CN115217790A - 风扇叶片和发动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风扇叶片和发动机，所述风扇叶片包括第一部分和第二部分，所述第一部分具有朝向所述第二部分的第一突起，所述第一突起具有朝向所述风扇叶片根部的面。所述发动机包括风扇叶片。在本发明中，通过在风扇叶片的第一部分上设置朝向第二部分的第一突起，在风扇叶片高速旋转时，在离心力的作用下风扇叶片朝展向延伸，第一突起卡紧于第二部分中，避免第一部分和第二部分因材料本身性质不同的原因导致两部分发生不同程度形变而导致脱离，提高风扇叶片的抗变形能力。

Description

风扇叶片和发动机

技术领域

本发明涉及一种风扇叶片和发动机。

背景技术

复合材料凭借高强度、低密度的优点，已经成为制造航空发动机叶片的主流轻质材料选择之一。当采用复合材料制造航空发动机风扇叶片时，为了提高风扇叶片抗冲击性能，通常会在叶片的前缘位置采用金属包边或者直接采用金属前缘等方式进行加强。对于直接采用金属前缘的叶片，叶片表面一部分为金属材料，一部分为复合材料，金属材料与复合材料之间一般通过树脂粘接。在外物冲击、自身旋转导致的弯扭、伸长变形等情况下，由于金属材料和复合材料性质的差异，导致在两种材料的交界粘接处产生裂纹。一般的金属前缘边界平行或近似平行于叶片展向，在叶片高速转动或有外物冲击时，粘接处的开裂容易快速扩展，形成长距离的金属前缘-复合材料分离，进而影响叶片的强度及气动性能。若风扇叶片上存在其他不同材料制成的结构相互拼接的界面，当界面连接强度弱时，同样存在容易开裂以及开裂后裂纹快速扩展的隐患。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中工作过程中不同材料部件之间的界面发生快速开裂分离的缺陷，提供一种风扇叶片和发动机。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种风扇叶片，所述风扇叶片包括第一部分和第二部分，其特点在于，所述第一部分具有朝向所述第二部分的第一突起，所述第一突起具有朝向所述风扇叶片根部的面。

在本方案中，通过在风扇叶片的第一部分上设置朝向第二部分的第一突起，在风扇叶片高速旋转时，在离心力的作用下风扇叶片朝展向延伸，第一突起卡紧于第二部分中，第一部分和第二部分之间形成曲线配合，这种曲线配合能为叶片变形产生相互依靠的支撑作用，从而将对界面的作用力转化为不同叶片部件之间的直接相互支撑，降低了界面开裂的风险；此外，即便在曲线界面或曲线界面下方(通常这些地方应力作用更明显)产生了界面裂纹，由于界面走向是时刻变化且与主要受力方向不同的，因此裂纹在沿该曲线界面扩展时，时刻受到裂纹转向带来的阻力，同时仅有主要作用力的部分分力用于支持裂纹扩展，从而实现了对裂纹快速扩展的抑制作用，避免第一部分和第二部分因材料本身性质不同的原因导致两部分发生不同程度形变而导致脱离，提高风扇叶片的抗变形能力。

较佳地，所述第二部分朝向所述第一部分的第二突起，所述第二突起具有朝向所述风扇叶片根部的面。

在本方案中，通过在第二部分设置朝向第一部分的第二突起，第二突起的突起方向与第一突起的突起方向不同，实现了大范围的交界面增强，提高了第一部分与第二部分之间接合的紧密程度。

较佳地，所述第一部分和所述第二部分的交界面的形状为曲线，所述曲线上至少存在第一点，在所述风扇叶片的表面上，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向的夹角大于等于60°。

较佳地，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向的夹角大于等于45°。

较佳地，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向的夹角为90°。

在本方案中，曲线上存在第一点，该第一点的切线方向与风扇叶片的展向之间的夹角为90°，当风扇叶片高速旋转时，在离心力的作用下，第一部分和第二部分沿风扇叶片的展向拉伸，第一点处的曲线的切线与风扇叶片的展向垂直，从而能够抵抗第一部分和第二部分之间的变形，起到最佳的抗变形效果。

较佳地，所述曲线的至少50％长度上的切线方向与所述风扇叶片的展向不同。

在本方案中，风扇叶片在旋转时，离心力的方向与风扇叶片的展向方向相同，当曲线的切线方向与风扇叶片的展向方向相同时，则意味着交界面的曲线处无法抵抗第一部分与第二部分相分离；将曲线至少50％的长度的切线方向设计为与所述风扇叶片的展向方向不同，提高第一部分与第二部分的交界面能起到抵抗二者相互分离作用的长度，提高第一部分与第二部分的抗分离能力。

