CN114127387B - 鼓风机轮叶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机的鼓风机轮叶(1)，该鼓风机轮叶包括由复合材料制成的结构，该结构包括纤维增强体(11)和嵌入有该纤维增强体(11)的基体。轮叶(1)包括第一加强插入件(20)和至少一个第二插入件(21)，该第一加强插入件沿着第一方向延伸，至少一个第二插入件沿着与第一方向不共线的第二方向连接到第一插入件，第一插入件(20)从轮叶(1)伸出，以连接到涡轮机元件的盘。

Description

鼓风机轮叶

技术领域

本发明涉及叶片领域，特别地涉及用于涡轮机、特别是航空型涡轮机的叶片领域。

背景技术

涡轮机通常包括压缩机、燃烧室和涡轮，该涡轮构成用于产生动力的气体发生器。压缩机的作用是增加提供给燃烧室的空气压力。涡轮的作用是通过从离开燃烧室的热气体中获取部分压力能并通过将该部分压力能转化为机械能来驱动压缩机旋转。

涡轮机可以是“双流”型涡轮机，即该“双流”型涡轮机由两股空气流(主流和次级流)穿过。主流由单流涡轮机的构成元件产生，在该单流涡轮机中增加了一个或多个附加涡轮以驱动压缩叶片装置，即风扇。风扇配备有大尺寸叶片，风扇叶片产生次级流。风扇略微增加了通过该风扇的气体的压力，但由于该风扇的直径大，因此所产生的用于推力的能量高。气流矫直机叶栅位于风扇的后面，以矫直来自风扇的空气流。

民用飞行器的发动机的当前趋势旨在降低燃料消耗率、噪音污染和氮氧化物(Nox)排放。发动机制造商采用的技术解决方案之一是增加主流和次级流之间的涵道比。因此，多种架构(诸如超高涵道比(UHBR，Ultra High Bypass Ratio)发动机和无导管双螺旋桨(反向旋转开式转子(CROR，Counter Rotating Open-Rotor)或无导管单风扇(USF，Unducted Single Fan))发动机被设想为用于中程飞行的当前涡轮机的潜在替代品。

更具体地，USF架构包括牵引发生器以及动力发生器，牵引发生器是类似于风扇的螺旋桨，其后面是无导管矫直机叶栅，该动力发生器使得能够驱动牵引发生器。

此外，已知使用由基于浸渍有有机基体的增强纤维的复合材料制成的涡轮机叶片。

与金属叶片相比，这些复合材料叶片因其轻巧和强度而受到赞赏。另外，这些叶片通常由与高强度热固性树脂基体相关的玻璃、碳、凯芙拉纤维等制成。这种材料在纤维方向上具有良好的强度，但是所述纤维的一些构型可能具有缺点(例如对机械强度的限制)，从而导致例如强度限制，以避免分层。因此，一些构型适于特定类型的涡轮机系列，而难以适于其他类型的涡轮机，这例如取决于所需的推力的量或更普遍地取决于涡轮机的性能。当使用高弹性模量的纤维(例如碳)时，这同样适用于刚度。纤维布置在叠置的织物的束和/或网中，叠置的织物布置在壳中或覆盖在芯部周围。

叠置的织物网在织物网的平面中，特别是在组成织物网的纬纱线和经纱线的方向上具有良好的强度。分层是指织物网之间的复合材料例如在摄入大型鸟类所引起的强烈震动的作用下的分离。

此外，为了提高叶片对异物冲击的抵抗力，织物网通常沿着叶片的表面布置而没有切口，织物网的端部到达叶片的表面可能会导致在该位置处分层的弱点。在用于飞行器的涡轮发动机的风扇叶片的情况下，特别是当涉及被称为“宽弦”叶片的叶片时，也就是说涉及在前缘和后缘之间具有大距离的叶片时，该技术可能很难发展。这种叶片可以达到1200mm的高度并且前缘和后缘之间的距离为500mm，同时保持薄且轻。这种叶片更特别地受到由涡轮发动机摄入的异物(例如鸟类)的冲击。在由这些叶片所承受的各种应力中，其中两个应力需要相互矛盾的技术解决方案：

