金属柔顺尖端风扇叶片的制作方法

本发明涉及涡扇叶片和涡扇容纳壳。更确切地说，其涉及风扇叶片，其在其尖端处是柔顺的(compliant)或可熔断的，以便防止损坏周围的壳。

背景技术：

燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知的方式操作以产生主推进气流。典型的涡扇发动机增加了由核心排气驱动的低压涡轮，其继而又通过轴驱动风扇转子以产生旁通推进气流。在高旁通发动机的情况下，这提供了总发动机推力的大部分。

风扇转子包括风扇，该风扇包括从风扇盘沿径向向外延伸的风扇叶片阵列。风扇叶片定位在护罩的径向内部，并且构造成在正常操作条件下扫除(clear)护罩。然而，在发动机操作期间，风扇叶片的碎片可能接触护罩并毁坏。结果，可能产生大量的旋转不平衡负载。

这种旋转不平衡将引起较大风扇起伏不定(gyration)。这种风扇起伏不定可对发动机引起严重损坏。通常，通过使用包括沟槽填料的容纳结构来适应破坏性的风扇起伏不定。通常，这种沟槽填料可为约2至3英寸厚并且由金属蜂窝形成。伴随该解决方案的一个问题是沟槽填料很重并且可能引起发动机效率低下。

技术实现要素：

通过提供涡扇发动机来解决该问题，该涡扇发动机包括构造为以受限方式毁坏的风扇叶片，更确切地说，风扇叶片构造成使得尖端在与护罩接触时快速地与风扇叶片的本体分离。

根据一个方面，一种用于推进设备的叶片，其包括由第一材料形成的本体，该本体具有相对的压力侧和吸入侧，并且在根部和边界之间沿翼展延伸，并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸。尖端区域，其由第二材料形成并且定位成使得其从本体延伸并限定尖端。尖端区域在边界处连结本体。尖端区域构造为当预定力施加到尖端时毁坏，使得尖端与叶片分离并限定熔断式尖端。

技术方案1.一种用于推进设备的叶片，包括：

由第一材料形成的本体，其具有相对的压力侧和吸入侧，并且在根部和边界之间沿翼展延伸，并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸；

尖端区域，其由第二材料形成并且定位成使得其从所述本体延伸并限定尖端；

其中所述尖端区域在所述边界处连结所述本体；以及

其中所述尖端区域构造成当预定力施加到所述尖端时毁坏，使得所述尖端与所述叶片分离。

技术方案2.根据技术方案1所述的叶片，其中，所述第二材料比所述第一材料弱。

技术方案3.根据技术方案2所述的叶片，其中，所述叶片构造成包括在所述尖端区域毁坏之后的由所述第二材料形成的尖端区域残余物。

技术方案4.根据技术方案3所述的叶片，其中，所述尖端区域残余物限定熔断式尖端。

技术方案5.根据技术方案4所述的叶片，其中，所述尖端区域具有第二长度l2，并且所述尖端区域残余物具有第三长度l3，并且l3为l2的至少5%。

技术方案6.根据技术方案5所述的叶片，其中，所述第三长度l3是所述第二长度l2的至少25%。

技术方案7.根据技术方案6所述的叶片，其中，所述第三长度l3是所述第二长度l2的至少50%。

技术方案8.根据技术方案3所述的叶片，其中，所述推进设备包括护罩，所述护罩包绕所述叶片，并且所述熔断式尖端与所述护罩间隔开。

技术方案9.根据技术方案1所述的叶片，其中，所述边界定位成大体上平行于所述本体的翼弦。

技术方案10.一种推进设备，包括：

围绕可旋转盘定位的多个叶片，每个叶片包括：

本体和尖端区域，其一起限定相对的压力侧和吸入侧，并且在根部和尖端之间沿翼展延伸，并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸；

