【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及复合材料的，尤其涉及基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构。
技术介绍
1、陶瓷基复合材料(cmcs)由于其优异的力学、电子与抗氧化等性能，在多种使用环境如航天载具、航空发动机、核能保护、制动系统中均有十分优异的表现。在以上诸多应用中，cmcs的应用被证明能显著提升航空发动机的推重比及效率。有研究表明，将陶瓷基复合材料用于燃烧室、涡轮、加力燃烧室和喷管等热端部件，可使发动机工作温度提高300-500摄氏度，结构减重50-70％，推力提高30％-100％。
2、叶冠结构主要存在于转速相对较低的低压涡轮转子叶片上。由于涡轮转子叶片在工作中不仅要考虑热环境的影响，还要承受每分钟数千到数万转的转速，因此强度问题更为严峻。cmcs作为各向异性复合材料，在各方向上具有明显的性能差异。为了同时兼顾cmcs的材料特性与结构的受力特点，从细观尺度对叶冠-叶身结构进行设计才能充分发挥材料的潜能。
3、然而，目前的公开文献中对cmcs叶冠-叶身结构的设计大多只考虑了结构的宏观外形，缺少对细观编织结构的设计。而对于叶冠与叶身之间的连接，一般采用缝合、焊接或销钉连接的方式。这种方法增加了结构的复杂度，且会在制备的过程中对内部纤维造成损伤。考虑到叶冠与叶身之间的外形差异巨大且具有明显的细观非周期性，如何进行叶冠与叶身的整体编织并使纤维束在结构间有效过渡，从而发挥结构及材料的整体性能是阻碍cmcs涡轮转子结构设计的一大难题。
技术实现思路
1、本专利技术所要解决
2、为实现上述技术目的，本专利技术采取的技术方案为：
3、基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，包括叶冠和叶身，叶冠包括上缘板，叶身的尾缘与叶冠连接，上缘板包括上缘板经纱和上缘板纬纱，叶身包括叶身经纱和叶身纬纱，上缘板经纱和上缘板纬纱相互交错编织，叶身经纱和叶身纬纱相互交错编织，叶身为纵截面由两条长曲线及两段短圆弧构成的、具有空气动力学轮廓的结构，两条长曲线分别为叶盆曲线与叶背曲线，两段短圆弧分别为叶身前缘和叶身尾缘，叶背曲线为轮廓中突出段，构成叶身吸力面，叶盆曲线为轮廓中凹陷段，构成叶身压力面，叶盆曲线与叶背曲线端部之间分别由叶身前缘和叶身尾缘连接，其中气体来流方向的短圆弧为叶身前缘，气体去流方向的短圆弧为叶身尾缘，叶身中至少部分叶身经纱从与上缘板配合的一端引出后按照叶盆曲线所在一边和叶背曲线所在一边的方向平均分为两组，同组叶身经纱合并，形成两束上缘板结接纱，参与上缘板的编织，上缘板结接纱在上缘板经纱间的缝隙穿过，与上缘板经纱和上缘板纬纱共同进行三维正交编织，形成互锁结构。
4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
5、上述的叶冠包括封严篦齿，封严篦齿位于上缘板的上表面，封严篦齿包括封严篦齿经纱和封严篦齿纬纱，封严篦齿经纱从上缘板最外侧出发，由最上层的部分上缘板纬纱在靠近叶冠中心处引出并向上弯折，严篦齿经纱在封严篦齿纬纱间穿插缠绕，构成封严篦齿。
6、上述的上缘板上下表面为沿叶身所在涡轮圆周方向的不规则曲面，多个沿涡轮周向分布的叶片上缘板的边缘相互接触形成涡轮气流通道的上壁面，上缘板沿涡轮圆周方向延伸，上缘板与叶身前缘垂直或近似垂直。
7、上述的上缘板圆周方向两侧为锯齿状曲面，相邻上缘板通过锯齿状曲面相互啮合。
8、上述的上缘板厚度从叶身与上缘板的连接处向锯齿状曲面方向逐渐减小。
9、上述的叶身采用2维或2.5维或3维斜纹编织方法编织，其中叶身经纱沿垂直于叶身纵截面方向进行编织，叶身纬纱沿平行叶身纵截面方向编织。
10、上述的叶身经纱中只有一半被引出参与上缘板的编织，其余与上缘板经纱处于同一平面的叶身经纱延伸至叶身与上缘板过渡处截断。
