风扇叶片的制作方法

1.本发明涉及一种风扇叶片。


背景技术：

2.大涵道比涡扇发动机具有耗油率低、起飞推力大、噪声低、迎风面积大等特点，被民用运输机广泛采用。大尺寸、轻质风扇叶片是大涵道比涡扇发动机关键零件之一。
3.带金属加强边和包边的复合材料叶片是目前国际上成功应用于航空发动机的轻质大涵道比风扇叶片的方案之一。如果用等效空心率(实际叶片重量/相同尺寸的实心钛合金叶片重量)来衡量轻质风扇叶片的减重效果，有些复合材料叶片已实现了60％以上等效空心率的减重。由于有更好的减重效果，包含复合材料的风扇叶片，已成为各大发动机公司轻质大涵道比风扇叶片发展的主流。
4.目前使用的包含复合材料的风扇叶片主要都是由同一种碳纤维材料编织而成。发明人分析认为，碳纤维材料弹性模量大，破坏应变(也称之为，失效应变)小，在风扇叶片承受鸟撞冲击载荷时，风扇叶片发生较大的弯曲变形，叶片上下表面变形较大，容易造成风扇叶片表面的应变过大，产生裂纹，进一步使风扇叶片发生破坏和断裂。
5.另外，发明人认为，对于由同一种碳纤维材料编织而成的风扇叶片，很难根据需要调整风扇叶片局部的韧性和刚度，例如，不同厚度位置和叶身位置。
6.因此，本发明想要提供一种风扇叶片，可以提高风扇叶片的抗冲击性能，或者，可以调节风扇叶片的韧性和刚度。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种风扇叶片，可以提高风扇叶片的抗冲击性能，同时调节风扇叶片的刚度。
8.本发明的另一目的是提供一种风扇叶片，可以调节风扇叶片的韧性和刚度，进而调整风扇叶片的固有频率和振型。
9.本发明提供一种风扇叶片，具有厚度方向、展向和弦向，所述风扇叶片包括由复合材料制成的复材体，所述复材体沿弦向的至少一部分为混合复材体，所述混合复材体提供所述风扇叶片的至少部分叶根以及至少部分叶顶，所述混合复材体沿展向从叶根侧到叶顶侧厚度逐级减小，所述混合复材体沿厚度方向包括：中心碳纤维层，从叶根侧延伸到叶顶侧；第一非碳纤维层和第二非碳纤维层，在所述中心碳纤维层的两侧分别布置，提供所述至少部分叶顶的外轮廓；第一碳纤维层，布置在所述第一非碳纤维层的与所述中心碳纤维层所在一侧相反的另一侧；第二碳纤维层，布置在所述第二非碳纤维层的与所述中心碳纤维层所在一侧相反的另一侧；其中，所述第一碳纤维层和所述第二碳纤维层提供所述至少部分叶根的外轮廓；并且所述第一非碳纤维层和所述第二非碳纤维层均包含非碳纤维，所述中心碳纤维层、所述第一碳纤维层和所述第二碳纤维层由碳纤维构成，所述非碳纤维的韧性比所述碳纤维的韧性大。
10.在一个实施方式中，所述混合复材体由沿弦向延伸的纬向纤维和沿展向延伸的经向纤维编织而成。
11.在一个实施方式中，每根所述经向纤维从所述叶根侧一直延伸到所述混合复材体远离所述叶根侧的端部。
12.在一个实施方式中，所述第一非碳纤维层和所述第二非碳纤维层中，以经向非碳纤维作为所述经向纤维；每根所述经向非碳纤维从所述叶根侧一直延伸到所述混合复材体远离所述叶根侧的端部，并且所述经向非碳纤维的展向长度从厚度方向上的外侧向内侧逐级增加。
13.在一个实施方式中，在垂直于弦向的弦向截面上，所述第一碳纤维层和所述第一非碳纤维层相对于所述中心碳纤维层分别与所述第二碳纤维层和所述第二非碳纤维层对称地布置。
14.在一个实施方式中，所述第一碳纤维层和所述第二碳纤维层的展向长度皆占所述混合复材体的展向长度的20％-40％。
15.在一个实施方式中，所述第一碳纤维层和所述第二碳纤维层的厚度分别占所述混合复材体的厚度的20％-30％；所述中心碳纤维层的厚度占所述混合复材体的厚度的10％-20％。
16.在一个实施方式中，所述非碳纤维是聚酰亚胺。
17.在一个实施方式中，所述复材体整个为所述混合复材体。
