【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及航空发动机领域，具体涉及一种涡轮导叶及包含其的涡轮和航空发动机。
技术介绍
1、目前商用航空发动机的高温起飞涡轮前燃气温度已达1978k，随着对航空发动机性能要求越来越高，涡轮前燃气温度也会越来越高，且对航空发动机的使用寿命要求也越来越长。现代研制的商用航空发动机，热端部件设计寿命不小于10000飞行循环(20000小时)。目前，针对高温涡轮静子件，在采用传统冷却技术和热障涂层技术条件下，传统高温合金材料的使用温度和服役性能已接近极限，难以满足下一代先进航空发动机的设计要求。采用陶瓷基复合材料(ceramic matrix composites，cmc)替代传统高温合金材料是提高航空发动机热端部件耐温能力和效率的最佳途径。
2、与传统的高温合金相比，陶瓷基复合材料具有如下优势：(1)耐高温，减少冷气量：耐高温材料可以减少涡轮部件的冷气量，从而提高涡轮部件效率；(2)耐腐蚀：高温环境下sic、si3n4等陶瓷能在表面形成氧化硅保护层，能满足1600℃以下高温抗氧化要求；(3)密度低：cmc的密度仅为高温合金的1/3～1/4，这样可以减轻发动机的重量，进一步提高发动机的效率；(4)提高燃烧温度，以及热效率，进而可以减少污染物排放75％。基于这些优势，民用航空发动机对减重以及后续对涡轮前进口温度提升的需求，在涡轮静子件如涡轮导向叶片上采用cmc材料成为未来航空发动机的必然选择。
3、在传统的金属二级涡轮导叶和部分cmc导叶的装配结构中，通过导叶的上、下缘板传递气动载荷至前后机匣或其他金属部件，此时
技术实现思路
1、本专利技术要解决的技术问题是现有技术中cmc导叶因材料的热膨胀系数偏小，在与金属部件配合的过程中容易存在热失配，导致高温下cmc导叶部件和金属部件之间产生较大的间隙影响涡轮的气动性能，并且cmc导叶的叶身与上下缘板之间的倒圆附近相对基体强度较低，无法承受较大的气动载荷，提供一种涡轮导叶及包含其的涡轮和航空发动机。
2、本专利技术是通过下述技术方案来解决上述技术问题：
3、本专利技术提供一种涡轮导叶，包括由cmc材料制成的导叶本体，所述涡轮导叶还包括盖板、弹性托板和承力部件，所述弹性托板包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板之间具有弹性件，所述导叶本体的长度方向的两端分别连接于所述盖板和所述上支撑板；
4、所述承力部件设于所述导叶本体的内腔中，所述承力部件的至少部分外表面抵接于所述导叶本体的内腔壁，所述承力部件的上端连接部与所述盖板连接，所述承力部件的下端连接部与所述下支撑板连接并使所述弹性件处于压缩状态。
5、在本方案中，在常温状态下将cmc材料制成的导叶本体通过弹性托板的弹性预紧力夹持固定并定位在盖板和弹性托板之间，通过盖板和弹性托板与涡轮内其他金属部件进行装配，cmc材料制成的导叶本体除与盖板和弹性托板的配合面外不设置其他装配结构，实现叶片制造工艺的简化；盖板和弹性托板通过承力部件相连，承力部件起到承力作用；高温工作状态时，在气动力的推动下，利用承力部件与导叶本体的内腔壁抵接实现传力，将导叶本体所受气动力直接传递至承力部件、盖板和弹性托板上，避免在cmc材料制成的导叶本体的倒圆薄弱处产生较大的应力，保证涡轮导叶可以承受较大的气动载荷；通过弹性托板的使用，使工作状态下的盖板和弹性托板与导叶本体之间始终保持接触状态，避免导叶本体与金属部件配合的过程中存在热失配的问题，消除高温下cmc导叶部件和金属部件之间可能产生较大的间隙，从而避免影响涡轮的气动性能。
6、较佳地，所述承力部件的上端连接部包括第一螺纹连接件，所述第一螺纹连接件与所述盖板通过螺母或螺栓固定；和/或，
7、所述承力部件的上端连接部包括凸台，所述盖板朝向所述承力部件的一侧具有凹槽，所述凸台与所述凹槽相匹配。
8、在本方案中，将承力部件的上端连接部设置成螺纹连接件，便于安装和拆卸，同时便于调整承力部件在导叶本体内的安装角度使得承力部件更好承受导叶本体传递的气动力。在承力部件上设置凸台，并与盖板上设置的凹槽配合形成榫卯结构，实现承力部件的定位和两者连接处的刚性加强。
9、较佳地，所述第一螺纹连接件设于所述凸台上，所述凹槽的底部对应设有供所述第一螺纹连接件穿过的第一通孔。
10、在本方案中，将第一螺纹连接件设于凸台上，使得承力部件与盖板连接处结构更加紧凑，同时降低第一螺纹连接件承受的径向力，避免第一螺纹连接件发生断裂。
11、较佳地，所述承力部件具有冷却腔，所述承力部件的侧壁贯穿有与所述冷却腔连通的冷却孔。
12、在本方案中，通过在承力部件内设置冷却腔，承力部件的侧壁设置冷却孔，使冷却腔内冷气对导叶本体的内壁形成冲击冷却以降低导叶本体的温度。
13、较佳地，所述凸台内设有第一引气孔，所述盖板上位于所述凹槽内设有与所述第一引气孔对应的第二引气孔，所述第二引气孔通过所述第一引气孔与所述冷却腔连通。
