带有单向带翼型件翼梁的复合叶片的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及燃气涡轮发动机叶片，并且特别涉及复合叶片。
【背景技术】
[0002]已经研发出用于航空燃气涡轮发动机的复合叶片，该复合叶片由复合在轻型基体中的细长丝状体制成。叶片是轻型的，具有高强度。术语复合已经被定义为包含支承在粘合或基体材料中的诸如纤维或颗粒之类的加强件的材料。许多复合物均用在航空工业中，其包括金属复合物及非金属复合物。用于本文中公开的叶片的复合物由单向带材料和环氧树脂基体构成。对于该复合物和其它适用材料的讨论可见于美国材料信息学会(ASMINTERNAT1NAL)出版的“工程材料手册(Engineering Materials Handbook) ”(1987-1989或新近版本)中。
[0003]本文中公开的复合叶片由非金属型构成，该非金属型由包含嵌置在诸如环氧化物、PMRl5, BM1、无机填料复合材料(PEEU)等之类的树脂材料中的诸如含碳纤维、硅纤维、金属纤维、金属氧化物纤维、或陶瓷纤维之类的纤维的材料构成。纤维在带中单向排列，所述带以树脂浸渍，形成零件形状，并经由高压浸出过程或挤压成形而固化以形成其内具有叠层或层片的轻质的、刚硬的、相对均质的物品。
[0004]已经研发出用于航空燃气涡轮发动机的复合风扇叶片以降低重量和成本，特别是针对大型发动机中的风扇叶片降低重量和成本。大型发动机复合宽翼弦风扇叶片与具有标准翼弦风扇叶片的大型发动机相比提供了显著的重量节省。问题在于，所有的燃气涡轮发动机叶片均面对共振或挠曲模式。用于具有相对宽直径风扇的高旁路比的航空燃气涡轮发动机的大型复合风扇叶片就面临该问题。这对于致使叶片经历第一挠曲翼型件模式和第二挠曲翼型件模式(1F和2F)的频率而言是极为实际的。
[0005]极为期望的是，提供轻型且坚固的航空燃气涡轮发动机风扇叶片，其避免通过或经历谐音(assonance)和挠曲模式并且特别是第一和第二挠曲翼型件模式(1F和2F)。
【发明内容】
[0006]一种燃气涡轮发动机复合风扇叶片(10)包括翼型件(12)，该翼型件(12)具有在展向方向⑶上从叶片(10)的叶片根部(20)沿翼展⑶向外延伸至叶片尖端(47)的压力侧(41)和吸入侧(43)。叶片(10)的芯部(50)包括准各向同性的复合层片(52)，这些层片(52)朝向尖端(47)沿展向向外延伸穿过包括根部(20)和翼型件(12)的叶片(10)。包括由相对于翼展(S)的纤维取向优选地为O度的单向带层片(63)构成的堆叠件(62)的一个或多个翼梁(54、56)朝向尖端(47)沿展向向外延伸穿过根部(20)并穿过翼型件(12)的一部分(53)。
[0007]芯部(50)的弦向延伸部(58)可关于翼型件(12)的最大厚度位置(61)居中。翼梁(54、56)可具有展向高度(H)、弦向宽度(W)、和避免诸如第一挠曲翼型件模式和第二挠曲翼型件模式之类的挠曲翼型件模式的翼梁厚度(TS)。一个或多个翼梁可包括在翼型件(12)中夹置芯部(50)的弦向延伸部(58)的压力侧翼梁(54)和吸入侧翼梁(56)，芯部(50)的弦向延伸部(58)可分别位于压力侧(41)和吸入侧(43)的附近或分别沿压力侧(41)和吸入侧(43)定位。
[0008]在叶片(10)的一个实施例中，一个或多个翼梁包括弦向分离开的上游压力侧翼梁(74)和下游压力侧翼梁(76)以及弦向分离开的上游吸入侧翼梁(78)和下游吸入侧翼梁(80)，压力侧翼梁与吸入侧翼梁在翼型件(12)中夹置芯部(50)的弦向延伸部(58)。
【附图说明】
[0009]在结合附图进行的下列说明中阐明了本发明的前述方面和其它特征，附图中:
[0010]图1是具有复合单向带翼梁的航空燃气涡轮发动机复合风扇叶片的透视图。
[0011]图2是复合风扇叶片的穿过图1中的2-2的横断面视图。
[0012]图3是具有复合单向带翼梁的替代航空燃气涡轮发动机复合风扇叶片的透视概略图。
[0013]图4是图3中所示的复合单向带翼梁的透视概略图。
[0014]图5是图2中所示的复合风扇叶片的-P度、O度、和+P度层片的透视概略图。
[0015]图6是具有复合单向带翼梁的替代航空燃气涡轮发动机复合风扇叶片的透视图。
[0016]图7是复合风扇叶片的穿过图6中的7-7的横断面视图。
【具体实施方式】
[0017]图1和图2中所示的是用于具有复合翼型件12的高旁路比的风扇喷气式燃气涡轮发动机(未示出)的复合扇叶片10。复合风扇叶片10由丝状体加强的叠层30构成，这些叠层30由丝状体加强的复合层片40(图5中所示)的复合材料层合件36形成。如在本文中所用，术语“叠层”及“层片”是同义的。翼型件12包括在展向方向上从风扇叶片根部20沿翼展S向外延伸至叶片尖端47的压力侧41和吸入侧43。在示例性实施例中，根部20包括使风扇叶片10能够安装至转子盘的、一体的鸠尾榫28。
[0018]本文中所示的示例性的压力侧41和吸入侧43分别是凹入的和凸起的。翼型件12沿翼弦C在弦向间隔开的前缘LE与后缘TE之间延伸。翼型件12的厚度T在弦向方向C和展向方向S上变化并在叶片10的还被称之为叶片或翼型件的凸起侧和凹入侧的压力侧41与吸入侧43之间延伸。翼型件12可安装在轮毂上并与轮毂成一整体以形成整体叶片转子(IBR)或在开式整体叶盘(BLISK)构造中与盘成为一体。
