风扇叶片、航空发动机及风扇叶片的制造方法与流程

1.本公开涉及叶片结构领域，尤其涉及一种风扇叶片、航空发动机及风扇叶片的制造方法。


背景技术：

2.风扇叶片是现代涡轮风扇发动机的关键部件之一。新结构、新材料以及新加工工艺在风扇叶片上的使用，可以降低重量并增强其抵抗外物冲击特别是鸟体冲击的能力。
3.金属夹芯复合材料风扇叶片是一种新型混合结构(hybrid)风扇叶片。金属结构不仅仅包覆于复合材料表面，而是深入复合材料内部，起到类似于“骨架”的作用，能够提高叶片整体刚度和抗冲击性能。这种构型的风扇叶片可以更充分地利用复合材料重量轻、抗疲劳性能好以及金属结构韧性高、抗冲击性能好的优点。


技术实现要素：

4.发明人经研究发现，相关技术中的金属夹芯复合材料风扇叶片在遭遇鸟撞时，叶片尾缘由于缺少金属保护，容易发生断裂。如果将金属型芯由叶片前缘一直延伸至叶片尾缘，虽能在鸟撞过程中保护叶片尾缘，但引入了额外的重量，造成叶片超重。
5.有鉴于此，本公开实施例提供一种风扇叶片、航空发动机及风扇叶片的制造方法，能够保护叶片尾缘，并降低叶片重量。
6.在本公开的一个方面，提供一种风扇叶片，包括：
7.金属型芯，具有与所述风扇叶片的叶片前缘对应的型芯前缘和与所述风扇叶片的叶片尾缘对应的型芯尾缘；和
8.复合材料基体，包覆在所述金属型芯的至少部分外表面外，
9.其中，所述型芯尾缘具有尾部空腔，在所述尾部空腔内填充有剪切增稠材料。
10.在一些实施例中，所述剪切增稠材料为剪切变硬聚合物。
11.在一些实施例中，所述风扇叶片还包括：
12.弹性支撑结构，位于所述尾部空腔内，并支撑在所述尾部空腔的腔壁上。
13.在一些实施例中，所述金属型芯包括：
14.外壁板，形成所述金属型芯的外壁，并围出中空内腔；和
15.肋板，设置在所述中空内腔中，被配置为将所述中空内腔分隔成包括所述尾部空腔和位于所述尾部空腔邻近所述型芯前缘的一侧的中部空腔的多个空腔。
16.在一些实施例中，所述风扇叶片还包括：
17.金属蜂窝结构，填充在所述中部空腔内。
18.在一些实施例中，所述风扇叶片还包括：
19.弹性支撑结构，位于所述尾部空腔内，并支撑在所述尾部空腔的腔壁上，
20.其中，所述金属型芯与所述弹性支撑结构和/或所述金属蜂窝结构通过增材制造工艺整体成形。
21.在一些实施例中，所述型芯前缘作为所述风扇叶片的叶片前缘暴露于所述复合材料基体之外。
22.在一些实施例中，所述型芯前缘与所述金属型芯的其他部分形成台阶结构，所述复合材料基体从所述台阶结构连续覆盖到所述型芯尾缘。
23.在一些实施例中，所述型芯前缘在所述风扇叶片的压力面和吸力面均与所述金属型芯的其他部分形成台阶结构。
24.在一些实施例中，所述型芯前缘的外表面与所述复合材料基体的外表面平滑过渡。
25.在本公开的一个方面，提供一种航空发动机，包括：前述风扇叶片。
26.在本公开的一个方面，提供一种前述风扇叶片的制造方法，包括：
27.通过增材制造工艺整体形成金属型芯、设置在所述金属型芯的尾部空腔内，并支撑在所述尾部空腔的腔壁上的弹性支撑结构和设置在所述金属型芯的中部空腔内的金属蜂窝结构；
28.在所述金属型芯的至少部分外表面上形成复合材料基体；
29.在所述尾部空腔内填充剪切增稠材料；
30.对所述金属型芯进行封口。
31.因此，根据本公开实施例，使复合材料基体包覆的金属型芯从叶片前缘延伸到叶片尾缘，并将型芯尾缘的尾部空腔内填充剪切增稠材料，这样能够使叶片尾缘得到金属材质的型芯尾缘的保护，提高刚度和抗冲击性能；通过在尾部空腔内填充剪切增稠材料，使得在正常工作时保持叶片尾缘的变形柔顺性，以及在鸟撞等强冲击作用下转变成硬质状态，在吸收能量的同时，限制叶片尾缘的变形，防止叶片尾缘的撕裂，而且剪切增稠材料的密度相对较低，能够有效地降低叶片的重量。
附图说明
32.构成说明书的一部分的附图描述了本公开的实施例，并且连同说明书一起用于解释本公开的原理。
33.参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本公开，其中：
