專利名稱：一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，尤其是涉及現代大 涵道比及超大涵道比民用航空發動機的風扇葉片，屬于航空發動機及高速旋轉機械技術 領域。
背景技術：
現代民用大涵道比渦扇發動機的風扇葉片多采用寬弦無中間凸肩的設計，這是新一 代發動機中廣泛采用的設計，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。風扇葉片的離心負荷與葉片質量分布、轉速和質量分 布所在半徑乘積的平方成正比，寬弦葉片由于弦長加大，葉片厚度相應加大，作用于葉
片根部的離心負荷加大；高涵道比渦扇發動機的風扇直徑一般較大，如最新一代的風扇， 其葉片直徑超過了 3米，隨著設計推力的逐步增大，風扇直徑進一步加大，輪轂比進一 步降低，使得風扇葉片尺寸變長，這也直接帶來了葉片離心負荷的加大；三維葉型設計 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動機風扇葉片而言，實 心的金屬寬弦葉片已經不能滿足強度及其他設計要求。
在國外所有釆用寬弦風扇葉片的先進發動機例如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合材料葉片等。(陳 光著，航空發動機結構設計分析，北京航空航天大學出版社，2006.7，北京)。為波音 公司B787型飛^/L新近研制的下一代發動^L如GE公司的GEnx及羅.羅公司的Trent1000 都采用了同樣的復合材料或空心葉片技術。
GE公司的風扇葉片采用復合材料并結合鈦金屬前緣技術，如圖l所示。而羅.羅公 司的風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， 如圖2所示。DB/SPF加工工藝具體做法是，先將芯部街條通過擴散連接方法與兩面板內 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所示的波紋結構， 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
4空心葉片還輕15%。無論是GE公司的復合材料葉片還是羅.羅等公司的DB/SPF加工工 藝，都已得到成功應用，是此類發動機設計制造的關鍵專利技術。
本發明涉及一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片。中空結構金屬/復合 材料構架材料由剛性骨架和內部的孔隙組成，具有優異的物理特性和良好的機械性能。 它具備優異物理力學性能，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越的可設計性。
本發明涉及的風扇葉片具有密度小，比強度、比剛度高，減振、阻尼性能優越，可 以大大改善風扇葉片的機械性能，延長葉片的壽命。目前先進的工藝制造技術如高能束 快速成型技術等為中空結構金屬/復合材料構架材料在渦扇發動機風扇葉片中的應用提 供了可能。金屬零件的直接快速成型技術是從建立的CAD模型獲得信息來實現零件的層 層粘接，可直接制造出全密度、高強度功能性金屬零件。其中，激光高溫燒結技術采用 激光逐點照射粉末材料，使粉末材料熔融實現材料的聯接；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 細絲代替金屬粉末成型。(金屬粉末的直接快速成型技術，機電產品開發與創新，2008 年第18巻第3期)
發明內容
1、 目的本發明目的就是以高能束快速成型或適當的工藝手段和細觀工程結構設 計相結合，為民用大涵道比渦扇發動機提供一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風 扇葉片。本發明能夠大幅度降低風扇葉片重量(減重幅值可高達90%)，并通過對風扇 葉片金屬構架的細觀結構設計以滿足此類風扇的特殊強度要求。
2、 技術方案 一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，葉片截面如圖3 所示，其結構特征在于該葉片內部基體為空間離散的肋骨結構，它由中空結構金屬/ 復合材料構架組成，孔隙率直接表現為肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布；葉片表面由 一定厚度的材料構成，可設計成帶孔與內部聯通或者封閉表面的形式，具體結構可根據 葉片邊界層流動控制的需求；肋骨結構與葉片表面固連為一體。葉片外形可以沿用現有 技術的常規設計。更為重要的是由于本發明的結構優越性，葉片外形有可能應用超出常 規的先進氣動設計。
所述的肋骨結構，其內部結構形式可選用典型的空間結構型式中的一種或數種組合 形成，，如金剛石結構、四面體單元結構、六面體單元結構、蜂窩結構等，也可選用非 典型的空間結構型式；或選用典型的空間結構型式與非典型的空間結構型式相互優化組合形成肋骨結構，或選用其他任意空間結構型式組合優化形成。亦可通過其空間排列結 構來控制葉片的剛度以及由離心力及氣動力引起的葉片變形。該金剛石結構如圖7所示； 該四面體單元結構如圖3-6所示；該六面體單元結構如圖8所示；該蜂窩結構如圖9 所示。
