CN117588270A - 轻量化的航空发动机转子和航空发动机 - Google Patents
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Abstract
本申请提出一种轻量化的航空发动机转子，其包括：叶环(1)，所述叶环(1)为圆环状，所述叶环(1)包括环体(11)和纤维增强环(12)，所述环体(11)由钛合金制成，所述纤维增强环(12)由纤维增强复合材料制成，所述环体(11)包围所述纤维增强环(12)；以及多个叶片(2)，所述多个叶片(2)沿所述叶环(1)的周向(C)设置于所述叶环(1)，所述叶片(2)包括钛合金部分和树脂基复合材料部分，所述树脂基复合材料部分包括叶片(2)的叶尖(24)，所述钛合金部分包括叶片(2)的叶根(21)，所述叶根(21)通过摩擦焊连接于所述叶环(1)。
Description
技术领域
本申请属于航空发动机领域，特别涉及一种轻量化的航空发动机转子和航空发动机。
背景技术
随着航空发动机高性能、高推重比的发展需求，发动机的减重需求越来越迫切。高推重比的发动机对各部件的重量要求越来越苛刻，压缩机作为航空发动机的三大主要部件之一，降低它的重量对发动机推重比的提高有着重要的作用。
钛合金以其优良的力学性能在航空发动机中大量应用，采用钛合金在显著提高发动机性能的同时，也带来了另外一个严重的问题，即钛火。航空发动机领域对钛火问题都应给予足够的重视，以确保使用钛合金材料的航空发动机的安全性。
发明内容
本申请旨在提出一种轻量化的航空发动机转子，降低钛火风险。本申请还提出一种航空发动机。
本申请的实施方式提出一种轻量化的航空发动机转子，包括：
叶环，所述叶环为圆环状，所述叶环包括环体和纤维增强环，所述环体由钛合金制成，所述纤维增强环由纤维增强复合材料制成，所述环体包围所述纤维增强环；以及
多个叶片，所述多个叶片沿所述叶环的周向设置于所述叶环，所述叶片包括钛合金部分和树脂基复合材料部分，所述树脂基复合材料部分包括叶片的叶尖，所述钛合金部分包括叶片的叶根，所述叶根通过摩擦焊连接于所述叶环。
在至少一个可能的实施方式中，所述叶片还包括前缘、内芯、尾缘和叶身，所述前缘和所述尾缘为所述叶片在所述航空发动机转子的轴向上相反的两个边缘部分，所述叶身设置于所述内芯的外侧。
在至少一个可能的实施方式中，所述钛合金部分还包括所述前缘和所述内芯，所述树脂基复合材料部分包括所述尾缘和所述叶身。
在至少一个可能的实施方式中，所述环体设置有容纳腔，所述容纳腔沿所述叶环的周向延伸形成环形，所述纤维增强环设置于所述容纳腔。
在至少一个可能的实施方式中，所述纤维增强复合材料沿所述叶环的周向缠绕铺设以强化所述环体，所述环体和所述纤维增强环通过热等静压方式成型。
在至少一个可能的实施方式中，所述纤维增强复合材料为碳化硅纤维增强钛基复合材料。
在至少一个可能的实施方式中，所述钛合金部分和所述树脂基复合材料部分采用胶接或热压的方式连接。
在至少一个可能的实施方式中，所述树脂基复合材料部分地包围所述钛合金部分。
在至少一个可能的实施方式中，所述航空发动机转子为压气机的转子。
本申请还提出一种航空发动机，包括上述技术方案中任一项所述的轻量化的航空发动机转子。
通过采用上述技术方案，本申请可以获得以下有益效果中的至少一个。
(1)叶片包括钛合金部分和树脂基复合材料部分，可以在保持相同强度的情况下质量更轻或者保持相同质量的情况下强度更高。
(2)树脂基复合材料的叶尖可以避免航空发动机转子在高速转动下与机匣或涂层直接摩擦起火，可以降低航空发动机转子的钛火风险。
(3)通过纤维增强复合材料强化的叶环相较于仅由金属制成的叶环，可以在保持相同强度的情况下质量更轻或者保持相同质量的情况下强度更高。
附图说明
图1示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的结构示意图。
图2示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的另一角度的结构示意图。
图3示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的沿轴截面剖视图。
图4示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的沿轴截面的局部放大剖视图。
图5示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的沿横(即，垂直于轴向的)截面的剖视图。
图6示出了根据本申请的实施方式的轻量化的航空发动机转子的叶片的剖视图。
附图标记说明
1叶环11环体12纤维增强环
