶片由复合材料制成。

以已知的方式，符合本发明的风扇叶片1包括在叶片1的根部和叶片1的尖端之间的空气动力学表面2。叶片1还包括翼型件，该翼型件具有前边缘4、后边缘5、压力侧壁6和吸力侧壁7。前边缘4被构造成面向进入到涡轮机中的气体流延伸。前边缘对应于空气动力学轮廓的前部部分，该前部部分面向空气流并将空气流分成压力侧流和吸力侧流。后边缘5本身对应于空气动力学轮廓的后部部分，在该后部部分，压力侧流和吸力侧流彼此重新汇合。

叶片1的空气动力学表面2具有限定叶片1的纵向轴线X的主延伸方向，该纵向轴线大致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，在前边缘4和下边界之间的交点处，该高度对应于空气动力学表面2的下边界3与叶片1的尖端之间的距离。

翼型件由复合材料制成，该复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体。

纤维增强体可由通过具有改变厚度的三维编织获得的纤维预制件形成。特别地，纤维增强体可包括碳、玻璃、芳族聚酰胺和/或陶瓷纤维。基质本身通常是聚合物基质，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。

然后，翼型件通过树脂传递模制(“Resin Transfer Moulding，RTM”)或真空树脂传递模制(“Vacuum Resin Transfer Molding，VARRTM”)类型的树脂真空注射模制形成。

叶片1还包括结构型护罩10，该护罩被施加并附接到翼型件的前边缘4。

护罩10是单件部件，该护罩包括大致V形横截面，具有基部13以及压力侧翅片11和吸力侧翅片12，该基部也可以称为“头部”，被构造成在翼型件的前边缘4的延续部分中延伸，该压力侧翅片和吸力侧翅片被构造成将其自身分别模制到翼型件的压力侧壁6和吸力侧壁7。翅片可以沿着翼型件的后边缘5的方向具有锥形或变薄的轮廓。

护罩10在翼型件1的空气动力学表面2的整个高度上延伸。通常，当叶片1被集成到风扇中时，流路的径向内部部分由叶片间平台(在图2和图3中以虚线示出)界定。然后，叶片1的空气动力学表面2对应于叶片1的表面，该表面在叶片1的尖端与被布置在该叶片的根部的两侧上的叶片间平台之间延伸。此外，叶片1的空气动力学表面2的下边界3对应于叶片1与叶片间平台的交点。

如图所示，护罩10将其自身模制成叶片的前边缘4的形状，该护罩继续形成新的前边缘12，被称为护罩10的前边缘14。因此，护罩10形成叶片1的空气动力学轮廓的前部部分。

叶片1的护罩10通常是金属的，例如是钛，以赋予由于可能的冲击而产生的高的能量吸收能力。

护罩10和翼型件是分开生产的。然后，护罩10被施加到翼型件的前边缘4，并通过胶合，例如通过氰基丙烯酸酯或环氧树脂胶附接到该翼型件的前边缘。为此，护罩10具有内部轮廓，该内部轮廓适于将其自身模制成叶片1的前边缘4的圆形形状，与所述前边缘4接触或不接触。如果需要，可以对翼型件的压力侧壁6和吸力侧壁7进行啮合，以便于护罩10的组装。

为了使得能够在由复合材料制成的叶片1上生产出精细的前边缘，但不增加叶片1的质量，叶片1还包括与结构型护罩10一体地形成并形成为单件的加强件20。加强件20通过被支撑抵靠在翼型件8的前边缘4上而在前边缘4与护罩10的至少一个内表面之间延伸，以增加叶片1的刚度。

应当理解，通过类比，本发明适用于护罩10被施加到叶片1的后边缘的情况。然而，为了简化说明，本发明将仅针对护罩10被施加到前边缘4的情况进行描述和说明。还应注意，叶片1可以包括在翼型件的前边缘4上具有加强件20的护罩10和在翼型件8的后边缘5上具有加强件的护罩10。

