CN117189266A - 涡轮导叶安装结构及涡轮 - Google Patents

Abstract

提供一种涡轮导叶安装结构，包括金属盖板和CMC涡轮导叶，金属盖板上包括至少一个凸起和至少一个斜面，斜面和凸起上还开设有排气凹槽；CMC涡轮导叶包括用于与金属盖板配合的缘板和叶身，叶身包括中空腔，缘板与斜面配合处为次斜面，与凸起配合处为平面或弧面；斜面与次斜面、凸起与平面或弧面间能够发生相对错动；凸起使缘板与金属盖板之间形成间隙空腔，间隙空腔与中空腔连通并与排气凹槽连通，以作为冷却气体的流通区域。上述涡轮导叶安装结构能够有效缓解热失配问题。还提供一种涡轮。

Description

涡轮导叶安装结构及涡轮

技术领域

本发明涉及航空发动机领域，具体涉及CMC涡轮导叶领域。

背景技术

涡轮导向叶片作为燃气涡轮发动机重要的涡轮高温部件，其在服役状态下承受很高的环境温度和气动压力载荷。目前涡轮导叶主要采用高温合金材料制备，这显著影响了涡轮导叶的服役温度上限和发动机整体效能的提升。利用陶瓷基复合材料(Ceramicmatrix composites，CMC)替代高温合金材料制备涡轮导叶，可以充分发挥CMC高温力学性能优异的特点，显著提高涡轮导叶的使用温度上限和发动机的整体效能并减少污染排放。

但是，在温度变化过程中CMC涡轮导叶与金属组件之间会产生显著的热变形失配问题，进而影响装配结构内部安装预紧力的维持；另外CMC涡轮导叶自身的高温还容易导致临近金属组件的超温问题。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种涡轮导叶安装结构，缓解了装配结构内部的热变形失配问题，能够实现有效冷却。

为实现上述目的的涡轮导叶安装结构包括金属盖板和CMC涡轮导叶。金属盖板上包括至少一个凸起和至少一个斜面，所述斜面和所述凸起上还开设有排气凹槽；CMC涡轮导叶包括用于与所述金属盖板配合的缘板和叶身，所述叶身包括中空腔，所述缘板与所述斜面配合处为次斜面，与所述凸起配合处为平面或弧面；所述斜面与次斜面、所述凸起与平面或弧面间能够发生相对错动；所述凸起使所述缘板与所述金属盖板之间形成间隙空腔，所述间隙空腔与所述中空腔连通并与所述排气凹槽连通，以作为冷却气体的流通区域。

在一个或多个实施例中，所述金属盖板包括上盖板和下盖板，所述缘板包括上缘板和下缘板，所述上缘板用于和所述上盖板配合，所述下缘板用于和所述下盖板配合，所述上盖板和/或所述下盖板上设置至少一个凸起和至少一个斜面。

在一个或多个实施例中，所述上盖板上的斜面和上缘板上的次斜面与所述下盖板上的斜面和所述下缘板上的次斜面的倾斜方向设置成近似平行。

在一个或多个实施例中，所述下缘板上的次斜面的法线方向设置成与燃气流动方向的夹角大于0°并小于90°。

在一个或多个实施例中，所述下盖板还包括至少一根金属立柱，所述上盖板包括通孔，各所述金属立柱穿过所述中空腔并穿过所述通孔，该涡轮导叶安装结构还包括金属弹性元件和螺母，所述金属弹性元件用于套设在所述金属立柱的端部外周，所述螺母用于将所述金属弹性元件压紧在所述上盖板上，以凭借所述金属弹性元件的回弹力向所述上盖板、所述CMC涡轮导叶和所述下盖板施加安装预紧力。

