CN117307258A - 一种涡轮导叶结构 - Google Patents

Abstract

提供一种涡轮导叶结构，包括CMC部件和金属盖板，CMC部件包括缘板，缘板用于与金属盖板配合，缘板和金属盖板之间设置轴向施力件，轴向施力件用于向缘板和金属盖板提供轴向预紧力；至少部分缘板的轴向侧面包括缺口，缺口包括第一壁面，至少部分第一壁面为斜面，与该部分缘板配合的金属盖板的轴向侧面包括翻折部，用于与缺口配合，翻折部包括侧壁面，侧壁面与第一壁面平行并与第一壁面面面接触。上述涡轮导叶结构能够保持金属部件和CMC部件的在轴向上的紧密接触，克服了径向、轴向胀差，保证了安装稳定性。

Description

一种涡轮导叶结构

技术领域

本发明涉及涡轮导叶领域，具体涉及CMC涡轮导叶领域。

背景技术

随着民用航空发动机对推力、效率要求的不断提高，发动机进口总温也不断升高，高温起飞工况下涡轮前燃气温度已达1978K。目前，对于涡轮静子件，在采用传统冷却技术和热障涂层技术条件下，传统高温合金材料的服役温度与性能已接近极限，难以满足下一代先进航空发动机的设计要求。

相比于传统高温合金，陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites,CMC)具有如下优势：(1)耐高温：通过提高纤维与基体性能并结合使用环境涂层，CMC材料可承载1650℃工作温度；(2)耐腐蚀；(3)密度低：密度约为高温合金的1/4至1/3。基于这些优势，将CMC材料应用于涡轮静子件如涡轮导向叶片，能够从减少冷气用量、提高涡轮温度、减少NOx排放等多方面提升航空发动机性能，从而满足下一代先进航空发动机需求。

现阶段，CMC部件需要与金属材料配合使用。但受限于制备工艺流程、增强纤维韧性、基体硬度等原因，CMC材料成型难、加工难，因此难以制备形状复杂的构件，否则为CMC与金属结构的装配和安装带来极大困难。此外，CMC材料热膨胀系数约为金属材料的1/3，在于金属材料装配使用时，容易在径向和轴向方向上产生胀差，进而引起冷气泄露、振动、失去约束等问题。CMC材料耐高温性能好但强度较低，设计CMC涡轮导叶时，需尽量降低CMC结构部分承载的应力，另外同样的高温环境下还需要为金属部件提供足够的保护，以保证导叶结构可靠性。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种涡轮导叶结构，能够有效保持金属部件与CMC部件之间在轴向上的紧密接触，克服轴向上的胀差问题。

为实现上述目的的涡轮导叶结构包括CMC部件和金属盖板，所述CMC部件包括缘板，所述缘板用于与所述金属盖板配合。所述缘板和所述金属盖板之间设置轴向施力件，所述轴向施力件用于提供轴向预紧力；至少部分所述缘板的轴向侧面包括缺口，所述缺口包括第一壁面，至少部分所述第一壁面为斜面，与该部分缘板配合的所述金属盖板的轴向侧面包括翻折部，用于与所述缺口配合，所述翻折部包括侧壁面，所述侧壁面与所述第一壁面平行并与所述第一壁面面面接触。

在一个或多个实施例中，所述斜面和所述侧壁面的接触长度大于所述CMC部件和所述金属盖板在轴向方向上的膨胀量之差与所述斜面倾斜角余弦值的比值。

在一个或多个实施例中，所述缺口还包括第二壁面，至少部分所述第二壁面设置成平行于轴向方向，所述翻折部还包括径向末端，所述第二壁面用于隔开所述径向末端与CMC部件。

在一个或多个实施例中，至少部分所述缘板的周向侧面包括缺口，与该部分缘板配合的所述金属盖板的周向侧面包括翻折部。

在一个或多个实施例中，至少部分所述第一壁面设置成平行于径向方向。

在一个或多个实施例中，所述缺口设置在该涡轮导叶结构的吸力面侧。

在一个或多个实施例中，所述缺口设置在该涡轮导叶结构的尾缘侧。

在一个或多个实施例中，该涡轮导叶结构还包括连接杆，所述连接杆贯穿所述CMC部件和所述金属盖板，所述轴向施力件在一温度下的长度变化量设置成大于相同温度下所述连接杆和所述CMC部件的径向膨胀量之差。

