CN114876869A - 风扇叶片以及航空发动机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风扇叶片以及航空发动机，涉及航空发动机领域，用以提高风扇叶片的抗鸟撞能力。该风扇叶片包括叶片本体以及填充件。叶片本体的前缘设置有齿槽。填充件设置于齿槽中，且填充件与叶片本体光滑过渡且两者固定连接。上述技术方案提供的风扇叶片，同时具有齿槽和填充件，两者固定连接。在风扇叶片正常工作的情况下，填充件和叶片本体共同形成完整的光滑外型面。填充件不会在离心载荷的作用下与叶片本体分离。在飞鸟撞击到风扇叶片之后，在撞击力的作用下，撞击区域的填充件与叶片本体分离而掉落，撞击区域的齿槽间的齿也因为撞击而断裂。这样就提高了风扇叶片的抗鸟撞能力，优化了风扇叶片的性能。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机领域，具体涉及一种风扇叶片以及航空发动机。
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。相关技术中采用实心风扇叶片，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。轻质合金是超强轻质结构金属，具有高比强度和高比模量，目前逐步使用在航空发动机零部件、包括风扇叶片中。
发明人发现，现有技术中至少存在下述问题：尽管通过制造工艺手段能够提升铝合金的一些材料性能，但是这些方式提升的材料性能仍然难以满足鸟类撞击载荷的要求。所以，如果想将轻质合金应用于风扇叶片，目前亟需解决轻质合金不满足鸟类撞击载荷要求的难题。
发明内容
本发明提出一种风扇叶片以及航空发动机，用以优化风扇叶片的性能。
本发明实施例提供了一种风扇叶片，包括：
叶片本体，所述叶片本体的前缘设置有齿槽；以及
填充件，设置于齿槽中，且所述填充件与所述叶片本体光滑过渡且两者固定连接。
在一些实施例中，所述齿槽被构造为直槽，所述填充件的形状与所述齿槽的形状匹配。
在一些实施例中，所述齿槽被构造为阶梯槽，且位于所述齿槽槽口一侧的开口尺寸大于位于所述齿槽槽底一侧的开口尺寸；其中，所述填充件的形状与所述齿槽的形状匹配。
在一些实施例中，沿着从榫槽到叶尖的方向，所述齿槽分布于所述叶片本体10％～90％的区域。
在一些实施例中，所述齿槽的深度为所述叶片本体的弦长的20％～30％。
在一些实施例中，所述叶片本体的材质包括轻质合金。
在一些实施例中，所述填充件的材质选自以下其中一种：树脂、橡胶。
在一些实施例中，所述填充件被构造为通过热熔成型的方式与所述叶片本体固定。
在一些实施例中，所述叶片本体和所述填充件的表面均覆盖有涂层，所述涂层被构造为使得所述风扇叶片的外型面光滑。
在一些实施例中，所述涂层的材质为聚氨酯。
本发明实施例还提供一种航空发动机，包括本发明任一技术方案所提供的风扇叶片。
上述技术方案提供的风扇叶片，同时具有齿槽和填充件，两者固定连接。在风扇叶片正常工作的情况下，填充件和叶片本体共同形成完整的光滑外型面。填充件不会再离心载荷的作用下与叶片本体分离。在飞鸟撞击到风扇叶片之后，在撞击力的作用下，撞击区域的填充件与叶片本体分离而掉落，撞击区域的齿槽间的齿也因为撞击而断裂。由于齿和齿之间间隔有齿槽，在这些撞击区域的齿断裂的过程中，这些齿主动失效吸能，这样就通过可控的局部损伤来降低、甚至避免导致更严重失效的整体损伤，这样就提高了风扇叶片的抗鸟撞能力，优化了风扇叶片的性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明一些实施例提供的风扇叶片的安装示意图；
图2为本发明一些实施例提供的风扇叶片齿槽结构示意图；
图3为本发明一些实施例提供的风扇叶片填充件结构示意图；
图4为本发明另一些实施例提供的风扇叶片齿槽结构示意图；
图5为本发明另一些实施例提供的风扇叶片填充件结构示意图；
图6为不设置齿槽的风扇叶片的抗鸟撞能力的仿真试验图；
图7为本发明一些实施例提供的风扇叶片采用直槽时抗鸟撞能力的仿真试验图；
图8为本发明另一些实施例提供的风扇叶片采用阶梯槽时抗鸟撞能力的仿真试验图。
具体实施方式
下面结合图1～图8对本发明提供的技术方案进行更为详细的阐述。
