CN115111192B - 风扇叶片和航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风扇叶片和航空发动机。风扇叶片包括前缘。前缘包括叶片主体和缓冲层。缓冲层包括在厚度方向依次设置的至少两个叠片层以及设置在相邻的两个叠片层之间的粘结层。叠片层包括排列设置的多个叠片。粘结层用于粘结相邻的两个叠片层，缓冲层覆盖设置于叶片主体的外表面，当前缘受到撞击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形。当该风扇叶片受到鸟撞等外来物冲击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形，这样由冲击产生的集中载荷得到扩散，使风扇叶片更大的区域共同承受冲击载荷，从而减小局部应力集中，提高抗冲击能力。而且叠片之间通过粘结层产生结合力，使之具有一定的抗冲击能力。

Description

风扇叶片和航空发动机

技术领域

本发明涉及一种风扇叶片和航空发动机。

背景技术

飞机的起飞和降落过程是最容易发生鸟击的阶段。在飞机出现以前，没有高速人造飞行器，鸟类在空中的飞行与人类的活动互相没有重叠，不会造成危害，飞机的出现使得情况发生变化，由于飞机飞行速度快，与飞鸟发生碰撞后常造成极大的破坏，严重时会造成飞机的坠毁，因此，目前鸟撞是威胁航空安全的重要因素之一。特别对于涡扇发动机，飞鸟常常会被吸入进气口，将涡轮发动机的扇叶变形，或者卡住发动机，使发动机停机乃至起火，因此飞鸟对飞行器动力系统的破坏常常是致命的，会直接导致飞机失速坠毁。

涡扇发动机鸟撞损伤是指飞机在飞行中与飞鸟相撞，造成飞机发动机的损伤。鸟的质量虽小，但飞机和鸟的相对速度却很大，可能对某些关键部件造成损伤并危及飞行安全，所以对涡扇发动机的设计和强度都有严格要求，并进行鸟撞试验以确保安全。发动机应能承受一定数量和质量的鸟击仍能保持要求的性能。近年来，根据实际情况需要，对大型民用发动机提出了更加严格的鸟撞规定。

绝大多数鸟类都有体形小、质量轻的特征，因而鸟击的破坏主要来自飞行器的速度而非鸟类本身的质量。随着航空技术的发展，人造飞行器的速度不断提高，根据动量定理，一只0.45公斤的鸟与时速80公里的飞机相撞，会产生1500牛顿的力，与时速960公里的飞机相撞，会产生21.6万牛顿的力，高速运动使得鸟击的破坏力达到惊人的程度。

涡扇发动机风扇叶片由于其本身具有非常高的转速，所承受的鸟体撞击载荷更大，通常采用钛合金材料或钛合金金属加强边保障风扇叶片的抗鸟撞能力，但随着发动机经济性要求的提高，对航空发动机重量的降低提出了更高的要求，为了减轻风扇叶片重量，对风扇叶片厚度减薄或采用轻质合金后，如何保证其抗鸟撞能力成为设计面临的难题。

在此需要说明的是，该背景技术部分的陈述仅提供与本发明有关的背景技术，并不必然构成现有技术。

发明内容

本发明提供一种风扇叶片和航空发动机，以提高风扇叶片的抗冲击能力。

本发明第一方面提供一种风扇叶片，包括前缘，前缘包括：

叶片主体；和

缓冲层，设置于叶片主体的外表面且包括在厚度方向依次设置的至少两个叠片层以及设置在相邻的两个叠片层之间的粘结层，叠片层包括排列设置的多个叠片，粘结层用于粘结相邻的两个叠片层，缓冲层覆盖设置于叶片主体的外表面，当前缘受到撞击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形。

在一些实施例中，叠片的形状为六边形。

在一些实施例中，叠片的材料为形状记忆合金。

在一些实施例中，粘结层为弹性体夹层。

在一些实施例中，粘结层的材料为氰基丙烯酸乙酯。

在一些实施例中，风扇叶片通过3D打印制成。

在一些实施例中，风扇叶片还包括叶身，叶身包括叶片主体和缓冲层。

本发明第二方面提供一种航空发动机，包括上述风扇叶片。

基于本发明提供的各方面，风扇叶片包括前缘。前缘包括叶片主体和缓冲层。缓冲层包括在厚度方向依次设置的至少两个叠片层以及设置在相邻的两个叠片层之间的粘结层。叠片层包括排列设置的多个叠片。粘结层用于粘结相邻的两个叠片层，缓冲层覆盖设置于叶片主体的外表面，当前缘受到撞击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形。当该风扇叶片受到鸟撞等外来物冲击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形，这样由冲击产生的集中载荷得到扩散，使风扇叶片更大的区域共同承受冲击载荷，从而减小局部应力集中，提高抗冲击能力。而且叠片之间通过粘结层产生结合力，使之具有一定的抗冲击能力。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

