一种含金属骨架叶片的预制体结构

本申请涉及航空发动机叶片的领域，尤其是涉及一种含金属骨架叶片的预制体结构。

背景技术：

1、航空发动机叶片处在高速旋转的恶劣工作状态，且在飞机起飞及降落时容易受到包括飞鸟、砂石等在内的外来物的高速冲击，单纯采用复合材料制造的发动机叶片在可靠性上存在隐患，需要在纯复合材料叶片中融入金属结构以强化其抗冲击性能。相关技术中有些是将金属加强边安装在叶片的前缘以强化其抗冲击性能，有些是将金属形成空间骨架预埋在复合材料编织物中、共固化形成整体叶片结构。然而，以上设计方法均涉及到树脂基复合材料结构和金属结构的结合性能，使得两种结构存在分离的风险。在强化不同材料结构结合的过程中，传统采用的是粘接工艺，但由于发动机叶片结构工作环境恶劣，容易造成结构的分离；还有采用编织及缝合工艺，该方法将长纤维在不同的减重孔处交叉贯穿，通过纤维的张紧力来完成金属骨架和复合材料结构的紧密固定。由于叶片属于空间复杂曲面结构，在凸起位置，张紧的纤维能够将复合材料结构紧密固定在金属结构上，但在凹陷位置，张紧的纤维较难将两种结构固定；且在减重孔间贯穿的纤维形成周期性的网状排列结构，在叶片转动过程中受到离心载荷时，纤维网格会影响叶片表面的形貌，使得发动机叶片的气动性能产生变化。

2、公开号为cn113547772b的专利文件中公开了一种混合结构风扇叶片制备方法，通过纤维缝合金属与复合材料以增加不同材料之间的结合强度。但该结构前端缝合线会使得复合材料叶片表面在高速转动时容易出现周期状应变结构，且缝合位置容易出现凸起或者凹陷，给叶片的气动性能带来一定的影响。

3、公开号为cn114439613b的专利文件公开了航空发动机风扇叶片及航空发动机，将叶片本体沿气体流动方向的前缘和多个铆钉结合，实现加强件与叶片本体定位安装与整体结构的可靠性，且能够通过减小叶片表面的突出程度以降低对叶片气动性能的影响。但该结构采用了铆钉这种结构形式，使得叶片的整体结构相对复杂。

4、现有的装置及结构设计方法，无法在实现复合材料编织物与金属骨架叶身的紧密可靠固定的同时，兼顾发动机叶片表面的光滑性以保证叶片的气动性能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提供一种含金属骨架叶片的预制体结构，解决了现有技术中的问题，提升复合材料叶片的抗冲击性能及气动性能。

2、本申请提供的一种含金属骨架叶片的预制体结构采用如下的技术方案：

3、一种含金属骨架叶片的预制体结构，包括复合材料编织物、金属骨架和缝合纤维，所述复合材料编织物包括叶盆部和叶背部，所述叶盆部和叶背部位于所述金属骨架的两侧；

4、所述金属骨架上设有若干减重孔，且所述减重孔中固定设有支撑梁，所述支撑梁将所述减重孔分隔为至少两个通道；

5、所述缝合纤维对应减重孔设置，不同所述减重孔的缝合纤维分别独立设置，单个所述减重孔对应的缝合纤维穿过减重孔中的各个通道，将叶盆部、叶背部和支撑梁缠绕在一起，以使所述叶盆部和叶背部缝制贴紧在所述金属骨架上。

6、可选的，所述减重孔的两端设有沿减重孔径向方向向外扩张的减重槽，在所述缝合纤维缠绕作用下，所述叶盆部和叶背部对应减重槽的部分向减重槽内凹陷，且部分所述复合材料编织物陷入减重槽中形成第一填充纤维，所述叶盆部和叶背部的部分进入减重孔并和位于减重孔中的缝合纤维填充减重孔中的通道，形成第二填充纤维。

7、可选的，所述减重槽的深度大于0.2mm。

8、可选的，所述缝合纤维在减重孔中多次往复穿过不同的通道，所述缝合纤维紧密缠绕在减重孔对应的叶盆部和叶背部以及支撑梁上，且露出所述叶盆部和叶背部的缝合纤维贴紧在叶盆部或叶背部的凹陷区域内。