34.图1是根据本公开风扇叶片的一些实施例的外部结构示意图；
35.图2是图1的aa截面示意图；
36.图3是根据本公开风扇叶片的一些实施例中金属型芯的截面示意图；
37.图4是图3中圆圈10对应部位的放大示意图；
38.图5是图3中金属型芯的中部内腔的截面示意图；
39.图6是图5中圆圈13对应部位的放大示意图；
40.图7是根据本公开风扇叶片的制造方法的一些实施例的流程示意图。
41.应当明白，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。此外，相同或类似的参考标号表示相同或类似的构件。
具体实施方式
42.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述
仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
43.本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
44.在本公开中，当描述到特定器件位于第一器件和第二器件之间时，在该特定器件与第一器件或第二器件之间可以存在居间器件，也可以不存在居间器件。当描述到特定器件连接其它器件时，该特定器件可以与所述其它器件直接连接而不具有居间器件，也可以不与所述其它器件直接连接而具有居间器件。
45.本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。
46.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
47.参考图1-图6，本公开实施例提供了一种风扇叶片，能够保护叶片尾缘，以便在叶片遭遇例如鸟撞等强烈冲击时，避免叶片尾缘断裂，并且能够有效降低叶片重量。
48.参考图1-图4，在一些实施例中，风扇叶片1包括：金属型芯2和复合材料基体3。在图2中，斜交叉线的阴影区域代表复合材料基体3，白色区域代表金属型芯2。复合材料基体3包覆在所述金属型芯2的至少部分外表面外，金属型芯2深入复合材料基体3的内部，从而起到类似于叶片骨架的作用。复合材料基体所采用的复合材料可由树脂基体及其中的纤维材料(金属或非金属)通过热固化工艺成型而成。纤维材料包括但不限于芳族聚酸胺纤维、碳纤维、玻璃纤维及其组合。基体树脂包括但不限于聚酰胺、聚乙酰胺及其组合物等。
49.在图2和图3中，金属型芯2具有与所述风扇叶片1的叶片前缘4对应的型芯前缘15和与所述风扇叶片1的叶片尾缘5对应的型芯尾缘16。型芯前缘15可作为所述风扇叶片1的叶片前缘4暴露于所述复合材料基体3之外。这样，当风扇叶片1遭遇鸟撞时，型芯前缘15首先遭到撞击，金属材料良好的韧性能够使风扇叶片1整体变形，保证了叶片前缘4不发生断裂或发生不可接受的塑性变形。
50.在图4中，所述型芯尾缘16具有尾部空腔7，在所述尾部空腔7内填充有剪切增稠材料12。剪切增稠材料是一种应变率相关的智能材料，其能够当外界应力的应变率超过临界剪切速率时，材料粘度或者模量可以迅速增大，呈现出由柔性态急速转变为坚硬固态的特性。
51.在鸟体撞击型芯前缘15之后，鸟体会沿复合材料基体3向叶片尾缘5滑移，由于风扇叶片1的转动，滑移鸟体冲击叶片尾缘5，滑移鸟体冲击力和叶片大变形的叠加作用使得
叶片尾缘5处很容易发生断裂。而本实施例通过使复合材料基体包覆的金属型芯从叶片前缘延伸到叶片尾缘，并将型芯尾缘的尾部空腔内填充剪切增稠材料，这样能够使叶片尾缘得到金属材质的型芯尾缘的保护，提高刚度和抗冲击性能。
52.通过在尾部空腔内填充剪切增稠材料，使得在正常工作时保持叶片尾缘的变形柔顺性，以及在鸟撞等强冲击作用下转变成硬质状态，在吸收能量的同时，限制叶片尾缘的变形，防止叶片尾缘的撕裂，而且剪切增稠材料的密度相对较低(接近于复合材料基体的密度)，能够有效地降低叶片的重量。
