一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法技术

本发明专利技术涉及一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法。叶片为空心结构，包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，加强筋贯穿叶片叶身部位，加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，气流孔贯穿叶背侧金属板蒙皮，使内部气流通道中的气流通过气流孔与叶背外侧的空气流通，叶片的榫头为燕尾榫头，在燕尾榫头的底部开有与叶身空心区连通的榫头通孔。通过在空心叶片结构中设置加强筋结构的方式形成气流通道，同时在叶片叶背侧设计气流孔，将气流通道内的气流排出（或吸入）以消除叶背侧附面层，有利于减轻叶片的整体重量，提高了发动机的气动效率，满足了先进航空发动机性能要求。

Aero engine hollow blade structure and its design method

The invention relates to a hollow blade structure of aero-engine and a design method thereof. The blade is hollow structure, including the aerodynamic profile of the blade, the internal stiffener structure and the airflow hole located at the back of the blade. The stiffener runs through the blade body. The stiffener structure forms an internal airflow passage along the blade spreading direction, and the airflow hole runs through the metal sheet skin on the back of the blade to make the airflow in the internal airflow passage pass through. The air flow through the air hole and the air flow on the back and outside of the blade is carried out. The dovetail of the blade is a dovetail mortise. At the bottom of the dovetail mortise, a dovetail through hole connected with the hollow area of the blade body is opened. The air passage is formed by installing reinforcing ribs in the hollow blade structure. At the same time, the air passage is designed on the back side of the blade blade. The air flow in the air passage is discharged (or inhaled) to eliminate the boundary layer on the back side of the blade, which is conducive to reducing the overall weight of the blade, improving the aerodynamic efficiency of the engine and satisfying the advanced aviation industry. Engine performance requirements.