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为本发明实施例的航空发动机的结构示意图；

图2为图1中的风扇叶片的结构示意图；

图3为图2中的缓冲层的结构示意图；

图4为图3所示的缓冲层的拉伸变形模式示意图；

图5为图3所示的缓冲层在小载荷下的弯曲变形示意图；

图6为图3所示的缓冲层在大载荷下的弯曲变形示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位旋转90度或处于其他方位，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1所示，在一些实施例中，航空发动机包括短舱5、风扇叶片1、低压压气机转子叶片2、低压压气机静子叶片3和出口导叶4。空气的进气方向如图中箭头所示。具体在一个实施例中，航空发动机为涡扇发动机，风扇叶片1为大涵道比涡扇发动机的第一级转子叶片。

参考图2，在一些实施例中，风扇叶片1包括前缘11。前缘11包括叶片主体和缓冲层。如图3所示，缓冲层包括在厚度方向依次设置的至少两个叠片层以及设置在相邻的两个叠片层之间的粘结层112。叠片层包括排列设置的多个叠片111。粘结层112用于粘结相邻的两个叠片层，缓冲层覆盖设置于叶片主体的外表面，当前缘11受到撞击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形。

当该风扇叶片1受到鸟撞等外来物冲击时，至少两个叠片层之间产生移动以使得缓冲层发生变形，这样由冲击产生的集中载荷得到扩散，使风扇叶片更大的区域共同承受冲击载荷，从而减小局部应力集中，提高抗冲击能力。而且叠片111之间通过粘结层112产生结合力，使之具有一定的常规抗冲击能力。

在一些实施例中，叠片111由珍珠层仿生材料制成。珍珠层是一种存在于贝壳中的生物复合材料，这种复合材料中含有少量的有机材料，从而使易碎的陶瓷变硬。

粘结层112的作用是为相邻的两个叠片层之间或者一个叠片层内的叠片之间提供粘结强度，叠片层之间通过粘结层112粘结，在风扇叶片正常工作载荷或者小鸟冲击载荷下能够保持结构完整性。

在一些实施例中，粘结层112的材料为氰基丙烯酸乙酯。当然，粘结层的材料也可以是其他强粘合力胶水材料。

具体地，粘结层112为弹性体夹层。该弹性体夹层具有较强的弹塑性，能够吸收冲击能量，因此可进一步提高抗冲击能力。

粘结层112在受到较大冲击载荷时会发生失效，进而使得整个缓冲层碎裂成均匀的小块，也就是多个叠片111。且碎裂区域可控，减小鸟撞后发动机气动性能的损失。而且在失效后，碎片即为叠片111，其大小可控，进而减小对发动机其他零部件的二次损伤。

在一些实施例中，叠片111的形状为六边形。如图3所示，在每个叠片层内，多个六边形的叠片111依次排列。当然在其他附图未示出的实施例中，叠片也可以是其他形状。

在一些实施例中，叠片111的材料为形状记忆合金。记忆合金具有形状记忆效应，在较低温度下发生的变形低温相，可以通过加热升温后消除，恢复到变形前的原始形状高温相。在其他实施例中，叠片1121也可以采用其他高塑性材料制成。

在一些实施例中，风扇叶片1通过3D打印制成。通过3D打印工艺实现对风扇叶片1的一体化加工，可降低加工成本并且保证更高的结构可靠性。

在一些实施例中，风扇叶片还包括叶身12，叶身包括叶片主体和缓冲层。参考图2，风扇叶片还包括叶身12。在一些实施例中，叶身12仅包括叶片主体。但是在其他实施例中叶身也可以包括缓冲层。同样地，该缓冲层结构也可以设置在叶尖、后缘等部位。

缓冲层在受到拉伸载荷作用时，图4示出缓冲层的粘结层失效后的响应特征，此时，叠片111之间的弹性体夹层双向失效，叠片111在垂直于厚度的两个方向上发生相对位移。如图5所示，在缓冲层受到较小的弯曲载荷作用时，如小鸟冲击产生的载荷，此时，弹性体夹层未失效，叠片层作为整体发生弯曲变形。如图6所示，在缓冲层受到较大的弯曲载荷作用时，如中鸟/大型群鸟撞击产生的载荷，此时，叠片之间的弹性体夹层单向失效，微片在弯曲方向上发生相对位移。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明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；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种风扇叶片，其特征在于，包括前缘(11)，所述前缘(11)包括：

叶片主体；和

缓冲层，设置于所述叶片主体的外表面且包括在厚度方向依次设置的至少两个叠片层以及设置在相邻的两个叠片层之间的粘结层(112)，所述叠片层包括排列设置的多个叠片(111)，所述粘结层(112)用于粘结相邻的两个叠片层，且所述多个叠片(111)之间通过所述粘结层(112)产生结合力，所述缓冲层覆盖设置于所述叶片主体的外表面，当所述前缘受到撞击且使得所述粘结层(112)发生失效时，所述至少两个叠片层之间产生移动以使得所述缓冲层发生变形。

2.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述叠片(111)的形状为六边形。

3.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述叠片(111)的材料为形状记忆合金。

4.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述粘结层(112)为弹性体夹层。

5.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述粘结层的材料为氰基丙烯酸乙酯。

6.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述风扇叶片通过3D打印制成。

7.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述风扇叶片还包括叶身(12)，所述叶身包括叶片主体和缓冲层。

8.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1至7中任一项所述的风扇叶片。