一种空心风扇叶片及航空发动机的制作方法

一种空心风扇叶片及航空发动机的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种空心风扇叶片及航空发动机，其中，空心风扇叶片包括空心的叶片本体，所述叶片本体的空心区域内沿径向设置有至少一根树形筋条，所述树形筋条中靠近叶尖区域的筋条数量大于靠近叶片根部区域的筋条数量。本发明通过在叶片本的空心区域内设置树形筋条，能够适用于叶片的中下部弦长较小，工作时应力大，叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大的特征，因此，通过设置树形筋条，能够进一步提高叶片空心率，保证抗冲击性能。
【专利说明】
一种空心风扇叶片及航空发动机
技术领域
[0001]本发明属于航空发动机领域，尤其涉及一种空心风扇叶片及航空发动机。
【背景技术】
[0002]风扇叶片是航空发动机的关键部件，对于民用大涵道比涡轮风扇发动机而言更是代表性的部件。现代发动机的涵道比越来越大，对于大直径的风扇，传统的实心风扇叶片重量大，离心力大，颤振和振动问题突出，已无法满足设计要求。国际上的发动机厂商纷纷研究发展复合材料风扇叶片或钛合金空心风扇叶片以降低风扇叶片的重量，如GE90、GEnx、Leap等发动机采用了树脂基复合材料风扇叶片，PW4000、Trent 900、GP7200等发动机采用了扩散连接/超塑成形工艺的钛合金空心风扇叶片。
[0003]现有的钛合金空心风扇叶片受限于工艺路径，经过几十年的发展，其空心率已经提高到极限，无法满足更大涵道比发动机进一步减轻叶片重量的要求。复材风扇叶片虽然能够比空心风扇叶片轻一些，但抗冲击性能差，鸟撞时易失效。

【发明内容】

[0004]本发明的目的是提出一种空心风扇叶片及航空发动机，其能够进一步提高叶片空心率，且保证抗冲击性能。
[0005]为实现上述目的，本发明提供了一种空心风扇叶片，其包括空心的叶片本体，所述叶片本体的空心区域内沿径向设置有至少一根树形筋条，所述树形筋条中靠近叶尖区域的筋条数量大于靠近叶片根部区域的筋条数量。
[0006]在一优选或可选实施例中，所述树形筋条包括从叶片根部到叶尖方向依次连接的底部区域、中部区域和顶部区域，所述中部区域中的中部筋条的数量大于所述底部区域中的底部筋条的数量，所述顶部区域中的顶部筋条的数量大于所述中部区域中的中部筋条的数量。
[0007]在一优选或可选实施例中，所述底部筋条连接至少两根所述中部筋条，所述中部筋条连接至少两根所述顶部筋条。
[0008]在一优选或可选实施例中，所述底部区域与所述顶部区域之间设置有至少一段所述中部区域，沿叶片根部到叶尖方向，各所述中部区域中的中部筋条的数量逐级增加。
[0009]在一优选或可选实施例中，靠近叶片根部的所述中部筋条连接至少两根靠近叶尖的所述中部筋条。
[0010]在一优选或可选实施例中，各所述中部筋条并排和/或交叉设置，各所述顶部筋条并排和/或交叉设置。
[0011]在一优选或可选实施例中，所述底部筋条的外径大于所述中部筋条的外径，所述中部筋条的外径大于所述顶部筋条的外径。
[0012]在一优选或可选实施例中，所述顶部筋条的长度大于所述中部筋条的长度，所述中部筋条的长度大于所述底部筋条的长度。
[0013]在一优选或可选实施例中，所述底部筋条、所述中部筋条和所述顶部筋条均为空心筋条。
[0014]在一优选或可选实施例中，在所述叶片本体的空心区域内且易受鸟类撞击的位置弦向设置有至少一根加强筋。
[0015]在一优选或可选实施例中，所述空心风扇叶片采用金属材料，且通过增材制造工艺加工制成。
[0016]为实现上述目的，本发明提供了一种航空发动机，其包括上述任一实施例中的空心风扇叶片。
[0017]基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果:
[0018]本发明通过在叶片本体的空心区域内设置树形筋条，能够适用于叶片的中下部弦长较小，工作时应力大，叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大的特征，因此，通过设置树形筋条，能够进一步提高叶片空心率，保证抗冲击性能。
[0019]在一优选或可选实施例中，本发明采用增材制造技术制造的内部结构为树形筋条的空心风扇叶片，解决了现有技术中扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片重量大、复材风扇叶片抗冲击性能差的问题，且采用金属材料制造空心风扇叶片，在降低重量的同时，能够保证抗冲击性能。
【附图说明】
[0020]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0021]图1为本发明提供的空心风扇叶片的结构示意图；
[0022]图2为本发明提供的空心风扇叶片的另一结构示意图；
[0023]图3 (a)为图1的A-A剖视示意图；
[0024]图3 (b)为图1的B-B剖视示意图；
[0025]图3 (C)为图1的C-C剖视示意图。
