CN110700898A - 陶瓷-金属相结合的透平导向叶片及其燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种陶瓷‑金属相结合的透平导向叶片，包括：后半叶身，设置于尾缘一侧，所述后半叶身的材质为金属；前半叶身，设置于前缘一侧，与所述后半叶身分体设计，且所述前半叶身与后半叶身形成完整叶型结构；其中，所述前半叶身的材质为陶瓷，用于降低冷却用冷气需求量。本发明采用分体设计方法，其中前半叶身采用陶瓷材料构成实心的叶片基体，后半叶身及内缘板和外缘板采用传统的金属材质，并采用传统空气冷却结构；因陶瓷的耐高温属性，不需要对前半叶身进行冷却，实现显著减少透平叶片需要的冷气量，且大幅提高了燃气轮机总体性能。

Description

陶瓷-金属相结合的透平导向叶片及其燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机透平叶片技术领域，尤其涉及一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片及其燃气轮机。
背景技术
未来燃气轮机的透平进口温度将达到1500℃以上，而当前最先进的高温合金材质叶片的安全工作温度约为900℃，透平一级导叶需要的综合冷效约为0.65～0.7，按照现有空气冷却技术水平，透平部件的冷气需求量将达到20％以上，冷气用量的增加将会降低燃气轮机的性能，这与高效燃气轮机的设计要求是相违背的，因此发展陶瓷叶片结构对于提升我国燃气轮机技术具有重要意义。
和金属叶片相比较，陶瓷叶片以耐高温、耐磨损、高硬度、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，使其可以直接工作在高温燃气环境下。但多年来陶瓷叶片未获得批量工程应用，主要是陶瓷的韧性、弹性，和可安装性太差。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片及其燃气轮机，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，包括：
后半叶身，设置于尾缘一侧，所述后半叶身的材质为金属；
前半叶身，设置于前缘一侧，与所述后半叶身分体设计，且所述前半叶身与后半叶身形成完整叶型结构；
其中，所述前半叶身的材质为陶瓷，用于降低冷却用冷气需求量。
作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片。
基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)叶片采用分体式结构，前半叶身采用陶瓷材料制成，由于陶瓷部分的叶身不需要进行冷却，因而在同样的燃气来流条件下，会大幅度降低冷气需求量；且考虑透平导向叶片尾缘太薄，通常为1mm左右，采用前缘一侧设置陶瓷材质的前半叶身，尾缘一侧设置金属的后半叶身的设计，避免纯陶瓷叶片的一个脆弱区域；
(2)因为内缘板与外缘板仍为金属材质，且与后半叶身相连，所以本发明保留了纯金属叶片的安装性能；
(3)本发明提出采用弹性垫片来对前半叶身进行封装，解决热态下陶瓷部分叶身由于线膨胀系数小于金属部分叶身而无法满足配合要求的问题。
附图说明
图1为本发明的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片装配示意图；
图2为本发明的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片内缘板装配示意图；
图3为本发明的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片中部冷却结构示意图；
图4为本发明实施例的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片横向半剖示意图；
图5为图4的A-A截面剖示图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、前半叶身；2、后半叶身；3、弹性垫片；4、盖板；5、气膜孔；6、凹槽；7、安装边；8、内缘板；801、定位凹槽；9、外缘板。
具体实施方式
本发明所提出的陶瓷-金属两种材质组合的叶片结构，充分利用了燃气轮机透平叶身在前缘最厚、尾缘最薄的特点，采用了分体设计方案，是一种具有工程可行性的叶片结构方案。特点在于前半叶身采用陶瓷材料，陶瓷部分叶身嵌入其余金属部分叶身中。用于燃气透平导向叶片结构设计，可显著降低燃气轮机透平叶片的冷气量。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
在本发明的实施例中，提供一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，包括：
后半叶身，设置于尾缘一侧，后半叶身的材质为金属；
前半叶身，设置于前缘一侧，与后半叶身分体设计，且前半叶身与后半叶身形成完整叶型结构；
其中，前半叶身的材质为陶瓷，用于降低冷却用冷气需求量。
在本发明的实施例中，前半叶身与后半叶身的分界面在完整叶型相对轴向弦长的0.3～0.6位置处。
在本发明的实施例中，后半叶身的两端分别固定连接内缘板和外缘板；内缘板和外缘板与后半叶身的材质相同；内缘板与后半叶身相对一侧设置安装边。