18.在一个实施方式中，所述风扇叶片还包括由金属材料制成金属体，所述金属体与所述复材体结合，构成所述风扇叶片，其中，所述金属体提供所述风扇叶片的前缘，而所述复材体提供所述风扇叶片的后缘。
19.上述风扇叶片中，采用了韧性更大的非碳纤维材料和碳纤维材料混合构成风扇叶片的复材体，可以增加风扇叶片的韧性，提高抗冲击的能力。特别地，风扇叶片在厚度方向的中心区域以及在叶根侧的叶根区域的外表面采用碳纤维材料而在叶顶侧的叶顶区域的外表面采用非碳纤维材料，可以在增加叶片的抗冲击性能的同时满足叶片强度和刚度要求。
20.通过改变混合复材体的内部结构以及混合复材体沿弦向的设置位置，局部增加韧性或调节刚度，可以调节风扇叶片的韧性和刚度，进而调节风扇叶片的固有频率和振型。
附图说明
21.本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
22.图1是风扇叶片的总体示意图。
23.图2是沿图1中线a-a截取的截面图。
24.图3是图2中的区域b1的局部放大图。
25.图4是复材体沿弦向的局部区域混编的示意图。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更
多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施方式的内容限制本发明的保护范围。
27.例如，在说明书中随后记载的第一特征在第二特征上方或者上面形成，可以包括第一特征和第二特征通过直接联系的方式形成的实施方式，也可包括在第一特征和第二特征之间形成附加特征的实施方式，从而第一特征和第二特征之间可以不直接联系。进一步地，当第一元件是用与第二元件相连或结合的方式描述的，该说明包括第一元件和第二元件直接相连或彼此结合的实施方式，也包括采用一个或多个其他介入元件加入使第一元件和第二元件间接地相连或彼此结合。
28.风扇叶片10具有展向d1、弦向d2和厚度方向d3(图2中示出)。图1示出了风扇叶片10垂直于厚度方向d3的示意图，图2则示出了沿图1中线a-a截取的截面图。展向d1意指大致在风扇叶片10的叶根(或，榫头)11和叶顶(或，叶尖)12之间延伸的方向。弦向d2意指大致在风扇叶片10的前缘点p1和后缘点(或，尾缘点)p2之间延伸的方向。厚度方向d3大致垂直于弦向d2。需要理解，方向的定义仅意在便于理解、描述风扇叶片10的结构，“大致”例如可以包括
±
10
°
左右的偏差量。风扇叶片10可以通过作为榫头的叶根11插入相应的榫槽中而固定于例如转子。需要理解，附图均仅作为示例，并非按照等比例的条件绘制，不应以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。还需要理解，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，也可以存在一个或多个介于其间的层。
29.风扇叶片10包括由复合材料制成的复材体1。例如，图1所示的实施方式中，整个风扇叶片10主要由金属材料和复合材料两种材料构成，或者，风扇叶片10还包括由金属材料制成的金属体2，金属体2与复材体1结合，例如通过共固化成型而结合在一起，从而构成风扇叶片10。金属体2提供风扇叶片10的前缘13，而复材体1提供后缘14，图中，叶身15也主要由复材体1提供。图中，白色区域代表金属材料，阴影区域代表复合材料。叶根11和叶顶12的一部分由复材体1提供，另一部分由金属体2提供。