所述尖端区域在边界处附接到所述本体，并且定位成使得所述尖端与所述边界间隔开；以及

其中所述本体由第一材料形成，并且所述尖端区域由第二材料形成，并且所述第二材料比所述第一材料弱；

其中所述尖端区域构造成当预定力施加到所述尖端时毁坏，使得所述尖端与所述尖端区域的其余部分分离；以及

容纳结构，其包绕所述可旋转盘，并且限定环形内表面，所述环形内表面与所述叶片的尖端间隔开。

技术方案11.根据技术方案10所述的设备，其中，所述容纳结构不包括沟槽填料材料。

技术方案12.根据技术方案10所述的设备，其中，所述边界定位成大体上平行于所述本体的翼弦。

技术方案13.根据技术方案10所述的设备，其中，所述第一材料是金属，并且所述第二材料是金属。

技术方案14.根据技术方案10所述的设备，其中，所述尖端区域构造为在施加所述预定力之后限定尖端区域残余物。

技术方案15.一种燃气涡轮发动机设备，包括：

涡轮机核心；

与所述涡轮机核心以从动关系联接的风扇，所述风扇包括：

围绕盘定位的多个叶片，每个叶片包括：

本体，其具有相对的压力侧和吸入侧，并且附接到尖端区域，使得它们在根部和由所述尖端区域限定的尖端之间沿翼展延伸，并且在前缘和后缘之间沿翼弦延伸；

所述尖端区域在所述边界处附接到所述本体，使得所述尖端与所述边界间隔开；以及

其中所述尖端区域构造为当预定力施加到所述尖端时毁坏，使得所述尖端与所述尖端区域的其余部分分离，使得限定尖端区域残余物；

其中所述盘通过支承结构安装在所述发动机中，用于绕所述发动机的中心轴线旋转，所述支承结构包括至少一个机械熔断部，所述机械熔断部构造成在预定的机械负载下毁坏，以便允许所述盘绕除所述中心线轴线以外的轴线旋转；以及

容纳结构，其包绕所述可旋转盘，并且限定环形内表面，所述环形内表面与所述叶片的尖端间隔开。

技术方案16.根据技术方案15所述的设备，其中，所述容纳结构不包括沟槽填料材料。

技术方案17.根据技术方案15所述的设备，其中，所述本体由第一材料形成，并且所述尖端区域由第二材料形成，其中所述第二材料比所述第一材料弱。

技术方案18.根据技术方案15所述的设备，其中，所述本体由金属形成。

附图说明

本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：

图1为燃气涡轮发动机的示意性截面视图；

图2是图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图，示出了风扇叶片和风扇毂和护罩的一部分；

图3是根据本发明的风扇叶片的透视图；

图4是在线4-4处截取的图3的风扇叶片的一部分的截面视图；

图5是在毁坏模式期间在线4-4处截取的图3的风扇叶片的一部分的截面视图；

图6是毁坏发生后图3的风扇叶片的一部分的截面视图；以及

图7是风扇叶片的一部分的截面视图，示出了其相对于护罩的一部分的位置。

零件列表

11中心线

12风扇

14径向间隙

16增压器

30叶片

30风扇叶片

31本体

32风扇盘

33路线

34尖端

34尖端

35压力侧

36吸入侧

38前缘

39后缘

40风扇壳

41护罩材料

43容纳结构

50环形表面

55尖端区域

l2第二长度

l长度

57边界

62尖端区域残余物(tipregionremnant)

64熔断式尖端

57边界

l3第三长度。

具体实施方式

参看附图，其中相同的参考标号表示各种图各处的相同元件，图1绘出了示例性燃气涡轮发动机10，其包括推进设备。虽然所示的示例是高旁通涡扇发动机，但是本发明的原理也可适用于其它类型的发动机，如低旁通涡扇、涡喷、涡桨等。发动机10具有纵向中心线或轴线11。如本文使用的，用语“轴向”和“纵向”两者是指平行于中心线轴线11的方向，而“径向”是指垂直于轴向方向的方向，且“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文使用的，用语“前方”或“前”是指穿过或围绕构件的气流中的相对上游的位置，且用语“后方”或“后”是指穿过或围绕构件的气流中的相对下游的位置。该流动方向由图1中的箭头“f”示出。这些方向用语仅用于便于描述，且不需要由此描述的结构的特定定向。

