一种航空发动机空心风扇叶片.pdf

本发明属于涡扇发动机风扇叶片领域，涉及一种航空发动机空心风扇叶片。叶片为叶片主体加局部面板的组合式结构，叶片主体包括叶身和完整的榫头，在叶片主体上叶身的一面的中部开出沟槽，叶身的边缘为实心体，局部面板为与叶片主体开槽区的形面相对应的曲面平板，叶片主体的叶身上沟槽的筋条及开槽区的边缘与局部面板焊接，形成空心叶片。本发明与现有钛合金空心风扇叶片制造方案相比，突出的优点就是制造工艺简单，同时叶片使用安全性也得到有效提高。与实心叶片相比，结构重量得到显著降低。

1.  一种航空发动机空心风扇叶片，其特征是，叶片为叶片主体(1)加局部面板(2)的组合式结构，叶片主体(1)包括叶身和完整的榫头(7)，在叶片主体(1)上叶身的一面的中部开出沟槽(4)，叶身的边缘(6)为实心体，局部面板(2)为与叶片主体(1)开槽区(5)的形面相对应的曲面平板，叶片主体(1)的叶身上沟槽(4)的筋条(3)及开槽区(5)的边缘(8)与局部面板(2)焊接，形成空心叶片。

2.  根据权利要求1所述的一种航空发动机空心风扇叶片，其特征是，叶片主体(1)的叶身上开槽区(5)的边缘(8)为斜坡状，局部面板(2)的边缘的形状与开槽区(5)的边缘(8)形状相对应。