1)叶片按照不同的本征模态(特别是弯曲模态和扭转模态)振动。为了克服这一点，必须增加叶片的刚度，并在大量叶片中布置由具有高弹性模量的材料制成的高密度纤维。

2)叶片可能受到异物的冲击，这会导致织物网之间的基体的断裂，从而导致这些网相对于彼此的分离。被称为“分层”的这种断裂在冲击点处开始，然后在相关的不同织物网之间传播。问题是，分层由叶片的必要刚度促进，这阻止了对冲击的震动的吸收。

已知的织物包括多个层，多个层通过穿过多个层的附加的纱线直接连接在一起以进行编织，并且用每一层的纬纱线和经纱线编织。因此，这些织物被称为3D织物，D是指维度。附加的纱线在织物内部提供了很大的抗分层力，但附加的纱线使该同样的织物更重。

从专利FR 2 610 951中也已知多层织物，多层织物的经纱线各自穿过多个层，该织物使得有可能制造薄结构，特别是制造用于航天器的热保护元件的薄结构。这些织物在相同质量下比上述3D织物提供更好的强度，但这些织物没有解决织物网之间的分层问题，然后该织物网以连续的层组装以构成叶片。

另外，从文献FR2732406中已知，使用用于使由3D织物制成的叶片加强的插入件。然而，这些插入件非常适于某些应用。然而，寻求特别是使叶片适于可变节距定子级中的应用的改进。在这种类型的应用中，特别是对于涡轮机中叶片的紧固连接的约束是特定的，例如为定子级的叶片提供足够的刚度，同时在可变节距定子级的情况下确保节距修改。

因此，希望具有足够刚度的叶片，以附接到可变节距定子级并确保节距修改。

在本说明书中，对应于叶片轮的级也可以被定性为叶片装置。

发明内容

根据第一方面，本发明提出了一种涡轮机的风扇叶片，该风扇叶片包括复合材料结构，该复合材料结构包括纤维增强体和嵌入有纤维增强体的基体。风扇叶片包括第一加强插入件和至少一个第二插入件，第一加强插入件沿着第一方向延伸，至少一个第二插入件沿着与第一方向不共线的第二方向连接到第一插入件，所述第一插入件从叶片伸出，以连接到涡轮机元件的盘。

因此，以特别有利的方式，彼此连接的两个插入件使得叶片能够具有足够的刚度以附接到可变节距定子级并确保节距修改。

被称为径向插入件的第一插入件可以沿着叶片的径向方向延伸。

被称为轴向插入件的第二插入件可以沿着叶片的轴向方向延伸。

插入件可以彼此组装，以形成交叉形。

径向插入件可以具有适于由轴向插入件穿过的通孔。

纤维增强体可以通过对股线进行三维编织来获得。

纤维增强体可以具有径向未结合件，该径向未结合件从叶片的底部起直到叶片的高度的约60％，并且介于在叶片的轮叶根部处的弦的20％至30％之间。

纤维增强体可以具有轴向未结合件，该轴向未结合件位于叶片的、从叶片的底部起的高度的20％至60％之间，并且在叶片的前缘或后缘上伸出。

根据另一个方面，本发明提出了一种用于制造根据本发明的风扇叶片的方法，该方法包括以下步骤：

-提供纤维增强体，

-将插入件定位并组装在纤维增强体中，

-将树脂注射在纤维增强体上。

插入件的定位可以通过未结合件来实现。

根据另一个方面，本发明提出了一种涡轮机，该涡轮机包括根据本发明的叶片。

该涡轮机可以包括相对于气体的流动方向的上游转子级和下游可变节距定子级，该可变节距定子级能够包括至少一个叶片。

根据另一个方面，本发明提出了一种飞行器，该飞行器包括至少一个根据本发明的涡轮机。

附图说明

通过以下仅为示例性而非限制性的、并且应该结合附图来阅读的描述，本发明的其它特征、目的和优点将显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的叶片的示意截面图。

