CN117823234B - 一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，涉及航空发动机技术领域；而本发明包括复合材料叶身、复合材料缘板及复合材料榫头，复合材料叶身的前缘侧和尾缘侧共设置有两个冷却空腔，复合材料叶身由多层纤维层叠的叶身外层、纤维层叠的叶身内层尾缘层、纤维层叠的叶身内层前缘层三部分经过层叠、缝合组成；本发明中，采用陶瓷纤维层叠的方式形成空心叶片的双内腔结构，叶身包含多排树枝形冷却气膜孔，叶片尾缘位置设置尾劈缝，实现叶片高效冷却。层叠纤维通过简单的层间缝合以提高层间强度，改善复合材料叶片的宏观性能。本发明通过简单的纤维层叠方式，实现了气冷空心叶片的结构。

Description

一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构

技术领域

本发明涉及航空发动机技术领域，具体为一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构。

背景技术

陶瓷基复合材料因其耐高温和低密度的优势，有望用于航空发动机及燃气涡轮发动机的高温部件，特别是高温转动构件，如涡轮工作叶片。涡轮叶片工作在高温燃气环境中，为降低其基体工作温度，一般设计为空心结构采用较低温的高压空气进行冷却，叶片空腔设置、气膜孔、尾劈缝都是重要的叶片冷却结构。陶瓷基复合材料构件的结构形式需要适应其纤维布置的工艺可行性。对于需要进行冷却的复合材料涡轮叶片工作叶片，空腔、气膜孔和尾劈缝的结构形式是纤维布置的重要设计内容，针对上述问题，发明人提出一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构用于解决上述问题。

发明内容

为了解决现有技术中的复合材料叶片采用的纤维布层叠结构较为复杂的问题；本发明的目的在于提供一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，包括复合材料叶身、复合材料缘板及复合材料榫头，所述复合材料叶身的前缘侧和尾缘侧共设置有两个冷却空腔，所述复合材料叶身由多层纤维层叠的叶身外层、纤维层叠的叶身内层尾缘层、纤维层叠的叶身内层前缘层三部分经过层叠、缝合而成；在叠层、缝合时，首先将纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层按照叶片型面层叠后并放置在一起，在纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层相互接触的位置进行缝合，然后将多层纤维层叠的叶身外层包覆在纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层的外侧，再进行缝合。

叶身带冷却气膜孔，由各层纤维按规律开设孔洞层叠组成。

优选地，所述复合材料叶身上设有多个冷却孔，且该冷却孔从外到内穿过复合材料叶身的一端面与冷却空腔连通。

优选地，所述纤维层叠的叶身外层根据厚度需要由多层陶瓷纤维布层叠为一个整体铺层，所述层叠纤维在叶身尾缘位置进行缝合或针刺形成尖锐的叶身尾缘外侧，其搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层。

优选地，所述叶身外层中的每一层陶瓷纤维布层叠都设有冷却孔，且从内到外冷却孔的孔径逐渐减小，形成树枝形冷却气通道。

优选地，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层将叶身内部冷气通道分成前缘侧空腔和尾缘侧空腔，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层在尾缘位置进行纤维层搭接，搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层，并在纤维层搭接位置进行缝合或针刺。

优选地，所述复合材料叶身内外层纤维层在其接触的主要部位进行纤维缝合或针刺以增强层间性能。

优选地，所述纤维层叠的叶身内层前缘层无尖锐区，可直接采用纤维层叠、卷曲等方式形成，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层在尾缘进行缝合，并在叶背侧开出一排孔形成尾缘劈缝的冷区道。

优选地，所述叶身尾缘劈缝通过在叶身内外层纤维层上开出通道构成。

优选地，所述纤维层叠的叶身外层的尾劈缝通道位于外层的叶盆侧，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层的尾劈缝通道位于内层的叶背侧，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层叶背侧的尾劈缝通道为等截面，并大于内层尾缘层搭接区域，以使内腔冷气经劈缝流出。

优选地，所述纤维层叠的叶身外层叶盆侧的尾劈缝通道为扩张截面，如梯形截面。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明中，采用纤维布层叠的方式形成空心叶片的双内腔结构，叶身设置树枝形冷却气膜孔，叶片尾缘设置尾劈缝，实现叶片高效冷却。层叠纤维通过简单的层间缝合以提高层间强度，改善复合材料叶片的宏观性能。本发明通过简单的纤维层叠方式，实现了气冷空心叶片的结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构示意图。

