CN113665039A - 一种风扇叶片平台及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风扇叶片平台及其制备方法。该风扇叶片平台包括：流道板，流道板用于安装在风扇盘上的两个相邻风扇叶片之间，沿轴向延伸，其具有径向向外的顶面和径向向内的底面，其还具有分别朝向两个相邻风扇叶片的第一侧缘和第二侧缘；支撑壁，支撑壁设置于流道板的底面，在流道板的底面围合形成一个沿轴向延伸的空腔；和包裹层，风扇叶片平台的至少以下位置的表面上覆有包裹层：第一侧缘、第二侧缘、以及从第一侧缘至第二侧缘途径的全部径向向内表面；包裹层的材质为纤维增强的热塑性弹性体复合材料。

Description

一种风扇叶片平台及其制备方法
技术领域
本发明涉及航空技术领域，具体涉及一种风扇叶片平台及其制备方法。
背景技术
涡轮风扇发动机具有风扇组件，该风扇组件包括风扇盘以及从风扇盘沿径向向外延伸的多个沿周向间隔开的风扇叶片。风扇组件进一步还包括风扇叶片平台，风扇叶片平台是装配在风扇盘上风扇叶片之间而用来形成流道面的结构。
现代航空发动机正朝着大涵道比、大推力、低油耗、低噪声、高安全性、高可靠性等方向不断发展。为了实现发动机减重以进一步提高燃油效率，选用树脂基复合材料代替传统金属材料。但是，树脂基复合材料在使用中还存在一些待解决的技术问题。
发明内容
发明人发现，在风扇高速旋转状态下，风扇叶片平台的装配面与风扇叶片之间以及与风扇盘之间存在微动磨损，该微动磨损日积月累，会是导致风扇叶片平台失效的隐患因素。
本公开提供了一种具有新型包覆层的风扇叶片平台，该包覆层的材质为纤维增强的热塑性弹性体复合材料，其兼具耐磨性和弹性，其包覆风扇叶片平台的特定位置，能够有效保护风扇叶片平台的装配面，赋予风扇叶片平台良好的装配特性和工作特性。另外，在风扇叶片受到外物撞击时，该包覆层还能够起到有效传递应力的缓冲作用，降低风扇叶片和风扇叶片平台的损坏风险。
在一些方面，提供一种风扇叶片平台，包括：
流道板，流道板用于安装在风扇盘上的两个相邻风扇叶片之间，沿轴向延伸，其具有径向向外的顶面和径向向内的底面，其还具有分别朝向两个相邻风扇叶片的第一侧缘和第二侧缘；
支撑壁，支撑壁设置于流道板的底面，在流道板的底面围合形成一个沿轴向延伸的空腔；和
包裹层，风扇叶片平台的至少以下位置的表面上覆有包裹层：第一侧缘、第二侧缘、以及从第一侧缘至第二侧缘途径的全部径向向内表面；
包裹层的材质为纤维增强的热塑性弹性体复合材料。
在一些实施方案中，包覆层至少包覆支撑壁径向向内的表面。
在一些实施方案中，包覆层至少包覆流道板径向向内的表面。
在一些实施方案中，支撑壁用于将流道板支撑在风扇盘上。
在一些实施方案中，纤维增强的热塑性弹性体复合材料含有热塑性弹性体组分，热塑性弹性体组分选自聚氨酯热塑性弹性体(TPU)、苯乙烯热塑性弹性体(TPES)或聚烯烃热塑性弹性体(TPO)中的一种或多种。
在一些实施方案中，纤维增强的热塑性弹性体材料中含有纤维组分，纤维组分含有碳纤维。
在一些实施方案中，纤维组分中碳纤维的含量为90wt％以上，例如100wt％。
在一些实施方案中，碳纤维是短切碳纤维。
在一些实施方案中，短切碳纤维的平均长度为1mm～10mm。
在一些实施方案中，纤维增强的热塑性弹性体复合材料中碳纤维的含量为10wt％～30wt％，例如15wt％～25wt％，例如10wt％～20wt％。
在一些实施方案中，包裹层的厚度为1mm～5mm，例如2mm～3mm。
在一些实施方案中，包裹层的截面具有“Ω”形状。
在一些实施方案中，流道板的材质为纤维织物增强的环氧树脂复合材料。
在一些实施方案中，支撑壁的材质为纤维织物增强的环氧树脂复合材料。
