CN112901279A - 一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，涉及一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。本发明的结构方案针对涡轮叶片的前缘区域，可实现陶瓷基复合材料构件与叶片金属基体快捷稳固相连，并且在不破坏叶片原有气动外型的前提下，有效的保护涡轮叶片前缘区域和减少对冷却气体的使用，以提高叶片的耐高温能力，以及发动机的推力性能。同时，该陶瓷铠甲在受损后，可在维修中方便更换，并使高价值的叶片金属基体重复利用延长寿命，从而使发动机的使用维护经济性得到大幅度提高。

Description

一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片
技术领域
本发明属于航空发动机涡轮叶片技术领域，涉及一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。
背景技术
对于航空涡轮发动机，涡轮前燃气温度的提高，意味着发动机推力和性能的提升。在现有1500℃量级的基础上，涡轮进气温度每提高100℃，发动机的推力可以相应的提升10％以上。根据预测，未来先进航空发动机的涡轮前温度有可能超过1800℃，这已经大幅度高于已知高温合金的安全工作温度和常规冷却措施的降温能力。为此，解决涡轮叶片承温能力不足的问题是研制高推重比航空发动机的关键所在。对于涡轮导向叶片来说，其前缘部分直接承受着来自燃烧室的高温高压高速燃气的冲击，是相对容易发生烧蚀破坏的部位，对冷却的需求也更高。目前对涡轮叶片前缘区域的冷却，常规的方法是采用冲击+对流+气膜的复合冷却方式。其典型结构如图1所示，即对涡轮叶片采用中空设计，在涡轮叶片前缘处加工出气膜孔，并采用冷气导管构造出冲击孔，通过冷却气射流冲击靶面增强对流换热，以及冷却气排出前缘时形成气膜覆盖隔绝燃气加热，来提高冷却效果。但随着下一代发动机涡轮进气温度的进一步提高，此类结构暴露出冷却效果低、冷气消耗量大的缺点，已经无法满足要求，迫切的需要改进叶片冷却结构和降低冷气用量。
发明内容
陶瓷基复合材料相较于高温合金可以在更高的环境温度下安全工作，且具有化学性质稳定、耐腐蚀氧化、导热系数低等优点，是替代传统高温合金制作涡轮叶片的可能材料。但是由于陶瓷基复合材料相较金属缺乏足够的强度，加之涡轮叶片在工作中需承受巨大的离心力和气动力载荷，因此难以制成叶片。为解决该问题，实现陶瓷基复合材料在涡轮叶片上的工程应用，发明了一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。该结构方案针对涡轮叶片的前缘区域，可实现陶瓷基复合材料构件与叶片金属基体快捷稳固相连，并且在不破坏叶片原有气动外型的前提下，有效的保护涡轮叶片前缘区域和减少对冷却气体的使用，以提高叶片的耐高温能力，以及发动机的推力性能。同时，该陶瓷铠甲在受损后，可在维修中方便更换，并使高价值的叶片金属基体重复利用延长寿命，从而使发动机的使用维护经济性得到大幅度提高。
本发明的技术方案：
如图2所示，本发明为一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，由陶瓷基复合材料前缘、金属基体以及固定插销组成。其中主要的陶瓷基复合材料前缘包含两种用于固定的连接结构，即用于连接前缘部分的陶瓷铠甲销孔凸台，和用于固定压力面、吸力面部分的叶身固定卡扣。在安装时，一方面通过叶身固定卡扣***叶身固定槽孔并回弹卡止连接，一方面通过陶瓷铠甲销孔凸台***前缘固定槽孔再***固定插销实现连接，通过这种双重连接使得前缘铠甲牢固的固定在叶片金属基体之上。
所述的陶瓷铠甲销孔凸台的厚度随着伸出距离的增大而变薄，所形成销孔凸台楔形角度∠θ1的典型的取值范围为10°～20°。叶身固定卡扣的结构呈现沿叶型弦向弯曲的形状，卡扣头部凸起，并朝向叶身外侧。凸台和卡扣这两部分结构形成一体并光滑转接。
所述的金属基体一般为双联涡轮导向叶片，并由高温合金一体精密铸造而成。在金属基体内部留有内部冷却通道，通过从外部引入的冷却气体带走叶身的热量。金属基体的前缘和叶身留有槽孔，用于固定插销的安装和陶瓷铠甲卡扣的固定。
所述的固定插销也是由高温合金材料制造，并且是主要的受力部件，其插销直径φD1的典型取值范围为1～2mm。在使用时，通过同时***陶瓷铠甲和金属基体上的销孔，使二者得到连接固定。
本发明的有益效果：
1.提高了涡轮导向叶片的承温能力和航空发动机推力。
在燃气来流温度不变的情况下，由于陶瓷基复合材料具有较低的导热系数和较高的热阻，可以大幅度削减燃气向叶片金属基体传递的热量，使得被覆盖的金属区域温度得到有效降低，相对于无陶瓷铠甲且常规冷却状态可下降100℃以上，起到了明显的防护作用。有无陶瓷铠甲状态下的叶片沿垂直于壁面方向上的温度变化情况可见图3。此时虽然陶瓷铠甲的温度状态较高，但由于其耐温能力远高于金属，故仍可在安全工作范围之内。利用本发明所采用的上述原理，可以进一步提高涡轮的工作温度，使得叶片仍在可承受范围之内，从而实现发动机推力性能的提高。
2.相较于全陶瓷基复合材料叶片具有更高的强度
虽然陶瓷基复合材料耐温性能优越，但相较于金属材料来说，其强度和韧性不足是明显的劣势，因此难以制成对气动和机械负荷有较高要求的涡轮叶片。相比于完全使用陶瓷基复合材料的方案，本发明的叶片在主体上仍然使用高温合金作为主要受力部件，且陶瓷铠甲并不承受叶片的气动和机械负荷，仅需要基本力学性能和抗冷热疲劳能力即可，回避掉了陶瓷基复合材料强度和韧性较差的问题。通过本发明的解决方法可以使叶片的整体强度得到很好地提高，同时也加大了在高推重比航空发动机中应用陶瓷基复合材料构件的可能。
3.降低发动机的制造、使用和维护成本
在现有基于高温合金和常规冷却方案的涡轮导向叶片中，叶片的前缘相对容易发生烧蚀。而一旦叶片出现了烧蚀破坏，就意味着整个叶片将无法使用，需要更换。加之由于涡轮叶片通常采用价格高昂的合金元素，且制造工艺复杂，导致了发动机的换件(即使用和维护)成本很高。因此，叶片前缘冷却性能的提高，对于涡轮叶片寿命增长和发动机使用维护经济性的提高具有直接的作用和重要的意义。而本发明所设计的陶瓷基复合材料前缘，采用插销式固定，为可拆卸式设计。当陶瓷铠甲在长时间使用后或受外来物打伤发生破坏时，可将受损的铠甲部分在不破坏叶片金属基体的前提下拆卸和换新，从而使叶片整体使用寿命得到延长，以及降低发动机的制造、使用和维护成本，提高了经济性。
附图说明
图1为现有的冲击+对流+气膜的复合冷却方式示意图。
图2为采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片示意图。
图3为有无卡扣时，在叶片前缘厚度方向上的温度变化图。
图4为偏置插销式固定陶瓷铠甲的涡轮叶片结构图。
图中：1.涡轮叶片；2.前缘；3.气膜孔；4.冷气导管；5.冲击孔；6.陶瓷基复合材料前缘；7.金属基体；8.固定插销；9.陶瓷铠甲销孔凸台；10.叶身固定卡扣；11.叶身固定槽孔；12.前缘固定槽孔；13.销孔凸台楔形角度∠θ1；14.内部冷却通道；15.插销直径φD1；16.偏置式方形固定插销；17.偏置式方形固定插销边长L。
具体实施方式
实施例1
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
参见图2所示，本实施例为一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，它由陶瓷基复合材料前缘6、金属基体7、固定插销组成8。陶瓷基复合材料前缘6由陶瓷基复合材料制成，金属基体7和固定插销8均由高温合金制成。使用时，同时***陶瓷铠甲和金属基体7上的销孔，使二者得到连接固定。为了顺利安装和保证结构的足够牢固，固定插销直径φD1为1.6mm，陶瓷铠甲销孔凸台9的朝向与燃气方向平行。销孔凸台楔形角度∠θ1＝16°。
实施例2
如图4所示，本实施例为一种采用偏置插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，在本实施例中，固定插销8位置处于偏置。其中，陶瓷基复合材料前缘6部分开有半方形销孔，而金属基体7部分开有完整正方形销孔。偏置式方形固定插销16为主要受力部件。为了保证可靠性，17.偏置式方形固定插销边长L＝1.2mm，陶瓷铠甲销孔凸台角度与燃气方向平行。销孔凸台楔形角度边长∠θ1＝12°。