30.复材体1沿弦向d2的至少一部分可以为混合复材体6，下面会详细描述混合复材体6的示例构造。参见图1，风扇叶片10的复材体1可以整个为混合复材体6，换言之，混合复材体6可以沿弦向d2从风扇叶片的后缘14朝向前缘13一直延伸，在图1中包括金属体2的情况下，一直延伸到与提供前缘13的金属体2结合，从而构成风扇叶片10的整个复材体1。而参见图4，风扇叶片10的复材体1可以仅在沿弦向d2的两个离散位置分别包括一个混合复材体6。
31.复材体1的混合复材体6(图1中，整个复材体1)提供风扇叶片10的至少部分叶根11以及至少部分叶顶12。
32.参见图2，混合复材体6沿展向d1从叶根11侧到叶顶12侧厚度逐级减小。如图2所示，叶根11侧的根侧厚度t11大于叶顶12侧的顶侧厚度t12。
33.混合复材体6沿厚度方向d3包括中心碳纤维层3、第一非碳纤维层41、第二非碳纤维层42、第一碳纤维层51和第二碳纤维层52。第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42(可以统称为非碳纤维层)均包含非碳纤维，例如由非碳纤维构成，而碳纤维层(包括中心碳纤维层3、第一碳纤维层51和第二碳纤维层52)由碳纤维构成。混合复材体6可以是由碳纤维和非碳纤维混编而成的混编结构。
34.中心碳纤维层3从叶根11侧一直延伸到叶顶12侧。
35.第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42在中心碳纤维层3(沿厚度方向d3)的两侧分别布置，提供前述混合复材体6提供的至少部分叶顶12的外轮廓。
36.第一碳纤维层51布置在第一非碳纤维层41的与中心碳纤维层5所在一侧相反的另一侧。换言之，中心碳纤维层5在厚度方向d3上布置于第一非碳纤维层41的内侧，而第一碳纤维层51布置于第一非碳纤维层41的外侧。第二碳纤维层52布置在第二非碳纤维层42的与中心碳纤维层5所在一侧相反的另一侧。换言之，中心碳纤维层5在厚度方向d3上布置于第二非碳纤维层42的内侧，而第二碳纤维层52布置于第二非碳纤维层42的外侧。大体上，中心碳纤维层5夹在第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42之间。
37.第一碳纤维层51和第二碳纤维层52提供前述混合复材体6提供的至少部分叶根11的外轮廓。
38.非碳纤维(包含于第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42)的韧性比碳纤维(构成中心碳纤维层3、第一碳纤维层51和第二碳纤维层52)的韧性大。换言之，非碳纤维的破坏应变较大，而碳纤维的破坏应变较小。或者，碳纤维和非碳纤维材料可以具有不同的弹性模量。非碳纤维例如可以是聚酰亚胺。可以理解，非碳纤维也可以是相较于碳纤维破坏应变较大的其他材料，如高密度聚乙烯、玻璃纤维等。
39.采用上述构造的风扇叶片10中，参见图2，靠近叶顶12侧的顶侧部分厚度较小，在承受较大冲击载荷时，会产生大的弯曲变形，弯曲内、外材料表面会产生较大的应变，而非碳纤维层41、42提供叶顶12的外轮廓，也即，破坏应变较大的非碳纤维材料分布于风扇叶片10的表面，从而可以增加风扇叶片10在该处的破坏应变。靠近叶顶12侧的顶侧部分的外露表面由非碳纤维材料构成，可以增加风扇叶片10的抗冲击性能，增加外露表面的破坏应变。中心碳纤维层3布置于第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42之间，也即，中心内部由碳纤维材料构成，从而可以增加刚度。而且，靠近叶根11侧的根侧部分的外露表面由碳纤维材料构成，更加有利于榫头固定时的强度和刚度。因此，上述构造可以同时满足风扇叶片10的强度和刚度要求。
