CN118008483A - 一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮转子叶片盘榫连接结构技术领域，具体公开了一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，包括左、右榫槽接触组件、榫头中心组件、楔形增强组件和铆钉组件，所述左、右榫槽接触组件通过铆钉组件连接在榫头中心组件的上部两侧，且位于两个楔形增强组件的上方，所述楔形增强组件通过铆钉组件连接在榫头中心组件的下部两侧。该组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构确保榫头与轮盘接触部位有足够的承载能力，同时具备工艺可行性，并发挥陶瓷材料耐高温、低密度的材料特性。

Description

一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构及制备方法

技术领域

本发明涉及涡轮转子叶片盘榫连接结构技术领域，具体是一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构及制备方法。

背景技术

航空发动机，特别是喷气式发动机，作为现代飞机的动力之源，在能量转化的过程中伴随着大量转子叶片做功。叶片在发动机工作的时候承受着气动、热力、机械等极其巨大且复杂的交变载荷，而所有的载荷最终都要通过榫头传递到轮盘上。由于陶瓷基复合材料(CMCs)密度仅为合金重量的三分之一，同时强度高，耐腐蚀，陶瓷基复合材料涡轮叶片的应用能极大地减少涡轮重量。并且，因为叶片数量庞大，其占发动机总重量比例也极为可观，设计针对陶瓷基复合材料叶片的盘榫连结构能能有效减轻发动机重量，提高发动机推重比。

在现代的航空发动机中，用于压气机叶片的盘榫连接结构形式一般是燕尾形或枞树形，而用于涡轮叶片的榫头形式则普遍为枞树形，这是由压气机和涡轮中叶片的所处环境和使用特点决定的：涡轮叶片所受温度较高，载荷较大，故而采用榫齿更多的枞树形榫头以改善其力学性能。也有一些发动机采用了叶片与轮盘一体制造的整体叶盘和整体叶轮结构，这些设计省去了连接结构，有效减去了轮盘和叶片的整体重量，但是也正由于是整体制造，叶片损坏后无法单独更换，使得维修的成本高昂。

陶瓷基复合材料转子叶片榫头部位结构复杂，承受叶片离心载荷及温度载荷等多种复杂工况，失效模式较为复杂。陶瓷基复合材料纤维作为主要承载组分，其空间排布方式对榫头的强度、寿命等性能影响较大。在不考虑榫头的受力特点下制备陶瓷基复合材料榫头结构，容易发生榫头部位提前失效、疲劳寿命低等问题，未能充分发挥材料性能优势。

发明内容

本发明的目的在于解决陶瓷基复合材料转子叶片榫头部位纤维连续完整性，确保榫头与轮盘接触部位有足够的承载能力，同时具备工艺可行性，并发挥陶瓷材料耐高温、低密度的材料特性。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，包括左、右榫槽接触组件、榫头中心组件、楔形增强组件和铆钉组件，所述左、右榫槽接触组件通过铆钉组件连接在榫头中心组件的上部两侧，且位于两个楔形增强组件的上方，所述楔形增强组件通过铆钉组件连接在榫头中心组件的下部两侧。

进一步的方案中，所述榫头中心组件通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设。

进一步的方案中，所述左、右榫槽接触组件通过纤维增强陶瓷基复合材铺设制作，铺设时中部具有内凹的弯折。

进一步的方案中，所述左、右榫槽接触组件与榫头中心组件之间通过楔形增强组件填充。

进一步的方案中，所述楔形增强组件采用单体陶瓷材料制备。

进一步的方案中，所述左、右榫槽接触组件和榫头中心组件用纤维增强陶瓷基复合材料制备。

进一步的方案中，所述铆钉组件包括两个铆钉，分别用于将左、右榫槽接触组件和楔形增强组件铆定在榫头中心组件的上下部中心位置。

本发明另一方面，提供一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的制备方法，包括：分别制作左、右榫槽接触组件、榫头中心组件和楔形增强组件纤维预制体；

通过铆钉组件将左、右榫槽接触组件、楔形增强组件与榫头中心组件纤维预制体连接。

进一步的方案中，通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设榫头中心组件，并在榫头中心组件上、下部钻铆钉孔；

