本發(fā)明涉及航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域,尤其涉及一種由不同密度的材料組成的風(fēng)扇葉片。
背景技術(shù):
民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵之一是大尺寸風(fēng)扇葉片。由于葉片尺寸加大,使得其強(qiáng)度要求更加嚴(yán)苛。對(duì)于高涵道比渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)講,實(shí)心的風(fēng)扇葉片已不能滿(mǎn)足要求,需創(chuàng)造輕質(zhì)風(fēng)扇葉片。
國(guó)外先進(jìn)民用發(fā)動(dòng)機(jī)均進(jìn)行了減重設(shè)計(jì):R&R公司通過(guò)超塑成型-擴(kuò)散連接技術(shù)生成中空帶加強(qiáng)桁條的純鈦合金空心風(fēng)扇葉;GE公司的風(fēng)扇葉片采用了由不同材料(復(fù)合材料和鈦合金)組成的復(fù)合材料葉片,復(fù)合材料為葉片主體,鈦合金作為包邊。R&R公司純鈦合金空心風(fēng)扇葉片的減重空心率已經(jīng)達(dá)到40%,而GE公司的復(fù)合材料-鈦合金包邊葉片的等效減重空心率則已達(dá)到了60%以上。這兩種設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵專(zhuān)利技術(shù)。輕質(zhì)風(fēng)扇葉片的設(shè)計(jì)受到各大發(fā)動(dòng)機(jī)公司的重視。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于提供一種風(fēng)扇葉片,該風(fēng)扇葉片的質(zhì)量相較傳統(tǒng)金屬葉片來(lái)說(shuō)有大幅減輕,而較傳統(tǒng)復(fù)合材料葉片來(lái)說(shuō),具有更好的抗撞擊性能。
根據(jù)上述目的,本發(fā)明提供一種風(fēng)扇葉片,所述風(fēng)扇葉片在至少一個(gè)弦向區(qū)間內(nèi),沿著其厚度方向上由不同的材料層鋪疊構(gòu)成。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的材料層數(shù)相同。
在一實(shí)施例中,在特定厚度處各材料層的厚度M相同,其中,M=T/N,T為所述風(fēng)扇葉片在此處的厚度,N為材料層數(shù)。
在一實(shí)施例中,所述風(fēng)扇葉片在整個(gè)弦向區(qū)間內(nèi),沿著其厚度方向上由不同的材料層鋪疊構(gòu)成。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的材料層數(shù)不同。
在一實(shí)施例中,所述風(fēng)扇葉片在沿著其厚度方向上由金屬材料層和非金屬材料層交替鋪疊而成,其中,相鄰的金屬材料層和非金屬材料層通過(guò)膠層連接。
在一實(shí)施例中,在所述膠層內(nèi)設(shè)置隔斷,以避免相鄰的材料層出現(xiàn)整體脫落。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的弦向方向上設(shè)置所述膠層的隔斷。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的展向方向上設(shè)置所述膠層的隔斷。
在一實(shí)施例中,在所述膠層上設(shè)置連續(xù)的隔斷,以使得所述膠層分割為多個(gè)閉合區(qū)域。
在一實(shí)施例中,在所述膠層的所述隔斷中填充與所述膠層接觸的材料層中任一材料層對(duì)應(yīng)的材料。
在一實(shí)施例中,在所述膠層的所述隔斷中填充與所述膠層接觸的金屬材料層對(duì)應(yīng)的材料。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的壓力面上的第一層材料為金屬材料層。
