帶有單向帶翼型件翼梁的復(fù)合葉片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣渦輪發(fā)動機葉片，并且特別涉及復(fù)合葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)研發(fā)出用于航空燃氣渦輪發(fā)動機的復(fù)合葉片，該復(fù)合葉片由復(fù)合在輕型基體中的細長絲狀體制成。葉片是輕型的，具有高強度。術(shù)語復(fù)合已經(jīng)被定義為包含支承在粘合或基體材料中的諸如纖維或顆粒之類的加強件的材料。許多復(fù)合物均用在航空工業(yè)中，其包括金屬復(fù)合物及非金屬復(fù)合物。用于本文中公開的葉片的復(fù)合物由單向帶材料和環(huán)氧樹脂基體構(gòu)成。對于該復(fù)合物和其它適用材料的討論可見于美國材料信息學(xué)會(ASMINTERNAT1NAL)出版的“工程材料手冊(Engineering Materials Handbook) ”(1987-1989或新近版本)中。
[0003]本文中公開的復(fù)合葉片由非金屬型構(gòu)成，該非金屬型由包含嵌置在諸如環(huán)氧化物、PMRl5, BM1、無機填料復(fù)合材料(PEEU)等之類的樹脂材料中的諸如含碳纖維、硅纖維、金屬纖維、金屬氧化物纖維、或陶瓷纖維之類的纖維的材料構(gòu)成。纖維在帶中單向排列，所述帶以樹脂浸漬，形成零件形狀，并經(jīng)由高壓浸出過程或擠壓成形而固化以形成其內(nèi)具有疊層或?qū)悠妮p質(zhì)的、剛硬的、相對均質(zhì)的物品。
[0004]已經(jīng)研發(fā)出用于航空燃氣渦輪發(fā)動機的復(fù)合風(fēng)扇葉片以降低重量和成本，特別是針對大型發(fā)動機中的風(fēng)扇葉片降低重量和成本。大型發(fā)動機復(fù)合寬翼弦風(fēng)扇葉片與具有標準翼弦風(fēng)扇葉片的大型發(fā)動機相比提供了顯著的重量節(jié)省。問題在于，所有的燃氣渦輪發(fā)動機葉片均面對共振或撓曲模式。用于具有相對寬直徑風(fēng)扇的高旁路比的航空燃氣渦輪發(fā)動機的大型復(fù)合風(fēng)扇葉片就面臨該問題。這對于致使葉片經(jīng)歷第一撓曲翼型件模式和第二撓曲翼型件模式(1F和2F)的頻率而言是極為實際的。
[0005]極為期望的是，提供輕型且堅固的航空燃氣渦輪發(fā)動機風(fēng)扇葉片，其避免通過或經(jīng)歷諧音(assonance)和撓曲模式并且特別是第一和第二撓曲翼型件模式(1F和2F)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]一種燃氣渦輪發(fā)動機復(fù)合風(fēng)扇葉片(10)包括翼型件(12)，該翼型件(12)具有在展向方向⑶上從葉片(10)的葉片根部(20)沿翼展⑶向外延伸至葉片尖端(47)的壓力側(cè)(41)和吸入側(cè)(43)。葉片(10)的芯部(50)包括準各向同性的復(fù)合層片(52)，這些層片(52)朝向尖端(47)沿展向向外延伸穿過包括根部(20)和翼型件(12)的葉片(10)。包括由相對于翼展(S)的纖維取向優(yōu)選地為O度的單向帶層片(63)構(gòu)成的堆疊件(62)的一個或多個翼梁(54、56)朝向尖端(47)沿展向向外延伸穿過根部(20)并穿過翼型件(12)的一部分(53)。
[0007]芯部(50)的弦向延伸部(58)可關(guān)于翼型件(12)的最大厚度位置(61)居中。翼梁(54、56)可具有展向高度(H)、弦向?qū)挾?W)、和避免諸如第一撓曲翼型件模式和第二撓曲翼型件模式之類的撓曲翼型件模式的翼梁厚度(TS)。一個或多個翼梁可包括在翼型件(12)中夾置芯部(50)的弦向延伸部(58)的壓力側(cè)翼梁(54)和吸入側(cè)翼梁(56)，芯部(50)的弦向延伸部(58)可分別位于壓力側(cè)(41)和吸入側(cè)(43)的附近或分別沿壓力側(cè)(41)和吸入側(cè)(43)定位。
