CN212717382U - 风扇出口导叶和涡轮风扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种风扇出口导叶和涡轮风扇发动机。本发明的风扇出口导叶，包括：叶身；外缘板，连接于叶身的顶部；和安装件，设置于外缘板上，且安装件上设有用于与涡轮风扇发动机的机舱连接的轴向连接孔。基于此，有利于提高风扇出口导叶在机舱上的安装可靠性。

Description

风扇出口导叶和涡轮风扇发动机

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，特别涉及一种风扇出口导叶和涡轮风扇发动机。

背景技术

风扇出口导叶又被称为风扇外涵出口导流叶片，是位于风扇转子叶片下游，并与风扇转子叶片相邻的导流叶片。

相关技术中，风扇出口导叶包括一体成型的叶身、外缘板和内缘板，且外缘板上设有径向螺栓孔，外缘板通过径向螺栓孔与机舱连接。这种情况下，存在风扇出口导叶在机舱上安装可靠性较差等问题。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题为：提高风扇出口导叶在机舱上的安装可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种风扇出口导叶，其包括：

叶身；

外缘板，连接于叶身的顶部；和

安装件，设置于外缘板上，且安装件上设有用于与涡轮风扇发动机的机舱连接的轴向连接孔。

在一些实施例中，安装件上设有至少两个轴向连接孔，至少两个轴向连接孔沿着周向间隔布置。

在一些实施例中，轴向连接孔为轴向螺纹孔。

在一些实施例中，安装件的数量为一个。

在一些实施例中，外缘板与叶身的连接处设有过渡圆角，过渡圆角的半径小于或等于5mm。

在一些实施例中，轴向连接孔内设有衬套。

在一些实施例中，风扇出口导叶还包括连接于叶身根部的内缘板，内缘板上设有安装孔，叶身的根部穿过安装孔并与内缘板连接在一起。

在一些实施例中，叶身与安装孔之间由填充物填充固定。

在一些实施例中，填充物为复合材料填充物。

本发明还提供了一种涡轮风扇发动机，其包括本发明的风扇出口导叶。

本发明通过将外缘板的用于与机舱连接的连接孔由径向螺栓孔改为轴向连接孔，有利于提高风扇出口导叶在机舱上的安装可靠性。

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

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一些实施例中涡轮风扇发动机的半剖示意简图。

图2示出图1所示涡轮风扇发动机的部分结构的立体示意图。

图3示出风扇出口导叶在机舱上的排布。

图4示出本发明一些实施例中风扇出口导叶的第一立体图。

图5示出图4所示风扇出口导叶的第二立体图。

图6示出本发明一些实施例中内缘板的立体图。

图7示出本发明一些实施例中风扇出口导叶与机舱的连接示意图。

图8示出相关技术中风扇出口导叶与机舱的连接示意图。

图中：

100、涡轮风扇发动机；

10、风扇出口导叶；20、风扇转子叶片；30、风扇机匣；40、中介机匣外环；50、中介机匣；60、机舱；

1、叶身；11、加强件；

2、外缘板；2a、径向螺栓孔；

3、内缘板；

4、安装件；41、轴向连接孔；

5、过渡圆角；

6、安装孔；

7、填充物。

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开展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。

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，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

图1-7示例性地示出本发明的涡轮风扇发动机和风扇出口导叶。

参照图1-3，在本发明的一些实施例中，涡轮风扇发动机100包括风扇转子叶片20、风扇出口导叶10(Fan outlet guide vane，FOGV)、机舱60和中介机匣50等。

机舱60又称涡轮风扇发动机100的外机匣，其包括沿着气流流动方向依次连接的风扇机匣30和中介机匣外环40。风扇机匣30罩设于风扇转子叶片20的外部。中介机匣外环40沿着气流流动方向连接于风扇机匣30的后端，并罩设于中介机匣50外部。

风扇转子叶片20和风扇出口导叶10均布置于机舱60内部，并沿着气流流出方向依次布置，即，风扇出口导叶10沿着气流流出方向布置于风扇转子叶片20的下游。其中，风扇转子叶片20为动叶片，其可转动地设置于风扇机匣30内部，用于向涡轮风扇发动机100内部导入空气。风扇出口导叶10为静叶片，其用于对由风扇转子叶片20导入的空气气流进行整流。

