CN101649844B - 一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片 - Google Patents

Abstract

一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其内部基体为空间离散的肋骨结构，它由中空结构金属/复合材料构架组成，该构架由任意空间结构组合优化形成的肋骨结构和内部的孔隙组成；孔隙率直接表现为肋骨空间排列方式和肋骨直径分布；肋骨结构与叶片表面固连为一体；肋骨结构可通过金刚石结构、四面体单元结构、六面体单元结构、蜂窝结构或其他任意空间结构组合优化形；肋骨空间排列方式和肋骨直径分布，沿叶片径向随着半径的增大，肋骨直径逐渐减小，空间排列逐渐稀疏；叶片表面的厚度由气动负荷和工艺条件来控制；金属构架叶片可使用高能束快速成型加工；本发明直接快速成型，工艺简单，结构形位可设计性强。

Description

一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片

技术领域

本发明涉及一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，尤其是涉及现代大涵道比及超大涵道比民用航空发动机的风扇叶片，属于航空发动机及高速旋转机械技术领域。

背景技术

现代民用大涵道比涡扇发动机的风扇叶片多采用宽弦无中间凸肩的设计，这是新一代发动机中广泛采用的设计，与带凸肩的窄弦叶片相比，宽弦叶片不仅性能好、效率高，而且在加工和强度方面有所改进。风扇叶片的离心负荷与叶片质量分布、转速和质量分布所在半径乘积的平方成正比，宽弦叶片由于弦长加大，叶片厚度相应加大，作用于叶片根部的离心负荷加大；高涵道比涡扇发动机的风扇直径一般较大，如最新一代的风扇，其叶片直径超过了3米，随着设计推力的逐步增大，风扇直径进一步加大，轮毂比进一步降低，使得风扇叶片尺寸变长，这也直接带来了叶片离心负荷的加大；三维叶型设计对叶片强度、变形等也提出了更高的要求。对于大涵道比涡扇发动机风扇叶片而言，实心的金属宽弦叶片已经不能满足强度及其他设计要求。

在国外所有采用宽弦风扇叶片的先进发动机例如TRENT800、PW4000和GE90等中，均采用了减少叶片重量的措施，如空心叶片、带芯的空心叶片或复合材料叶片等。(陈光著，航空发动机结构设计分析，北京航空航天大学出版社，2006.7，北京)。为波音公司B787型飞机新近研制的下一代发动机如GE公司的GEnx及罗.罗公司的Trent 1000都采用了同样的复合材料或空心叶片技术。

GE公司的风扇叶片采用复合材料并结合钛金属前缘技术，如图1所示。而罗.罗公司的风扇叶片采用了扩散焊/超塑性成形(DB/SPF)的中空带加强桁条的钛合金技术，如图2所示。DB/SPF加工工艺具体做法是，先将芯部桁条通过扩散连接方法与两面板内面在不同位置处连接起来，然后将它们置于高温下的阴模里，在两面板间先充以高压惰性气体，在超塑性状态下两面板向外扩展，同时将桁条拉长组成如图2所示的波纹结构，由于桁条是与面板焊接在一起的，它参与了承力，因而使重量比罗.罗早期的蜂窝夹层空心叶片还轻15％。无论是GE公司的复合材料叶片还是罗.罗等公司的DB/SPF加工工艺，都已得到成功应用，是此类发动机设计制造的关键专利技术。

本发明涉及一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片。中空结构金属/复合材料构架材料由刚性骨架和内部的孔隙组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能。它具备优异物理力学性能，如密度小、比强度和比刚度大、吸能减振性能好，作为一种工程功能材料具有优越的可设计性。

本发明涉及的风扇叶片具有密度小，比强度、比刚度高，减振、阻尼性能优越，可以大大改善风扇叶片的机械性能，延长叶片的寿命。目前先进的工艺制造技术如高能束快速成型技术等为中空结构金属/复合材料构架材料在涡扇发动机风扇叶片中的应用提供了可能。金属零件的直接快速成型技术是从建立的CAD模型获得信息来实现零件的层层粘接，可直接制造出全密度、高强度功能性金属零件。其中，激光高温烧结技术采用激光逐点照射粉末材料，使粉末材料熔融实现材料的联接；激光熔覆快速成型采用激光涂覆的方法将材料进行层层堆积，最终形成具有一定外形的三维实体零件，也可用金属细丝代替金属粉末成型。(金属粉末的直接快速成型技术，机电产品开发与创新，2008年第18卷第3期)

发明内容

1、目的：本发明目的就是以高能束快速成型或适当的工艺手段和细观工程结构设计相结合，为民用大涵道比涡扇发动机提供一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片。本发明能够大幅度降低风扇叶片重量(减重幅值可高达90％)，并通过对风扇叶片金属构架的细观结构设计以满足此类风扇的特殊强度要求。

