CN117569874A - 一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，包括叶身和叶冠主体结构，叶身由叶身纱线编织而成，其中，叶身纱线包括叶身经纱和叶身纬纱，叶身经纱和叶身纬纱相互交错编织，叶冠主体结构由叶冠经纱、叶冠纬纱和叶冠接结纱组成，叶身经纱上部的相邻纱线相互交错后，分别引向与叶身经纱主体部分相垂直且方向相反的两个方向，这引出的叶身经纱部分即为叶冠经纱，叶冠纬纱以与叶冠经纱方向相垂直的方式和叶冠经纱相互交错编织，叶冠接结纱捆绑叶冠经纱和叶冠纬纱。本发明叶身‑叶冠连接处纱线更加紧密的接触，填补了铺层结构可能造成三角形空白区域，更有利有基体的沉积，进一步降低叶身‑叶冠连接处的孔隙率。

Description

一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机的技术领域，尤其涉及一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构。

背景技术

随着对更高性能燃气涡轮发动机的不断追求，发动机热端部件的工作温度不断提高，下一代发动机的燃气温度预计达到2300K。目前涡轮转子叶片使用的材料主要为镍基高温合金。对于高温合金，一方面发动机工作温度逼近材料极限；另一方面，由于高温合金密度高，叶片质量大，离心载荷巨大，涡轮部件承载结构、连接结构、支撑结构面临巨大的挑战。

连续纤维增强陶瓷基复合材料凭借优异高温性能，低密度（约为高温合金1/3~1/4）、且克服传统陶瓷材料脆性缺陷的优势成为航空发动机热端部件的理想材料，目前已经在航空发动机静子结构中得到应用。

若能将CMC应用到涡轮转子结构上，将大幅提升发动机的推重比和效率。受限于CMC成型工艺与涡轮转子叶片复杂结构，存在不同的发明思路。为了回避复杂的篦齿结构，针对不带叶冠的转子叶片的结构设计方法（美国专利US 8714932B2，Ceramic matrixcomposite blade having integral platform structures and methods offabrication；中国专利CN 108119188B，一种陶瓷基复合材料转子叶片）；或以铺层结构为出发点，以延伸、缝合等思路形成叶冠结构（美国专利US 8607454B2，Method forproducing a turbomachine blade made from a composite material；美国专利US2013001127A1，Ceramic matrix composite components；美国专利US 20130251939A1，Process for producing ceramic composite components）。

一方面，叶冠结构对于阻止叶片叶尖漏气、二次流等现象，提高涡轮气动效率具有重要作用；另一方面，现有CMC叶片的叶冠结构设计主要从铺层结构出发，叶冠厚度、叶冠与叶身连接强度等难以得到有效保障。因此，有必要结合现有CMC编织工艺特点，以提高叶身-叶冠连接强度，控制叶冠重量为目标，对CMC转子叶片结构设计进行研究。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，包括叶身和叶冠主体结构，叶身由叶身纱线编织而成，其中，叶身纱线包括叶身经纱和叶身纬纱，叶身经纱和叶身纬纱相互交错编织，叶冠主体结构由叶冠经纱、叶冠纬纱和叶冠接结纱组成，叶身经纱上部的相邻纱线相互交错后，分别引向与叶身经纱主体部分相垂直且方向相反的两个方向，这引出的叶身经纱部分即为叶冠经纱，叶冠纬纱以与叶冠经纱方向相垂直的方式和叶冠经纱相互交错编织，叶冠接结纱捆绑叶冠经纱和叶冠纬纱。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的叶冠主体结构与篦齿编织结构相互固定连接，组成整体叶冠，篦齿编织结构从左至右依次由左端编织布、中间编织布和右端编织布缝合而成，左端编织布右端卷曲凸起，使左端编织布形成左端编织布平整段和左端编织布凸起段，中间编织布左右两端均卷曲凸起，使中间编织布形成中间编织布左凸起段、中间编织布平整段和中间编织布右凸起段，右端编织布左端卷曲凸起，使右端编织布形成右端编织布平整段和右端编织布凸起段，左端编织布凸起段与中间编织布左凸起段缝合，共同组成左篦齿，中间编织布右凸起段和右端编织布凸起段缝合，共同组成右篦齿。