图2为本发明纤维层叠的叶身外层示意图。

图3为本发明叶身气膜孔采用的带不同孔洞尺寸和间距的纤维层示意图。

图4为本发明带不同孔洞尺寸和间距的纤维层按照一定从大到小的规律层叠的气膜孔及其冷气流向示意图。

图5 为本发明树枝形冷却气通道示意图。

图6为本发明纤维层叠的叶身内层尾缘层示意图。

图7为本发明纤维层叠的叶身内层前缘层示意图。

图8为本发明叶身内外层的层间缝合截面示意图。

图9为本发明纤维层叠叶身尾劈缝横截面示意图。

图10为本发明叶身内层尾劈缝结构示意图。

图11为本发明叶身外层尾劈缝结构示意图。

图中：1、复合材料叶身；2、复合材料缘板；3、复合材料榫头；11、纤维层叠的叶身外层；12、纤维层叠的叶身内层尾缘层；13、纤维层叠的叶身内层前缘层；111、外层陶瓷纤维布；112、中层陶瓷纤维布；113、内层陶瓷纤维布。

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。

实施例：如图1-11所示，本发明提供了一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，包括复合材料叶身1、复合材料缘板2及复合材料榫头3，复合材料叶身1的前缘侧和尾缘侧共设置有两个冷却空腔，复合材料叶身1由多层纤维层叠的叶身外层11、纤维层叠的叶身内层尾缘层12、纤维层叠的叶身内层前缘层13三部分经过层叠、缝合而成；在进行层叠、缝合时，首先将纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层按照叶片型面层叠后并放置在一起，在纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层相互接触的位置进行缝合，然后将多层纤维层叠的叶身外层包覆在纤维层叠的叶身内层尾缘层和纤维层叠的叶身内层前缘层的外侧，如图8所示按照前缘叶背缝合、前缘叶盆缝合、尾缘叶背缝合、尾缘叶盆缝合、尾缘内外层缝合的顺序进行叶身的缝合加强再进行缝合。

纤维层叠的叶身内层前缘层13无尖锐区，可直接采用纤维层叠、卷曲等方式形成，纤维层叠的叶身内层尾缘层12在尾缘进行缝合，并在叶背侧开出一排孔形成尾缘劈缝的冷区道。

本实施例中形成空心叶片的双冷却腔结构；并在叶片尾缘位置通过设置冷气通道形成叶片尾劈缝，实现叶片尾缘的冷气通道，实现叶片高效冷却。层叠纤维通过简单的层间缝合以提高层间强度，改善复合材料叶片的宏观性能。本发明通过简单的纤维层叠方式，实现了气冷空心叶片的结构。

如图2和图9所示纤维层叠的叶身外层11根据需求的厚度确定出陶瓷纤维布的层数，然后将确定出所有陶瓷纤维布进行层叠得到一个整体的叶身外层，在进行叠层时，将层叠纤维在叶身尾缘位置进行缝合或针刺形成尖锐的叶身尾缘外侧，采用的搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层；

如图6、图7、图8、图9、图10和图11所示纤维层叠的叶身内层尾缘层12和纤维层叠的叶身内层前缘层13将叶身内部冷气通道分成前缘侧空腔和尾缘侧空腔，纤维层叠的叶身内层尾缘层12在尾缘位置进行纤维层搭接，搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层，并在纤维层搭接位置进行缝合或针刺。

如图8和图9所示纤维层叠的叶身外层11的尾劈缝通道位于外层的叶盆侧，纤维层叠的叶身内层尾缘层12的尾劈缝通道位于内层的叶背侧，纤维层叠的叶身内层尾缘层12叶背侧的尾劈缝通道为等截面，并大于内层尾缘层搭接区域，以使内腔冷气经劈缝流出；纤维层叠的叶身外层11叶盆侧的尾劈缝通道为扩张截面，如梯形截面。

