專利名稱：空心葉片的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及空心葉片，尤其涉及應用于航空發(fā)動機中的空心風扇葉片。
背景技術：
航空渦扇發(fā)動機包括風扇部分、壓氣機部分、燃燒室部分、渦輪部分和排氣部分等。風扇部分包括風扇轉子和機匣靜子。而風扇轉子是由風扇葉片、輪盤和軸等構成。葉片結構種類很多，空心風扇葉片是其中的一種結構類型。寬弦空心葉片具有效率高、重量輕、抗外物損傷能力強、增加壓氣機喘振裕度等優(yōu)點，而且可以通過采用這種新結構而減少單級風扇葉片數(shù)量，進一步減輕發(fā)動機重量。許多先進航空渦扇發(fā)動機均采用了寬弦空心風扇葉片的結構設計。1968年，英國的羅爾斯·羅伊斯公司開始設計和研制第一代寬弦空心風扇葉片。這種葉片的結構特點是無凸肩、無緣板且內部具有蜂窩夾芯板的鈦合金寬弦空心結構。20世紀80年代，羅爾斯 羅伊斯公司的第一代寬弦空心風扇葉片研制成功，并獲得了應用。與窄弦?guī)辜绲膶嵭娘L扇葉片相比，該型葉片的成功設計和應用，使得風扇轉子葉片數(shù)量減少了約1/3 ;轉子重量減輕了約10% 30%;蜂窩芯板結構改善了葉片的抗振性能；提高了風扇氣動效率；降低了發(fā)動機的燃油消耗率；風扇葉片的喘振裕度增加；壽命獲得了增長。70年代羅爾斯·羅伊斯公司在試車臺和發(fā)動機上對第一代寬弦空心風扇葉片進行的低循環(huán)疲勞、高循環(huán)疲勞、吞鳥和包容性等試驗結果以及在RB211-524G和V2500發(fā)動機上的成功應用都證明該葉片具有良好的結構完整性和極強的耐久性。1984年，羅爾斯 羅伊斯公司開始了基于超塑成形/擴散連接(SPF/DB)組合制造工藝的第二代寬弦空心風扇葉片的研制工作。該型葉片采用了鈦合金三層板結構超塑成形/擴散連接(SPF/DB)組合工藝制造，內部的近三角形桁架加強筋結構取代了第一代葉片中的蜂窩夾芯板結構。這樣的結構設計使得葉片質量更輕，而且這種形式的內部芯板能夠參與承力，每片葉片重量比采用蜂窩夾芯板的同樣葉片減少約15%。羅爾斯·羅伊斯公司擁有的一篇美國專利US6，979，180，公開了一種空心風扇葉片，這種葉片在內部具有“瓦倫板”形狀的鈦合金結構，雖然從整體上講，具有這種結構的葉片具有良好的剛性和抗鳥撞特性，然而，由于“瓦倫板”形狀是由多個梯形構成的，而梯形結構本身又具有剛性不均勻的特點，因而會導致葉片各向抗沖擊性差異的技術問題。

發(fā)明內容
為了解決上述技術問題，本發(fā)明提出了一種新的空心葉片結構，它不同于內腔芯板為“瓦倫板”結構，也不同于內腔為“蜂窩芯”的結構。本發(fā)明所公開的空心葉片是由構成葉片型面的兩塊面板和形成空心內腔的兩塊芯板構成，采用擴散連接和超塑成型工藝在一體芯板上形成空心的類六面柱體和空心的梯形柱體結構。由于本發(fā)明的葉片具有空心的類六面柱體結構，因此，其均衡了各個方向的剛性，有效地增強葉片在各個方向上抗撞擊能力。