一般，多个风扇转子叶片20沿着涡轮风扇发动机100的周向(同时也是机舱60的周向)间隔布置，且多个风扇出口导叶10沿着涡轮风扇发动机100的周向间隔布置。

风扇出口导叶10又称为风扇外涵出口导流叶片，其位于外涵流道内部，并与机舱60连接。具体地，风扇出口导叶10布置于风扇机匣30和中介机匣外环40之间，并与风扇机匣30和中介机匣外环40均连接。

参照图4-5，风扇出口导叶10包括叶身1、外缘板2和内缘板3等。外缘板2和内缘板3分别连接于叶身1的顶部和根部，即分别连接于叶身1的靠近机舱60的一端和远离机舱60的一端。风扇出口导叶10通过外缘板2与机舱60连接。其中，叶身1的靠近机舱60的一端也可称为叶身1的第一端或径向外端，同时，叶身1的远离机舱60的一端也可称为叶身1的第二端或径向内端。

一些实施例中，叶身1、外缘板2和内缘板3由纤维增强树脂复合材料等复合材料制成。参照图4，外缘板2的长宽尺寸大于内缘板3的长宽尺寸，使得风扇出口导叶10整体呈大致的倒“工”字型。

继续参照图4，一些实施例中，风扇出口导叶10还包括加强件11，该加强件11设置于叶身1的前缘和后缘，例如，加强件11粘接于叶身1的前缘和后缘，起到加强保护作用。叶身1的前缘和后缘分别指叶身1的沿着气流流动方向的前侧和后侧。加强件11可以为金属加强件。

参照图8，相关技术中，叶身1、外缘板2和内缘板3采用复合材料一体模压成型，且外缘板2上设有径向螺栓孔2a，外缘板2通过该径向螺栓孔2a与机舱60连接。安装时，螺栓穿过径向螺栓孔2a，对外缘板2与机舱60进行连接，实现风扇出口导叶10在机舱60上的安装。

在实践本发明的过程中，发明人发现，采用径向螺栓孔2a实现外缘板2与机匣60的连接，存在以下问题：

(1)影响风扇出口导叶10在机舱60上的安装可靠性。

具体地，风扇出口导叶10的振动方向主要沿着发动机的周向，所产生的振动弯矩与径向螺栓孔2a的轴线方向垂直，振动载荷由螺栓承受，使得在风扇出口导叶10振动过程中，螺栓的径向相对两侧会交替地受拉和受压，例如，在图8中，螺栓会交替出现左侧受拉右侧受压和左侧受压右侧受拉两种受力情况，这一方面容易造成螺栓疲劳损伤，另一方面也会加剧径向螺栓孔2a的磨损，而这些均容易造成风扇出口导叶10与机舱60的连接失效，影响风扇出口导叶10在机舱60上的安装可靠性。

(2)径向螺栓孔2a的加工精度难以保障，容易增加螺栓的载荷，缩短螺栓的使用寿命，并给气流流动造成不利影响。

具体地，在加工径向螺栓孔2a时，径向螺栓孔2a的位置及轴线方向是影响径向螺栓孔2a加工精度的重要因素，由于外缘板2等的曲率半径较大，难以直接基于外缘板2等风扇出口导叶100自身的结构部件来确定径向螺栓孔2a的位置及轴线方向，而需要以涡轮风扇发动机100的轴线以及子午面作为基准，以保证径向螺栓孔2a的轴线沿着涡轮风扇发动机100的径向及叶身1与子午面的夹角，然而，实际加工时，风扇出口导叶10通常是单片加工，所采用的模具也是单片导叶的模具，而不是整环的模具，因此涡轮风扇发动机100的轴线以及子午面这一基准难以在模具上准确确定，所以，径向螺栓孔2a的加工精度难以保障。

从一个角度说，径向螺栓孔2a的加工精度难以保障，容易造成径向螺栓孔2a的加工精度相对较低，导致出现如图8所示的径向螺栓孔2a实际位置I偏离其设计位置II的问题。而径向螺栓孔2a的精度较低，一方面，容易导致螺栓承受不希望出现的附加载荷作用，例如，在图8中，左侧螺栓安装时需额外承受顺时针方向的弯矩，造成螺栓载荷明显提升，使用寿命缩短，另一方面，径向螺栓孔2a加工精度不高，还会导致气流流道的实际位置与设计位置不符，给气流流动造成不利影响，例如，在图8中，左侧径向螺栓孔2a受到逆时针方向的弯矩，造成外缘板2受到箭头所示方向的载荷，外缘板2被挤压，导致外缘板2向径向内侧鼓起，且叶身1沿周向发生倾斜，这时气流流道的实际位置偏离设计位置，影响气流流动，造成喘振裕度的降低。其中，喘振裕度是衡量发动机喘振性能的指标，该指标直接关系到发动机的稳定性。喘振裕度越高，则发动机的喘振性能越好，稳定性越高。而喘振是是发动机的一种不正常的工作状态，是由压气机内的空气流量和压气机转速偏离设计状态过多而引发的。

