一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，它包含叶型部件(2)和内核部件(5)，内核部件(5)安装在叶型部件(2)的内部；叶型部件(2)由纤维增强陶瓷基复合材料构成，叶型部件外表面(3)的外形呈三次样条曲面，确定了叶片的气动外形，叶型部件内表面(4)的形状也呈三次样条曲面，确定了内部区域；内核部件(5)由与叶型部件(2)完全不同的金属材料构成，内核部件(5)的外部形状与叶型部件(2)的内部形状相对应，其上设置有复数个冷却流道(6)，其中通冷却气流(7)来带走叶片(1)上的热量；冷却气流(7)流过冷却流道(6)，最终从叶片尾缘(11)流出；该叶片相比于高温合金叶片，提高了可用工作温度，减轻了结构质量，延长工作寿命，具有良好的应用前景。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，尤其涉及内部冷却的混合CMC (纤维增强陶瓷基复合材料)叶片，属于航空燃气涡轮发动机和地面重型燃气轮机
技术介绍
燃气涡轮发动机的核心机由压气机、燃烧室以及涡轮组成。很多燃烧室和涡轮部件是直接暴露在高温燃气中的，例如燃烧室、燃烧室与涡轮间的气流通道、涡轮静子叶片、涡轮转子叶片和包容它们的环形机匣段。我们知道随着燃气温度的升高，发动机的推力和效率会得到提高。现代高效率燃气涡轮发动机的燃气温度超过1600° C，这已经超过了与之接触结构材料的安全工作温度。因此，出现了不少方法用以保证这些部件的正常工作，包括气膜冷却、内部冷却和热障涂层TBC等。气膜冷却涉及压气机中冷空气的提取、冷空气在结构部件中的传送和与高温燃气流动的混合。冷却气膜是由冷空气从被冷却部件上气孔渗出所形成的。气膜冷却系统对于高温部件的冷却是非常有效的，但它会明显降低发动机的效率。冷却气流的压缩需要消耗能量，冷却气流量的增加会引起燃气温度的降低，而且气膜会对涡轮导向器叶片的平滑绕流产生干扰。内部冷却一般是从发动机压气机提取冷空气或从燃气涡轮发电站的其他有用循环中提取冷却蒸汽。内部冷却不会影响叶型周围的空气或燃气绕流，它不会以冷空气来稀释高温燃气，而且它所要求的冷却空气压力要小于气膜冷却，但是内部冷却会引起厚度方向的温度梯度，而且随着结构壁厚增加、材料热导率降低，内部冷却的效率会大大降低。如TBC之类的隔热结构得到发展，用以保护高温工作部件。尽管TBC对当代燃气涡轮发动机高温部件的起了有效的保护作用，但随着下一代发动机燃气温度的进一步提高，TBC的保护作用将会变得很有限。由于CMC的材料固有属性，它能比高温合金承受更高的工作温度，也就是说CMC能减少冷却用的空气流量，从而提高发动机推力和效率，减少发动机的尾气排放量。但是CMC材料的强度一般并不如高温合金高，因此应用在涡轮导向器叶片上就要求更厚的截面形状。由于CMC的低热导率和相关的截面厚度，内部闭路循环冷却一般不适合作为发动机部件的冷却方式。如果在叶型部件的内部冷却中用挡板或其他零件对准冷却气流，那么用来维持冷却气流的压力会超过叶型外部的燃气压力，因此不会发生任何由于高温燃气渗进叶片而引起的失效。为了在特定位置提供精确的冷却空气量，以保持合适的冷却温度、防止过冷却，这样的冷却流道一般要有复杂的几何形状。一般在CMC部件中很难制造出如此复杂的流道。下一代燃气涡轮发动机预想达到更高的工作温度，因此需要进一步发展CMC叶型和相应冷却方式。
技术实现思路
1.专利技术目的本专利技术的目的是提供一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，它包含由CMC(纤维增强陶瓷基复合材料)构成的叶型和金属材料构成的内核。金属内核上含有用于带走CMC叶型上热量的冷却空气流道。冷却流道由金属内核外表面开槽形成，提供对CMC叶型的对流换热冷却和热传导冷却。通过将内核与叶型至少(6)%的内壁粘合，由冷却空气压力所引起的内应力将大大减小。对各部件材料属性的选择将使系统的热应力达到最小。2.技术方案见图2-4，本专利技术为一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片(I)，它包含叶型部件⑵和内核部件(5)，内核部件(5)安装在叶型部件⑵的内部。叶型部件(2)由纤维增强陶瓷基复合材料CMC构成，叶型部件外表面(3)的外形呈三次样条曲面，确定了叶片的气动外形，叶型部件内表面(4)的形状也呈三次样条曲面，确定了内部区域。