[發(fā)明專利]一種基于中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架的風(fēng)扇葉片

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910092274.7
• 申請日: 2009-09-09
• 公開（公告）號: CN101649844A
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 徐力平;鄒正平;弓三偉
• 申請（專利權(quán)）人: 北京戴諾新思動力技術(shù)有限公司
• 主分類號: F04D29/38
• 分類號: F04D29/38;F04D29/02
• 代理公司: 北京慧泉知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架的風(fēng)扇葉片，尤其是涉及現(xiàn)代大涵道比及超大涵道比民用航空發(fā)動機的風(fēng)扇葉片，屬于航空發(fā)動機及高速旋轉(zhuǎn)機械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

現(xiàn)代民用大涵道比渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇葉片多采用寬弦無中間凸肩的設(shè)計，這是新一代發(fā)動機中廣泛采用的設(shè)計，與帶凸肩的窄弦葉片相比，寬弦葉片不僅性能好、效率高，而且在加工和強度方面有所改進。風(fēng)扇葉片的離心負(fù)荷與葉片質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)速和質(zhì)量分布所在半徑乘積的平方成正比，寬弦葉片由于弦長加大，葉片厚度相應(yīng)加大，作用于葉片根部的離心負(fù)荷加大；高涵道比渦扇發(fā)動機的風(fēng)扇直徑一般較大，如最新一代的風(fēng)扇，其葉片直徑超過了3米，隨著設(shè)計推力的逐步增大，風(fēng)扇直徑進一步加大，輪轂比進一步降低，使得風(fēng)扇葉片尺寸變長，這也直接帶來了葉片離心負(fù)荷的加大；三維葉型設(shè)計對葉片強度、變形等也提出了更高的要求。對于大涵道比渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片而言，實心的金屬寬弦葉片已經(jīng)不能滿足強度及其他設(shè)計要求。

在國外所有采用寬弦風(fēng)扇葉片的先進發(fā)動機例如TRENT800、PW4000和GE90等中，均采用了減少葉片重量的措施，如空心葉片、帶芯的空心葉片或復(fù)合材料葉片等。(陳光著，航空發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，北京航空航天大學(xué)出版社，2006.7，北京)。為波音公司B787型飛機新近研制的下一代發(fā)動機如GE公司的GEnx及羅.羅公司的Trent?1000都采用了同樣的復(fù)合材料或空心葉片技術(shù)。

GE公司的風(fēng)扇葉片采用復(fù)合材料并結(jié)合鈦金屬前緣技術(shù)，如圖1所示。而羅.羅公司的風(fēng)扇葉片采用了擴散焊/超塑性成形(DB/SPF)的中空帶加強桁條的鈦合金技術(shù)，如圖2所示。DB/SPF加工工藝具體做法是，先將芯部桁條通過擴散連接方法與兩面板內(nèi)面在不同位置處連接起來，然后將它們置于高溫下的陰模里，在兩面板間先充以高壓惰性氣體，在超塑性狀態(tài)下兩面板向外擴展，同時將桁條拉長組成如圖2所示的波紋結(jié)構(gòu)，由于桁條是與面板焊接在一起的，它參與了承力，因而使重量比羅.羅早期的蜂窩夾層空心葉片還輕15％。無論是GE公司的復(fù)合材料葉片還是羅.羅等公司的DB/SPF加工工藝，都已得到成功應(yīng)用，是此類發(fā)動機設(shè)計制造的關(guān)鍵專利技術(shù)。

本發(fā)明涉及一種基于中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架的風(fēng)扇葉片。中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架材料由剛性骨架和內(nèi)部的孔隙組成，具有優(yōu)異的物理特性和良好的機械性能。它具備優(yōu)異物理力學(xué)性能，如密度小、比強度和比剛度大、吸能減振性能好，作為一種工程功能材料具有優(yōu)越的可設(shè)計性。

本發(fā)明涉及的風(fēng)扇葉片具有密度小，比強度、比剛度高，減振、阻尼性能優(yōu)越，可以大大改善風(fēng)扇葉片的機械性能，延長葉片的壽命。目前先進的工藝制造技術(shù)如高能束快速成型技術(shù)等為中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架材料在渦扇發(fā)動機風(fēng)扇葉片中的應(yīng)用提供了可能。金屬零件的直接快速成型技術(shù)是從建立的CAD模型獲得信息來實現(xiàn)零件的層層粘接，可直接制造出全密度、高強度功能性金屬零件。其中，激光高溫?zé)Y(jié)技術(shù)采用激光逐點照射粉末材料，使粉末材料熔融實現(xiàn)材料的聯(lián)接；激光熔覆快速成型采用激光涂覆的方法將材料進行層層堆積，最終形成具有一定外形的三維實體零件，也可用金屬細(xì)絲代替金屬粉末成型。(金屬粉末的直接快速成型技術(shù)，機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008年第18卷第3期)

發(fā)明內(nèi)容

1、目的：本發(fā)明目的就是以高能束快速成型或適當(dāng)?shù)墓に囀侄魏图?xì)觀工程結(jié)構(gòu)設(shè)計相結(jié)合，為民用大涵道比渦扇發(fā)動機提供一種基于中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架的風(fēng)扇葉片。本發(fā)明能夠大幅度降低風(fēng)扇葉片重量(減重幅值可高達90％)，并通過對風(fēng)扇葉片金屬構(gòu)架的細(xì)觀結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足此類風(fēng)扇的特殊強度要求。

2、技術(shù)方案：一種基于中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架的風(fēng)扇葉片，葉片截面如圖3所示，其結(jié)構(gòu)特征在于：該葉片內(nèi)部基體為空間離散的肋骨結(jié)構(gòu)，它由中空結(jié)構(gòu)金屬/復(fù)合材料構(gòu)架組成，孔隙率直接表現(xiàn)為肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布；葉片表面由一定厚度的材料構(gòu)成，可設(shè)計成帶孔與內(nèi)部聯(lián)通或者封閉表面的形式，具體結(jié)構(gòu)可根據(jù)葉片邊界層流動控制的需求；肋骨結(jié)構(gòu)與葉片表面固連為一體。葉片外形可以沿用現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)設(shè)計。更為重要的是由于本發(fā)明的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，葉片外形有可能應(yīng)用超出常規(guī)的先進氣動設(shè)計。