在一實(shí)施例中,所述非金屬材料層和金屬材料層的厚度比為1:10~1:20。
在一實(shí)施例中,所述非金屬材料層和所述金屬材料層的厚度比為4:1~10:1。
在一實(shí)施例中,所述風(fēng)扇葉片還包括:金屬防護(hù)套,包裹于所述風(fēng)扇葉片的外表面,以防止相鄰的材料層之間的脫膠。
在一實(shí)施例中,所述風(fēng)扇葉片的前緣區(qū)域內(nèi)全部由金屬材料構(gòu)成,所述風(fēng)扇葉片的后緣和葉身區(qū)域內(nèi)沿著其厚度方向上由金屬材料層和非金屬材料層交替鋪疊而成。
在一實(shí)施例中,所述風(fēng)扇葉片的前緣區(qū)域內(nèi)全部由金屬材料構(gòu)成,所述風(fēng)扇葉片的后緣區(qū)域內(nèi)全部由非金屬材料構(gòu)成,所述風(fēng)扇的葉身區(qū)域內(nèi)沿著其厚度方向上由金屬材料層和非金屬材料層交替鋪疊而成。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的各層材料的厚度不同。
本發(fā)明通過(guò)不同材料的鋪疊結(jié)構(gòu),使得風(fēng)扇葉片即包含復(fù)合材料部分又包含金屬材料部分,金屬材料韌性好、強(qiáng)度高,能夠提供葉片切向剛度,調(diào)節(jié)葉片模態(tài),復(fù)合材料質(zhì)量較輕,提供葉片展向剛度,減輕葉片重量,調(diào)節(jié)葉片模態(tài)。
附圖說(shuō)明
圖1示出風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖2示出了風(fēng)扇葉片的弦向截面;
圖3a示出了風(fēng)扇葉片在弦向方向上的一種鋪層結(jié)構(gòu)
圖3b示出了風(fēng)扇葉片在弦向方向上的另一種鋪層結(jié)構(gòu);
圖4示出了膠粘連接的示意圖;
圖5示出了膠層隔斷的示意圖;
圖6示出了另一種膠層隔斷的示意圖;
圖7示出了在風(fēng)扇葉片的不同厚度處所鋪疊的材料層數(shù)不同的結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8示出了包含金屬防護(hù)套的風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了減輕風(fēng)扇葉片的質(zhì)量,本發(fā)明考慮采用密度不同的材料構(gòu)成風(fēng)扇葉片,其中,第一密度材料韌性好、強(qiáng)度高,第二密度材料質(zhì)量較輕,充分利用各種材料的優(yōu)點(diǎn)。
請(qǐng)參看圖1,圖1示出風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)示意圖,其中,沿著橫向方向從右向左依次為風(fēng)扇葉片的前緣101、葉身102、尾緣103,風(fēng)扇葉片的底部為榫頭104,。
沿著圖1中的A-A進(jìn)行截面,得到如圖2所示的風(fēng)扇葉片的弦向截面。
沿風(fēng)扇葉片厚度方向,風(fēng)扇葉片分別由材料層201、材料層202、材料層203、材料層204、材料層205鋪疊構(gòu)成,相鄰材料層的密度不同。
其中,相隔的材料層可以選用相同密度的材料,例如材料層201、材料層203、材料層205都選用相同的金屬材料,而材料層202、材料層204都選用相同的復(fù)合材料。
當(dāng)然也可以反過(guò)來(lái),材料層201、材料層203、材料層205都選用相同的復(fù)合材料,而材料層202、材料層204都選用相同的金屬材料。
鋪層層數(shù)、不同材料層的鋪層順序、每一層的厚度及其變化均可通過(guò)氣動(dòng)、強(qiáng)度等計(jì)算綜合計(jì)算得到。
也可以不在風(fēng)扇的整個(gè)弦向區(qū)間上設(shè)置鋪層結(jié)構(gòu),請(qǐng)參看圖3a和圖3b,分別示出了風(fēng)扇葉片在弦向方向上的兩種鋪層結(jié)構(gòu)。
