專利名稱：一種空心風扇葉片及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種空心金屬材料部件，主要用于民用大涵道比渦扇發(fā)動機，屬于航空發(fā)動機及高速旋轉機械技術領域。
背景技術：
目前民用航空領域廣泛采用的金屬空心風扇葉片主要有兩種結構，一種是英國Rolls.Royce公司在美國專利申請US6979180B2中公開的瓦倫結構(warren girderstructure)，一種是美國P *W公司在專利申請EP1754857A3公開的在葉片內(nèi)部銑出若干道凹槽的結構，材料都采用鈦合金。CN101418811也公開了一種航空發(fā)動機空心風扇葉片，葉片為葉片主體加局部面板的組合式結構，葉片主體包括葉身和完整的榫頭，在葉片主體上葉身的一面的中部開出溝槽，葉身的邊緣為實心體，局部面板為與葉片主體開槽區(qū)的形面相對應的曲面平板，葉片主體的葉身上溝槽的筋條及開槽區(qū)的邊緣與局部面板焊接，形成空心葉片。上述的這兩種結構共同存在的問題是，葉片的質(zhì)量較大，葉身抗外物打擊能力不高，葉片的抗彎性能不高，容易發(fā)生顫振和因氣動力扭轉發(fā)生的振動，容易引起高周疲勞的失效。雖然以上兩種結構目前發(fā)表了在葉片內(nèi)部填充阻尼材料的方法以減少振動，吸收能量，但由于以上兩種空心結構形成的內(nèi)部空腔相對獨立，造成阻尼材料的填充工藝相對繁瑣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是引入高穩(wěn)定性的支撐結構，改變現(xiàn)有的空心風扇葉片的內(nèi)部支撐結構，減輕葉片的重量，從而增加風扇部件的工作效率。同時增加風扇葉片的抗彎剛度，以減少葉片的顫振和因氣動扭轉引起的振動，以及提高抗外物打擊能力和內(nèi)部阻尼材料吸收振動能量的效率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種空心風扇葉片，在鈦合金空心風扇葉片內(nèi)部引入類似于正多面體支撐結構，利用正多面體支撐的高穩(wěn)定性，提高葉片的剛度和抗彎能力。本發(fā)明所述的空心風扇葉片包含葉片上壁板、下壁板以及支撐其結構的由多組肋條一體形成的支承件，其中每組肋條由多根相鄰的肋條構成類正多面體形狀的結構，在每組肋條的頂部形成有與上壁板、下壁板原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域。肋條通過多邊形連接區(qū)域延伸出來以支撐上下壁板。多個肋條一體形成的整體支承件類正多面體形狀結構是這樣得到的:肋條成形之前結構為一塊芯板，是一塊帶有規(guī)律的正多邊形孔的芯板，其中每個正多邊形孔的僅與相鄰的一個正多邊形孔共用的直邊區(qū)段用于形成每根肋條的豎直段，每個正多邊形孔的與相鄰的多個正多邊形孔共用的多邊形區(qū)段交錯地用于形成每根肋條與上壁板、下壁板原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域和所述多邊形連接區(qū)域的對面，每個正多邊形孔的直邊區(qū)段與相鄰正多邊形孔的直邊區(qū)段垂直距離相等，以保證肋條的寬度相等。