在一些实施方案中，沿轴向延伸的空腔由支撑壁与流道板共同围合形成。
在一些实施方案中，沿轴向延伸的空腔由支撑壁单独围合形成。
在一些实施方案中，沿轴向延伸的空腔是沿轴线延伸的筒形空腔。
在一些实施方案中，沿轴向延伸的空腔的横截面形状为四边形。
在一些实施方案中，支撑壁沿轴线方向延伸，支撑壁与流道板沿轴线方向具有相同的尺寸。
在一些实施方案中，风扇叶片平台的仅以下位置的表面上覆有包裹层：第一侧缘、第二侧缘、以及从第一侧缘至第二侧缘途径的全部径向向内表面；
在一些实施方案中，风扇叶片平台还包括用于将风扇叶片平台安装于风扇盘上的安装特征，安装特征设置在包裹层上。
在一些实施方案中，支撑壁上有减重孔。
在一些方面，提供一种制备上述任一项的风扇叶片平台的方法，包括：
(1)提供第一预成型体，其具有流道板的形状尺寸，其材质为碳纤维织物预浸料；
(2)提供第二预成型体，其具有支撑壁的形状尺寸，其材质为碳纤维织物预浸料；
(3)提供复合材料层状物，复合材料层状物的材质为纤维增强的热塑性弹性体；
(4)将复合材料层状物、第二预成型体、第一预成型体按由下至上的顺序置于成型模组件上，在复合材料层状物与第一预成型体和第二预成型体的接触面施加胶粘剂
(5)将步骤(4)的产物固化成型。
在一些实施方案中，复合材料层状物的制备方法包括：
将碳纤维与热塑性弹性体混合，输送至哈克转矩流变仪中熔融共混，共混条件为：温度170℃～190℃，转子转速30r/min～60r/min，共混时间10min～15min。
在一些实施方案中，步骤(5)中，固化成型在平板硫化机上进行，固化温度为170℃～190℃，固化时间为1h～3h，固化压力为0.4MPa～0.8MPa。
在一些实施方案中，风扇叶片平台用于涡扇发动机，例如，用于涡扇发动机的风扇增压极。
术语说明：
术语“短切碳纤维”是指平均长度为1mm-100mm，例如1mm～50mm，例如1mm～20mm，例如1mm～10mm的碳纤维。
术语“热塑性弹性体”是指随着温度的升高而软化并流动、在冷却时变为相对坚硬而结实的状态、并且具有橡胶状弹性的材料。术语“热塑性弹性体”的定义包括由包含硬链段和软链段的共聚物组成的热塑性树脂。
术语“纤维增强”是指材料内部分散有作为增强相的纤维。
术语“轴线”是指基本平行于风扇盘旋转轴的方向，例如与风扇盘旋转轴的夹角在30°以下，20°以下、10°以下、或5°以下。
术语“径向”是指基本垂直于风扇盘旋转轴的方向，例如于风扇盘旋转轴的夹角为70°～90°，80°～90°或90°。
有益效果
本公开一项或多项技术方案具有以下一项或多项有益效果：
1.本公开提供了一种航空发动机复合材料风扇叶片平台，可以用在航空发动机风扇增压级风扇盘上，用来与相邻的风扇叶片形成流道面。
2.本公开使用纤维增强热塑性弹性体复合材料作为包覆层，包覆了风扇叶片平台的特定位置，改善了风扇叶片平台的装配性能。
3.本公开提供的复合材料风扇叶片平台，通过支撑壁形成了沿轴向延伸的空腔，该结构可以满足高负荷离心载荷作用下抗变形能力。
4.本公开提供的复合材料风扇叶片平台，设置了与风扇叶片和风扇盘相配的包覆层结构，该结构在风扇叶片高速旋转降低对叶片和叶片平台复合材料主体结构的磨损风险。
5.本公开提供的叶片平台包覆层结构还可以在风扇叶片受到外物撞击时，可吸收冲击能量，从而降低对风扇叶片的损伤。
6.本公开使用环氧树脂浸渍碳纤维布制成的预浸料通过模压成型制备复合材料风扇叶片平台支撑壁和底板，赋予风扇叶片平台良好的力学性能。
附图说明
图1为一个风扇叶片平台安装在风扇盘上的示意图；
图2为一个风扇叶片平台的横截面(AA截面)示意图；
图3为一个风扇叶片平台的侧视示意图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用药品或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