上述的叶冠主体结构与篦齿编织结构之间通过叶冠缝合纱缝合为整体叶冠。

上述的叶冠主体结构与篦齿编织结构之间通过胶接或销钉连接组成整体叶冠。

上述的叶身下端通过封严缘板连接伸根，伸根底端设置有燕尾型榫头，燕尾型榫头用于连接涡轮转子叶片与涡轮盘。

上述的叶身纱线还包括叶身接结纱，叶身接结纱在叶身经纱和叶身纬纱之间来回穿梭，对叶身经纱和叶身纬纱进行捆绑，使叶身经纱和叶身纬纱成为一个整体。

上述的叶身由叶身经纱、叶身纬纱和叶身接结纱编织而成的预制件经过填充基体，致密化成型得到。

上述的叶身经纱、叶身纬纱和叶身接结纱采用陶瓷基复合材料制成，基体为碳化硅材料，基体的增强相为碳化硅连续纤维。

上述的叶冠接结纱以正反交替的形式周期性出现，对叶冠经纱和叶冠纬纱进行捆绑。

上述的裁剪部分叶身经纱上部，使其不参与构成叶冠经纱，裁剪时，采取对称裁剪的方式，且不连续裁剪上端同向的相邻的叶身经纱，叶身引出经纱裁剪部分受叶冠厚度设计要求限制。

本发明具有以下优点：

本发明叶片拥有叶冠结构，且叶身与叶冠部分纱线连接经由经纱相互交错后引向叶冠，通过编织形成叶冠整体结构，这种结构对于编织复合材料具有许多优势，具体如下：

就制造而言，叶身-叶冠结构适合于2.5D或三维编织工艺配合增加纱、增减层工艺实现一体化编织；篦齿封严部分可由编织布弯曲成适应的形状缝合而成，并经由缝合或销钉连接与叶冠主体部分形成整体。同时由于叶身-叶冠连接处纱线更加紧密的接触，填补了铺层结构可能造成三角形空白区域，更有利有基体的沉积，进一步降低叶身-叶冠连接处的孔隙率。

就叶片功效而言，相比于无叶冠的CMC叶片结构，此叶片有助于减少叶尖漏气现象，提高涡轮级间气动效率，进一步有助于航空发动机性能的提升。

就叶片强度而言，相比于铺层结构成型的叶片，经过由叶身纱线引出并相互交错的编织方式后，叶片承载叶冠所产生的离心载荷（叶片主要载荷形式）时，一方面纱线编织结构的整体性更强，相比较于铺层结构，拥有更强的层间结合强度；另一方面，由于经纱从叶身到叶冠结构一体化连接，能更有效的发挥纤维在拉伸方向承载能力强的优势，且相互交错位置纱线之间的紧密的接触，提高了应力传递、偏转路径的复杂性，避免结构从有效横截面较小的位置直接断裂，提升了叶片整体的承载能力。

附图说明

图1为带叶冠转子叶片结构等轴侧视图。

图2为转子叶片的叶冠编织结构成型示意图。

图3为转子叶片的叶冠编织结构侧视图。

图4为叶身-叶冠连接位置经纱交错示意图。

图5为铺层方案叶冠示意图与经纱交错方案示例结构CT切片图。

图中，附图标记为：整体叶冠1、叶冠缝合纱1a、篦齿编织结构2、左篦齿2a、右篦齿2b、编织布缝合纱2c、封严缘板3、伸根4、燕尾型榫头5、叶身6、叶身经纱6a、叶身纬纱6b、叶身接结纱6c、右端编织布7、右端编织布平整段7a、右端编织布凸起段7b、左端编织布8、左端编织布平整段8a、左端编织布凸起段8b、中间编织布9、中间编织布左凸起段9a、中间编织布平整段9b、中间编织布右凸起段9c、叶冠主体结构10、叶冠接结纱10a、叶冠经纱10b、叶冠纬纱10c、转变区经纱11、叶身-叶冠连接处12。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。

在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。

除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或单元(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”/“若干”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。

