一种风扇叶片的制作方法

本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种由不同密度的材料组成的风扇叶片。

背景技术：

民用航空发动机关键之一是大尺寸风扇叶片。由于叶片尺寸加大，使得其强度要求更加严苛。对于高涵道比涡扇发动机来讲，实心的风扇叶片已不能满足要求，需创造轻质风扇叶片。

国外先进民用发动机均进行了减重设计：R&R公司通过超塑成型-扩散连接技术生成中空带加强桁条的纯钛合金空心风扇叶；GE公司的风扇叶片采用了由不同材料(复合材料和钛合金)组成的复合材料叶片，复合材料为叶片主体，钛合金作为包边。R&R公司纯钛合金空心风扇叶片的减重空心率已经达到40％，而GE公司的复合材料-钛合金包边叶片的等效减重空心率则已达到了60％以上。这两种设计是发动机设计制造的关键专利技术。轻质风扇叶片的设计受到各大发动机公司的重视。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种风扇叶片，该风扇叶片的质量相较传统金属叶片来说有大幅减轻，而较传统复合材料叶片来说，具有更好的抗撞击性能。

根据上述目的，本发明提供一种风扇叶片，所述风扇叶片在至少一个弦向区间内，沿着其厚度方向上由不同的材料层铺叠构成。

在一实施例中，在所述风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的材料层数相同。

在一实施例中，在特定厚度处各材料层的厚度M相同，其中，M＝T/N，T为所述风扇叶片在此处的厚度，N为材料层数。

在一实施例中，所述风扇叶片在整个弦向区间内，沿着其厚度方向上由不同的材料层铺叠构成。

在一实施例中，在所述风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的材料层数不同。

在一实施例中，所述风扇叶片在沿着其厚度方向上由金属材料层和非金属材料层交替铺叠而成，其中，相邻的金属材料层和非金属材料层通过胶层连接。

在一实施例中，在所述胶层内设置隔断，以避免相邻的材料层出现整体脱落。

在一实施例中，在所述风扇叶片的弦向方向上设置所述胶层的隔断。

在一实施例中，在所述风扇叶片的展向方向上设置所述胶层的隔断。

在一实施例中，在所述胶层上设置连续的隔断，以使得所述胶层分割为多个闭合区域。

在一实施例中，在所述胶层的所述隔断中填充与所述胶层接触的材料层中任一材料层对应的材料。

在一实施例中，在所述胶层的所述隔断中填充与所述胶层接触的金属材料层对应的材料。

在一实施例中，在所述风扇叶片的压力面上的第一层材料为金属材料层。

在一实施例中，所述非金属材料层和金属材料层的厚度比为1：10～1:20。

在一实施例中，所述非金属材料层和所述金属材料层的厚度比为4：1～10：1。

在一实施例中，所述风扇叶片还包括：金属防护套，包裹于所述风扇叶片的外表面，以防止相邻的材料层之间的脱胶。

在一实施例中，所述风扇叶片的前缘区域内全部由金属材料构成，所述风扇叶片的后缘和叶身区域内沿着其厚度方向上由金属材料层和非金属材料层交替铺叠而成。

在一实施例中，所述风扇叶片的前缘区域内全部由金属材料构成，所述风扇叶片的后缘区域内全部由非金属材料构成，所述风扇的叶身区域内沿着其厚度方向上由金属材料层和非金属材料层交替铺叠而成。

在一实施例中，在所述风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的各层材料的厚度不同。

本发明通过不同材料的铺叠结构，使得风扇叶片即包含复合材料部分又包含金属材料部分，金属材料韧性好、强度高，能够提供叶片切向刚度，调节叶片模态，复合材料质量较轻，提供叶片展向刚度，减轻叶片重量，调节叶片模态。