在一个或多个实施例中，至少部分所述第一壁面和所述侧壁面设置成平行于径向方向，所述第一壁面与所述侧壁面的接触长度设置成大于所述连接杆和所述CMC部件在径向膨胀量之差。

在一个或多个实施例中，所述金属盖板与所述缘板之间还包括环向密封件。

上述涡轮导叶结构通过设置轴向施力件提供轴向上的回弹力，还提呈倾斜角度面接触的侧壁面和第一壁面，二者的配合使高温合金与CMC在产生胀差后仍能在轴向上保持接触，同时保证了CMC叶身受到的轴向力传递到高温合金结构上，有效克服受热膨胀后金属与CMC材料在径向和轴向上的胀差，避免产生冷气泄露、振动、失去约束等问题，保证了导叶结构可靠性。

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是典型航空发动机的结构示意图。

图2是典型涡轮导向叶片的结构示意图。

图3是涡轮导叶的一个实施例的拆分图。

图4是涡轮导叶结构的一个实施例的正视图。

图5是涡轮导叶结构的一个实施例的剖面图。

图6A是图4中A处的放大图。

图6B是图5中B处的放大图。

图7是涡轮导叶结构的另一个实施例的正视图。

图8是图7中C处的放大图。

符号标记说明

1、短舱

2、风扇

3、压气机

4、燃烧室

5、涡轮

6、缘板

7、翻折部

8、缺口

9、金属盖板

10、涡轮导叶

11、发动机轴线

12、CMC部件

13、上盖板

14、下托板

15、连接杆

71、侧壁面

72、径向末端

81、第一壁面

82、第二壁面

121、上缘板

123、下缘板

132、安装孔

122、叶身

127、环向密封件

141、凸台

150、轴向施力件

160、螺帽

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。

发动机的典型结构参照图1理解，主要包括短舱1、风扇2、压气机3、燃烧室4、涡轮5等部分，涡轮5中包含一定数量的涡轮导叶(turbine guide vane)10，用于整理上游气流。

结合图2所示，涡轮导叶10设置在燃气涡轮发动机高温涡轮部件中，用于对上游高温高压气体进行整流并将其输出到下游。涡轮导叶10一般安装在机匣上，与机匣共同组成静子。由于发动机进口总温不断升高，高温起飞工况下涡轮前燃气温度较高。现涡轮导叶10可采用陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMC)和金属部件共同制成，包括CMC部件12和金属盖板9。金属盖板9包括上盖板13和下托板14；CMC部件12包括缘板6，缘板6包括上缘板121和下缘板123。缘板6用于与金属盖板9配合，完成CMC部件与金属部件之间的装配。

但CMC部件12与金属盖板9的热膨胀系数具有较大差异，因此涡轮导叶在高温工作条件下，将在轴向和径向方向上产生一定胀差，进而引起冷气泄露、振动、失去约束等问题。此外，CMC材料的强度相较于金属材料较低，但能承受较高的高温，因此涡轮导叶结构还要同时兼顾CMC材料和金属材料的强度和耐温特性，以保证导叶结构的可靠性。

本公开的涡轮导叶结构能够缓解轴向上的热失配问题，并且还能兼顾CMC材料和金属材料的强度和耐温特性，保证导叶结构的可靠性。

如图2和图3所示，涡轮导叶10包括CMC部件12和金属盖板9，金属盖板9包括上盖板13和下托板14。需要说明的是，在图2和图3所示的坐标轴中，X方向表示轴向方向，如发动机轴线11所示的延伸方向；Y方向表示涡轮的径向方向。可以理解的是，在图3中，对于单位叶片，与X方向和Y方向均垂直的Z方向代表周向方向。轴向侧面指的是缘板沿X轴两端的面，也即图3中左右方向；周向侧面指的是沿Z轴两端的面，也即图3中的前后方向。