使用加强件20使得能够通过在基部13和翼型件8的前边缘之间形成空腔15来减小护罩10的基部13的质量，并且在该空腔15中部分地填充有具有低质量但能够提高护罩10的刚度的部件(加强件20)。因此，可以增加护罩10的前边缘14和翼型件8的前边缘4之间的距离，并因此使前边缘14变薄，但不增加护罩10的质量。

例如可以参照图2a和图2b，图2a和图2b分别示出了缺少加强件20的叶片1和根据本发明的一个实施例的叶片1。这两个图的比较表明，图2a中的前边缘的基部13明显比图2b中的前边缘的基部厚，并且在没有加强件20时，用于达到在本发明的叶片1的情况下所获得的厚度所需的材料量将是巨大的(也参见图2a中虚线的部分，该部分示出用于护罩10的期望厚度和用于获得锥形横截面的护罩范围)。

在一个实施例中，加强件20仅在空气动力学表面2的高度的一部分上延伸。更具体地，加强件20可仅在叶片1的上部分1a(即邻近叶片1的尖端的部分)、缺少加强件20的下部分1b(即邻近叶片1的根部的部分)上延伸。事实上，申请人已经注意到以下事实，即叶片1的下部分1b的前边缘14可以具有更大的厚度，只要该厚度对叶片1的空气动力学特性和性能的影响较小。另外，物体的撞击，特别是鸟类的撞击不会在叶片1的下部分1b中使叶片1劣化，并因此不会有使护罩10分离的风险。

因此，在该实施例中，护罩10的轮廓在叶片1的下部分1b中是常规的，即护罩的轮廓在叶片的下部分中比在其上部分1a中厚。

例如，对于风扇叶片1，加强件20可以从叶片1的尖端开始，在空气动力学表面2的高度h的至多70％上延伸，优选地在所述高度h的至多60％上延伸。然后，叶片1在其下部分1b中(在空气动力学表面2的高度h的其余部分上，即在其高度h的大约30％上，优选地在高度的40％上)缺少加强件20。

在一个实施例中，加强件20被构造成沿着轴线X的方向，即沿着空气动力学表面2的高度加强前边缘，以限制叶片1的弯曲。然后，加强件20主要沿着叶片1的该方向延伸。这种类型的加强件20的示例性实施例在图2b和图3中示出，并且包括形成至少一个波纹管的一系列壁21。例如，加强件20可以包括两两连接的一系列平坦的壁21，以在翼型件8的前边缘4与护罩10的基部13之间形成连续部分。壁21中的每一个壁具有支撑抵靠在压力侧翅片11上的边缘和支撑抵靠在吸力侧翅片12上的边缘，并因此形成波纹管(图2b)。应当理解，在此支撑是指在平坦的壁21与压力侧翅片11和吸力侧翅片12之间的线支撑和固体支撑。如果需要，加强件20可以包括具有大致相同形状的第二波纹管，该第二波纹管的壁21与第一波纹管的壁相交(图3)。

在图2b或图3所示的实施例中，波纹管的端部壁可以通过被设计成胶合到叶片的前边缘4而横向于叶片，大致垂直于吸力侧翅片12和压力侧翅片11。在与图2b相关的实施例中，该横向波纹管壁连接到倾斜的波纹管壁的与护罩10的头部相对的自由端部。在与图3相关的实施例中，该横向波纹管壁与最后两个倾斜的波纹管壁21的与护罩10的头部相对的自由端部连接。该横向波纹管的端部壁使用于将叶片的前边缘4与构成加强件20的波纹管连接的粘合剂的数量最小化。

在第二实施例中，加强件20被构造成沿着横向于轴线X的方向，即沿着平行于旋转部分的旋转轴线的方向加强叶片1。然后，加强件20主要沿着该横向方向延伸。因此，在图4所示的该第二实施例中，壁21横向于叶片，大致垂直于吸力侧翅片12和压力侧翅片11，同时该壁例如通过在护罩10的内侧上进行激光焊接、或通过胶合、或通过整体制造、或通过增材制造连接到吸力侧翅片和压力侧翅片。

