CN117128188A - 风扇叶片及航空发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种风扇叶片，风扇叶片包括叶身，叶身包括由复合材料制成的复材本体，叶身还包括覆盖于复材本体并且构成风扇叶片的最外层的保护层，复材本体和保护层之间设置有由阻尼材料制成的阻尼层。本发明还提供一种包括上述风扇叶片的航空发动机。上述风扇叶片可以提高风扇叶片抗外物冲击的能力。

Description

风扇叶片及航空发动机

技术领域

本发明涉及一种风扇叶片及航空发动机。

背景技术

至少部分由复合材料制成的风扇叶片越来越多地应用于航空发动机例如涡扇发动机中。复合材料例如可以是树脂基复合材料。复合材料制造的风扇叶片可以实现有效的减重，还可以有效降低叶片断裂后对风扇机匣的冲击程度，因而可以有效提升或改善航空发动机性能。

然而，如何提高主体为复材的风扇叶片在受外物冲击作用下的抗冲击能力一直是困扰研发人员的难题。因此，需要提供一种解决方案，可以提高风扇叶片抗外物冲击的能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种风扇叶片，可以提高风扇叶片抗外物冲击的能力。

本发明提供一种风扇叶片，所述风扇叶片包括叶身，所述叶身包括由复合材料制成的复材本体，所述叶身还包括覆盖于所述复材本体并且构成所述风扇叶片的最外层的保护层，所述复材本体和所述保护层之间设置有由阻尼材料制成的阻尼层。

在一个实施方式中，所述阻尼层覆盖所述复材本体的至少部分前缘和至少部分叶尖。

在一个实施方式中，所述阻尼层覆盖所述复材本体的一部分前缘和全部叶尖。

在一个实施方式中，所述阻尼层具有：第一边界，自尾缘起朝向前缘延伸，从而具有位于尾缘前侧的第一端点；第二边界，自所述第一边界的所述第一端点起朝向叶根延伸，从而具有相较于所述第一端点靠近叶根的第二端点；和，第三边界，自所述第二边界的所述第二端点起延伸到前缘。

在一个实施方式中，所述第一边界和所述第三边界均沿弦向延伸。所述叶身沿展向具有展向中心线，所述第一边界位于所述展向中心线靠近叶尖的一侧，并且，所述第三边界位于所述展向中心线靠近叶根的一侧。

在一个实施方式中，所述第一边界至叶尖的距离大于所述复材本体的高度的四分之一。

在一个实施方式中，所述第二边界沿展向延伸。所述复材本体沿弦向具有弦向中心线，所述第二边界位于所述弦向中心线靠近前缘的一侧。

在一个实施方式中，所述第二边界至前缘的距离是所述叶身的弦向宽度的三分之一。

在一个实施方式中，所述保护层包括包覆于所述复材本体的前缘的金属加强边。

本发明还提供一种航空发动机，包括前述的风扇叶片。

上述风扇叶片中，通过在复材本体和保护层之间设置阻尼层，从而可以增加风扇叶片的阻尼，控制风扇叶片承受冲击载荷作用下动力响应的优势模态，从而有效控制风扇叶片的响应幅值，降低风扇叶片的损伤程度，提高风扇叶片抗外物冲击的能力。而且，上述风扇叶片的工艺实现性强。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是示例性示出风扇叶片的组装结构的示意图。

图2是示例性风扇叶片的平面图。

图3是示出风扇叶片的叶身中阻尼层分布的示意图。

图4是示出风扇叶片的叶身中阻尼层和保护层的叠层结构的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。

例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。

图1以轴流式航空发动机为例示出了其风扇部分结构。风扇部分包括风扇叶片10，还可以包括进气锥前段60、进气锥后段20、风扇盘30、风扇流道板40、密封条50、封严环70和鼓筒80。其中，风扇流道板40安装于风扇叶片10之间，与进气锥前段60、进气锥后段20以及封严环70形成发动机进气段流道。需要理解，附图均仅作为示例，并非按照等比例的条件绘制，不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

风扇叶片10作为航空发动机进气道的主要工作部件，通过高速旋转起到引气及产生推力的作用，可以由榫头和叶身组成。叶身是风扇叶片10在气流通道内带有叶型部分的气动工作面。榫头是风扇叶片10安装到风扇盘30上的部分，例如可以为直榫。例如，风扇叶片10通过榫头周向固定在风扇盘30上。榫头呈周向固定在风扇盘榫槽里，榫头后端面贴合到鼓筒80上，前端面由锁紧块固定，锁紧块安装在风扇盘30的锁槽里。叶身所受载荷通过榫头传递到风扇盘30。