通过单体陶瓷材料制备楔形增强组件，通过铆钉将楔形增强组件固定在榫头中心组件下部；

在榫头中心组件和楔形增强组件之间铺设弯折的纤维增强陶瓷基复合材，制作左、右榫槽接触组件，并通过铆钉将左、右榫槽接触组件与榫头中心组件固定连接。

进一步的方案中，所述楔形增强组件设置有斜面，用于与所述左、右榫槽接触组件的底面契合。

本发明的有益效果：

本发明较金属榫头结构，减少了纤维的弯折次数，降低了纤维预制体断裂的可能性，同时保证了榫头与榫槽连接部位。

按照本发明设计的陶瓷基复合材料转子叶片榫头结构纤维预制体方案，不仅工艺上加工难度大幅度降低，同时能也能提高榫头部位的承载能力。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明实施例中一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的分体式组合示意图；

图2是本发明实施例中一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的分体式示意图；

图3是本发明实施例中一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构铺设纤维布时的示意图；

图中：1/2、左、右榫槽接触组件；3、榫头中心组件；4/5、楔形增强组件；6/7、铆钉组件。

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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，包括左、右榫槽接触组件1/2、榫头中心组件3、楔形增强组件4/5和铆钉组件6/7，所述左、右榫槽接触组件1/2通过铆钉组件6/7连接在榫头中心组件3的上部两侧，左、右榫槽接触组件1/2用于形成叶片榫头结构的左右安装面，且位于两个楔形增强组件4/5的上方，所述楔形增强组件4/5通过铆钉组件6/7连接在榫头中心组件3的下部两侧，楔形增强组件4/5用于形成叶片榫头结构的的底面，通过底面和左右安装面与隼槽内表面契合，该分体式榫头叶片榫头结构可以大大降低整个榫头结构制作时的加工难度，同时提高了榫头部位的承载能力。

如图3所示，所述榫头中心组件3通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设。这样可以保证榫头中心组件3处的强度，同时便于其加工制作。

所述左、右榫槽接触组件1/2通过纤维增强陶瓷基复合材铺设制作，铺设时中部具有内凹的弯折。弯折的内凹用于与隼槽结构契合，提高连接强度，分体式制作左、右榫槽接触组件1/2，可以降低该部位的制作难度。

所述左、右榫槽接触组件1/2与榫头中心组件3之间通过楔形增强组件4/5填充。这样可以保证整个榫头结构在制作完成后强度好，特别是底部与隼槽结构契合部位，具有高连接强度。

所述楔形增强组件4/5采用单体陶瓷材料制备。这样可以减小加工周期，提高该部位的承载能力。

所述左、右榫槽接触组件1/2和榫头中心组件3用纤维增强陶瓷基复合材料制备。这样便于制作两者的预制体，减小加工周期。

所述铆钉组件6/7包括两个铆钉，分别用于将左、右榫槽接触组件1/2和楔形增强组件4/5铆定在榫头中心组件3的上下部中心位置。通过铆钉连接，可以降低预制体的制作时间。

具体的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的制备方法，可以是包括：分别制作左、右榫槽接触组件1/2、榫头中心组件3和楔形增强组件4/5纤维预制体；

如图2所示，通过铆钉组件6/7将左、右榫槽接触组件1/2、楔形增强组件4/5与榫头中心组件3纤维预制体连接。

通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设榫头中心组件3，并在榫头中心组件3上、下部钻铆钉孔；

通过单体陶瓷材料制备楔形增强组件4/5，通过铆钉将楔形增强组件4/5固定在榫头中心组件3下部；

在榫头中心组件3和楔形增强组件4/5之间铺设弯折的纤维增强陶瓷基复合材，制作左、右榫槽接触组件1/2，并通过铆钉将左、右榫槽接触组件1/2与榫头中心组件3固定连接。

所述楔形增强组件4/5设置有斜面，用于与所述左、右榫槽接触组件1/2的底面契合。

本领域技术人员应该能够知道，上述纤维布是通过上述纤维增强陶瓷基复合材料经纱和纬纱编织而成，部分经纱或者全部经纱同时作为叶片经纱，榫头与叶片整体性好，同时，本发明可根据榫头的具体载荷环境对经纱和纬纱的铺设密度进行调整，当榫头所受载荷较大时，可适当增大纬纱的铺设密度；当叶身所受拉伸载荷较大时，可适当增大经纱的铺设密度。此种细观可设计性可适应多种载荷环境。

