一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构制造技术

本发明专利技术属于涡轮转子领域，公开了一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，包括加强环、多个涡轮叶片和传扭盘，所述多个涡轮叶片的一端与所述传扭盘的外环插接，所述多个涡轮叶片的另一端与所述加强环的内环过盈配合连接。本发明专利技术通过优化涡轮转子的结构，将涡轮叶片的受力特点由承受拉应力改为承受压应力，使得涡轮叶片可以采用低密度、低成本、耐高温、抗压不抗拉的单体陶瓷材料，配合连续纤维增强陶瓷基复合材料和高温合金材料的传扭盘，有效提升了涡轮转子结构承温能力，降低结构重量，进而实现发动机推重比和功重比的大幅提升，本发明专利技术通过仿真模拟分析，可在满足功能需求和材料强度要求的前提下，实现涡轮转子重量降低50％。实现涡轮转子重量降低50％。实现涡轮转子重量降低50％。

【技术实现步骤摘要】
一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构


[0001]本专利技术属于涡轮转子领域，尤其涉及一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构。

技术介绍

[0002]单体陶瓷材料或连续纤维增强陶瓷基复合材料具有耐高温、低密度的材料特性，被认为是航空发动机上最具潜力的高温材料，如果将其应用到航空发动机涡轮转子件上，不仅可显著降低发动机重量，提升涡轮前温度，简化甚至去除发动机冷却系统，从而实现发动机功重比/推重比以及可靠性的大幅提升。传统的涡轮转子件结构可以分为整体式涡轮叶片盘和分体式涡轮叶片盘，前者涡轮叶片和涡轮盘为一体成型，后者涡轮叶片和涡轮盘分别加工，涡轮叶片通过榫接方式与涡轮盘进行连接，工作状态下，现有的涡轮转子结构方案中转子叶片的受力特点均以受拉为主，难以直接应用单体陶瓷材料或连续纤维增强陶瓷基复合材料，目前单体陶瓷材料或陶瓷基复合材料应用到涡轮转子件上主要存在以下技术问题：
[0003](1)如采用单体陶瓷材料制备传统涡轮转子件，虽然单体陶瓷材料成本低廉、构件制备周期短、抗压能力强，但是由于材料中缺少连续纤维进行增韧，导致材料脆性大、抗拉能力弱，无法满足传统涡轮转子件主要以承受拉力为主的强度要求。
[0004](2)如采用连续纤维增强陶瓷基复合材料制备传统涡轮转子件，由于传统涡轮转子件受力复杂，对于抗拉、抗弯都具有极高的强度要求，这对复合材料中纤维增强骨架结构的设计及制备提出了很高的要求，影响构件成品率。此外，该复合材料所需的耐高温连续纤维成本极高，导致该复合材料构件的综合制备成本居高不下。
[0005]因此，有必要提供一种全新的涡轮转子件(含涡轮叶片和涡轮盘)，改变涡轮叶片的受力特点，使得涡轮叶片适合采用单体陶瓷材料和连续纤维增强陶瓷基复合材料
。