本發(fā)明公開了一種空心葉片，其包括根部榫頭和葉身型面部，型面部從根部榫頭延伸到頂端并具有前緣、尾緣以及從前緣延伸到尾緣的壓力面部分和吸力面部分，壓力面部分和吸力面部分共同限定一個腔體，在腔體的內表面上連接有阻振部，阻振部具有多個在前緣和尾緣之間間隔地排布并大體上從根部榫頭延伸到頂端的空心的類六面柱體結構。其中，相鄰的空心的類六面柱體結構之間具有連接部分，其將相鄰的空心的類六面柱體的彼此鄰近的兩端連接起來。優(yōu)選地，壓力面部分、吸力面部分和阻振部分別由兩塊面板和兩塊芯板通過將兩塊芯板放在在兩塊面板的中間經(jīng)擴散連接和超塑成形而形成。更優(yōu)選地，芯板之間以及芯板和面板之間在擴散連接前分別在彼此相對表面的預定表面上噴涂止焊劑并形成芯板-芯板止焊劑條帶和芯板-面板止焊劑條帶，芯板-芯板止焊劑條帶和芯板-面板止焊劑條帶在前緣到尾緣的方向上是相互錯落排列的?？蛇x擇地，吸力面部分、壓力面部分和阻振部由鈦合金或鋁合金或鋼材料形成。其中，鋼材料較優(yōu)地為不銹鋼。具體地，空心葉片為定子葉片或轉子葉片。更具體地，定子葉片為風扇導向葉片。更具體地，轉子葉片為風扇葉片或壓氣機葉片。本發(fā)明還公開了一種制造空心葉片的方法，其包括(a)形成兩塊面板和兩塊芯板；(b)在兩塊芯板的一塊上施加阻焊劑以形成多個間隔開的條帶狀阻焊區(qū)，并將施加阻焊劑的芯板的表面面對另一塊芯板而將兩塊芯板堆疊成芯板-芯板組合體以使得阻焊劑夾在芯板之間；(C)在兩塊面板或芯板-芯板組合體上施加阻焊劑以形成多個間隔開的條帶狀阻焊區(qū)，并將兩塊面板中的一塊置放到芯板-芯板組合體的上表面上，另一塊置放到芯板-芯板組合體的下表面下而堆疊成面板-芯板組合體以將阻焊劑夾在面板和芯板-芯板組合體之間，其中面板和芯板-芯板組合體之間的阻焊區(qū)和芯板-芯板組合體的芯板之間的阻焊區(qū)是彼此交錯的；(d)將面板-芯板組合體置入成形模具中并對其加熱，使得芯板-芯板組合體的芯板之間以及面板和芯板-芯板組合體之間除阻焊區(qū)外擴散連接在一起；(e)向所述成形模具內吹入高壓惰性氣體，使得所述芯板-芯板組合體的芯板之間以及面板和芯板組合體之間的阻焊區(qū)超塑成形為空心的類六面柱體結構。較優(yōu)地，在步驟(C)之后在步驟(d)之前，所述面板-芯板組合體留有供在步驟(e)中的高壓惰性氣體進氣的進氣口。較優(yōu)地，空心的類六面柱體結構大體上在葉片的根部榫頭到葉片頂端的的方向上延伸，且在葉片的前緣到尾緣的方向上排列。


圖1為本發(fā)明的風扇葉片的示意圖；圖2中，(a)為應用本發(fā)明的對稱葉型的風扇葉片的橫截面示意圖；(b)為應用本發(fā)明的彎扭葉型的風扇葉片的橫截面示意圖3中，(a)和(b)分別為形成本發(fā)明的風扇葉片的面板和芯板在噴涂止焊劑前后的概略性示意圖。
具體實施例方式如圖1-圖2所示，其中，圖2中(a)和(b)分別表示兩種不同的葉型，即對稱葉型和彎扭葉型。風扇葉片10包括榫頭11和葉身型面12。榫頭11具有楔形或其他合適的形狀用來安裝到風扇輪盤13上相應形狀的榫槽中。葉身型面12具有從前緣14延伸到尾緣15的壓力面部分16和吸力面部分17，結合圖3，壓力面部分16和吸力面部分17分別由面板20、22形成，該面板20、22的材料為鈦合金?？蛇x擇地，該面板20、22的材料也可以為鋼材料，如不銹鋼。在由壓力面部分16和吸力面部分17所形成的容腔中，還具有阻振部18，該阻振部18具有從前緣14到尾緣15間隔地排布并從葉根到葉尖延伸的多個空心的類六面柱體結構182，其通過類六面柱體182的上、下兩個相對的表面分別連接在容腔中的壓力面部分16和吸力面部分17的內表面上，相鄰的空心的類六面柱體182之間是通過連接彼此鄰近的兩個端點之間的連接部分184連接在一起的。