40.混合复材体6可以由沿弦向d2延伸的纬向纤维a2和沿展向d1延伸的经向纤维a1(图1和图3中示出)编织而成，或者，整个复材体1也可以由纬向纤维a2和经向纤维a1编织而成。图示实施方式中，每根经向纤维a1从叶根11侧一直延伸到混合复材体6远离叶根11侧的端部；换言之，每根经向纤维a1从叶根11侧朝向叶顶12侧延伸到底，又或者，每根经向纤维a1的长度构成混合复材体6在厚度方向d3上的对应位置沿展向d1的尺寸。
41.图2所示的实施方式中，第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42中，以经向非碳纤维作为前述经向纤维a1(图1和图3中示出)。每根经向非碳纤维可以从叶根11侧一直延伸到混合复材体6远离叶根11侧的端部，并且经向非碳纤维的展向长度从厚度方向d3上的外侧向内侧逐级增加，从而使得第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42构成的混合复材体6(或者，复材体1)的部分沿展向d1从叶根11侧到叶顶12侧厚度逐级减小。例如，以第二非碳纤维层42为例，在厚度方向d3上位于最外侧的经向非碳纤维的展向长度l4w小于位于最内侧的经向非碳纤维的展向长度l4n。
42.第一碳纤维层51和第二碳纤维层52中，以经向碳纤维为前述经向纤维a1。每根经向碳纤维可以从叶根11侧一直延伸到混合复材体6远离叶根11侧的端部，并且经向碳纤维的展向长度从厚度方向d3上的外侧向内侧逐级增加，从而使得第一碳纤维层51和第二碳纤
维层52构成的混合复材体6(或者，复材体1)的部分沿展向d1从叶根11侧到叶顶12侧厚度逐级减小。例如，以第一碳纤维层51为例，在厚度方向d3上位于最外侧的经向非碳纤维的展向长度l5w小于位于最内侧的经向非碳纤维的展向长度l5n。
43.总体上，沿着厚度方向d3，随着靠近叶片中心位置的编织长度增加，风扇叶片10沿展向d1逐级减薄，非碳纤维材料外露在叶片表面，一直延伸到叶顶12的位置。
44.编织过程中，可以从叶根11侧朝向叶顶12侧进行编织。在厚度方向d3上的最外侧的经向纤维a1最短，编织长度最小，随着向风扇叶片在厚度方向d3上的中心位置靠近，经向纤维a1的长度增加，编织长度也增加，同时使得风扇叶片沿展向d1从叶根11侧到叶顶12侧厚度逐渐减小。至少其中，叶根11沿厚度方向d3的两侧是碳纤维材料外露在表面，这样，风扇叶片10在受到较大冲击载荷时，榫头这部分变形较小，榫头表面的材料产生的应变相对较小，碳纤维材料可以承受这些载荷不发生破坏；叶顶12则在沿厚度方向d3的两侧是非碳纤维材料例如聚酰亚胺材料外露在表面，一直延伸到叶顶12。
45.图2所示的实施方式中，在垂直于弦向d2的弦向截面上，第一碳纤维层51和第一非碳纤维层41可以相对于中心碳纤维层3分别与第二碳纤维层52和第二非碳纤维层42对称地布置。或者，第一碳纤维层51的纬向纤维a2和经向纤维a1的数量、布局与第二碳纤维层52的纬向纤维a2和经向纤维a1的数量、布局相同，第二非碳纤维层41的纬向纤维a2和经向纤维a1的数量、布局与第二非碳纤维层42的纬向纤维a2和经向纤维a1的数量、布局相同。
46.中心碳纤维层3、第一非碳纤维层41、第二非碳纤维层42、第一碳纤维层51和第二碳纤维层52的厚度可以根据叶片设计要求来确定具体值，可以增加风扇叶片10的可设计性。
47.优选地，第一碳纤维层51和第二碳纤维层52的展向长度皆占混合复材体6的展向长度的20％-40％。这里，第一碳纤维层51和第二碳纤维层52的展向长度意指第一碳纤维层51和第二碳纤维层52沿展向d1的最大尺寸，在图2所示的实施方式中，也即等于位于最内侧的经向非碳纤维的展向长度l5n。混合复材体6的展向长度意指混合复材体6沿展向d1的最大尺寸，在图2所示的实施方式中，也即等于位于最内侧的经向非碳纤维的展向长度l4n。