发动机10具有以串流关系布置的风扇12、增压器16、压缩机18、燃烧器20、高压涡轮或“hpt”22、以及低压涡轮或“lpt”24。在操作中，来自压缩机18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合且点燃，从而生成燃烧气体。一些功通过高压涡轮22从这些气体提取，该高压涡轮22经由外轴26驱动压缩机18。然后燃烧气体流入低压涡轮24，该低压涡轮24经由内轴28驱动风扇12和增压器16。

风扇12是推进设备的一个示例。将理解，本文描述的原理可适用于可操作成产生推进推力的其它类型的推进设备，如导管螺旋桨或压缩机。代替燃气涡轮发动机，风扇12或其它推进设备可由另一种类型的原动机驱动，如：热力发动机、电动机(例如电动、液压或气动)或其组合(例如电动混合传动系)。推进设备可由原动机直接驱动，或通过中间齿轮系驱动。

多个机械熔断部29机械地定位在风扇12和轴28之间。机械熔断部29构造成在正常操作期间传递来自轴28的旋转能。高径向力可引起机械熔断部29毁坏，因此允许风扇12绕新的旋转轴线旋转。机械熔断部29称为负载减小装置或lrd。

参看图2，风扇12包括多个风扇叶片30。风扇叶片30安装至风扇盘32(图1中所示)，该风扇盘32从根部33延伸到尖端34并限定长度l(图3中所示)。根部33由本体31限定，并且尖端34由尖端区域55限定。本体31和尖端区域55彼此连结，并从而限定边界57。另外，每个风扇叶片30包括压力侧35、吸入侧36、前缘38和后缘39。

如图7中所示，风扇壳40包括内环形表面50。内环形表面50具有大体圆形的横截面并限定内壳40的内径。内环形表面50构造成引导进入的空气通过风扇12(图1)，以确保风扇12(图1)将压缩进入发动机10的大部分空气。借助于示例而非限制，风扇壳40可由以下材料制成：金属、复合材料及其组合。

如图7中所示，内壳40包括护罩材料薄层41，其位于由风扇12的叶片30限定的叶片尖端路径附近。护罩材料41由容纳结构43支承。根据所示的实施例，容纳结构43大体上是实心的并且未构造成蜂窝结构，或作为其它沟槽填料材料，如在常规风扇壳40中发现的，不包括沟槽填料。相反，壳40基本上由实心金属容纳结构43和护罩材料41组成。

在风扇叶片30的尖端34和内环形表面50之间存在小的径向间隙14。正是这个间隙(即径向间隙14)最小化，以便促进发动机10的效率。

如图3中所示，尖端区域55具有长度l2并且优选地开始于小于叶片30远离根部33的总长度l的85%。换句话说，尖端区域55的长度l2小于叶片30的长度l的15%。边界57可定位成更靠近叶片尖端34，使得其远离根部33大于叶片30的总长度l的85%。可选地，尖端区域55开始于叶片30远离根部33的总长度l的约90%。尖端区域55从边界57继续到叶片尖端34。尖端区域55由与形成叶片30的本体31的第一材料不同的第二材料形成。第二材料可为金属。第二材料比第一材料弱。

现在参看图3-6，叶片30的尖端区域55构造成如果在环形表面50和尖端34中的一个之间发生接触则毁坏，使得尖端34分离。尖端区域55的毁坏导致附接到本体31的尖端区域残余物62。尖端区域残余物62具有长度l3并且限定熔断式尖端64。换句话说，叶片30构造成柔顺的，并且如果未保持径向间隙14，则以受限方式毁坏，使得不会发生进一步的灾难性接触。尖端区域55构造为在边界57和尖端34之间毁坏。在此方面，尖端区域55定向成使得当尖端区域55毁坏时，叶片30的尖端34沿边界57和尖端34之间的翼弦折叠穿过叶片30的本体31。优选地，尖端34平行于翼弦折叠，但是在其它实施例中，尖端34不平行于翼弦折叠，而是充分折叠以扫除内环形表面50。

