[发明专利]一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法

说明书

本发明属于航空发动机风扇/压气机转子叶片结构设计领域，特别涉及一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构及其设计方法。所述叶片结构包括叶片本体和榫头；所述叶片本体内设置有中间金属板，并通过中间金属板构成叶片空腔，所述叶片本体的边缘设置有蒙皮，且所述蒙皮与所述中间金属板连接；所述榫头包括第一对榫齿面和第二对榫齿面，所述第一对榫齿面和第二对榫齿面对称设置，且所述第一对榫齿面和第二对榫齿面相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔；所述叶片本体与所述榫头连接，且所述榫头空腔与所述叶片空腔连通。本发明通过去除叶片榫头、伸根段的部分材料，实现了风扇叶片的进一步减重，可提高叶片2％～5％的减重效率。

技术领域

本发明属于航空发动机风扇/压气机转子叶片结构设计领域，特别涉及一种用于航空发动机风扇/压气机转子的叶片结构及其设计方法。

背景技术

航空喷气式发动机工作过程中，外界空气被大量吸入航空发动机中，风扇叶片、多级压气机叶片通过高速旋转，对吸入的空气做功、提高空气的压力。随后，这些高压空气进入燃烧室，与燃料混合、燃烧，获得高温燃气，推动涡轮叶片做功并产生推力。提高进入燃烧室空气的压力可以提高发动机燃油效率，减少风扇/压气机数量可以减低发动机重量，提高发动机推重比。因此，先进航空发动机的压气机均向着提高风扇/压气机级负荷的趋势发展，这意味着发动机风扇/压气机的转速(或叶尖切线速度)必须增加，由于离心载荷与转速的2次方成正比，固风扇/压气机叶片的离心载荷成几何级数增加。此外在离心载荷和气动载荷作用下形成的弯矩也显著增加，这些载荷形成的应力直接由叶片榫头承担，并将至传递到轮盘上。随着叶片级负荷的增加，传统结构形式和结构设计方法导致转子叶片榫头需要承受的应力水平超过材料性能。

降低叶身结构重量是降低转子叶片榫齿面负荷的有效途径之一。在传统实体叶片基础上，应用先进制造工艺去除叶身内部部分材料，在叶片外部形状不变的条件下使得叶片叶身内部为空心结构，降低了叶片的结构重量，常见的空腔结构形式为蒙皮和加强筋组成的复合结构，加强筋又分为H形和W形两种，这些空心结构形式的叶片在外场服役时，内部的空腔处于封闭状态，即内部空腔与外部大气之间没有联通，目的是避免工作时空气中的水分子进入叶片内部结露，使得单个叶片的结构重量发生变化，使得转动部件的不平衡力矩超限。

由于叶身重量降低，产生的离心载荷降低，理论上相应的榫头尺寸可以降低。然而，由于叶片尺寸增加，气动弯矩等效中心点距离榫齿面的距离增加，导致榫头区域承受的气动弯矩增加，需要增加榫头的周向尺寸，然而，气动弯矩产生弯曲应力，特点是弯曲应力沿着中性层反对称分布，意味着只有榫头对称面附近的材料对提高榫头区的抗气动弯矩能力作用不大，要降低榫头区域的弯曲应力需要增加叶片的周向尺寸，导致榫头重量增加。

可以看出，现有技术存在以下技术问题：(1)当前采用超塑成形/扩散连接工艺制造的空心风扇/压气机叶片，去除材料的区域仅在风扇/压气机气动外形区域，而风扇/压气机榫头、申根区仍然是实心结构，对于尺寸空心叶片而言，叶身区材料利用率达到极限状态下，叶片的空心率在45％左右。该条件下榫头、申根区重量为叶片重量的10％～25％，当前技术未能够对榫头、申根区进行空心化，制约了空心叶片空心率的进一步提高。(2)传统空心叶片成形工艺在叶片叶尖位置开了工艺孔，下部为封闭结构，为避免叶片工作过程中空气中的水残留到叶片中，需要采用专用工艺封闭叶尖工艺孔，叶片内部还必须处于真空状态避免气流振荡造成结构失效。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种航空发动机风扇/压气机转子叶片结构，所述叶片结构包括叶片本体和榫头；

所述叶片本体内设置有中间金属板，并通过中间金属板构成叶片空腔，所述叶片本体的边缘设置有蒙皮，且所述蒙皮与所述中间金属板连接；

所述榫头包括第一对榫齿面和第二对榫齿面，所述第一对榫齿面和第二对榫齿面对称设置，且所述第一对榫齿面和第二对榫齿面相对的内侧榫齿面之间设置有榫头空腔；

所述叶片本体与所述榫头连接，且所述榫头空腔与所述叶片空腔连通。