【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于航空发动机和燃气轮机，涉及一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。
技术介绍
1、对于航空发动机和燃气轮机而言，提高涡轮叶片进口燃气温度能有效增加发动机的推力或功率。根据相关计算，在发动机体积不变的情况下，进口燃气温度每提高55℃，发动机推力便能提高10％。但对于涡轮叶片所用的高温合金，允许的长期工作温度很难超过1200℃，而相关预测显示：未来航空发动机的进口燃气温度极有可能突破2000℃，该温度超过了已知高温合金的耐温极限。为了解决该问题，常采用气膜冷却技术来对涡轮叶片进行降温。如图1所示为某型双联涡轮导向叶片结构，该涡轮叶片1采用中空设计，在涡轮叶片叶身加工出气膜孔2，并采用冷气导管3构造出冲击孔4，通过冷却气射流冲击靶面增强对流换热，以及冷却气排出气膜孔2时形成气膜覆盖来隔绝燃气加热，来提高冷却效果。但随着燃气温度的提高，此类基于高温合金材料和对流冷却的涡轮叶片架构开始暴露出冷却效率低下，冷气消耗量大以及承温能力有限等问题，制约了燃气温度水平和发动机性能的提高。
2、陶瓷基复合材料由陶瓷基体和纤维组成，具有以下特点：①密度低，陶瓷基复合材料的密度仅为高温合金的1/4-1/3；②耐高温，能承受高达1500℃的高温；③化学性质稳定以及耐腐蚀。这些都预示着采用陶瓷基复合材料替代高温合金用于制作涡轮叶片可以获得诸多优势。虽然陶瓷基复合材料能解决涡轮叶片耐燃气高温问题，但其强度偏低，以及具有脆性较大的缺点，而涡轮叶片在工作中需要承受较大的气动载荷和离心载荷等，故导致该材料难以直接制作成涡轮叶片。为此，本专利专
技术实现思路
1、为解决上述问题，实现陶瓷基复合材料在涡轮叶片上的应用，专利技术了一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片。本专利技术可实现将陶瓷基复合材料与金属叶片装配连接，从而使金属作为基体承受施加给叶片的主要力学载荷，并由陶瓷基复合材料构成铠甲隔绝高温燃气对内部结构的烧蚀，即承担主要热载荷，通过这种由两种材料的构件各自发挥优势并相互结合的方法，从而有效解决叶片耐温能力不足和发动机性能不佳的问题。
2、本专利技术的技术方案：
3、一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：包括陶瓷铠甲、涡轮叶片金属基体、弹簧；陶瓷铠甲位于涡轮叶片金属基体上。
4、所述的陶瓷铠甲包括陶瓷基复合材料前缘铠甲、陶瓷基复合材料叶背铠甲、陶瓷基复合材料叶盆铠甲、陶瓷基复合材料上缘板铠甲、陶瓷基复合材料下缘板铠甲。
5、为了更大面积的保护涡轮叶片金属基体，陶瓷铠甲被安装在涡轮叶片金属基体的前缘、叶盆和叶背的前半部、上/下缘板的前半部，陶瓷铠甲占叶片与燃气接触面积的50％以上。所述陶瓷铠甲不少于两块，并在叶身表面采用阵列式布局。陶瓷铠甲分布根据叶片和铠甲的大小进行行与列的数量调整，并且相邻行或列中的陶瓷铠甲数量可以不同，陶瓷铠甲在外观上呈现“田”字形或“品”字形交错式排列。
6、典型的叶身上的陶瓷铠甲可为4行4列的结构布置，总计16块。其中陶瓷基复合材料叶盆铠甲有2列，位于叶片盆侧；陶瓷基复合材料前缘铠甲有1列，位于叶片前缘；陶瓷基复合材料叶背铠甲有1列，位于叶片的叶背。
7、因为叶片尾缘区域较薄，陶瓷铠甲较难装配于其上，故在这些区域完全采用金属构成叶型，并采用常规冷却方式；
