CN116291760A - 一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，包括：内缘板、叶身以及外固定套，所述内缘板以及所述外固定套均为金属材质，所述叶身为陶瓷基复合材料，所述内缘板和所述外固定套均为环形结构，所述内缘板设置在所述外固定套的内侧，所述内缘板与所述外固定套之间圆周等距分布有若干个所述叶身。本发明中，叶身材料为陶瓷基复合材料制成，而用于固定叶身的内缘板、外缘板以及外罩均使用金属材料制成，利用陶瓷基复合材料的耐高温以及低密度的特性，涡轮导向叶片组件在高温工作条件下强度高，寿命长，且降低了对冷却气的需求，可提升航空发动机和燃气轮机的总体性能，以达到发动机减重、提升涡轮前温度、简化冷却系统等目的。
Description
技术领域
本发明属于涡轮技术领域，尤其涉及一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器。
背景技术
现有技术设计的导向器中导向叶片沿周向分成若干扇形段，每一扇形段为单联或多联导向叶片，后者通常将叶身与上、下缘板合成一体，采用高温合金材料一体铸造。如图4所示。
现代航空发动机和燃气轮机为了提高效率追求更高的压气机压比和涡轮进口燃气温度，现有技术设计的金属涡轮导向器在这样的工作条件下，由于燃气温度高于材料的熔点，需要从压气机引出冷却气对金属导向叶片进行冷却，燃气温度越高需要引出的冷却气越多，主要造成两方面的影响：一方面是金属叶片处于高温燃气和低温冷却气之间，金属叶片需承受较高的热应力，这对金属叶片的强度和寿命有不利的影响。另一方面是大量冷却气从压气机引出对航空发动机和燃气轮机的性能有不利影响。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于解决大、中型航空发动机和燃气轮机因较高的涡轮进口温度导致的导向叶片强度寿命不足的问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，包括：内缘板、叶身以及外固定套，所述内缘板以及所述外固定套均为金属材质，所述叶身为陶瓷基复合材料，所述内缘板和所述外固定套均为环形结构，所述内缘板设置在所述外固定套的内侧，所述内缘板与所述外固定套之间圆周等距分布有若干个所述叶身。
进一步地，所述外固定套包括外缘板以及外罩，所述外罩套设在所述外缘板上。
进一步地，所述外缘板的上设有若干个外缘板限位叶型孔，所述外缘板限位叶型孔与所述叶身一一对应配合。
进一步地，所述内缘板的上设有若干个内缘板限位叶型槽，所述内缘板限位叶型槽与所述叶身一一对应配合。
进一步地，所述外缘板限位叶型孔与所述叶身之间存在预留间隙。
进一步地，所述内缘板限位叶型槽与所述叶身之间存在预留间隙。
进一步地，所述外罩由若干个相同的外罩片首尾相接构成。
进一步地，所述外缘板的一端处设有密封圈槽，所述密封圈槽位于所述外罩的外侧，所述密封圈槽与所述外罩之间设有密封圈。
进一步地，所述外罩内设有插槽，所述外缘板的一端设有向外延伸的凸台，所述凸台插设在所述插槽内。
进一步地，所述叶身的一侧端面与所述内缘板贴合，所述叶身的另一侧端面与所述外固定套之间存在间隙。
本发明的技术效果和优点：
本发明中，叶身材料为陶瓷基复合材料制成，而用于固定叶身的内缘板、外缘板以及外罩均使用金属材料制成，利用陶瓷基复合材料的耐高温以及低密度的特性，涡轮导向叶片组件在高温工作条件下强度高，寿命长，且降低了对冷却气的需求，可提升航空发动机和燃气轮机的总体性能，以达到发动机减重、提升涡轮前温度、简化冷却系统等目的；在此基础上使用金属制成内缘板、外缘板以及外罩，则是利用金属材料易塑形的特性，以降低整体涡轮导向器的制作成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器的结构示意图；
图2为本发明一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器的剖视图；
图3为本发明一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器中内缘板下限位叶型槽以及外缘板限位叶型孔的结构示意图；
图4为现有技术中涡轮导向器的结构示意图。
图中：1-外罩、2-内缘板、3-叶身、4-外缘板、5-密封圈、6-密封圈槽、7-内缘板限位叶型槽、8-外缘板限位叶型孔、9-插槽。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
另外，在发明中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分，术语“上”、“下”、“左”、“右”和其它类似词语仅仅是附图中的位置关系。
如图4所示，图4为现有技术中涡轮导向器的结构示意图。现有技术设计的导向器中导向叶片沿周向分成若干扇形段，每一扇形段为单联或多联导向叶片，后者通常将叶身与上、下缘板合成一体，采用高温合金材料一体铸造。
现代航空发动机和燃气轮机中，金属叶片处于高温燃气和低温冷却气之间，金属叶片需承受较高的热应力，这对金属叶片的强度和寿命有不利的影响。并且冷却系统中，大量冷却气从压气机引出对航空发动机和燃气轮机的性能有不利影响。
本发明中，叶身材料为陶瓷基复合材料制成，利用陶瓷基复合材料的耐高温以及低密度的特性，涡轮导向叶片组件在高温工作条件下强度高，寿命长，且降低了对冷却气的需求，可提升航空发动机和燃气轮机的总体性能，以达到发动机减重、提升涡轮前温度、简化冷却系统等目的。
以下通过具体实施例来加以说明。
如附图1所示，本实施例提供一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，包括：内缘板2、叶身3以及外固定套，所述内缘板2以及所述外固定套均为金属材质，所述叶身3为陶瓷基复合材料，所述内缘板2和所述外固定套均为环形结构，所述内缘板2设置在所述外固定套的内侧，所述内缘板2与所述外固定套之间圆周等距分布有若干个所述叶身3。
与高温合金材料相比，陶瓷基复合材料具有密度低、耐高温等优异特性，将其用至涡轮导向叶片上，可实现发动机减重、提升涡轮前温度、简化冷却系统等诸多好处。而陶瓷基复合材料工艺自由度远不如金属材料，因此外固定套以及内缘板2均选用金属材料制成。另一方面，导向器构件中承受高温燃气冲击的主要是叶身3，而内缘板2以及外固定套的温度并没有超出金属承温能力，且金属材料更适合加工成复杂曲面的内缘板2以及外固定套结构。