较佳地，在所述风扇叶片的表面，所述曲线至少10％长度上的切线与所述风扇叶片的展向之间的夹角大于等于45°。

较佳地，所述曲线的斜率是连续的。

在本方案中，第一部分与第二部分的交界面的曲线的斜率设置为连续变化的，曲线主体可包括但不限于一段或多段圆弧、对数曲线、样条曲线等构成，第一部分与第二部分的交界面上的各段曲线之间过渡是圆滑的，避免曲线上出现应力集中的点。

较佳地，所述第一部分和所述第二部分的交界面上各个点的曲率是连续变化的。

在本方案中，第一部分与第二部分的交界面的曲率是连续变化的，第一部分和第二部分的交界面除了曲线还存在直线等其他情况，在曲线和直线的交界处过渡均为圆滑的，避免交界面上出现应力集中的点。

较佳地，沿所述风扇叶片的展向，所述第一部分和所述第二部分的交界面的曲线高度总和大于所述风扇叶片展向的0.5％。

在本方案中，在风扇叶片上，第一部分和第二部分的交界面的曲线长度越大，抵抗第一部分和第二部分分离的能力越强，将第一部分和第二部分的交界面的曲线段高度设置为大于风扇叶片展向的0.5％，从而提高风扇叶片的整体强度。

较佳地，所述风扇叶片包括若干所述第二部分，若干所述第二部分与所述第一部分之间具有若干个连接面。

在本方案中，第二部分为金属前缘，用于加强风扇叶片的整体强度，通过在风扇叶片内设置若干个第二部分，提高风扇叶片的整体强度。

较佳地，所述风扇叶片还包括第三部分，所述第三部分自所述第二部分向外伸出，或所述第三部分自所述第一部分向外伸出。

一种发动机，其特点在于，所述发动机包括上述的风扇叶片。

本发明的积极进步效果在于：

在本发明中，通过在风扇叶片的第一部分上设置朝向第二部分的第一突起，在风扇叶片高速旋转时，在离心力的作用下风扇叶片朝展向延伸，第一突起卡紧于第二部分中，避免第一部分和第二部分因材料本身性质不同的原因导致两部分发生不同程度形变而导致脱离，提高风扇叶片的抗变形能力。

附图说明

图1为本发明实施例一的风扇叶片的第一结构示意图。

图2为本发明实施例二的风扇叶片的第一结构示意图。

图3为本发明实施例一的风扇叶片的第二结构示意图。

图4为本发明实施例一的风扇叶片的第三结构示意图。

图5为本发明实施例二的风扇叶片的第二结构示意图。

图6为本发明实施例一的风扇叶片的第四结构示意图。

图7为本发明实施例一的风扇叶片的第五结构示意图。

图8为本发明实施例一的风扇叶片的第二部分和第三部分组装的结构示意图。

图9为图1中虚线圈内的局部放大图。

附图标记说明：

风扇叶片1

第一部分11

第二部分12

根部13

第三部分14

第一突起15

第二突起16

第一点17

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1、图4、图6、图9所示，本发明提供一种风扇叶片，风扇叶片1包括第一部分11和第二部分12，第一部分11具有朝向第二部分12的第一突起15，第一突起15具有朝向根部13的面。

第一部分11为复合材料制成的基材，第二部分12由金属材料制成的前缘。金属前缘用于加强风扇叶片1的整体强度。复合材料具有密度小的优点，有助于减轻风扇叶片1的重量。金属材料强度较高，能够提高风扇叶片1的整体强度。第一部分11和第二部分12整体沿风扇叶片1的展向设置。风扇叶片1的展向方向为自风扇叶片1的根部13指向叶片顶部的方向，展向方向与风扇叶片1旋转方向相垂直。第一部分11上设置有第一突起15，且第一突起15具有朝向风扇叶片1根部13的面。沿展向方向上，第一突起15两侧的第一部分11和第二部分12之间相互抵靠。通过在风扇叶片1的第一部分11上设置朝向第二部分12的第一突起15，在风扇叶片1高速旋转时，在离心力的作用下风扇叶片1朝展向延伸，第一突起15卡紧于第二部分12中，第一部分11和第二部分12之间形成曲线配合，这种曲线配合能为叶片变形产生相互依靠的支撑作用，从而将对界面的作用力转化为不同叶片部件之间的直接相互支撑，降低了界面开裂的风险；此外，即便在曲线界面或曲线界面下方(通常这些地方应力作用更明显)产生了界面裂纹，由于界面走向是时刻变化且与主要受力方向不同的，因此裂纹在沿该曲线界面扩展时，时刻受到裂纹转向带来的阻力，同时仅有主要作用力的部分分力用于支持裂纹扩展，从而实现了对裂纹快速扩展的抑制作用，避免第一部分11和第二部分12因材料本身性质不同的原因导致两部分发生不同程度形变而导致脱离，提高风扇叶片1的抗变形能力。图9中F为风扇叶片1在旋转过程中受到的离心力的方向，自风扇叶片1的根部13指向叶顶。图9中的α为第一点17处的曲线的切线方向与离心力F的方向之间的夹角。