上盖板13、下托板14以及CMC部件12之间由连接杆15连接。CMC部件12包括上缘板121、下缘板123和连接上缘板121与下缘板123的叶身122。上缘板121、下缘板123和叶身122可以是一体制成的，即纤维是连续的；也可以分别制备再组装为整体结构，即纤维不连续。工作时，CMC上下缘板与CMC叶身122组成流道，与高温燃气接触，隔绝了其他金属件与燃气的直接接触，起到了保护作用。

上缘板121与上盖板13配合，下缘板123与下托板14配合，连接杆15穿过上盖板13、CMC部件12以及下托板14，并通过一端的螺帽160施加拧紧力，实现CMC部件12、上盖板13和下托板14之间的连接约束。上盖板13通过挂钩安装边131与安装孔132与外部机匣连接，以实现涡轮导叶10的固定。

继续参照图3至图5理解，在本公开的该涡轮导叶结构中，缘板6和金属盖板9之间设置轴向施力件150，轴向施力件150用于提供轴向预紧力，如弹簧等弹性件，或者由形状记忆合金制成的施力件，依靠形状记忆合金的伪弹性(pseudoelasticity)，通过在高温下的热膨胀向缘板6和金属盖板9施加轴向预紧力。至少部分缘板6的轴向侧面包括缺口8，缺口8包括第一壁面81，至少部分第一壁面81为斜面，与该部分缘板6配合的金属盖板9的轴向侧面包括翻折部7，翻折部7用于与缺口8配合。翻折部7包括侧壁面71，侧壁面71与第一壁面81平行并与第一壁面81面面接触。

将至少部分轴向侧面上的第一壁面81设置为斜面，也即相对于X方向形成一定夹角a，第一壁面81和侧壁面71能产生径向和轴向两个方向上的分力，也即沿Y方向的分力和沿X方向上的分力。在轴向施力件150的作用下，呈斜面的第一壁面81和侧壁面71能始终保证轴向上的紧密接触。由于初始安装时轴向施力件150处于压缩状态，并因此压缩而提供径向预紧力。受热膨胀后，由于金属热膨胀系数大，所以在径向和轴向方向上，金属盖板的变形量都大于CMC部分。此时，诸如弹性件等轴向施力件150产生一定的压缩回复力，首先抵消膨胀差在径向上造成的间隙，还借助于斜面的设计产生轴向方向上的移动，使得第一壁面81和侧壁面71两斜面紧密贴靠，侧壁面71和第一壁面81两斜面的相互错动可以同时抵消在轴向上造成的间隙，能够一定程度上克服轴向上的胀差，保证了安装稳定性和密封性，缓解了轴向方向上的热失配问题。

轴向施力件150可以与缺口8设置在径向方向上的同侧，如图3所示；也可以设置在不同侧，如图7所示。缺口8可以同时设置在轴向两侧，也可以仅设置在轴向一侧，即可实现缓解轴向胀差的效果。如在图7所示的实施例中，轴向施力件150持续的向CMC部件施加向上的回弹力，在发生受热膨胀时，回弹力能够补充CMC部件和金属部件之间的胀差，借助于倾斜配合的位于轴向一侧的第一壁面81和侧壁面71，即可实现轴向方向上的补偿，进而同时减少轴向和径向上的胀差影响。

在一些实施例中，缺口8设置在该涡轮导叶结构的尾缘侧。如继续参照图7所示，右侧F区域表示叶片前缘，左侧T区域表示叶片尾缘，叶片前缘处的压力大于叶片尾缘，气流将从F区域流向T区域。在一个实施例中，缺口8和翻折部7仅设置在涡轮导叶的尾缘侧，也即叶片靠近T区域的一侧，从而借助气压，在气动力作用下将位于CMC部件12上的受力通过面面接触传递至金属部件上，将CMC部件上的力转移至由金属部件承受，从而减少了CMC部件上的自身应力，缓解胀差的同时也保证CMC部件的强度始终满足要求。