如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，所述外固定套包括外缘板4以及外罩1，所述外罩1套设在所述外缘板4上。其中，外缘板4上设有若干个外缘板限位叶型孔8，外缘板限位叶型孔8与所述叶身3一一对应配合。而外罩1由若干个相同的外罩片首尾相接构成。在安装涡轮导向器时，将叶身3从外缘板限位叶型孔8插入进行安装，安装好叶身3后，再讲若干个外罩片围绕外缘板4依次连接安装。
如图2和图3所示，在本发明的一个实施例中，所述内缘板2的上设有若干个内缘板限位叶型槽7，所述内缘板限位叶型槽7与所述叶身3一一对应配合。与外缘板限位叶型孔8不同的是，内缘板限位叶型槽7不仅仅用于对叶身3进行限位，还用于支撑以及固定叶身3。为此，所述叶身3的一侧端面与所述内缘板2贴合，所述叶身3的另一侧端面与所述外固定套之间存在间隙。
由于金属材料和陶瓷基复合材料具有不同的热膨胀系数，高温下金属材料的膨胀变形量大于陶瓷基复合材料的膨胀变形量。因此，在本发明的一个实施例中，所述外缘板限位叶型孔8与所述叶身3之间存在预留间隙，所述内缘板限位叶型槽7与所述叶身3之间也存在预留间隙。
通过合理的间隙设计可保证在工作状态下金属上缘板叶型孔和下缘板限位叶型槽向陶瓷基复合材料叶身收缩并挤压陶瓷基复合材料叶身，而陶瓷基复合材料抗压强度远高于抗拉强度，有限的压应力并不会造成陶瓷基复合材料损伤。而上缘板叶型孔和下缘板限位槽的收缩不仅可以实现工作状态下对导叶进行轴向和周向限位，且可对流道进行封严，从而防止燃气泄漏。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述外缘板4的一端处设有密封圈槽6，所述密封圈槽6位于所述外罩1的外侧，所述密封圈槽6与所述外罩1之间设有密封圈5，用于密封外罩1与外缘板4之间的间隙。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述外罩1内设有插槽9，所述外缘板4的一端设有向外延伸的凸台，所述凸台插设在所述插槽9内，以加强外罩1与外缘板4之间的连接。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，包括：内缘板(2)、叶身(3)以及外固定套，所述内缘板(2)以及所述外固定套均为金属材质，所述叶身(3)为陶瓷基复合材料，所述内缘板(2)和所述外固定套均为环形结构，所述内缘板(2)设置在所述外固定套的内侧，所述内缘板(2)与所述外固定套之间圆周等距分布有若干个所述叶身(3)。
2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外固定套包括外缘板(4)以及外罩(1)，所述外罩(1)套设在所述外缘板(4)上。
3.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外缘板(4)的上设有若干个外缘板限位叶型孔(8)，所述外缘板限位叶型孔(8)与所述叶身(3)一一对应配合。
4.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述内缘板(2)的上设有若干个内缘板限位叶型槽(7)，所述内缘板限位叶型槽(7)与所述叶身(3)一一对应配合。
5.根据权利要求3所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外缘板限位叶型孔(8)与所述叶身(3)之间存在预留间隙。
6.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述内缘板限位叶型槽(7)与所述叶身(3)之间存在预留间隙。
7.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外罩(1)由若干个相同的外罩片首尾相接构成。
8.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外缘板(4)的一端处设有密封圈槽(6)，所述密封圈槽(6)位于所述外罩(1)的外侧，所述密封圈槽(6)与所述外罩(1)之间设有密封圈(5)。
9.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述外罩(1)内设有插槽(9)，所述外缘板(4)的一端设有向外延伸的凸台，所述凸台插设在所述插槽(9)内。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于陶瓷基复合材料叶身的涡轮导向器，其特征在于，所述叶身(3)的一侧端面与所述内缘板(2)贴合，所述叶身(3)的另一侧端面与所述外固定套之间存在间隙。
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Cited By (1)
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| CN116906126A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 中国航发北京航空材料研究院 | 陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法 |
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2023
- 2023-03-06 CN CN202310228358.9A patent/CN116291760A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN116906126A (zh) * | 2023-09-14 | 2023-10-20 | 中国航发北京航空材料研究院 | 陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法 |
| CN116906126B (zh) * | 2023-09-14 | 2023-12-08 | 中国航发北京航空材料研究院 | 陶瓷基复合材料与单晶高温合金的多联体导叶及制备方法 |
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