一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法与流程

本发明涉及航空涡轮喷气发动机技术领域，特别是涉及一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法。

背景技术

航空发动机是飞行器主要动力装置，在航空发动机工作时，风扇和压气机叶片高速旋转，提高进入发动机空气的速度和压力，对于风扇而言，其增压后的空气一部分通过发动机外涵道高速排出，产生推力，一部分进入发动机内涵道，经低压压气机、高压压气机进一步增压后进入燃烧室燃烧。

风扇、压气机对空气提速、增压过程中，空气气流处于逆压梯度流动状态，即风扇、单级压气机出口处流体的压力要大于入口的压力，在该环境中，叶片叶背最大厚度点后侧区域的附面层厚度沿着叶片弦长方向不断增加，在特定条件下，气流将发生逆向流动，影响发动机正常工作，极限条件下将演化为喘振，严重影响飞行安全。

随着航空技术的进一步发展，对发动机的气动效率和重量指标提出了更高的指标要求，如何进一步提高风扇/压气机叶片的气动效率并进一步降低结构重量是制约先进航空喷气发动机研制的关键技术瓶颈。为了提高压气机工作效率，提出了空心风扇叶片概念，将叶片叶身内部的部分材料去除，降低叶片结构重量，研究表明，空心叶片的减重效率与叶片展向尺寸相关，目前，空心风扇叶片的减重效率在12%~46%之间变化，但是，当前技术未能够对榫头、申根区进行空心化，制约了空心叶片结构重量的进一步降低。

因此，发明人提供了一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法，能够进一步提高发动机的高压机/风扇叶片的气动性能，同时促进叶片进一步减重，满足先进航空发动机的性能要求。

第一方面，本发明的实施例提出了一种航空发动机的空心叶片结构，所述叶片为空心结构，所述叶片包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，所述加强筋贯穿叶片叶身部位，所述加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，所述气流孔贯穿所述叶背侧金属板蒙皮，使所述内部气流通道中的气流通过所述气流孔与所述叶背外侧的空气流通，所述叶片的榫头为燕尾形榫头，在所述燕尾形榫头的底部开有与所述叶身空心区连通的榫头通孔。

在第一种可能的实现方式中，所述叶片的空心结构由三层金属板组成，所述空心结构的两侧金属板组成所述叶片气动外形面，形成满足气动要求的流道，所述空心结构的中间金属板连接所述两侧金属板，所述中间金属板构成所述加强筋结构。

结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述加强筋结构的横截面呈w型或h型，所述w型或h型的加强筋结构在叶片的叶身处形成内部气流通道。

结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述叶片的靠近叶尖部位为实体区，所述实体区的展向尺寸不小于5mm，在所述实体区下方为空心与实体的过渡区，所述过渡区有横向气流通道，所述横向气流通道用于连通所述加强筋结构中位于叶片弦向不同区域的内部气流通道。

结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述加强筋上制有通孔，所述通孔用于形成所述横向气流通道；和/或，在所述三层金属上预制凹槽，所述凹槽形成所述横向气流通道。

结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述叶片叶背侧的气流孔设在所述叶片叶背侧最大厚度靠近排气边一侧区域，所述气流孔的轴向与所述叶片气动外形面法向有预定角度。

结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述气流孔为圆形或者矩形通孔。

结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，在所述燕尾形榫头的底部的榫头通孔形成气流通道，所述气流通道沿着叶片展向方向延伸至所述叶身的空心区，所述气流通道与多个空腔相连通，使所述叶片上的不同空腔中均能有气流流过，并且，所述气流通道在叶片弦向投影呈喇叭状。

结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述燕尾榫头底部的所述榫头通孔的形状为方形、圆形或椭圆形。

第二方面，本发明的实施例提供了一种航空发动机的空心叶片结构的设计方法，所述方法包括：

建立如权利要求1所述的空心叶片结构毛坯的有限元模型，开展无气流孔叶片的流场分析，获得叶片表面空气流动规律；

基于所述无气流叶片的流场分析结果以及叶片表面空气流动规律，初步获得所述气流孔的位置范围和大小范围；

开展有气流孔叶片的流场分析，基于所述气流孔的位置范围和大小范围以及气动效率，确定气流孔的最佳位置和最佳大小；

基于确定的所述气流孔的最佳位置和最佳大小，开展有气流孔叶片的应力分析，获得叶片的上的应力分布规律，以结构强度为约束，优化所述气流孔的位置和形状大小；

在所述空心叶片结构中，设计并优化所述内部气流通道，使所述叶片叶型的最大厚度的前后两侧的空腔相连通；

在所述叶片的燕尾榫头底部，设计并优化所述榫头通孔，使所述榫头与所述叶身空心区相连通；

基于优化的所述气流孔、所述内部气流通道和所述榫头通孔，以所述叶片气动效率为目标，获得如权利要求1所述的空心叶片结构。

综上，通过在空心叶片结构中设置加强筋结构的方式形成气流通道，同时在叶片叶背侧设计气流孔，将气流通道内的高压空气排出并将叶背侧附面层吹除，有利于减轻叶片的整体重量，同时提高了结构的整体刚性，提高了风扇叶片的工作边界，提高了发动机的稳定工作边界，通过去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，对发动机整体减重具有推动作用，加强筋结构的空心叶片形式，还消除了叶片内部的封闭空腔或半封闭空腔，消除了对空心叶片内部必须为真空状态的技术要求，简化了叶片制造难度和检测难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是航空涡轮喷气发动机的结构示意图。