在一些实施例中，为了保证工作时上缘板121和上盖板13不发生分离，斜面和侧壁面71的接触长度需要满足一定长度。参照图6A理解，斜面和侧壁面71的接触长度需持续地大于CMC部件12和金属盖板在轴向方向上的膨胀量之差与斜面的倾斜角a的余弦值的比值，也即L1·cos(a)＞ΔLx，其中L1是接触面的接触长度，ΔLx是某一高温下上盖板13和上缘板121在轴向方向，也即X方向上的膨胀量之差，从而保证在发动机工作时上缘板121和上盖板13始终凭借斜面的配合保证金属部件和CMC部件间的连接。

在一些实施例中，如图3所示，所述缺口8还包括第二壁面82，所述翻折部7还包括径向末端72，所述第二壁面82用于隔开所述径向末端72与CMC部件12。由于CMC材质相比于金属材质更耐高温，因此第二壁面82能够避免金属材质的翻折部7的径向末端72直接接触CMC叶身122附近的高温气体，从而有效保护了金属材质的部件，避免其因高温而受到损坏。

在上述实施例的基础之上，至少部分第二壁面82设置成平行于轴向方向，也即第二壁面82平行于X轴方向，以起到缓冲保护的作用。可以理解的是，第二壁面82还可以设置成能够起到缓冲保护作用的其他带有角度的倾斜面。

此外，至少部分所述缘板6的周向侧面也可以包括缺口8’，与该部分缘板配合的所述金属部件的周向侧面包括翻折部7’。如图3和图5所示，缺口8’也包括第一壁面81’，翻折部7’包括侧壁面71’，第一壁面81’和侧壁面71’面面接触。

在一些实施例中，至少部分第一壁面81设置成平行于径向方向，也即平行于Y方向。如图3中下缘板123上的缺口8’所示，第一壁面81’平行于Y方向，与第一壁面81平行的侧壁面71’也平行于Y方向。继续参照图5所示，位于上盖板13或下托板14的周向侧面上的翻折部7’的侧壁面71’也平行于Y轴方向，与位于上缘板121或下缘板123的周向侧面上的缺口8’的第一壁面81’贴合，设置成径向方向能够有助于实现力的较佳传递。

此时，为保证CMC部件与金属部件彼此不脱离，在上述实施例的基础之上，第一壁面81’与侧壁面71’的接触面长度L2持续地大于连接杆15和CMC部件12在径向膨胀量之差。如图6B所示，L2＞ΔLy，ΔLy是高温下连接杆15和CMC部件12在径向方向上的膨胀量之差。满足上述公式，则能够保证在高温下CMC部件12与金属盖板9始终在径向上保持接触而不发生脱离。

继续参照图5所示，位于涡轮导叶结构左侧的区域P为压力面侧，位于涡轮导叶结构右侧的区域S为吸力面侧，由于压力面的工作气压高于吸力面，因此，在一个实施例中，缺口8’和翻折部7’设置在该涡轮导叶结构的吸力面侧，以在气动力作用下，CMC部件12在环向，也即周向上也能够贴靠高温合金，保证了环向力能够传递到高温合金结构上，进而保证导叶结构的可靠性。

在一个实施例中，轴向施力件150在一温度下的径向长度变化量大于相同温度下连接杆15和CMC部件12的径向伸长量之差。轴向施力件150可为高温合金或陶瓷材料制成的弹性件，例如弹片、碟形弹簧等；也可以为热膨胀系数大于连接杆15热膨胀系数的特定材料，如形状记忆合金制成的施力件。轴向施力件150能够在高温下，通过弹性恢复或热膨胀性能，使CMC部件12与金属盖板9仍保持紧密接触。轴向施力件150在高温时能够恢复伸长或受热膨胀，通过选择合适参数的弹簧或合适热膨胀系数的材料，使其在高温下的长度变化量ΔLs大于相同温度下连接杆15和CMC部件12的径向伸长量之差，也即ΔLs＞ΔLy，从而保证CMC上缘板121与轴向施力件150、CMC下缘板123与金属下托板14始终能够保持紧密接触装配。ΔLy是某一高温下连接杆15和CMC部件12在径向膨胀量之差。因此，通过弹性件、斜接触面的配合使CMC材料与高温合金在高温条件下始终保持紧密接触，同时克服了径向和轴向胀差，保证了安装稳定性。