8、叶身、叶片的上、下缘板表面设有陶瓷铠甲，分别为陶瓷基复合材料上缘板铠甲和陶瓷基复合材料下缘板铠甲。
9、因为缘板流道面被叶型切割后形状复杂，使得铠甲分布随叶型曲线布置，所以并不是严格的行与列。在缘板靠近尾缘处的热载荷较小，故可以不覆盖陶瓷铠甲，采用简单冷却或者不冷却。
10、采用弹簧连接相邻两块陶瓷铠甲，以保证其不从涡轮叶片金属基体上脱落。为了保证冷气能够流过叶片和陶瓷铠甲并形成冷却，在相邻两块陶瓷铠甲之间设计有铠甲间隙宽度w1，典型取值范围为0.1～0.5mm。而为了使冷气能够更顺畅的流出，以及同时为了形成气膜覆盖以强化冷却，通过对陶瓷铠甲形状的控制，设计了铠甲间隙与燃气流动方向的夹角∠θ1，其典型的取值范围为-30°～30°。
11、以陶瓷基复合材料前缘铠甲为例，其典型结构如图3所示，由呈片状的铠甲和与其中心垂直相连的挂钩组成。为了完成陶瓷铠甲在叶片上的安装，以及保证弹簧不会从挂钩中脱落，设计的挂钩由两分段组成：一段是直接与铠甲相连接且与其垂直的的挂钩垂直段，负责穿过涡轮叶片金属基体壁面；与垂直段相连的为挂钩倾斜段，其轴线与垂直段之间的夹角为钝角，该挂钩垂直段与倾斜段之间的夹角∠θ2的典型取值范围为110°～150°。其余如图4、5所示的其它类型铠甲，也都具有相同类型的挂钩垂直段和挂钩倾斜段，并且二者之间也具有∠θ2的夹角。
12、为了保证该涡轮叶片的气动性能，陶瓷铠甲在装配至涡轮叶片金属基体后，组合式涡轮叶片外表面需构成完整叶型，为此陶瓷铠甲的各中心面和横截面中心线、叶背或下缘板铠甲横截面中心线、叶盆或上缘板铠甲横截面中心线应具有与该涡轮叶型相匹配的曲率。
13、例如图3所示为陶瓷基复合材料前缘铠甲，在c-c截面上，其前缘铠甲横截面中心线向挂钩一侧弯曲且具有较大的曲率，以与叶片前缘较为狭窄的区域相匹配；图4所示为陶瓷基复合材料叶背铠甲或下缘板铠甲，在e-e截面上，其叶背或下缘板铠甲横截面中心线向挂钩一侧弯曲，但曲率相对前缘铠甲较小，以与叶片中呈凸起状的流道面相匹配；图5所示为陶瓷基复合材料叶盆铠甲或上缘板铠甲，在g-g截面上，其叶盆或上缘板铠甲横截面中心线向挂钩另一侧弯曲，曲率相对前缘铠甲较小，与背侧或下缘板相当，以与叶片中呈凹陷状的流道面相匹配。为了配合挂钩完成铠甲的安装，特殊设计了铠甲安装孔，如图6所示，所述的涡轮叶片金属基体设有铠甲安装孔，整个铠甲安装孔包括倾斜孔和垂直孔，两型孔均贯穿壁面，且在中间有部分重叠，使得铠甲安装孔的截面呈近似“x”形。倾斜孔与垂直孔轴线的夹角∠θ4典型取值范围可为30°～70°，并与挂钩垂直段与倾斜段之间的夹角∠θ2互补。
14、如图7所示为单块陶瓷基复合材料前缘铠甲、陶瓷基复合材料叶背铠甲、陶瓷基复合材料叶盆铠甲、陶瓷基复合材料上缘板铠甲、陶瓷基复合材料下缘板铠甲中的挂钩穿过铠甲安装孔的安装过程，可以分为两步：第一步，铠甲沿着倾斜的方向移动，并由倾斜孔对挂钩倾斜段施加约束，使之沿着倾斜孔的轴线方向移动，直至挂钩垂直段移动至垂直孔所在位置后停止；第二步，铠甲沿着叶片壁面法向移动，并由垂直孔对挂钩垂直段施加约束，使之沿着垂直孔的轴线方向移动，直至铠甲与涡轮叶片金属基体贴合或间隙较小，即完成单块陶瓷铠甲的安装。
15、图8表示陶瓷基复合材料前缘铠甲、陶瓷基复合材料叶背铠甲、陶瓷基复合材料叶盆铠甲、陶瓷基复合材料上缘板铠甲、陶瓷基复合材料下缘板铠甲在涡轮叶片金属基体上的装配过程：陶瓷基复合材料叶盆铠甲沿着涡轮叶片叶盆部位对应的铠甲安装孔，执行图7所示的安装过程，直至铠甲与涡轮叶片金属基体接触，然本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：包括陶瓷铠甲、涡轮叶片金属基体(11)、弹簧(12)；陶瓷铠甲位于涡轮叶片金属基体(11)上；