2叶片21叶根22前缘23内芯24叶尖25尾缘26叶身
3焊缝
A轴向C周向R径向
具体实施方式
为了更加清楚地阐述本申请的上述目的、特征和优点，在该部分结合附图详细说明本申请的具体实施方式。除了在本部分描述的各个实施方式以外，本申请还能够通过其他不同的方式来实施，在不违背本申请精神的情况下，本领域技术人员可以做相应的改进、变形和替换，因此本申请不受该部分公开的具体实施例的限制。本申请的保护范围应以权利要求为准。
如图1至图6所示，本申请的实施方式提出一种航空发动机。航空发动机包括轻量化的航空发动机转子，航空发动机转子可以用于航空发动机的压气机。航空发动机转子包括叶环1和多个叶片2，叶环1为圆环形，多个叶片2可以沿叶环1的周向C均匀排列地连接于叶环1。
如图3和图4所示，叶环1可以包括环体11和纤维增强环12，纤维增强环12连接于环体11。
环体11可以由金属材料制成，例如环体11可以由钛合金制成，钛合金的示例可以是TC25G钛合金，其具有良好的力学性能和耐蚀性。纤维增强环12可以由例如碳化硅(SiC)纤维增强钛基(TC25G)复合材料的纤维增强复合材料制成。金属材料和纤维增强复合材料共同形成的叶环1可以通过纤维增强复合材料对金属材料进行强化，并且叶环1的质量大幅度减轻。
环体11可以设置有容纳腔，容纳腔可以沿叶环1的周向C延伸形成环形。容纳腔的横截面(轴向截面)可以为矩形。纤维增强环12可以设置于容纳腔。
金属材料和纤维增强复合材料可以通过热等静压方式成型为毛坯，再通过机加工的方式加工出具有特定造型的叶环1。
碳化硅(SiC)纤维增强钛基(TC25G)复合材料可以沿叶环1的周向C进行缠绕铺设从而对环体11进行强化。碳化硅(SiC)纤维整体上可以沿叶环1的周向C延伸，相较于仅由金属制成的环体11，本申请的环体可以在保持相同强度的情况下质量更轻或者保持相同质量的情况下强度更高。
环体11可以先形成纤维增强环12的径向内侧以及轴向两侧部分，然后碳化硅(SiC)纤维可以沿叶环1的周向C缠绕在这部分上。最后环体11的其他部分(纤维增强环12的径向外侧)可以通过热等静压的方式和环体11中纤维增强环12的径向内侧以及轴向两侧部分形成为一个整体，制成叶环1。
可以理解，本申请不限制纤维增强环12的位置、区域和形状，叶环1中铺设碳化硅(SiC)纤维增强钛基(TC25G)复合材料的位置、区域和形状可以根据叶环1的具体受力特点，结合碳化硅(SiC)纤维增强钛基(TC25G)复合材料的制备工艺、复合材料的检测技术和后续的机加工工艺来综合考虑进行设计。
如图1至图6所示，叶片2包括叶根21、前缘22、内芯23、叶尖24、尾缘25和叶身26。
如图4所示，叶根21和叶尖24为叶片2在航空发动机转子的径向R上相反的两个部分，叶尖24位于叶片2的径向外侧部，叶根21位于叶片2的径向内侧部。前缘22和尾缘25为叶片2在航空发动机转子的轴向A上相反的两个边缘部分，前缘22可以是航空发动机中气流方向的上游侧，尾缘25可以是航空发动机中气流方向的下游侧。前缘22的叶根到叶尖的径向尺寸大于尾缘25的叶根到叶尖的径向尺寸。叶身26可以设置于内芯23的外侧。
叶根21、前缘22和内芯23可以由例如钛合金的金属材料制成。叶尖24、尾缘25和叶身26可以由例如树脂基复合材料的纤维增强材料(或称为纤维增强树脂基复合材料)制成。树脂基复合材料是由以有机聚合物为基体的纤维增强材料，通常使用玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维或者芳纶等纤维增强体。
树脂基复合材料的叶尖24可以避免航空发动机转子在高速转动下与机匣或涂层直接摩擦起火，可以降低航空发动机转子的钛火风险。
叶片2的树脂基复合材料部分(叶尖24、尾缘25和叶身26)可以部分地包围叶片2的钛合金部分(叶根21、前缘22和内芯23)，树脂基复合材料部分可以包围钛合金部分的除了前缘22和叶根21的其余表面。
叶片2的钛合金部分(叶根21、前缘22和内芯23)和树脂基复合材料部分(叶尖24、尾缘25和叶身26)可以通过胶接或热压的方式进行连接。
叶片2的叶根21可以通过摩擦焊(例如线性摩擦焊)一体地连接于叶环1，焊接区域可以形成焊缝3，叶片2和叶环1采用焊接的方式连接牢固，强度高。
本申请的轻量化的航空发动机转子和航空发动机可以获得以下有益效果。
(1)通过纤维增强复合材料强化的叶环相较于仅由金属制成的叶环，可以在保持相同强度的情况下质量更轻或者保持相同质量的情况下强度更高。
(2)叶片2包括钛合金部分和树脂基复合材料部分，可以在保持相同强度的情况下质量更轻或者保持相同质量的情况下强度更高。
(3)树脂基复合材料的叶尖24可以避免航空发动机转子在高速转动下与机匣或涂层直接摩擦起火，可以降低航空发动机转子的钛火风险。