形成加强件20的波纹管的壁21的数量、倾斜度和厚度可以根据叶片1的应用及该叶片可能承受的应力而在设计中优化。特别地，壁的数量、倾斜度和厚度取决于以下参数：叶片的数量、旋转速度、叶片10的直径、前边缘4和复合材料叶片的材料、包括叶片1的前边缘4的厚度的空气动力学轮廓2、护罩10的厚度。

在第三实施例中，加强件20被构造成沿着轴线X的方向和沿着横向方向加强叶片1。然后，加强件20可以包括栅格阵列。

在这种情况下的实施例(未示出)中，当接近图3所示的实施例时，壁21中的至少一个壁的端部中的至少一个端部例如通过激光焊接或通过胶合连接到护罩10的对应的翅片11、12，即连接到吸力侧翅片12和/或压力侧翅片11。

加强件20和护罩10是金属的，例如是钛。

考虑到护罩10和加强件20的复杂形状，优选地，护罩和加强件通过增材制造来生产。

Claims (13)

1.涡轮机的旋转部分的叶片(1)，所述叶片(1)包括：

-翼型件(8)，所述翼型件由复合材料制成，所述复合材料包括由聚合物基质致密化的纤维增强体、前边缘(4)和后边缘(5)，以及

-结构型护罩(10)，所述结构型护罩被施加并附接到所述前边缘(4)或所述后边缘(5)，

所述叶片(1)的特征在于，所述叶片还包括至少一个加强件(20)，所述至少一个加强件与所述结构型护罩(10)一体地形成并形成为单件，所述加强件(20)延伸到形成在所述结构型护罩(10)与所述前边缘(4)或所述后边缘(5)中的一个之间的空腔(15)中，并且被构造成支撑抵靠在所述前边缘(4)或所述后边缘(5)上，以增加所述叶片(1)的刚度，所述加强件(20)包括形成至少一个波纹管的一系列壁(21)。

2.根据权利要求1所述的叶片(1)，所述叶片具有空气动力学表面(2)，所述空气动力学表面(2)具有主延伸方向和高度(h)，所述主延伸方向限定出所述叶片(1)的纵向轴线(X)，所述纵向轴线径向于所述旋转部分的旋转轴线(Y)，并且所述高度(h)对应于所述空气动力学表面(2)的下边界(3)与所述叶片(1)的尖端之间的距离，所述加强件(20)仅在所述空气动力学表面(2)的所述高度(h)的一部分上延伸。

3.根据权利要求2所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)在所述高度(h)的至多70％上延伸。

4.根据权利要求2所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)邻近所述叶片(1)的尖端。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)和所述结构型护罩(10)通过增材制造来生产。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)具有延伸方向，所述延伸方向平行于所述前边缘(4)或所述后边缘(5)。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)具有延伸方向，所述延伸方向横向于所述前边缘(4)或所述后边缘(5)。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，其中，所述加强件(20)和所述结构型护罩(10)是金属的。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(1)，所述叶片包括：

-被施加并附接到所述前边缘(4)的结构型护罩(10)，

-被施加并附接到所述后边缘(5)的结构型护罩(10)，

-与所述结构型护罩(10)一体地形成并形成为单件的至少一个加强件(20)，所述加强件(20)在所述前边缘(4)与所述结构型护罩(10)之间延伸，以及

-与所述结构型护罩(10)一体地形成并形成为单件的至少一个加强件(20)，所述加强件(20)在所述后边缘(5)与所述结构型护罩(10)之间延伸。

10.根据权利要求1所述的叶片(1)，其中，所述旋转部分是风扇。

11.根据权利要求3所述的叶片(1)，其中，所述加强件在所述高度(h)的至多60％上延伸。

12.根据权利要求8所述的叶片(1)，其中，所述加强件和所述结构型护罩由钛制成。

13.一种风扇，所述风扇包括至少一个根据权利要求1至12中任一项所述的叶片(1)。

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