CN111636926B - 陶瓷基复合材料t形涡轮转子结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构，叶身和缘板均由陶瓷基复合材料纤维布编织沉积形成，叶身处的陶瓷基复合材料纤维布延伸至叶根处后，分别向两侧呈90°弯折，形成缘板，使得叶身和缘板形成T形一体式结构，涡轮盘的第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体能相互固定并将缘板夹持固定在第一爪状卡槽和第二爪状卡槽组成的固定槽中，叶身由固定槽上表面形成的固定槽通孔伸出，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片离心力等效于涡轮盘的外周缘作用在缘板纤维布表面的法向压力。本发明增大了叶片与轮盘间承力部位的接触面积，减小了应力，从而提高了装置整体安全性，省去了榫头、伸根等结构，极大地减轻了叶片重量，使叶片所受离心载荷也大幅较小。
Description
技术领域
本发明涉及航空发动机结构设计领域，具体为一种陶瓷基涡轮转子结构，特别涉及陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构。
背景技术
航空发动机是世界上工业设计中“高技术、高成本、高附加值”的代表领域，在一代又一代的技术革新下，航空发动机已经发展到了第四代。涡轮转子叶片是航空发动机的核心部件，为发动机产生动力提供基础。随着发动机的升级换代，涡轮转子叶片的设计与制造方法也在不断改进，新材料、新工艺不断得到应用，从实心到空心，从普通高温合金到金属间化合物，涡轮转子叶片所能承受的温度也在不断升高。
按照当今的航空发动机发展规划，到第五代时，涡轮前温度将达到2100-2200K，如今的涡轮转子叶片已不满足在这样高温下的工作条件，亟需发展新型涡轮转子叶片以应对未来的发展需求。而陶瓷基复合材料具有耐高温，高模量，低密度的优点，非常适合于在新一代航空发动机涡轮中使用。根据在涡轮中的使用条件和转子叶片的载荷特点，设计新型涡轮转子叶片是发展新一代发动机的重要任务。
目前世界上还没有一款使用了陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的发动机进入实战服役，此种叶片基本都还处于研究试验阶段。但公开资料显示，已有的叶片构型大多采用了传统的燕尾形式，使用榫头与涡轮盘连接传力。而不管采用何种编织方式，燕尾形叶片的编织结构都较为复杂，叶身到榫头的过渡变形都可能对陶瓷基复合材料的力学性能带来损伤；缘板结构的固定和保证其强度也是亟待解决的问题。
现有发明专利《陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构及涡轮盘》（申请号：202010248762.9），该专利提供了一种陶瓷基复合材料榫头结构。该结构通过层叠、裁剪纤维布，形成纤维布与叶身厚度方向近乎平行的榫头铺层结构。在涡轮叶片使用过程中，由纤维布边缘形成的榫头侧面受力。这种结构的受力特点为：纤维布受平行纤维布的面内剪切力，面内纱线受横向剪切和纵向拉伸力。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是针对背景技术提出的问题，提供一种陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构。
为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构，包括陶瓷基复合材料涡轮转子叶片和涡轮盘，其中：陶瓷基复合材料涡轮转子叶片包括叶身和缘板，叶身和缘板均由陶瓷基复合材料纤维布编织沉积形成，叶身处的陶瓷基复合材料纤维布延伸至叶根处后，分别向两侧呈90°或近似90°弯折，形成缘板，使得叶身和缘板形成T形一体式结构，涡轮盘由第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体构成，第一涡轮盘分体的外周缘各开设有第一爪状卡槽，第二涡轮盘分体的外周缘各开设有第二爪状卡槽，第一爪状卡槽和第二爪状卡槽的形状与缘板的形状相适应，第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体能相互固定并将缘板夹持固定在第一爪状卡槽和第二爪状卡槽组成的固定槽中，叶身由固定槽上表面形成的固定槽通孔伸出，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片离心力等效于涡轮盘的外周缘作用在缘板纤维布表面的法向压力。
为优化上述结构形式，采取的具体措施还包括：
上述的叶身的叶根处往外拓展有叶根凸块，叶根凸块位于缘板上表面，缘板夹持固定在第一爪状卡槽和第二爪状卡槽中时，叶根凸块与固定槽通孔的边缘完全契合，使涡轮盘轮缘外气流通道完整光滑。