圖3a示出的風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)在風(fēng)扇葉片的前緣301上全部采用金屬材料,而在風(fēng)扇葉片的葉身和尾緣部分302采用金屬材料和復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)。其中,金屬材料可以采用鈦合金。
圖3b示出的風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)在風(fēng)扇葉片的前緣303上全部采用金屬材料,在風(fēng)扇葉片的葉身304上采用金屬材料和復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu),而在尾緣部分305上全部采用復(fù)合材料。
圖3a和圖3b示出的風(fēng)扇結(jié)構(gòu)主要是為了抗鳥(niǎo)撞,在鳥(niǎo)撞可能發(fā)生的區(qū)域,風(fēng)扇葉片的前緣使用抗撞擊的金屬材料。
請(qǐng)參看表1,表1給出了相同鳥(niǎo)撞條件下,圖3a所示風(fēng)扇葉片與傳統(tǒng)的鈦合金包邊復(fù)合材料葉片的等效應(yīng)力和變形情況仿真結(jié)果。
表1等效應(yīng)力和變形情況仿真結(jié)果
這里,鈦合金包邊復(fù)合材料葉片為編織復(fù)合材料‐鈦合金包邊葉片,以復(fù)合材料為葉片主體,前緣、葉身、尾緣設(shè)有鈦合金包邊。鋪疊結(jié)構(gòu)葉片的復(fù)材變形小于復(fù)合材料葉片;鈦合金塑性應(yīng)變大于復(fù)材葉片,說(shuō)明鈦合金大量吸收沖擊能,保護(hù)了復(fù)合材料。
鋪疊結(jié)構(gòu)中的各層材料可以通過(guò)膠層連接,即通過(guò)膠將各層材料粘貼在一起。
請(qǐng)參看圖4,圖4示出了膠粘連接的示意圖,其中從弦向方向上看膠層401將相鄰的密度不同的材料層402和材料層403粘貼在一起,在展向方向上看膠層404將相鄰的密度不同的材料層405和材料層406粘貼在一起。膠層可以為膠膜形式,直接粘貼于金屬或非金屬層。
由于葉片在受鳥(niǎo)撞時(shí),不同材料層之間易脫膠分層。在一優(yōu)選實(shí)施例中,在膠層內(nèi)設(shè)置隔斷,以避免相鄰的材料層出現(xiàn)整體脫落。
在一實(shí)施例中,在風(fēng)扇葉片的弦向方向上設(shè)置膠層的隔斷。
在另一實(shí)施例中,在風(fēng)扇葉片的展向方向上設(shè)置膠層的隔斷。
請(qǐng)參看圖5,圖5示出了膠層隔斷的示意圖,分別沿葉片展向或者弦向增加隔斷501,阻止脫層的擴(kuò)展,隔斷的數(shù)量及隔斷所沿方向不限于圖示情況,膠層隔斷的方向、數(shù)量、寬度可根據(jù)葉片鳥(niǎo)撞計(jì)算優(yōu)化得到。
在一實(shí)施例中,在膠層上設(shè)置連續(xù)的隔斷,以使得膠層分割為多個(gè)閉合區(qū)域。
例如對(duì)于鳥(niǎo)撞擊到葉片85%葉高位置,膠層一般從鳥(niǎo)撞葉片前緣位置開(kāi)始失效擴(kuò)展,一種膠層隔斷設(shè)計(jì)可以如圖6所示,隔斷601連續(xù)分布,從而阻斷脫層的擴(kuò)展趨勢(shì),顯然,針對(duì)不同位置的鳥(niǎo)撞,膠層的隔斷形式可以有所不同。
在一實(shí)施例中,為了更好地避免由于一處開(kāi)膠導(dǎo)致的整體開(kāi)膠,在膠層的隔斷中填充與膠層接觸的材料層中任一材料層對(duì)應(yīng)的材料。
在一實(shí)施例中,在膠層的隔斷中填充與膠層接觸的金屬材料層對(duì)應(yīng)的材料。膠層隔斷可以通過(guò)在金屬層中設(shè)計(jì)金屬凸臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn),金屬層帶凸臺(tái)結(jié)構(gòu)可通過(guò)金屬增材制造來(lái)實(shí)現(xiàn)