在一些实施例中，金属盖板与缘板之间还包括环向密封件127。例如，在图7中，当下缘板123和下托板14还采用凸台141面面配合时，环向密封件127设置在凸台141和下缘板123所开设的凹槽内，用于阻挡气流流动路径，避免气体泄漏。

上述涡轮导叶结构通过设置倾斜的侧壁面和第一壁面，能够保证CMC部件与金属部件之间在轴向上的紧密接触，还可以借助压差，通过面接触转移受力，尽量降低了CMC部分承载的应力；此外，通过设置第二壁面有效保护了金属部件，避免其受到高温的直接冲击，提高结构的稳定性。

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 (10)

1.一种涡轮导叶结构，包括CMC部件(12)和金属盖板(9)，所述CMC部件包括缘板(6)，所述缘板(6)用于与所述金属盖板(9)配合，其特征在于，

所述缘板(6)和所述金属盖板(9)之间设置轴向施力件(150)，所述轴向施力件(150)用于向所述缘板(6)和所述金属盖板(9)提供轴向预紧力；

至少部分所述缘板(6)的轴向侧面包括缺口(8)，所述缺口(8)包括第一壁面(81)，至少部分所述第一壁面(81)为斜面，

与该部分缘板配合的所述金属盖板(9)的轴向侧面包括翻折部(7)，用于与所述缺口(8)配合，所述翻折部(7)包括侧壁面(71)，所述侧壁面(71)与所述第一壁面(81)平行并与所述第一壁面(81)面面接触。

2.如权利要求1所述的涡轮导叶结构，其特征在于，所述斜面和所述侧壁面(71)的接触长度大于所述CMC部件(12)和所述金属盖板(9)在轴向方向上的膨胀量之差与所述斜面倾斜角余弦值的比值。

3.如权利要求1所述的涡轮导叶结构，其特征在于，所述缺口(8)还包括第二壁面(82)，所述翻折部(7)还包括径向末端(72)，所述第二壁面(82)用于隔开所述径向末端(72)与CMC部件(12)。

4.如权利要求1所述的涡轮导叶结构，其特征在于，至少部分所述缘板(6)的周向侧面包括缺口(8’)，与该部分缘板配合的所述金属盖板(9)的周向侧面包括翻折部(7’)。

5.如权利要求1或4所述的涡轮导叶结构，其特征在于，至少部分所述第一壁面(81)设置成平行于径向方向。

6.如权利要求4所述的涡轮导叶结构，其特征在于，所述缺口(8’)设置在该涡轮导叶结构的吸力面侧。

7.如权利要求1所述的涡轮导叶结构，其特征在于，所述缺口(8)设置在该涡轮导叶结构的尾缘侧。

8.如权利要求5所述的涡轮导叶结构，其特征在于，该涡轮导叶结构还包括连接杆(15)，所述连接杆(15)贯穿所述CMC部件(12)和所述金属盖板(9)，所述轴向施力件(150)在一温度下的长度变化量设置成大于相同温度下所述连接杆(15)和所述CMC部件(12)的径向膨胀量之差。

9.如权利要求8所述的涡轮导叶结构，其特征在于，至少部分所述第一壁面(81)和所述侧壁面(71)设置成平行于径向方向，所述第一壁面(81)与所述侧壁面(71)的接触长度设置成大于所述连接杆(15)和所述CMC部件(12)在径向膨胀量之差。

10.如权利要求1所述的涡轮导叶结构，其特征在于，所述金属盖板(9)与所述缘板(6)之间还包括环向密封件(127)。