图2是根据本发明的两个插入件在轴向平面中的组装的示意图。

图3是根据本发明的两个插入件在径向平面中的组装的示意图。

图4是未结合件在轴向平面中的示意图。

图5是未结合件在径向平面中的示意图。

图6是根据本发明的在纤维增强体上的树脂注射步骤的示意图。

图7是根据本发明的涡轮机的示意图。

在所有的图中，类似的元件具有相同的附图标记。

具体实施方式

在本申请中，上游和下游特别是在包括叶片1的可变节距定子级100中相对于涡轮机10中的气体的正常流动方向而限定。此外，可变节距定子级100的旋转轴线是指可变节距定子级100的径向对称轴线X，该轴线X对应于涡轮机的总旋转轴线，特别是对应于涡轮机的转子的旋转轴线。根据在此所提出的实施例，叶片1固定到可变节距定子级100。然而，根据其它实施例，叶片1可以固定到任何类型的风扇，而不会引起显著的结构修改。

轴向方向X’对应于位于与可变节距定子级100的轴线X的方向大致平行的平面中并连接叶片1的前缘和后缘的方向，径向方向Z是垂直于该轴线X并穿过该轴线的方向。这两个方向限定在正交的参考系中，该参考系还集成了方位角的方向(未示出)。为了方便起见，在本说明书中，将考虑矢量X’沿着涡轮机的方向定向的情况。然而，可以理解，所提出的涡轮机10的定子级100是可变节距定子级，矢量X’的定向可以根据该级的叶片的定向而变化，但是为了便于在说明书中进行解释，考虑了矢量的方向，同时矢量的方向保持在大致平行于轴线X的平面中。同样，对应于方向Z的矢量Z从涡轮机的中心向外部定向。

可变节距定子级100包括承载多个叶片1的盘，多个叶片与固定装置101相关联，固定装置与可变节距系统102相关联。在此，盘的概念在一般定义中对应于用于在涡轮机中，在叶片底部的一般截面中固定叶片的任何装置。

叶片

每个叶片1包括由复合材料制成的结构，该结构包括通过三维编织获得的纤维增强体11和嵌入有纤维增强体11的基体。

该复合材料结构形成翼型轮叶12。

轮叶12以其本身已知的方式具有底部13、顶部16、前缘14和后缘15、内壁和外壁。底部13在此对应于轮叶的径向内端部截面，轮叶的径向内端部截面与该轮叶的顶部相对，该顶部是轮叶的径向外端部。

前缘14被构造成面向进入涡轮机的气体的流动而延伸。前缘对应于翼型的前部部分，该前部部分面向空气流，并将空气流动分为内部流动和外部流动。后缘15就其本身而言对应于翼型的后部部分，内部流动和外部流动在该后部部分相遇。

最后，该结构由多个叶片截面1形成，多个叶片截面沿着堆叠轴线从底部13堆叠，该堆叠轴线与相对于风扇的旋转轴线X径向延伸的径向方向Z相对应。

在下文中，“高度”将指沿着径向方向Z的距离。

因此，轮叶12的高度h对应于该轮叶的底部13和该轮叶的顶部16之间的沿着径向方向Z的距离。

纤维增强体

纤维增强体11可以由纤维预制件形成为单件，该单件通过具有变化厚度的三维或多层编织获得。该纤维增强体包括经股线和纬股线，该经股线和纬股线可特别地包括碳、玻璃、玄武岩和/或芳纶纤维。基体就其本身而言通常是聚合物基体，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺。然后，叶片1通过树脂转移模塑(RTM，Resin Transfer Molding)或真空树脂转移模塑(VARRTM，Vacuum Resin Transfer Molding)类型的真空树脂注射工艺进行模塑而形成。

在此所示的示例中，纬股线111沿着轴向方向X’延伸，并且经股线112沿着径向方向Z延伸。

根据特定的技术布置，纤维增强体11具有未结合件113和114。

优选地，纤维增强体11具有径向未结合件113，该径向未结合件从叶片1的底部13起直到叶片1的高度h的约60％，并且介于弦的20％至30％之间，该弦在叶片1的轮叶的底部中从轮叶的前缘14延伸到后缘15。径向未结合件113是指经股线112不再在两列固定的经股线112之间的纤维增强体11的整个厚度上连接。