本发明应用于燃气涡轮发动机涡轮转子叶片，特别针对带有叶冠结构的转子叶片，匹配复合材料预制体织造工艺及沉积工艺。图1-图4给出了一个低压涡轮转子叶片叶冠结构案例。

结合已知结构形式，在图1中所示叶片包括整体叶冠1、篦齿编织结构2、叶身6、封严缘板3、伸根4、燕尾型榫头5；篦齿编织结构2结构位于整体叶冠1上；整体叶冠1位于叶身6上方。

图2所示为图1中整体叶冠1结构所对应的预制体纱线细观结构。图中篦齿编织结构2结构分别由三块编织布缝合而成，左端编织布8右端卷曲凸起，使左端编织布8形成左端编织布平整段8a和左端编织布凸起段8b，中间编织布9左右两端均卷曲凸起，使中间编织布9形成中间编织布左凸起段9a、中间编织布平整段9b和中间编织布右凸起段9c，右端编织布7左端卷曲凸起，使右端编织布7形成右端编织布平整段7a和右端编织布凸起段7b，左端编织布凸起段8b与中间编织布左凸起段9a缝合，共同组成左篦齿2a，中间编织布右凸起段9c和右端编织布凸起段7b缝合，共同组成右篦齿2b。需要说明的是，图2中编织布以平纹结构为例，可根据需要选取不同的二维编织结构，如斜纹、缎纹结构等。

将三块编织布组合在一起后，以编织布缝合纱2c将左右篦齿结构的编织布连接在一起，后整体结构以模具压合、沉积固化定型。需要说明的是，篦齿结构包括但不限制于三块编织布，适应产品实际需要，可以在篦齿结构底部适当增加编织布。

图2所示，叶身6由叶身经纱6a、叶身纬纱6b组成，叶身经纱6a、叶身纬纱6b相互交错，并由叶身接结纱6c在叶身经纱6a、叶身纬纱6b之间来回穿梭，对横纵交错的纱线进行捆绑，使编织结构成为一个整体，并结合复合材料增减层及增减纱工艺制成叶身叶型结构。

图2所示叶冠主体结构10中叶冠经纱10b是由叶身经纱6a向上牵引，经过相互交错后引向叶冠主体结构相应的方向。叶冠纬纱10c方向与叶冠经纱10b方向相互垂直，且层数比叶冠经纱10b多一层。叶冠接结纱10a以正反交替的形式周期性出现，对叶冠经、纬纱进行捆绑。

需要说明的是，图2中叶身、叶冠主体结构以三维正交机织编织结构为示例，但不限于此一种结构，2.5D编织、3D机织等编织方式亦可用。

进一步地，将篦齿编织结构2与叶冠主体结构10通过叶冠缝合纱1a连接为一个整体叶冠1。叶冠缝合纱1a纵横交错，在可能多的位置对叶冠结构连接，提高叶冠编织结构的整体性。

需要说明的是，篦齿编织结构2与叶冠主体结构10连接包括但不限于缝合一种形式，结合应用场景与需求情况可采取胶接、销钉连接等多样连接形式。

图3所示为叶身-叶冠编织结构侧视图，图示为叶身-叶冠纱线连接位置，叶身经纱6a向叶冠经纱10b转变处的经纱定为转变区经纱11，方向相反的转变区经纱11通过相互交错形成纱线接触区，使得叶身-叶冠纱线连接位置容纳基体沉积的能力进一步提高。

进一步地，图4为叶身-叶冠经纱交错方式的示意图，在多根转变区经纱11相互交错的情况下，叶身-叶冠连接处12会呈现出更为明显的三角形或菱形区域，纱线间会呈现出更加复杂、紧密的接触状态，进而提升叶身结构对于叶冠离心载荷的承载能力。需要说明的是，为了表征清楚经纱间相互交错的状态，转变区经纱11与篦齿编织结构2之间的距离被有意放大。

