CN112901278B - 一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片 - Google Patents
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Abstract
本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，涉及一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。本发明采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。该结构方案针对涡轮叶片的前缘区域，可实现陶瓷基复合材料构件与叶片金属基体快捷稳固相连，并且在不破坏叶片原有气动外型的前提下，有效的保护涡轮叶片前缘区域和减少对冷却气体的使用，以提高叶片的耐高温能力，以及发动机的推力性能。同时，该陶瓷铠甲在受损后，可在维修中方便更换，并使高价值的叶片金属基体重复利用延长寿命，从而使发动机的使用维护经济性得到大幅度提高。
Description
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，涉及一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。
背景技术
对于航空涡轮发动机，涡轮前燃气温度的提高，意味着发动机推力和性能的提升。在现有1500℃量级的基础上，涡轮进气温度每提高100℃，发动机的推力可以相应的提升10％以上。根据预测，未来先进航空发动机的涡轮前温度有可能超过1800℃，这已经大幅度高于已知高温合金的安全工作温度和常规冷却措施的降温能力。为此，解决涡轮叶片承温能力不足的问题是研制高推重比航空发动机的关键所在。对于涡轮导向叶片来说，其前缘部分直接承受着来自燃烧室的高温高压高速燃气的冲击，是相对容易发生烧蚀破坏的部位，对冷却的需求也更高。目前对涡轮叶片前缘区域的冷却，常规的方法是采用冲击+对流+气膜的复合冷却方式。其典型结构如图1所示，即对涡轮叶片采用中空设计，在涡轮叶片前缘处加工出气膜孔，并采用冷气导管构造出冲击孔(5)，通过冷却气射流冲击靶面增强对流换热，以及冷却气排出前缘时形成气膜覆盖隔绝燃气加热，来提高冷却效果。但随着下一代发动机涡轮进气温度的进一步提高，此类结构暴露出冷却效果低、冷气消耗量大的缺点，已经无法满足要求，迫切的需要改进叶片冷却结构和降低冷气用量。
发明内容
陶瓷基复合材料相较于高温合金可以在更高的环境温度下安全工作，且具有化学性质稳定、耐腐蚀氧化、导热系数低等优点，是替代传统高温合金制作涡轮叶片的可能材料。但是由于陶瓷基复合材料相较金属缺乏足够的强度，加之涡轮叶片在工作中需承受巨大的离心力和气动力载荷，因此难以制成叶片。为解决该问题，实现陶瓷基复合材料在涡轮叶片上的工程应用，发明了一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。该结构方案针对涡轮叶片的前缘区域，可实现陶瓷基复合材料构件与叶片金属基体快捷稳固相连，并且在不破坏叶片原有气动外型的前提下，有效的保护涡轮叶片前缘区域和减少对冷却气体的使用，以提高叶片的耐高温能力，以及发动机的推力性能。同时，该陶瓷铠甲在受损后，可在维修中方便更换，并使高价值的叶片金属基体重复利用延长寿命，从而使发动机的使用维护经济性得到大幅度提高。
本发明为取得上述效果采用了如下技术方案：
如图2所示，一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，包括陶瓷基复合材料前缘和金属基体。陶瓷基复合材料前缘固定在金属基体的前端。所述的陶瓷基复合材料前缘包含两组用于固定的连接卡扣结构，即用于连接前缘部分的前缘固定卡扣和用于固定压力面、吸力面部分的叶身固定卡扣。在安装时，一方面通过叶身固定卡扣插入叶身固定卡槽孔并回弹卡止连接，一方面通过前缘固定卡扣插入前缘固定槽孔，回弹卡住。通过这种双重连接使得前缘铠甲牢固的固定在叶片金属基体之上。
所述的前缘固定卡扣呈现倒勾形，其中前缘固定卡扣凸台宽度W1(12)的典型的取值范围为0.3mm～1mm。前缘固定卡扣头部具有倾角，该前缘固定卡扣头部倾角∠θ1(13)的典型的取值范围为10°～18°。此外，为了安装时顺利通过前缘固定卡槽孔，前缘固定卡扣头部宽度W2(14)必须小于前缘固定卡扣宽度W3(15)，其典型的取值范围分别为1.2mm～3mm和1.2mm～3mm。