在一个或多个实施例中，所述金属立柱包括分别设置叶身前缘、尾缘和吸力面凸起位置的多根立柱，各所述立柱独立地与所述金属弹性元件和多个螺母配合。

在一个或多个实施例中，所述金属立柱包括轴向空腔和多个冷气流出孔，所述冷气流出孔用于连通所述轴向空腔与所述金属立柱外部。

在一个或多个实施例中，所述金属立柱包括安装端，所述安装端包括螺纹，用于与所述螺母螺纹配合。

在一个或多个实施例中，该涡轮导叶安装结构还包括薄壁衬套，内置于所述中空腔内并套设在所述金属立柱外部，其上包括多个冲击冷却孔。

在一个或多个实施例中，所述上盖板包括上限位凹槽，所述下盖板包括下限位凹槽，所述上限位凹槽和所述下限位凹槽分别用于嵌入所述薄壁衬套，并凭借所述金属弹性元件的回弹力使所述薄壁衬套被卡在所述上限位凹槽和所述下限位凹槽之间，以使所述薄壁衬套、所述金属立柱、所述上盖板和所述下盖板限定出环形空腔，所述环形空腔与所述通孔连通。

在一个或多个实施例中，所述上盖板的径向外侧包括环形凸起，所述环形凸起形成环形槽，所述环形槽为所述通孔的一部分，并供所述金属立柱穿过，所述环形槽内用于放置所述金属弹性元件，所述螺母的底面抵在所述环形凸起的凸缘面上。

在一个或多个实施例中，所述环形凸起上还包括多个缺口，所述缺口在所述底面抵在所述凸缘面上时形成进气通道，所述金属弹性元件、所述环形凸起内壁和所述金属立柱外壁形成冷气通道，所述冷气通道与所述进气通道、所述通孔连通。

在一个或多个实施例中，所述金属弹性元件为螺旋弹簧，所述金属弹性元件的截面为矩形。

在一个或多个实施例中，所述上盖板还包括安装挂钩，用于将所述涡轮导叶安装至机匣上。

本发明的另一个目的在于提供一种涡轮，包括上述涡轮导叶。

上述涡轮导叶安装结构通过在金属盖板上设置带有排气凹槽的斜面以及凸起，并将CMC缘板设置成与斜面以及凸起相配合的次斜面以及平面结构，有效的在金属盖板和CMC缘板之间构建出一条与中空腔连通的间隙空腔，从而增加冷却气体的流通路径，有效实现对金属盖板和CMC缘板的冷却。此外，沿叶身高度方向上CMC涡轮导叶与金属立柱之间的热变形差值通过金属弹性元件自身弹性变形的增加或者释放进行补偿，进而避免组件内部安装预紧力过大或松弛的问题；金属上盖板和金属下盖板与CMC上缘板和CMC下缘板之间沿面内各放上的热变形差值通过斜面、凸起、次斜面、平面/弧面之间的相互错动进行释放，防止热失配应力过高的问题产生，有效避免了热失配应力过高和安装预紧力松弛等问题。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是涡轮导叶安装结构的一个实施例的正视图。