如图3、图7所示，第二部分12朝向第一部分11的第二突起16，第二突起16具有朝向风扇叶片1根部13的面。

当选用的复合材料的变形大于金属材料的变形的情况下，在风扇叶片1上设置第二突起16，第二突起16自金属材料支撑的第二部分12朝向复合材料制成的第一部分11。当风扇叶片1高速旋转时，此时第一部分11的形变大于第二部分12的形变，在第二突起16的阻挡作用下，第一部分11和第二部分12紧密抵靠在一起，避免第一部分11和第二部分12的交界面出现裂纹。

在本实施例中，第一部分11和第二部分12的交界面的形状为曲线，曲线上至少存在第一点17，在风扇叶片1的表面上，曲线在第一点17的切线与风扇叶片1的展向之间的夹角大于等于30°。

在较佳的实施例中，曲线在第一点17的切线与风扇叶片1的展向之间的夹角大于等于45°。

在更佳的实施例中，曲线在第一点17的切线与风扇叶片1的展向之间的夹角为90°。

风扇叶片1的展向为自风扇叶片1的根部13向风扇叶片1的顶部的延展方向，展向即为如图9所示的F的箭头方向。曲线上的点的切线与风扇叶片1的展向之间的夹角越大，则该点处抵抗离心力的作用越强。离心力的方向与风扇叶片1的展向相同，当曲线上某点的切线与风扇叶片1的展向成0°时，则在该点处离心力的方向与曲线的切线方向平行，第一部分11和第二部分12分别受到离心力时，在离心力的作用下，第一部分11和第二部分12分别发生形变，第一部分11和第二部分12无法互相抵靠以抑制裂纹的产生。当曲线上某点的切线与风扇叶片1的展向成90°时，则在该点处离心力的方向与曲线的切线方向垂直，第一部分11和第二部分12分别受到离心力时，在离心力的作用下，第一部分11和第二部分12发生形变量不同时，第一部分11和第二部分12之间的作用力增强，两者之间互相抵靠更加紧密，避免第一部分11和第二部分12之间产生裂纹。曲线上的某点的切线与风扇叶片1的展向之间夹角越大时，离心力在该点处使第一部分11和第二部分12分离的分力越小，则该点处抵抗第一部分11与第二部分12之间产生裂纹的能力越强。曲线上的某点的切线与风扇叶片1的展向之间夹角越小时，离心力在该点处使第一部分11和第二部分12分离的分力越大，则该点处抵抗第一部分11与第二部分12之间产生裂纹的能力越弱。

曲线的至少50％长度上的切线方向与风扇叶片1的展向不同。

当曲线的切线方向与风扇叶片1的展向相同时，该点曲线无法抵抗离心力对第一部分11和第二部分12的分离作用。曲线的切线方向与风扇叶片1的展向之间夹角越大，则在该点处抵抗第一部分11和第二部分12之间产生裂纹的能力越强。曲线长度至少50％以上设置为与风扇叶片1的展向不同，保证在风扇叶片1整体上的抵抗第一部分11和第二部分12之间产生裂纹的能力。曲线的切线方向与风扇叶片1的展向不同的长度越长，则风扇叶片1的制造成本越高，防止第一部分11和第二部分12的分离的效果越好；曲线的切线方向与风扇叶片1的展向不同的长度越短，则风扇叶片1的制造成本越低，防止第一部分11和第二部分12的分离的效果越差；在制造成本和防止第一部分11和第二部分12分离之间取平衡，曲线的至少50％长度上的切线方向与风扇叶片1的展向不同。

在风扇叶片1的表面，曲线至少10％长度上的切线与风扇叶片1的展向之间的夹角大于等于45°。

曲线的切线方向与风扇叶片1的展向之间的夹角越大，则在该点处抵抗第一部分11和第二部分12之间产生裂纹的能力越强。曲线至少10％的长度的切线方向与风扇叶片1的展向之间的夹角大于等于45°，保证风扇叶片1防止第一部分11和第二部分12之间产生裂纹的能力。

曲线的斜率是连续的。

曲线的斜率是连续的是指曲线连续的各个点处的斜率数值的变化是连续的，曲线上不存在斜率发生突变的点，即曲线整体上是圆滑的。第一部分11与第二部分12的交界面的曲线的斜率设置为连续变化的，曲线主体可包括但不限于一段或多段圆弧、对数曲线、样条曲线等构成，第一部分11与第二部分12的交界面上的各段曲线之间过渡也是圆滑的，避免曲线上出现应力集中点。