在另一个实施例中，如图1和图2所示复合材料叶身1内外层纤维层在其接触的主要部位进行纤维缝合或针刺以增强层间性能；在复合材料叶身1的盆侧设有多排冷却孔，如图2所示该冷却孔与叶身内的冷却腔连通，能够使内腔冷却气从中流出，形成外侧冷气覆盖，提高冷却的效率，具体的是在叠层为一体的每一层陶瓷纤维布上都设有冷却孔，且该冷却孔从内层到外层的孔径依次变小，如图3所示内层上的冷却孔与叠层到内层上的外层上的冷却孔的孔径不对齐，且该内层上的1个冷却孔与外层上的多个冷却孔连通，使叠层在一起的多层陶瓷纤维布上的冷却孔形成树枝形冷却孔通道，在进行冷却时，能够增大冷却的面积，也不会造成因孔内的气流过大造成不稳定的情况发生，具体的如图2、图3、如图4和如图5所示，本实施例采用三层陶瓷纤维布叠层进行详细说明，内层陶瓷纤维布113、中层陶瓷纤维布112和外层陶瓷纤维布111；内层陶瓷纤维布113、中层陶瓷纤维布112和外层陶瓷纤维布111上的冷却孔的孔径依次减小，如图3所示冷空气从内层陶瓷纤维布113中的大径冷却孔进入，然后分散进入到中层陶瓷纤维布112中的中径冷却孔中进行一次分散，然后中径冷却孔中的冷空气分散进入到外层陶瓷纤维布111中的小冷却孔中进行二次分散，完成冷却空气进入后的分散冷却，提高了冷却的效率，且较少冷空气的流通效率。

进一步的，叶身尾缘劈缝通过在叶身内外层纤维层上开出通道构成。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，包括复合材料叶身（1）、复合材料缘板（2）及复合材料榫头（3），其特征在于：所述复合材料叶身（1）的前缘侧和尾缘侧共设置有两个冷却空腔，所述复合材料叶身（1）由多层纤维层叠的叶身外层（11）、纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）、纤维层叠的叶身内层前缘层（13）三部分经过层叠、缝合而成；在叠层、缝合时，首先将纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）和纤维层叠的叶身内层前缘层（13）按照叶片型面层叠后并放置在一起，在纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）和纤维层叠的叶身内层前缘层（13）相互接触的位置进行缝合，然后将多层纤维层叠的叶身外层（11）包覆在纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）和纤维层叠的叶身内层前缘层（13）的外侧，再进行缝合；

所述纤维层叠的叶身外层（11）由多层陶瓷纤维布层叠为一个整体铺层，层叠纤维在叶身尾缘位置进行缝合或针刺形成尖锐的叶身尾缘外侧，其搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层；

所述复合材料叶身（1）上设有多个冷却孔，且该冷却孔从外到内穿过复合材料叶身（1）的一端面与冷却空腔连通；

所述叶身外层（11）中的每一层陶瓷纤维布层叠都设有冷却孔，且从内到外冷却孔的孔径逐渐减小，且从内到外冷却孔的中心线不对齐，形成树枝形的冷却气通道；

所述纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）和纤维层叠的叶身内层前缘层（13）将叶身内部冷气通道分成前缘侧空腔和尾缘侧空腔，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）在尾缘位置进行纤维层搭接，搭接方式为叶盆侧纤维层搭接在叶背侧纤维层，并在纤维层搭接位置进行缝合或针刺；

所述纤维层叠的叶身内层前缘层（13）无尖锐区，采用纤维层叠、卷曲方式形成，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）在尾缘进行缝合，并在叶背侧开出一排孔形成尾缘劈缝的冷区道；

所述叶身尾缘劈缝通过在叶身内外层纤维层上开出通道构成；

所述纤维层叠的叶身外层（11）的尾劈缝通道位于外层的叶盆侧，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）的尾劈缝通道位于内层的叶背侧，所述纤维层叠的叶身内层尾缘层（12）叶背侧的尾劈缝通道为等截面，并大于内层尾缘层搭接区域，以使内腔冷气经劈缝流出。

2.如权利要求1所述的一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，其特征在于，所述复合材料叶身（1）内外层纤维层在其接触的设定部位进行纤维缝合或针刺以增强层间性能。

3.如权利要求1所述的一种陶瓷纤维层叠的双空腔气冷涡轮工作叶片结构，其特征在于，所述纤维层叠的叶身外层（11）叶盆侧的尾劈缝通道为截面为梯形的扩张截面。