11、上述的上缘板经纱、上缘板纬纱、叶身经纱和叶身纬纱均由陶瓷基复合材料制作。
12、上述的叶冠上设置有两道封严篦齿，这两道封严篦齿相互平行设置。
13、上述的严篦齿经纱和封严篦齿纬纱均由陶瓷基复合材料制作。
14、本专利技术具有以下优点：
15、1、本专利技术公开了一种材料性能与结构、载荷相匹配的叶冠-叶身细观结构，与现有宏观设计相比能够使载荷在材料中的传递方向与材料性能最佳方向相匹配，更能够发挥cmcs的优异性能。
16、2、本专利技术中的cmcs叶冠-叶身结构采用了基于三维正交机织工艺的一体化编织方法，能够有效避免采用分体式编织方法时产生的纤维分层，提高结构的整体刚度，避免使用缝合、铆接及其他加强方式对纤维造成损伤。
17、3、本专利技术中的cmcs叶冠-叶身结构采用纱线合并的方式解决了叶身与叶冠之间纱线连接过渡的问题，能够充分利用连续纱线的力学性能，增强了上缘板的刚度。同时具有较强的适应性，能够在不改变叶冠编织方式的情况下，搭配多种叶身编织结构。
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1.基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，包括叶冠(1)和叶身(2)，所述的叶冠(1)包括上缘板(11)，所述的叶身(2)的尾缘与叶冠(1)连接，上缘板(11)包括上缘板经纱(11a)和上缘板纬纱(11b)，所述的叶身(2)包括叶身经纱(2a)和叶身纬纱(2b)，所述的上缘板经纱(11a)和上缘板纬纱(11b)相互交错编织，所述的叶身经纱(2a)和叶身纬纱(2b)相互交错编织，其特征是：所述的叶身(2)为纵截面由两条长曲线及两段短圆弧构成的、具有空气动力学轮廓的结构，两条长曲线分别为叶盆曲线(22)与叶背曲线(21)，两段短圆弧分别为叶身前缘(23)和叶身尾缘(24)，所述的叶背曲线(21)为轮廓中突出段，构成叶身吸力面，所述的叶盆曲线(22)为轮廓中凹陷段，构成叶身压力面，叶盆曲线(22)与叶背曲线(21)端部之间分别由叶身前缘(23)和叶身尾缘(24)连接，其中气体来流方向的短圆弧为叶身前缘(23)，气体去流方向的短圆弧为叶身尾缘(24)，所述的叶身(2)中至少部分叶身经纱(2a)从与上缘板(11)配合的一端引出后按照叶盆曲线(22)所在一边和叶背曲线(21)所
2.根据权利要求1所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的叶冠(1)包括封严篦齿(12)，封严篦齿(12)位于上缘板(11)的上表面，所述的封严篦齿(12)包括封严篦齿经纱(12a)和封严篦齿纬纱(12b)，所述的封严篦齿经纱(12a)从上缘板(11)最外侧出发，由最上层的部分上缘板纬纱(11b)在靠近叶冠(1)中心处引出并向上弯折，严篦齿经纱(12a)在封严篦齿纬纱(12b)间穿插缠绕，构成封严篦齿(12)。
3.根据权利要求2所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的上缘板(11)上下表面为沿叶身(2)所在涡轮圆周方向的不规则曲面，多个沿涡轮周向分布的叶片上缘板(11)的边缘相互接触形成涡轮气流通道的上壁面，上缘板(11)沿涡轮圆周方向延伸，上缘板(11)与叶身前缘(23)垂直或近似垂直。
4.根据权利要求3所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的上缘板(11)圆周方向两侧为锯齿状曲面(13)，相邻上缘板(11)通过锯齿状曲面(13)相互啮合。