第一部分11和第二部分12的交界面上各个点的曲率是连续变化的。

第一部分11和第二部分12的交界面的整体曲率也是连续变化的，即交界面上相邻各个点处曲率不存在突变，即交界面上不存在尖锐的点，避免第一部分11和第二部分12的交界面上出现应力集中点。

沿风扇叶片1的展向，第一部分11和第二部分12的交界面的曲线高度总和大于风扇叶片1展向的0.5％。

在本发明实施例中，第一部分11和第二部分12的交界面的曲线高度总和大于风扇叶片1展向的0.5％即能达到防止风扇叶片受力产生裂纹的效果。沿展向方向上，第一部分11和第二部分12的交界面的曲线越长则抵抗第一部分11和第二部分12分离的能力越强。然而曲线越长则制造成本越高。在较佳的实施例中，在如图7所示，第一部分11和第二部分12的交界面的曲线高度大于20％，确保第一部分11和第二部分12的之间的突起长度足够以防止第一部分11和第二部分12分离。

风扇叶片1包括若干第二部分12，若干第二部分12与第一部分11之间具有若干个连接面。

第二部分12为金属前缘，用于加强风扇叶片1的整体强度，当一片金属前缘的强度不足以支撑风扇叶片1的整体强度时，在风扇叶片1中可以设置多片第二部分12，以增强风扇叶片1的整体强度。不同第二部分12与第一部分11之间的交界面形状可以相同，也可以不相同。

如图8所示，风扇叶片1还包括第三部分14，第三部分14自第二部分12向外伸出。

第二部分12为金属前缘，第三部分14为金属型芯，金属型芯自金属前缘向外伸出。金属型芯与金属前缘一同嵌设于复合材料制成的第一部分11中。金属型芯与金属前缘为一体设计，从而增强风扇叶片1的整体强度。

本发明还提供一种发动机，发动机包括上述的风扇叶片1。

若干上述风扇叶片1沿发动机旋转轴的周向安装于发动机中，具有第一突起15和第二突起16的风扇叶片1能够防止风扇叶片1在高速旋转过程中第一部分11和第二部分12之间因材料性质不同导致形变不同而产生的裂纹；此外，由于裂纹走向与曲线处受力方向不同，裂纹在曲线附近处扩展时，时刻受到裂纹转向带来的阻力，同时仅有曲线附近的主要作用力的部分分力用于支持裂纹扩展，从而实现了对裂纹扩展的抑制作用，提高了风扇叶片1的使用寿命，同时提高发动机的使用寿命。

实施例2

本实施例2与实施例1相同的部分不再复述，仅就不同部分进行描述。在实施例1中第一部分11为复合材料制成的基材，第二部分12为金属材料制成的前缘。如图2和图5所示，在实施例2中，第一部分11为金属材料制成的前缘，第二部分12为复合材料制成的基材。在本实施例中，第三部分14自第一部分11向外伸出。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种风扇叶片，所述风扇叶片包括第一部分和第二部分，其特征在于，所述第一部分具有朝向所述第二部分的第一突起，所述第一突起具有朝向所述风扇叶片根部的面。

2.如权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述第二部分朝向所述第一部分的第二突起，所述第二突起具有朝向所述风扇叶片根部的面。

3.如权利要求1或2所述的风扇叶片，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分的交界面的形状为曲线，所述曲线上至少存在第一点，在所述风扇叶片的表面上，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向之间的夹角大于等于30°。

4.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向之间的夹角大于等于45°。

5.如权利要求4所述的风扇叶片，其特征在于，所述曲线在所述第一点的切线与所述风扇叶片的展向之间的夹角为90°。

6.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，所述曲线的至少50％长度上的切线方向与所述风扇叶片的展向不同。

7.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，在所述风扇叶片的表面，所述曲线至少10％长度上的切线与所述风扇叶片的展向之间的夹角大于等于45°。

8.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，所述曲线的斜率是连续的。

9.如权利要求8所述的风扇叶片，其特征在于，所述第一部分和所述第二部分的交界面上各个点的曲率是连续的。

10.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，沿所述风扇叶片的展向，所述第一部分和所述第二部分的交界面的曲线高度总和大于所述风扇叶片展向的0.5％。

11.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，所述风扇叶片包括若干所述第二部分，若干所述第二部分与所述第一部分之间具有若干个连接面。

12.如权利要求11所述的风扇叶片，其特征在于，所述风扇叶片还包括第三部分，所述第三部分自所述第二部分向外伸出，或所述第三部分自所述第一部分向外伸出。

13.一种发动机，其特征在于，所述发动机包括如权利要求1-12任一项所述的风扇叶片。

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