當阻振部18作為整體設置在容腔內后，從如圖2所示的截面上能夠看到，表面182a、182b、182c、182d、182e、182f形成了 一個空心的類六面柱體，其中，兩個相對的表面182a、182b分別與壓力面部分16和吸力面部分17固定連接?？招牡念惲嬷w182的表面182c、相鄰的空心的類六面柱體182的表面182d’、連接兩表面的連接部分184和處于兩表面之間的部分面板形成中空梯形186 ;空心的類六面柱體182的表面182e、相鄰的空心的類六面柱體182的表面182f’、連接兩表面的連接部分184和處于兩表面之間的部分面板形成中空梯形186 ;空心的類六面柱體182的表面182d、相鄰的空心的類六面柱體182的表面182c”、連接兩表面的連接部分184和處于兩表面之間的部分面板形成中空梯形186 ;空心的類六面柱體182的表面182f、相鄰的空心的類六面柱體182的表面182e”、連接兩表面的連接部分184和處于兩表面之間的部分面板形成中空梯形186。由于空心的類六面柱體182是以兩個表面(如182a、182b)連接于壓力面部分16和吸力面部分17的內表面上的，且壓力面部分16和吸力面部分17從前緣14到尾緣15的形狀不斷變化，因此，適應于壓力面部分16和吸力面部分17內表面的各個空心的類六面柱體182的形狀也是不斷變化的。如圖2所示，該空心的類六面柱體182的截面形狀從前緣14到尾緣15先從小到大再從大變小。上述空心的類六面柱體182和相鄰空心的類六面柱體182之間的連接部分184是由兩塊芯板24、26來形成，該芯板24、26的材料為鈦合金?？蛇x擇地，該芯板24、26的材料也可以為鋁合金材料或鋼材料等，其中，鋼材料較優(yōu)地為不銹鋼。下面，就面板20、22以及芯板24、26如何形成葉片作概略性說明，由于大部分工藝均采用現(xiàn)有技術，故本領域技術人員通過閱讀下面的說明，應當可以理解本發(fā)明所要求保護的葉片是如何制得的。結合圖3，圖3 (a)中概略性地示出了面板和芯板未噴涂止焊劑的情形，圖3 (b)中概略性地示出了芯板之間以及芯板和面板之間噴涂了止焊劑的情形。具體地，在兩塊較薄的芯板24、26的相對的待連接面上，在前緣14到尾緣15的方向上以一定的間隔并以一定的連續(xù)長度噴涂止焊劑以形成阻焊區(qū)，每段止焊劑在葉根到葉尖的方向上延伸約略整個芯板的寬度，即止焊劑(或阻焊區(qū))在芯板24、26的待連接區(qū)呈現(xiàn)為彼此間隔的條帶狀。然后將兩塊芯板24、26堆疊在一起使得止焊劑夾在其間形成芯板-芯板組合體，再在芯板24、26與面板20、22的待連接區(qū)(可以在芯板24、26上也可以在面板20、22上)間隔地噴涂止焊劑使其也呈現(xiàn)為條帶狀以形成阻焊區(qū)，同時，當兩塊面板20、22分別放置在芯板-芯板組合體的上面和下面時，即，按照面板、芯板-芯板組合體、面板的順序依上到下放置到一起形成面板-芯板組合體，使芯板24、26和面板20、22之間的止焊劑條帶與芯板24、26之間的止焊劑條帶呈現(xiàn)交錯狀，且大體上這些止焊劑條帶彼此平行。值得一提的是，在芯板24、26和面板20、22將要形成葉片前緣14和尾緣15的位置處均不噴涂止焊劑，這是為了便于兩端部在下述工藝中連接在一起以形成葉片前緣14和尾緣15。 然后，一起用氬弧焊焊接封邊并留有進氣口從而形成如圖3 (b)所示的層狀結構。將上述層狀結構放入用來成形葉片型面的模具內，并將模具放入到帶有加熱系統(tǒng)的壓機中，加熱升溫至使面板20、22和芯板24、26處于塑性變形的溫度，然后，將該模具連接氣壓泵，通過進氣口向模腔內吹入惰性氣體如氬氣，然后保溫使層板結構內部未噴涂止焊劑部位進行擴散連接。