图2是涡轮导叶安装结构的一个实施例的径向剖面图。

图3A是叶身的一个实施例的俯视图。

图3B是叶身的一个实施例的仰视图。

图4是下盖板的一个实施例的示意图。

图5是下盖板的一个实施例的正视图。

图6是下盖板的一个实施例的剖面图。

图7是上盖板的一个实施例的俯视图。

图8是上盖板的一个实施例的仰视图。

图9是上盖板的一个实施例的正视图。

图10是上盖板的一个实施例的剖面图。

图11A是螺母的一个实施例的示意图。

图11B是螺母的一个实施例的斜视图。

图12是薄壁衬套的一个实施例的示意图。

图13A是金属弹性元件的一个实施例的剖面图。

图13B是金属弹性元件的一个实施例的斜视图。

图14A是图2中A处的放大图。

图14B是图2中B处的放大图。

图15是涡轮导叶安装结构的一个实施例的横向剖面图。

图16A是涡轮导叶安装结构的一个实施例的部件拆分图。

图16B是涡轮导叶安装结构的一个实施例的部件拆分斜视图。

图17是涡轮导叶安装结构的一个实施例的俯视图。

图18A是上缘板与上盖板配合的剖面图。

图18B是下缘板与下盖板配合的剖面图。

图19A是图18A中E处的放大图。图19B是图18A中F处的放大图。

符号标记说明

1、CMC涡轮导叶

2、下盖板

3、上盖板

4、螺母

5、薄壁衬套

6、金属弹性元件

8、缘板

9、金属盖板

11、叶身

12、下缘板

13、上缘板

51、冲击冷却孔

21、下盖板主体

22、金属立柱

31、上盖板主体

32、环形凸起

33、安装挂钩

41、绑丝孔

42、底面

71、间隙空腔

111、中空腔

121、第二次斜面

131、第一次斜面

211、第二斜面

212、第三排气凹槽

213、第二凸起

214、第四排气凹槽

215、下限位凹槽

221、安装端

222、轴向空腔

223、冷气流出孔

311、第一斜面

312、第一排气凹槽

313、第一凸起

314、第二排气凹槽

315、上限位凹槽

316、通孔

321、缺口

322、环形槽

328、凸缘面

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。

涡轮导向叶片(Turbine vane)是燃气涡轮发动机涡轮的主要静止件，安置于相邻两级涡轮转动叶片之间，承受超高温和气动压力服役环境，用于改变燃气流动方向，使得高速燃气流能够以合适的角度冲击下一级涡轮转动叶片进而高效做功。

由CMC材料制造涡轮导叶具有优异的高温力学性能，但与金属组件之间的适配将产生显著的热变形、热失配问题。热失配(Thermal mismatch)现象是指同一系统内具有不同热膨胀系数的相邻材料或部件在温度变化过程中表现出来的热膨胀变形大小不一致的现象，无法释放的热变形失配会在系统内造成显著的热失配应力，进而影响到装配结构内部安装预紧力的维持。另外CMC涡轮导叶自身的高温还容易导致临近金属组件的超温问题。

本公开所述的涡轮导叶安装结构能够有效缓解装配结构内部的热变形失配问题，并避免出现热失配应力过高、安装预紧力松弛的现象，有效提高装配结构的安全可靠性。

参见图1和图2，本公开所述的涡轮导叶安装结构包括金属盖板9和CMC涡轮导叶1，CMC涡轮导叶1包括用于与金属盖板9配合的缘板8。更具体的，缘板8包括上缘板13、下缘板12和叶身11，金属盖板9包括上盖板3和下盖板2，上缘板13用于和上盖板3配合，下缘板12用于和下盖板2配合。

CMC涡轮导叶1结合图3A和图3B理解，包括上缘板13、下缘板12和连通上缘板13和下缘板12的叶身11，在一个实施例中，上缘板13、下缘板12和叶身11通过CMC一体成型技术制备获得。叶身11包括中空腔111，中空腔111贯穿上缘板13和下缘板12。金属下盖板2设置在CMC下缘板12下侧并与之配合，金属上盖板3设置在CMC上缘板13上侧并与之配合。

在一个实施例中，通过设置金属立柱和弹性件的方式将金属盖板和CMC涡轮导叶固定连接。结合图4所示，下盖板2包括至少一根金属立柱22，上盖板3包括通孔316，各金属立柱22穿过中空腔111并穿过通孔316。该涡轮导叶安装结构还包括金属弹性元件6和螺母4，金属弹性元件6用于套设在金属立柱22的端部外周，螺母4用于将金属弹性元件6压紧在上盖板3上，以凭借金属弹性元件6的回弹力向上盖板3、CMC涡轮导叶1和下盖板2施加安装预紧力。

具体的，如图4至图6所示，下盖板主体21面朝下缘板12，金属立柱22设置在下盖板主体21上，可通过诸如一体成型的方式与下盖板主体21共同制造。金属立柱22远离下盖板主体21的一侧包括安装端221，安装端221包括螺纹，用于在上盖板3处与螺母4螺纹配合。优选的安装端221的直径大于金属立柱22的直径，以便实现与螺母4的固定连接。金属立柱22还包括轴向空腔222和多个冷气流出孔223，冷气流出孔223用于连通轴向空腔222与金属立柱22外部。轴向空腔222作为金属立柱22内部的轴向空腔，用作冷气流路。优选的，冷气流出孔223设置在轴向空腔222下部靠近下盖板2的一侧，上述设计可使冷却空气从上到下流经更大区域的轴向空腔222，进而对整根金属立柱22进行冷却，防止其温度过高。