图2是现有技术的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。

图3是本发明实施例的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。

图4是本发明实施例的叶背侧的气流孔示意图。

图中：

1：机匣；2：风扇；3：低压压气机盘；4：第一压气机叶片；5：高压压气机盘；6：第二压气机叶片。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，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。

图1是航空涡轮喷气发动机的结构示意图。

航空发动机是飞行器主要动力装置，如图1所示，航空涡轮喷气发动机主要包括转动部件和静子部分，转动部分主要有风扇2、低压压气机盘3、高压压气机盘5、第一压气机叶片4和第二压气机叶片6，静子部件主要由机匣1等组成，航空发动机工作时，风扇/压气机叶片高速旋转，提高进入发动机空气的速度和压力，对于风扇而言，其增压后的空气一部分通过发动机外涵道高速排出，产生推力，一部分进入发动机内涵道，经低压压气机、高压压气机进一步增压后进入燃烧室燃烧。

图2是现有技术的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。

风扇/压气机对空气提速增压过程中，空气气流处于逆压梯度流动状态，即风扇、单级压气机出口处流体的压力要大于进口的压力，在风扇、压气机叶背极点后侧的区域附面层在叶片弦长方向厚度不断增加，在特定环境下，将发生气流逆向流动，影响发动机正常工作，极限条件下将演化为喘振，严重影响飞行安全。此外，压气机叶片用于将涡轮产生的动能转化为气体势能，要求压气机工作效率高。

为了获得高效率的能量转化，现有技术中采用增加弦宽的方法，即采用宽弦叶片代替传统窄弦叶片，而对于某些工作环境变化剧烈的发动机，采用在压气机进口增加一级可以转动的静子叶片，这一级叶片通过主动控制压气机进口气流方向，增加压气机的工作边界，此外，在民用航空发动机领域，通常采用增加风扇叶片展向尺寸的方法进一步提高效率。叶片弦宽增大，展向尺寸变大将导致结构重量增加，这已经成为制约发动机特别是民用发动机性能的关键因素，为此，提出了空心风扇叶片概念，将叶片叶身内部的部分材料去除，降低叶片结构重量。

现有的空心叶片结构存在以下不足：

（1）当前空心风扇/压气机叶片结构中能够除去材料的区域仅在风扇/压气机气动外形区域，而风扇/压气机榫头、伸根区仍然是实心结构，对于目前在役的大尺寸空心叶片而言，叶身区材料利用率达到极限状态下，叶片的空心率小于46%，即该条件下榫头、伸根区重量超过10%，当前技术未能够对榫头、申根区进行空心化，制约了空心叶片结构重量的进一步降低；

（2）传统空心叶片成形工艺在叶片叶尖位置开了工艺孔，下部为封闭结构，为避免叶片工作过程中空气中的水残留到叶片中，需要采用专用工艺封闭叶尖工艺孔，叶片内部必须处于真空状态，避免空腔之间气流振荡诱发结构失效；

（3）在风扇叶片前部设置导流/可调叶片的方法通过调整风扇/压气机进口速度三角形提高工作边界，是一种间接的调控方法，并不能完全消除风扇/压气机叶片叶背侧的附面层，此外对于大涵道比发动机而言，由于结构限制，通常不能设置导流叶片。

因此，针对现有技术的空心风扇/压气机叶片不能够满足先进航空发动机性能要求的现状，提出了一种空心叶片结构形式及使用方法，能够进一步提高压气机/风扇叶片气动性能同时促进叶片进一步减重，为先进航空发动机研制提供支撑。

本发明提出了一种具有高气动效率、轻量化的空心叶片结构，该空心叶片结构包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，其中，加强筋贯穿叶片叶身部位，并且加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，气流孔贯穿叶背侧的蒙皮，使内部气流通道中的气流通过气流孔与叶背外侧的空气流通，叶片的榫头为燕尾形榫头，在该燕尾形榫头的底部开有与叶身空心区连通的榫头通孔。

图3是本发明实施例的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。参见图3所示的空心叶片结构中气流流向示意图可知，在位于叶片叶型最厚点前部的区域，高压空气经过加强筋结构气流通道流经整个叶片，通过位于叶片顶部的流道进入叶片叶型最大厚度点后侧的气流通道，并经过位于叶背侧的气流孔排出，在位于叶型最大厚度点后部的区域，高压空气经加强筋气流通道流经叶身部分区域，并通过叶身叶背侧的小孔逐步排出叶片。由图3的气流流向可知，本发明的空心叶片结构通过在叶背侧设计了气流孔，使高压空气从叶背侧的气流孔排出能吹除叶背侧的附面层，避免了在叶背侧形成气流逆流的现象，从而能够避免喘振效应，进一步提高了叶片的气动效率，同时减轻了叶片的重量。

