在头部处具有零二面角的风扇叶片的制作方法

1.本发明总体涉及涡轮机的领域，更特别地，涉及这些涡轮机的风扇叶片及风扇叶片的制造方法的领域。
2.本发明更特别地应用于由复合材料制成的风扇叶片以及风扇叶片与主流道的入口的相互作用。


背景技术：

3.涡轮机叶片(特别是风扇叶片)承受高的机械应力和热应力，并且必须满足重量和体积的严格条件。因此，已经提出使用包括由复合材料制成的空气动力学翼型件的叶片，该复合材料包括由聚合物基体致密化的纤维增强体，这种叶片与具有同等推进特性的金属叶片相比更轻，并且具有令人满意的耐热性。
4.为了对叶片进行加强并保护叶片(特别是在来自摄入到涡轮机中的元件(例如鸟类)的冲击的情况下)，由复合材料制成的叶片通常包括金属护罩，金属护罩被施加并附接到叶片的前缘。护罩以本身已知的方式包括实心鼻部和两个翅部，实心鼻部被构造成面对叶片的前缘，两个翅部被构造成覆盖叶片的压力侧壁和吸力侧壁的一部分。
5.在发动机的认证和寿命期间，风扇叶片遭受到鸟类和冰雹的摄入的影响。然而，根据撞击叶片的物体的类型(特别是物体的尺寸、质量)和风扇的类型(叶片的旋转速度和数量)，损坏的引发及传播的优选区域是不同的。因此，在叶片设计阶段期间对风扇叶片的机械性能进行优化，以符合认证规则。
6.特别地，在大直径的风扇(例如具有非常高的涵道比(超高涵道比，ultra high bypass ratio，uhbr)的、包括最多20个风扇叶片的涡轮机风扇)的情况下，在摄入中等尺寸的鸟类(中等鸟类)期间，在叶片尖端处可能出现损坏，并且护罩的吸力侧翅部可能转向(retourner)并局部地阻挡空气动力学流。然而，这种类型的流阻挡会导致涡轮机所能达到的推力减小。然而，目前在安全问题上的要求是即使有物体撞击，涡轮机必须能够提供涡轮机的起飞推力的75％。
7.因此，已经提出减小翅部的长度，以在吸力侧翅部转向的情况下减小阻挡空气动力学流的表面积。然而，在摄入中等尺寸的鸟类期间，翅部的下游边缘有挤压叶片的复合材料结构的趋势，因此叶片有劣化的趋势。为了限制这种挤压，因此优选地增大翅部的长度，使得翅部的边缘被定位成面对复合材料结构的较厚的部分。然而，这涉及在翅部转向的情况下阻挡空气动力学流的表面积的增大。


技术实现要素：

8.本发明的一个目的是提出一种风扇叶片和涡轮机风扇，特别是包括至多二十个风扇叶片的大直径风扇，这保证风扇即使受到中等尺寸的鸟类的撞击，也能够提供风扇的起飞推力的至少75％。
9.本发明的另一目的是提出一种风扇叶片和涡轮机风扇，特别是包括至多二十个风
扇叶片的大直径风扇，这些风扇叶片具有优化的航空动力学折衷。
10.为此，根据本发明的第一方面，提出了一种涡轮机风扇叶片，该涡轮机风扇叶片包括：
[0011]-由复合材料构成的结构部，所述复合材料包括通过三维编织获得的纤维增强体以及基体，纤维增强体嵌入在基体中，复合材料结构部包括翼型件、根部以及支撑部，翼型件具有能够在空气流中延伸的空气动力学轮廓，翼型件包括前缘和后缘，根部被构造成附接到风扇盘，支撑部在根部与翼型件之间延伸，翼型件沿着堆叠轴线在支撑部与翼型件的顶部之间具有预定高度；以及
[0012]-金属护罩，金属护罩被施加并附接到翼型件的前缘，金属护罩包括被附接到前缘的鼻部。
[0013]
此外，叶片的弦在正交于堆叠轴线的平面中被限定在护罩的鼻部的上游端部与后缘之间，并且在叶片的部分上，在叶片的弦的至少一个预定义点处测量的二面角大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
，该部分从位于距支撑部一预定距离处的下界限延伸至翼型件的顶部，预定距离至少等于预定高度的80％，预定义点在护罩的鼻部的上游端部处位于所述叶片的弦上。
[0014]
根据第一方面的风扇叶片的一些优选的但非限制性的特性如下，这些特征被单独地采用或组合地采用：