在本发明的实施例中，后半叶身、外缘板、内缘板和安装边均采用高温合金材料，一体铸造。
在本发明的实施例中，陶瓷-金属相结合的透平导向叶片还包括弹性垫片和盖板；内缘板与后半叶身相连接侧设置用于封装前半叶身的定位凹槽；在外缘板上对应位置设置安装孔；
其中，前半叶身一端贯穿安装孔嵌入定位凹槽内，前半叶身的另一端在安装孔处依次通过弹性垫片和盖板进行封装。更为具体的，弹性垫片夹在前半叶身和盖板之间，盖板与外缘板外端面进行焊接。
在本发明的实施例中，定位凹槽包括凹槽底部和凹槽侧壁；凹槽底部为平面，凹槽侧壁为锥面。
在本发明的实施例中，后半叶身与前半叶身相接触的前配合面的叶盆处设置凹槽，或者叶盆和叶背处分别设置凹槽；凹槽沿径向设置一个或者沿径向间隔设置多个；凹槽的横截面形状为矩形。
在本发明的实施例中，在凹槽上设置多个气膜孔，用于将外界与后半叶身的冷却空腔相连通。
在本发明的实施例中，气膜孔采用电加工或者激光打孔制成。
作为本发明的另一个方面，还提供一种燃气轮机，包括如上述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片。
以下结合具体实施例对本发明提供的一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片的结构作进一步说明。
实施例1
如图1和图4所示，本发明的陶瓷-金属组合式透平导向叶片结构，前半叶身1采用陶瓷材料制成，金属叶片部分包括后半叶身2、内缘板8、外缘板9及安装边7，采用高温合金材料整体铸造制成。如图2所示，前半叶身1的一端嵌入叶片内缘板8的定位凹槽801中，并在定位凹槽801四周倒斜角配合；如图1和图5所示，前半叶身1的另一端通过弹性垫片3和封严金属盖板4进行封装。如图3所示，给出了金属叶身前部的冷却方式，在后半叶身2前部配合面的叶盆和叶背分别开凹槽5和气膜孔6。凹槽5可以是连续的或间断的，气膜孔6可以是任意孔型。凹槽5是直接铸造出来的，气膜孔6采用电加工或者激光打孔制成。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，包括：
后半叶身，设置于尾缘一侧，所述后半叶身的材质为金属；
前半叶身，设置于前缘一侧，与所述后半叶身分体设计，且所述前半叶身与后半叶身形成完整叶型结构；
其中，所述前半叶身的材质为陶瓷，用于降低冷却用冷气需求量。
2.根据权利要求1所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述前半叶身与后半叶身的分界面在完整叶型相对轴向弦长的0.3～0.6位置处。
3.根据权利要求1所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述后半叶身的两端分别固定连接内缘板和外缘板；所述内缘板和外缘板与后半叶身的材质相同；所述内缘板与所述后半叶身相对一侧设置安装边。
4.根据权利要求3所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述后半叶身、外缘板、内缘板和安装边均采用高温合金材料，一体铸造。
5.根据权利要求3或4所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述陶瓷-金属相结合的透平导向叶片还包括弹性垫片和盖板；所述内缘板与所述后半叶身相连接侧设置用于封装所述前半叶身的定位凹槽；在外缘板上对应位置设置安装孔；
其中，所述前半叶身一端贯穿所述安装孔嵌入定位凹槽内，所述前半叶身的另一端在所述安装孔处依次通过弹性垫片和盖板进行封装。
6.根据权利要求5所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述定位凹槽包括凹槽底部和凹槽侧壁；所述凹槽底部为平面，所述凹槽侧壁为锥面。
7.根据权利要求1所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述后半叶身与所述前半叶身相接触的前配合面的叶盆处设置凹槽，或者叶盆和叶背处分别设置凹槽；所述凹槽沿径向设置一个或者沿径向间隔设置多个；所述凹槽的横截面形状为矩形。
8.根据权利要求7所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，在所述凹槽上设置多个气膜孔，用于将外界与所述后半叶身的冷却空腔相连通。
9.根据权利要求8所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片，其特征在于，所述气膜孔采用电加工或者激光打孔制成。
10.一种燃气轮机，其特征在于，包括如权利要求1至9任一项所述的陶瓷-金属相结合的透平导向叶片。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112901279A (zh) * 2021-01-29 2021-06-04 大连理工大学 一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片
CN114109519A (zh) * 2022-01-28 2022-03-01 中国航发沈阳发动机研究所 一种基于金属基带陶瓷镶嵌块的导向叶片

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