一种风扇叶片、压气机及航空发动机

摘要

本发明涉及一种风扇叶片、压气机及航空发动机，其中风扇叶片包括叶片本体(1)，所述叶片本体(1)采用非金属材料制成或者采用金属与非金属混合的材料制成，所述叶片本体(1)的前缘的外表面包裹有记忆合金包边(2)，所述记忆合金包边(2)能够发生变形，以使所述风扇叶片的前缘的几何进口角发生改变。本发明风扇叶片实施例中在采用非金属材料或金属与非金属混合材料制成的叶片本体的前缘外表面包裹记忆合金包边，通过记忆合金包边的变形，可以改变风扇叶片前缘的几何进口角，进而改变气流进入叶栅通道时的攻角，尽可能地减少气流分离，降低气动损失，提高压气机性能。

权利要求

1.一种风扇叶片，其特征在于，包括叶片本体(1)，所述叶片本体(1)采用非金属材料制成或者采用金属与非金属混合的材料制成，所述叶片本体(1)的前缘的外表面包裹有记忆合金包边(2)，所述记忆合金包边(2)能够发生变形，以使所述风扇叶片的前缘的几何进口角发生改变；所述记忆合金包边(2)沿所述叶片本体(1)的叶尖延伸到叶根。

2.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，在叶型表面上，所述记忆合金包边(2)在所述前缘的压力面上延伸的长度比在所述前缘的吸力面上延伸的长度大。

3.根据权利要求1所述的风扇叶片，其特征在于，所述记忆合金包边(2)的厚度分布被配置为能够使包裹所述记忆合金包边(2)后的所述风扇叶片的外轮廓满足气动需求。

4.一种压气机，其特征在于，包括如权利要求1～3任一项所述的风扇叶片。

5.根据权利要求4所述的压气机，其特征在于，所述压气机还包括温度调节装置，所述温度调节装置用于调节所述风扇叶片的叶片本体(1)上的记忆合金包边(2)的温度。

6.根据权利要求5所述的压气机，其特征在于，所述温度调节装置设置在所述叶片本体(1)的内部或者外表面。

7.一种航空发动机，其特征在于，包括如权利要求4～6任一项所述的压气机。

8.根据权利要求7所述的航空发动机，其特征在于，所述航空发动机还包括用于控制所述压气机中温度调节装置打开或关闭的控制开关。

9.根据权利要求8所述的航空发动机，其特征在于，所述航空发动机还包括检测装置，所述检测装置用于检测所述压气机中风扇叶片的前缘的压力或流量，所述检测装置与所述控制开关信号连接，以使所述控制开关能够根据所述检测装置所检测的压力信号或流量信号来控制所述温度调节装置打开或关闭。

说明书

一种风扇叶片、压气机及航空发动机

技术领域

[0001] 本发明涉及航空发动机技术领域，尤其涉及一种风扇叶片、压气机及航空发动机。

背景技术

[0002] 在现代航空发动机设计时要求压气机具有高压比和高效率的特点，压气机每一级都由动叶和静叶构成，其主要作用是通过高速旋转的动叶压缩空气做功，使空气获得动能
和压力能，被压缩的空气进入静叶通道中会进一步将所获得的动能转化为压力能，并以合
适的角度流入下一级动叶，这样就可以通过逐级提高空气压力的方式从而最终获得高增压
比。然而，压比的提高伴随着压气机叶片气动负荷的增加，与此同时压气机的损失也会相应
增大，若不对损失加以控制，这样反而会大幅降低压气机的性能，甚至会造成十分严重的后
果。

[0003] 当压气机在设计工况下工作时，空气会以合适的角度进入到每一排叶片中完成增压过程，此时攻角较小，从攻角特性来看，总压损失也较小。然而，当压气机在非设计点工况
下工作时，压气机流量减小，气流进入叶栅通道的攻角就会增大，当攻角增大到一定程度
后，气流会在叶背处发生分离，损失大幅增大，压气机的性能明显降低。