从另一个角度说，由于直接模压成型之后，径向螺栓孔2a的精度与实际需求存在偏差，因此，可能还需要额外的加工工具以及机加工工序对径向螺栓孔2a进行进一步地处理，这又导致径向螺栓孔2a的加工复杂。

另外，发明人还发现，相关技术中，内外缘板与叶身1一次成型，较难保证叶身1的径向尺寸精度，也容易造成流道位置和尺寸偏差，影响气流流动。

再者，发明人也发现，虽然内外缘板所承受的振动应力不同，外缘板2的振动应力大于内缘板3的振动压力，但相关技术中，对内外缘板并未做差别设计，内外缘板与叶身1之间均通过过渡圆角过渡，且过渡圆角的半径一般均不小于6mm，这虽然有利于提高风扇出口导叶的抗振能力，但却会导致外涵效率以及外涵喘振裕度的降低。

基于上述发现，本发明对风扇出口导叶10的结构进行改进，以实现提高风扇出口导叶的安装可靠性、改善气流流动及降低对叶身的尺寸精度要求等目的。

参照图4-7，一些实施例中，风扇出口导叶10还包括安装件4，该安装件4设置于外缘板2上，且该安装件4上设有用于与机舱60连接的轴向连接孔41。

具体地，参照图4，一些实施例中，安装件4被构造为安装板，并与外缘板2和叶身1大致垂直。

安装时，将连接件穿过轴向连接孔41，对外缘板2与机舱60进行连接，实现风扇出口导叶10在机舱60上的安装。

其中，参照图4，一些实施例中，轴向连接孔41为轴向螺纹孔41a，此时，连接件为螺栓等螺纹连接件。或者，另一些实施例中，轴向连接孔41也可以为轴向销孔等其他类型的连接孔，此时，连接件为销轴等其他类型的连接件。

与径向螺栓孔2a不同，轴向连接孔41的轴线不再沿着涡轮发动机风扇100的径向(同时也是机舱60和叶身1的径向)，而是沿着涡轮风扇发动机100的轴向(同时也是机舱60和叶身1的轴向)。

一方面，在风扇出口导叶10沿发动机周向振动时，风扇出口导叶10所产生的振动弯矩的方向与轴向连接孔41的轴线平行，这种情况下，振动载荷由外缘板2及安装件4的摩擦力承受，螺栓等位于轴向连接孔41内的连接件不再交替承受方向相反的振动载荷，因此，能够有效减小因风扇出口导叶10振动所造成的螺栓等连接件的疲劳以及轴向连接孔41的磨损，从而使得轴向连接孔41及其内的连接件能够在更长时间内更可靠地对风扇出口导叶10及机舱60进行连接，进而有效提高风扇出口导叶10在机舱60上的安装可靠性。同时，由于轴向连接孔41内的连接件出现疲劳损伤的风险降低，因此也有利于延长连接件的使用寿命。

另一方面，由于轴向连接孔41无需再以发动机轴线及子午面作为定位基准，而可以采用模具上易于确定的其他基准，例如可以直接以安装件4作为定位基准，只需使轴向连接孔41的轴线垂直于安装件4的表面，即可使轴向连接孔41的轴线按照要求沿着发动机的轴向，简单方便，加工容易，且能够有效降低因定位基准难以准确确定而导致的连接孔轴线位置和方向发生偏差的风险，也就是说，轴向连接孔41的加工精度更容易得到保障。

从一个角度看，轴向连接孔41的加工精度相对较高，更容易加工得到精度符合要求的轴向连接孔41，这有利于提高风扇出口导叶10的安装精度，改善螺栓等与轴向连接孔41配合的连接件的受力状态，减少螺栓等连接件在安装过程中所受到的附加载荷，延长螺栓等连接件的使用寿命，同时也有利于提高气流流道实际位置与设计位置的一致性，改善气流流动，提升外涵气流气动性能，提高喘振裕度，增强涡轮风扇发动机100的稳定性。