有利地，葉片壁板為鈦合金，肋條也為鈦合金結構。有利地，肋條通過頂部和底部的多邊形連接區(qū)域與上壁板、下壁板原子擴散連接。形成多根肋條的芯板上的每個正多邊形孔與相鄰的一個正多邊形孔共用的直邊區(qū)段的上表面和下表面上布置有反擴散阻隔材料，每個正多邊形孔與相鄰的多個正多邊形孔共用的多邊形區(qū)段的上表面交錯地布置有反擴散阻隔材料，與所述多邊形區(qū)段的所述上表面相對的下表面交錯地沒有布置有反擴散阻隔材料，從而當上壁板、芯板和下壁板從上到下重疊形成裝配體后，在加熱加壓下，沒有布置有反擴散阻隔材料的每個正多邊形孔的多邊形區(qū)段形成與上壁板、下壁板原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域，布置有反擴散阻隔材料的每個正多邊形孔的多邊形區(qū)段形成多邊形連接區(qū)域的對面。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種制造本發(fā)明所述的空心風扇葉片的方法，包括如下步驟:1、提供兩塊面板作為空心風扇葉片的上、下壁板；2、提供一塊具有多個正多邊形孔的面板作為芯板；3、在芯板上布置反擴散阻隔材料；4、將布置好阻隔材料的上壁板、芯板和下壁板一次對齊重疊，形成裝配體；5、對裝配體進行加熱加壓，進行原子擴散連接；6、對完成擴散連接的裝配體在惰性氣體環(huán)境中進行超塑成形；7、在葉片空腔填充阻尼材料，形成帶減振裝置的空心風扇葉片。有利地，上壁板、下壁板和芯板的面板材料為鈦合金。有利地，每個正多邊形孔的僅與相鄰的一個正多邊形孔共用的直邊區(qū)段與相鄰正多邊形孔的直邊區(qū)段的垂直距離相等，以保證肋條的寬度相等。有利地，每個正多邊形孔的直邊區(qū)段的上表面和下表面上布置有反擴散阻隔材料，每個正多邊形孔的多邊形區(qū)段的上表面交錯地布置有反擴散阻隔材料，與所述每個正多邊形孔的所述多邊形區(qū)段的所述上表面相對的下表面交錯地沒有布置有反擴散阻隔材料。有利地，反擴散阻隔材料為氧化釔或其它有等效功能的材料。有利地，對裝配體加熱的溫度為850攝氏度以上，壓力為2-3個大氣壓，從而未布置反擴散阻隔材料的多邊形連接區(qū)域?qū)⒑蜕媳诎?、下壁板發(fā)生原子擴散連接。在這個過程中，由于芯板的肋條部分涂有反擴散阻隔材料，上、下壁板將由于內(nèi)部高壓作用形成空腔，肋條將被拉長并且形成類正多面體形狀的立體內(nèi)部支撐結構。有利地，在葉片空腔填充阻尼材料的方式為:將阻尼材料加熱成流體，再將其往葉片超塑成形時保留的通孔注入，使其在重力作用下灌滿葉片空腔，阻尼材料流體冷卻后固化。有利地，根據(jù)本發(fā)明的空心風扇葉片的中間支承件由三根相鄰的肋條構成類正四面體形狀的結構，其由帶多個正六邊形孔的芯板制成，在每組肋條的頂部形成有與上壁板、下壁板原子擴散連接的三角形連接區(qū)域。當然，也可以想到的是，支承件由帶多個符合空間幾何學的其它正多邊形的孔的芯板制成，比如等邊三角形孔、正方形孔等等。


圖1為葉片內(nèi)部制成后的局部視圖，移除了四周的外殼；
圖2為葉片內(nèi)部支承件的視圖；圖3為芯板的平面圖，即示出了內(nèi)部支承件在成形之前的結構；圖4為芯板的局部視圖；圖5為芯板的局部示意圖；圖6為支承件結構的局部視圖；圖7為上、下壁板與芯板重疊裝配之前的視圖。
具體實施例方式下面本文將參照附圖詳細地提供本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的描述。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，空心風扇葉片由三部分組成，如圖1所示，包含葉片上壁板1、下壁板2、以及支撐其結構的肋條3。在本實施例中，支承件是由三根相鄰的肋條構成類正四面體形狀的結構，由帶多個正六邊形孔6的芯板5制成，在其它實施例中，支承件由帶多個符合空間幾何學的其它正多邊形的孔的芯板制成，比如等邊三角形孔、正方形孔等等。圖3中正六邊形孔的排列規(guī)律為，每個正六邊形孔6的邊與相鄰正六邊形孔6的邊垂直距離相等，即保證肋條3的寬度都相等。在本實施例中，葉片壁板為彈性模量低(90_110Gpa)的β鈦合金。所述的肋條整體結構如圖2所示，肋條3通過三角形連接區(qū)域4延伸出來以支撐壁板。支承件成形之前結構為一塊芯板5，如圖3所示，是一塊帶有規(guī)律的正六邊形孔6的芯板5。圖4為芯板5的放大局部視圖，圖中正六邊形孔6之間的三角形區(qū)域4，即圖2中肋條3與葉片上、下壁板1、2的三角形連接區(qū)域，該區(qū)域通過擴散連接與葉片的上、下壁板