这里的CMC可以是任何已有的或在发展中的纤维增强陶瓷基复合材料。纤维和包围它们的基体可以是氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷或两者的任意组合。近年来发展出了广泛的由相同或不同组分的基体材料和增强相所结合成的CMC。纤维可以是连续纤维或非连续长纤维，基体可以包含晶须、小片状体或颗粒。增强纤维可以在基体层中规则排列，相邻层可以旋转一定角度来获得想要的力学强度。内核部件(5)由与叶型部件⑵完全不同的金属材料构成，内核部件(5)的外部形状与叶型部件(2)的内部形状 相对应，其上设置有多个冷却流道￠)，其中通冷却气流(7)来带走叶片(I)上的热量。冷却流道(6)是由内核部件外表面(8)上的沟槽来实现的。在内核部件(5)的前缘设置有圆柱形的通透进气风室(9)，该进气风室(9)用来从叶片的外部引入冷却气流。开孔(10)是用来连接进气风室(9)和冷却流道(6)的通道。通过对进气风室尺寸的选择，可以维持冷却气流(7)的压力在预定范围内。冷却气流(7)流过冷却流道￠)，最终从叶片尾缘(11)流出。内核部件外表面⑶与叶型部件内表面⑷通过粘结层(12)结合在一起，如图3所示。粘结层(12)可以是一层粘合剂或由叶型部件内表面(4)与内核部件外表面(8)贴合在一起烧结而成。粘结层(12)提供了将叶型部件(2)上的热量传输至内核部件(5)的热流通道，并依次传给冷却气流(7)。另外，将会有部分热量直接从叶型部件(2)传递给冷却气流(7)，因为叶型部件内表面⑷构成了冷却流道(6)的外部边界。叶型部件(2)上的陶瓷基复合材料提供了足够承受叶片热机械应力的强度。内核部件填补了叶型部件⑵内部的空腔，限制了叶型部件内表面⑷的面积，防止了如图1所示的现有技术叶片在工作中由于高压冷却气流所引起的气球效应。在叶片尾缘处内部冷却气流压力的减小是尤其有益的，它可以减小尾缘处的纤维增强陶瓷基复合材料CMC厚度。内核部件(5)对叶片的振动也有抑制作用，增加了叶片硬度和刚性，提高了振动抗性和可靠性，而且产生的噪音比先有设计更小。甚至，在内核部件(5)上设置的冷却流道(6)比现有的在CMC薄片中形成流道或利用内部金属鞘、挡板形成流道的技术更为简单。在制造时可以先制造叶型部件(2)，并利用它作为模具来铸造内核部件(5)。铸造中用以在内核部件(5)上形成流道的一次性模具在热力作用下会脱落。典型的模具材料有蜡、塑料和聚苯乙烯等。由于叶型部件(2)直接暴露在高温燃气中，温度远高于内核部件(5)，因此相应的热膨胀会引起叶型部件(2)与粘结层(12)中的张力。相应地就要求内核部件(5)的热膨胀系数(CTE)要大于叶型部件(2)的热膨胀系数(CTE)，这个差值至少能部分抵消温度变化，从而减小热膨胀中的热不匹配，最大程度地减小叶片工作过程中的热应力。为了保证粘结层(12)的结构完整性，就要求内核部件(5)的力学强度要小于粘结层(12)的力学强度。叶型部件(2)上的裂纹会引起冷却气流向高温燃气的不必要渗漏。粘结层(12)的脱层剥落会引起叶型部件(2)的冷却失效。因此，就要求内核部件(5)应用拉伸强度小于粘结层(12)和叶型部件(2)的材料，使之成为结构中的脆弱部分。内核部件(5)的设计应具有应变耐受性，以释放热应力所引起的载荷，当承受压力产生微裂纹时，会形成蠕变。它趋向于承受主要的载荷，如果内核部件的杨氏模量太高，那么叶型部件就无法承受比较多的载荷。对内核部件(5)热传导性能的要求取决于总体的热载荷、冷却流道(6)的数量和位置以及CMC叶型部件的热传导性。一般来说，氧化物CMC材料的热传导性低于非氧化物CMC的热传导性，因此对于氧化物CMC就要求内核部件材料具有更好的热传导性能。如图2所示的叶片(I)包含了沉积在叶型部件⑵外表面的热障涂层TBC。对它的设本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，其特征在于：它包含叶型部件(2)和内核部件(5)，内核部件(5)安装在叶型部件(2)的内部；叶型部件(2)由纤维增强陶瓷基复合材料构成，叶型部件外表面(3)的外形呈三次样条曲面，确定了叶片的气动外形，叶型部件内表面(4)的形状也呈三次样条曲面，确定了内部区域；内核部件(5)由与叶型部件(2)完全不同的金属材料构成，内核部件(5)的外部形状与叶型部件(2)的内部形状相对应，其上设置有复数个冷却流道(6)，其中通冷却气流(7)来带走叶片(1)上的热量；冷却流道(6)是