附图说明

图1示出风扇叶片的结构示意图；

图2示出了风扇叶片的弦向截面；

图3a示出了风扇叶片在弦向方向上的一种铺层结构

图3b示出了风扇叶片在弦向方向上的另一种铺层结构；

图4示出了胶粘连接的示意图；

图5示出了胶层隔断的示意图；

图6示出了另一种胶层隔断的示意图；

图7示出了在风扇叶片的不同厚度处所铺叠的材料层数不同的结构示意图；

图8示出了包含金属防护套的风扇叶片的结构示意图。

具体实施方式

为了减轻风扇叶片的质量，本发明考虑采用密度不同的材料构成风扇叶片，其中，第一密度材料韧性好、强度高，第二密度材料质量较轻，充分利用各种材料的优点。

请参看图1，图1示出风扇叶片的结构示意图，其中，沿着横向方向从右向左依次为风扇叶片的前缘101、叶身102、尾缘103，风扇叶片的底部为榫头104，。

沿着图1中的A－A进行截面，得到如图2所示的风扇叶片的弦向截面。

沿风扇叶片厚度方向，风扇叶片分别由材料层201、材料层202、材料层203、材料层204、材料层205铺叠构成，相邻材料层的密度不同。

其中，相隔的材料层可以选用相同密度的材料，例如材料层201、材料层203、材料层205都选用相同的金属材料，而材料层202、材料层204都选用相同的复合材料。

当然也可以反过来，材料层201、材料层203、材料层205都选用相同的复合材料，而材料层202、材料层204都选用相同的金属材料。

铺层层数、不同材料层的铺层顺序、每一层的厚度及其变化均可通过气动、强度等计算综合计算得到。

也可以不在风扇的整个弦向区间上设置铺层结构，请参看图3a和图3b，分别示出了风扇叶片在弦向方向上的两种铺层结构。

图3a示出的风扇叶片结构在风扇叶片的前缘301上全部采用金属材料，而在风扇叶片的叶身和尾缘部分302采用金属材料和复合材料的铺层结构。其中，金属材料可以采用钛合金。

图3b示出的风扇叶片结构在风扇叶片的前缘303上全部采用金属材料，在风扇叶片的叶身304上采用金属材料和复合材料的铺层结构，而在尾缘部分305上全部采用复合材料。

图3a和图3b示出的风扇结构主要是为了抗鸟撞，在鸟撞可能发生的区域，风扇叶片的前缘使用抗撞击的金属材料。

请参看表1，表1给出了相同鸟撞条件下，图3a所示风扇叶片与传统的钛合金包边复合材料叶片的等效应力和变形情况仿真结果。

表1等效应力和变形情况仿真结果

这里，钛合金包边复合材料叶片为编织复合材料‐钛合金包边叶片，以复合材料为叶片主体，前缘、叶身、尾缘设有钛合金包边。铺叠结构叶片的复材变形小于复合材料叶片；钛合金塑性应变大于复材叶片，说明钛合金大量吸收冲击能，保护了复合材料。

铺叠结构中的各层材料可以通过胶层连接，即通过胶将各层材料粘贴在一起。

请参看图4，图4示出了胶粘连接的示意图，其中从弦向方向上看胶层401将相邻的密度不同的材料层402和材料层403粘贴在一起，在展向方向上看胶层404将相邻的密度不同的材料层405和材料层406粘贴在一起。胶层可以为胶膜形式，直接粘贴于金属或非金属层。

由于叶片在受鸟撞时，不同材料层之间易脱胶分层。在一优选实施例中，在胶层内设置隔断，以避免相邻的材料层出现整体脱落。

在一实施例中，在风扇叶片的弦向方向上设置胶层的隔断。

在另一实施例中，在风扇叶片的展向方向上设置胶层的隔断。

请参看图5，图5示出了胶层隔断的示意图，分别沿叶片展向或者弦向增加隔断501，阻止脱层的扩展，隔断的数量及隔断所沿方向不限于图示情况，胶层隔断的方向、数量、宽度可根据叶片鸟撞计算优化得到。

