一种复合材料叶片包边方法及结构与流程

[0001]
本发明设计一种包边方法及结构，具体涉及一种复合材料叶片包边方法及结构。


背景技术：

[0002]
对于涡轮风机，采用复合材料叶片可以获得显著的减重效果。已有的复合材料叶片大多采用预浸料整体成型结构。叶片在快速转动的过程中，会受到水滴、砂尘的冲击及腐蚀，在叶片边缘容易出现预浸料的孔隙、分层等物理缺陷，形成强度薄弱点。因此，复合材料叶片一般需要设计一种包边，对叶片边缘形成保护。传统的复合材料叶片包边多采用金属材质的整体形结构设计，然而，金属与复合材料的热膨胀系数相差较大，在高低温环境变化过程中容易产生内应力，同时金属包边承受的冲击能量无法很好的分散，削弱了包边的可靠性。此外，叶片前缘受到的外力冲击更大，因此前缘比叶尖和后缘处的耐受要求更高，需要对前缘进行抗冲击力更强的包边设计。
[0003]
如申请号201710372747.3，名称为“混合结构航空发动机风扇叶片”的发明专利申请，公开了一种混合结构航空发动机风扇叶片，其包括金属前缘面板和复合材料部分，所述金属前缘面板和所述复合材料部分以界面联接的方式组合为一体。本发明混合结构航空发动机风扇叶片能够有效地兼顾强度性能和减重效果，并减小了传统复合材料风扇叶片的加工工艺的难度，是轻质大涵道比风扇叶片非常有前景的发展方向。
[0004]
又如申请号201620774541.4，名称为“一种树脂基复合材料风扇静子叶片结构”的实用新型专利申请，公开了一种树脂基复合材料风扇静子叶片结构，上缘板、叶身和下缘板为一体成型且上缘板、叶身和下缘板均由复合材料制成，上缘板设有两个插片，插片轴线和叶身轴线相互平行，通过插片与发动机中心轴的卡槽连接；下缘板两端为二级阶梯状凸起，与发动机机匣上对应的插口连接；叶身表面蒙皮采用玻璃纤维复合材料制成，叶身前缘胶接有钛合金包边结构，叶身内部采用碳纤维复合材料层合板压制而成，且从内向外碳纤维复合材料层合板的高度依次对称减小。本实用新型解决了发动机金属叶片重量大，抗疲劳性能差等问题。减小叶片在工作状态下的因气动外形改变引起的损失，从而提高发动机的整体效率。
[0005]
上述方案中都仅对叶片前缘部分进行了包边，而其余边缘部位没有额外保护措施，为了对叶片边缘进行全方位保护，包边方案需要改进。