由于所应用涡轮的转速、空气流速等特点不同，叶片所受载荷也不同，所述轴向卡式榫头在榫齿形式上有以下两种形式。第一种是轴向卡式榫头的榫齿可以超出叶身轮廓线在叶高方向的投影，其超出部分应小于叶身几何中线长度的三分之一，连接榫齿与叶片主体的圆弧向外凸，将榫头与叶身光滑过渡。在叶片所受载荷较大时，通过增加榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向外凸，以减小榫头所受应力。第二种是轴向卡式榫头的榫齿可以在叶身轮廓线在叶高方向的投影以内，其最小横截面的几何中线长度应大于叶片底部叶身几何中线的三分之二，连接榫齿与叶片主体的圆弧向内凹，将榫头与叶身光滑过渡。在叶片所受载荷较小时，通过减小榫头最小喉部截面的表面积，使整个榫头向内凹，使榫头在满足强度要求的情况下获得更轻的重量，同时与之配合的轮盘外缘也可相应变薄，减轻轮盘重量。通过设计不同的榫齿形状，使轴向卡式榫头适应不同载荷下的叶片结构，能有效拓宽该轴向卡式盘榫连接结构的适用范围。

由于陶瓷基复合材料的工艺限制，叶身与榫头所共用的纤维布不能有太大的弯折，这要求叶身和榫头表面需要光滑过渡。本发明设计了榫头结构，弯折角度小，可使榫头有效适应各种曲率的叶身，有利于叶身到榫头的光滑过渡，适合陶瓷基复合材料叶片的铺层设计。

本发明的榫槽与榫头配合时需留有一定空隙，以允许榫头受热进行自由膨胀，且冷却时叶片无法从轮盘上脱落。由于涡轮叶片所处的高温高转速环境，其在工作时必然会发生热膨胀，该空隙能保证叶片发生膨胀时能自由伸长，不与榫槽发生过度挤压，减少了热应力。

本发明的分体式叶片榫头结构，能在总体上减轻结构的重量，从而减少发动机整机重量，提高推重比。能够采用相类似的编织工艺与形式，编织难度低，分体编织能降低制备的成本，有效控制风险。分分体结构进行分别编织，不必考虑叶身到榫头的纤维布编织过渡问题，能够降低将叶片进行整体编织的难度。且在仅考虑单一结构时，更能有针对性的进行编织优化，提升局部性能。

需要说明的是，本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，包括左、右榫槽接触组件(1/2)、榫头中心组件(3)、楔形增强组件(4/5)和铆钉组件(6/7)，所述左、右榫槽接触组件(1/2)通过铆钉组件(6/7)连接在榫头中心组件(3)的上部两侧，且位于两个楔形增强组件(4/5)的上方，所述楔形增强组件(4/5)通过铆钉组件(6/7)连接在榫头中心组件(3)的下部两侧。

2.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述榫头中心组件(3)通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设。

3.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述左、右榫槽接触组件(1/2)通过纤维增强陶瓷基复合材铺设制作，铺设时中部具有内凹的弯折。

4.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述左、右榫槽接触组件(1/2)与榫头中心组件(3)之间通过楔形增强组件(4/5)填充。

5.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述楔形增强组件(4/5)采用单体陶瓷材料制备。

6.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述左、右榫槽接触组件(1/2)和榫头中心组件(3)用纤维增强陶瓷基复合材料制备。

7.根据权利要求1所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构，其特征在于，所述铆钉组件(6/7)包括两个铆钉，分别用于将左、右榫槽接触组件(1/2)和楔形增强组件(4/5)铆定在榫头中心组件(3)的上下部中心位置。

8.一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的制备方法，其特征在于，包括：

分别制作左、右榫槽接触组件(1/2)、榫头中心组件(3)和楔形增强组件(4/5)纤维预制体；

通过铆钉组件(6/7)将左、右榫槽接触组件(1/2)、楔形增强组件(4/5)与榫头中心组件(3)纤维预制体连接。

9.根据权利要求8所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的制备方法，其特征在于，通过纤维增强陶瓷基复合材料直纹铺设榫头中心组件(3)，并在榫头中心组件(3)上、下部钻铆钉孔；

通过单体陶瓷材料制备楔形增强组件(4/5)，通过铆钉将楔形增强组件(4/5)固定在榫头中心组件(3)下部；

在榫头中心组件(3)和楔形增强组件(4/5)之间铺设弯折的纤维增强陶瓷基复合材，制作左、右榫槽接触组件(1/2)，并通过铆钉将左、右榫槽接触组件(1/2)与榫头中心组件(3)固定连接。

10.根据权利要求8所述的一种组合陶瓷基复合材料叶片榫头结构的制备方法，其特征在于，所述楔形增强组件(4/5)设置有斜面，用于与所述左、右榫槽接触组件(1/2)的底面契合。