风扇叶片是大涵道比涡扇发动机的第一级转子叶片。参见图1，本发明实施例提供一种风扇叶片，图1中的A区域为风扇叶片容易被飞鸟撞击的区域，箭头P示意了进气方向。A区域所在的一侧为风扇叶片的前缘。
参见图1和图2，风扇叶片包括叶片本体1以及填充件2。叶片本体1的前缘设置有齿槽11。在一些实施例中，齿槽11成排布置，每个齿槽11的深度基本一致，每个齿槽11的宽度也基本一致。整体来看，成排设置的齿槽11的槽底的连线与叶片本体1前缘的型线一致。填充件2设置于齿槽11中，且填充件2与叶片本体1光滑过渡且两者固定连接。填充件2与齿槽11固定连接，且不是一体的。具体可以采用热熔等方式实现两者固定连接。这种固定连接方式在风扇叶片正常工作的情况下，填充件2和叶片本体1共同形成完整的光滑外型面，在风扇叶片正常工作过程中，填充件2不会在离心载荷的作用下与叶片本体1分离。在飞鸟撞击到风扇叶片之后，在撞击力的作用下，撞击区域的填充件2与叶片本体1分离而掉落，撞击区域的齿槽11间的齿也因为撞击而断裂。由于相邻两个齿槽11之间的部分为齿。齿和齿之间间隔有齿槽11，在这些撞击区域的齿断裂的过程中，齿主动失效吸能而断裂，每个齿都是独立的，这样一个齿的断裂不会导致与之相邻的其他齿叶必然断裂，除非这些齿本身叶受到了撞击，这样就通过可控的局部损伤来降低、甚至避免导致更严重失效的整体损伤，这样就提高了风扇叶片的抗鸟撞能力。所谓抗鸟撞能力是指：鸟类与飞行中的航空发动机发生碰撞时，风扇叶片损伤的范围。按照适航要求，航空发动机风扇叶片需要具备抵抗鸟类撞击损伤的能力。对于中等质量的鸟类撞击，要求风扇叶片损伤控制在限制的范围之内(即由此产生的航空发动机推力损失不超过25％)。
参见图2和图3，在一些实施例中，齿槽11被构造为直槽，填充件2的形状与齿槽11的形状匹配。齿槽11为直槽是指沿着槽深的方向，齿槽11的每个地方的宽度是相同的。齿槽11采用以下形成方式：先锻造或者挤压成型，来形成不带齿槽11的叶片本体1。然后通过机加工在叶片本体1的前缘开设齿槽11。直槽和后文介绍的阶梯槽均采用该方式形成。这种方式加工形成的叶片本体1，与树脂基复合材料风扇叶片和钛合金空心风扇叶片相比，能够极大降低成本、提高工艺稳定性。填充件2的形状与齿槽11的性质匹配，换句话说，填充件2的形状与形成齿槽11时，机加工去掉的叶片本体1的部分的形状相同。填充件2的形状大致为柱形的。采用上述结构的直槽，使得填充件2在风扇叶片正常工作离心载荷作用下不会脱落，同时又能在鸟撞载荷作用下易于脱落。不设置齿槽11的风扇叶片的抗鸟撞能力的仿真试验参见图6，图6中M1区域为被飞鸟撞击后风扇叶片脱落的区域。采用直槽的风扇叶片的抗鸟撞能力的仿真试验参见图7。图7中M2区域为被飞鸟撞击后风扇叶片脱落的区域。对比图6的脱落区域M1和图7的脱落区域M2的大小可以看出，采用本发明实施例提供的直槽，极大地提高了风扇叶片的抗鸟撞能力。
参见图4和图5，在一些实施例中，齿槽11被构造为阶梯槽，且位于齿槽11槽口一侧的开口尺寸大于位于齿槽11槽底一侧的开口尺寸；其中，填充件2的形状与齿槽11的形状匹配。齿槽11为阶梯槽，这样填充件2的形状也为阶梯状的，填充件2和齿槽11在每个台阶处都能形成定位和配合，这样使得填充件2与叶片本体1的连接更加可靠。采用上述结构的阶梯槽，也使得填充件2在风扇叶片正常工作离心载荷作用下不会脱落，同时又能在鸟撞载荷作用下易于脱落。不设置齿槽11的风扇叶片的抗鸟撞能力的仿真试验参见图6，图6中M1区域为被飞鸟撞击后风扇叶片脱落的区域。采用阶梯槽的风扇叶片的抗鸟撞能力的仿真试验参见图8。图8中M3区域为被飞鸟撞击后风扇叶片脱落的区域。对比图6的脱落区域M1和图8的脱落区域M3的大小可以看出，采用本发明实施例提供的阶梯槽，也极大地提高了风扇叶片的抗鸟撞能力。
参见图2或者图4，在一些实施例中，沿着从榫槽到叶尖的方向，齿槽11分布于叶片本体1的10％～90％的区域，比如设置齿槽11的区域L1占风扇叶片整个区域L2的10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％。风扇叶片前缘从榫头到叶尖10％～90％这段区域是最可能遭受鸟类撞击的区域。在叶片本体1的这段区域设置齿槽11，以形成梳齿结构(或者称为篦齿结构)，以减小鸟类撞击承力面积、易于局部损伤脱落，使得风扇叶片的整体性能仍然能够满足使用要求。并且，可以通过调节齿槽11分布的区域L1的大小，控制鸟撞后失效区域的大小，从而满足不同尺寸的风扇叶片的抗鸟撞试验要求，避免风扇叶片整体失效。