以树脂基复合材料为例，复合材料主要由纤维、基体以及界面层组成，由此决定了复合材料不同于金属的单一组成，多种组分的复合结构和制造工艺导致了复合材料不仅拥有与金属材料不同的材料特性，其载荷传递路径、失效机理以及设计机理均与金属结构存在较大差别。

本发明意在基于复合材料多种材料组分复合的特点，对复合材料风扇叶片的动力学特性并结合相应的损伤机理和失效模式开展针对性结构设计，因此，针对性地提出了一种风扇叶片振动被动控制结构，以期通过增加复合材料风扇叶片的阻尼，有效控制风扇叶片动力学响应的优势模态，提高风扇叶片抗外物冲击的能力。

本发明提供的风扇叶片10的示例构造如图2至图4所示。其中，图2和图3均示出了风扇叶片10的平面图，而图4示出的是沿着风扇叶片10的厚度方向截切的局部截面示意图。

风扇叶片10包括叶身100。叶身100包括由复合材料制成的复材本体1，还包括覆盖于复材本体1并且构成风扇叶片10的最外层的保护层2，如图2所示。复材本体1和保护层2之间设置有由阻尼材料制成的阻尼层3，如图3所示。

复合材料可以是各类树脂基复合材料，例如纤维增强型树脂基复合材料。纤维例如可以是碳纤维，树脂基体例如可以是环氧树脂。复材本体1也即风扇叶片10的叶身100中体积上大部分由复合材料制成的主体部分。

阻尼材料是具有阻尼减振效果的材料，例如包括丁基、丙烯酸酯、聚硫、丁腈、硅橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、环氧树脂、丁基橡胶、聚氨酯泡沫等。阻尼层3的厚度通常与复材本体单层预浸料厚度相当。

保护层2可以包覆于复材本体1外且构成风扇叶片10的叶身100最外层的各种结构，通常厚度与复材本体单层预浸料厚度相当。

上述风扇叶片10基于复合材料多种材料组分复合的特点和风扇叶片10在受外物冲击作用下的动力学响应特性及其损伤机理，在叶身100的复材本体1和保护层2之间设置阻尼层3，可以提供一种复合材料风扇叶片振动被动控制结构，以期通过增加复合材料风扇叶片的阻尼，控制复合材料风扇叶片承受冲击载荷作用下动力响应的优势模态，从而有效控制风扇叶片的响应幅值，降低风扇叶片的损伤程度，提高风扇叶片抗外物冲击的能力。而且，设置阻尼层3的工艺实现性强，易于实现。

图3中，阻尼层3可以覆盖复材本体1的至少部分前缘11和至少部分叶尖12。进一步，图3中，阻尼层3可以覆盖复材本体1的一部分前缘11和全部叶尖12。

可以理解，文中使用特定词语来描述本发明的实施方式，如“一个实施方式”、“另一实施方式”和/或“一些实施方式”意指与本发明至少一个实施方式相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一个实施方式”或“另一实施方式”并不一定是指同一实施方式。此外，本发明的一个或多个实施方式中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

图3中，阻尼层3可以具有第一边界L1。第一边界L1可以自尾缘14起朝向前缘11延伸，从而具有位于尾缘14前侧的第一端点P1。

阻尼层3还可以具有第二边界L2。第二边界L2可以自第一边界L1的第一端点P1起朝向叶根13延伸，从而具有相较于第一端点P1靠近叶根13的第二端点P2。

阻尼层3还可以具有第三边界L3。第三边界L3自第二边界L2的第二端点P2起延伸到前缘11。

图3中，第一边界L1可以沿弦向X1延伸。第三边界L3也可以沿弦向X1延伸。需要理解，文中提及的两个方向“垂直”、“一致”、“平行”等并不需要满足数学意义上严格的角度要求，而是容许一定的容差范围，例如，相比于数学意义上要求的角度相差20°以内，而“沿”某一方向意指在该方向上至少有分量，优选地，与该方向的夹角在45°以内，更优选地，夹角在20°甚至5°以内。

叶身100可以沿展向C1具有展向中心线C0。第一边界L1位于展向中心线C0靠近叶尖12的一侧。第三边界L3可以位于展向中心线C0靠近叶根13的一侧。

图3中，第一边界L1至叶尖12的距离可以大于复材本体1的高度H1的四分之一。

图3中，第二边界L2可以沿展向C1延伸。复材本体1沿弦向X1可以具有弦向中心线X0，第二边界L2可以位于弦向中心线X0靠近前缘11的一侧。进一步，第二边界L2至前缘11的距离可以是叶身100的弦向宽度W1的三分之一。