14、在本方案中，通过在凸台和盖板上对应设置第一引气孔和第二引气孔，便于将机匣外的冷却气流引入冷却腔内实现对cmc导叶本体的冷却。
15、较佳地，所述承力部件的底部设有第三引气孔，所述第三引气孔连通于所述冷却腔和所述导叶本体的内腔。
16、在本方案中，在承力部件的底部设有第三引气孔，使冷却气流主流通过冷却腔后自导叶下缘板和弹性托板之间流出，降低弹性托板内弹性件的工作温度，提高弹性件的可靠性，同时还可以降低导叶下缘板和弹性托板的温度，从而降低导叶下缘板和弹性托板的热变形幅度，降低热失配带来的影响。
17、较佳地，所述承力部件的外表面设有凸包，所述凸包抵接于所述导叶本体的内腔壁。
18、在本方案中，在承力部件的外表面设置凸包，保证承力部件与导叶本体抵接以使承力部件传递发动机工作时产生的气动力，且设置凸包可以允许导叶本体的内壁面存在制造偏差，无需额外设置配合面，简化了cmc导叶本体结构，使导叶本体的内外壁面允许制成复杂的三维曲面，以提高气动效率和简化制造工艺。并且，设置凸包可以使承力部件与导叶本体保持一定间隙，以获得较高的冲击冷却效率。
19、较佳地，所述导叶本体具有迎风面和背风面，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面和所述背风面对应的所述导叶本体的内腔壁，或，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面对应的所述导叶本体的内腔壁；和/或，
20、所述凸包为球形鼓包；和/或，
21、所述凸包与所述承力部件一体成型。
22、在本方案中，在强度允许的情况本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种涡轮导叶，包括由CMC材料制成的导叶本体，其特征在于，所述涡轮导叶还包括盖板、弹性托板和承力部件，所述弹性托板包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板之间具有弹性件，所述导叶本体的长度方向的两端分别连接于所述盖板和所述上支撑板；
2.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的上端连接部包括第一螺纹连接件，所述第一螺纹连接件与所述盖板通过螺母或螺栓固定；和/或，
3.如权利要求2所述的涡轮导叶，其特征在于，所述第一螺纹连接件设于所述凸台上，所述凹槽的底部对应设有供所述第一螺纹连接件穿过的第一通孔。
4.如权利要求2所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件具有冷却腔，所述承力部件的侧壁贯穿有与所述冷却腔连通的冷却孔。
5.如权利要求4所述的涡轮导叶，其特征在于，所述凸台内设有第一引气孔，所述盖板上位于所述凹槽内设有与所述第一引气孔对应的第二引气孔，所述第二引气孔通过所述第一引气孔与所述冷却腔连通。
6.如权利要求4所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的底部设有第三引气孔，所述第三引气孔连通于
7.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的外表面设有凸包，所述凸包抵接于所述导叶本体的内腔壁。
8.如权利要求7所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶本体具有迎风面和背风面，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面和所述背风面对应的所述导叶本体的内腔壁，或，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面对应的所述导叶本体的内腔壁；和/或，
9.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的下端连接部包括第二螺纹连接件，所述第二螺纹连接件与所述下支撑板通过螺母或螺栓固定。
10.如权利要求9所述的涡轮导叶，其特征在于，所述下支撑板的中部具有朝向所述上支撑板方向凸起的安装平台，所述上支撑板上对应设有供所述安装平台伸出的第二通孔，所述安装平台具有与所述第二螺纹连接件配合的第三通孔；
11.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶本体包括叶身、导叶上缘板和导叶下缘板，所述导叶上缘板和所述导叶下缘板分别位于所述叶身的长度方向的两端，所述导叶上缘板与所述盖板抵接，所述导叶下缘板与所述上支撑板抵接。
12.如权利要求11所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶上缘板和/或所述导叶下缘板与所述叶身可拆卸固定连接；和/或，
13.如权利要求11所述的涡轮导叶，其特征在于，沿所述导叶本体的弦向，所述盖板的两端具有向所述导叶上缘板方向延伸的限位部，所述导叶上缘板相对的两端抵接于两个所述限位部相对的侧壁。
