CN116368287A - 包括前缘护罩的由复合材料制成的叶片和包括该叶片的涡轮发动机 - Google Patents

包括前缘护罩的由复合材料制成的叶片和包括该叶片的涡轮发动机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种叶片(16)，其包括由纤维增强有机基复合材料制成的叶片主体(18)和前缘护罩(20)，前缘护罩(20)具有比叶片主体的复合材料更好的抗点冲击性，前缘护罩(20)组装在叶片主体(18)上并且包括由更厚的中心部分(34)连接的压力侧翅片(32)和吸力侧翅片(30)，叶片(16)包括空气动力学翼型高度和翼弦长度；吸力侧翅片(30)具有投影到翼弦上的第一长度(36)、投影到翼弦上的第二长度和投影到翼弦上的第三长度；第一长度为翼弦长度的10％到18％之间，第一长度(36)设置在空气动力学翼型高度的70％到80％之间；第二长度为在翼弦长度的18％和26％之间，第二长度设置在空气动力学翼型高度的85％和95％之间；第三长度为第一长度和第二长度之间，第三长度设置在空气动力学翼型高度的100％处。包括叶片的涡轮发动机。

Description

包括前缘护罩的由复合材料制成的叶片和包括该叶片的涡轮 发动机
技术领域
本公开涉及一种用于涡轮发动机叶片的前缘护罩，具体是由复合材料制成的叶片的前缘护罩。
背景技术
前缘护罩通常旨在保护旋转叶片或导叶的前缘免受冲击和侵蚀。在本文中，术语“叶片”指的是风扇叶片和航空器螺旋桨叶片。为了限制它们的重量，这些叶片通常由有机基复合材料制成，例如由纤维增强聚合物制成。虽然这些材料通常具有非常有利的机械性能，特别是以它们的重量而言，但它们对点冲击具有一定的敏感性。因此，通常由钛合金等高抗性金属材料制成的护罩通常安装在此类叶片的前缘，以保护它们免受这些冲击。例如，这些冲击可能是将小鸟吸入发动机的结果。这些护罩通常采用由跨接前缘的更厚部分连接的薄的压力侧翅片和薄的吸力侧翅片的形式，整体适合叶片前缘的形状以及下翼和上翼的相邻部分的形状。下翅片和吸力侧翅片分别在叶片的下翼和上翼的这些部分上延伸，主要用于确保护罩在前缘上的定位和附着。
FR2906320公开了一种前缘护罩，使得在外来物体撞击的情况下能够减少对复合材料叶片的损坏。
为了提高叶片的空气动力学性能，它们的前缘具有越来越复杂的形状，这使得必须适合这些形状的护罩的制造以及将护罩固定到叶片上变得复杂。
此外，在叶片受到冲击的情况下，例如鸟被吸入，护罩可能至少部分地从复合叶片的前缘脱离，并产生与空气动力学退化相关的叶片空气动力学性能的改变可能很重要。
此外，如果护罩的一部分被撕裂，叶片前缘在其整个高度上不再受到保护，叶片的暴露的前缘上的复合材料会受到来自外部环境的侵害。产生的轮廓通常是不均匀的，这也导致空气动力学的损失。
除了叶片尖端的护罩部分脱落外，还可能会看到叶片损坏，也称为“铰链效应”。这种损坏也是由于护罩相对于叶片的旋转运动期间翅片施加在叶片上的力造成的。
在这种损坏之后，通常需要修理和/或更换叶片。
发明专利内容
本公开旨在至少部分地弥补这些缺点。
为此，本公开涉及一种叶片，包括：由纤维增强有机基复合材料制成的叶片主体和前缘护罩，前缘护罩的材料具有比叶片主体的复合材料更好的抗点冲击性，前缘护罩组装在叶片主体上并且包括由更厚的中心部分连接的压力侧翅片和吸力侧翅片，叶片包括空气动力学翼型高度和翼弦长度，吸力侧翅片具有：
投影到翼弦上的第一长度，第一长度为翼弦长度的10％到18％之间，第一长度设置在空气动力学翼型高度的70％到80％之间，
投影到翼弦上的第二长度，第二长度为翼弦长度的18％和26％之间，第二长度设置在空气动力学翼型高度的85％和95％之间，并且
投影到翼弦上的第三长度，第三长度为第一长度和第二长度之间，第三长度设置在空气动力学翼型高度的100％处。