上述的缘板外轮廓为与第一爪状卡槽和第二爪状卡槽弧面相适应的曲面，缘板夹持固定在第一爪状卡槽和第二爪状卡槽中时，缘板与第一爪状卡槽和第二爪状卡槽契合，叶身位于缘板的中心位置。
上述的加厚叶身时，在叶身两侧弯折陶瓷基复合材料纤维布的中间加入不弯折的陶瓷基复合材料纤维布，弯折陶瓷基复合材料纤维布和不弯折的陶瓷基复合材料纤维布共同形成新的叶身。
上述的加厚缘板时，在缘板下方也叠加陶瓷基复合材料纤维布，与缘板的陶瓷基复合材料纤维布进行缝合，共同形成新的缘板。
上述的第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体均分别由盘缘、幅板和轮毂组成，轮毂位于相应涡轮盘分体中心，用于与涡轮轴连接，幅板为涡轮盘分体主体部分，盘缘设于幅板外缘，第一爪状卡槽和第二爪状卡槽设置在相应涡轮盘分体的盘缘上。
上述的第一爪状卡槽和第二爪状卡槽相对的一端均有开口，缘板从该开口插入对应的爪状卡槽中，第一爪状卡槽和第二爪状卡槽的宽度均为开口端向槽内两侧由大到小过渡。
上述的第一爪状卡槽的数量为若干个，等弧度布设在第一涡轮盘分体上，相邻第一爪状卡槽相互连通，形成环形槽体，第二爪状卡槽的数量与第一爪状卡槽的数量相等，等弧度布设在第二涡轮盘分体上，相邻第二爪状卡槽相互连通，形成环形槽体，相应的，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的数量与第一爪状卡槽的数量相等，各陶瓷基复合材料涡轮转子叶片的缘板依次对接组合时，形成以环体，该环体能正好插入第一爪状卡槽和第二爪状卡槽形成的环形槽体中固定。
上述的陶瓷基复合材料纤维布由经纱与纬纱经交织穿插形成。
上述的第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体上均设置有螺栓孔，螺栓同时穿过第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体上的螺栓孔将第一涡轮盘分体和第二涡轮盘分体固定为一体。
与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明的缘板纤维布由叶身纤维布延伸至过渡处后，经翻折与叶身近似呈90度，由缘板纤维布表面承受叶片离心力。由于轮盘将缘板固定，叶片离心力等效于作用在缘板纤维布表面的法向压力。此种受力方式相较202010248762.9陶瓷基复合材料涡轮转子叶片盘榫连接结构及涡轮盘，增大了叶片与轮盘间承力部位的接触面积，减小了应力，同时由于纤维布的法向压缩强度高于其面内剪切强度，该受力特点决定了该形式结构安全性高于上述专利。
2、本发明的叶片的叶身与缘板采用一体式编织方式，利用缘板与轮盘配合固定叶片。其结构相较其他形式的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能保证纱线应可能不被打断，在满足使用强度的情况下，形式较为简单，能大幅减少叶片的重量。相较于金属叶片，能够承受更高的涡轮温度，同时叶片能满足涡轮转子叶片在工作条件下的使用要求，有利于增加发动机的整体推力，提升发动机性能。与其配套的涡轮盘采用分体式设计，利用轮盘边缘处的爪状卡槽结构夹持叶片缘板，通过与叶片叶根凸块配合形成完整的气流通道。
3、该叶片由叶身、叶根凸块和缘板组成，由缘板承载叶片所受离心力，其形式较传统叶片较为简单，省去了榫头、伸根等结构，极大地减轻了叶片重量，使叶片所受离心载荷也大幅较小。
4、该叶片采用的T形编织形式，利用沿叶高方向的经纱承受叶片所受离心载荷，与经纱垂直的纬纱参与编织，纤维布在叶身与缘板连接处弯曲过渡形成缘板，其形式尽可能保证了纤维布的完整性与纤维不被打断，同时增加了缘板承受离心载荷的受力面积，减少了纤维所承受载荷。
附图说明
图1为陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构爆炸图；
图2为陶瓷基复合材料T形涡轮转子叶片外形示意图；
图3为陶瓷基复合材料T形涡轮转子叶片编织示意图；
图4为涡轮盘外形示意图；
图5为陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构装配示意图。
其中，附图标记为：陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1、经纱1a、纬纱1b、叶身11、叶根凸块12、缘板13、涡轮盘2、第一涡轮盘分体2a、第二涡轮盘分体2b、轮毂21、盘缘22、幅板23、螺栓孔24、第一爪状卡槽25、第二爪状卡槽26、爪状卡齿27。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