在一实施例中，在胶层上设置连续的隔断，以使得胶层分割为多个闭合区域。

例如对于鸟撞击到叶片85％叶高位置，胶层一般从鸟撞叶片前缘位置开始失效扩展，一种胶层隔断设计可以如图6所示，隔断601连续分布，从而阻断脱层的扩展趋势，显然，针对不同位置的鸟撞，胶层的隔断形式可以有所不同。

在一实施例中，为了更好地避免由于一处开胶导致的整体开胶，在胶层的隔断中填充与胶层接触的材料层中任一材料层对应的材料。

在一实施例中，在胶层的隔断中填充与胶层接触的金属材料层对应的材料。胶层隔断可以通过在金属层中设计金属凸台来实现，金属层带凸台结构可通过金属增材制造来实现

在一实施例中，在风扇叶片的压力面上的第一层材料为金属材料层。风扇叶片的压力面为气流来流方向，即为图2中的材料层201对应的风扇叶片的表面，也就是说，材料层201由金属材料制成。由于鸟通常会跟随气流一同进入发动机，进而该结构能够进一步抗鸟撞。

在叶片强度及空心率允许范围内，与非金属层相比，金属层厚度可以尽量大，或者可以尽量小，也就是说非金属层与金属层的厚度不接近。

由于金属刚度偏大，薄的金属层可以与厚的非金属层更好地匹配刚度，非金属层和金属层的厚度比可为4：1～10：1。

而金属层尽量厚，可以使得非金属层依附于金属层，从而减小两层材料之间的变形错动，非金属层和金属层的厚度比可为1：10～1:20。

金属层厚度和非金属层差距较大，可以减小胶层剥离应力，保证胶层连接。当然，若胶层胶接强度足够，则金属层和非金属层的厚度比可以放宽范围。

在一实施例中，在所述风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的材料层数相同。由于叶片厚度在各部分相差较大，为保证叶片气动外形，每个材料层可以均覆盖整个叶片，即在叶片不同的厚度处，铺叠材料的层数都相同。

各材料层厚度可以随叶片厚度等比例变化，各材料层的厚度也可以不同。在一实施例中，在特定厚度处各材料层的厚度M相同，其中，M＝T/N，T为所述风扇叶片在此处的厚度，N为材料层数。

为了适应风扇叶片不同位置处具有不同的厚度，也可以在较厚的地方铺叠较多的材料层，而在较薄的地方铺叠较少的材料层，也就是说，部分材料层可能不覆盖整个叶片。

在一实施例中，在风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的材料层数不同。请参看图7，图7示出了在风扇叶片的不同厚度处所铺叠的材料层数不同的结构示意图。

在风扇的弦向方向上，在风扇前缘处由于厚度较小，仅有一层材料层701，随着向叶身过度，风扇的厚度逐渐变大，铺叠的材料层也随着逐渐变多。

逐渐由材料层701、材料层702铺叠而成，由材料层701、材料层702、材料层703铺叠而成，由材料层701、材料层702、材料层703、材料层704铺叠而成，在叶身区间内几乎由材料层701、材料层702、材料层703、材料层704、材料层705铺叠而成。而从叶身到尾缘的区间上材料层数又逐渐减小。

在一实施例中，在风扇叶片的不同厚度处，所铺叠的各层材料的厚度不同。例如，在图7中，材料层701、材料层702、材料层703、材料层704、材料层705的厚度可以部分不相同，也可以全部都不相同。

在风扇的展向方向上，具有相同的材料层数的变化趋势。

在一实施例中，风扇叶片还包括金属防护套，包裹于风扇叶片的外表面，以防止相邻的材料层之间的脱胶。

请参看图8，图8示出了包含金属防护套的风扇叶片的结构示意图。其中，风扇叶片801为5层材料的铺叠结构，在风扇叶片801的外表面包裹金属防护套802，金属防护套802与风扇叶片的外表面紧密贴合，一方面可防止叶片分层，另一方面若叶片分层，可保证叶片完整性。

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