14.如权利要求13所述的涡轮导叶，其特征在于，所述限位部的延伸长度小于所述导叶上缘板的厚度；和/或，
15.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，沿所述导叶本体的弦向，所述盖板的两端具有与涡轮机匣配合安装的前安装结构和后安装结构。
16.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述上支撑板和所述下支撑板之间还具有导向件，所述导向件的一端连接于所述上支撑板或所述下支撑板，所述导向件的另一端对应滑动连接于所述下支撑板或所述上支撑板的第一导向孔内。
17.如权利要求16所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导向件为销轴，所述销轴的一端与所述上支撑板或所述下支撑板过盈配合连接，所述销轴的另一端与所述下支撑板或所述上支撑板间隙配合连接；和/或，
18.如权利要求16所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶本体与所述上支撑板抵接的一端具有对应于所述导向件的第二导向孔，所述导向件的上端伸出所述上支撑板并与所述第二导向孔配合滑动。
19.如权利要求18所述的涡轮导叶，其特征在于，所述上支撑板为分体结构，各所述分体结构均与所述导叶本体抵接，各所述分体结构均设有所述第二导向孔。
20.一种涡轮，其特征在于，所述涡轮包含如权利要求1-19任意一项所述的涡轮导叶。
21.如权利要求20所述的涡轮导叶，其特征在于，所述涡轮还包括一级涡轮机匣和二级涡轮机匣，沿所述导叶本体的弦向，所述盖板的两端分别连接于所述一级涡轮机匣和所述二级涡轮机匣，所述下支撑板固定连接于涡轮机匣内侧的导叶内侧安装部。
22.一种航空发动机，其特征在于，所述航空发动机包含如权利要求20-21任意一项所述的涡轮。
...【技术特征摘要】
1.一种涡轮导叶，包括由cmc材料制成的导叶本体，其特征在于，所述涡轮导叶还包括盖板、弹性托板和承力部件，所述弹性托板包括上支撑板和下支撑板，所述上支撑板和所述下支撑板之间具有弹性件，所述导叶本体的长度方向的两端分别连接于所述盖板和所述上支撑板；
2.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的上端连接部包括第一螺纹连接件，所述第一螺纹连接件与所述盖板通过螺母或螺栓固定；和/或，
3.如权利要求2所述的涡轮导叶，其特征在于，所述第一螺纹连接件设于所述凸台上，所述凹槽的底部对应设有供所述第一螺纹连接件穿过的第一通孔。
4.如权利要求2所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件具有冷却腔，所述承力部件的侧壁贯穿有与所述冷却腔连通的冷却孔。
5.如权利要求4所述的涡轮导叶，其特征在于，所述凸台内设有第一引气孔，所述盖板上位于所述凹槽内设有与所述第一引气孔对应的第二引气孔，所述第二引气孔通过所述第一引气孔与所述冷却腔连通。
6.如权利要求4所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的底部设有第三引气孔，所述第三引气孔连通于所述冷却腔和所述导叶本体的内腔。
7.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的外表面设有凸包，所述凸包抵接于所述导叶本体的内腔壁。
8.如权利要求7所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶本体具有迎风面和背风面，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面和所述背风面对应的所述导叶本体的内腔壁，或，所述凸包设于所述承力部件朝向所述迎风面对应的所述导叶本体的内腔壁；和/或，
9.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述承力部件的下端连接部包括第二螺纹连接件，所述第二螺纹连接件与所述下支撑板通过螺母或螺栓固定。
10.如权利要求9所述的涡轮导叶，其特征在于，所述下支撑板的中部具有朝向所述上支撑板方向凸起的安装平台，所述上支撑板上对应设有供所述安装平台伸出的第二通孔，所述安装平台具有与所述第二螺纹连接件配合的第三通孔；
11.如权利要求1所述的涡轮导叶，其特征在于，所述导叶本体包括叶身、导叶上缘板和导叶下缘板，所述导叶上缘板和所述导叶下...
【专利技术属性】
技术研发人员：鲍骐力，洪辉，张诗尧，张屹尚，洪智亮，曹源，谭智勇，
申请(专利权)人：中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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