在一个实施例中，金属立柱22包括分别设置叶身前缘、尾缘和吸力面凸起位置的多根立柱，各立柱独立地与多个金属弹性元件6和多个螺母4配合，上述分布位置设计有利于提高金属装配组件抵抗弯曲和扭转变形的能力，有利于约束CMC涡轮导叶1并抵抗气动压力造成的弯矩和扭矩载荷，减小CMC涡轮导叶1自身的变形和应力水平，提高强度性能。另外，金属弹性元件6的数量与金属立柱22的数量相同，金属立柱22的增加会实现金属弹性元件6数量的增加，有利于增加安装结构内部由金属弹性元件6提供的回弹力合力大小，进而更好地消除因热变形差值而导致的安装预紧力松弛问题。优选的，金属立柱22的数量为三根，并分别设置在靠近CMC叶身前缘、尾缘和吸力面凸起位置。

上盖板3结合图7至10理解，上盖板3包括上盖板主体31和位于两侧的安装挂钩33，安装挂钩33用于将CMC涡轮导叶1安装至机匣上。在一个实施例中，上盖板3的主体区域的径向外侧包括环形凸起32，环形凸起32形成环形槽322，环形槽322为通孔316的一部分，并供金属立柱22穿过。环形槽322内用于放置金属弹性元件6，螺母4的底面42抵在环形凸起32的凸缘面328上。环形凸起32上还包括多个缺口321，缺口321在底面42抵在凸缘面328上时，由于缺口321的存在环形槽322为非密封状态，缺口321形成了进气通道。此时，金属弹性元件6、环形凸起32的内壁和金属立柱22外壁形成一冷气通道，如该冷气通道呈螺旋状冷气通道，该冷气通道与缺口321形成的进气通道以及通孔316连通，该通道可以显著提升冷气对金属弹性元件6的冷却效果。

在一个实施例中，该涡轮导叶安装结构还包括薄壁衬套5，内置于中空腔111内并套设在金属立柱22外部，其上包括多个冲击冷却孔51。也即，如图15所示，薄壁衬套5位于叶身11和金属立柱22之间，薄壁衬套5用于整理冷却气路，提高对CMC叶身的冷却效率。薄壁衬套5上的冲击冷却孔51能够将薄壁衬套5所围空腔内的冷气冲击释放至叶身11，实现叶身11内表面的有效冷却。

在上述实施例的基础之上，薄壁衬套5由上盖板3和下盖板2限定。上盖板3包括上限位凹槽315，下盖板2包括下限位凹槽215，上限位凹槽315和下限位凹槽215分别用于嵌入薄壁衬套5，也即薄壁衬套5上下端通过插入金属上盖板3和下盖板2上的限位凹槽内，并凭借金属弹性元件6的回弹力使薄壁衬套5被卡在上限位凹槽315和下限位凹槽215之间，实现自身的限位固定。此时薄壁衬套5、金属立柱22、上盖板3和下盖板2限定出环形空腔G，该环形空腔G和通孔316连通。如图14A所示，可以理解的是，环形空腔G经过通孔316还和金属弹性元件6、环形凸起32的内壁和金属立柱22外壁形成的冷气通道连通，进而和缺口321形成的进气通道连通，以使得来自上盖板3附近的冷却气体能够经由缺口321进入螺旋状冷气通道。

金属弹性元件6的结构结合图13A和图13B理解，优选的金属弹性元件6为螺旋弹簧，金属弹性元件6的截面为矩形，截面为矩形有利于形成规整的螺旋状冷气通道，可以提高冷却气体对金属弹性元件6的冷却效果。