[0008]在葉片(10)的一個實施例中，一個或多個翼梁包括弦向分離開的上游壓力側(cè)翼梁(74)和下游壓力側(cè)翼梁(76)以及弦向分離開的上游吸入側(cè)翼梁(78)和下游吸入側(cè)翼梁(80)，壓力側(cè)翼梁與吸入側(cè)翼梁在翼型件(12)中夾置芯部(50)的弦向延伸部(58)。
【附圖說明】
[0009]在結(jié)合附圖進行的下列說明中闡明了本發(fā)明的前述方面和其它特征，附圖中:
[0010]圖1是具有復(fù)合單向帶翼梁的航空燃氣渦輪發(fā)動機復(fù)合風(fēng)扇葉片的透視圖。
[0011]圖2是復(fù)合風(fēng)扇葉片的穿過圖1中的2-2的橫斷面視圖。
[0012]圖3是具有復(fù)合單向帶翼梁的替代航空燃氣渦輪發(fā)動機復(fù)合風(fēng)扇葉片的透視概略圖。
[0013]圖4是圖3中所示的復(fù)合單向帶翼梁的透視概略圖。
[0014]圖5是圖2中所示的復(fù)合風(fēng)扇葉片的-P度、O度、和+P度層片的透視概略圖。
[0015]圖6是具有復(fù)合單向帶翼梁的替代航空燃氣渦輪發(fā)動機復(fù)合風(fēng)扇葉片的透視圖。
[0016]圖7是復(fù)合風(fēng)扇葉片的穿過圖6中的7-7的橫斷面視圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1和圖2中所示的是用于具有復(fù)合翼型件12的高旁路比的風(fēng)扇噴氣式燃氣渦輪發(fā)動機(未示出)的復(fù)合扇葉片10。復(fù)合風(fēng)扇葉片10由絲狀體加強的疊層30構(gòu)成，這些疊層30由絲狀體加強的復(fù)合層片40(圖5中所示)的復(fù)合材料層合件36形成。如在本文中所用，術(shù)語“疊層”及“層片”是同義的。翼型件12包括在展向方向上從風(fēng)扇葉片根部20沿翼展S向外延伸至葉片尖端47的壓力側(cè)41和吸入側(cè)43。在示例性實施例中，根部20包括使風(fēng)扇葉片10能夠安裝至轉(zhuǎn)子盤的、一體的鳩尾榫28。
[0018]本文中所示的示例性的壓力側(cè)41和吸入側(cè)43分別是凹入的和凸起的。翼型件12沿翼弦C在弦向間隔開的前緣LE與后緣TE之間延伸。翼型件12的厚度T在弦向方向C和展向方向S上變化并在葉片10的還被稱之為葉片或翼型件的凸起側(cè)和凹入側(cè)的壓力側(cè)41與吸入側(cè)43之間延伸。翼型件12可安裝在輪轂上并與輪轂成一整體以形成整體葉片轉(zhuǎn)子(IBR)或在開式整體葉盤(BLISK)構(gòu)造中與盤成為一體。
[0019]層片40通常全部由單向纖維絲狀體層片材料、優(yōu)選地由帶構(gòu)成，如它通常指代的一樣，該帶通常按照翼展的順序設(shè)置并用于形成如圖1中所示的復(fù)合翼型件12。層片40實質(zhì)上是形成如在圖1和圖3中所示的葉片10的翼型件12和根部20的那些層片。
[0020]復(fù)合風(fēng)扇葉片10由絲狀體加強的疊層30構(gòu)成，這些疊層30由不同的絲狀體加強的翼型件層片40的復(fù)合材料層合件36形成。葉片10利用絲狀體取向為如圖5中所示的O度、+P度、和-P度的絲狀體加強的疊層或?qū)悠?。角度P是從對應(yīng)于翼型件的大致徑向延伸的軸線的O度開始測量的預(yù)定角度，并且通常為約45度，所述軸線可以是該翼型件的中心線或堆疊線。示例性結(jié)構(gòu)在美國專利N0.4，022, 547中由Stanley更為具體地指出并闡明。