由于前缘护罩的这种几何形状，可以减少吸力侧翅片在点撞击期间的分离，例如小鸟被吸入发动机。特别地，第一长度使得可以减小吸力侧翅片在叶片尖端处的脱离程度，第二长度允许翅片在鸟吸入期间通常受力很大的区域中发挥其保护作用，叶片主体在该区域相对更厚。第三长度是第一长度和第二长度之间的折衷。因此，即使在吸力侧翅片部分分离期间，与现有技术的叶片相比，叶片16的空气动力学性能的退化也被减少。还可以通过优化分离退化来降低壳体退化的风险。
在一些实施例中，第一长度可以等于翼弦长度的14％。
在一些实施例中，第二长度可以等于翼弦长度的22％。
在一些实施例中，第一长度可设置在空气动力学翼型高度的75％处。
在一些实施例中，第二长度可设置在空气动力学翼型高度的90％处。
在一些实施例中，叶片主体可包括经向和纬向，并且吸力侧翅片可包括自由边缘，第一点设置在自由边缘上的与第一长度相同的高度处，第二点设置在自由边缘上的大于或等于第一长度高度加上空气动力学翼型高度的5％、并且小于或等于空气动力学翼型高度的85％处；第一点和第二点定义第一矢量，第一矢量和第一点处的经向定义第一角度，第一角度大于或等于15°。
当第一角度大于或等于15°时，护罩的自由边缘与叶片主体的多条经向股线交叉，多条经向股线在叶片经受冲击期间受到应力。
在一些实施例中，叶片主体可包括经向和纬向，并且吸力侧翅片可包括自由边缘，第三点设置在自由边缘上的空气动力学翼型高度的100％处，第四点设置在自由边缘上的大于第二长度的高度并小于或等于空气动力学翼型高度的95％处；第三点和第四点定义第二矢量，第二矢量和在第三点处的经向定义第二角度，第二角度大于或等于15°。
当第二角度大于或等于15°时，护罩的自由边缘与叶片主体的多条经线交叉，多条经向股线在叶片经受冲击期间受到应力。
在一些实施例中，叶片主体可包括经向和纬向，吸力侧翅片包括自由边缘，第一点设置在自由边缘上的与第一长度相同的高度处，第二点设置在自由边缘上的大于或等于第一长度的高度加上空气动力学翼型高度的5％之和、并且小于或等于空气动力学翼型高度的85％处；第一点和第二点定义第一矢量，第一矢量和第一点处的经向定义第一角度，第一角度大于或等于15°；第三点设置在自由边缘上的空气动力学翼型高度的100％处，第四点设置在自由边缘上的大于第二长度的高度并小于或等于空气动力学翼型高度的95％处；第三点和第四点定义第二矢量，第二矢量和在第三点处的经向定义第二角度，第二角度大于或等于15°。
本公开还涉及一种包括如前所定义的叶片的涡轮发动机。
附图说明
本公开的主题的其他特征和优点将从下面参考附图以非限制性示例的方式给出的实施例的描述中变得明显。
图1是旁路涡轮发动机的示意性立体图。
图2是图1的涡轮喷气发动机的风扇的旋转叶片的局部示意性立体图，示出了根据叶片实施例的纬向股线和经向股线。
图3是根据叶片的实施例的图1的涡轮喷气发动机的风扇的旋转叶片的示意性立体图。
图4是现有技术的叶片的局部示意性立体图。
图5是表示图4的护罩前缘长度的曲线图。
图6是图3的叶片的局部示意立体图。
图7是表示图6的护罩前缘长度的曲线图。
在所有图中，相同的元件由相同的附图标记表示。
具体实施方式
图1示出旁路涡轮喷气发动机10，其是涡轮发动机的非限制性示例，包括气体发生器单元12和风扇14。该风扇14包括多个旋转叶片16，多个旋转叶片16围绕中心轴线X径向布置，并且其轮廓的空气动力学设计方式使得通过其旋转来推动空气。
因此，如图3所示，每个叶片16包括叶片主体18，叶片主体18具有前缘24(图3中的虚线)、后缘22、叶根26和叶尖28。在叶根26和叶尖28的端部之间，叶片16通常包括翼型，该翼型轮廓的空气动力学设计方式使得推动空气流路中与该翼型直接接触的空气。叶片上的“高度”，具体是其翼型上的“高度”，将沿堆叠轴Z来考虑，具体地前缘24遵循该轴。
在正常操作下，相对风大体上朝向每个叶片的前缘24定向。因此，该前缘24特别容易受到冲击。特别是当叶片主体18由复合材料制成时，特别是纤维增强聚合物基体材料，建议用集成到每个叶片中的前缘护罩20来保护前缘24。
在图3的实施例中，护罩20具有压力侧翅片32、吸力侧翅片30和更厚的中央部分34，该中央部分34旨在横跨叶片主体18的前缘24并连接吸力侧翅片32和压力侧翅片30。压力侧翅片32和吸力侧翅片30提供护罩20在叶片主体18上的定位。更厚的中央部分34也称为前缘护罩20的鼻部。