技术实现要素：

[0006]
本发明针对当前复合材料叶片的包边方法和结构不能为叶片边缘提供很好的保护的问题，提出了一种复合材料叶片包边方法及结构，针对叶片不同部位的受力情况采取不同的方法及结构进行包边，既简化操作，又能很好地为复合材料叶片提供保护。
[0007]
本发明为解决上述问题所采用的技术手段为：一种复合材料叶片包边方法，将叶片边缘的包边分为两部分，在叶片前缘部分采用金属包边、在叶尖和叶片后缘部分采用复合材料包边的方式对叶片的边缘进行包边保护。
[0008]
进一步地，叶片前缘部分的金属包边采用胶接和铆接相结合的方式与叶片连接。
[0009]
进一步地，金属包边的边缘处采用扇叶形结构的方式。
[0010]
进一步地，叶尖和叶片后缘部分的复合材料包边采用预浸料预先铺贴在模具型腔内与复合材料叶片一体成型的方式连接。
[0011]
一种复合材料叶片包边结构，包括叶片前缘处的金属包边、叶尖和叶片后缘处的复合材料包边。
[0012]
进一步地，金属包边的边缘处采用扇叶形结构。
[0013]
进一步地，每个扇叶的长度为30mm-80mm，扇叶之间的最大间隔为1mm-8mm。
[0014]
进一步地，金属包边采用胶接和铆接相结合的方式与叶片连接。
[0015]
进一步地，胶接采用真空袋压工艺。
[0016]
进一步地，金属包边的宽度为20mm-100mm。
[0017]
进一步地，金属包边材质为钛合金，经热压工艺成型。
[0018]
进一步地，金属包边铆接用的铆钉均匀分布，铆钉之间间隔为30mm-200mm。
[0019]
进一步地，铆钉位于扇叶的中间位置，距离金属包边边缘10mm-50mm。
[0020]
进一步地，复合材料包边采用预浸料预先铺贴在模具型腔内与叶片一体成型。
[0021]
进一步地，复合材料包边材质为双轴玻纤预浸料，经模压工艺成型。
[0022]
进一步地，复合材料包边采用2-6层预浸料搭接结构。
[0023]
进一步地，复合材料包边最内层宽度为20mm-50mm，最外层宽度为30-100mm，相邻两层搭接边缘相差5mm-20mm。
[0024]
本发明的有益效果是：1. 本发明针对叶片不同部位的受力情况采用不同的包边方式，在叶片前缘采用金属包边，在叶尖和叶片后缘采用复合材料包边，更好地适应叶片的使用环境，且与全叶片的金属包边相比，提高了操作效率。
[0025]
2. 本发明叶片前缘处的金属包边采用扇叶形，结构大大减小了金属包边与复合材料叶片之间的内应力，也更有助于包边冲击力的分散，提升了叶片的抗冲刷能力，叶片的安全性大幅度提升。
[0026]
3. 本发明金属包边采用胶粘和铆接结合的方式，提高金属包边与叶片之间的结合力，保证包边的质量；复合材料包边采用模具一体成型，操作简单，安全可靠。
附图说明
[0027]
图1为叶片结构示意图；图2为实施例一叶片上的包边结构示意图；图3为金属包边结构示意图；图4为图3局部放大结构示意图；1.叶片，11. 叶片前缘，12.叶尖，13. 叶片后缘，14.叶根，2.金属包边，3.复合材料包边，4.铆钉。
具体实施方式
[0028]
下面结合附图对本发明进一步说明。
[0029]
本发明中，如图1所示，叶片前缘11是指叶片1转动时迎风侧边缘；叶片后缘13是指叶片1转动时背风侧边缘；叶根14是指叶片1与转轴连接的部分；叶尖12是指叶根14对面一侧的边缘。
[0030]
实施例一一种复合材料叶片包边结构，如图2所示，包括叶片前缘11处的金属包边2和叶尖12及叶片后缘13处的复合材料包边3。
[0031]
如图3所示，金属包边2的边缘处采用扇叶形结构，且叶片前缘11金属包边2的宽度w为20-100mm。通过采用扇叶形结构，大大减小了金属包边2与复合材料叶片1之间的内应力，也更有助于金属包边2冲击力的分散，提升了叶片1的抗冲刷能力，叶片1的安全性能大幅度提升。如图4所示，每个扇叶的长度l为30-80mm，相邻两个扇叶之间的最大间隔d为1-8mm。通过合理选择金属包边2的形状，使叶片1的内部应力分散效果达到最好，同时，在抵抗外部冲击时能更好地分散能量。
[0032]
金属包边2的材料选用钛合金，经热压工艺成型。且金属包边2与叶片前缘11之间采用胶接和铆接相结合的固定方式连接成整体。其中胶接时选用环氧结构胶，并采用真空袋压工艺来提高胶接质量。铆接时选用钛合金铆钉4采用拉铆工艺进行固定。如图3所示，铆钉4在金属包边2上均匀分布，且铆钉之间间隔为30mm-200mm，如图3所示，铆钉4位于金属包边2扇叶形的中间位置，距离金属包边2边缘10-50mm。通过合理选择铆钉的位置，提高金属包边2与叶片1的结合质量。
[0033]
复合材料包边3材质选用双轴玻纤预浸料，采用模压工艺成型。且复合材料包边3与叶片的结合方式采用模具一体成型，即在叶片后缘13和叶尖12需包边的位置处将双轴玻纤预浸料预先铺设在叶片1的模具型腔内，在叶片1的成型过程中直接结合。其中复合材料包边3采用2-6层双轴玻纤预浸料搭接结构，最内层宽度为20-50mm，最外层宽度为30-100mm，相邻两层搭接边缘相差5-20mm，保证每层与叶片1之间的结合质量，且为叶尖12和叶片后缘13的边缘处提供最大的保护。此一体成型的方式操作简单，安全可靠，提高了叶片1包边的效率和质量。
[0034]
实施例二本实施例中，金属包边2的材质可以选用不锈钢等其他金属材料。
[0035]
实施例三本实施例中，胶接时可选用聚氨酯、酚醛树脂等其他粘接剂。
[0036]
实施例四本实施例中，铆接方式可采用冲压等其他方式。
[0037]
上述实施例还涉及一种复合材料叶片包边方法，将叶片前缘11、叶尖12和叶片后缘13处的包边采用两种不同的方式，其中叶片前缘11部分采用钛合金、不锈钢等金属材质的金属包边2，叶尖12和叶片后缘13部分采用双轴玻纤预浸料的复合材料包边4。金属包边2采用胶接和铆接相结合的方式连接在叶片前缘11处，而复合材料包边3采用将双轴玻纤预浸料铺设在模具型腔内、与叶片1一体成型的方式设置在叶尖12和叶片后缘13处。根据叶片1不同部位承受外力不同的情况，采用不同的包边方式，对整个叶片1提供有效的保护作用，同时提高了包边的操作效率。
[0038]
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人
员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化或变换，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的保护范围，本发明的保护范围应该由各权利要求限定。

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