图5左侧为铺层方案叶冠结构示意图，可以发现叶身-叶冠连接处12会出现较大的空隙，从而影响结构件的力学性能。图5右侧所示为三维正交机织示例结构CT切片图，图中叶身-叶冠连接处12受到纱线相互交错效果的影响，相比较于左图对应位置，纱线间空隙区域被大幅缩小，为提高基体沉积效果，进一步提高结构承载能力创造了条件。

叶片编织结构推荐使用第三代低氧碳化硅纤维，以便于叶片结构在高温燃气环境下获得更为优异的力学性能及持久性能。由纤维编织而成的预制体经过基体填充，致密化成型得到叶片零部件。

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 (10)

1.一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，包括叶身(6)和叶冠主体结构(10)，所述的叶身(6)由叶身纱线编织而成，其中，叶身纱线包括叶身经纱(6a)和叶身纬纱(6b)，叶身经纱(6a)和叶身纬纱(6b)相互交错编织，其特征是：叶冠主体结构(10)由叶冠经纱(10b)、叶冠纬纱(10c)和叶冠接结纱(10a)组成，叶身经纱(6a)上部的相邻纱线相互交错后，分别引向与叶身经纱(6a)主体部分相垂直且方向相反的两个方向，这引出的叶身经纱部分即为叶冠经纱(10b)，所述的叶冠纬纱(10c)以与叶冠经纱(10b)方向相垂直的方式和叶冠经纱(10b)相互交错编织，所述的叶冠接结纱(10a)捆绑叶冠经纱(10b)和叶冠纬纱(10c)。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶冠主体结构(10)与篦齿编织结构(2)相互固定连接，组成整体叶冠(1)，所述的篦齿编织结构(2)由从左至右依次由左端编织布(8)、中间编织布(9)和右端编织布(7)缝合而成，左端编织布(8)右端卷曲凸起，使左端编织布(8)形成左端编织布平整段(8a)和左端编织布凸起段(8b)，所述的中间编织布(9)左右两端均卷曲凸起，使中间编织布(9)形成中间编织布左凸起段(9a)、中间编织布平整段(9b)和中间编织布右凸起段(9c)，所述的右端编织布(7)左端卷曲凸起，使右端编织布(7)形成右端编织布平整段(7a)和右端编织布凸起段(7b)，所述的左端编织布凸起段(8b)与中间编织布左凸起段(9a)缝合，共同组成左篦齿(2a)，所述的中间编织布右凸起段(9c)和右端编织布凸起段(7b)缝合，共同组成右篦齿(2b)。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶冠主体结构(10)与篦齿编织结构(2)之间通过叶冠缝合纱(1a)缝合为整体叶冠(1)。

4.根据权利要求2所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶冠主体结构(10)与篦齿编织结构(2)之间通过胶接或销钉连接组成整体叶冠(1)。

5.根据权利要求3所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶身(6)下端通过封严缘板(3)连接伸根(4)，伸根(4)底端设置有燕尾型榫头(5)，所述的燕尾型榫头(5)用于连接涡轮转子叶片与涡轮盘。

6.根据权利要求5所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶身纱线还包括叶身接结纱(6c)，所述的叶身接结纱(6c)在叶身经纱(6a)和叶身纬纱(6b)之间来回穿梭，对叶身经纱(6a)和叶身纬纱(6b)进行捆绑，使叶身经纱(6a)和叶身纬纱(6b)成为一个整体。

7.根据权利要求6所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶身(6)由叶身经纱(6a)、叶身纬纱(6b)和叶身接结纱(6c)编织而成的预制件经过填充基体，致密化成型得到。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶身经纱(6a)、叶身纬纱(6b)和叶身接结纱(6c)采用陶瓷基复合材料制成，所述的基体为碳化硅材料，基体的增强相为碳化硅连续纤维。

9.根据权利要求1所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：所述的叶冠接结纱(10a)以正反交替的形式周期性出现，对叶冠经纱(10b)和叶冠纬纱(10c)进行捆绑。

10.根据权利要求7所述的一种陶瓷基复合材料涡轮转子叶片结构，其特征是：裁剪部分叶身经纱(6a)上部，使其不参与构成叶冠经纱(10b)，裁剪时，采取对称裁剪的方式，且不连续裁剪上端同向的相邻的叶身经纱(6a)。