2、技术方案：一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，叶片截面如图3所示，其结构特征在于：该叶片内部基体为空间离散的肋骨结构，它由中空结构金属/复合材料构架组成，孔隙率直接表现为肋骨空间排列方式和肋骨直径分布；叶片表面由一定厚度的材料构成，可设计成带孔与内部联通或者封闭表面的形式，具体结构可根据叶片边界层流动控制的需求；肋骨结构与叶片表面固连为一体。叶片外形可以沿用现有技术的常规设计。更为重要的是由于本发明的结构优越性，叶片外形有可能应用超出常规的先进气动设计。

所述的肋骨结构，其内部结构形式可选用典型的空间结构型式中的一种或数种组合形成，，如金刚石结构、四面体单元结构、六面体单元结构、蜂窝结构等，也可选用非典型的空间结构型式；或选用典型的空间结构型式与非典型的空间结构型式相互优化组合形成肋骨结构，或选用其他任意空间结构型式组合优化形成。亦可通过其空间排列结构来控制叶片的刚度以及由离心力及气动力引起的叶片变形。该金刚石结构如图7所示；该四面体单元结构如图3-6所示；该六面体单元结构如图8所示；该蜂窝结构如图9所示。

所述中空结构金属/复合材料构架，作为一种工程功能材料具有优越的可设计性，由任意空间结构组合优化形成的肋骨结构和内部的孔隙组成，具有优异的物理特性和良好的机械性能。

所述的肋骨空间排列方式和肋骨直径分布，沿叶片径向随着半径的增大，肋骨直径逐渐减小，空间排列逐渐稀疏，具体分布可根据叶片的离心应力和气动载荷分布来进行设计控制，通过对叶片中肋骨空间分布及形位的控制，提高叶片的比强度和比刚度，达到满足叶片强度的设计要求。

所述叶片表面的厚度由气动负荷和工艺条件来控制，可进行局部厚度调整以提高风扇抗外物击伤的能力。

所述叶片的肋骨结构和叶片表面固连为一体，复合材料构架叶片采用常规的复合材料粘接方法，金属构架叶片可通过激光快速成型技术整体加工，或者类似的使用任何种类高能束的熔覆快速成型技术以及其他工艺如EDM(电火花加工)、钎焊、电化学以及泡沫金属的各种制造工艺，或任何适当的工艺过程。金属构架叶片使用高能束快速成型加工，具体步骤如下：(1)根据叶片载荷分布和结构强度要求对叶片肋骨空间排列方式和肋骨直径分布进行设计，并对叶片表面厚度进行三维设计，得到叶片三维实体分布；(2)选择合适的金属材料；(3)根据叶片三维实体模型，利用高能束将材料粉末或细丝层层堆积，直接制造出全密度、高强度功能性金属零件。

上述技术方案还可用于各种叶轮机械的叶片、轮盘上，如风力涡轮叶片、水利机械的叶片等。

3、优点及功效：本发明与现有风扇叶片相比的优点：直接快速成型，工艺简单，结构形位可设计性强，可以充分体现材料工程针对应用设计材料结构的优越性；同时本发明可以进行强度应力分布优化设计；机械阻尼优化设计；针对气动性能的叶片形位变形优化设计；以及其他物理力学特性的优化设计如撞击吸能、声能吸收耗散等等；并且相对于常规叶片具有更好的机匣包容性。

本发明提供的叶片技术同样适用于对比强度、比刚度、机械阻尼等有较高或特殊要求的各种叶轮机械的叶片和轮盘，如风力涡轮叶片等。

附图说明

图1：实心复合材料风扇叶片的截面示意图；

图2：中空带加强桁条的金属风扇叶片的截面示意图；

图3：本发明风扇叶片的截面示意图；

图4：本发明风扇叶片肋骨结构示意图；

图5：本发明风扇叶片表面的肋骨结构分布示意图；

图6：本发明风扇叶片叶中某截面段上的肋骨结构分布示意图；

图7：本发明金刚石晶体结构示意图；

图8：本发明六面体单元结构示意图；

图9：本发明蜂窝结构示意图。

图中序号说明如下：

1肋骨结构；2叶片表面。

具体实施方式

本发明一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，该叶片内部基体为空间离散的肋骨结构1，它由中空结构金属/复合材料构架组成，孔隙率直接表现为肋骨空间排列方式和肋骨直径分布；叶片表面2由一定厚度的金属材料构成，它设计成带孔与内部联通及封闭表面的形式，肋骨结构1与叶片表面2固连为一体；它可用于现代民用大涵道比及超大涵道比涡扇发动机的风扇级中，其具体实施例如下。