[0015]-护罩的鼻部和翅部一起界定了容纳翼型件的前缘的空腔，并且弦的预定义点位于空腔内；
[0016]-在叶片的该部分内，二面角在叶片弦的多个预定义点处大于或等于-3
°
[0017]
且小于或等于0
°
；
[0018]-在该部分内，二面角在至少等于预定高度的10％的距离上、优选地在至少等于预定高度的15％的距离上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
；
[0019]-在该部分内，二面角在该部分15的整个高度上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
；
[0020]-在该部分内，二面角沿着堆叠轴线在等于翼型件的高度的10％的距离上的变化至多等于3
°
；
[0021]-在该部分内，二面角大于或等于-2
°
且小于或等于0
°
，优选地，二面角大于或等于-1
°
且小于或等于0
°
；和/或
[0022]-翅部在大于或等于翼型件的弦长的15％且小于或等于翼型件的弦长的25％的长度上延伸。
[0023]
根据第二方面，本发明提出了一种风扇，该风扇用于涡轮机，该风扇包括多个根据第一方面的风扇叶片。
[0024]
可选地，该风扇包括至多二十个风扇叶片，和/或该风扇的外直径介于八十英寸至一百英寸之间，优选地介于八十英寸至九十英寸之间。
[0025]
根据第三方面，本发明提出了一种涡轮机，该涡轮机包括根据第二方面的风扇。
[0026]
可选地，涡轮机的涵道比大于或等于10，例如介于10至80之间包括端值。
[0027]
根据第四方面，本发明提出了一种飞行器，该飞行器包括至少一个根据第三方面的涡轮机。
附图说明
[0028]
通过纯说明性的且非限制性的并且必须参照附图来阅读的以下描述，本发明的其它特征、目的以及优点将显现，在附图中：
[0029]
图1示意性地示出了根据本发明的第一实施例的叶片。
[0030]
图2是根据本发明的一个实施例的叶片的从上游观察的局部截面视图。
[0031]
图3是以沿着与风扇的旋转轴线垂直的平面的截面示出的风扇转子的示意图，该风扇转子包括根据本发明的一个实施例的叶片。
[0032]
图4是根据本发明的一个实施例的叶片沿着如下的平面的截面视图，该平面一方面平行于风扇的旋转轴线，另一方面垂直于叶片径向延伸的方向。
[0033]
图5是具有根据本发明的叶片的风扇转子的示意性透视图。
[0034]
图6是包括风扇的飞行器的示意图，该风扇设置有根据本发明的叶片。
[0035]
在所有附图中，相似的元件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
[0036]
在本技术中，上游和下游是相对于在风扇1中气体穿过涡轮机的常规流动方向来限定的。此外，风扇1的径向对称轴线x被称为涡轮机风扇1的旋转轴线。轴向方向对应于风扇1的轴线x的方向，径向方向是垂直于该轴线并穿过该轴线的方向。最后，内和外分别参照径向方向使用，使得元件的内部分或内表面比同一元件的外部分或外表面更接近轴线x。
[0037]
涡轮机风扇1包括风扇盘2，该风扇盘承载多个风扇叶片3，如果必要的话多个风扇叶片与内叶片平台相关联。
[0038]
以优选的方式，本发明应用于在具有非常高的涵道比的涡轮机(即在该涡轮机中，涵道比大于或等于10，例如介于10至80之间包括端值，更确切地例如为12或14或20，或大于20)中的、包括至多二十个叶片3的风扇。为了计算涵道比，当涡轮机在标准大气(由国际民用航空组织(organisation de l'aviation civile internationale，oaci)，文件7488/3第3版所限定的)中和海平面处在起飞功率下静止时，测量次级流的流量和主流的流量。
[0039]