螺母4的结构参照图11A和11B理解，螺母4包括与金属立杆22的安装端221螺纹配合的螺纹部，还包括靠近上盖板3一侧的底面42。螺母4还包括绑丝孔41，用于配合防松绑丝实现防松。

继续参照图14A理解，当螺母4包括与金属立杆22螺纹拧紧时，底面42抵紧在环形凸起32的凸缘面328上，且将金属弹性元件6挤压在环形凸起32的环形槽322内，此时金属立柱22依次穿过中空腔111、通孔316和放置在环形槽322内的金属弹性元件6，螺母4通过螺纹配合装配在安装端221并通过拧紧力矩向下压缩金属弹性元件6，使其产生回弹力，进而对金属下盖板2、CMC涡轮导叶1和金属上盖板3之间施加安装预紧力，并使得薄壁衬套5卡置在下限位凹槽215和上限位凹槽315内，完成CMC涡轮导叶组件的装配和安装预紧力施加。

在温度变化过程中，沿叶身高度方向上CMC涡轮导叶1与金属立柱22之间的热变形差值通过金属弹性元件6自身弹性变形的增加或者释放进行补偿，进而避免组件内部安装预紧力过大或松弛的问题。

此外，金属盖板9上包括至少一个凸起和至少一个斜面，斜面和凸起上还开设有排气凹槽；与金属盖板9配合的缘板8，缘板8与斜面配合处为次斜面，与凸起配合处为弧面或平面；缘板8与金属盖板9之间形成间隙空腔71，间隙空腔71与中空腔111和排气凹槽连通，作为冷却气体的流通区域，并且凸起与弧面或平面、斜面与次斜面之间能够彼此错动。

具体的，如图8所示，以上盖板3为例，上盖板3包括第一斜面311和第一凸起313，第一斜面311上具有多个第一排气凹槽312，第一凸起313上具有多个第二排气凹槽314。与之对应的，如图3A所示，与上盖板3相配合的上缘板13上具有第一次斜面131，第一次斜面131与第一斜面311彼此配合，用于装配接触限位。此时，第一排气凹槽312的存在使得第一斜面311和第一次斜面131并非为紧贴状态，而是存在由第一排气凹槽312形成的排气槽道。第一凸起313为高出上盖板3主体平面所在高度，并且由于与上盖板3上的第一凸起313配合的上缘板13所在位置为平面或弧面，从而使上盖板3和上缘板13之间受凸起所顶起而形成一间隙空腔71，如图18A和19A所示，间隙空腔71与第二排气凹槽314、第一排气凹槽312连通，形成冷却气体的流通区域，使得上盖板3和上缘板13之间存在气体流通路径，而非紧密接触状态。

又如图4所示，以下盖板2为例，下盖板2上包括第二斜面211和第二凸起213，第二斜面211上包括多个第三排气凹槽212，第二凸起213上包括多个第四排气凹槽214。下缘板12上与第二斜面211相对的面为第二次斜面121，如图3B所示，用于实现接触限位。与第二凸起213相对的面为平面，第二凸起213与下缘板12的平面之间实现法向接触限位。因此，下缘板12和下盖板2之间凭借凸起形成一间隙空腔71，如图18B所示，而且间隙空腔71与第三排气凹槽212和第四排气凹槽214以及中空腔111连通，形成冷气通道。

装配状态下，金属下盖板2压在下缘板12的下表面，并且仅在第二斜面211与第二次斜面121、第二凸起213与下缘板12下表面之间发生限位接触，其余区域均存在间隙空腔71或排气凹槽形成的槽道，因此有效减少了金属盖板与CMC缘板之间的装配面区域，不需要金属盖板与CMC缘板之间的紧密配合，因此也减小了CMC涡轮导向叶片的制备成型和加工难度。

间隙空腔71作为冷却气体的流通区域，能够降低金属盖板和CMC缘板之间的温度，降低超温风险，同时减小两者间的装配贴合面大小，有利于减少CMC缘板或金属盖板的型面精度要求和制备加工难度。