涡轮风扇发动机通常包括一个风扇组件(如风扇增压级)，该风扇组件包括风扇盘以及从风扇盘沿径向向外延伸的多个沿周向间隔开的风扇叶片，风扇叶片平台设置在相邻的风扇叶片之间，以提供内流路边界。
图1为一个风扇叶片平台安装在风扇盘上的示意图，图2为一个风扇叶片平台的横截面(图1风扇叶片平台的AA截面)示意图。
如图1和图2所示，风扇盘4能够绕旋转轴40旋转，风扇叶片平台1安装在风扇盘4上。风扇叶片平台包括流道板10、支撑壁20和包裹层30。流道板10安装风扇盘4上两个相邻风扇叶片之间。沿轴向(即旋转轴40的方向)延伸。风扇叶片平台1具有径向向外的顶面12和径向向内的底面14。风扇叶片平台1还具有分别朝向两个相邻风扇叶片的第一侧缘13和第二侧缘15。支撑壁20设置于流道板10的底面14，在流道板10的底面14围合形成一个沿轴向延伸的空腔25。风扇叶片平台的至少以下位置的表面上覆有包裹层30：第一侧缘13、第二侧缘15、以及从第一侧缘13至第二侧缘15途径的全部径向向内表面；包裹层30的材质为纤维增强的热塑性弹性体复合材料。
第一侧缘13和第二侧缘15是风扇叶片平台1与风扇叶片的接触面，包覆层30包覆了第一侧缘13和第二侧缘15，从而降低了风扇叶片对风扇叶片平台1的磨损风险。
支撑壁20是用于将流道板10支撑于风扇盘4的部件。包覆层30包覆了支撑壁20径向向内的表面，从而降低了风扇盘4对风扇叶片平台1的磨损风险。
另外，在风扇叶片受到外物撞击时，包覆层30还可以起到吸收冲击能量的缓冲作用，从而降低对风扇叶片及风扇叶片平台的损伤。
图3为一个风扇叶片平台的侧视示意图。该示意图示出了第一侧缘13的表面和支撑壁20的一个侧面，该侧面上设有减重孔27。
下面通过实施例1描述一个采用模压成型工艺制备一个风扇叶片平台的过程。
实施例1
(1)将碳纤维织物环氧树脂预浸料按照支撑壁预成型体(盒型)和流道板预成型体(板型)各自的铺层方向和尺寸剪裁。
(2)在一个整体芯模上，将上述裁剪好的预浸料按照铺层顺序依次叠放在一起，形成支撑壁预成型体(盒型)。
(3)在一个上型面模具组件上，将上述裁剪好的预浸料按照铺层顺序依次叠放在一起，形成流道板预成型体(板型)。
(4)将支撑壁预成型体(盒型)和其内部的整体芯模一并与步骤(3)获得的带有流道板预成型体(板型)2的上型面模具组件组合，获得组合件。
(5)制备包覆层碳纤维增强各向同性热塑性弹性体复合材料层状体。按短切碳纤维含量为20wt％的配比与热塑性弹性体如热塑性聚氨酯(TPU)混合，输送至哈克转矩流变仪中熔融共混，加工条件为：温度180℃，转子转速50r/min，共混时间10min。
(6)将步骤(5)得到的碳纤维增强各向同性热塑性弹性体复合材料置于Ω型下型面成型模组件上，将步骤(4)得到的组合件放置于带有上述复合材料层状体的Ω型下型面成型模组件内，在二者的接触表面涂敷胶粘剂，圆角过渡区域按需要进行填充，上型面和下型面模具组装到位。
(7)在平板硫化机上固化成型，成型条件为：温度180℃，固化时间为1h，固化压力为0.5MPa。
(8)模具温度下降到60℃以下开模，脱出制件，即得到带有Ω型包覆层的复合材料风扇叶片平台。其中，Ω型包覆层厚度1mm。
尽管本发明的具体实施方式已经得到详细的描述，但本领域技术人员将理解：根据已经公开的所有教导，可以对细节进行各种修改变动，并且这些改变均在本发明的保护范围之内。本发明的全部范围由所附权利要求及其任何等同物给出。

Claims (14)

1.一种风扇叶片平台，包括：