此外，需要说明的是，本说明书中的环体11及叶片的钛合金部分的钛合金种类可以根据具体设计要求确定。纤维增强复合材料的材料种类、形状也可以根据具体设计要求确定。叶片2的钛合金部分和树脂基复合材料部分的占比比例也可以根据具体设计要求确定。
应当理解，上述实施方式、实施例或示例的至少部分方面或特征可以适当地组合。
可以理解，在本申请中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本申请排除了一个的情况。
在本申请中，除非另有明确的说明或限定，“安装”、“装配”、“组装”、“相连”、“连接”、“联接”、“连结”、“抵接”、“连通”、“相通”、“导通”、“固定”、“紧固”等术语应做广义理解，例如，其可以是直接或间接的。例如，关于连接，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的说明或限定。例如，关于连通/导通等，可以是直接连通/导通，也可以是经由中间媒介间接连通/导通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请中，除非另有明确的说明或限定，一个构件设置在/安装在/位于/容纳在/置于另一构件之中、之内、内部等可以是如下两种情形中的任一情形：该一个构件的一部分或大部分位于该另一个构件内；以及该一个构件被完全容纳在该另一个构件内。
虽使用上述实施方式对本申请进行了详细说明，但对于本领域技术人员来说，本申请显然并不限于在本说明书中说明的实施方式。本申请能够在不脱离由权利要求书所确定的本申请的主旨以及范围的前提下加以修改并作为变更实施方式加以实施。因此，本说明书中的记载以示例说明为目的，对于本申请并不具有任何限制性的含义。
Claims (10)
1.一种轻量化的航空发动机转子，其特征在于，包括：
叶环(1)，所述叶环(1)为圆环状，所述叶环(1)包括环体(11)和纤维增强环(12)，所述环体(11)由钛合金制成，所述纤维增强环(12)由纤维增强复合材料制成，所述环体(11)包围所述纤维增强环(12)；以及
多个叶片(2)，所述多个叶片(2)沿所述叶环(1)的周向(C)设置于所述叶环(1)，所述叶片(2)包括钛合金部分和树脂基复合材料部分，所述树脂基复合材料部分包括叶片(2)的叶尖(24)，所述钛合金部分包括叶片(2)的叶根(21)，所述叶根(21)通过摩擦焊连接于所述叶环(1)。
2.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述叶片(2)还包括前缘(22)、内芯(23)、尾缘(25)和叶身(26)，所述前缘(22)和所述尾缘(25)为所述叶片(2)在所述航空发动机转子的轴向(A)上相反的两个边缘部分，所述叶身(26)设置于所述内芯(23)的外侧。
3.根据权利要求2所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述钛合金部分还包括所述前缘(22)和所述内芯(23)，所述树脂基复合材料部分包括所述尾缘(25)和所述叶身(26)。
4.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述环体(11)设置有容纳腔，所述容纳腔沿所述叶环(1)的周向(C)延伸形成环形，所述纤维增强环(12)设置于所述容纳腔。
5.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述纤维增强复合材料沿所述叶环(1)的周向(C)缠绕铺设以强化所述环体(11)，所述环体(11)和所述纤维增强环(12)通过热等静压方式成型。
6.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述纤维增强复合材料为碳化硅纤维增强钛基复合材料。
7.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述钛合金部分和所述树脂基复合材料部分采用胶接或热压的方式连接。
8.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述树脂基复合材料部分地包围所述钛合金部分。
9.根据权利要求1所述的轻量化的航空发动机转子，其特征在于，所述航空发动机转子为压气机的转子。
10.一种航空发动机，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的轻量化的航空发动机转子。
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