所述的叶身固定卡扣的结构呈现叶型弦向弯曲的形状，叶身固定卡扣头部凸起，并朝向叶身外侧。其主要尺寸参数为：叶身固定卡扣与外壁面夹角∠θ2(16)的典型的取值范围为12°～20°；叶身固定卡扣宽度W4(17)的典型的取值范围为0.5mm～2mm；叶身固定卡扣凸台宽度W5(18)的典型的取值范围为0.3mm～1mm；叶身固定卡扣头部宽度W6(19)的典型的取值范围为0.5mm～2mm。前缘固定卡扣和叶身固定卡扣这两部分结构形成一体并光滑转接。
所述的金属基体一般为双联涡轮导向叶片，并由高温合金一体精密铸造而成。在金属基体内部留有内部冷却通道(20)，通过从外部引入的冷却气体带走叶身的热量。金属基体的前缘和叶身留有槽孔，用于前缘固定卡扣和叶身固定卡扣的安装。
有益效果
1.提高了涡轮导向叶片的承温能力和航空发动机推力。
在燃气来流温度不变的情况下，由于陶瓷基复合材料具有较低的导热系数和较高的热阻，可以大幅度削减燃气向叶片金属基体传递的热量，使得被覆盖的金属区域温度得到有效降低，相对于无陶瓷铠甲且常规冷却状态可下降100℃以上，起到了明显的防护作用。有无陶瓷铠甲状态下的叶片沿垂直于壁面方向上的温度变化情况可见图3。此时虽然陶瓷铠甲的温度状态较高，但由于其耐温能力远高于金属，故仍可在安全工作范围之内。利用本发明所采用的上述原理，可以进一步提高涡轮的工作温度，使得叶片仍在可承受范围之内，从而实现发动机推力性能的提高。
2.相较于全陶瓷基复合材料叶片具有更高的强度
虽然陶瓷基复合材料耐温性能优越，但相较于金属材料来说，其强度和韧性不足是明显的劣势，因此难以制成对气动和机械负荷有较高要求的涡轮叶片。相比于完全使用陶瓷基复合材料的方案，本发明的叶片在主体上仍然使用高温合金作为主要受力部件，且陶瓷铠甲并不承受叶片的气动和机械负荷，仅需要基本力学性能和抗冷热疲劳能力即可，回避掉了陶瓷基复合材料强度和韧性较差的问题。通过本发明的解决方法可以使叶片的整体强度得到很好地提高，同时也加大了在高推重比航空发动机中应用陶瓷基复合材料构件的可能。
3.降低发动机的制造、使用和维护成本
在现有基于高温合金和常规冷却方案的涡轮导向叶片中，叶片的前缘相对容易发生烧蚀。而一旦叶片出现了烧蚀破坏，就意味着整个叶片将无法使用，需要更换。加之由于涡轮叶片通常采用价格高昂的合金元素，且制造工艺复杂，导致了发动机的换件(即使用和维护)成本很高。因此，叶片前缘冷却性能的提高，对于涡轮叶片寿命增长和发动机使用维护经济性的提高具有直接的作用和重要的意义。而本发明所设计的陶瓷基复合材料前缘，采用卡扣式固定，为可拆卸式设计(通过破坏卡扣的方式)。当陶瓷铠甲在长时间使用后或受外来物打伤发生破坏时，可将受损的铠甲部分在不破坏叶片金属基体的前提下拆卸和换新，从而使叶片整体使用寿命得到延长，以及降低发动机的制造、使用和维护成本，提高了经济性。
附图说明
图1为现有的冲击+对流+气膜的复合冷却方式示意图。
图2为采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片结构示意图。
图3为有无卡扣时，在叶片前缘厚度方向上的温度变化图。
图4为一种朝向叶盆侧的前缘卡扣固定示意图。
图5为一种内扣式叶身卡扣示意图。
图中：1.涡轮叶片；2.前缘；3.气膜孔；4.冷气导管；5.冲击孔；6.陶瓷基复合材料前缘；7.金属基体；8.前缘固定卡扣；9.叶身固定卡扣；10.叶身固定卡槽孔；11.前缘固定卡槽孔；12.前缘固定卡扣凸台宽度W1；13.前缘固定卡扣头部倾角∠θ1；14.前缘固定卡扣头部宽度W2；15.前缘固定卡扣宽度W3；16.叶身固定卡扣与外壁面夹角∠θ2；17.叶身固定卡扣宽度W4；18.叶身固定卡扣凸台宽度W5；19.叶身固定卡扣头部宽度W6；20.内部冷却通道；21.朝向叶盆的前缘固定卡扣凸台宽度W7；22.内扣式叶身固定卡扣与外壁面夹角∠θ3；23内扣式叶身固定卡扣凸台宽度W8。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
参见图2，本实施例提供的是一种采用朝向叶背的前缘固定卡扣8和外扣式叶身固定卡扣9的涡轮叶片。其结构上包含陶瓷基复合材料前缘6和金属基体7。其连接通过陶瓷基复合材料前缘6上的固定卡扣和金属基体7上的相应固定卡槽。在细节上，前缘固定卡扣8和叶身固定卡扣9头部都朝向叶背，前缘固定卡扣8方向与来流燃气平行。该实施例的典型尺寸为：前缘固定卡扣凸台宽度W1＝0.5mm；前缘固定卡扣头部倾角∠θ1＝15°；前缘固定卡扣头部宽度W2＝1.4mm；前缘固定卡扣宽度W3＝1.4mm。叶身固定卡扣与外壁面夹角∠θ2＝15°；叶身固定卡扣宽度W4＝1mm；叶身固定卡扣凸台宽度W5＝0.3mm，为了使卡扣能顺利安装，该叶身固定卡扣头部宽度W6＝1mm。