实施例1：

如图4左图所示的一宽弦无凸肩风扇叶片，叶片外形经过气动设计已满足发动机总体对风扇部件的性能要求。利用四面体单元对叶片进行空间离散，四面体单元的节点连线即为风扇叶片的肋骨，单元节点就是肋骨的连接点，整个叶片相互连接的肋骨结构1如图4右图所示，图5为风扇叶片表面2的肋骨结构1分布示意图。风扇叶片通过这种中空结构金属/复合材料构架来构建，相比于实心金属叶片，质量要小很多。

风扇叶片在工作时受到离心载荷的作用，离心力随着半径的减小逐渐增大，所以肋骨直径大小随着半径的减小必须增大，以削弱离心力在截面产生的拉伸应力，具体的可根据离心载荷的分布规律进行肋骨直径大小等的分布设计，从而改变风扇叶片的孔隙率，最终使叶片受到的拉伸应力最小化。

风扇叶片在离心载荷和气动载荷的共同作用下，会发生弯曲和扭转变形，图6为风扇叶片叶中某截面段上的肋骨结构1分布示意图，可通过叶片截面上的肋骨空间排列来改变叶片的弯曲刚度和扭转刚度，例如沿叶片弦向改变相连肋骨的夹角就可以显著改变叶片的扭转刚度。

在设计好风扇叶片肋骨的空间分布结构和直径大小分布后，可通过激光快速成型技术来加工叶片，或者类似的使用任何种类高能束的熔覆快速成型技术。

可见，本发明提供了一种孔隙率随载荷可调、弯曲和扭转刚度可控的基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片。

实施例2：

如实施例1中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其中的肋骨结构1由如图7所示的金刚石晶体结构形成。

实施例3：

如实施例1中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其中的肋骨结构1由如图8所示的六面体单元结构形成。

实施例4：

如实施例1中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其中的肋骨结构1由如图9所示的蜂窝结构形成。

实施例5：

如实施例1中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其中的肋骨结构1由包括实例1-4中肋骨结构形式在内的任意空间结构的组合优化形成。

实施例6：

如实施例1-5中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，所述叶片的肋骨结构1和叶片表面2可通过其他工艺如EDM、钎焊、电化学以及泡沫金属的各种制造工艺或任何适当的工艺过程进行加工。

实施例7：

如实施例1-6中的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片的技术方案，用于各种叶轮机械的叶片和轮盘，如风力涡轮叶片等。

显然，对于本领域的普通技术人员来说，参照上文所述的实施例还可能做出其它的实施方式。上文中的所有实施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本发明的权利要求技术方案的本质之内的修改都属于其所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该叶片内部基体为空间离散的肋骨结构，叶片由中空结构金属/复合材料构架组成，孔隙率直接表现为肋骨空间排列方式和肋骨直径分布；叶片表面设计成带孔与内部联通或者封闭表面的形式，肋骨结构与叶片表面固连为一体；

所述的肋骨结构通过其空间排列方式来控制叶片的刚度以及由离心力及气动力引起的叶片变形；

所述中空结构金属/复合材料构架，它由空间排列方式优化形成的肋骨结构和内部的孔隙组成；

所述的肋骨空间排列方式和肋骨直径分布，沿叶片径向随着半径的增大，肋骨直径逐渐减小，空间排列逐渐密集，孔隙率逐渐增大，具体根据叶片的离心应力和气动载荷分布来进行设计控制，通过对叶片中肋骨空间分布及形位的控制，提高叶片的比强度和比刚度，达到满足叶片强度的设计要求；

所述叶片表面的厚度由气动负荷和工艺条件来控制，进行局部厚度调整以提高风扇抗外物击伤的能力；

所述叶片的肋骨结构和叶片表面固连为一体，复合材料构架叶片采用常规的复合材料粘接方法，金属构架叶片通过激光快速成型技术整体加工，或者使用高能束的熔覆快速成型技术工艺加工而成。

2.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：金属构架叶片使用高能束的快速成型技术工艺加工，具体步骤如下：

步骤一：根据叶片载荷分布和结构强度要求对叶片肋骨空间排列方式和肋骨直径分布进行设计，并对叶片表面厚度进行三维设计，得到叶片三维实体分布；

步骤二：选择合适的金属材料；

步骤三：根据叶片三维实体模型，利用高能束将材料粉末、细丝层层堆积，直接制造出全密度、高强度功能性金属零件。

3.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为金刚石结构。

4.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为四面体单元结构。

5.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为六面体单元结构。

6.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为蜂窝结构。

7.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为金刚石结构、四面体单元结构、六面体单元结构和蜂窝结构中的两种以上的型式组合。

8.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为非典型的空间结构型式。

9.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构为典型的空间结构型式与非典型的空间结构型式相互优化组合形成。

10.根据权利要求1所述的一种基于中空结构金属/复合材料构架的风扇叶片，其特征在于：该肋骨结构的形式和组合用在叶轮机械的叶片、轮盘上。

Images