技术实现思路

[0006]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种全新的涡轮转子件(含涡轮叶片和涡轮盘)，改变涡轮叶片的受力特点，使得该涡轮叶片适合采用单体陶瓷材料和连续纤维增强陶瓷基复合材料。
[0007]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0008]一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，包括加强环、多个涡轮叶片和传扭盘，
[0009]涡轮叶片的一端与传扭盘的外环插接，涡轮叶片的另一端与加强环的内环过盈配合连接。
[0010]可选的，加强环为锥形环。
[0011]可选的，传扭盘的外环沿圆周等距离设置有多个安装槽。
[0012]可选的，涡轮叶片包括第一端和第二端，涡轮叶片的第一端与安装槽一一对应插接，安装槽的尺寸大于涡轮叶片的第一端的截面尺寸，安装槽与涡轮叶片的第一端之间的间隙通过金属片填实。
[0013]可选的，涡轮叶片的第二端设置有安装块，多个安装块组装形成与加强环的内径相配合的锥面。
[0014]可选的，安装块的连接处设置有卡槽，相邻的两个安装块通过卡槽与锁片的两端连接，锁片的另外两端设置有限位块。
[0015]可选的，加强环为连续纤维增强陶瓷基复合材料的整环结构。
[0016]可选的，加强环的纤维主方向沿圆环周向。
[0017]可选的，涡轮叶片采用单体陶瓷材料。
[0018]可选的，传扭盘为高温合金材料的整环结构。
[0019]本专利技术的技术效果和优点：
[0020]1、本专利技术通过采用加强环、多个涡轮叶片和传扭盘的涡轮转子结构，多个涡轮叶片的一端与传扭盘的外环插接，多个涡轮叶片的另一端与加强环的内环过盈配合连接，使得涡轮叶片主要承受压应力，从而可采用抗压不抗拉的单体陶瓷材料制备涡轮叶片。
[0021]2、本专利技术的涡轮叶片与加强环之间采用锥面实现定位，避免了传统定位方式中槽、凸台或孔的加工，从而有效回避了陶瓷基复合材料或单体陶瓷材料不适合加工的缺点。
[0022]3、本专利技术的涡轮转子在工作状态下，单体陶瓷材料涡轮叶片在高温燃气冲击下高速旋转，同步带动连续纤维增强陶瓷基复合材料加强环和高温合金传扭盘旋转，整个转子结构通过高温合金传扭盘将功传递出去。单体陶瓷涡轮叶片与高温合金传扭盘之间为径向自由状态，单体陶瓷涡轮叶片的径向约束由外部的加强环提供，因此单体陶瓷材料涡轮叶片在工作状态下承受压应力，而非传统方案中的拉应力，单体陶瓷涡轮叶片的离心力则由连续纤维增强陶瓷基复合材料加强环承担，优化了涡轮叶片的扭矩传递路径和离心力传力路径分离方式。
[0023]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的涡轮转子的结构示意图；
[0025]图2为本专利技术的传扭盘的结构示意图；
[0026]图3为本专利技术的涡轮叶片与传扭盘的装配结构示意图；
[0027]图4为本专利技术的加强环的结构示意图；
[0028]图5为本专利技术的涡轮叶片的结构示意图；
[0029]图6为本专利技术的加强环与涡轮叶片的装配结构示意图；
[0030]图7为本专利技术的锁片结构示意图；
[0031]图8为本专利技术的锁片与涡轮叶片的装配结构示意图。
[0032]附图标记：1、加强环；2、涡轮叶片；3、传扭盘；4、安装槽；5、安装块；6、卡槽；7、锁片；8、限位块。
具体实施方式
[0033]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]图1为本专利技术的涡轮转子的结构示意图，如图1所示，本专利技术提供了一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，包括加强环1、多个涡轮叶片2和传扭盘3，多个涡轮叶片2的一端与传扭盘3的外环插接，多个涡轮叶片2的另一端与加强环1的内环过盈配合连接。
[0035]可选的，图2为传扭盘3的结构示意图，如图2所示，传扭盘3的外环沿圆周等距离设置有多个安装槽4，安装槽4用于与涡轮叶片2的一端插接。
[0036]可选的，图3为涡轮叶片2与传扭盘3的装配结构示意图，如图3所示，涡轮叶片2的第一端与安装槽4一一对应插接，安装槽4的尺寸大于涡轮叶片2的第一端的截面尺寸，安装槽4与涡轮叶片2的第一端之间的间隙通过金属片填实，金属片采用柔软的、耐高温材料，这样可实现涡轮叶片2与传扭盘3之间的柔性限位，工作状态下，涡轮叶片2可以在安装槽4内沿径向自由滑动，这样可避免涡轮叶片2在径向承受拉应力，从而可采用抗压不抗拉的单体陶瓷材料制备的涡轮叶片2。
[0037]可选的，图4为加强环1的结构示意图，如图4所示，加强环1为锥形环，加强环1的一端截面直径小于另一端的截面直径。
[0038]可选的，图5为涡轮叶片2的结构示意图，如图5所示，涡轮叶片2的第二端设置有安装块5本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，其特征在于，包括加强环(1)、多个涡轮叶片(2)和传扭盘(3)，所述涡轮叶片(2)的一端与所述传扭盘(3)的外环插接，所述涡轮叶片(2)的另一端与所述加强环(1)的内环过盈配合连接。2.根据权利要求1所述的一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，其特征在于，所述加强环(1)为锥形环。3.根据权利要求2所述的一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，其特征在于，所述传扭盘(3)的外环沿圆周等距离设置有多个安装槽(4)。4.根据权利要求3所述的一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，其特征在于，所述涡轮叶片(2)包括第一端和第二端；所述涡轮叶片(2)的第一端与所述安装槽(4)一一对应插接，所述安装槽(4)的尺寸大于所述涡轮叶片(2)的第一端的截面尺寸，所述安装槽(4)与所述涡轮叶片(2)的第一端之间的间隙通过金属片填实。5.根据权利要求4所述的一种基于陶瓷材料的涡轮转子结构，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗潇，徐友良，黄兴，邱江，曾雨琪，汪文君，李坚，
申请(专利权)人：中国航发湖南动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：