9、可选的，所述减重孔和支撑梁一体设置。

10、可选的，每个所述减重孔的位置均对应设有缝合纤维。

11、可选的，所述金属骨架不同区域的减重孔分布密度不同，叶片上不同区域的曲率变化率不同，叶片的曲率变化率越大的区域对应所述金属骨架区域的减重孔分布密度越大。

12、可选的，所述金属骨架不同区域的减重孔分布密度不同，叶片上不同区域受到的载荷不同，叶片的受到载荷越大的区域对应所述金属骨架区域的减重孔分布密度越大。

13、可选的，所述减重孔在金属骨架上的排列方式为顺排和/或叉排。

14、可选的，所述缝合纤维为碳纤维、芳纶纤维、硼纤维和聚酰亚胺纤维中的任意一种。

15、综上所述，本申请包括以下有益技术效果：

16、本申请在减重孔的位置将叶盆部和叶背部贴紧支撑横梁的端部，利用多个位置的减重孔结构和缝合纤维将叶盆部和叶背部以多点固定的方式固定在金属骨架上，缝合纤维的缝制缠绕不用依赖距离较大的两个减重孔，而是在单个减重孔进行，因此，预制体结构外表面的不存在跨越不同减重孔的增强长纤维，可以实现在保证复合材料编织物和金属骨架稳定贴合，提高复合材料叶片抗冲击性能的同时，减小了长纤维及缝合纤维对叶片气动性能的影响。

17、本申请中减重槽的设计配合缝合纤维的紧密缠绕，使复合材料编织物陷入减重槽中，缝合纤维经过多次缝制后在复合材料编织物的外表面容易集中堆积，而堆积的缝合纤维位于叶盆部和叶背部向减重槽内凹陷的部分，保证缝合纤维不凸出复合材料编织物的型面，从而确保了固化后的叶片表面不会存在凸起结构，避免影响叶片的气动性能。

18、复合材料编织物在减重孔位置的凹陷有利于在后期rtm过程中树脂能够顺利流到减重孔中，提升减重孔中的树脂固化结构的成型强度和质量。

技术特征：

1.一种含金属骨架叶片的预制体结构，包括复合材料编织物(1)、金属骨架(2)和缝合纤维(3)，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述减重孔(21)的两端设有沿减重孔(21)径向方向向外扩张的减重槽(23)，在所述缝合纤维(3)缠绕作用下，所述叶盆部(11)和叶背部(12)对应减重槽(23)的部分向减重槽(23)内凹陷，且部分所述复合材料编织物(1)陷入减重槽(23)中形成第一填充纤维(4)，所述叶盆部(11)和叶背部(12)的部分进入减重孔(21)并和位于减重孔(21)中的缝合纤维(3)填充减重孔(21)中的通道(24)，形成第二填充纤维(41)。

3.根据权利要求2所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述减重槽(23)的深度大于0.2mm。

4.根据权利要求2所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述缝合纤维(3)在减重孔(21)中多次往复穿过不同的通道(24)，所述缝合纤维(3)紧密缠绕在减重孔(21)对应的叶盆部(11)和叶背部(12)以及支撑梁(22)上，且露出所述叶盆部(11)和叶背部(12)的缝合纤维(3)贴紧在叶盆部(11)或叶背部(12)的凹陷区域内。

5.根据权利要求1所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述减重孔(21)和支撑梁(22)一体设置。

6.根据权利要求1所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，每个所述减重孔(21)的位置均对应设有缝合纤维(3)。

7.根据权利要求6所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述金属骨架(2)不同区域的减重孔(21)分布密度不同，叶片上不同区域的曲率变化率不同，叶片的曲率变化率越大的区域对应所述金属骨架(2)区域的减重孔(21)分布密度越大。

8.根据权利要求6所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述金属骨架(2)不同区域的减重孔(21)分布密度不同，叶片上不同区域受到的载荷不同，叶片的受到载荷越大的区域对应所述金属骨架(2)区域的减重孔(21)分布密度越大。

9.根据权利要求6所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述减重孔(21)在金属骨架(2)上的排列方式为顺排和/或叉排。

10.根据权利要求1所述的含金属骨架叶片的预制体结构，其特征在于，所述缝合纤维(3)为碳纤维、芳纶纤维、硼纤维和聚酰亚胺纤维中的任意一种。

技术总结本申请提供了一种含金属骨架叶片的预制体结构，属于航空发动机叶片的技术领域，具体包括复合材料编织物、金属骨架和缝合纤维，复合材料编织物包括叶盆部和叶背部，叶盆部和叶背部位于金属骨架的两侧；金属骨架上设有若干减重孔，且减重孔中固定设有支撑梁，支撑梁将减重孔分隔为至少两个通道；缝合纤维对应减重孔设置，不同减重孔的缝合纤维分别独立设置，单个减重孔对应的缝合纤维穿过减重孔中的各个通道，将叶盆部、叶背部和支撑梁缠绕固定在一起，以使叶盆部和叶背部缝制贴紧在金属骨架上。通过本申请的处理方案，提升复合材料叶片的抗冲击性能及气动性能。技术研发人员：康振亚,郑会龙,王琰,房文博受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/13