1、2相連。肋條從圖3芯板的結構形成圖2的空間立體結構，局部視圖如圖7所示，類正四面體立體結構的產(chǎn)生是因為鈦合金超塑成形的作用。每個正六邊形孔6的直邊區(qū)段的上表面8和下表面9上布置有反擴散阻隔材料(氧化釔)，每個正六邊形孔6的三角形區(qū)段的上表面交錯地布置有反擴散阻隔材料，每個正六邊形孔6的三角形區(qū)段的所述上表面相對的下表面交錯地沒有布置有反擴散阻隔材料。對由上壁板1、芯板5、下壁板2重疊成的裝配體進行加熱加壓，由于芯板5的肋條直邊區(qū)段部分涂有反擴散阻隔材料，上壁板1、下壁板2將由于內(nèi)部高壓作用形成空腔，肋條將被拉長并且形成類正四面體形狀的立體內(nèi)部支撐結構，并且肋條3上表面和下表面未布置反擴散阻隔材料的三角形連接區(qū)域4和上壁板1、下壁板2發(fā)生原子擴散連接。本發(fā)明的空心風扇葉片的制造方法包括如下步驟:1、提供兩塊鈦合金面板作為風扇葉片的上、下壁板I和2。提供一塊帶規(guī)律分部正六邊形孔6的鈦合金面板作為芯板5，排列規(guī)律為每個正六邊形孔6的邊與相鄰正六邊形孔6的邊垂直距離相等，即保證肋條的寬度都相等。2、在鈦合金芯板5上布置反擴散阻隔材料，布置阻隔材料的區(qū)域分為兩部分，一部分為將形成肋條的上下兩表面8、9 (見圖6)。另一部分為，圖中6所示的三角形連接區(qū)域面4的對面10。阻隔材料為氧化釔。3、將布置好阻隔材料的上壁板，芯板和下壁板一次對其重疊，形成裝配體。完全重疊前的結構如圖7所示。
4、對裝配體進行加熱加壓，進行擴散連接。對裝配體加熱的溫度為850攝氏度以上，能使鈦合金進行原子擴散的溫度，壓力為2-3個大氣壓。這個過程中，未布置阻隔材料的三角形連接區(qū)域4將和上、下壁板I和2發(fā)生擴散連接，未布置阻隔材料的芯板四周將和上、下壁板I和2發(fā)生擴散連接。芯板四周會與上下壁板發(fā)生擴散連接，分別形成葉片的前緣、后緣、葉尖和葉根。5、對完成擴散連接的裝配體在惰性氣體環(huán)境中進行超塑成形。這個過程中，由于芯板5的肋條3部分涂有阻隔材料，上、下壁板I和2將由于內(nèi)部高壓作用形成空腔，肋條3將被拉長并且形成立體內(nèi)部支撐結構，形成的結構局部如圖1所示。6、在葉片空腔填充阻尼材料。填充方式為:將阻尼材料加熱成流體，往葉片超塑成形時保留的通孔注入，在重力作用下灌滿葉片空腔，冷卻后，阻尼材料流體固化，形成帶減振裝置的空心風扇葉片。本發(fā)明不限于上述實施方案，并且可以基于本發(fā)明的主旨以各種方式進行改變或改進，并且這些改變和改進不脫離如所附權利要求中要求的本發(fā)明的范圍。
權利要求
1.一種空心風扇葉片，其包括:上壁板(1)，下壁板⑵以及支撐在所述上壁板⑴和所述下壁板⑵之間由多組肋條⑶一體形成的支承件，其中所述每組肋條⑶由多根相鄰的肋條(3)構成類正多面體形狀的結構，在每組肋條(3)的頂部形成有與所述上壁板(I)、所述下壁板(2)原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域(4)。