图4是本发明实施例的叶背侧的气流孔示意图。参见图4，叶片叶背侧的气流孔设在叶片叶背侧最大厚度靠近排气边一侧区域，气流孔的开孔轴向与叶片气动外形面法向有预定的角度。气流孔为圆形或者矩形的通孔。气流孔用于将加强筋中的气流引向叶背外侧并排出。

叶片的靠近叶尖部位为实体区，该实体区的展向尺寸不小于5mm，在该实体区下方为空心与实体的过渡区，该过渡区有横向气流通道，横向气流通道用于连通加强筋结构中位于叶片弦向不同区域的内部气流通道。

具体地，在加强筋上制有通孔，该通孔用于形成横向气流通道；和/或，在三层金属上预制凹槽，该凹槽形成横向气流通道。

具体地，叶片的空心结构由三层金属板组成，空心结构的两侧金属板组成叶片气动外形面，形成满足气动要求的流道，空心结构的中间金属板连接两侧金属板的蒙皮，中间金属板构成了加强筋结构，使得结构成为一体，提高了结构的整体刚性。其中，加强筋结构的横截面呈w型或h型，w型或h型的加强筋结构在叶片的叶身处形成气流通道。

在燕尾形榫头的底部的通孔形成气流通道，气流通道沿着叶片展向方向延伸至叶身的空心区，气流通道与多个空腔相连通，使叶片上的不同空腔中均能有气流流过，并且，气流通道在叶片弦向投影呈喇叭状。

采用本发明第一方面的航空发动机的空心叶片结构的安装过程如下：

（1）将本发明第一方面的空心叶片结构安装在发动机的风扇轮盘上，并进行轴向定位。在本步骤中，可通过特殊的装置进行轴向定位。

（2）将叶片的榫头底部的方孔与位于风扇轮盘上的引气装置相配合安装，使外部的高压空气通过引气装置进入到空心叶片的方孔内部，高压空气可以沿气流通道流经榫头、伸根段并进入到空心叶片的叶身位置。

在本步骤中，位于叶型最大厚度点前部的区域，高压空气经w或h流道流经整个叶片，通过位于叶片顶部的流道进入叶片叶型最大厚度点后侧的气流通道，并经过位于叶背侧的气流孔排出。位于叶型最大厚度点后部的区域，空气经w型或h型加强筋形成的流道流经叶身部分区域。并能通过叶身叶背侧的气流孔逐步排出叶片，同时能够吹除叶背侧的附面层。

（3）高压空气从叶背侧的气流孔排出，并将叶背侧的附面层吹除，通过控制叶根处不同气流通道的进气量，实现对叶片展向不同区域的附面层吹除。

第二方面，本发明还提供了第一方面的航空发动机的空心叶片结构的设计方法，该使用方法包括以下步骤s201~步骤207：

步骤s201：建立如权利要求1所述的空心叶片结构毛坯的有限元模型，开展无气流孔叶片的流场分析，获得叶片表面空气流动规律。在本步骤中，可以通过计算机辅助设计建立起空心叶片结构毛坯的三维模型，进行有限元分析。

步骤s202：基于所述无气流叶片的流场分析结果以及叶片表面空气流动规律，初步获得所述气流孔的位置范围和大小范围。

步骤s203：开展有气流孔叶片的流场分析，基于所述气流孔的位置范围和大小范围以及气动效率，确定气流孔的最佳位置和最佳大小。

步骤s204：基于确定的所述气流孔的最佳位置和最佳大小，开展有气流孔叶片的应力分析，获得叶片的上的应力分布规律，以结构强度为约束，优化所述气流孔的位置和形状大小。

步骤s205：在所述空心叶片结构中，设计并优化所述内部气流通道，使所述叶片叶型的最大厚度的前后两侧的空腔相连通。

步骤s206：在叶片的燕尾榫头底部，设计并优化榫头通孔，使榫头与叶身空心区相连通。

步骤s207：基于优化的气流孔、内部气流通道和榫头通孔，以叶片气动效率为目标，获得如第一方面所述的空心叶片结构。

综上所述，本发明提出的航空发动机的空心叶片结构及其使用方法，通过去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，对发动机整体减重具有推动作用。通过在叶背侧设计气流孔的方式消除叶片叶背侧附面层的方法，拓展了用于空心叶片用于减重的内部结构的功能的，使其同时具备了提高结构刚性和形成气流通道的功能，提高了风扇叶片的工作边界，提高了发动机的稳定工作边界。通过在空心叶片的叶身部位设置加强筋结构，消除了风扇叶片内部的封闭空腔或半封闭空腔，消除了对空心叶片内部必须为真空状态的技术要求，简化了叶片制造难度和检测难度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。