每个叶片3包括由复合材料制成的结构部，该复合材料包括通过三维编织获得的纤维增强体4以及基体，纤维增强体4嵌入在基体中。该复合材料结构部包括根部5、支撑部6以及具有空气动力学轮廓的翼型件7。根部5旨在使得叶片能够附接到风扇盘2，并且根部为此在形成在盘2中的凹部的底部与凹部的支承表面的出口之间延伸。翼型件7就其本身而言具有空气动力学轮廓，该空气动力学轮廓在涡轮机运行时能够被布置在空气流中以产生升力。最后，支撑部6对应于翼型件7的在根部5与翼型件7之间延伸(即，在盘2的支承表面的出口与叶片间平台之间延伸)的区域。
[0040]
以本身已知的方式，翼型件7还包括前缘8、后缘9、压力侧壁以及吸力侧壁。前缘8被构造成面对进入涡轮机的气体流延伸。前缘对应于空气动力学轮廓的前部分，前部分面对空气流并且将空气流分成压力侧流和吸力侧流。后缘9就其本身而言对应于空气动力学轮廓的后部分，在后部分处，压力侧流和吸力侧流重新汇合。
[0041]
叶片3还包括金属护罩12，该金属护罩被施加并附接到翼型件的前缘8。以本身已知的方式，护罩12包括实心鼻部13、压力侧翅部14以及吸力侧翅部14，实心鼻部被附接到前缘8，压力侧翅部和吸力侧翅部分别推压并附接到翼型件7的压力侧壁和吸力侧壁。护罩12
特别地可以通过胶合来附接。护罩12可以例如由钛合金制成。
[0042]
最后，该结构部由从根部5朝向顶部11沿着堆叠轴线z堆叠的多个叶片3截面层形成，堆叠轴线相对于风扇1的旋转轴线x径向地延伸。因此，叶片的切向堆叠规则对应于叶片的每个截面层的重心在正交于堆叠轴线z的平面中相对于该堆叠轴线z的位置。
[0043]
更确切地，翼型件7的截面层的堆叠可以由掠角和二面角限定。这些角度测量了在分别在径向和轴向平面中以及与涡轮机的旋转方向相切的轴向平面中投影中的叶片与流之间的方向差。关于掠角和二面角d的更完整定义，可以特别参考l.h.smith等人的文献“轴流式涡轮机械中的掠角和二面角效应(sweep and dihedral effects in axial-flow turbomachinery)”，1963年9月，基础工程期刊(journal of basic engineering)，401-414。
[0044]
如果流是纯轴向的(在机器的入口处的总体情况)，并且如果例如固定叶片装置被认为在其高度上具有恒定的桨距，则掠角表示叶片在轴向方向上的倾斜，二面角d表示叶片在切向方向上的倾斜。掠角的负号表示在上游方向上的倾斜，正号表示在下游方向上的倾斜；二面角d的负号表示朝向压力侧的倾斜，正号表示朝向吸力侧的倾斜。倾斜是基于径向向外方向来限定的。
[0045]
在下文中，沿着堆叠轴线z的距离将被限定为“高度”。
[0046]
因此，翼型件7具有预定高度h，预定高度对应于沿着堆叠轴线z在翼型件的下界限10(在与支撑部6的交界部处)与翼型件的顶部11之间的距离。翼型件7的预定高度h例如可以在叶片7的前缘8与下界限10之间的交界部处测量。
[0047]
叶片3还具有弦(虚拟直线段)，弦在正交于堆叠轴线z的平面中被限定在护罩12的鼻部13的上游端部13a与后缘9之间。实际上，鼻部13的上游端部13a对应于叶片3的前缘，即护罩12的上游部分，护罩的上游部分实际上将空气流分成压力侧流和吸力侧流。翼型件7的前缘8就其本身而言在护罩12内面对鼻部13延伸，与鼻部的上游端部13a连续。
[0048]
为了提高风扇叶片3对冲击(特别是中等尺寸的鸟类)的抵抗力，在叶片3的部分15内，在叶片3弦的至少一个预定义点处测量的二面角d(在图3和图4中示意性地示出)大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