[0021]參照圖1-4，復(fù)合風(fēng)扇葉片10包括由準各向同性的復(fù)合層片52構(gòu)成的芯部50。在翼型件12中，壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56夾置芯部50的弦向延伸部58，所述弦向延伸部58由分別大致在壓力側(cè)41和吸入側(cè)43附近或分別沿壓力側(cè)41和吸入側(cè)43的準各向同性的復(fù)合層片52構(gòu)成。芯部50的弦向延伸部58沿弦向部分延伸穿過翼型件12。芯部50的弦向延伸部58在翼型件12中大致沿弦向居中。本文中所示的弦向延伸部58的示例性實施例沿弦向延伸穿過翼型件12約1/3并且關(guān)于翼型件12的中間大致沿弦向居中。芯部50的準各向同性的復(fù)合層片弦向延伸部58優(yōu)選地限于翼型件12的較厚的橫斷面區(qū)域，其圍繞翼型件12的最大厚度Tmax位置61或關(guān)于翼型件12的最大厚度Tmax位置61居中(如在圖2中所示)，以便是最為有效。對于本文中所示的示例性翼型件，Tmax位置61約為翼型件的位于前緣LE與后緣TE之間沿弦向方向C的中央三分之一。壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56由相對于翼展S的纖維取向為O度的、優(yōu)選地為O度的單向帶層片63 (參見圖5)的堆疊件62構(gòu)成。
[0022]參照圖3和圖4，壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56(及它們由其制成的單向帶層片)沿展向S延伸穿過風(fēng)扇葉片根部20并穿過翼型件12的一部分53至翼梁尖端57。壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56具有從風(fēng)扇葉片根部20至翼梁尖端57測量到的展向高度H，其小于翼型件的翼展S。在本文中所示的復(fù)合風(fēng)扇葉片10的實施例中，壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56 (及它們由其制成的單向帶層片)一直延伸穿過包括鳩尾榫28在內(nèi)的根部20。
[0023]準各向同性的層片芯部50大致包括帶的具有不同纖維取向+P、0、和-P的交替層片。壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56包括纖維取向主要為O度的單向帶層片。示例性葉片層片層合件公開在授予Evans的名為“抗外物損傷的復(fù)合葉片及制造(Foreign ObjectDamage Resistant Composite Blade and Manufacture) ”的美國專利N0.5，375，978 中，該美國專利頒布于1994年12月27日并轉(zhuǎn)讓給本專利的同一受讓人并且以參引的方式結(jié)合在本文中。公開在5，375，978中的層片層合件指的是具有多種層片形狀、纖維取向為O度、+45度、O度、-45度的層片的標準的準各向同性的層合件序列。
[0024]翼梁的堆疊件62包括纖維取向主要為O度的單向帶層片。幾個層片可具有另一纖維取向。示例為一種堆疊件，該堆疊件共有8個層片，在纖維取向分別為+30度和-30度的兩個層片的兩側(cè)各有4個纖維取向為O度的層片。該層片層合件可由0、0、0、0、+30、-30、0、0、0、0表示或指示。
[0025]參照圖1、圖2和圖3，翼梁具有展向高度H、弦向?qū)挾萕、和翼梁厚度TS，該翼梁厚度TS被設(shè)計成在不增大葉片的重量的情況下增大翼型件12的徑向或展向剛度。翼梁還被設(shè)計成或定制成或調(diào)整成避免諸如第一撓曲翼型件模式IF和第二撓曲翼型件模式2F之類的撓曲翼型件模式。展向高度H和翼梁厚度TS被設(shè)計或定制成調(diào)整或避免諸如第一撓曲翼型件模式IF和第二撓曲翼型件模式2F之類的撓曲翼型件模式。纖維取向主要為O度的單向帶層片翼梁顧及了較硬的葉片，而無需增大厚度且不會增大重量、不會導(dǎo)致性能惡化。本文中所示的復(fù)合葉片的示例性實施例是一種風(fēng)扇葉片，但還可將具有準各向同性的層片芯部和由O度單向帶層片63的堆疊件62構(gòu)成的翼梁的復(fù)合葉片用于諸如壓縮機葉片之類的其它燃氣渦輪發(fā)動機葉片。
[0026]本文中所示的復(fù)合葉片10的示例性實施例包括圍繞芯部50的由準各向同性的復(fù)合層片構(gòu)成的一個或多個外部覆蓋層片66以及壓力側(cè)翼梁54和吸入側(cè)翼梁56。前緣金屬護罩68結(jié)合在前緣LE的周圍