【技术实现步骤摘要】
一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法
本专利技术涉及航空涡轮喷气发动机
，特别是涉及一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法。
技术介绍
航空发动机是飞行器主要动力装置，在航空发动机工作时，风扇和压气机叶片高速旋转，提高进入发动机空气的速度和压力，对于风扇而言，其增压后的空气一部分通过发动机外涵道高速排出，产生推力，一部分进入发动机内涵道，经低压压气机、高压压气机进一步增压后进入燃烧室燃烧。风扇、压气机对空气提速、增压过程中，空气气流处于逆压梯度流动状态，即风扇、单级压气机出口处流体的压力要大于入口的压力，在该环境中，叶片叶背最大厚度点后侧区域的附面层厚度沿着叶片弦长方向不断增加，在特定条件下，气流将发生逆向流动，影响发动机正常工作，极限条件下将演化为喘振，严重影响飞行安全。随着航空技术的进一步发展，对发动机的气动效率和重量指标提出了更高的指标要求，如何进一步提高风扇/压气机叶片的气动效率并进一步降低结构重量是制约先进航空喷气发动机研制的关键技术瓶颈。为了提高压气机工作效率，提出了空心风扇叶片概念，将叶片叶身内部的部分材料去除，降低叶片结构重量，研究表明，空心叶片的减重效率与叶片展向尺寸相关，目前，空心风扇叶片的减重效率在12%~46%之间变化，但是，当前技术未能够对榫头、申根区进行空心化，制约了空心叶片结构重量的进一步降低。因此，专利技术人提供了一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种航空发动机的空心叶片结构及其设计方法，能够进一步提高发动机的高压机/风扇叶片的气动性能，同时促进叶片进一步减重，满足先进航空发动机的性能要求。第一方面，本专利技术的实施例提出了一种航空发动机的空心叶片结构，所述叶片为空心结构，所述叶片包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，所述加强筋贯穿叶片叶身部位，所述加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，所述气流孔贯穿所述叶背侧金属板蒙皮，使所述内部气流通道中的气流通过所述气流孔与所述叶背外侧的空气流通，所述叶片的榫头为燕尾形榫头，在所述燕尾形榫头的底部开有与所述叶身空心区连通的榫头通孔。在第一种可能的实现方式中，所述叶片的空心结构由三层金属板组成，所述空心结构的两侧金属板组成所述叶片气动外形面，形成满足气动要求的流道，所述空心结构的中间金属板连接所述两侧金属板，所述中间金属板构成所述加强筋结构。结合上述可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述加强筋结构的横截面呈W型或H型，所述W型或H型的加强筋结构在叶片的叶身处形成内部气流通道。结合上述可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述叶片的靠近叶尖部位为实体区，所述实体区的展向尺寸不小于5mm，在所述实体区下方为空心与实体的过渡区，所述过渡区有横向气流通道，所述横向气流通道用于连通所述加强筋结构中位于叶片弦向不同区域的内部气流通道。结合上述可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，在所述加强筋上制有通孔，所述通孔用于形成所述横向气流通道；和/或，在所述三层金属上预制凹槽，所述凹槽形成所述横向气流通道。结合上述可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述叶片叶背侧的气流孔设在所述叶片叶背侧最大厚度靠近排气边一侧区域，所述气流孔的轴向与所述叶片气动外形面法向有预定角度。结合上述可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，所述气流孔为圆形或者矩形通孔。结合上述可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，在所述燕尾形榫头的底部的榫头通孔形成气流通道，所述气流通道沿着叶片展向方向延伸至所述叶身的空心区，所述气流通道与多个空腔相连通，使所述叶片上的不同空腔中均能有气流流过，并且，所述气流通道在叶片弦向投影呈喇叭状。结合上述可能的实现方式，在第八种可能的实现方式中，所述燕尾榫头底部的所述榫头通孔的形状为方形、圆形或椭圆形。第二方面，本专利技术的实施例提供了一种航空发动机的空心叶片结构的设计方法，所述方法包括：建立如权利要求1所述的空心叶片结构毛坯的有限元模型，开展无气流孔叶片的流场分析，获得叶片表面空气流动规律；基于所述无气流叶片的流场分析结果以及叶片表面空气流动规律，初步获得所述气流孔的位置范围和大小范围；开展有气流孔叶片的流场分析，基于所述气流孔的位置范围和大小范围以及气动效率，确定气流孔的最佳位置和最佳大小；基于确定的所述气流孔的最佳位置和最佳大小，开展有气流孔叶片的应力分析，获得叶片的上的应力分布规律，以结构强度为约束，优化所述气流孔的位置和形状大小；在所述空心叶片结构中，设计并优化所述内部气流通道，使所述叶片叶型的最大厚度的前后两侧的空腔相连通；在所述叶片的燕尾榫头底部，设计并优化所述榫头通孔，使所述榫头与所述叶身空心区相连通；基于优化的所述气流孔、所述内部气流通道和所述榫头通孔，以所述叶片气动效率为目标，获得如权利要求1所述的空心叶片结构。综上，通过在空心叶片结构中设置加强筋结构的方式形成气流通道，同时在叶片叶背侧设计气流孔，将气流通道内的高压空气排出并将叶背侧附面层吹除，有利于减轻叶片的整体重量，同时提高了结构的整体刚性，提高了风扇叶片的工作边界，提高了发动机的稳定工作边界，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，对发动机整体减重具有推动作用，加强筋结构的空心叶片形式，还消除了叶片内部的封闭空腔或半封闭空腔，消除了对空心叶片内部必须为真空状态的技术要求，简化了叶片制造难度和检测难度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对本专利技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是航空涡轮喷气发动机的结构示意图。图2是现有技术的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。图3是本专利技术实施例的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。图4是本专利技术实施例的叶背侧的气流孔示意图。图中：1：机匣；2：风扇；3：低压压气机盘；4：第一压气机叶片；5：高压压气机盘；6：第二压气机叶片。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1是航空涡轮喷气发动机的结构示意图。航空发动机是飞行器主要动力装置，如图1所示，航空涡轮喷气发动机主要包括转动部件和静子部分，转动部分主要有风扇2、低压压气机盘3、高压压气机盘5、第一压气机叶片4和第二压气机叶片6，静子部件主要由机匣1等组成，航空发动机工作时，风扇/压气机叶片高速旋转，提高进入发动机空气的速度和压力，对于风扇而言，其增压后的空气一部分通过发动机外涵道高速排出，产生推力，一部分进入发动机内涵道，经低压压气机、高压压气机进一步增压后进入燃烧室燃烧。图2是现有技术的航空发动机的空心叶片结构中气流流向示意图。风扇/压气机对空气提速增压过程中，空气气流处于逆压梯度流动状态，即风扇、单级压气机出口处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述叶片为空心结构，所述叶片包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，所述加强筋贯穿叶片叶身部位，所述加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，所述气流孔贯穿所述叶背侧金属板蒙皮，使所述内部气流通道中的气流通过所述气流孔与所述叶背外侧的空气流通，所述叶片的榫头为燕尾形榫头，在所述燕尾形榫头的底部开有与所述叶身空心区连通的榫头通孔。

【技术特征摘要】
2018.03.28 CN 20181026630551.一种航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述叶片为空心结构，所述叶片包括叶片气动外形面、内部加强筋结构以及位于叶片叶背侧的气流孔，所述加强筋贯穿叶片叶身部位，所述加强筋结构形成沿叶展方向变化的内部气流通道，所述气流孔贯穿所述叶背侧金属板蒙皮，使所述内部气流通道中的气流通过所述气流孔与所述叶背外侧的空气流通，所述叶片的榫头为燕尾形榫头，在所述燕尾形榫头的底部开有与所述叶身空心区连通的榫头通孔。2.根据权利要求1所述的航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述叶片的空心结构由三层金属板组成，所述空心结构的两侧金属板组成所述叶片气动外形面，形成满足气动要求的流道，所述空心结构的中间金属板连接所述两侧金属板，所述中间金属板构成所述加强筋结构。3.根据权利要求2所述的航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述加强筋结构的横截面呈W型或H型，所述W型或H型的加强筋结构在叶片的叶身处形成内部气流通道。4.根据权利要求2所述的航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述叶片的靠近叶尖部位为实体区，所述实体区的展向尺寸不小于5mm，在所述实体区下方为空心与实体的过渡区，所述过渡区有横向气流通道，所述横向气流通道用于连通所述加强筋结构中位于叶片弦向不同区域的内部气流通道。5.根据权利要求4所述的航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，在所述加强筋上制有通孔，所述通孔用于形成所述横向气流通道；和/或，在所述三层金属上预制凹槽，所述凹槽形成所述横向气流通道。6.根据权利要求2所述的航空发动机的空心叶片结构，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓瑛，李志强，
申请(专利权)人：中国航空制造技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11