[0019]层片40通常全部由单向纤维丝状体层片材料、优选地由带构成，如它通常指代的一样，该带通常按照翼展的顺序设置并用于形成如图1中所示的复合翼型件12。层片40实质上是形成如在图1和图3中所示的叶片10的翼型件12和根部20的那些层片。
[0020]复合风扇叶片10由丝状体加强的叠层30构成，这些叠层30由不同的丝状体加强的翼型件层片40的复合材料层合件36形成。叶片10利用丝状体取向为如图5中所示的O度、+P度、和-P度的丝状体加强的叠层或层片。角度P是从对应于翼型件的大致径向延伸的轴线的O度开始测量的预定角度，并且通常为约45度，所述轴线可以是该翼型件的中心线或堆叠线。示例性结构在美国专利N0.4，022, 547中由Stanley更为具体地指出并阐明。
[0021]参照图1-4，复合风扇叶片10包括由准各向同性的复合层片52构成的芯部50。在翼型件12中，压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56夹置芯部50的弦向延伸部58，所述弦向延伸部58由分别大致在压力侧41和吸入侧43附近或分别沿压力侧41和吸入侧43的准各向同性的复合层片52构成。芯部50的弦向延伸部58沿弦向部分延伸穿过翼型件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的示例性实施例沿弦向延伸穿过翼型件12约1/3并且关于翼型件12的中间大致沿弦向居中。芯部50的准各向同性的复合层片弦向延伸部58优选地限于翼型件12的较厚的横断面区域，其围绕翼型件12的最大厚度Tmax位置61或关于翼型件12的最大厚度Tmax位置61居中(如在图2中所示)，以便是最为有效。对于本文中所示的示例性翼型件，Tmax位置61约为翼型件的位于前缘LE与后缘TE之间沿弦向方向C的中央三分之一。压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56由相对于翼展S的纤维取向为O度的、优选地为O度的单向带层片63 (参见图5)的堆叠件62构成。
[0022]参照图3和图4，压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56(及它们由其制成的单向带层片)沿展向S延伸穿过风扇叶片根部20并穿过翼型件12的一部分53至翼梁尖端57。压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56具有从风扇叶片根部20至翼梁尖端57测量到的展向高度H，其小于翼型件的翼展S。在本文中所示的复合风扇叶片10的实施例中，压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56 (及它们由其制成的单向带层片)一直延伸穿过包括鸠尾榫28在内的根部20。
[0023]准各向同性的层片芯部50大致包括带的具有不同纤维取向+P、0、和-P的交替层片。压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56包括纤维取向主要为O度的单向带层片。示例性叶片层片层合件公开在授予Evans的名为“抗外物损伤的复合叶片及制造(Foreign ObjectDamage Resistant Composite Blade and Manufacture) ”的美国专利N0.5，375，978 中，该美国专利颁布于1994年12月27日并转让给本专利的同一受让人并且以参引的方式结合在本文中。公开在5，375，978中的层片层合件指的是具有多种层片形状、纤维取向为O度、+45度、O度、-45度的层片的标准的准各向同性的层合件序列。
[0024]翼梁的堆叠件62包括纤维取向主要为O度的单向带层片。几个层片可具有另一纤维取向。示例为一种堆叠件，该堆叠件共有8个层片，在纤维取向分别为+30度和-30度的两个层片的两侧各有4个纤维取向为O度的层片。该层片层合件可由0、0、0、0、+30、-30、0、0、0、0表示或指示。
[0025]参照图1、图2和图3，翼梁具有展向高度H、弦向宽度W、和翼梁厚度TS，该翼梁厚度TS被设计成在不增大叶片的重量的情况下增大翼型件12的径向或展向刚度。翼梁还被设计成或定制成或调整成避免诸如第一挠曲翼型件模式IF和第二挠曲翼型件模式2F之类的挠曲翼型件模式。展向高度H和翼梁厚度TS被设计或定制成调整或避免诸如第一挠曲翼型件模式IF和第二挠曲翼型件模式2F之类的挠曲翼型件模式。纤维取向主要为O度的单向带层片翼梁顾及了较硬的叶片，而无需增大厚度且不会增大重量、不会导致性能恶化。本文中所示的复合叶片的示例性实施例是一种风扇叶片，但还可将具有准各向同性的层片芯部和由O度单向带层片63的堆叠件62构成的翼梁的复合叶片用于诸如压缩机叶片之类的其它燃气涡轮发动机叶片。
[0026]本文中所示的复合叶片10的示例性实施例包括围绕芯部50的由准各向同性的复合层片构成的一个或多个外部覆盖层片66以及压力侧翼梁54和吸入侧翼梁56。前缘金属护罩68结合在前缘LE的周围