Claims (3)

1.一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，包括陶瓷基复合材料前缘(6)、金属基体(7)以及固定插销(8)组成；所述的陶瓷基复合材料前缘(6)包含陶瓷铠甲销孔凸台(9)和叶身固定卡扣(10)；叶身固定卡扣(10)***叶身固定槽孔(11)，陶瓷铠甲销孔凸台(9)***前缘固定槽孔(12)再***固定插销(8)实现连接，通过这种双重连接使得前缘铠甲牢固的固定在叶片金属基体(7)之上；
所述的陶瓷铠甲销孔凸台(9)的厚度随着伸出距离的增大而变薄，所形成销孔凸台楔形角度∠θ1(13)的取值为10°～20°；叶身固定卡扣(10)的结构呈现沿叶型弦向弯曲的形状，卡扣头部凸起，并朝向叶身外侧；凸台和卡扣这两部分结构形成一体并光滑转接；所述的金属基体(7)的前缘和叶身留有槽孔，用于固定插销(8)和陶瓷铠甲卡扣。
2.如权利要求1所述的一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的金属基体(7)内部留有内部冷却通道(14)，通过从外部引入的冷却气体带走叶身的热量。
3.如权利要求1或2所述的一种采用插销固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于，所述的固定插销(8)的插销直径φD1(15)的取值为1～2mm。
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