本实施例的陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构由陶瓷基复合材料T形涡轮转子叶片1及其涡轮盘2组成，涡轮盘可分为第一涡轮盘分体2a和第二涡轮盘分体2b，如图1所示。
本例中，叶片叶身11与缘板13采用一体式编织方式，利用缘板13与涡轮盘2配合固定陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1。该叶片缘板纤维布由叶身纤维布延伸至过渡处后，经翻折与叶身近似呈90度，由缘板纤维布表面承受叶片离心力。由于轮盘将缘板固定，叶片离心力等效于作用在缘板纤维布表面的法向压力。其结构相较其他形式的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片能保证纱线应可能不被打断，在满足使用强度的情况下，形式较为简单，能大幅减少叶片的重量。与其配套的涡轮盘2采用分体式设计，利用轮盘边缘处的爪状卡槽夹持叶片缘板13，通过与叶片叶根凸块12配合形成完整的气流通道。
该陶瓷基复合材料T形涡轮转子叶片由叶身11、叶根凸块12、缘板组成13，经纤维编织成纤维布，经过层叠、修剪得到叶片预制，最后通过CVI工艺沉积基体而成。叶身11的外形由专业流体计算软件与叶形设计软件生成，至叶根处有一往外拓展的叶根凸块12，该凸块12在叶片缘板13插入涡轮盘2时，能与轮盘爪状卡槽结构完全契合，保证盘缘22外气流通道完整光滑，避免气流损失。
缘板13与叶身11经叶根凸块12连接，缘板13为外形为带有弧度的曲面沿轮盘半径方向拉伸而成，叶身11底部叶形与缘板13边缘平行的几何中线切线位于缘板13周向区域的中心。此时，叶身位于缘板中心，能保证缘板能较好地承受载荷。当数个陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1组合时，缘板13上下表面能形成圆形曲面，前后表面能形成圆环状平面。
陶瓷基复合材料T形涡轮转子叶片1的纤维布由经纱1a与纬纱1b经交织穿插形成，沿叶高方向的经纱1a可以承受主要的离心载荷，与经纱垂直的纬纱1b能参与编织，并保证纤维布其他方向的综合力学性能。叶身11处的纤维布延伸至叶根处后，分别向两侧弯折，形成缘板13。同时，如需加厚叶身，可以在两侧弯折纤维布中间加入不弯折的纤维布，共同形成叶身。在缘板下方也可叠加纤维布，与上方纤维布进行缝合，增加缘板厚度，提高缘板抗弯性能。将上述纤维布按照叶片外形进行剪切，放入特制模具中固定压紧，经过沉积基体，即可制备得到陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1。
本例中的涡轮盘2由两块第一涡轮盘分体2a及第二涡轮盘分体2b组成，每块分体上各有轮毂21、盘缘22、幅板23、爪状卡槽、爪状卡齿以及螺栓孔24。第一涡轮盘分体2a具有第一爪状卡槽25以及对应的爪状卡齿27，第二涡轮盘分体2b具有第二爪状卡槽26以及对应的爪状卡齿27，其中爪状卡槽沿盘缘22周向分布，由轮缘22内部的空心腔体和轮缘表面的爪状卡齿27组成。当陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1与涡轮盘2装配时，先固定第一涡轮盘分体2a，将叶片1分别插入第一爪状卡槽25中，再将第二涡轮盘分体2b与陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1对齐插入，通过两块轮盘分体将缘板13卡住，可以保证陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1的固定，不随涡轮盘2旋转而飞出。为保证陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1能顺利与涡轮盘2配合，需确保第一爪状卡槽25和第二爪状卡槽26的宽度均为开口端向槽内两侧由大到小过渡。
将陶瓷基复合材料涡轮转子叶片1插入爪状卡槽固定后，用螺栓穿入幅板23上的螺栓孔24，栓连两块涡轮盘分体。轮盘中心的轮毂21用于插入发动机主轴，将涡轮生成的扭矩传递至其余工作部件。