2.根據(jù)權利要求1所述的空心風扇葉片，其特征在于，所述葉片的空腔填充有阻尼材料。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的空心風扇葉片，其特征在于，所述上壁板(I)、所述下壁板(2)和所述肋條(3)為鈦合金。
4.根據(jù)權利要求1至3之一所述的空心風扇葉片，其特征在于，所述支承件由帶多個正多邊形孔的芯板(5)制成，其中每個正多邊形孔的僅與相鄰的一個正多邊形孔共用的直邊區(qū)段用于形成每根肋條(3)的豎直段，每個正多邊形孔的與相鄰的兩個正多邊形孔共用的多邊形區(qū)段交錯地用于形成每根肋條(3)與所述上壁板(I)、所述下壁板(2)原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域(4)和所述多邊形連接區(qū)域(4)的對面(10)，每個正多邊形孔的直邊區(qū)段與相鄰正多邊形孔的直邊區(qū)段垂直距離相等，以保證肋條的寬度相等。
5.根據(jù)權利要求4所述的空心風扇葉片，其特征在于，所述每個正多邊形孔的所述直邊區(qū)段的上表面(8)和下表面(9)上布置有反擴散阻隔材料，所述每個正多邊形孔的所述多邊形區(qū)段的上表面交錯地布置有反擴散阻隔材料，所述多邊形區(qū)段的所述上表面相對的下表面交錯地沒有布置有反擴散阻隔材料。
6.根據(jù)權利要求1至5之一所述的空心風扇葉片，其特征在于，所述支承件是由三根相鄰的肋條(3)構成類正四面體形狀的結構，其由帶多個正六邊形孔的芯板(5)制成。
7.一種用于制造權利要求1至6之一所述的空心風扇葉片的方法，包括如下步驟: (a)提供兩塊面板作為空心風扇葉片的上壁板(I)和下壁板(2); (b)提供一塊具有多個正多邊形孔的面板作為芯板(5)； (c)在所述芯板(5)上布置反擴散阻隔材料； (d)將所述上壁板(I)、布置好反擴散阻隔材料的芯板(5)和所述下壁板(2)—次對其重疊，形成裝配體； (e)對裝配體進行加熱加壓，進行原子擴散連接； (f)對完成擴散連接的裝配體在惰性氣體環(huán)境中進行超塑成形； (g)在葉片空腔填充阻尼材料，形成帶減振裝置的空心風扇葉片。
8.根據(jù)權利要求7所述的用于制造空心風扇葉片的方法，其特征在于，所述反擴散阻隔材料為氧化釔。
9.一種如權利要求7或8所述的用于制造空心風扇葉片的方法，其特征在于，對裝配體加熱的溫度為850攝氏度以上，壓力為2-3個大氣壓，從而未布置反擴散阻隔材料的多邊形連接區(qū)域(4)和所述上壁板(I)、所述下壁板(2)發(fā)生原子擴散連接。
10.一種如權利要求7至9之一所述的用于制造空心風扇葉片的方法，其特征在于，將阻尼材料加熱成流體，再將其往葉片超塑成形時保留的通孔注入，使其在重力作用下灌滿葉片空腔，阻尼材料流體冷卻后固化。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種空心風扇葉片，包含上壁板、下壁板以及支撐其結構的由多組肋條一體形成的支承件，其中每組肋條由多根相鄰的肋條構成類正多面體形狀的結構，在每組肋條的頂部形成有與上壁板、下壁板原子擴散連接的多邊形連接區(qū)域。本發(fā)明還提供了一種用于制造空心風扇葉片的方法。本發(fā)明所述的空心風扇葉片在葉片內(nèi)部引入類似于正多面體支撐結構，利用正多面體支撐的高穩(wěn)定性，提高葉片的剛度和抗彎能力。
文檔編號F04D29/66GK103089323SQ20111033647
公開日2013年5月8日 申請日期2011年10月31日 優(yōu)先權日2011年10月31日
發(fā)明者陳繼悅, 張成成, 龍威威, 侯亮, 柴象海, 張建 申請人:中航商用航空發(fā)動機有限責任公司