，叶片的该部分15从位于距支撑部6预定距离处的下界限16延伸到翼型件7的顶部11，该预定距离至少等于预定高度h的80％。在一个实施例中，在该部分15内，二面角d在至少等于预定高度的10％的距离上、优选地在至少等于预定高度的15％的距离上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。在一个实施例中，二面角d在部分15的整个高度上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
：换言之，在该实施例中，在部分15的整个高度上(在高度h的80％至100％之间)，二面角d在叶片3的每个截面层上(即在每个弦c的至少一个预定义点p处)大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。
[0049]
以这种方式，在吸力侧翅部14分离的情况下，叶片3在该部分15处的形状在离心力的影响下具有将吸力侧翅部14压靠在翼型件7的吸力侧壁上的趋势。实际上，在叶片3的该部分15中，叶片3朝向压力侧略微倾斜，这抵消了施加到吸力侧壁的离心力。
[0050]
优选地，弦的测量二面角d所在的点位于护罩12内，即位于护罩12的容纳前缘的空腔内，并且该空腔由护罩12的鼻部13和翅部14界定。
[0051]
作为变型，弦的点可以延伸到护罩12的鼻部13的上游端部13a，即在叶片3的前缘处。弦的点的该位置具有简化在部分15处的二面角d的测量和检查的优点，同时仍然保证叶
片3的部分15朝向压力侧略微倾斜并且避免翅部14的反转。
[0052]
在一个实施例中，在叶片3的该部分15内，二面角d在弦的多个点处大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。
[0053]
在一个实施例中，在叶片3的该部分15中，二面角d最接近0
°
，同时仍然保持为负数。因此，在一个实施例中，优选地，二面角d大于或等于-2
°
，通常大于或等于-1
°
，并且小于或等于0
°
。
[0054]
由于叶片3在该部分15中的构型，与现有技术相比，护罩12的压力侧翅部和吸力侧翅部14可以加长，从而降低在摄入的情况下挤压纤维增强体4的风险(纤维增强体在距前缘8一距离处更厚)。通常，至少在该部分15处并且在该部分15的整个长度上，压力侧翅部和吸力侧翅部14在如下的长度上延伸，该长度大于或等于翼型件的弦的长度的15％且小于或等于翼型件的弦的长度的25％。在此应当理解，翼型件的弦是在正交于堆叠轴线z的平面中连接前缘8和后缘7的线段。应该理解，弦长度是该线段的长度。在此应当理解，翅部14的长度是该翅部在正交于轴线z的平面中在弦上的投影。
[0055]
在一个实施例中，风扇1的外直径介于八十英寸(203.2厘米)至一百英寸(254.0厘米)之间，优选地介于八十英寸(203.2厘米)至九十英寸(228.6厘米)之间。
[0056]
纤维增强体4可以由一体件的纤维预制件形成，该纤维预制件通过三维编织或多层编织获得并且具有变化的厚度。纤维增强体包括经线和纬线，特别地，经线和纬线可以包括碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维和/或芳纶纤维。基体就其本身而言通常为聚合物基体，例如环氧树脂、双马来酰亚胺或者聚酰胺。因此，叶片3通过树脂转移模塑(resin transfer molding，rtm)或真空树脂转移模塑(vacuum resin transfer molding，varrtm)类型的树脂真空注射方法由模塑来形成。

技术特征：