[0026]附图中标号:
[0027]1-叶片本体；2_树形筋条；3_加强筋；
[0028]21-顶部筋条；22_中部筋条；23_底部筋条；
[0029]L1-顶部区域；L2_中部区域；L3_底部区域。
【具体实施方式】
[0030]下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0032]本发明首先根据气动外形设计出叶片的榫头、伸根段和叶片本体1，形成叶片的完整外形，然后在叶片的叶盆侧、叶背侧以及叶尖和底面留有一定的壁厚，挖空叶片本体I的内部，形成空腔。
[0033]如图1所示，为本发明提供的空心风扇叶片的示意性实施例，在该示意性实施例中，空心风扇叶片包括空心的叶片本体1，叶片本体I的空心区域内沿径向设置有至少一根树形筋条2，例如:叶片本体I的空心区域内设置有两条、三条或四条树形筋条2，各树形筋条2中靠近叶尖区域的筋条数量大于靠近叶片根部区域的筋条数量。
[0034]树形筋条2位于叶片的榫头处为“树根”，位于叶片的叶尖处为“树冠”，且本发明可以按照叶片实际的强度应力分布设置径向树形筋条2的几何尺寸和分布形式，使叶片的各个部分具有合理的强度和刚度。
[0035]由于叶片的中下部弦长较小，工作时应力大，叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大，因此，本发明将叶片的中下部的内部结构设计为类似树根的粗而少的筋条，以承受叶片的离心载荷；将叶片的中上部的内部结构设计为类似树枝的细而多的筋条，以增加叶片的刚性。
[0036]如图2所示，为了进一步提高叶片的强度性能，本发明将树形筋条2划分为底部区域L3、中部区域L2和顶部区域LI，具体为树形筋条2包括从叶片根部到叶尖方向依次连接的底部区域L3、中部区域L2和顶部区域LI，且中部区域L2中的中部筋条22的数量大于底部区域L3中的底部筋条23的数量，顶部区域LI中的顶部筋条21的数量大于中部区域L2中的中部筋条22的数量。
[0037]在一优选或可选实施例中，每根底部筋条23可以连接至少两根中部筋条22，每根中部筋条22可以连接至少两根顶部筋条21。
[0038]上述各示意性实施例中，底部区域L3与顶部区域LI之间可以设置有至少一段中部区域L2，沿叶片根部到叶尖方向，各段中部区域L2中的中部筋条22的数量逐级增加。且相邻两个中部区域L2中，靠近叶片根部的每根中部筋条22连接至少两根靠近叶尖的中部筋条22。
[0039]上述各示意性实施例中，各中部筋条22可以并排和/或交叉设置，各顶部筋条21可以并排和/或交叉设置，只要满足中部区域L2中的中部筋条22的数量大于底部区域L3中的底部筋条23的数量，顶部区域LI中的顶部筋条21的数量大于中部区域L2中的中部筋条22的数量即可，设置比较灵活。
[0040]上述各示意性实施例中，底部筋条23的外径大于中部筋条22的外径，中部筋条22的外径大于顶部筋条21的外径，顶部筋条21的长度大于中部筋条22的长度，中部筋条22的长度大于底部筋条23的长度。叶片的中下部设置类似树根的粗而少的筋条，以承受叶片的离心载荷；叶片的中上部设置类似树枝的细而多的筋条，以增加叶片的刚性，因此，能够适用于叶片的中下部弦长较小，工作时应力大，叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大的特征。
[0041]为了进一步降低空心风扇叶片的重量，上述各示意性实施例中的底部筋条23、中部筋条22和顶部筋条21均可以设置为空心筋条。
[0042]由于叶片中上部弦长较长，叶片薄，工作时变形大并且容易承受鸟撞冲击，本发明在叶片本体I的空心区域内易受鸟类撞击的位置弦向设置有至少一根弦向加强筋3，以增强叶片的抗冲击能力。
[0043]由于现有技术中，在抗冲击设计方面，扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片受限于工艺无法设计筋条和加强筋，不得已损失叶片的空心率，在叶片的前缘设计较厚的实心段，以抵抗鸟撞。且现有技术中的复材风扇叶片抗冲击性能差，必须在前缘、后缘及叶尖安装金属加强边保护叶片，增加了叶片重量，同时金属加强边为薄壁件，工艺可达性差，加工和安装都很困难。
[0044]为解决上述问题，本发明提供的空心风扇叶片采用金属材料，且通过增材制造工艺加工制成。
[0045]本发明所采用的增材制造技术突破了扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片的工艺限制，可以更加自由的设计叶片的内部结构，根据强度计算进行优化，满足抗冲击性能等强度设计要求的前提下进一步提高叶片的空心率，降低重量。
[0046]本发明与现有的扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片或复材风扇叶片相比，增材制造直接快速成型，工艺简单；可自由实现材料结构对于强度应力分布的优化设计，结构可设计性强；重量轻于扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片，甚至轻于复材风扇叶片；由于抗冲击加强筋3的设计，抗冲击性能优于复材风扇叶片和扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片。