[0004] 目前主要通过对压气机叶片进行优化设计的方法来提高叶片性能，降低损失，如中国专利文献CN106021681A，公开日为2016年10月12日，公开了一种压气机叶型优化方法
及装置，通过改变压气机前缘点到前缘与叶身相接点的叶型厚度分布函数，重新叠加在中
弧线上，从若干种方案中进行优选，从而改善叶型的攻角损失特性。然而这只能在一定程度
上，相较原始设计略微降低了攻角增大引起的损失，并没有在根本上解决大攻角下叶背处
气流分离的问题。当攻角进一步增大时，相应总压损失增加更快的这一趋势没有得到解决。

[0005] 需要说明的是，公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公
知的现有技术。

发明内容

[0006] 本发明的目的是提出一种风扇叶片、压气机及航空发动机，以解决现有技术中的风扇叶片在非设计工况下气流攻角增大，气动损失增大的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供了一种风扇叶片，包括叶片本体，叶片本体采用非金属材料制成或者采用金属与非金属混合的材料制成，叶片本体的前缘的外表面包裹有记忆
合金包边，记忆合金包边能够发生变形，以使风扇叶片的前缘的几何进口角发生改变。

[0008] 进一步地，在叶型表面上，记忆合金包边在前缘的压力面上延伸的长度比在前缘的吸力面上延伸的长度大。

[0009] 进一步地，记忆合金包边的厚度分布被配置为能够使包裹记忆合金包边后的风扇叶片的外轮廓满足气动需求。

[0010] 进一步地，记忆合金包边沿叶片本体的叶尖延伸到叶根。

[0011] 为实现上述目的，本发明还提供了一种压气机，包括上述的风扇叶片。

[0012] 进一步地，压气机还包括温度调节装置，温度调节装置用于调节风扇叶片的叶片本体上的记忆合金包边的温度。

[0013] 进一步地，温度调节装置设置在叶片本体的内部或者外表面。

[0014] 为实现上述目的，本发明还提供了一种航空发动机，包括上述的压气机。

[0015] 进一步地，航空发动机还包括用于控制压气机中温度调节装置打开或关闭的控制开关。

[0016] 进一步地，航空发动机还包括检测装置，检测装置用于检测压气机中风扇叶片的前缘的压力或流量，检测装置与控制开关信号连接，以使控制开关能够根据检测装置所检
测的压力信号或流量信号来控制温度调节装置打开或关闭。

[0017] 基于上述技术方案，本发明风扇叶片实施例中在采用非金属材料或金属与非金属混合材料制成的叶片本体的前缘外表面包裹记忆合金包边，通过记忆合金包边的变形，可
以改变风扇叶片前缘的几何进口角，进而改变气流进入叶栅通道时的攻角，尽可能地减少
气流分离，降低气动损失，提高压气机性能。

附图说明

[0018] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0019] 图1为现有技术中普通叶片在非零攻角状态下的流动分离示意图。

[0020] 图2为现有技术中普通叶片不同马赫数下叶型攻角损失特性图。

[0021] 图3为本发明风扇叶片一个实施例的结构示意图

[0022] 图4为本发明风扇叶片一个实施例在变形前和变形后的结构示意图。

[0023] 图中：

[0024] 1、叶片本体；2、记忆合金包边。

具体实施方式

[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发
明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施
例，都属于本发明保护的范围。

[0026] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“横向”、“纵向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明保护范围的限制。

[0027] 为实现本发明的目的，本发明提出一种结构改进的风扇叶片。

[0028] 如图3所示，在本发明提供的一种风扇叶片的一个示意性实施例中，风扇叶片包括叶片本体1，叶片本体1采用非金属材料制成或者采用金属与非金属混合的材料制成，叶片
本体1的前缘的外表面包裹有记忆合金包边2，记忆合金包边2能够发生变形，以使风扇叶片
的前缘的几何进口角发生改变。