护罩20还包括布置在叶根26侧的径向内端和布置在叶尖28处的径向外端。
在鼻部34的对面，压力侧翅片32和吸力侧翅片30各自包括自由边缘42。
前缘护罩20由刚度大于叶片主体的复合材料的材料制成。前缘护罩20由比叶片主体的复合材料具有更好的抗点冲击性的材料制成。前缘护罩20主要是金属的，更具体地由钛基合金制成，例如TA6V(Ti-6Al-4V)。前缘护罩20也可以由钢或铁合金、铬合金和镍合金(通常称为InconelTM的商标)制成。在本文的其余部分，术语Inconel将用于指代这种铁基、铬基和镍基合金。
图3还显示了叶片16的空气动力学翼型高度H。0％设置在叶根26的一侧，100％设置在叶尖28处。翼型通常通过柄26A连接到叶根26。
图2显示了叶片主体16的纬股方向T和经股方向C。矢量
Figure BDA0004169683870000041
和矢量/>
Figure BDA0004169683870000042
分别表示纬向和经向。
图4和5显示了现有技术的叶片。如图4所示，在叶片16受到冲击的情况下，护罩20的一部分20A可能会与叶片主体18分离。这部分20A可能会导致叶片16的空气动力学性能下降，这可能会达到接近25％的推力损失。如图5所示，吸力侧翅片的长度显示在X轴上，空气动力学翼型高度显示在Y轴上。因此，图5显示了吸力侧翅片的长度沿空气动力学翼型高度的变化。空气动力学翼型的高度H以百分比表示，在给定的空气动力学翼型高度下，翅片的长度以翼弦的百分比表示。因此，翼型在其下边界、在与柄26A的相交处和其叶尖28的端部之间具有沿着堆叠轴Z的翼型高度H。参考翼型的下边界18A(也是柄26A的上边界)来考虑预定空气动力学翼型高度H。
翼弦是从叶片16的前缘24到后缘22的假想线。翅片长度通过翅片在翼弦上的投影来测量。
图6和图7与图4和图5类似。
图6示出了叶片16的一个实施例并且图7显示了吸力侧翅片30的长度沿着空气动力学翼型的变化。空气动力学翼型的高度以百分比表示，在给定的空气动力学翼型高度下，翅片的长度以翼弦的百分比表示。
作为非限制性示例，第一长度等于翼弦长度的14％并设置在空气动力学翼型高度的75％处，第二长度等于翼弦长度的22％并设置在空气动力学翼型高度的90％处，第三长度等于翼弦长度的18％。
在图7的示例中，第一个点D在护罩20的自由边缘42上，在空气动力学翼型高度的75％处。
此外，第二点E设置在自由边缘42上，并且可以设置在空气动力学翼型高度的80％和85％之间，空气动力学翼型高度的80％等于第一长度36的高度加上空气动力学翼型高度的5％。
作为非限制性示例，第二点E设置在空气动力学翼型高度的81％处。
第一点D和第二点E定义了第一矢量。
经向C与第一矢量形成大于或等于15°的第一角度α。
第三点G设置在自由边缘42上并且在空气动力学翼型高度的100％处。
作为非限制性示例，第二长度38在空气动力学翼型高度的90％处，第四点F设置在自由边缘42上并且可以设置在空气动力学翼型高度的90％和95％之间。
作为非限制性示例，第四点F设置在自由边缘上空气动力学翼型高度的95％处。
第三点G和第四点F定义第二矢量。
经向C与第二矢量形成大于或等于15°的第二角度β。
如图4和6所示，可以看出与图4相比，护罩20的部分20A在图6的情况下可能会从叶片主体18上脱落的情况有所减少。因此，在吸力侧蒙皮发生部分脱落期间，与现有技术的叶片相比，叶片16的空气动力学特性的退化会减少。
尽管已经参考特定示例性实施例描述了本公开，但是显然可以对这些示例进行各种修改和改变而不脱离由权利要求限定的本发明的一般范围。此外，所描述的不同实施例的单独特征可以在附加实施例中组合。因此，说明书和附图必须被认为是说明性的，而不是限制性的。

Claims (9)