下盖板2和上盖板3还通过斜面可以增强压实夹紧CMC涡轮导叶1的效果。参照图1理解，下盖板2与下缘板12之间的斜面与上盖板3和上缘板13之间的斜面能够提供向上和向下的作用力分量，从而夹紧CMC涡轮导叶1。优选的，上盖板3上的斜面和上缘板13上的次斜面与下盖板2上的斜面和下缘板12上的次斜面的倾斜方向设置成近似平行，从而在导叶的上下方向提供近似对称的作用力。

此外，为进一步提高压实夹紧效果，更高效的传递安装约束力，在一个实施例中，下缘板12的第二次斜面121的法线方向与燃气流动方向的夹角设置成大于0°并小于90°，这样使得接触斜面间传递的接触反力更容易平衡气动压力对CMC涡轮导叶造成的弯矩。燃气流动方向如图1所示的箭头S，下缘板12的第二次斜面121的法线方向设置成与燃气流动方向S的夹角设置成大于0°并小于90°，则将产生与燃气流动方向S相反的一作用力分量，从而平衡燃气流动方向对涡轮导叶造成的弯矩。

在温度变化过程中，涡轮导叶1与金属立柱22之间的热变形差值除了通过金属弹性元件6自身弹性变形的增加或者释放进行补偿、避免组件内部安装预紧力过大或松弛的问题之外，上盖板3和下盖板2与上缘板13和下缘板12之间沿面内各方向上的热变形差值通过上述斜面和次斜面、凸起和平面之间的相互错动进行释放，且冷气能够在间隙空腔内流动，防止出现热失配应力过高的问题，而金属盖板和CMC缘板内其他未接触区域，即非凸起和斜面接触区域，则不存在热变形失配问题。

下面结合上述涡轮导叶安装结构对整体冷却方案进行说明。第一股冷却气体参照图14A和图14B所示。首先，发动机冷却气体被引到上盖板3上表面围成的空腔C内，然后该第一股冷却气体，如图14A和14B中实线箭头所示，经进缺口321所形成的进气通道流入由环形槽322内表面、金属立柱22的安装端221部分的外环面和金属弹性元件6外表面所围成的螺旋状冷气通道内，实现对金属弹性元件6的充分冷却，使金属弹性元件6处于较低的温度水平，从而降低其自身发生高温蠕变、回弹力不足等问题的风险。随后第一股冷气通过金属立柱22与通孔316之间的配合间隙流入薄壁衬套5与上盖板3和下盖板2围成的环形空腔G内。

同时，第二股冷气，如图14A和14B中虚线箭头所示，通过金属立柱22的轴向空腔222流经金属立柱22的内部，对金属立柱22进行充分冷却，降低其自身温度，防止其发生高温弹性模量显著下降或者发生高温蠕变问题，确保其具有足够的变形刚度和强度来传递金属上盖板3和金属下盖板2之间的安装约束载荷。随后第二股冷气通过金属立柱22上的冷气流出孔223也流入薄壁衬套5与金属上盖板3和金属下盖板2围成的环形空腔G内。

然后，薄壁衬套5所围环形空腔G内的冷气，也即第一股和第二股冷气之和，通过冲击冷却孔51对叶身11的内表面进行冲击冷却，通过冲击冷却孔51的分布设计，实现对叶身11高温度区域的有效降温，从而显著降低了温度梯度和热应力水平。

然后，冷却气流流入薄壁衬套5与叶身11内表面之间的、也即中空腔111内的该股冷却气体流入金属盖板9与缘板8之间的间隙空腔71，最后通过第一排气凹槽312、第二排气凹槽314、第三排气凹槽212和第四排气凹槽214流出而进入燃气流道，同时对金属上盖板3、金属下盖板2、下缘板12和上缘板13进行冷却防止超温，至此冷却气路结束。