另外，纤维增强体11具有轴向未结合件114，该轴向未结合件位于叶片1的、从叶片1的轮叶的底部13起的高度的20％至60％之间，并且在叶片1的整个弦上伸出，该弦从前缘14延伸到后缘15。轴向未结合件114是指经股线112不再在两列固定的纬股线111之间的纤维增强体11的整个厚度上连接。

未结合件113和114是本发明的特别有利的技术布置，未结合件的功能将在下文详细说明。

插入件

根据特别有利的布置，叶片1包括两个加强插入件20、21。第一插入件20沿着第一方向延伸，并且第二插入件21沿着与第一方向不共线的第二方向延伸。

换言之，两个插入件20和21沿着两个相交的方向定向。

如下文将详细说明的，这种布置特别地通过使得插入件20和21能够在旋转中相互阻挡来使叶片1加强。如下文将详细说明的，插入件被嵌入在复合材料结构中。因此，在插入件上传递的扭矩传到另一个插入件，并传递到整个复合材料结构。两个插入件的定向增加了由传递到插入件的扭矩产生的力矩。因此，在所传递的扭矩旨在使叶片1枢转的情况下，两个插入件20和21的布置使得能够有效地修改叶片1的定向。同样，在叶片1必须承受所传递的扭矩的相反情况下，插入件20和21的布置使得能够具有用于将叶片1保持在所需位置的大阻力扭矩。

根据在此提出的实施例，第一插入件(被称为径向插入件20)沿着径向方向Z延伸，第二插入件(被称为轴向插入件21)沿着轴向方向X’延伸。

如图2和图3所示，两个插入件20和21可以各自具有大致椭圆形截面的杆的形状。另外，优选地，插入件20和21以交叉形式组装。根据该布置，径向插入件20具有适于由轴向插入件21穿过的轴向通孔201。

根据在此所示的实施例，插入件嵌入另一个内部。

以特别有利的方式，插入件20和21的椭圆形截面使得能够通过将插入件布置在孔或互补的椭圆形腔中来容易地阻挡旋转。如下文将描述的，该布置使得能够将扭矩容易地传递到径向插入件20。

如图所示，径向插入件20从轮叶的底部13伸出。该布置使得能够使用径向插入件20以将叶片1组装到可变节距系统101。可变节距系统101适于将扭矩转移到径向插入件20，以使叶片1围绕径向方向Z枢转。

容易理解的是，两个插入件20和21的交叉结构使得叶片1能够加强，特别是增加围绕径向方向Z的旋转力刚度。

通常，插入件20和21是金属杆。

制造方法

根据另一个方面，本发明涉及一种用于制造叶片的方法。

该制造方法主要包括以下步骤：

-提供纤维增强体11，

-将插入件20、21定位并组装在纤维增强体11中，

-即通过对纤维增强体进行浸渍并对纤维增强体进行编织而将树脂注射在纤维增强体11上。

更具体地，纤维增强体11的供给包括对纤维增强体11的纬股线111和经股线112进行编织的步骤。优选地，纤维增强体11沿着从底部13延伸到顶部16的方向编织。

插入件20、21在纤维增强体11中的定位和组装通过未结合件113和114来实现。优选地，径向插入件20通过底部13插入。然后，轴向插入件21通过前缘14或后缘15插入并穿过径向插入件20的孔201。

然后，可以使用RTM工艺进行共注射。值得注意的是，插入件20和21在注射时存在于预制件中。该布置使得插入件20和21能够嵌入在树脂中，并因此形成复合物的整体部分。

规定在插入件由金属制成的情况下，所选的金属的特性使得插入件能够在注射期间承受模具的高温。

根据一个有利的布置，注射模具必须考虑用于径向插入件20的特定间距，该径向插入件将从轮叶12突出，以避免在该轮叶周围存在任何树脂。

可以在注射步骤结束时提供去毛刺。

在注射期间，为了简化之后的加工/表面处理操作，可以设想多种解决方案：

-第一种解决方案是同时加工轮叶12和径向插入件20的粗略过长度。在这种情况下，可能需要在径向插入件20上设置过厚度，该径向插入件将被机加工并将使得径向插入件能够具有清洁的表面条件。