在一實(shí)施例中,在風(fēng)扇葉片的壓力面上的第一層材料為金屬材料層。風(fēng)扇葉片的壓力面為氣流來(lái)流方向,即為圖2中的材料層201對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇葉片的表面,也就是說(shuō),材料層201由金屬材料制成。由于鳥(niǎo)通常會(huì)跟隨氣流一同進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī),進(jìn)而該結(jié)構(gòu)能夠進(jìn)一步抗鳥(niǎo)撞。
在葉片強(qiáng)度及空心率允許范圍內(nèi),與非金屬層相比,金屬層厚度可以盡量大,或者可以盡量小,也就是說(shuō)非金屬層與金屬層的厚度不接近。
由于金屬剛度偏大,薄的金屬層可以與厚的非金屬層更好地匹配剛度,非金屬層和金屬層的厚度比可為4:1~10:1。
而金屬層盡量厚,可以使得非金屬層依附于金屬層,從而減小兩層材料之間的變形錯(cuò)動(dòng),非金屬層和金屬層的厚度比可為1:10~1:20。
金屬層厚度和非金屬層差距較大,可以減小膠層剝離應(yīng)力,保證膠層連接。當(dāng)然,若膠層膠接強(qiáng)度足夠,則金屬層和非金屬層的厚度比可以放寬范圍。
在一實(shí)施例中,在所述風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的材料層數(shù)相同。由于葉片厚度在各部分相差較大,為保證葉片氣動(dòng)外形,每個(gè)材料層可以均覆蓋整個(gè)葉片,即在葉片不同的厚度處,鋪疊材料的層數(shù)都相同。
各材料層厚度可以隨葉片厚度等比例變化,各材料層的厚度也可以不同。在一實(shí)施例中,在特定厚度處各材料層的厚度M相同,其中,M=T/N,T為所述風(fēng)扇葉片在此處的厚度,N為材料層數(shù)。
為了適應(yīng)風(fēng)扇葉片不同位置處具有不同的厚度,也可以在較厚的地方鋪疊較多的材料層,而在較薄的地方鋪疊較少的材料層,也就是說(shuō),部分材料層可能不覆蓋整個(gè)葉片。
在一實(shí)施例中,在風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的材料層數(shù)不同。請(qǐng)參看圖7,圖7示出了在風(fēng)扇葉片的不同厚度處所鋪疊的材料層數(shù)不同的結(jié)構(gòu)示意圖。
在風(fēng)扇的弦向方向上,在風(fēng)扇前緣處由于厚度較小,僅有一層材料層701,隨著向葉身過(guò)度,風(fēng)扇的厚度逐漸變大,鋪疊的材料層也隨著逐漸變多。
逐漸由材料層701、材料層702鋪疊而成,由材料層701、材料層702、材料層703鋪疊而成,由材料層701、材料層702、材料層703、材料層704鋪疊而成,在葉身區(qū)間內(nèi)幾乎由材料層701、材料層702、材料層703、材料層704、材料層705鋪疊而成。而從葉身到尾緣的區(qū)間上材料層數(shù)又逐漸減小。
在一實(shí)施例中,在風(fēng)扇葉片的不同厚度處,所鋪疊的各層材料的厚度不同。例如,在圖7中,材料層701、材料層702、材料層703、材料層704、材料層705的厚度可以部分不相同,也可以全部都不相同。
在風(fēng)扇的展向方向上,具有相同的材料層數(shù)的變化趨勢(shì)。
在一實(shí)施例中,風(fēng)扇葉片還包括金屬防護(hù)套,包裹于風(fēng)扇葉片的外表面,以防止相鄰的材料層之間的脫膠。
請(qǐng)參看圖8,圖8示出了包含金屬防護(hù)套的風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)示意圖。其中,風(fēng)扇葉片801為5層材料的鋪疊結(jié)構(gòu),在風(fēng)扇葉片801的外表面包裹金屬防護(hù)套802,金屬防護(hù)套802與風(fēng)扇葉片的外表面緊密貼合,一方面可防止葉片分層,另一方面若葉片分層,可保證葉片完整性。
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