因此，对于叶身高温区域，通过在薄壁衬套5上开设有大量冲击冷却孔51，引出的冷却气体通过冲击冷却对叶身11内腔表面进行有效冷却；对于安装约束载荷主要承力金属组件金属立柱22，在其内部设计轴向空腔222，冷却气体从轴向空腔222上端入口流入并从下端的冷气流出孔223流出，然后流入薄壁衬套5和金属盖板9内表面围成的环形空腔G内，并通过在缘板8和金属盖板9之间设计大面积的间隙空腔71和排气凹槽，从而供环形空腔G内的冷气流出，有效实现对缘板8和金属盖板9的降温冷却；对于金属弹性元件6，借助其螺旋状结构和金属上盖板3上环形槽322内壁以及金属立柱22外表面围成的螺旋状冷气通道，使得冷气由上端缺口321流入并通过螺旋状冷气通道在下端流出，最后流入薄壁衬套5和金属盖板9内表面围成的环形空腔G中，实现金属弹性元件6的冷却降温。最后所有冷却气体通过上述冷气通槽流入燃气流道。上述冷却结构有效增强了对各部件的冷却效果，显著降低了CMC涡轮导叶组件的超温风险，并且有效减缓了装配结构内部的热变形失配问题，能够避免热失配应力过高和安装预紧力松弛等问题的出现。

下面结合图16A和16B对涡轮导叶安装组件的装配过程进行说明。首先将薄壁衬套5安置在下限位凹槽215内，然后将金属下盖板2连同薄壁衬套5一起插入叶身中空腔111，使得第二斜面211与第二次斜面121贴合，第二凸起213与下缘板12下表面所在平面贴合。然后将金属上盖板3放置在上缘板13上，使得金属立柱22穿过通孔316，使得第一斜面311与第一次斜面131贴合，第一凸起313上表面与上缘板13下表面所在平面贴合。然后将金属弹性元件6套在安装端221外周，并放置于环形槽322内。最后将螺母4拧紧在安装端221上端并施加拧紧力矩，此时金属弹性元件6受到压缩并向上盖板3、CMC涡轮导叶1和下盖板2施加安装预紧力，并使得薄壁衬套5卡置在限位凹槽内，至此完成CMC涡轮导叶组件的装配。

上述涡轮导叶安装结构通过螺母、金属弹性元件和金属立柱，实现的CMC涡轮导叶和金属盖板之间的装配，并凭借弹性力的增加或释放缓解了装配结构内部的热变形失配问题；还通过设计诸如排气凹槽、间隙空腔71、环形空腔G、冷气通道等冷却结构，对导叶高温区域、主要承力金属组件和弹性金属组件等各部件均实现了有效冷却，显著降低了CMC涡轮导叶组件的超温风险，避免出现热失配应力过高和安装预紧力松弛等问题，提高了装配结构的安全可靠性。此外，上述涡轮导叶安装结构整体结构简单，装配面区域小，显著减小了CMC涡轮导向叶片的制备成型和加工难度；利用CMC替代高温合金材料制备燃气涡轮发动机涡轮导叶，克服了高温合金材料使用温度上限低、材料密度大和化学稳定性差的缺点，对促进CMC涡轮导叶的工程应用和燃气涡轮发动机性能指标的提升具有重要价值。

结合上述对涡轮导叶安装结构的介绍，还可以理解到一种涡轮，采用上述涡轮导叶安装结构，具有较佳的性能。

需要说明的是，上述介绍中使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，不代表主次，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种涡轮导叶安装结构，其特征在于，包括：

金属盖板(9)，所述金属盖板(9)上包括至少一个凸起和至少一个斜面，所述斜面和所述凸起上还开设有排气凹槽；

CMC涡轮导叶(1)，包括用于与所述金属盖板(9)配合的缘板(8)和叶身(11)，所述叶身(11)包括中空腔(111)，所述缘板(8)与所述斜面配合处为次斜面，与所述凸起配合处为平面或弧面，所述斜面与次斜面、所述凸起与平面或弧面间能够发生相对错动；

所述凸起使所述缘板(8)与所述金属盖板(9)之间形成间隙空腔(71)，所述间隙空腔(71)与所述中空腔(111)连通并与所述排气凹槽连通，以作为冷却气体的流通区域。