3.  根据权利要求1所述的一种航空发动机空心风扇叶片，其特征是，叶身上的开槽区(5)自靠近叶根起呈“V”字形或“抛物线”形逐渐加宽，逐渐过渡到最终宽度。

4.  根据权利要求1所述的一种航空发动机空心风扇叶片，其特征是，开槽区(5)的宽度和沟槽(4)的数量依叶片的强度和重量要求确定，沟槽(4)在开槽区内均匀分布。

5.  根据权利要求1所述的一种航空发动机空心风扇叶片，其特征是，开槽区(5)及需焊接的局部面板可以安排在叶盆一侧，也可安排在叶背一侧。

一种航空发动机空心风扇叶片
技术领域
本发明属于涡扇发动机风扇叶片领域，涉及一种航空发动机空心风扇叶片。
背景技术
高涵道比的涡扇发动机风扇直径较大，一般均大于1.5m，如CFM56系列不同型号发动机风扇直径从1549mm～1836mm，GE90发动机的风扇直径甚至到达3124mm。风扇直径的加大使得风扇叶片尺寸变长，工作时直接带来离心力的加大、同时还存在震动及抗撞击能力等一系列问题。宽弦空心叶片结构成为解决上述问题的最佳技术方案。
高涵道比发动机风扇叶片的特点是长而薄，例如V2500发动机风扇叶片长0.522m，用于波音747的发动机风扇叶片长约0.8～0.9m，而用于波音777的发动机风扇叶片长达1m多。这么长的叶片在工作中很容易产生震动，进而因疲劳而折断。1984年以前，所有高涵道比发动机无一例外地采用了在距叶尖1/3～2/3处增加凸肩的结构，各个叶片的凸肩相互抵紧形成一个加强叶片的环箍。这样增加了叶片的刚性，不仅消除了震动，也提高了抗撞击的能力。然而这种带凸肩的设计也带来了许多新的问题，如叶片加工困难，叶片根部承受的离心负荷加大，凸肩附近叶身产生附加弯曲应力，气流的分离使效率降低等。为解决上述问题发展了宽弦叶片，解决了震动和抗撞击能力，并使风扇的效率提高。但是宽而厚的叶片使重量增加，实心的宽弦叶片显然不适于大型的航空发动机。为此罗-罗公司发展了一种新型宽弦空心叶片，很好地解决了强度、重量、震动等问题。其基本思路就是将钛合金宽弦叶片制成空心的结构，在保证刚度的同时减轻了结构重量。(陈光著，航空发动机结构设计分析，北京航空航天大学出版社，2006.7，北京)
这种空心叶片目前已发展了三种结构，最初的空心叶片采用钎焊钛合金蜂窝夹芯的结构，它的叶盆与叶背分别由两块钛合金锻造和加工而成，中间空腔部分填充钛合金蜂窝，叶盆与叶背及蜂窝结构采用钎焊或TLP扩散焊焊接起来。RB211-535E4发动机、RB211-524G/H、V2500发动机等均采用了这种结构。后来罗-罗公司将这种空心叶片的结构和制造技术进行了改进，将内部夹芯改为波纹状结构，制造工艺采用扩散连接/超塑性成形(SPF/DB)组合工艺。其基本工艺过程为：先将芯部桁条以平板方式(三层板结构)通过扩散连接方法与两面板内面在不同的部位连接起来，然后将它们置于高温的阴阳模中，在两面板间通高压惰性气体在超塑性的状态下向外扩展吹开，贴紧模具，形成叶片。用于波音777的罗-罗公司生产的遄达800发动机就是采用的这种叶片。
普惠公司也发展了钛合金宽弦空心风扇叶片，其技术途径与罗-罗公司不同，采用了两半对开的铣槽扩散连接的结构，如图1。叶片由叶盆(a)和叶背(b)两部分焊接组成，即沿叶片纵向中心线(c)将叶片分为叶盆和叶背部分，两部分均为带有榫头和叶身的半体叶片结构，在其两部分的芯部均铣出一些纵向沟槽，拼合后形成几道空腔，采用扩散焊接的方法将两板焊接起来，最后经整形加工形成带筋的空心结构。
综上所述，不管是罗-罗公司采用的SPF/DB工艺还是普惠公司采用两半对开工艺制造钛合金空心风扇叶片，其制造工艺均非常复杂，如三层板式的SPF/DB工艺控制困难，而且还涉及到叶身与榫头或盘连接问题，两半对开工艺对扩散焊前毛坯加工要求很高，扩散焊需要高精度对中控制，扩散焊后整形工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种加工工艺控制简单、不涉及到叶身与榫头或盘连接问题的一种航空发动机空心风扇叶片。本发明的技术解决方案是：叶片为叶片主体加局部面板的组合式结构，叶片主体包括叶身和完整的榫头，叶片边缘为无需焊接的实心体，在叶片主体上叶身的一面的中部开出沟槽，局部面板为与叶片主体开槽区的形面相对应的曲面平板，叶片主体的叶身上沟槽的筋条及开槽区的边缘与局部面板焊接，形成空心叶片。
叶片主体与局部面板的焊接可以采用扩散焊实现，为避免扩散焊时在开槽区边缘形成缝隙，叶片主体的叶身上开槽区的边缘为斜坡状，局部面板的边缘的形状与开槽区的边缘形状相对应。
为避免在靠近榫头区域形成应力集中，改善靠近叶根处的受力状态，叶身上的开槽区自靠近榫头的叶根起呈“V”字形或“抛物线”形逐渐加宽，逐渐过渡到最终宽度。
开槽区的宽度和沟槽的数量依叶片的强度和重量要求确定，沟槽在开槽区内均匀分布。
开槽区及需焊接的局部面板根据叶片受力情况和工艺安排可以安排在叶盆一侧，也可安排在叶背一侧。
本发明的效果：
本发明与现有钛合金空心风扇叶片制造方案相比，突出的优点就是制造工艺简单，同时叶片使用安全性也得到有效提高。与实心叶片相比，结构重量得到显著降低。
本发明的叶片主体毛坯采用普通锻造工艺即可制造，叶片外形可采用机械加工方法加工得到，沟槽结构可以采用数控机械加工或化学铣削方法加工，与罗-罗公司采用的三层板式SPF/DB工艺相比，本方案避免了难以掌握的叶身SPF/DB成形和叶身与榫头或盘的连接问题。与普惠公司采用的对开式叶片相比，本方案只需加工一个叶片毛坯，而且不需考虑槽格的互相对应关系，加工精度要求大大降低。另外，由于扩散焊焊接面配合简单，叶片可以在主体基本成形后进行面板的扩散焊接，可以避免焊后弯扭成形的复杂工艺。总之，本发明叶片对制造技术要求低，制造工艺简单，可以显著降低空心风扇叶片的制造成本。