1.一种叶片(16)，包括：由纤维增强有机基复合材料制成的叶片主体(18)和前缘护罩(20)，所述前缘护罩(20)具有比所述叶片主体的复合材料更好的抗点冲击性，所述前缘护罩(20)组装在所述叶片主体(18)上并且包括由更厚的中心部分(34)连接的压力侧翅片(32)和吸力侧翅片(30)，所述叶片(16)包括空气动力学翼型高度和翼弦长度，所述吸力侧翅片(30)具有：
投影到翼弦上的第一长度(36)，所述第一长度(36)为翼弦长度的10％到18％之间，所述第一长度(36)设置在空气动力学翼型高度的70％到80％之间，
投影到翼弦上的第二长度(38)，所述第二长度(38)为翼弦长度的18％和26％之间，所述第二长度(38)设置在空气动力学翼型高度的85％和95％之间，并且
投影到翼弦上的第三长度(40)，所述第三长度(40)为所述第一长度(36)和所述第二长度(38)之间，所述第三长度(40)设置在空气动力学翼型高度的100％处。
2.根据权利要求1所述的叶片(16)，其中，所述第一长度(36)等于翼弦长度的14％。
3.根据权利要求1或2所述的叶片(16)，其中，所述第二长度(38)等于翼弦长度的22％。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(16)，其中，所述第一长度(36)设置在空气动力学翼型高度的75％处。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(16)，其中，所述第二长度(38)设置在空气动力学翼型高度的90％处。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(16)，其中，所述叶片主体(18)包括经向(C)和纬向(T)，所述吸力侧翅片(30)包括自由边缘(42)，第一点(D)设置在所述自由边缘(42)上的与所述第一长度(36)相同的高度处，第二点(E)设置在所述自由边缘(42)上的大于或等于所述第一长度(36)的高度加上空气动力学翼型高度的5％之和、并且小于或等于空气动力学翼型高度的85％处；第一点(D)和第二点(E)定义第一矢量，所述第一矢量和所述第一点(D)处的经向(C)定义第一角度(α)，所述第一角度(α)大于或等于15°。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(16)，其中，所述叶片主体(18)包括经向(C)和纬向(T)，所述吸力侧翅片(30)包括自由边缘(42)，第三点(G)设置在所述自由边缘(42)上的空气动力学翼型高度的100％处，第四点(F)设置在所述自由边缘(42)上的大于第二长度的高度(38)并小于或等于空气动力学翼型高度的95％处；第三点(G)和第四点(F)定义第二矢量，所述第二矢量和在所述第三点(G)处的经向(C)定义第二角度(β)，所述第二角度(β)大于或等于15°。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(16)，其中，所述叶片主体(18)包括经向(C)和纬向(T)，所述吸力侧翅片(30)包括自由边缘(42)，第一点(D)设置在所述自由边缘(42)上的与所述第一长度(36)相同的高度处，第二点(E)设置在所述自由边缘(42)上的大于或等于所述第一长度(36)的高度加上空气动力学翼型高度的5％之和、并且小于或等于空气动力学翼型高度的85％处；第一点(D)和第二点(E)定义第一矢量，所述第一矢量和所述第一点(D)处的经向(C)定义第一角度(α)，所述第一角度(α)大于或等于15°；第三点(G)设置在所述自由边缘(42)上的空气动力学翼型高度的100％处，第四点(F)设置在所述自由边缘(42)上的大于第二长度的高度(38)并小于或等于空气动力学翼型高度的95％处，第三点(G)和第四点(F)定义第二矢量，所述第二矢量和在所述第三点(G)处的经向(C)定义第二角度(β)，所述第二角度(β)大于或等于15°。
9.一种涡轮发动机，包括根据权利要求1至8中任一项所述的叶片。
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