流道板(10)，所述流道板(10)用于安装在风扇盘(4)上两个相邻风扇叶片之间，沿轴向延伸，其具有径向向外的顶面(12)和径向向内的底面(14)，其还具有分别朝向两个相邻风扇叶片的第一侧缘(13)和第二侧缘(15)；
支撑壁(20)，所述支撑壁(20)设置于所述流道板(10)的底面(14)，在所述流道板(10)的底面(14)围合形成一个沿轴向延伸的空腔(25)；和
包裹层(30)，所述风扇叶片平台的至少以下位置的表面上覆有包裹层(30)：第一侧缘(13)、第二侧缘(15)、以及从第一侧缘(13)至第二侧缘(15)途径的全部径向向内表面；
所述包裹层(30)的材质为纤维增强的热塑性弹性体复合材料。
2.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，所述纤维增强的热塑性弹性体复合材料含有热塑性弹性体组分，所述热塑性弹性体组分选自聚氨酯热塑性弹性体(TPU)、苯乙烯热塑性弹性体(TPES)或聚烯烃热塑性弹性体(TPO)中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，所述纤维增强的热塑性弹性体材料中含有纤维组分，所述纤维组分含有碳纤维；
优选地，所述纤维组分中碳纤维的含量为90wt％以上。
4.根据权利要求3所述的风扇叶片平台，所述碳纤维是短切碳纤维。
5.根据权利要求3所述的风扇叶片平台，所述纤维增强的热塑性弹性体复合材料中碳纤维的含量为10wt％～30wt％。
6.根据权利要求1所述的方法，所述包裹层(30)的厚度为1mm～5mm。
7.根据权利要求1所述的方法，所述包裹层(30)的截面具有“Ω”形状。
8.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，其具有以下一项或多项特征：
-所述流道板(10)的材质为纤维织物增强的环氧树脂复合材料；
-所述支撑壁(20)的材质为纤维织物增强的环氧树脂复合材料。
9.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，其具有以下任一项特征：
-所述沿轴向延伸的空腔(25)由支撑壁(20)与所述流道板(10)共同围合形成；
-所述沿轴向延伸的空腔(25)由支撑壁(20)单独围合形成。
10.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，还包括用于将风扇叶片平台安装于风扇盘上的安装特征，所述安装特征设置在包裹层(30)上。
11.根据权利要求1所述的风扇叶片平台，所述支撑壁上有减重孔。
12.一种制备权利要求1～11任一项所述的风扇叶片平台的方法，包括：
(1)提供第一预成型体，其具有流道板(10)的形状尺寸，其材质为碳纤维织物预浸料；
(2)提供第二预成型体，其具有支撑壁(20)的形状尺寸，其材质为碳纤维织物预浸料；
(3)提供复合材料层状物，所述复合材料层状物的材质为纤维增强的热塑性弹性体；
(4)将复合材料层状物、第二预成型体、第一预成型体按由下至上的顺序置于成型模组件上，在复合材料层状物与第一预成型体和第二预成型体的接触面施加胶粘剂
(5)将步骤(4)的产物固化成型。
13.根据权利要求12所述的方法，所述复合材料层状物的制备方法包括：
将碳纤维与热塑性弹性体混合，输送至哈克转矩流变仪中熔融共混，共混条件为：温度170℃～190℃，转子转速30r/min～60r/min，共混时间10min～15min。
14.根据权利要求12所述的方法，步骤(5)中，所述固化成型在平板硫化机上进行，固化温度为170℃～190℃，固化时间为1h～3h，固化压力为0.4MPa～0.8MPa。
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