另一方面，采用本发明提出方案制造的叶片安全性也得到有效提高。无论是罗-罗公司的SPF/DB方案，还是普惠公司的对开扩散焊方案，叶片均是采用扩散焊技术结合，而本方案也是采用扩散焊技术进行连接的，因此，焊缝强度与现有空心风扇叶片处于同等水平，完全可以满足风扇叶片工作要求。由本方案采用主体叶片加面板的结构，主体框架为一个整体，主要载荷均由整体的主体框架承担，提高了叶片的可靠性。同时，本方案避免了罗-罗公司的SPF/DB方案难以回避的叶身与榫头或叶身与风扇盘的焊接连接问题，从而避免了在关键受力部位进行焊接连接的技术风险。本发明的以“V”字型或抛物线形逐渐引入空心结构的结构设计思想保证了受力苛刻部位(靠近根部)为承力面积大、组织结构连续的整体结构，逐步引入空心结构的结构设计避免了应力集中，可以保证叶片具有优良的抗疲劳特性。因此本发明提出方案制造的叶片安全性得到提高。
附图说明
图1为现有空心风扇叶片截面结构示意图；
图2为叶片零件结构示意图；
图3为叶片组合焊接示意图；
图4为组合焊接后叶片外形示意图；
图5为组合焊接后叶片截面示意图；
图6为不合理开槽区域结构安排示意图；
图7为面板安排在叶背一侧时叶片截面示意图；
图8为焊接面延伸余量安排示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明。结构设计上采用主体叶片1加工出减重开槽区5，然后采用扩散焊技术焊接上局部面板2，最后形成整体空心叶片的结构。叶片结构示意图见图2，叶片毛坯由两部分组成，叶片主体1和局部面板2。叶片主体部分1采用锻造工艺先锻造出叶片整体毛坯，整体毛坯基本与实心叶片结构相同，然后从叶盆(或叶背)一侧加工出若干减重沟槽4，并留有足够多的栅格筋条3。沿开槽区域5周边及栅格筋条加工去除等于局部面板的厚度的深度，形成相对叶片最终轮廓的凹下区域，以便焊入形状与之吻合的局部面板2。局部面板2为薄板结构，经成形加工形成与叶片主体1的开槽区域相吻合的形状。将局部面板2采用真空扩散焊技术与叶片主体1焊接为一体，如图3。局部面板与叶片主体开槽区边缘8以及所有筋条3所有接触表面形成良好扩散结合，减重沟槽4形成空心叶片的空心腔体，栅格筋条3形成叶片的加强筋条，经最终整形加工后形成完整空心风扇叶片结构，如图4。图5为形成空心风扇叶片的横向剖面图，其中加工有槽格的叶片主体1与局部面板2沿扩散焊结合界面9扩散焊结合。
为避免叶片使用过程中沿局部面板与叶片主体叶身结合部位的出现断裂，叶片结构设计时应避免将靠近叶根部位突然引入空心结构(如图6)，而是采用图2中所示的“V”字型或抛物线形等圆弧状逐渐引入减轻空心结构的概念，这样可以避免图6结构中叶根附近突然引入空心结构位置产生应力集中。同时开槽区5的边缘8采用斜面结构以增大连接面积，从而使叶片安全性进一步提高。
视结构及受力情况需要，需要扩散焊的局部面板可以安排在叶盆一侧(如图2、图4)，也可以安排在叶背一侧，如图7。
叶片的制造主要分为毛坯制造、焊前毛坯加工、扩散焊、焊后加工等几个工艺环节。首先进行叶片主体毛坯制造和局部面板成形；然后将叶片主体毛坯初步加工出整体外形和开槽区沟槽和栅格筋条；采用扩散焊将叶片主体和局部面板焊接起来，最后对叶片进行最终外形加工修整。
叶片主体毛坯制造采用锻造工艺完成，采用精密模锻、等温锻造等工艺措施加工出叶片的基本外形，工艺途径与简单结构的实心叶片毛坯制造类似。然后是叶片主体毛坯焊前加工，采用多坐标的数控机床或采用化铣方法加工，叶片外形稍留余量，扩散焊焊接面加工到位。面板的成形以板材为原料，在加温的条件下经模具成形得到面板形状，也可采用机械加工对面板进行精密加工。然后是主体与面板的扩散焊接。扩散焊可以在真空扩散焊炉内完成，由整体或分体的模具保证叶片外形和焊接部位的可靠施压，在加温和加压的条件下完成扩散焊接。最后对叶片进行精密加工得到叶片最终外形。
扩散焊是本方案能否成功制造风扇叶片的关键工序，为保证扩散焊后面板与主体间不留下缝隙或结合薄弱部位，需采用如下工艺措施：1)在结构设计上将开槽区连接面边缘部位设计为斜坡的结构，以保证接缝引出区域可以得到可靠加压；2)在叶片主体及局部面板连接面边缘部位设置工艺延伸区10、11，扩散焊时保证斜坡及延伸区域均焊接良好(如图8中虚线部分)；3)扩散焊后将工艺延伸区加工去除，得到面板的无缝高质量连接结合。除采用扩散焊技术外，面板边缘与叶片主体的连接也可以考虑采用电子束或激光对边缘进行封焊，甚至采用采用激光束、电子束等熔焊技术穿透面板完成面板与主体加强筋条的连接。
实施例一
叶片结构如图所示2，靠近叶根处加工沟槽的开槽区逐步引入，呈抛物线形状，边缘采用斜坡结构并留有结合面延伸余量。叶片材料为TC4钛合金，叶片主体原材料采用棒材，局部面板材料采用板材。叶片主体毛坯采用等温锻造工艺制造，经三道模具成形，获得最终叶片弯扭型面。采用精密数控机床进行非焊接面叶片型面加工，稍留余量；采用化学铣削方法进行减重沟槽的加工，然后采用数控机床对焊接面进行精密加工。局部面板采用板材经高温拉伸成形，采用机械加工工艺补充加工至与叶片主体焊接面相吻合，并留出工艺延伸余量。采用真空扩散焊对局部面板和叶片主体进行扩散焊连接。无需焊接的叶身一面采用高温合金整体成型模具，需焊接面板一侧采用分体成型模具，分别施压，采用限位装置防止叶片的过分加压变形。最后采用机械加工将多余工艺延伸结构去除，经对叶形的精密加工后形成最终风扇叶片。