48.优选地，第一碳纤维层51和第二碳纤维层52的厚度分别占混合复材体6的厚度的20％-30％。这里，第一碳纤维层51和第二碳纤维层52的厚度意指第一碳纤维层51和第二碳纤维层52沿厚度方向d3的最大尺寸，例如，图2中以第一碳纤维层51为例，示出了第一碳纤维层51的厚度t51。混合复材体6(或者，复材体1)的厚度意指混合复材体6(或者，复材体1)沿厚度方向d3的最大尺寸，在图2所示的实施方式中，也即等于叶根11侧的根侧厚度t11。
49.优选地，中心碳纤维层3的厚度占混合复材体6(或者，复材体1)的厚度的10％-20％。图2中示出了中心碳纤维层3的厚度t3。
50.参见图3，在纬向纤维a2和经向纤维a1的编织过程中，可以有不同的组合，一根纬向纤维a2穿过一根经向纤维a1，两根或者多根纬向纤维a2穿过一根经向纤维a1，一根纬向纤维a2穿过两根或者多根经向纤维a1。换言之，可以编织不同根数的经向纤维a1和不同根数的纬向纤维a2，增加风扇叶片10编织的可设计性。
51.参见图4，如前所述，复材体1在沿弦向d2的局部区域由非碳纤维和碳纤维材料混合编织，而其他区域单独采用碳纤维材料编织。混合复材体6的数量和宽度可以根据风扇叶片10的设计要求来设置，从而可以调节风扇叶片10的刚度和频率。
52.图2所示的实施方式中，中心碳纤维层3、第一碳纤维层51和第二碳纤维层52由碳纤维材料单独编织，并且第一非碳纤维层41和第二非碳纤维层42由聚酰亚胺材料单独编织而成。然而，非碳纤维层可以包括两种以上的材料，例如，聚酰亚胺和高密度聚乙烯，甚至还可以包括碳纤维，只要其中含有破坏应变更大的非碳纤维即可。换言之，混合复材体6可以通过两种甚至超过两种的多种编织材料编织而成，其中，多种编织材料彼此间可以具有不同的弹性模量或不同的破坏应变，整个风扇叶片10的复合体1可以以碳纤维材料为主，其他编织材料可以增加风扇叶片10的抗冲击性能，或者，调节风扇叶片10的频率和模态。
53.上述风扇叶片采用弹性模量不同的两种材料(碳纤维和非碳纤维如聚酰亚胺)，通过特定的编织方法使得破坏应变较大(或者，弹性模量较小)的非碳纤维材料处于风扇叶片受冲击载荷变形比较大的表面区域，根据材料弯曲变形的特点，这些表面区域中的弯曲外表面的拉应变和弯曲内表面的压应变最大，采用破坏应变较大的材料，可以增加风扇叶片的抗冲击的破坏应变，或者，增强风扇叶片的抗冲击性能，特别是在风扇叶片发生较大变形时。
54.上述风扇叶片通过特定的编织方法还将破坏应变较小(或者，弹性模量较大)的碳纤维材料布置在叶根沿厚度方向的两个最外侧，整个风扇叶片沿厚度方向的中心区域也采用碳纤维材料，从而使得风扇叶片可以具有满足要求的刚度，特别是使得风扇叶片在叶根侧的较厚区域保持较大的刚度。
55.上述风扇叶片可以在不同区域局部采用混编结构或者在不同区域局部按照不同的混编方式和混编密度进行编织，例如，将弹性模量不同的纤维材料按不同比例混编，改变或调节风扇叶片的局部刚度或强度，调节风扇叶片的共振频率和振型，增加风扇叶片的可设计性。例如，在风扇叶片的沿弦向的局部区域采用不同或者相同的混合复材体(或者，混编结构)，可以实现风扇叶片的载荷(离心载荷、鸟撞、疲劳等)更合理的分配，增加风扇叶片的强度。
56.本发明虽然以较佳实施例公开如上，但上述内容并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。例如，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合，从而产生又一实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。