参见图2至图4，在一些实施例中，齿槽11的深度H1为叶片本体1的弦长H2的20％～30％。齿槽11深度采用上述范围，一方面兼顾了叶片本体1的性质，在叶片本体1的其他区域，叶片本体1的厚度比较大，在飞鸟撞击时不易被飞鸟撞坏；另一方面，也兼顾了叶片本体1的强度要求，如果齿槽11深度过深，可能会降低叶片本体1的整体强度。
参见图2和图4，在一些实施例中，叶片本体1的材质包括轻质合金。上述技术方案，采用具有非常高的比强度和比模量的轻质合金，使风扇叶片在重量上具有了与碳纤维复合材料相当，甚至优于碳纤维复合材料的减重设计空间。
在一些实施例中，填充件2的材质选自以下其中一种：树脂、橡胶。风扇叶片前缘设置齿槽11后，导致风扇叶片气动外形不连续，因此，齿槽11中填充更轻的填充物，如树脂、橡胶等，这样使得风扇叶片气动外形连续，以满足风扇叶片的气动性能要求。
参见图2和图4，在一些实施例中，填充件2被构造为通过热熔成型的方式与叶片本体1固定。然后打磨提高风扇叶片表面的光洁度，使得风扇叶片的气动性能更优。
在一些实施例中，叶片本体1和填充件2的表面均覆盖有涂层(图未示出)。涂层被构造为使得风扇叶片的外型面光滑，进一步提高表面光洁度、增加风扇叶片的耐磨和耐腐蚀能力。
在一些实施例中，涂层的材质为聚氨酯。
本发明实施例还提供一种航空发动机，包括本发明任一技术方案所提供的风扇叶片。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种风扇叶片，其特征在于，包括：
叶片本体(1)，所述叶片本体(1)的前缘设置有齿槽(11)；以及
填充件(2)，设置于齿槽(11)中，且所述填充件(2)与所述叶片本体(1)光滑过渡且两者固定连接。
2.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述齿槽(11)被构造为直槽，所述填充件(2)的形状与所述齿槽(11)的形状匹配。
3.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述齿槽(11)被构造为阶梯槽，且位于所述齿槽(11)槽口一侧的开口尺寸大于位于所述齿槽(11)槽底一侧的开口尺寸；其中，所述填充件(2)的形状与所述齿槽(11)的形状匹配。
4.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，沿着从榫槽到叶尖的方向，所述齿槽(11)分布于所述叶片本体(1)10％～90％的区域。
5.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述齿槽(11)的深度为所述叶片本体(1)的弦长的20％～30％。
6.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述叶片本体(1)的材质包括轻质合金。
7.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述填充件(2)的材质选自以下其中一种：树脂、橡胶。
8.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述填充件(2)被构造为通过热熔成型的方式与所述叶片本体(1)固定。
9.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述叶片本体(1)和所述填充件(2)的表面均覆盖有涂层，所述涂层被构造为使得所述风扇叶片的外型面光滑。
10.根据权利要求9所述的风扇叶片，其特征在于，所述涂层的材质为聚氨酯。
11.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1～10任一所述的风扇叶片。
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| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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