-第二种解决方案是覆盖在注射期间粗略定位的径向插入件20的部分。在这种情况下，粗略定位的径向插入件的表面在该径向插入件的组装期间必须具有清洁的表面条件，因为该径向插入件的组装不会在注射后返工。该部件可以固定在模具上，或者可以简单地作为附加件装配到径向插入件20上(参见图6)。

根据另一个方面，如图7所示，本发明涉及一种涡轮机，该涡轮机包括风扇，该风扇包括相对于气体的流动方向的上游转子级和下游可变节距定子级，该可变节距定子级包括至少一个根据本发明的叶片1。

根据最后一个方面，本发明涉及一种飞行器，该飞行器包括至少一个涡轮机，至少一个涡轮机包括一个或多个根据本发明的叶片。

Claims (11)

1.一种涡轮机的风扇叶片(1)，所述风扇叶片包括：

-复合材料结构，所述复合材料结构包括通过股线(111，112)的三维编织获得的纤维增强体(11)和嵌入有所述纤维增强体(11)的基体，

-第一加强插入件(20)，所述第一加强插入件沿着第一方向延伸，以及

-至少一个第二插入件(21)，所述至少一个第二插入件沿着与所述第一方向不共线的第二方向连接到所述第一加强插入件，

所述第一加强插入件和所述第二插入件嵌入所述基体中，所述第一加强插入件(20)从所述风扇叶片(1)伸出，以连接到涡轮机元件的盘，所述纤维增强体(11)具有径向未结合件(113)，所述径向未结合件从所述风扇叶片(1)的底部(13)起直到所述风扇叶片(1)的高度(h)的约60％，并且介于在所述风扇叶片(1)的轮叶根部处的弦的20％至30％之间。

2.根据权利要求1所述的风扇叶片(1)，其中，被称为径向插入件的所述第一加强插入件(20)沿着所述风扇叶片(1)的径向方向(Z)延伸。

3.根据权利要求1或2所述的风扇叶片(1)，其中，被称为轴向插入件的所述第二插入件(21)沿着所述风扇叶片(1)的轴向方向(X’)延伸。

4.根据权利要求2所述的风扇叶片(1)，其中，被称为轴向插入件的所述第二插入件沿着所述风扇叶片(1)的轴向方向(X’)延伸，所述第一加强插入件(20)和所述第二插入件(21)彼此组装，以形成交叉形。

5.根据权利要求4所述的风扇叶片(1)，其中，所述径向插入件具有适于由所述轴向插入件穿过的通孔(201)。

6.根据权利要求1或2所述的风扇叶片(1)，其中，所述纤维增强体(11)具有轴向未结合件(114)，所述轴向未结合件位于所述风扇叶片(1)的、从所述风扇叶片(1)的底部(13)起的高度(h)的20％至60％之间，并且在所述风扇叶片(1)的前缘(14)或后缘(15)上伸出。

7.一种用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的风扇叶片(1)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供所述纤维增强体(11)，

-将所述第一加强插入件(20)和所述第二插入件(21)定位并组装在所述纤维增强体(11)中，

-将树脂注射在所述纤维增强体(11)上。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述纤维增强体(11)具有轴向未结合件(114)，所述轴向未结合件位于所述风扇叶片(1)的、从所述风扇叶片(1)的底部(13)起的高度(h)的20％至60％之间，并且在所述风扇叶片(1)的前缘(14)或后缘(15)上伸出，所述第一加强插入件(20)和所述第二插入件(21)的定位通过所述径向未结合件(113)和所述轴向未结合件(114)来实现。

9.一种涡轮机(10)，所述涡轮机包括根据权利要求1至6中任一项所述的风扇叶片(1)。

10.根据权利要求9所述的涡轮机(10)，所述涡轮机包括相对于气体的流动方向的上游转子级和下游可变节距定子级(100)，所述可变节距定子级(100)包括至少一个风扇叶片(1)。

11.一种飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求9或10所述的涡轮机(10)。