1.一种涡轮机风扇(1)叶片(3)，所述涡轮机风扇叶片包括：由复合材料构成的结构部，所述复合材料包括通过三维编织获得的纤维增强体(4)以及基体，所述纤维增强体(4)嵌入在所述基体中，所述复合材料结构部包括翼型件(7)、根部(5)以及支撑部(6)，所述翼型件具有能够在空气流中延伸的空气动力学轮廓，所述翼型件包括前缘(8)和后缘(9)，所述根部被构造成附接到风扇(1)盘(2)，所述支撑部在所述根部(5)与所述翼型件(7)之间延伸，所述翼型件(7)在所述支撑部(6)与所述翼型件(7)的顶部(11)之间沿着堆叠轴线(z)具有预定高度(h)；以及金属护罩(12)，所述金属护罩被施加并附接到所述翼型件(7)的前缘(8)，所述金属护罩(12)包括被附接到所述前缘(8)的鼻部(13)；所述叶片(3)的弦在正交于所述堆叠轴线(z)的平面中被限定在所述护罩(12)的鼻部(13)的上游端部(13a)与所述后缘(9)之间；所述风扇(1)叶片(3)的特征在于，在所述翼型件(7)的部分(15)上，在所述叶片(3)的弦的至少一个预定义点处测量的二面角(d)大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
，所述部分从位于距所述支撑部(6)一预定距离(d)处的下界限(16)延伸至所述翼型件(7)的顶部(11)，所述预定距离至少等于所述预定高度(h)的80％，所述预定义点在所述护罩(12)的鼻部(13)的上游端部(13a)处位于所述叶片(3)的弦上。2.根据权利要求1所述的风扇(1)叶片(3)，其中，所述护罩(12)的鼻部(13)和翅部(14)一起界定了容纳所述翼型件的前缘(8)的空腔，并且所述弦的预定义点位于所述空腔内。3.根据权利要求1或2所述的叶片(3)，其中，在所述叶片(7)的所述部分(15)内，所述二面角(d)在所述叶片(3)的弦的多个预定义点处大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。4.根据权利要求1至3中任一项所述的叶片(3)，其中，在所述部分(15)内，所述二面角(d)在至少等于所述预定高度的10％的距离上、优选地在至少等于所述预定高度的15％的距离上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。5.根据权利要求1至4中任一项所述的叶片(3)，其中，在所述部分(15)内，所述二面角(d)在所述部分15的整个高度上大于或等于-3
°
且小于或等于0
°
。6.根据权利要求1至5中任一项所述的叶片(3)，其中，在所述部分(15)内，所述二面角(d)沿着所述堆叠轴线在等于所述翼型件(7)的高度(h)的10％的距离上的变化至多等于3
°
。7.根据权利要求1至6中任一项所述的风扇(1)叶片(3)，其中，在所述部分(15)内，所述二面角(d)大于或等于-2
°
且小于或等于0
°
，优选地，所述二面角大于或等于-1
°
且小于或等于0
°
。8.根据权利要求1至7中任一项所述的风扇(1)叶片(3)，其中，所述翅部(14)在大于或等于所述翼型件(7)的弦长的15％且小于或等于所述翼型件的弦长的25％的长度上延伸。9.一种风扇(1)，所述风扇用于涡轮机，所述风扇包括多个根据权利要求1至8中任一项所述的风扇(1)叶片(3)。10.根据权利要求9所述的风扇(1)，所述风扇包括至多二十个风扇(1)叶片(3)。11.根据权利要求9或10所述的风扇(1)，所述风扇的风扇(1)外直径介于八十英寸(203.2厘米)至一百英寸(254.0厘米)之间，优选地介于八十英寸(203.2厘米)至九十英寸(228.6厘米)之间。
12.一种涡轮机(17)，所述涡轮机包括根据权利要求9至11中任一项所述的风扇(1)。13.根据权利要求12所述的涡轮机(17)，所述涡轮机的涵道比大于或等于10，例如介于10至80之间，包括端值。14.一种飞行器，所述飞行器包括至少一个根据权利要求12至13中任一项所述的涡轮机。

技术总结
本发明涉及涡轮机的风扇(1)的由复合材料制成的叶片(3)。在叶片(7)的部分(15)上，在叶片(3)的弦上的至少一个预定义点处测量的二面角(D)大于或等于-3


技术研发人员：纪尧姆
受保护的技术使用者：赛峰飞机发动机公司
技术研发日：2021.10.19
技术公布日：2023/6/28