[0029] 其中，几何进口角指的是风扇叶片叶型中弧线在前缘顶点处的切向与叶栅额线的夹角，叶栅额线指的是连接所有叶片前缘顶点的直线。攻角是气流进气角与几何进口角之
间的夹角，气流进气角为气流来流方向与叶栅额线的夹角。因此，在气流来流方向改变后，
前缘几何进口角随之改变，可以改变攻角大小。

[0030] 在上述示意性实施例中，改进对象是采用非金属材料或金属与非金属混合材料制成的叶片本体1，在这种叶片本体1的前缘外表面包裹有记忆合金包边2，通过记忆合金包边
2的变形，可以改变风扇叶片前缘的几何进口角，进而改变气流进入叶栅通道时的攻角，尽
可能地减少气流分离，降低气动损失，提高压气机性能。

[0031] 另外，相对于叶片整体采用记忆合金材料制成的方案来说，采用在前缘外表面包裹记忆合金包边2的方案有更多的优势，比如可以实现对前缘的局部控制，提高控制特性；
为非金属叶片或金属与非金属混合叶片的变形提供技术支持，还可以提高非金属叶片或金
属与非金属混合叶片的强度；有利于节省材料，降低成本等。

[0032] 其中，记忆合金包边2采用形状记忆合金(SMA)制成，这种记忆合金具有形状记忆效应，在较低温度下发生的变形(低温相)，可以通过加热升温后消除，恢复到变形前的原始
形状(高温相)。可选地，采用具有双程记忆效应的记忆合金材料，在加热时能够恢复高温相
形状，在冷却时又可以恢复到低温相形状，这样记忆合金包边2可以在至少两种形状之间进
行切换，以满足不同来流方向的需求，使风扇叶片的前缘攻角无论在何种工况下均能达到
攻角较小，气动损失较小的目的，以提升压气机的整体性能。

[0033] 进一步地，在叶型表面上，记忆合金包边2在前缘的压力面上延伸的长度比在前缘的吸力面上延伸的长度大。这样设置可以更好地保护风扇叶片的前缘压力面，增强压力面
的抗冲击能力。

[0034] 可选地，记忆合金包边2的厚度分布被配置为能够使包裹记忆合金包边2后的风扇叶片的外轮廓满足气动需求。这样设置可以避免由于记忆合金包边2的包裹而改变风扇叶
片的整体叶型，避免由于叶型改变所带来的气动损失的增加。

[0035] 可选地，记忆合金包边2沿叶片本体1的叶尖延伸到叶根，即记忆合金包边2覆盖了叶片本体1的整个径向长度，这样设置可以实现风扇叶片前缘的整体变形，提高变形能力，
对攻角的调节更加方便、准确和可靠。

[0036] 基于上述各个实施例中的风扇叶片，本发明还提供了一种压气机，该压气机包括上述的风扇叶片。

[0037] 进一步地，压气机还包括温度调节装置，温度调节装置用于调节风扇叶片的叶片本体1上的记忆合金包边2的温度。通过设置温度调节装置，可以对记忆合金包边2的温度进
行实时调节，从而使记忆合金包边2能够发生对应的变形，达到减小几何进口角及攻角的目
的。

[0038] 温度调节装置的具体结构形式不作限制，只要能够对记忆合金包边2进行加热或降温即可。

[0039] 可选地，温度调节装置设置在叶片本体1的内部或者外表面。温度调节装置设置在叶片本体1的内部可以防止温度调节装置与叶片本体1外的其他部件发生干涉，有利于保护
温度调节装置；而对于电阻丝等形式温度调节装置，为操作方便，也可以设置在叶片本体1
的外表面。