图2中，保护层2可以包括包覆于复材本体1的前缘11的金属加强边21。也即，对于金属加强边21的对应位置或区域(前缘位置)，阻尼层3设置于金属加强边21和复材本体1之间。特别地，复材本体1与保护层2的金属加强边21可以通过胶膜粘结，此时，阻尼层3可以设置于胶膜和复材本体1之间。图2中，保护层2在金属加强边21以外的位置还包括包覆于复材本体1的覆盖层22。覆盖层22主要用来保护复材本体1，例如，可以为聚氨酯膜。

可以理解，文中使用“第一”、“第二”等词语来限定特征，仅仅是为了便于对相应特征进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本发明保护范围的限制。

风扇叶片工作过程中，叶片前缘会承受较多的外物冲击，甚至需要承受鸟撞等非常严苛的外物冲击载荷。前缘金属加强边可以提高复材风扇叶片抵抗外物冲击的能力，同时前缘金属加强边可以将所受冲击载荷传递至复材本体，其中一部分载荷沿着展向(径向方向)传递，一部分载荷沿着弦向(前缘至尾缘方向)传递，进一步激励复材风扇叶片产生动力响应。而上述阻尼层布置，可以抑制复合材料风扇叶片在受外物冲击载荷作用时的动力响应，降低风扇叶片的损伤程度，提高风扇叶片抵抗外物冲击的能力。

图2还示出了风扇叶片10的榫头200。风扇叶片10的榫头200和叶身100以流道线S1作为分界线。覆盖层22实质上也位于流道线S1以上叶身表面。

在本文提供的实施方式中，风扇叶片10的榫头200的主体也可以为复合材料。榫头200的复材主体和叶身100的复材本体1共同构成风扇叶片10的复材本体部分。风扇叶片10的复材本体部分，例如，可以以树脂为基体，碳纤维预浸料以一定角度顺序铺覆叠加，每一层预浸料的边界可以适应风扇叶片10的叶型厚度的空间分布。铺层角度顺序可以设计为[0°/45°/0°/-45°]_N，复材本体部分的吸力面最外层可以为0°层，其中以风扇叶片10的径向方向为0°方向，从风扇叶片10的前缘至尾缘为轴向正方向。按设计的铺层角度顺序，从风扇叶片吸力面至压力面依次铺覆。

本发明还提供一种航空发动机，包括上述风扇叶片10。

整体上，本文提供的实施方式中，阻尼层3的边界可以由图3中示出的叶尖边界线、前缘边界线、第一边界L1、第二边界L2和第三边界L3组成。阻尼材料中，第一边界L1可以位于叶身100中部以上且第一边界L1至叶尖12的距离大于叶身100(叶片流道线S1以上部分)高度的四分之一。第二边界L2至叶片前缘11的距离可以约为叶身100弦向宽度的三分之一。第三边界L3可以位于叶身100中部以下且位于叶片流道线S1以上。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风扇叶片，所述风扇叶片包括叶身，所述叶身包括由复合材料制成的复材本体，所述叶身还包括覆盖于所述复材本体并且构成所述风扇叶片的最外层的保护层，其特征在于，

所述复材本体和所述保护层之间设置有由阻尼材料制成的阻尼层。

2.如权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述阻尼层覆盖所述复材本体的至少部分前缘和至少部分叶尖。

3.如权利要求2所述的风扇叶片，其特征在于，所述阻尼层覆盖所述复材本体的一部分前缘和全部叶尖。

4.如权利要求3所述的风扇叶片，其特征在于，所述阻尼层具有：

第一边界，自尾缘起朝向前缘延伸，从而具有位于尾缘前侧的第一端点；

第二边界，自所述第一边界的所述第一端点起朝向叶根延伸，从而具有相较于所述第一端点靠近叶根的第二端点；和

第三边界，自所述第二边界的所述第二端点起延伸到前缘。

5.如权利要求4所述的风扇叶片，其特征在于，所述第一边界和所述第三边界均沿弦向延伸；

所述叶身沿展向具有展向中心线，所述第一边界位于所述展向中心线靠近叶尖的一侧，并且，所述第三边界位于所述展向中心线靠近叶根的一侧。

6.如权利要求5所述的风扇叶片，其特征在于，所述第一边界至叶尖的距离大于所述复材本体的高度的四分之一。

7.如权利要求4所述的风扇叶片，其特征在于，所述第二边界沿展向延伸；

所述复材本体沿弦向具有弦向中心线，所述第二边界位于所述弦向中心线靠近前缘的一侧。

8.如权利要求7所述的风扇叶片，其特征在于，所述第二边界至前缘的距离是所述叶身的弦向宽度的三分之一。

9.如权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述保护层包括包覆于所述复材本体的前缘的金属加强边。

10.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的风扇叶片。