5.根据权利要求4所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的上缘板(11)厚度从叶身(2)与上缘板(11)的连接处向锯齿状曲面(13)方向逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的叶身(2)采用2维或2.5维或3维斜纹编织方法编织，其中叶身经纱(2a)沿垂直于叶身纵截面(20)方向进行编织，叶身纬纱(2b)沿平行叶身纵截面(20)方向编织。
7.根据权利要求6所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的叶身经纱(2a)中只有一半被引出参与上缘板(11)的编织，其余与上缘板经纱(11a)处于同一平面的叶身经纱(2a)延伸至叶身(2)与上缘板(11)过渡处截断。
8.根据权利要求1所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的上缘板经纱(11a)、上缘板纬纱(11b)、叶身经纱(2a)和叶身纬纱(2b)均由陶瓷基复合材料制作。
9.根据权利要求2所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的叶冠(1)上设置有两道封严篦齿(12)，这两道封严篦齿(12)相互平行设置。
10.根据权利要求2所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的严篦齿经纱(12a)和封严篦齿纬纱(12b)均由陶瓷基复合材料制作。
...【技术特征摘要】
1.基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，包括叶冠(1)和叶身(2)，所述的叶冠(1)包括上缘板(11)，所述的叶身(2)的尾缘与叶冠(1)连接，上缘板(11)包括上缘板经纱(11a)和上缘板纬纱(11b)，所述的叶身(2)包括叶身经纱(2a)和叶身纬纱(2b)，所述的上缘板经纱(11a)和上缘板纬纱(11b)相互交错编织，所述的叶身经纱(2a)和叶身纬纱(2b)相互交错编织，其特征是：所述的叶身(2)为纵截面由两条长曲线及两段短圆弧构成的、具有空气动力学轮廓的结构，两条长曲线分别为叶盆曲线(22)与叶背曲线(21)，两段短圆弧分别为叶身前缘(23)和叶身尾缘(24)，所述的叶背曲线(21)为轮廓中突出段，构成叶身吸力面，所述的叶盆曲线(22)为轮廓中凹陷段，构成叶身压力面，叶盆曲线(22)与叶背曲线(21)端部之间分别由叶身前缘(23)和叶身尾缘(24)连接，其中气体来流方向的短圆弧为叶身前缘(23)，气体去流方向的短圆弧为叶身尾缘(24)，所述的叶身(2)中至少部分叶身经纱(2a)从与上缘板(11)配合的一端引出后按照叶盆曲线(22)所在一边和叶背曲线(21)所在一边的方向平均分为两组，同组叶身经纱(2a)合并，形成两束上缘板结接纱(11c)，参与上缘板(11)的编织，所述的上缘板结接纱(11c)在上缘板经纱(11a)间的缝隙穿过，与上缘板经纱(11a)和上缘板纬纱(11b)共同进行三维正交编织，形成互锁结构。
2.根据权利要求1所述的基于三维正交机织工艺的陶瓷基复合材料叶冠-叶身结构，其特征是：所述的叶冠(1)包括封严篦齿(12)，封严篦齿(12)位于上缘板(11)的上表面，所述的封严篦齿(12)包括封严篦齿经纱(12a)和封严篦齿纬纱(12b)，所述的封严篦齿经纱(12a)从上缘板(11)最外侧出发，由最上层的部分上缘板纬纱(11b)在靠近叶冠(1)中心处引出并向上弯折，严篦齿经纱(12a)在封严篦齿纬纱(12b)间穿插缠绕，构成封严篦齿(12)。
3.根据权利要求2所述的基于三维正交机织工艺的...
【专利技术属性】
技术研发人员：周岳，张盛，刘晨阳，陈强，高希光，宋迎东，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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