本例中叶片由缘板承载叶片所受离心力，其形式较传统叶片较为简单，省去了榫头、伸根等结构，极大地减轻了叶片重量，使叶片所受离心载荷也大幅较小。该叶片采用的T形编织形式，利用沿叶高方向的经纱承受叶片所受离心载荷，与经纱垂直的纬纱参与编织，纤维布在叶身与缘板连接处弯曲过渡形成缘板，其形式尽可能保证了纤维布的完整性与纤维不被打断，同时增加了缘板承受离心载荷的受力面积，减少了纤维所承受载荷。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.陶瓷基复合材料T形涡轮转子结构，包括陶瓷基复合材料涡轮转子叶片(1)和涡轮盘(2)，其特征是：所述的陶瓷基复合材料涡轮转子叶片(1)包括叶身(11)和缘板(13)，所述的叶身(11)和缘板(13)均由陶瓷基复合材料纤维布编织沉积形成，所述的叶身(11)处的陶瓷基复合材料纤维布延伸至叶根处后，分别向两侧呈90°或近似90°弯折，形成缘板(13)，使得叶身(11)和缘板(13)形成T形一体式结构，所述的涡轮盘(2)由第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)构成，第一涡轮盘分体(2a)的外周缘各开设有第一爪状卡槽(25)，第二涡轮盘分体(2b)的外周缘各开设有第二爪状卡槽(26)，所述的第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)的形状与缘板(13)的形状相适应，第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)能相互固定并将缘板(13)夹持固定在第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)组成的固定槽中，叶身(11)由固定槽上表面形成的固定槽通孔伸出，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片(1)离心力等效于涡轮盘(2)的外周缘作用在缘板(13)纤维布表面的法向压力；所述的叶身(11)的叶根处往外拓展有叶根凸块(12)，所述的叶根凸块(12)位于缘板(13)上表面，缘板(13)夹持固定在第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)中时，叶根凸块(12)与固定槽通孔的边缘完全契合，使涡轮盘(2)轮缘外气流通道完整光滑；加厚叶身(11)时，在叶身(11)两侧弯折陶瓷基复合材料纤维布的中间加入不弯折的陶瓷基复合材料纤维布，弯折陶瓷基复合材料纤维布和不弯折的陶瓷基复合材料纤维布共同形成新的叶身(11)；缘板(13)外轮廓为与第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)弧面相适应的曲面，所述的缘板(13)夹持固定在第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)中时，缘板(13)与第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)契合，所述的叶身(11)位于缘板(13)的中心位置；加厚缘板(13)时，在缘板(13)下方也叠加陶瓷基复合材料纤维布，与缘板(13)的陶瓷基复合材料纤维布进行缝合，共同形成新的缘板(13)；所述的第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)均分别由盘缘(22)、幅板(23)和轮毂(21)组成，轮毂(21)位于相应涡轮盘分体中心，用于与涡轮轴连接，幅板(23)为涡轮盘分体主体部分，盘缘(22)设于幅板(23)外缘，第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)设置在相应涡轮盘分体的盘缘(22)上；所述的第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)相对的一端均有开口，缘板(13)从该开口插入对应的爪状卡槽中，第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)的宽度均为开口端向槽内两侧由大到小过渡；所述的第一爪状卡槽(25)的数量为若干个，等弧度布设在第一涡轮盘分体(2a)上，相邻第一爪状卡槽(25)相互连通，形成环形槽体，第二爪状卡槽(26)的数量与第一爪状卡槽(25)的数量相等，等弧度布设在第二涡轮盘分体(2b)上，相邻第二爪状卡槽(26)相互连通，形成环形槽体，相应的，陶瓷基复合材料涡轮转子叶片(1)的数量与第一爪状卡槽(25)的数量相等，各陶瓷基复合材料涡轮转子叶片(1)的缘板(13)依次对接组合时，形成以环体，该环体能正好插入第一爪状卡槽(25)和第二爪状卡槽(26)形成的环形槽体中固定；所述的陶瓷基复合材料纤维布由经纱(1a)与纬纱(1b)经交织穿插形成；所述的第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)上均设置有螺栓孔(24)，螺栓同时穿过第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)上的螺栓孔(24)将第一涡轮盘分体(2a)和第二涡轮盘分体(2b)固定为一体。
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