2.如权利要求1所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述金属盖板(9)包括上盖板(3)和下盖板(2)，所述缘板(8)包括上缘板(13)和下缘板(12)，所述上缘板(13)用于和所述上盖板(3)配合，所述下缘板(12)用于和所述下盖板(2)配合，所述上盖板(2)和/或所述下盖板(3)上设置至少一个凸起和至少一个斜面。

3.如权利要求2所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述上盖板(3)上的斜面和上缘板(13)上的次斜面与所述下盖板(2)上的斜面和所述下缘板(12)上的次斜面的倾斜方向设置成近似平行。

4.如权利要求2所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述下缘板(12)上的次斜面的法线方向设置成与燃气流动方向的夹角大于0°并小于90°。

5.如权利要求2所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述下盖板(2)还包括至少一根金属立柱(22)，所述上盖板(3)包括通孔(316)，各所述金属立柱(22)穿过所述中空腔(111)并穿过所述通孔(316)，

该涡轮导叶安装结构还包括金属弹性元件(6)和螺母(4)，所述金属弹性元件(6)用于套设在所述金属立柱(22)的端部外周，所述螺母(4)用于将所述金属弹性元件(6)压紧在所述上盖板(3)上，以凭借所述金属弹性元件(6)的回弹力向所述上盖板(3)、所述CMC涡轮导叶(1)和所述下盖板(2)施加安装预紧力。

6.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述金属立柱(22)包括分别设置叶身前缘、尾缘和吸力面凸起位置的多根立柱，各所述立柱独立地与所述金属弹性元件(6)和多个螺母(4)配合。

7.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述金属立柱(22)包括轴向空腔(222)和多个冷气流出孔(223)，所述冷气流出孔(223)用于连通所述轴向空腔(222)与所述金属立柱(22)外部。

8.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述金属立柱(22)包括安装端(221)，所述安装端(221)包括螺纹，用于与所述螺母(4)螺纹配合。

9.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，该涡轮导叶安装结构还包括薄壁衬套(5)，内置于所述中空腔(111)内并套设在所述金属立柱(22)外部，其上包括多个冲击冷却孔(51)。

10.如权利要求9所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述上盖板(3)包括上限位凹槽(315)，所述下盖板(2)包括下限位凹槽(215)，所述上限位凹槽(315)和所述下限位凹槽(215)分别用于嵌入所述薄壁衬套(5)，并凭借所述金属弹性元件(6)的回弹力使所述薄壁衬套(5)被卡在所述上限位凹槽(315)和所述下限位凹槽(215)之间，以使所述薄壁衬套(5)、所述金属立柱(22)、所述上盖板(3)和所述下盖板(2)限定出环形空腔，所述环形空腔与所述通孔(316)连通。

11.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述上盖板(3)的径向外侧包括环形凸起(32)，所述环形凸起(32)形成环形槽(322)，所述环形槽(322)为所述通孔(316)的一部分，并供所述金属立柱(22)穿过，所述环形槽(322)内用于放置所述金属弹性元件(6)，所述螺母(4)的底面(42)抵在所述环形凸起(32)的凸缘面(328)上。

12.如权利要求11所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述环形凸起(32)上还包括多个缺口(321)，所述缺口(321)在所述底面(42)抵在所述凸缘面(328)上时形成进气通道，

所述金属弹性元件(6)、所述环形凸起(32)内壁和所述金属立柱(22)外壁形成冷气通道，所述冷气通道与所述进气通道、所述通孔(316)连通。

13.如权利要求5所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述金属弹性元件(6)为螺旋弹簧，所述金属弹性元件(6)的截面为矩形。

14.如权利要求2所述的涡轮导叶安装结构，其特征在于，所述上盖板(3)还包括安装挂钩(33)，用于将所述涡轮导叶(1)安装至机匣上。

15.涡轮，其特征在于，包括如权利要求1-14任一项所述的涡轮导叶。