[0040] 基于上述各个实施例中的压气机，本发明还提供了一种航空发动机，该航空发动机包括上述的压气机。

[0041] 进一步地，航空发动机还包括用于控制压气机中温度调节装置打开或关闭的控制开关。通过设置控制开关，可以方便地对温度调节装置的启闭进行控制。控制开关的具体结
构形式不作限制，只要能够实现其作用即可。

[0042] 可选地，航空发动机还包括检测装置，检测装置用于检测压气机中风扇叶片的前缘的压力或流量，检测装置与控制开关信号连接，以使控制开关能够根据检测装置所检测
的压力信号或流量信号来控制温度调节装置打开或关闭。通过设置检测装置，可以给温度
调节装置的启闭控制提供判断标准和依据，提高控制的准确性。

[0043] 下面结合附图1～3对本发明风扇叶片、压气机及航空发动机的一个实施例的工作过程进行说明：

[0044] 如图1所示，在设计工况下，一般为零攻角状态。如图2所示，在较小的负攻角和正攻角范围内，叶型总压损失处于较低的水平；然而在大的正攻角状态下，气流在叶背会发生
分离，导致损失的急剧增大。当压气机流量减小时，攻角会增大，传统的通过优化叶型型线
的方式虽然能在一定程度上降低总压损失，但是无法改变这种因攻角增大导致总压损失相
应急剧增大的趋势。

[0045] 如图3所示，压气机的风扇叶片包括叶片本体1，叶片本体1的前缘外表面上包裹有记忆合金包边2，范围从前缘点起，包裹叶片本体1的前缘部分。具体地，记忆合金包边2包括
前缘包边、压力面包边和吸力面包边，前缘包边包裹在叶片本体1的前缘前端，压力面包边
包裹在叶片本体1的前缘压力侧，吸力面包边包裹在叶片本体1的前缘吸力侧。可选地，前缘
包边、压力面包边和吸力面包边一体成型。前缘包边的形状与叶片本体1的原来叶型基本相
同，压力面包边的厚度沿着从前缘到尾缘的方向逐渐减小，吸力面包边的厚度也沿着从前
缘到尾缘的方向逐渐减小，以使包裹记忆合金包边2之后的风扇叶片的叶型仍然满足气动
需求，减少由于叶型改变而可能带来的气动损失。

[0046] 叶片本体1的内部设有温度调节装置，温度调节装置的打开或关闭由控制开关进行控制，检测装置可以检测风扇叶片前缘的压力或流量，当前缘压力或流量达到预设值时，
触发控制开关，启动温度调节装置。

[0047] 如图4所示，在达到预设值之前，前缘的记忆合金包边2保持低温相，为A型前缘，使叶片运行在小攻角抵损失的设计点状态；当流量发生变化，导致攻角增大时，叶型前缘的压
力变化，触发控制开关，温度调节装置启动，可对记忆合金包边2进行加热，温度升高，记忆
合金包边2变形后形成记忆合金包边2’，变成高温相，为B型前缘，此时叶片几何进气角改
变，降低了来流攻角。当流量和运行状态恢复至设计点工况时，可以停止温度调节装置对记
忆合金包边2的加热，叶型恢复至原来的形状。

[0048] 通过对本发明风扇叶片、压气机及航空发动机的多个实施例的说明，可以看到本发明风扇叶片、压气机及航空发动机实施例通过设置记忆合金包边，在温度变化时，记忆合
金包边的形状可以发生变化，从而使叶型前缘的形状改变，进而改变风扇叶片叶型的几何
进口角，使攻角减小，在非设计工况下也能够具有和设计工况类似的攻角损失特性；而且，
当压气机流量恢复到设计工况流量时，叶型形状还能够得到恢复。这样就可以在小流量工
况和设计工况两种状态下，通过叶片前缘形状的改变和恢复，使气流始终运行在低攻角损
失特性范围内，避免叶背处流动分离的产生，从而保证压气机稳定高效的运行。

[0049] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然
可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发
明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。