从另一个角度看，成型之后轴向连接孔41的加工精度与设计精度偏差较小或无偏差，还使得可以减少，甚至完全省略针对轴向连接孔41的额外机加工，为简化制造工艺提供便利条件。

可见，通过将连接外缘板2与机舱60的连接孔由径向螺栓孔改变为轴向螺栓孔等轴向连接孔41，能够有效提高风扇出口导叶10在机舱60上的安装可靠性，改善螺栓等与轴向连接孔41配合的连接件的受力状态，延长螺栓等连接件的使用寿命，改善气流流动，以及简化制造工艺。

其中，安装件4上轴向连接孔41的数量不做限制，例如可以为一个，两个或多个。当安装件4上设有至少两个轴向连接孔41时，这至少两个轴向连接孔41可以沿着周向间隔布置，以使外缘板2与机舱60之间能在周向至少两点处进行连接，进一步提高二者之间的连接可靠性。而当安装件4上轴向连接孔41的数量为两个时，可以在实现外缘板2与机舱60较可靠连接的同时，简化结构，方便加工，并降低连接劳动强度。

参照图4，在一些实施例中，安装件4的数量为一个。利用一个安装件4连接风扇机匣30和中介机匣外环40，有利于防止叶身1和外缘板2等结构出现在机舱60的载荷传递路径上，例如可以防止叶身1和外缘板2等结构出现在风扇机匣30和中介机匣外环40之间的载荷传递路径上，从而有利于防止叶身1和外缘板2等结构承受较大的载荷，减小机舱60的载荷对风扇出口导叶10，尤其是对风扇出口导叶10的复合材料部分的不利影响。因为，当沿轴向间隔设有两个或多个安装件4时，机舱60载荷在相邻两个安装件4之间传递时，仍主要依靠叶身1和外缘板2传递，容易增加叶身1和外缘板2所承受载荷的大小。而在安装件4的数量为一个时，机舱60的载荷主要由连接件传递，而较少经由叶身1(尤其是叶身1与外缘板2连接处)进行传递，因此，有利于减小叶身1和外缘板2所承受载荷的大小。

另外，针对内外缘板所承受振动应力不同的特点，一些实施例中，对内外缘板与叶身1的连接关系进行了差别化设计。其中，外缘板2与叶身1之间仍一体成型，而内缘板3与叶身1之间则不再一体成型，而是二者分别成型后再连接在一起。

具体地，参照图4-5，一些实施例中，叶身1、外缘板2及安装件4一体成型，且叶身1与外缘板2之间仍通过过渡圆角5过渡。

叶身1与外缘板2之间的过渡区域为整个风扇出口导叶1上振动应力较大的区域，使叶身1与外缘板2一体成型，并在叶身1与外缘板2之间设置过渡圆角5，有助于提高外缘板2与叶身1连接处的抗振及抗疲劳能力，满足叶身1与外缘板2过渡区域较高的抗振和抗疲劳要求。

其中，过渡圆角5的半径可以小于或等于5mm，以在使叶身1与外缘板2具有一定抗振和抗疲劳能力的基础上，减小过渡圆角5对气流流动的不良影响，提升气动性能。

而参照图4-6，在一些实施例中，内缘板3上设有安装孔6，叶身1的根部穿过安装孔6并与内缘板3连接在一起。

由于叶身1位于内外缘板之间的部分的尺寸是发动机实际关心的部分，而通过采用叶身1与内缘板3分别成型，之后叶身1再穿过安装孔6与内缘板3连接的方式，使得即使叶身1的整体径向尺寸精度较低，也仍能通过调节叶身1从安装孔6穿出部分的多少，来方便地使叶身1的位于内外缘板之间的部分的径向尺寸符合实际需求，因此，有利于降低对叶身1径向尺寸精度的要求，从而有利于降低加工难度，节约加工成本。

其中，参照图4-5，一些实施例中，叶身1与安装孔6之间由填充物7填充固定。具体地，参照图6，一些实施例中，安装孔6为叶型孔，其轮廓形状与叶身1的用于与该安装孔6连接的部分形状相同，而其尺寸则比叶身1的用于与该安装孔6连接的部分的尺寸大一些。填充物7填充于叶身1与安装孔6之间的间隙中，并最终固化成型，实现叶身1与内缘板5之间的连接固定。