[0047]本发明提出的内部结构为树形筋条2的空心风扇叶片，使用的材料为抗冲击性能好的金属材料，如钛合金，采用例如选择性激光恪化(Select Laser Melting，SLM)的增材制造工艺。叶片使用SLM工艺熔结TC4粉末制造而成，工艺简单易行。
[0048]本发明所采用的增材制造技术可以自由的在易受鸟撞冲击的位置加工弦向的加强筋3，在提高叶片抗鸟撞能力的同时，损失的空心率小，简单易行。
[0049]通过模拟实验，且通过迭代优化，本发明提供的空心风扇叶片的抗冲击性能、应力分布和振动等强度性能以及工艺性优于现有的扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片或复材风扇叶片，同时空心率比现有相似尺寸机型提高了 30%，减轻了叶片重量。
[0050]本发明提供的空心风扇叶片可以适用于航空发动机或者其他涡轮发动机上。
[0051 ] 本发明提供的航空发动机，包括上述任一实施例中的空心风扇叶片。
[0052]本发明提供的航空发动机相应的具有空心风扇叶片的有益效果，空心风扇叶片具有树状径向筋条以及弦向抗鸟撞加强筋，抗冲击性能、叶片重量和工艺性等方面优于现有的扩散连接/超塑成形钛合金空心风扇叶片或复材风扇叶片。
[0053]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
【主权项】
1.一种空心风扇叶片，其特征在于:包括空心的叶片本体(I)，所述叶片本体(I)的空心区域内沿径向设置有至少一根树形筋条(2)，所述树形筋条(2)中靠近叶尖区域的筋条数量大于靠近叶片根部区域的筋条数量。2.如权利要求1所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述树形筋条(2)包括从叶片根部到叶尖方向依次连接的底部区域(L3)、中部区域(L2)和顶部区域(LI)，所述中部区域(L2)中的中部筋条(22)的数量大于所述底部区域(L3)中的底部筋条(23)的数量，所述顶部区域(LI)中的顶部筋条(21)的数量大于所述中部区域(L2)中的中部筋条(22)的数量。3.如权利要求2所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述底部筋条(23)连接至少两根所述中部筋条(22)，所述中部筋条(22)连接至少两根所述顶部筋条(21)。4.如权利要求2所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述底部区域(L3)与所述顶部区域(LI)之间设置有至少一段所述中部区域(L2)，沿叶片根部到叶尖方向，各所述中部区域(L2)中的中部筋条(22)的数量逐级增加。5.如权利要求4所述的空心风扇叶片，其特征在于:靠近叶片根部的所述中部筋条(22)连接至少两根靠近叶尖的所述中部筋条(22)。6.如权利要求2-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:各所述中部筋条(22)并排和/或交叉设置，各所述顶部筋条(21)并排和/或交叉设置。7.如权利要求2-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述底部筋条(23)的外径大于所述中部筋条(22)的外径，所述中部筋条(22)的外径大于所述顶部筋条(21)的外径。8.如权利要求2-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述顶部筋条(21)的长度大于所述中部筋条(22)的长度，所述中部筋条(22)的长度大于所述底部筋条(23)的长度。9.如权利要求2-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述底部筋条(23)、所述中部筋条(22)和所述顶部筋条(21)均为空心筋条。10.如权利要求1-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:在所述叶片本体(I)的空心区域内且易受鸟类撞击的位置弦向设置有至少一根加强筋(3)。11.如权利要求1-5任一项所述的空心风扇叶片，其特征在于:所述空心风扇叶片采用金属材料，且通过增材制造工艺加工制成。12.一种航空发动机，其特征在于:包括如权利要求1-11任一项所述的空心风扇叶片。
【文档编号】F04D29/30GK106032808SQ201510109760
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月13日
【发明人】马建, 陈云永, 林联达
【申请人】中航商用航空发动机有限责任公司