实施例2
参见图4和图5，本实施例提供的是一种采用朝向叶盆的前缘固定卡扣8和内扣式叶身固定卡扣9的涡轮叶片。在本实例中，前缘固定卡扣8的方向与来流燃气平行，其和内扣式叶身固定卡扣9的头部朝向均为叶盆一侧。并且朝向叶盆的前缘固定卡扣凸台宽度W7 21的典型的取值范围为W7＝0.3mm～1mm。该实施案例的典型尺寸为：朝向叶盆的前缘固定卡扣凸台宽度W7＝0.4mm；前缘固定卡扣头部倾角∠θ1＝16°；前缘固定卡扣头部宽度W2＝1.2mm；前缘固定卡扣宽度W3＝1.2mm。
内扣式叶身固定卡扣安装角度∠θ322的典型的取值范围为12°～45°；内扣式叶身固定卡扣凸台宽度W8 23的典型取值范围为0.3mm～1mm。该内扣式叶身固定卡扣安装角度∠θ3＝30°；叶身固定卡扣宽度W4＝1.1mm；内扣式叶身固定卡扣凸台宽度W8＝0.4mm，为了使卡扣能顺利安装，叶身固定卡扣头部宽度W6＝1.1mm。
Claims (8)
1.一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，包括陶瓷基复合材料前缘(6)和金属基体(7)；陶瓷基复合材料前缘(6)固定在金属基体(7)的前端；所述的陶瓷基复合材料前缘(6)包含前缘固定卡扣(8)和叶身固定卡扣(9)；叶身固定卡扣(9)插入叶身固定卡槽孔(10)，前缘固定卡扣(8)插入前缘固定槽孔(11)，回弹卡住；通过这种双重连接使得前缘铠甲牢固的固定在叶片金属基体(7)之上；
所述的前缘固定卡扣(8)呈现倒勾形，其中前缘固定卡扣凸台宽度W1(12)的典型的取值范围为0.3mm～1mm；前缘固定卡扣(8)头部具有倾角，为前缘固定卡扣头部倾角∠θ1(13)；所述的前缘固定卡扣(8)的前缘固定卡扣头部宽度W2(14)小于前缘固定卡扣宽度W3(15)；
所述的叶身固定卡扣(9)的结构呈现叶型弦向弯曲的形状，叶身固定卡扣(9)头部凸起，并朝向叶身外侧；其主要尺寸参数为：叶身固定卡扣与外壁面夹角∠θ2(16)的典型的取值范围为12°～20°；前缘固定卡扣(8)和叶身固定卡扣(9)这两部分结构形成一体并光滑转接；
所述的金属基体(7)内部留有内部冷却通道(20)，通过从外部引入的冷却气体带走叶身的热量。
2.如权利要求1所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的金属基体(7)的前缘和叶身留有槽孔，用于固定前缘固定卡扣(8)和叶身固定卡扣(9)。
3.如权利要求1或2所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的前缘固定卡扣头部倾角∠θ1(13)的典型的取值范围为10°～18°。
4.如权利要求1或2所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的叶身固定卡扣(9)的叶身固定卡扣宽度W4(17)的取值为0.5mm～2mm；叶身固定卡扣凸台宽度W5(18)的取值为0.3mm～1mm；叶身固定卡扣头部宽度W6(19)的取值为0.5mm～2mm。
5.如权利要求3所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的叶身固定卡扣(9)的叶身固定卡扣宽度W4(17)的取值为0.5mm～2mm；叶身固定卡扣凸台宽度W5(18)的取值为0.3mm～1mm；叶身固定卡扣头部宽度W6(19)的取值为0.5mm～2mm。
6.如权利要求1或2或5所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的前缘固定卡扣(8)的前缘固定卡扣头部宽度W2(14)和前缘固定卡扣宽度W3(15)的取值分别为1.2mm～3mm和1.2mm～3mm。
7.如权利要求3所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的前缘固定卡扣(8)的前缘固定卡扣头部宽度W2(14)和前缘固定卡扣宽度W3(15)的取值分别为1.2mm～3mm和1.2mm～3mm。
8.如权利要求4所述的一种采用卡扣固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的前缘固定卡扣(8)的前缘固定卡扣头部宽度W2(14)和前缘固定卡扣宽度W3(15)的取值分别为1.2mm～3mm和1.2mm～3mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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