所述中空結構金屬/復合材料構架，作為一種工程功能材料具有優越的可設計性， 由任意空間結構組合優化形成的肋骨結構和內部的孔隙組成，具有優異的物理特性和良 好的機械性能。
所述的肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布，沿葉片徑向隨著半徑的增大，肋骨直徑 逐漸減小，空間排列逐漸稀疏，具體分布可根據葉片的離心應力和氣動栽荷分布來進行 設計控制，通過對葉片中肋骨空間分布及形位的控制，提高葉片的比強度和比剛度，達 到滿足葉片強度的設計要求。
所述葉片表面的厚度由氣動負荷和工藝條件來控制，可進行局部厚度調整以提高風 扇抗外物擊傷的能力。
所述葉片的肋骨結構和葉片表面固連為 一體，復合材料構架葉片采用常規的復合材 料粘接方法，金屬構架葉片可通過激光快速成型技術整體加工，或者類似的使用任何種 類高能束的熔覆快速成型技術以及其他工藝如EDM (電火花加工)、釬焊、電化學以及 泡沫金屬的各種制造工藝，或任何適當的工藝過程。金屬構架葉片使用高能束快速成型 加工，具體步驟如下(1 )根據葉片栽荷分布和結構強度要求對葉片肋骨空間排列方
式和肋骨直徑分布進行設計，并對葉片表面厚度進行三維設計，得到葉片三維實體分布； (2)選擇合適的金屬材料；(3)根據葉片三維實體模型，利用高能束將材料粉末或細 絲層層堆積，直接制造出全密度、高強度功能性金屬零件。
上述技術方案還可用于各種葉輪機械的葉片、輪盤上，如風力渦輪葉片、水利機械 的葉片等。
3、優點及功效本發明與現有風扇葉片相比的優點直接快速成型，工藝簡單， 結構形位可設計性強，可以充分體現材料工程針對應用設計材料結構的優越性；同時本 發明可以進行強度應力分布優化設計；機械阻尼優化設計；針對氣動性能的葉片形位變 形優化設計；以及其他物理力學特性的優化設計如撞擊吸能、聲能吸收耗散等等；并且 相對于常規葉片具有更好的機匣包容性。
本發明提供的葉片技術同樣適用于對比強度、比剛度、機械阻尼等有較高或特殊要 求的各種葉輪機械的葉片和輪盤，如風力渦輪葉片等。
圖1:實心復合材料風扇葉片的截面示意圖2:中空帶加強街條的金屬風扇葉片的截面示意圖3:本發明風扇葉片的截面示意圖4:本發明風扇葉片肋骨結構示意圖5:本發明風扇葉片表面的肋骨結構分布示意圖6:本發明風扇葉片葉中某截面段上的肋骨結構分布示意圖7:本發明金剛石晶體結構示意圖8:本發明六面體單元結構示意圖9:本發明蜂窩結構示意圖。
圖中序號說明如下
l肋骨結構；2葉片表面。
具體實施例方式
本發明一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，該葉片內部基體為空間 離散的肋骨結構l，它由中空結構金屬/復合材料構架組成，孔隙率直接表現為肋骨空間 排列方式和肋骨直徑分布；葉片表面2由一定厚度的金屬材料構成，它設計成帶孔與內 部聯通及封閉表面的形式，肋骨結構1與葉片表面2固連為一體；它可用于現代民用大 涵道比及超大涵道比渦扇發動機的風扇級中，其具體實施例如下。 實施例1:
如圖4左圖所示的一寬弦無凸肩風扇葉片，葉片外形經過氣動設計已滿足發動機總 體對風扇部件的性能要求。利用四面體單元對葉片進行空間離散，四面體單元的節點連 線即為風扇葉片的肋骨，單元節點就是肋骨的連接點，整個葉片相互連接的肋骨結構1 如圖4右圖所示，圖5為風扇葉片表面2的肋骨結構1分布示意圖。風扇葉片通過這種 中空結構金屬/復合材料構架來構建，相比于實心金屬葉片，質量要小很多。
風扇葉片在工作時受到離心載荷的作用，離心力隨著半徑的減小逐漸增大，所以肋 骨直徑大小隨著半徑的減小必須增大，以削弱離心力在截面產生的拉伸應力，具體的可 根據離心栽荷的分布規律進行肋骨直徑大小等的分布設計，從而改變風扇葉片的孔隙 率，最終使葉片受到的拉伸應力最小化。
風扇葉片在離心載荷和氣動載荷的共同作用下，會發生彎曲和扭轉變形，圖6為風扇葉片葉中某截面段上的肋骨結構l分布示意圖，可通過葉片截面上的肋骨空間排列來 改變葉片的彎曲剛度和扭轉剛度，例如沿葉片弦向改變相連肋骨的夾角就可以顯著改變 葉片的扭轉剛度。
在設計好風扇葉片肋骨的空間分布結構和直徑大小分布后，可通過激光快速成型技 術來加工葉片，或者類似的使用任何種類高能束的熔覆快速成型技術。
可見，本發明提供了一種孔隙率隨載荷可調、彎曲和扭轉剛度可控的基于中空結構 金屬/復合材料構架的風扇葉片。 實施例2:
如實施例1中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其中的肋骨結 構1由如圖7所示的金剛石晶體結構形成。 實施例3:
如實施例1中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其中的肋骨結 構1由如圖8所示的六面體單元結構形成。 實施例4:
如實施例1中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其中的肋骨結 構1由如圖9所示的蜂窩結構形成。 實施例5:
如實施例1中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其中的肋骨結 構1由包括實例1-4中肋骨結構形式在內的任意空間結構的組合優化形成。 實施例6:
如實施例1-5中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，所述葉片的 肋骨結構1和葉片表面2可通過其他工藝如EDM、釬焊、電化學以及泡沫金屬的各種制 造工藝或任何適當的工藝過程進行加工。 實施例7:
如實施例1-6中的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片的技術方案， 用于各種葉輪機械的葉片和輪盤，如風力渦輪葉片等。
顯然，對于本領域的普通技術人員來說，參照上文所述的實施例還可能做出其它的 實施方式。上文中的所有實施例都只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本發明的 權利要求技術方案的本質之內的修改都屬于其所要求保護的范圍。
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權利要求
1、一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其特征在于該葉片內部基體為空間離散的肋骨結構，葉片由中空結構金屬/復合材料構架組成，孔隙率直接表現為肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布；葉片表面設計成帶孔與內部聯通及封閉表面的形式，肋骨結構與葉片表面固連為一體；所述的肋骨結構通過其空間排列方式來控制葉片的剛度以及由離心力及氣動力引起的葉片變形；所述中空結構金屬/復合材料構架，它由空間排列方式優化形成的肋骨結構和內部的孔隙組成；所述的肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布，沿葉片徑向隨著半徑的增大，肋骨直徑逐漸減小，空間排列逐漸稀疏，具體根據葉片的離心應力和氣動載荷分布來進行設計控制，通過對葉片中肋骨空間分布及形位的控制，提高葉片的比強度和比剛度，達到滿足葉片強度的設計要求；所述葉片表面的厚度由氣動負荷和工藝條件來控制，可進行局部厚度調整以提高風扇抗外物擊傷的能力；所述葉片的肋骨結構和葉片表面固連為一體，復合材料構架葉片采用常規的復合材料粘接方法，金屬構架葉片可通過激光快速成型技術整體加工及使用高能束的熔覆快速成型技術工藝加工而成。
2、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于金屬構架葉片使用高能束的快速成型技術工藝加工，具體步驟如下步驟 一 根據葉片載荷分布和結構強度要求對葉片肋骨空間排列方式和肋骨直徑分 布進行設計，并對葉片表面厚度進行三維設計，得到葉片三維實體分布； 步驟二選擇合適的金屬材料；步驟三根據葉片三維實體模型，利用高能束將材料粉末、細絲層層堆積，直接制 造出全密度、高強度功能性金屬零件。
3、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為金剛石結構。
4、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為四面體單元結構。
5、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其特征在于該肋骨結構為六面體單元結構。
6、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為蜂窩結構。
7、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為金剛石結構、四面體單元結構、六面體單元結構和蜂窩結構中 的兩種以上的型式組合。
8、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為非典型的空間結構型式。
9、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構為典型的空間結構型式與非典型的空間結構型式相互優化組合形 成。
10、 根據權利要求1所述的一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其 特征在于該肋骨結構的形式和組合可用在葉輪機械的葉片、輪盤上。
全文摘要
一種基于中空結構金屬/復合材料構架的風扇葉片，其內部基體為空間離散的肋骨結構，它由中空結構金屬/復合材料構架組成，該構架由任意空間結構組合優化形成的肋骨結構和內部的孔隙組成；孔隙率直接表現為肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布；肋骨結構與葉片表面固連為一體；肋骨結構可通過金剛石結構、四面體單元結構、六面體單元結構、蜂窩結構或其他任意空間結構組合優化形；肋骨空間排列方式和肋骨直徑分布，沿葉片徑向隨著半徑的增大，肋骨直徑逐漸減小，空間排列逐漸稀疏；葉片表面的厚度由氣動負荷和工藝條件來控制；金屬構架葉片可使用高能束快速成型加工；本發明直接快速成型，工藝簡單，結構形位可設計性強。
文檔編號F04D29/38GK101649844SQ20091009227
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者弓三偉, 徐力平, 鄒正平 申請人:北京戴諾新思動力技術有限公司