由内核部件外表面(8)上的沟槽来实现，在内核部件(5)的前缘设置有圆柱形的通透进气风室(9)，该进气风室(9)用来从叶片的外部引入冷却气流；开孔(10)是用来连接进气风室(9)和冷却流道(6)的通道，通过对进气风室尺寸的选择，维持冷却气流(7)的压力在预定范围内；冷却气流(7)流过冷却流道(6)，最终从叶片尾缘(11)流出；内核部件外表面(8)与叶型部件内表面(4)通过粘结层(12)结合在一起，粘结层(12)是一层粘合剂或由叶型部件内表面(4)与内核部件外表面(8)贴合在一起烧结而成；粘结层(12)提供了将叶型部件(2)上的热量传输至内核部件(5)的热流通道，并依次传给冷却气流(7)；另外，将会有部分热量直接从叶型部件(2)传递给冷却气流(7)，因为叶型部件内表面(4)构成了冷却流道(6)的外部边界；叶型部件(2)上的陶瓷基复合材料提供了足够承受叶片热机械应力的强度，内核部件填补了叶型部件(2)内部的空腔，限制了叶型部件内表面(4)的面积，防止了叶片在工作中由于高压冷却气流所引起的气球效应；在叶片尾缘处内部冷却气流压力的减小是有益的，它减小尾缘处的纤维增强陶瓷基复合材料厚度；内核部件(5)对叶片的振动也有抑制作用，增加了叶片硬度和刚性，提高了振动抗性和可靠性，而且产生的噪音小；在内核部件(5)上设置的冷却流道(6)比现有的在纤维增强陶瓷基复合材料薄片中形成流道或利用内部金属鞘、挡板形成流道的技术更为简单，在制造时先制造叶型部件(2)，并利用它作为模具来铸造内核部件(5)；由于叶型部件(2)直接暴露在高温燃气中，温度远高于内核部件(5)，因此相应的热膨胀会引起叶型部件(2)与粘结层(12)中的张力；为了保证粘结层(12)的结构完整性，就要求内核部件(5)的力学强度要小于粘结层(12)的力学强度；叶型部件(2)上的裂纹会引起冷却气流向高温燃气的不必要渗漏，粘结层(12)的脱层剥落会引起叶型部件(2)的冷却失效，因此，就要求内核部件(5)应用拉伸强度小于粘结层(12)和叶型部件(2)的材料，使之成为结构中的脆弱部分；内核部件(5)的设计应具有应变耐受性，以释放热应力所引起的载荷，当承受压力产生微裂纹时， 会形成蠕变；叶片(1)还包含了沉积在叶型部件(2)外表面的热障涂层TBC，以防止高温环境下的热应变不匹配引起涂层脱落。...
【技术特征摘要】
1.一种混合型陶瓷基复合材料涡轮导向器叶片，其特征在于它包含叶型部件(2)和内核部件(5)，内核部件(5)安装在叶型部件(2)的内部；叶型部件(2)由纤维增强陶瓷基复合材料构成，叶型部件外表面(3)的外形呈三次样条曲面，确定了叶片的气动外形，叶型部件内表面(4)的形状也呈三次样条曲面，确定了内部区域；内核部件(5)由与叶型部件(2)完全不同的金属材料构成，内核部件(5)的外部形状与叶型部件(2)的内部形状相对应，其上设置有复数个冷却流道出)，其中通冷却气流(7)来带走叶片(I)上的热量；冷却流道(6)是由内核部件外表面(8)上的沟槽来实现，在内核部件(5)的前缘设置有圆柱形的通透进气风室(9)，该进气风室(9)用来从叶片的外部引入冷却气流；开孔(10)是用来连接进气风室(9)和冷却流道￠)的通道，通过对进气风室尺寸的选择，维持冷却气流(7)的压力在预定范围内；冷却气流(7)流过冷却流道(6)，最终从叶片尾缘(11)流出； 内核部件外表面(8)与叶型部件内表面(4)通过粘结层(12)结合在一起，粘结层(12)是一层粘合剂或由叶型部件内表面(4)与内核部件外表面(8)贴合在一起烧结而成；粘结层(12)提供了将叶型部件(2)上的热量传输至内核部件(5)的热流通道，并依次传给冷却气流(7);另外，将会有部分热量直接从叶型部件(2)传递给冷却气流(7)，因为叶型部件内表面(4)构成了冷却流道￠)的外部边界；叶型部件(2)上的陶瓷基复合材料提供了足够承受叶片热机械应力的强度，内核部件填补了叶型部件(2)内部的空腔，限制了叶型部件内表面(4)的面积，防止了叶片在工作中由于高压冷却气流所引起的气球效应；在叶片尾缘处内部冷却气流压力的减小是有益的，它减小尾缘处的纤维增强陶瓷基复合材料厚度；内核部件(5)对叶片的振动也有抑制作用，增加了叶片...
【专利技术属性】
技术研发人员：石多奇，牛宏伟，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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