擴散連接完成后，通過模具的進氣口再向層狀結構中吹入高壓氬氣，由于噴涂止焊劑的區(qū)域在擴散連接中并沒有連接在一起并且處于塑性變形狀態(tài)，因此，外面的兩層面板20、22進行拉伸和扭曲變形超塑成形(SPF)為葉片型面的形狀，同時，中間兩層芯板24、26延展變形形成空心的梯形柱體結構186和空心的類六面柱體結構182。完全貼模成形后，隨爐冷卻，取出成形件進行表面化銑；最后數(shù)控加工出葉根和葉型邊緣。在上文中，所提及的擴散連接和超塑成形均在成形葉片型面的模具中進行的，然而，本領域的技術人員應當可以理解，可以在擴散連接過程中先使用擴散連接模具而不是上文提到的成形葉片型面的模具，然后，在超塑成形過程中再使用成形葉片型面的模具。自然，本領域的技術人員對擴散連接和超塑成形過程中所使用的模具可能會有不同的術語，如擴散連接?；虺艹尚文５?。無論對術語如何進行定義，其基本內涵在于通過在擴散連接和超塑成形過程中使用模具將層狀結構成形為葉片。值得注意的是，通過模具成形的葉片并不一定是最終的葉片形狀，所以，正如上文所述，還需要進行表面處理和葉根葉型的加工。本領域的技術人員應當可以理解上文所述的“擴散連接”和“超塑成形”所要求的具體工藝條件如溫度、壓力等，因為這兩種工藝以及這兩種工藝的結合均屬于現(xiàn)有技術，故在此不再贅述。本領域的技術人員應當可以理解，上文所述的葉片即可用作轉子葉片也可用作定子葉片，若用作轉子葉片，可以應用于例如風扇葉片或壓氣機葉片，若用作定子葉片，可以應用于例如風扇出口導向葉片。如上所述，整個空心葉片是由兩層較厚的構成葉片型面的面板和構成葉片空心內腔的兩層薄的芯板構成。兩層芯板較薄，其兩層質量與“瓦倫板”結構一層芯板相當。由于本發(fā)明的兩層芯板通過擴散連接和超塑成型工藝，使葉片內腔的內芯形成空心的類六面柱體和空心梯形柱體結構，這種結構具有較良好的結構穩(wěn)定性和較強的抗沖擊能力；并且，由于內芯呈空心的類六面柱體和空心的梯形柱體，各個方向上的剛性較為均衡，增強了葉片在各個方向上的抗撞擊能力。整個制造工藝過程與“瓦倫板”結構相似，總體來說，通過制板、設計擴散連接區(qū)域尺寸、擴散連接、超塑成型等工序制成。上述描述雖然對本發(fā)明作了比較詳細的說明，但是這些只是對本發(fā)明說明性的，而不是對本發(fā)明的限制，任何超出本發(fā)明實質精神內的發(fā)明創(chuàng)造，均落入本發(fā)明的保護范圍內。
權利要求
1.一種空心葉片，其包括根部榫頭和葉身型面部，所述型面部從所述根部榫頭延伸到頂端并具有前緣、尾緣以及從所述前緣延伸到所述尾緣的壓力面部分和吸力面部分，所述壓力面部分和吸力面部分共同限定一個腔體，在所述腔體的內表面上連接有阻振部，所述阻振部具有多個在所述前緣和所述尾緣之間間隔地排布并大體上從所述根部榫頭延伸到所述頂端的空心的類六面柱體結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的空心葉片，其中，相鄰的空心的類六面柱體結構之間具有連接部分，其將相鄰的空心的類六面柱體的彼此鄰近的兩端連接起來。
3.根據(jù)權利要求1所述的空心葉片，其中，所述壓力面部分、吸力面部分和所述阻振部分別由兩塊面板和兩塊芯板通過將所述兩塊芯板放在在所述兩塊面板的中間經(jīng)擴散連接和超塑成形而形成。