2.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的陶瓷铠甲采用4行4列的结构布置，总计16块；其中陶瓷基复合材料叶盆铠甲(7)有2列，位于叶片盆侧；陶瓷基复合材料前缘铠甲(5)有1列，位于叶片前缘；陶瓷基复合材料叶背铠甲(6)有1列，位于叶片的叶背。
3.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的涡轮叶片金属基体(11)设有铠甲安装孔(20)，整个铠甲安装孔(20)包括倾斜孔(40)和垂直孔(41)，两型孔均贯穿壁面，且在中间有部分重叠，使得铠甲安装孔(20)的截面呈“X”形；倾斜孔与垂直孔轴线的夹角∠θ4(42)与挂钩垂直段与倾斜段之间的夹角∠θ2(19)互补。
4.如权利要求3所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的倾斜孔与垂直孔轴线的夹角∠θ4(42)为30°～70°；夹角∠θ2(19)为110°～150°。<...
【技术特征摘要】
1.一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：包括陶瓷铠甲、涡轮叶片金属基体(11)、弹簧(12)；陶瓷铠甲位于涡轮叶片金属基体(11)上；
2.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的陶瓷铠甲采用4行4列的结构布置，总计16块；其中陶瓷基复合材料叶盆铠甲(7)有2列，位于叶片盆侧；陶瓷基复合材料前缘铠甲(5)有1列，位于叶片前缘；陶瓷基复合材料叶背铠甲(6)有1列，位于叶片的叶背。
3.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的涡轮叶片金属基体(11)设有铠甲安装孔(20)，整个铠甲安装孔(20)包括倾斜孔(40)和垂直孔(41)，两型孔均贯穿壁面，且在中间有部分重叠，使得铠甲安装孔(20)的截面呈“x”形；倾斜孔与垂直孔轴线的夹角∠θ4(42)与挂钩垂直段与倾斜段之间的夹角∠θ2(19)互补。
4.如权利要求3所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的倾斜孔与垂直孔轴线的夹角∠θ4(42)为30°～70°；夹角∠θ2(19)为110°～150°。
5.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的弹簧(12)分为弹性外凸和弹性内凹两种，当相邻两个挂钩之间距离小于10mm，使用弹性外凸的弹簧(12)；当相邻两个挂钩之间距离大于10mm，使用弹性内凹的弹簧(12)。
6.如权利要求5所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡轮叶片，其特征在于：所述的弹簧(12)的弹簧直径d(31)为0.5mm-2mm；弹簧挂钩段宽度w6(29)为1.7mm-4.5mm。
7.如权利要求1所述的一种采用挂钩固定式陶瓷铠甲的涡...
【专利技术属性】
技术研发人员：吕东，戴小钦，李泳凡，王雷，徐景亮，孙一楠，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：
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