使叶身1与安装孔6之间由填充物7填充固定，能够方便地实现穿过安装孔6的叶身1与内缘板3之间的连接固定，有效降低对叶身1径向尺寸精度的要求。

并且，所填充的填充物7，还能吸收一部分振动能量，减少外缘板2所承受的振动，使得在满足抗振需求的基础上，减小外缘板2与叶身1之间过渡圆角5的尺寸成为可能，例如，在设有填充物7的基础上，过渡圆角5的半径不必大于6mm，例如，小于或等于5mm，也能满足抗振需求。

其中，填充物7可以为复合材料填充物，以更好地连接固定及吸振。

另外，叶身1与内缘板3分别成型后，再由填充物7填充固定的方式，还使得内缘板3与叶身1之间的过渡区域基本为直角，能够最大程度地降低过渡圆角对气流流道和气体流动的不利影响。

可见，对内外缘板与叶身1的过渡区域进行差别化设计，使内外缘板1与叶身1的过渡区域呈现不同的特征，更符合内外缘板不同的受力特点，使得不仅能满足内外缘板各自的抗振和抗疲劳要求，还能减少较大尺寸的过渡圆角对气动性能的影响，并有利于降低对叶身1径向尺寸的精度要求。

一些实施例中，风扇出口导叶10的加工方法如下：

(1)根据叶身1、外缘板2和安装件4的一体结构的设计外形裁剪相应形状的预浸料，并将预浸料以一定的顺序铺敷在模具中，然后利用模具模压成型，形成叶身1、外缘板2和安装件4的一体化结构，完成身1、外缘板2和安装件4的一体成型过程；

(2)将加强件11粘接至叶身1的相应位置，实现加强件11的安装过程。

(3)根据内缘板3的设计外形裁剪相应形状的预浸料，并将预浸料铺敷在模具中，然后利用模具模压成型，实现对内缘板3的单独成型过程。

(4)将粘接有加强件11的叶身1穿过内缘板3上的安装孔6，并采用填充物7填充孔隙，最终固化成型，形成风扇出口导叶100。

上述步骤(1)和(3)的顺序不作限制，二者可以先后进行，例如步骤(1)在步骤(3)之前，或者步骤(3)在步骤(1)之前，但二者也可以同时进行，即，在施行步骤(1)的同时，也施行步骤(3)。

另外，上述步骤(1)中，在预浸料铺敷过程中，可以将衬套(图中未示出)预埋在与轴向连接孔41相应的位置，以实现对轴向连接孔41的加工。加工完成后，衬套可以保留于轴向连接孔41中，以增强轴向连接孔41的抗磨能力。

以上所述仅为本发明的示例性实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，参数均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种风扇出口导叶(10)，其特征在于，包括：

叶身(1)；

外缘板(2)，连接于所述叶身(1)的顶部；和

安装件(4)，设置于所述外缘板(2)上，且所述安装件(4)上设有用于与涡轮风扇发动机(100)的机舱(60)连接的轴向连接孔(41)。

2.根据权利要求1所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述安装件(4)上设有至少两个所述轴向连接孔(41)，所述至少两个轴向连接孔(41)沿着周向间隔布置。

3.根据权利要求1所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述轴向连接孔(41)为轴向螺纹孔(41a)。

4.根据权利要求1所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述安装件(4)的数量为一个。

5.根据权利要求1所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述外缘板(2)与所述叶身(1)的连接处设有过渡圆角(5)，所述过渡圆角(5)的半径小于或等于5mm。

6.根据权利要求1所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述轴向连接孔(41)内设有衬套。

7.根据权利要求1-6任一所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述风扇出口导叶(10)还包括连接于所述叶身(1)根部的内缘板(3)，所述内缘板(3)上设有安装孔(6)，所述叶身(1)的根部穿过所述安装孔(6)并与所述内缘板(3)连接在一起。

8.根据权利要求7所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述叶身(1)与所述安装孔(6)之间由填充物(7)填充固定。

9.根据权利要求8所述的风扇出口导叶(10)，其特征在于，所述填充物(7)为复合材料填充物。

10.一种涡轮风扇发动机(100)，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的风扇出口导叶(10)。

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