4.根據(jù)權利要求3所述的空心葉片，其中，所述芯板之間以及所述芯板和所述面板之間在所述擴散連接前分別在彼此相對表面的預定表面上噴涂止焊劑并形成芯板-芯板止焊劑條帶和芯板-面板止焊劑條帶，所述芯板-芯板止焊劑條帶和所述芯板-面板止焊劑條帶在所述前緣到所述尾緣的方向上是相互錯落排列的。
5.根據(jù)權利要求1-4所述的空心葉片，其中，所述吸力面部分、所述壓力面部分和所述阻振部由鈦合金或鋁合金或鋼材料形成。
6.根據(jù)權利要求1-4所述的空心葉片，其中，所述空心葉片為定子葉片或轉子葉片。
7.根據(jù)權利要求6所述的空心葉片，其中，所述定子葉片為風扇導向葉片。
8.根據(jù)權利要求6所述的空心葉片，其中，所述轉子葉片為風扇葉片或壓氣機葉片。
9.一種制造空心葉片的方法，其包括 (a)形成兩塊面板和兩塊芯板； (b)在所述兩塊芯板的一塊上施加阻焊劑以形成多個間隔開的條帶狀阻焊區(qū)，并將施加阻焊劑的芯板的表面面對另一塊芯板而將所述兩塊芯板堆疊成芯板-芯板組合體以使得所述阻焊劑夾在芯板之間； (c)在所述兩塊面板或所述芯板-芯板組合體上施加阻焊劑以形成多個間隔開的條帶狀阻焊區(qū)，并將所述兩塊面板中的一塊置放到所述芯板-芯板組合體的上表面上，另一塊置放到所述芯板-芯板組合體的下表面下而堆疊成面板-芯板組合體以將所述阻焊劑夾在所述面板和所述芯板-芯板組合體之間，其中所述面板和所述芯板-芯板組合體之間的阻焊區(qū)和所述芯板-芯板組合體的芯板之間的阻焊區(qū)是彼此交錯的； (d)將所述面板-芯板組合體置入成形模具中并對其加熱，使得所述芯板-芯板組合體的芯板之間以及面板和芯板-芯板組合體之間除所述阻焊區(qū)外擴散連接在一起； (e)向所述成形模具中吹入高壓惰性氣體，使得所述芯板-芯板組合體的芯板之間以及面板和芯板-芯板組合體之間的阻焊區(qū)超塑成形為空心的類六面柱體結構。
10.根據(jù)權利要求9所述的制造空心葉片的方法，其中，在步驟(c)之后在步驟(d)之前，所述面板-芯板組合體留有供在步驟(e)中的所述高壓惰性氣體進氣的進氣口。
11.根據(jù)權利要求9所述的制造空心葉片的方法，其中，所述面板的材料為鈦合金或鋁合金或鋼材料。
12.根據(jù)權利要求9所述的制造空心葉片的方法，其中，所述芯板的材料為鈦合金或鋁合金或鋼材料。
13.根據(jù)權利要求9所述的制造空心葉片的方法，其中，所述空心的類六面柱體結構大體上在葉片的根部榫頭到葉片頂端的方向上延伸，且在葉片的前緣到尾緣的方向上排列。
全文摘要
一種空心葉片，其包括根部榫頭和葉身型面部，所述型面部從所述根部榫頭延伸到頂端并具有前緣、尾緣以及從所述前緣延伸到所述尾緣的壓力面部分和吸力面部分，所述壓力面部分和吸力面部分共同限定一個腔體，在所述腔體的內表面上連接有阻振部，所述阻振部具有多個在所述前緣和所述尾緣之間間隔地排布并從所述根部榫頭延伸到所述頂端的空心的類六面柱體結構。由于本發(fā)明的葉片具有空心六面柱體結構，因此，均衡了各個方向的剛性，有效地增強葉片在各個方向上抗撞擊能力。
文檔編號F04D29/38GK102996510SQ20111027449
公開日2013年3月27日 申請日期2011年9月15日 優(yōu)先權日2011年9月15日
發(fā)明者喻雙喜, 劉業(yè)勝, 段肖瓏 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司