53.在一些实施例中，剪切增稠材料12为剪切变硬聚合物。该聚合物是硼硅氧烷聚合物的一种，由低交联度硼硅氧烷聚合后渗入硅油，再经硼酸、过氧化苯甲酰流化后得到。自然状态下，剪切变硬聚合物很柔软，处于高分子粘流态，在高速率剪切下则会瞬间变硬，储能模量提升几个数量级。另外，剪切变硬聚合物还具有模量可变、高阻尼性能、且易于制备、性能稳定、无需密封使用等特点。剪切变硬聚合物在鸟撞冲击载荷下由高分子粘流态变为硬质固体状态，起到吸收鸟撞冲击能量及限制叶片尾缘变形的作用，防止风扇叶片在鸟撞过程中在叶片尾缘发生断裂。
54.参考图4，在一些实施例中，风扇叶片1还包括：弹性支撑结构11。弹性支撑结构11位于所述尾部空腔7内，并支撑在所述尾部空腔7的腔壁上。该弹性支撑结构11能够吸收正常工作状态下叶片尾缘的振动能量，减小变形。在图4中，剪切增稠材料12填充在尾部空腔7内弹性支撑结构11的周围。为了简化叶片的制造过程，金属型芯2可以与弹性支撑结构11通过增材制造工艺整体成形。
55.参考图2-图6，在一些实施例中，金属型芯2包括：外壁板9和肋板8。外壁板9形成所述金属型芯2的外壁，并围出中空内腔。这种中空内腔的结构能够有效地降低风扇叶片1的质量。肋板8设置在所述中空内腔中，可将所述中空内腔分隔成包括所述尾部空腔7和位于所述尾部空腔7邻近所述型芯前缘15的一侧的中部空腔6的多个空腔。
56.在图6中，风扇叶片1还包括：填充在所述中部空腔6内的金属蜂窝结构14。金属蜂窝结构14可起到增加风扇叶片1的整体刚度的作用。为了简化叶片的制造过程，金属型芯2可以与金属蜂窝结构14通过增材制造工艺整体成形，或者与弹性支撑结构11和金属蜂窝结构14通过增材制造工艺整体成形。上述实施例中的增材制造又称3d打印，是一种以数字模型为基础直接制造几乎任意形状三维实体的技术，运用粉末等状态的可粘合材料，通过逐层堆叠累积的方式构造物体。在将增材制造技术应用于风扇叶片的制造时，利用其融合多种材料、内部结构形式灵活多样的特点，可以在最大限度地减轻叶片重量的前提下，通过局部加强结构的设计有效提高叶片的抗冲击能力。
57.参考图2和图3，在一些实施例中，型芯前缘15与所述金属型芯2的其他部分形成台阶结构17，所述复合材料基体3从所述台阶结构17连续覆盖到所述型芯尾缘16。型芯前缘15的截面宽度大于金属型芯的其他部分，这样可使得较厚的型芯前缘15具有更强的耐冲击性能。所述型芯前缘15的外表面可与所述复合材料基体3的外表面平滑过渡，以便实现更好的气动性能。
58.在图2中，所述型芯前缘15在所述风扇叶片1的压力面和吸力面均与所述金属型芯2的其他部分形成台阶结构，使得金属型芯呈现蘑菇形，这样在金属型芯2的压力面侧和吸力面侧均包覆复合材料基体，这样可以在确保叶片性能的基础上进一步减轻重量。
59.上述本实施例的风扇叶片可应用于各类回转机构，尤其适合应用于航空发动机领域，例如应用在涡轮风扇发动机中。相应地，本公开实施例还提供了一种航空发动机，包括前述任一种风扇叶片1的实施例。
60.如图7所示，是根据本公开风扇叶片的制造方法的一些实施例的流程示意图。参考图7和前述风扇叶片1的实施例的结构，本实施例的风扇叶片的制造方法包括：步骤100到步骤400。在步骤100中，通过增材制造工艺整体形成金属型芯2、设置在所述金属型芯2的尾部空腔7内，并支撑在所述尾部空腔7的腔壁上的弹性支撑结构11和设置在所述金属型芯2的中部空腔6内的金属蜂窝结构14。
61.在步骤200中，在所述金属型芯2的至少部分外表面上形成复合材料基体3。在步骤300中，在所述尾部空腔7内填充剪切增稠材料12。在步骤400中，对所述金属型芯2进行封口。
62.在一些实施例中，步骤300位于步骤200之后，位于步骤400之间。在另一些实施例中，步骤200在执行完步骤300和步骤400之后再执行。
63.至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。
64.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。