尖端区域55构造成使得尖端区域55在诸如侧风或在中等鸟群撞击下的轻摩擦条件下不会毁坏。叶片30的本体31和尖端区域55构造成使得叶片30在由诸如fbo、大鸟摄入等事件引起的重摩擦下毁坏，即熔断。

叶片本体31优选地由第一材料形成，该第一材料是第一金属。举例来说，第一金属可为钛如ti64、钢、镍、钴及其合金。尖端区域55优选地由比第一材料弱的第二材料形成。借助于示例而非限制，尖端区域55可由诸如ti17和铝的材料形成。借助于示例而非限制，第一材料可为钛(ti)，并且第二材料可为铝(al)。钛的模量为约1.66e7psi。因此，第一材料的屈服强度在约118ksi和130ksi之间。铝的模量为约1.02e7psi。因此，第二材料的屈服强度在约40ksi和约60ksi之间。

可使用将金属附接到金属的任何方法来制造所示的叶片30。这些方法包括增材制造、摩擦焊接和放电机加工(edm)。所示实施例的叶片的优点在于，这种叶片有助于显著降低发动机的风扇模块的总重量和成本。

从其操作的描述可更好地理解本发明。在正常操作期间，风扇12沿向前方向ω旋转。在毁坏模式(如lrd)期间，尖端34接触表面50，使得力“f”沿与ω相反的方向施加到尖端34。结果，尖端34偏离原始定向，如图5中所示。当尖端34的偏转达到预定值时，尖端区域55的较弱的第二材料以预定方式毁坏。

举例来说，当lrd机械熔断部29毁坏时，发生典型的毁坏模式。如上所指出，风扇12绕新轴线旋转。新的旋转可引起叶片30接触表面50。这种接触会引发尖端区域55的破裂。尖端区域55的一部分与叶片30分离。尖端区域55的剩余部分限定尖端区域残余物62，其在边界57处附接到本体31。尖端区域残余物62限定熔断式尖端64，使得尖端区域残余物62具有长度l3。

风扇叶片构造成响应于与容纳壳的灾难性接触而以受限方式毁坏的优点在于，容纳壳可构造成带有较少的沟槽填料材料或蜂窝。这是因为可由叶片赋予容纳壳的力量由破裂壁的预定强度限制。通过以受限和预定的方式快速毁坏，没有尖端的叶片的其余部分可能保持完整。可能与其它构件接触的碎屑只是与尖端一起释放的少量。

总之，所示实施例是金属尖端涡轮叶片，其设计成包括用作叶片尖端的金属材料，以相对于常规叶片尖端提供叶片尖端的减小刚度。每当叶片摩擦大到足以归类为事件时，如在fbo的情况下，叶片销和尖端熔断，即毁坏。这消除了在不平衡条件下对沟槽填料的需要。尖端区域由金属材料制成，该金属材料相对于用于叶片本体的材料具有低的韧性模量。消除了对于风扇壳耐磨的需求。

前面已经描述了一种设备，即风扇叶片，其包括尖端区域，该尖端区域构造为针对正常操作条件提供足够的操作强度，并且当预定负载施加到叶片的尖端时毁坏。尖端区域构造为毁坏，使得叶片的尖端快速地从叶片的其余本体分离。以此方式，叶片的其余尖端区域残余物和本体保持完整并且不接触容纳结构。

本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，则公开的每个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。

本发明不限于一个或多个前述实施例的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的特征中的任何新颖一个或任何新颖组合，或扩展至如此公开的任何方法或工艺的步骤中的任何新颖一个或任何新颖组合。